一种卫星钟差异常跳变自主监测及恢复系统及方法与流程

1.本发明涉及星载卫星钟高精度时频载荷生成与保持技术领域，更具体地讲，涉及一种卫星钟差异常跳变自主监测及恢复系统及方法。背景技术：2.在航天卫星载荷领域，高精度时频是整个系统时间频率维持的基准，其特性通过射频信号传递给业务载荷，从而实现信号层面的高精度传递或测量，其工作的可靠性、平稳性决定了系统工作的可靠度，特别是对于像卫星导航等连续运行的系统来说，时频特性显得尤为重要。3.从航天载荷在轨运行情况分析，卫星发生卫星钟发生频率或相位跳变是一个比较常见的故障现象，传统的恢复方法是通过地面监测及恢复的方法，其通过地面系统对信号的监测判断卫星钟发生异常跳变，然后计算出跳变前后的差值，再通过星地数据注入链路通过卫星钟跳频或调相指令对其就行纠正，该过程需要人工介入，对卫星钟的异常需要通过业务载荷的异常进行间接判断，数据处理过程复杂，实现从异常监监测到异常恢复的时间较长，一般以天为单位，大大增加了卫星的不可用时间。技术实现要素：4.本发明所要解决的技术问题是，提供一种卫星钟差异常跳变自主监测及恢复系统及方法，能够实现对卫星时频发生异常时的快速诊断、处理，保障卫星时频基准的平稳运行，且完全不需要地面控制系统介入，具有可靠性和连续性。5.本发明解决技术问题所采用的解决方案是：6.一方面：7.本发明公开了一种卫星钟差异常跳变自主监测及恢复系统，与原子钟组连接；包括中央处理单元、分别与中央处理单元连接的时频单元、自主运动单元和信号发生单元、与信号发生单元连接的监测测单元、以及与自主运动单元连接的星间测量单元；所述时频单元与原子钟组连接。8.在一些可能的实施方式中，在所述信号发生单元与监测单元之间设置有功率放大单元。9.另一方面：10.本发明还公开了一种卫星钟差异常跳变自主监测及恢复方法，具体包括以下步骤：11.步骤s1：观测量获取；12.步骤s2：中央处理单元对观测量进行数据有效性判断，对判断后得到的有效观测量进行处理，判断其星上时频信号是否发生异常；13.步骤s3：若存在异常，通过钟差跳变计算获得钟差调整值；14.步骤s4：通过钟差调整值进行自主补偿。15.在一些可能的实施方式中，所述步骤s1中的观测量包括由时频单元上报的直接判决量和由监测单元监测到且具备时频信号特性的间接判决量。16.在一些可能的实施方式中，所述步骤s2具体包括以下步骤：17.步骤s21：中央处理单元对获取的观测量进行有效性判断，将有效观测量进行缓存并等待处理；18.步骤s22；采用公式(1)判断有效观测量是否同时满足从t时刻连续一段时间的直接判决量和间接判决量均发生“跳变告警”；19.若发生“跳变告警”，则认为星上时频信号发生异常；[0020][0021]其中，i为直接观测量告警标识；[0022]pi为间接观测量告警标识；[0023]ρi为不同观测量所占的权重；[0024]v为加权后的间接观测量门限,所有的门限值均可通过地面重构修改。[0025]在一些可能的实施方式中，所述步骤s3具体包括以下步骤：[0026]步骤s31:中央处理单元在确认时频信号发生异常后，在t1时刻向自主运行单元发送“申请自主钟差调整”指令到自主运行单元，自主运行单元接收到后开始启动钟差跳变计算；[0027]步骤s32:自主运行单元根据本卫星的星间测量单元与其他卫星建链情况，选取n条星间建链数据；并针对每条星间测距数据，选取t时刻前60秒数据计算均值，得到每条星间测距数据跳变前的基准值ai(i＝1，…，n)；[0028]步骤s33:选取发送“申请自主钟差调整”指令t1时刻后每条链路的60秒数据进行计算得到均值bi(i＝1，…，n)；[0029]步骤s34:计算每条链路钟差跳变值为ci＝bi-ai；[0030]步骤s35:将得到的n条链路钟差跳变值ci进行两两做差得到序列[0031]{dij，其中i＝n，…，2；j＝1，…，n-1；i大于j且i不等于j}；[0032]如果以上数据满足：ci(i＝1，…，n)均大于5ns且其中dij存在多个及以上的差值均小于1ns，则选取满足以上条件中的其中一个ci作为钟差调整值δa0，并将钟差调整值δa0送给中央处理单元进行钟差自主补偿操作。[0033]在一些可能的实施方式中，所述步骤s4具体包括以下步骤：[0034]步骤s41:中央处理单元通过卫星调相指令和时频跳相指令对钟差调整值δa0进行补偿调整，将钟差调整值δa0对调相步进单元取模，得到取模后整数和余数；[0035]其中，记p1为取模后的有符号整数，记p2为取模后的有符号余数；[0036]步骤s42:对p1、p2进行调整,完成补偿；[0037]其中，p1进行调相调整；若p1》0,表示调整量为正数，星上应朝相位滞后方向调整p1个单位；[0038]若p1《0,表示调整量为负数，星上应朝相位超前方向调整p1个单位；[0039]p2则通过中央处理单元根据时频调整步进档位进行自主计算并以逆方向分多次调整。[0040]在一些可能的实施方式中，所述步骤s32中的n条星间建链数据为五条。[0041]与现有技术相比，本发明的有益效果：[0042](1)本发明在卫星时频因不可知因素导致发生异常跳变时，可实现对卫星时频发生异常时的快速诊断、处理以及自主补偿，保障卫星时频基准的平稳运行，使得下行导航信号能够迅速恢复正常状态，特别是在卫星运行到地面监测站不可见区域时，能够自主完成异常恢复，大大提升信号的可用性；[0043](2)本发明方法采用卫星自主闭环方式，较传统地面闭环方法，故障发现及时，且恢复时间由几个小时缩短至分钟量级。附图说明[0044]图1为本发明中监测及恢复系统的工作原理框图；具体实施方式[0045]在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。本技术所提及的"第一"、"第二"以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，"一个"或者"一"等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。在本技术实施中，“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。在本技术实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指两个或两个以上。例如，多个定位柱是指两个或两个以上的定位柱。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。[0046]下面对本发明进行详细说明。[0047]实施例1：[0048]如图1所示，本发明公开了一种卫星钟差异常跳变自主监测及恢复系统，与原子钟组连接；包括中央处理单元、分别与中央处理单元连接的时频单元、自主运动单元和信号发生单元、与信号发生单元连接的监测测单元、以及与自主运动单元连接的星间测量单元；所述时频单元与原子钟组连接。[0049]在一些可能的实施方式中，在所述信号发生单元与监测单元之间设置有功率放大单元。[0050]信号发生单元将从中央处理单元发生来的数据进行耦合，并输送给功率放大单元，经过功率放大单元处理后，发送给监测单元；监测单元将获得的观测量数据上报到中央处理单元；[0051]中央处理单元将接收到来自时频单元和监测单元上报的观测量进行判断，若判断存在异常将向自主运行单元发送“申请自主钟差调整”指令到自主运行单元，自主运行单元接收到后开始启动钟差跳变计算，并将计算结果发送给中央处理单元进行钟差自主补偿操作。[0052]相比现有技术，本发明中的监测及恢复系统能够有效的实现对卫星时频发生异常时的快速诊断、处理，保障卫星时频基准的平稳运行，且完全不需要地面控制系统介入。[0053]实施例2：[0054]本发明还公开了一种卫星钟差异常跳变自主监测及恢复方法，具体包括以下步骤：[0055]步骤s1：观测量获取；[0056]步骤s2：中央处理单元对观测量进行数据有效性判断，对判断后得到的有效观测量进行处理，判断其星上时频信号是否发生异常；[0057]步骤s3：若存在异常，通过钟差跳变计算获得钟差调整值；[0058]步骤s4：通过钟差调整值进行自主补偿。[0059]在一些可能的实施方式中，所述步骤s1中的观测量包括由时频单元上报的直接判决量和由监测单元监测到且具备时频信号特性的间接判决量；[0060]直接判决量和间接判决量，如频率跳变、相位跳变。[0061]在一些可能的实施方式中，所述步骤s2具体包括以下步骤：[0062]步骤s21：中央处理单元采用数据融合判决方法对获取的观测量进行有效性判断，将有效观测量进行缓存并等待处理；[0063]步骤s22；跳变确认判决：[0064]采用公式(1)判断有效观测量是否同时满足从t时刻连续一段时间的直接判决量和间接判决量均发生“跳变告警”；这里所描述的一段时间，具体可为5秒，可在轨动态调整；[0065]若发生“跳变告警”，则认为星上时频信号发生异常，启动钟差申请计算；[0066][0067]其中，i为直接观测量告警标识；[0068]pi为间接观测量告警标识；[0069]ρi为不同观测量所占的权重；[0070]v为加权后的间接观测量门限,所有的门限值均可通过地面重构修改。[0071]本发明结合异常跳变判决，采用星间链路观测值变化表征时频跳变引起的钟差变化，通过星上自主钟差补偿，实现时频跳变后的自主恢复，从而提高卫星信号可靠性和连续性；[0072]关于门限、均值计算时间间隔等动态参数可通过在轨重构方式进行在线更改，提高参数配置的灵活性。[0073]在一些可能的实施方式中，所述步骤s3具体包括以下步骤：[0074]步骤s31:申请钟差计算：[0075]中央处理单元在确认时频信号发生异常后，在t1时刻向自主运行单元发送“申请自主钟差调整”指令到自主运行单元，自主运行单元接收到后开始启动钟差跳变计算；[0076]步骤s32:钟差跳变计算；[0077]自主运行单元根据本卫星的星间测量单元与其他卫星建链情况，选取n条星间建链数据；并针对每条星间测距数据，选取t时刻前60秒数据计算均值，得到每条星间测距数据跳变前的基准值ai(i＝1，…，5)；[0078]步骤s33:选取发送“申请自主钟差调整”指令t1时刻后每条链路的60秒数据进行计算得到均值bi(i＝1，…，5)；[0079]步骤s34:计算每条链路钟差跳变值为ci＝bi-ai；[0080]步骤s35:将得到的5条链路钟差跳变值ci进行两两做差得到序列[0081]{dij，其中i＝n，…，2；j＝1，…，n-1；i大于j且i不等于j}；[0082]如果以上数据满足：ci(i＝1，…，5)均大于5ns且其中dij存在三个及以上的差值均小于1ns，则选取满足以上条件中的其中一个ci作为钟差调整值δa0，并将钟差调整值δa0送给中央处理单元进行钟差自主补偿操作。[0083]在一些可能的实施方式中，所述步骤s4具体包括以下步骤：[0084]步骤s41:自主运行单元根据计算得到的钟差δa0，将其发送至中央处理单元，中央处理单元通过卫星调相指令和时频跳相指令对钟差调整值δa0进行补偿调整，将钟差调整值δa0对调相步进单元取模，得到取模后整数和余数；[0085]其中，记p1为取模后的有符号整数，记p2为取模后的有符号余数；[0086]步骤s42:对p1、p2进行调整,完成补偿；[0087]其中，p1由中央处理单元进行调相调整；若p1》0,表示调整量为正数，星上应朝相位滞后方向调整p1个单位；[0088]若p1《0,表示调整量为负数，星上应朝相位超前方向调整p1个单位；[0089]p2则通过中央处理单元根据时频调整步进档位进行自主计算并以逆方向分多次调整；如：余数p2为6.5ns，调相值包括0.1ns、0.5ns、1ns、2ns,则需要发送-5ns、调相-1ns、调相-0.5ns，共三次完成余数补偿。[0090]本发明采用时频单元上报的直接判决量和数字观测量多元融合判决的数据判决方法完成对时频跳变的处理和判决，提高判决的成功率和可靠性。[0091]本发明能够有效的保证星上时频的高精度和高可靠以及卫星钟异常跳变后的快速恢复；[0092]本发明除了卫星时频载荷本身设计保证外，通过卫星对时频异常跳变进行监测及自主恢复实现卫星钟钟差因空间环境或其他不可知因素导致跳变时能够自主快速恢复至正常工作状态，从而保证卫星业务载荷的正常工作。[0093]本发明依据对时频钟差跳变的自主监测结果，实现自主闭环恢复的方法，确保卫星时频发生异常跳变后的快速自主修复，特别适用于中高轨导航卫星以及低轨增强卫星的时频高精度生成与维持。[0094]本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。