伪距与激光测距法时间比对计算模型及其精度评估

卫星导航定位系统测距的基础是测时,而定轨和定位的前提是各观测量的时间同步,因此,时间同步技术是卫星导航定位系统建设的关键技术基础之一。卫星导航定位系统中时间同步技术包括卫星与地面(星-地)和地面站间(地-地)的时间同步。在本文中,根据伪距与激光测距法时间比对的基本原理,详细推导了地心惯性系中伪距与激光测距法时间比对的基本计算模型,为实现星地之间高精度的时间同步提供了参考。     

下行L波段轨道法时间比对中Sagnac效应的计算

根据下行L波段轨道法进行时间比对的基本原理，详细介绍了Sagnac效应产生的原因。并以圆轨道地球静止同步卫星为例，推导了下行L波段轨道法时间比对中Sagnac效应在地心惯性系中的基本计算模型，给出了当地面站在赤道上和不在赤道上这两种情况下Sagnac效应的详细计算过程。     

转发式测距数据支持的GEO导航卫星精密定轨

地球静止轨道GEO卫星定轨是精密定轨领域的难点.依托我国区域范围地面跟踪网实际,提出了转发式测距数据支持下的GEO导航卫星精密定轨方案.从定轨精度、设备时延和伪距站对GEO轨道精度影响等方面进行了深入分析.试验结果证明:1 ns的时延误差引进的GEO轨道径向和位置误差分别为0.121 m和3.505 m.在多个转发式测距跟踪站约束的条件下伪距对定轨精度贡献非常有限,但通过星地钟差的估计可以实现时间同步,同步精度优于1 ns.这为时间同步提供了一种新的方法.当转发式测距跟踪站有限时伪距对GEO定轨的贡献非常明显,1CC(转发式跟踪站)+7L(伪距站)联合定轨条件下的轨道精度优于5 m.从而解决了GEO卫星精密定轨问题,同时实现了星地和站间时间同步以及卫星轨道与钟差参数的自洽.     

地心非旋转坐标系中伪距与激光测距法时间比对计算模型

分析了伪距与激光测距法时间比对的基本原理,分别从数学和几何角度详细推导了地心非旋转坐标系中伪距与激光测距法时间比对的基本计算模型,这对于实现星地之间高精度的时间同步具有重要意义.     

北斗三号卫星星地星间联合精密定轨初步结果

截至2018年底中国已有19颗北斗三号卫星成功发射入轨,北斗三号卫星上都搭载了高精度星间链路载荷并成功实现了星间双向测距。介绍了北斗三号卫星星间链路观测模型,并利用L波段星地和Ka波段星间链路观测数据对8颗北斗三号卫星进行了星地星间联合精密定轨实验,L波段数据来自全球连续监测评估系统分布于中国境内的6个跟踪站。实验结果表明:星间链路观测值定轨残差RMS值优于6 cm,设备时延在±0.15 ns以内变化。在地面跟踪站限制在境内的情况下,增加星间链路能显著提高定轨精度。通过重叠弧段比较,联合定轨得到的卫星轨道在三维位置上的误差约为12 cm,径向误差约为3 cm,与仅国内6个站星地定轨相比提高85%。     

北斗三号系统时频体系设计与实现

北斗卫星导航系统作为复杂巨系统,需要科学、完整、高效的时频体系总体设计与工程实现。北斗三号系统的时频体系设计首先通过基于星间链路实现星载钟之间的比对与时间同步,基于星地时间比对链路实现主控站与卫星间的星地时间比对与精密同步,基于卫星双向、地面有线双向时间比对链路实现主控站各分系统之间的比对与精密同步,同时基于组合钟组和综合原子时等方法生成北斗系统时间(Bei Dou system time,BDT),从而实现北斗系统内的时间建立、保持与同步。然后,通过直接或间接的溯源比对以及时差监测,实现BDT与其他导航系统时间基准的统一。北斗三号卫星信号的长期监测数据表明,BDT天稳定度达到4.6×10^-15,星载钟本地时间准确度达到1.25×10^-11,星载钟万秒稳定度达到1.65×10^-14,同时BDT相对于其他卫星导航系统的时差保持在50 ns以内。经系统运行检验与监测评估,证明北斗三号系统时频体系功能完备、组织架构科学、体系指标先进,能够全面支撑北斗三号的全球服务能力。     

基于自发自收测距的GEO卫星精密定轨

对于基于伪距测量模式的GEO卫星定轨,需要星地时间同步和站问时间同步的支持,因此卫星钟差和接收机钟差的精度直接制约了GEO卫星的定轨精度.自发自收式测距的观测数据并不含有卫星钟差和接收机钟差信患,定轨解算中避免了钟差精度带来的影响,可以实现GEO卫星的精密定轨.此处采用GEO卫星的自发自收武测距数据进行精密定轨试验,分析和讨论了基于自发自收式测距的GEO卫星精密定轨策略,提出了卫星轨控后轨道快速恢复的定轨策略.试验结果表明:轨道的内符R方向精度为1.615 m,位置精度为11.642m,定轨残差为0.279m;轨道恢复1 h后的定轨位置精度优于60m,恢复6 h后的定轨位置精度优于15m,定轨残差在0.15 m左右.     

星地时间比对大气误差修正及其影响因素分析

由于空间环境较为复杂，大气对无线电微波信号的影响是星地高精度时间比对的主要误差源之一.针对星地高精度时间比对的需求，研究了双向测量体制下的电离层误差修正方法及对流层色散延迟修正方法，对影响大气误差修正的主要因素展开了讨论，并对不同场景下大气误差修正情况及星地时间比对结果进行了仿真分析.仿真结果表明：当卫星姿态误差控制在100 as以内、相位中心标定误差控制在5 mm以内、精密定轨误差控制在30 cm以内时，通过相应的误差修正算法修正后，电离层误差残差的RMS值小于0.006 ps，对流层误差残差的RMS值小于0.06 ps，星地时间比对精度优于皮秒量级.     

星地无线电双向时间比对法误差源分析

本文简要介绍了星地无线电双向时间比对法的基本原理,给出其地心惯性系中计算模型,分析了各种误差源对星地间相对钟差的影响,计算了在几种计算精度下卫星和地面站位置和速度误差所需要达到的精度.结果表明:影响星地无线电双向法精度的主要误差源为设备时延误差和电离层延迟误差,而由于卫星和地面站位置不准确引起的误差相对较小;对于电离层...     

星地监测网下的北斗导航卫星轨道确定

提出层间链路的星间链路方式,即以轨道高度区分的不同类型卫星间链路,在MEO卫星上安装星载接收机即可接收GEO、IGSO卫星观测数据。根据中国卫星导航系统星座构型,从卫星跟踪时间、三维位置精度因子PDOP、定轨均方差等评价指标,分别进行地面跟踪站区域和全球非均匀分布情况下的星地链路、星地链路联合层间链路、星地链路联合星间双向测距等多种场景的定轨仿真。结果显示,基于中国区域的7个地面跟踪站1 d观测值,联合波束角为41.25°的层间星间链路,GEO、IGSO和MEO定轨均方差值由6.1 m、1.3 m和5.9 m减小到1.0 m、0.8 m和2.0 m;联合卫星波束角为45°的卫星双向测距(残余系统误差为振幅30 cm的周期项),星座整体定轨精度优于20 cm。     

基于双向C波段数据站间时间同步

卫星导航系统时间同步技术是系统的关键技术之一,用于实现卫星和地面站时间统一,其水平直接影响导航系统定位精度。时间同步技术主要包括星地、星间和站间时间同步技术,其中站间时间同步技术又包括了时间频率传递技术、卫星共视技术等。本文详细讨论了站间时间频率传递方法的基本原理和模型,推导了误差模型,分析了影响站间时间频率传递精度的因素,并处理了实际的站间双向C波段数据,分析了站间时间频率传递的精度,结果表明时间频率传递实现的站间时间同步精度1ns。     

监测站时间同步条件下的单星定轨

基于伪距及载波相位观测量的COMPASS-M1卫星精密定轨中轨道误差与钟差分离问题是制约卫星定轨精度提高的主要因素之一。本文首先介绍了基于监测站时间同步条件下精密定轨原理,然后通过对卫星钟差建模,采用动力学方法利用国内五站实测数据对COMPASS-M1卫星进行了轨道确定,并利用轨道重叠弧段法及实测激光数据对定轨精度作了检核。结果表明,基于目前监测站时间同步技术,利用相位平滑伪距定轨能达到10m以内精度。     

卫星双向共视法时间比对中Sagnac效应计算模型

根据卫星双向共视法进行时间比对的基本原理,详细介绍了Sagnac效应产生的原因。并以圆轨道地球静止同步卫星为例,推导了卫星双向共视法时间比对中Sagnac效应在地心惯性系的基本计算模型。给出了当地面站在赤道上和不在赤道上这两种情况下,Sagnac效应的详细计算过程。     

卫星双向共视法时间比对中Sagnac效应计算模型

根据卫星双向共视法进行时间比对的基本原理,详细介绍了Sagnac效应产生的原因.并以圆轨道地球静止同步卫星为例,推导了卫星双向共视法时间比对中Sagnac效应在地心惯性系的基本计算模型.给出了当地面站在赤道上和不在赤道上这两种情况下,Sagnac效应的详细计算过程.     

星地测量数据部分丢失对卫星钟差预报精度的影响

本文研究了不同的测量数据丢失概率对卫星钟差预报精度的影响,给出了卫星钟差的3阶白噪声状态方程和基于星地无线电双向时间比对的测量方程,得到了类似于Kalman滤波器的递归形式和修正Riccati方程;随着时间的推进,修正Riccati方程的预测误差逐渐减小,直至达到稳态;并根据修正Riccati方程,采用数值分析方法得到了典型参数情况下卫星钟差预报精度与测量数据有效率的关系曲线。     

基于星地/星间联合观测的时间比对方法

星间观测实现了移动卫星的连续跟踪,是提升卫星钟时间比对精度的重要手段。研究了基于星地/星间联合观测时间比对技术;推导了星地/星间时间同步比对模型;给出了星间钟差到星地钟差的一致性归算方法。理论上加入星间观测移动卫星钟差预报精度能大幅提升,但异质观测设备导致钟差观测序列不连续,影响了卫星钟预报精度。研究了小幅钟差跳变的探测与补偿技术,提出了基于传统粗差探测与相邻历元组差相结合的钟差跳变探测方法,有效消除了异质观测设备带来的钟差不一致性,提升了卫星钟预报精度。最后利用实测与仿真数据验证了所提出的理论和方法的正确性和有效性。     

无源卫星导航系统星地双向无线电时间比对实现

介绍了无源卫星导航系统星地无线电时间比对的原理，给出了星地无线电时间比对在扩频测控信道中实现的方法，并对各种误差因素进行了分析。     

空间激光链路时频传递算法及仿真分析

利用空间高精度时频系统提供的超高精度时间频率信号,可以开展一系列空地时频传递和基础物理实验,支撑相对论及相关理论的高精度检验。针对空间激光链路时频传递算法进行了理论推导及仿真分析。首先,从星地激光双向时间比对理论公式出发,对比分析了X型星地双向时间比对与Lambda型星地双向时间比对的优缺点。其次,针对空间站轨道高度讨论了相对论效应对坐标时与原时转换的影响。最后,讨论了空地时频比对数据不连续性对空间站高精度原子钟稳定性评估的影响。结果表明：(1)基于激光测距方式的Lambda型双向时间比对可以抵消一阶多普勒对上下行距离项差异的影响,且Sagnac项影响的增大可忽略;(2)星地时间比对中坐标时和原时转换的相对论项对空间站位置的速度精度提出了高要求,为实现1×10-18量级的频率偏差比对精度,空间站地心距精度要求为1 dm,速度精度要求为0.1mm/s;(3)受空间站对地可见性影响,仅利用国内测站无法通过星地链路进行中短期原子钟稳定性的评估。     

北斗新一代试验系统时间及卫星钟精度初步分析

北斗卫星导航系统新一代试验卫星星座由2颗高轨倾斜地球同步轨道卫星（IGSO）和3颗中轨地球轨道卫星(MEO)组成,2016年2月全部发射入轨,其任务是验证北斗系统从目前区域导航定位授时服务走向全球服务的新技术体制设计及指标性能。导航卫星星载原子钟是最重要载荷之一,负责星上时间频率基准信号维持和产生。本文利用星地双向时频传递设备观测的星地钟差数据,评估了试验星配置的新型高精度铷钟和被动型氢钟的实际性能,定量比较了相对于北斗区域系统卫星钟的性能提升。结果表明,新一代试验星与北斗区域系统卫星钟差预报精度相比较有较大提高,IGSO卫星短期预报误差从0.65 ns减小到0.30 ns,MEO卫星短期预报误差从0.78 ns减小到0.32 ns,IGSO／MEO卫星中期预报误差均从2.50 ns减小到约1.50 ns.时频系统是新一代试验系统地面运控的重要组成部分,负责北斗新一代试验系统时间频率信号产生和维持。本文利用试验系统与UTC(BSNC)之间的比对数据,评估了新一代试验系统时间的实际性能,定量比较了相对于北斗区域系统时间的性能提升。结果表明,新一代试验系统时间相对于北斗区域系统时间性能有较大提高,万秒稳和天稳较北斗区域系统提高约半个数量级。时频体制是新一代试验系统的重要技术体制设计之一。本文利用中心节点与末节点的双向时间测量数据,评估了新一代试验系统末节点时频信号的实际性能。结果表明,中心节点与末节点之间具有很好的一致性,时差最大为0.23 ns.      

地心非旋转坐标系中卫星共视法时间比对计算模型

卫星导航定位系统测距的基础是测时,定轨和定位的前提是各观测量的时间同步,因此,时间同步技术是卫星导航定位系统建设的关键技术基础之一。卫星导航定位系统中时间同步技术包括卫星与地面（星-地）和地面站间（地-地）的时间同步。在本文中,根据卫星共视法时间比对的基本原理,分别从数学角度和几何角度详细推导了地心非旋转坐标系中卫星共视法时间比对的基本计算模型,从而为实现站间高精度的时间同步提供了一些参考。