一种利用月球掩星观测的卫星星上时钟自主校正方法与流程

本发明涉及一种利用月球掩星观测的卫星星上时钟自主校正方法，属于航天器制导导航与控制领域。

背景技术：

1、卫星在轨运行及任务实施，星上时间基准的精确性至关重要。如卫星平台对地三轴稳定运行需要利用星上轨道参数结合星上时钟，实时计算自身位置，进而调整卫星姿态角实现对地跟踪，卫星对日运行需要利用星上时间基准解算实时太阳方位和运行状态，从而使卫星帆板准确对日。若星上时间基准出现问题，轻则导致卫星姿态偏差过大，星上能源和对地测控信道受到影响，重则导致卫星姿态失控，整星面临失效风险。对于卫星载荷对地成像等任务，更是需要精确的星上时间基准，进行卫星相机的精确指向和成像开机动作序列制定，若星上时钟基准出现问题，则可能导致相机视场不能有效覆盖目标区域导致成像任务失败，或导致对地面目标的定位精度出现较大偏差影响测绘效果。

2、目前成熟的校准方法主要有两种，分别为地面授时和gnss授时，即通过地面上注或gnss卫星授时码接收的方式，对星上时钟进行校准，近年来正被广泛研究的脉冲星授时技术，由于技术不成熟，且需要较大口径的脉冲星射线接收装置，实用性较低，而前两种授时方法，必须通过外部信号的输入对卫星时钟进行校准，若外部信号源无法提供有效信息，例如地面站上行链路出现故障、gnss卫星系统受到干扰，则卫星将无法对自身时钟进行校准，对于高智能化卫星全自主应用，需要卫星在无外部信息输入的条件下，仍然能够自主实现正常的运行和任务实施，而卫星自主进行星上时钟校正就是实现自主运行的前提条件之一。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种利用月球掩星观测的卫星星上时钟自主校正方法，卫星利用探测月球掩星现象，将测量得到的掩星时间序列与理论掩星时间序列取最小二乘，修正星上时钟基准。

2、本发明的技术解决方案是：

3、一种利用月球掩星观测的卫星星上时钟自主校正方法，包括：

4、利用卫星上的探测器观测若干个已知恒星，记录各恒星的编号及所述恒星被月球遮挡的掩星时刻，将各理论掩星时刻分解为探测到掩星发生时刻与时钟基准偏差之和，并形成掩星观测时间序列；

5、根据卫星精确轨道根数、月球星历、恒星星历，计算已记录的恒星被月球遮挡的理论掩星时刻，将各理论掩星时刻分解为掩星理论发生时刻、估算的基准时间偏差修正量、探测器探测偏差之和，并形成理论掩星时间序列；

6、对上述两个时间序列求时间差并取平方和，得到由时钟基准偏差造成的偏差指标；基于偏差指标，利用最小二乘法修正星上时钟基准。

7、优选的，根据卫星精确轨道根数、月球星历、恒星星历，计算已记录的恒星被月球遮挡的理论掩星时刻，包括两种方法：

8、第一种为：已知编号为i的恒星在tri-δt时刻理论上可见，在tri时刻理论上被月球遮挡不可见，则tri时刻为理论掩星时刻；

9、第二种为：已知编号为i的恒星在tri-δt时刻理论上被月球遮挡不可见，在tri时刻理论上复现并可见，则tri时刻为理论掩星时刻，其中tri以相对星上时间基准的星时秒数表达。

10、优选的，判断恒星是否理论上可见的方法为：

11、使用高精度轨道推演模型计算tri时刻编号为i的卫星位置矢量，使用月球星历计算月球位置矢量，将二者相减得到卫星到月心的方向矢量；

12、使用恒星星历计算恒星相对卫星的方向矢量；

13、计算上述两个矢量夹角，判断夹角是否小于月球盘面视角；若小于，则理论上恒星被月球遮挡不可见，当前时刻为理论掩星时刻；否则理论上恒星可见。

14、优选的，将各理论掩星时刻分解为探测到掩星发生时刻与时钟基准偏差之和，并形成掩星观测时间序列，掩星观测时间序列为a：

15、a＝{t1 t2 … tn}

16、ti＝t0+tsi+δt

17、式中，i为1～n正整数，n为已记录恒星的个数；探测到掩星发生时刻为t0+tsi，t0为卫星时间基准历元时刻，tsi是探测到编号为i的恒星的掩星时刻星时，即从历元时刻到掩星探测时刻的时间间隔，δt为未知且待修正的时间基准偏差。

18、优选的，将各理论掩星时刻分解为掩星理论发生时刻、估算的基准时间偏差修正量、探测器探测偏差之和，并形成理论掩星时间序列，理论掩星时间序列为b：

19、b＝{tr1 tr2 … trn}

20、tri＝t0+trsi+δtf+1/2td

21、式中，掩星理论发生时刻为t0+trsi，trsi是从历元时刻到掩星理论发生时刻所经历的时间间隔，δtf为估算的基准时间偏差修正量，td为探测器的探测周期，1/2td为探测器探测偏差。

22、优选的，对两个时间序列求时间差并取平方和，得到由时钟基准偏差造成的偏差指标，包括：

23、对两个时间序列求时间差：

24、δ＝a-b＝{δ1 δ2 … δn}

25、＝{t1-tr1 t2-tr2 … tn-trn}

26、＝{(δt-δtf)+(ts1-trs1-1/2td)…(δt-δtf)+(tsn-trsn-1/2td)}

27、对所有的时间差取平方和，得到偏差指标：

28、

29、优选的，利用最小二乘法修正星上时钟基准，通过选取不同的时钟基准偏差修正量，使偏差指标达到最小，根据最小时对应的时钟基准偏差修正量对星上时间基准进行调整，完成校正。

30、优选的，采用牛顿迭代法，选取不同的时钟基准偏差修正量，使偏差指标达到最小。

31、优选的，判断掩星时刻的方法有两种：

32、第一种为：已知编号为i的恒星在ti-δt时刻可见，在ti时刻被月球遮挡不可见，则ti时刻为掩星时刻；

33、第二种为：已知编号为i的恒星在ti-δt时刻被月球遮挡不可见，在ti时刻复现并可见，则ti时刻为掩星时刻。

34、优选的，掩星时刻由掩星时刻探测器测量到掩星发生的相对星时加上星上时钟基准得到。

35、本发明与现有技术相比的优点在于：

36、(1)本发明完全不依赖外部人工信息，无论是gnss卫星校时，还是地面校时，都依靠外部的人造信号输入，而本发明提供的利用月球掩星观测的卫星星上时钟自主校正方法，仅通过观测月球掩星这一天文现象，对星上时钟基准进行校正，完全不依靠人工信息支援，具备极强的抗干扰能力，适用于地面校时站故障或受损，卫星导航系统受干扰等复杂情况下的卫星自主运行维持，可靠性高。

37、(2)本发明无需增加特殊载荷，依靠现有的星敏感器，或者相机等典型星上成像设备，即可实现对掩星现象的观测，只需通过对观测结果进行分析计算，即可实现星上时间基准的校正，实现代价小，对已经在轨的卫星也可通过软件升级实现该功能。

38、(3)本发明通过大量观测可实现较高的时钟校正精度，月球掩星现象是一种常见的天文现象，每天均发生数十次，卫星通过累积观测，获取足够数量的观测时间序列，可在修正计算过程中有效消除探测器测量误差，实现较高的时钟校正精度。