GPS卫星原子钟频率稳定度表征方法分析

原子钟频率稳定度的表征通常在时域和频域进行,而对于“尺度域”小波方差表征方法的分析研究较少。对该方法进行系统归纳总结的基础上,给出时域尺度域两类不同表征方法的实用计算公式及其置信度计算方法,通过对各种方差特性的比较分析,指出其适用范围。分析表明：时域系列方差计算简单、直接,各具特点,可以满足不同的实际需要;尺度域的小波方差是一种具有独特优越性的新方法,但可以达到时域表征方法的效果,适用于进行原子钟频率稳定度的估计。     

导航卫星原子钟频率稳定度估计的小波方差方法

国内外学者对小波方差理论在原子钟性能分析方面的应用做了一些研究,但相关文献对小波方差的定义及其表征稳定度的特性描述却并不完全一致,这给应用研究造成不便。为此,首先根据时域方差定义的原理,相应地提出了小波方差、重叠小波方差和小波总方差的概念,然后经综合归纳,针对性地选择给出了应用于原子钟频率稳定度估计的"尺度域"小波方差的定义计算公式及等效自由度的计算方法。最后,通过一个算例与时域方差进行比较分析,总结明确了两者的关系及小波方差的特点,从而说明小波系列方差可以有效地进行原子钟频率稳定度的估计。     

卫星导航系统监测站铷原子钟频率校准方法分析

铷原子钟能够为卫星导航定位系统地面监测站的稳定运行提供时间标准和频率基准,但其频率漂移特性会对观测数据质量造成影响,因此需要定期对铷原子钟进行校准;目前常用的校准方法包括传统实验室校准、小型测试仪校准和远程在线校准,分析了三种方法的原理和特点,讨论了各种方法的优缺点,为卫星导航系统监测站铷原子钟校准的工程实现提供参考和借鉴。     

导航卫星原子钟频率漂移特性分析

介绍了原子钟频漂定义,总结了频率漂移率测试评定方法,比较分析了不同噪声情况下的频率漂移率估计方法,并用实验室真空状态铷钟的频率偏差数据和GPS卫星钟的精密星历数据进行了计算分析,表明铷钟都有明显频漂,GPSIIR铷钟的日漂移率在10^-15。量级,而铯钟频漂不是很明显。研究了频漂对原子钟时域稳定性影响规律,还利用模拟数据进行了计算分析。验证了方法的有效性．     

下一代星载原子钟的新发展

高性能原子钟尤其是星载原子钟,在卫星导航定位系统中起着非常重要的作用。卫星导航定位系统的更新和发展要求更高精度、更小型化的新型星载原子钟。介绍了新物理原理和先进技术以及在新一代卫星导航定位系统和空间科学实验中有应用前景的新型原子钟的产生、发展以及它们目前的研究进展。     

GNSS星载原子钟性能评估

Kalman滤波时间尺度算法是一种实时的原子钟状态估计方法,在守时实验室具有重要实用价值。由于原子钟状态模型误差估计存在偏差,Kalman滤波时间尺度算法中状态估计可能出现相应异常扰动,应当对状态模型误差进行实时控制。对此,引入基于渐消因子的改进Kalman滤波时间尺度算法。对状态预测协方差矩阵引入渐消因子,利用统计量实时计算渐消因子的量值,控制状态预测协方差阵的增长,降低了原子钟状态估计的扰动。实验结果表明,相比于标准Kalman滤波时间尺度算法和基于预测残差构造自适应因子的Kalman滤波算法,基于渐消因子的改进Kalman滤波时间尺度算法能够提高原子钟状态估计的准确度,改进时间尺度的稳定度。     

GNSS星载原子钟在轨性能评估技术进展

星载原子钟作为全球导航卫星系统（global navigation satellite system, GNSS）的核心载荷,其在轨性能指标决定着GNSS的PNT服务水平。由于太空电磁环境复杂,原子钟实际工作指标不稳定,对星载原子钟开展长期持续性能评估就显得尤为重要。本文综述了目前星载原子钟评估技术现状,对相位、频率、频率漂移率、拟合精度、拟合残差、频率稳定度等性能评估指标进行了分析总结,归纳了基于精密钟差产品进行星载原子钟评估的数据处理方法和流程,统计了现阶段GNSS星载原子钟类型和指标水平,并采集一年的精密卫星钟差数据对GNSS星载原子钟进行了综合评估与对比分析。最后,对现阶段GNSS星载原子钟性能评估技术现状和问题进行了总结及展望。     

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。     

应用Jones-Tryon Kalman滤波器对在轨GPS Rb钟进行状态监测

时间尺度算法用于综合钟组内所有的原子钟,建立一个频率稳定度更高的时间尺度,其核心环节可以概括为通过N-1组观测量（钟差）计算得到N台钟的权重和预测值。传统算法主要关注如何调整权重来提高时间尺度的稳定度,本文算法通过调整预测值来提高时间尺度的稳定度。本文算法使用Kalman滤波器对观测钟差进行状态估计,在Kalman滤波器每一次递推的过程中,调整一次预测值,通过每次实时调整预测值来建立时间尺度。理论推导和仿真实验都表明,本文建立的时间尺度滤除了频率白噪声,主要只含有频率随机游走噪声,所以具有很高的中短期稳定度。该时间尺度是一个连续、实时、可预测的时间尺度。     

星载原子钟稳定性影响分析

以最大限度保持星载原子钟稳定性计算结果的准确、可靠性为目标,分析了原始数据采样间隔、非连续间断时间序列、无数据段、频率漂移等因素对原子钟稳定性计算结果的影响。利用GPS卫星精密钟差数据针对阿仑和哈达玛方差进行了影响量级分析,得出了有益的结论。     

BDS星载原子钟频率稳定性分析

卫星导航系统中星载原子钟作为系统的星上时间基准,其性能直接决定着导航定位的精度。北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system,BDS）目前处于全面建设阶段,对系统星载原子钟的性能进行评估非常重要。结合评价星载铷原子钟稳定性的哈达玛（Hadamard）方差、重叠哈达玛方差和哈达玛总方差,分别基于5 min和15 min采样间隔的北斗精密钟差数据,综合三种方差的计算结果对北斗卫星导航系统星载原子钟频率稳定性进行较为全面的评估,得到了一些有益的结论。     

导航卫星原子钟时域频率稳定性影响因素分析

分析了影响原子钟时域稳定性的主要因素,主要包括测量分辨率噪声、相位跳变和频率峰值以及能量渗漏误差和截断误差等。研究了各种影响因素对时域稳定性的影响规律,推导了数学表达式,并给出了减小影响的方法。利用模拟数据进行了计算分析,验证了所提出方法的有效性。     

北斗卫星钟稳定性分析及噪声识别

通过对频率稳定性分析和噪声识别理论的研究,运用重叠Hadamard方差计算了北斗卫星钟的频率稳定度;并结合自相关函数理论,使用Lag1自相关函数分析了影响北斗卫星钟的主要噪声类型。实验结果表明,所分析的4颗卫星原子钟的天稳定度都达到了10-13水平;影响其稳定性的主要噪声为调频白噪声、调频闪变噪声和调频随机游走噪声。     

原子钟时域频率稳定性影响因素分析

为了明确地分析原子钟的时域频率稳定性特性，本文在给出各种方差估计式的基础上，分析了影响原子钟时域稳定性的主要因素，如能量谱噪声、频率漂移、无数据段以及周期变化分量等，并给出了相应的改正方法。     

基于高频观测值的不同GNSS卫星钟稳定性分析

在GNSS高精度数据处理中,卫星钟差往往是决定结果精度的核心因素之一。采用20 Hz的双频观测数据对GNSS星载原子钟0.05~100 s平滑时间下的短期稳定性进行分析,通过星间单差的方法消除接收机钟差,采用无电离层组合及夜间观测避免电离层高阶项短期变化的影响,同时采用经验模型和映射函数来进行对流层延迟改正。通过Lag 1自相关函数分析了影响GNSS卫星钟稳定性的主要噪声类型,并使用阿伦方差计算分析GPS、GLONASS及BDS各自系统内不同卫星组合之间的钟差。结果表明,GPS、GLONASS及BDS系统钟差稳定性0.05秒稳均可达到10-10量级,秒稳可达10-11量级。可以认定,GPS、GLONASS及BDS在短期内的稳定性量级相当,从而验证了基于星间单差的BDS掩星数据处理方案的可行性。     

导航卫星星载原子钟异常监测分析

通过对星载原子钟钟差数据进行双差处理构建平稳时间序列,利用基于平稳时间序列的2χ检验法监测星钟异常扰动。通过分析得出,历元间双差检测法对于快变的相位异常比较敏感,而对慢变的频率异常效果不佳;而基于平稳时间序列的2χ检验法对快变的相位异常和慢变的频率异常均比较有效。     

Estimation of Clock Stability Using GPS

The recent development of low-cost, high-precision oscillators has allowed many applications in various fields to become financially feasible. The stability of an oscillator is ultimatively what determines its usefulness for a certain application, and is therefore desirable to quantify. Current methods of evaluating stability require a direct comparison of the oscillator under test (OUT) with amore stable reference oscillator, the cost of which often offsets the initial benefit of a low-cost device. However, a relatively inexpensive Global Positioning System (GPS) receiver is capable of exploiting the highly stable GPS time scale, thus obviating the need for an expensive reference oscillator. By allowing the OUT to drive a GPS receiver, and processing the data with precise GPS orbits and clock corrections to eliminate the effects of selective availability (SA), the time series of computed clock offsets provides a measure of the oscillator's stability relative to GPS time. The use of GPS for assessing clock stability in the time domain is evaluated herein via the computation of Allan variance values. Performance of one rubidium and three ovenized crystal oscillator are investigated. Results show the method is limited to time intervals less than about two seconds or longer than about 300 seconds, where the effects of measurement noise and residual SA is less pronounced. ? 2000 John Wiley & Sons, Inc.