自主卫星导航的空间基准维持

基于星间测距的自主定轨必然存在星座的整体旋转和漂移,即存在星座空间基准的衰减问题,因此,卫星星座的空间基准维持是自主定轨的主要目标,也是自主定轨的核心问题之一。重点讨论卫星自主定轨中的空间基准维持方法,系统分析星地观测、星间/星地组合观测和星间观测3种观测模式下的卫星轨道参数估计方法,及其对应的空间基准维持方式;提出卫星自主定轨强基准和弱基准概念。强基准是指在星地观测或星间/星地组合观测条件下,强化地面高精度基准站坐标的定轨方式,此时卫星星座基准与地面跟踪站基准一致;弱基准是指在仅有星间链路观测条件下,采用卫星轨道信息先验弱约束的定轨方式,即弱基准是以先验轨道所对应的卫星星座的几何重心建立的。强基准充分利用了星间、星地观测网中的各类信息,计算结果可靠且精度稳定,而弱基准虽然缺少地面观测信息,但先验卫星轨道同样是基于地面跟踪网精密定轨得到的,对卫星空间基准的维持同样可靠,且定轨计算更为简单。采用北斗试验星实测数据,分别开展无基准、弱基准和强基准支持下的自主定轨试验,试验结果表明,弱基准中仅对卫星轨道倾角和升交点赤经进行先验弱约束即可抵偿卫星星座的旋转和漂移,但定轨精度略低于强基准支持下的定轨精度。在无地面跟踪系统支持的特定环境下,建议采用弱基准方法,实现真正意义上的自主定轨。     

联合星地与星间Ka伪距的北斗三号卫星一体化定轨和时间同步

北斗三号卫星之间及卫星与锚固站之间在Ka频段的伪距测量为其提供了一种不依赖于地面监测站的独立定轨和时间同步能力。本文针对星间链路分时测量的特点,采用分段一次多项式对卫星钟差进行建模,直接利用原始的星地和星间单程Ka伪距实现一体化定轨和时间同步并同时解算锚固站设备硬件时延。利用北斗三号8颗卫星和2个锚固站的实测Ka伪距数据进行验证,结果表明:在利用导航电文的预报钟速信息进行修正的情况下,星间Ka伪距残差RMS为0.052 m;R方向卫星轨道确定和预报精度(RMS)分别为0.016、0.033 m;卫星钟差估计和预报精度(95%)分别为0.038、0.992 ns;解算得到的锚固站收发设备时延之和的稳定性优于0.5 ns。试验还展示了该方法的适应能力:在没有预报钟速信息的极端情况下,虽然星间Ka伪距残差RMS增大了242%,但R方向轨道确定和预报精度仍分别达到0.021、0.041 m,钟差估计和预报精度分别达到0.040、1.092 ns。     

联合少量地面控制源的空间信息网轨道确定与时间同步

全球低轨卫星通信星座的发展以及全球导航卫星系统卫星轨道和钟差确定技术的进步,为地基连续运行参考系统(CORS)向近地空间转移提供了必要的基础.空间信息网中低轨卫星节点的使用有助于突破地面参考站布设范围的限制,联合少量境内地面控制源可实现全球高精度空间基准服务.针对空间信息网具有的高动态、网络重构性和伸缩性强的特点,如何利用境内少量地面控制源准确确定空间信息网中低轨卫星轨道和时间基准,是实现天基CORS网全球服务的关键.本文研究了基于骨干网和接入网策略进行空间基准和时间基准统一的方法.试验表明,仅利用5个中国境内测站和2个南北极测站,结合12个低轨卫星节点,即可实现约7 cm精度的骨干网中导航卫星和低轨卫星精密轨道确定.在精确确定骨干网节点轨道的条件下,其他节点的实时定轨精度可达10 cm左右.在空间信息网的时间同步体系方面,提出了网络分层自治策略和新型星间链路用于星间和星地高精度时间比对的方法.结果表明基于通信信号体制可实现10 ns精度量级的时间同步性能.     

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.      

低轨卫星与星间链路增强的北斗卫星联合定轨精度分析

为提升区域地面监测站条件下北斗卫星定轨精度,面向日益丰富的北斗星载数据和即将实现的星间链路技术,提出了联合运用地面监测站数据、低轨卫星星载数据与星间链路数据的北斗卫星精密定轨方法。讨论了低轨卫星星载数据与星间链路数据增强对于导航卫星精密定轨的影响,重点从低轨卫星数量、轨位分布及星间链路等方面进行了仿真分析。结果表明:加入少量低轨卫星与区域监测站联合定轨即可显著提高导航卫星定轨精度约73%,钟差解算精度略有改进但不明显;同等数量且均匀分布的低轨星座,其轨位分布对联合定轨精度影响不大;加入星间链路数据可大幅提升导航卫星定轨精度,且改进效率高于低轨卫星。     

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。     

基于星间距离变化的动态双向时间同步算法

以卫星双向时间同步算法为基础,分析了运动卫星之间的双向时间同步信号传播延迟随星间距离的变化特点,推导了按此算法计算得到的卫星钟差随星间距离的变化规律,提出了一种利用星间伪距拟合多项式和钟差拟合多项式联合求解高精度星间钟差的卫星动态双向时间同步算法。实际卫星的仿真数据表明,该算法能够把星间的时间同步误差控制在5 ns以内,可用于星间高精度时间同步。     

多星座参考站接收机钟差的估计方法研究

多星座数据融合处理时,由于接收机钟差和信号传播延迟的影响,导致信号发射时刻的卫星位置不能精确求定。在定位解算里,可以通过星间差分消除与光速有关的接收机钟差影响,然而与卫星径向速度有关的接收机钟差项却得不到消除。该文详细分析了多星座接收机不同钟差值的产生原因,推导了卫星径向速度对站星距的影响,提出了一种针对多星座的单基准站接收机钟差估计方法,通过统一修正各星座卫星位置,有效消除了与卫星速度有关的接收机钟差项的误差,并且适用于存在1ms时钟跳跃的接收机,实现多星座融合的高精度定位。     

北斗广播电文钟差模型精度评估及改善策略

星载原子钟是北斗卫星导航系统(BDS)的核心设备,其钟差模型是北斗广播电文的重要组成部分,模型精度直接影响BDS的服务性能.本文采用星地双向时频传递(TWSTF)钟差测量为参考,评估了BDS广播电文钟差模型精度,结果表明BDS广播电文钟差模型精度优于2 ns(数据龄期小于12 h).针对BDS广播电文钟差参数解算问题,结合BDS地面段的钟差模型解算策略,本文提出进一步提升精度的多种策略.对于1h时长的短期预报,本文提出加权线性模型与混合区间线性模型的钟差拟合预报方法,短期预报精度可提高20％ 以上;对于预报时长大于6 h的中长期预报,本文采用谱分析钟差时间序列,并根据谱分析结果构造预报模型,与简单的二次多项式模型预报相比,预报6 h精度提高13％,预报12 h平均提高了21％;对于IGSO/MEO卫星,本文提出将TWSTF的设备时延值作为参数估算,使钟差模型在设备切换后精度提高18％.最后,利用本文提出的改进策略对2017年1月—6月的钟差数据重新处理,获得了新的广播电文钟差模型时间序列.利用新的广播电文钟差模型进行北斗监测接收机定位,结果表明,N、E、U 3个方向精度分别提高14.22％、29.39％、14.91％,显著提升了BDS广播电文钟差服务性能.     

用多卫星钟来建立自主定轨时的参考时间基准

提出了采用多个卫星钟通过加权来确定导航卫星自主定轨时的时间基准的方法。在分别采用二次多项式、切比雪夫多项式以及灰色模型对32颗GPS卫星进行钟差长期预报的基础上,选出预报效果最好的几个卫星钟及其预报模型,通过一定的定权方案得到时间基准。实验结果表明,用多个卫星钟通过加权来确定时间基准能提高预报精度且结果更稳定。     

利用不同时间同步体制钟差评估北斗三号星载原子钟性能

全球卫星导航系统(global navigation satellite system,GNSS)星载原子钟性能的优劣直接影响GNSS观测信号质量、测距精度、钟差预报与卫星自主导航能力,从而间接影响整个导航系统的服务性能。结合北斗三号系统独特的星间链路(inter-satellite link, ISL)和星地时间双向比对(two-way time transfer,TWTT)体制以及常用的精密轨道与钟差确定(orbit determination and time synchronization,ODTS)体制所估计的精密钟差数据,分析评估了北斗三号在轨原子钟服务性能。结果表明,3种钟差确定体制评估的频率准确度和漂移率结果基本一致,所有卫星频率准确度在(-4～2)×10^-11范围以内,氢钟频率准确度优于铷钟,ISL钟差评估的频率漂移率精度略优于ODTS。在评估原子钟稳定度方面,3种钟差确定体制各有优势,短期稳定度方面,ODTS钟差评估优于ISL钟差,基于ODTS评估的3 000 s稳定度可达3×10^-14,且氢钟的短期稳定性优于铷钟;中长期...     

Initial results of centralized autonomous orbit determination of the new-generation BDS satellites with inter-satellite link measurements

Autonomous orbit determination is the ability of navigation satellites to estimate the orbit parameters on-board using inter-satellite link (ISL) measurements. This study mainly focuses on data processing of the ISL measurements as a new measurement type and its application on the centralized autonomous orbit determination of the new-generation Beidou navigation satellite system satellites for the first time. The ISL measurements are dual one-way measurements that follow a time division multiple access (TDMA) structure. The ranging error of the ISL measurements is less than 0.25 ns. This paper proposes a derivation approach to the satellite clock offsets and the geometric distances from TDMA dual one-way measurements without a loss of accuracy. The derived clock offsets are used for time synchronization, and the derived geometry distances are used for autonomous orbit determination. The clock offsets from the ISL measurements are consistent with the L-band two-way satellite, and time–frequency transfer clock measurements and the detrended residuals vary within 0.5 ns. The centralized autonomous orbit determination is conducted in a batch mode on a ground-capable server for the feasibility study. Constant hardware delays are present in the geometric distances and become the largest source of error in the autonomous orbit determination. Therefore, the hardware delays are estimated simultaneously with the satellite orbits. To avoid uncertainties in the constellation orientation, a ground anchor station that “observes” the satellites with on-board ISL payloads is introduced into the orbit determination. The root-mean-square values of orbit determination residuals are within 10.0 cm, and the standard deviation of the estimated ISL hardware delays is within 0.2 ns. The accuracy of the autonomous orbits is evaluated by analysis of overlap comparison and the satellite laser ranging (SLR) residuals and is compared with the accuracy of the L-band orbits. The results indicate that the radial overlap differences between the autonomous orbits are less than 15.0 cm for the inclined geosynchronous orbit (IGSO) satellites and less than 10.0 cm for the MEO satellites. The SLR residuals are approximately 15.0 cm for the IGSO satellites and approximately 10.0 cm for the MEO satellites, representing an improvement over the L-band orbits.     

Performance of the BDS3 experimental satellite passive hydrogen maser

Various types of onboard atomic clocks such as rubidium, cesium and hydrogen have different frequency accuracies and frequency drift rate characteristics. A passive hydrogen maser (PHM) has the advantage of low-frequency drift over a long period, which is suitable for long-term autonomous satellite time keeping. The third generation of Beidou Satellite Navigation System (BDS3) is equipped with PHMs which have been independently developed by China for their IGSO and MEO experimental satellites. Including Galileo, it is the second global satellite navigation system that uses PHM as a frequency standard for navigation signals. We briefly introduce the PHM design at the Shanghai Astronomical Observatory (SHAO) and detailed performance evaluation of in-orbit PHMs. Using the high-precision clock values obtained by satellite-ground and inter-satellite measurement and communication systems, we analyze the frequency stability, clock prediction accuracy and clock rate variation characteristics of the BDS3 experimental satellites. The results show that the in-orbit PHM frequency stability of the BDS3 is approximately 6 × 10^?15 at 1-day intervals, which is better than those of other types of onboard atomic clocks. The BDS3 PHM 2-, 10-h and 7-day clock prediction precision values are 0.26, 0.4 and 2.2 ns, respectively, which are better than those of the BDS3 rubidium clock and most of the GPS Block IIF and Galileo clocks. The BDS3 PHM 15-day clock rate variation is ? 1.83 × 10^?14 s/s, which indicates an extremely small frequency drift. The 15-day long-term stability results show that the BDS3 PHM in-orbit stability is roughly the same as the ground performance test. The PHM is expected to provide a highly stable time and frequency standard in the autonomous navigation case.     

基于ARMA模型的BDS卫星钟差异常值探测及其短期预报

星载原子钟在运行过程中会受到恶劣空间环境与设备老化等因素的影响,使得卫星钟差数据中经常存在异常值,其中AO(additive outlier)类异常值是钟差序列中常见的一类异常值。结合最大期望算法与自回归滑动平均(autoregressive moving average,ARMA)模型,提出一种AO类异常值探测算法。该算法可以准确探测孤立AO类异常值与成片AO类异常值,有效克服了其他算法经常出现的淹没与掩盖现象。在成功探测钟差序列AO类异常值的同时,该算法可以估计得到精确的ARMA模型,进而能准确地进行卫星钟差预报。利用仿真数据与北斗卫星钟差实测数据进行计算分析,结果表明,所提算法可以精确探测出钟差序列AO类异常值,并且具有很好的卫星钟差预报效果。     

IGS RTS钟差数据中断的实时修复方法研究

针对IGS RTS实时数据流产品在网络传输过程中普遍存在的数据中断问题,基于卫星钟差预报算法,文中提出实时“预报修复”方法,以钟差预报值实时修复发生中断历元的钟差数据。通过对RTS数据中断区间分布的统计分析,确定钟差预报的时间长度为5 min;采用改进的灰色系统模型,对不同时间长度初始数据的钟差预报结果进行对比,确定初始数据时间长度为10 min。以IGS事后精密卫星钟差产品为参考,对连续7 d RTS钟差产品的实时预报修复效果进行验证。以IGS02产品为例,连续7 d预报修复钟差值的平均RMS优于0.17 ns,预报修复后24 h钟差产品的RMS均在0.22 ns以内。     

基于ARIMA模型的卫星钟差短期预报研究

卫星钟差的精度直接影响导航定位的性能。本文针对不同类型的星载原子钟,采用ARIMA时间序列模型分别对1 d的IGS 5 min、30 s采样间隔的精密卫星钟差产品进行建模,并作6 h、一天的短期预报。结果表明,铷钟的预报精度达到了亚纳秒级,铯钟的预报精度处于纳秒级,并且原始钟差产品的采样间隔对卫星钟差预报精度有一定的影响。     

GPS高精度校时在卫星控制系统中的应用

介绍了一种利用GPS时间信息进行控制系统高精度校时的方法。该方法以GPS接收机发送的秒脉冲为基准, 同时接收GPS整秒广播时间完成控制系统自主校时, 可使控制系统的校时精度优于0.1 ms, 满足卫星对高精度时间的要求。     

GNSS星载原子钟性能评估

星载原子钟作为导航卫星上维持时间尺度的关键载荷,其性能会对用户进行导航、定位与授时的精度带来影响。介绍了原子钟评估常用的三个指标（频率准确度、飘移率和稳定度）的定义及计算方法,利用事后卫星精密钟差数据,开展了全球卫星导航系统（global navigation satellite system,GNSS）星载原子钟性能评估,分析了GNSS星载原子钟特性。结果表明,GPS（global position system）BLOCKIIF星载铷钟与Galileo星载氢钟综合性能最优;北斗系统中地球轨道卫星与倾斜同步轨道卫星星载原子钟天稳定度达到2~4×10-14量级,与BLOCK IIR卫星精度相当;频率准确度达到1~4×10-11量级;频率漂移率达到10-14量级。     

北斗高精度长弧历书模型设计

历书参数可同时用于辅助常规导航和自主导航的信号捕获。延长历书参数的有效期不但可以使地面接收机启动时充分利用历书数据,对于基于星间链路观测的自主导航,历书参数的有效期还决定了地面注入历书的频度和占用的星上存储资源。通过对北斗3类导航卫星主要摄动力及其对轨道根数的长期项和长周期项的影响分析,设计了以6个轨道根数和5个摄动参数为播发参数的历书拟合模型。以一个自主运行周期90 d为时间尺度,对北斗在轨卫星进行了长弧段历书拟合试验,并同时分析了卫星位置和速度的拟合精度。结果表明新的历书拟合模型提高了历书拟合的精度,尤其对于地球静止轨道和倾斜地球同步轨道卫星,拟合精度提高显著。对于GEO和IGSO卫星,位置拟合误差大约从200 km降低至十几千米甚至几千米,速度拟合误差大约从15 m/s降低至0.6 m/s,新方法拟合精度提高了约20~30倍;对于中圆地球轨道卫星,无论采用哪种历书模型,位置拟合误差都在5 km左右,速度拟合误差都在0.6 m/s左右,新方法拟合精度提高约15%。针对星间链路卫星10 km位置误差上限的使用需求,对比了新老历书模型的拟合弧长,常规模型最大拟合弧长约为14 d,而新历书模型的最大拟合弧长可延长至45 d,新历书模型延长了历书使用期限,优化了北斗历书模型设计。