BDS不同服务体制下授时模型差异研究

随着北斗卫星导航系统(BDS)的全球组网发射完成,BDS逐步实现了向全球用户提供基本导航（卫星无线电导航业务(RNSS)、向中国及周边区域用户提供区域短报文通信（卫星无线电测定业务(RDSS)、星基增强(SBAS)等服务的“三步走”规划．为研究BDS不同服务体制下的授时差异,本文从时空基准、授时精度检核、设备时延、卫星健康状态等方面,分析了基于已知位置的BDS RDSS单／双向授时、RNSS单／双频授时及SBAS单频授时模型差异,并给出了基于本文授时模型下的BDS不同体制授时精度,以为利用BDS进行授时服务的用户机研制、生产、测试和检验提供参考.      

基于北斗授时和星历的卫星跳频通信方法

提出了一种基于北斗授时和卫星星历实现跳频同步并且适用于卫星与地面站上下行链路的跳频通信方法。首先基于卫星星历,采用SGP4模型预测卫星轨道,计算卫星与地面站的相对位置和相对速度,然后估计电波传播时延和多普勒频偏,最后在地面站分别进行预校正与补偿,完成星地的高速跳频通信。仿真实验结果表明,与传统的跳频系统相比,该方法硬件复杂度低,电波传播时延估计精度优于300ns,归一化多普勒频偏估计精度优于1×10~(-8),开销为1%时跳频速率可达20 000Hops/s,具有优良的抗干扰和抗截获性能。     

一种北斗卫星钟差短期预报新方法

为提高北斗卫星的定位与授时精度,必须准确计算出卫星钟差数值。本文考虑北斗卫星钟差中随机部分误差的影响,尝试建立北斗卫星钟差拟合推估模型,根据拟合推估两步极小解法解算该模型,在求解协方差函数系数中,依据模型残差拟合多项式系数;并与常用的灰理论模型、拟合推估的正常解法钟差预报模型结果进行比对,算例结果表明了两步极小解法及拟合推估模型在北斗卫星钟差短期预报方面的有效性。     

北斗卫星导航系统单星授时精度分析

为研究北斗卫星导航系统单星授时精度,本文基于GPS单星授时原理,结合北斗卫星多种类型星座特点,编写了BDS单星授时软件。利用iGMAS站数据进行了试验,在对原始数据进行监测并将异常信息剔除后,将授时结果与中国测绘科学研究院北斗分析中心（CGS）钟差文件进行比对,分析了BDS不同轨道卫星（GEO/IGSO/MEO）下的BDS单星授时精度。结果表明,GEO卫星的授时精度为27.39 ns,IGSO卫星的授时精度为18.37 ns,MEO卫星的授时精度为18.62 ns。     

北斗卫星导航系统RNSS授时监测方法研究

随着北斗导航卫星系统的不断完善以及在授时方面的普及,对RNSS授时监测提出了更高的要求。针对数据质量的监测,该文通过对导航星历完备性、观测数据粗差剔除等常规手段进行监测,并首次引入测站接收机钟跳探测,保证数据的质量。针对授时结果的监测,通过设立阈值对授时结果进行监测,并针对授时结果阈值法的不足提出了基于相邻历元的授时结果监测法,通过数据监测与授时结果监测相结合形成了完整的授时监测体系,保证了授时结果的可靠性。根据本文的监测体系,选取了多个iGMAS站进行了实验,对该监测体系进行了测试,验证了该监测体系的正确性与有效性。     

北斗RDSS授时服务性能评估

针对现有卫星导航系统RDSS授时服务研究较少的问题,该文结合北斗实测数据,提出采用时间序列分析法评估北斗RDSS单向和双向授时服务性能,系统地研究了单向授时原理和双向授时原理,并介绍了北斗RDSS实测数据和精度评估方法。通过分析钟差总体情况、零值分段情况、噪声情况及授时精度等,得出结论:RDSS单向授时精度小于30ns,RMS平均值为6.81ns;RDSS双向授时精度小于20ns,RMS平均值为3.60ns;各波束的单向授时和双向授时数据均存在周期切换现象,且单向授时数据存在分层现象。该结论可用于RDSS系统差补偿,为北斗系统差一致性提供参考,进而提高系统服务精度。     

利用 GEO 卫星进行转发式授时的性能分析

利用GEO卫星进行转发式授时的原理,将监测得到的授时偏差结果与卫星广播的星历信息进行比对分析,对卫星的解算星历和广播星历进行分析,分析结果说明：当卫星运动到赤道上方时,z方向的运动加速度最小,速度最大,星历预报误差最大,卫星径向距离偏差最大,此时授时偏差最大;卫星从赤道上方运动到南北两端过程中,z方向的运动加速度逐渐增大,速度逐渐减小,星历预报误差逐渐变小,卫星运动到南北两端时,z方向的运动加速度最大,速度最小,星历预报误差最小,卫星径向距离偏差最小,此时授时偏差最小。     

利用最小一乘法改进的灰色模型的导航卫星钟差预报

在卫星钟差波动较大的情况下,为了克服基于最小二乘法估计灰色模型参数对卫星钟差预报精度的不足,本文利用最小一乘法对传统灰色模型进行了改进。在建模的过程中,采用以误差绝对值之和最小为优化原则,针对目标函数不可微的特点,运用线性规划的方法对灰色预报模型的模型参数进行了估计。此外,将改进后的预报模型应用到卫星钟差波动较大情况下钟差的预报中,并将预报结果与传统灰色模型的预报结果进行了对比分析。结果表明：在卫星钟差波动较大的情况下,该方法相比传统灰色模型的预报结果有显著改善,为高精度的卫星钟差预报提供了一种新思路。     

卫星双向共视法时间比对计算模型及其精度评估

时间同步技术是卫星导航定位系统设计的关键技术之一。根据卫星双向共视法时间比对的基本原理,详细推导了该时间同步方法在地心惯性系中精确到卫星和地面站速度的二次幂以及加速度的一次幂的计算模型,并以GEO卫星和GPS卫星为例,分析了该计算模型中的距离改正项时延对地面站间相对钟差的影响量级。结果表明：对于GEO卫星、GPS卫星与地面站之间的比对,当要求 的计算精度时,距离改正项时延只需要考虑到卫星速度项、地面站速度项的影响;当要求 的计算精度时,还需要考虑到卫星速度二次幂项、卫星加速度项、地面站与卫星相对钟差对卫星速度项、地面站间相对钟差对地面站速度项的影响。     

卫星双向共视法时间比对计算模型及其精度评估

根据卫星双向共视法时间比对的基本原理,详细推导该时间同步方法在地心惯性系中精确到卫星和地面站速度的二次幂以及加速度的一次幂的计算模型,并以GEO卫星和GPS卫星为例,分析该计算模型中的距离改正项时延对地面站问相对钟差的影响量级.结果表明:对于GEO卫星、GPS卫星与地面站之间的比对,当要求1 ns的计算精度时,距离改正项时延只需要考虑到卫星速度项、地面站速度项的影响;当要求1 ps的计算精度时,还需要考虑到卫星速度二次幂项、卫星加速度项、地面站与卫星相对钟差对卫星速度项、地面站间相对钟差对地面站速度项的影响.