BDS星载原子钟长期性能分析

北斗卫星导航系统(BDS)于2012年底开始提供区域服务,进行BDS星载原子钟的长期性能分析,对于系统性能的评估、卫星钟差的确定与预报等具有重要的作用。本文基于3年的多星定轨联合解算的BDS精密卫星钟数据,利用改进的中位数方法进行数据预处理,分析了卫星钟差数据的特点,使用卫星钟差二次多项式拟合模型分析了卫星钟的相位、频率、频漂及钟差模型噪声的长期变化特性,根据频谱分析的方法分析了卫星钟差的周期特性,采用重叠哈达玛方差计算并讨论了卫星钟的频率稳定性。综合上述方法及其试验结果较为全面地分析和评估了BDS星载原子钟的长期性能,得到结论:在噪声特性和钟漂特性方面,MEO卫星钟的性能最好,其次是IGSO卫星钟,最差的是GEO卫星钟,所有卫星钟噪声水平和频漂的均值分别为0.677ns和1.922×10~(-18);多星定轨条件下的北斗卫星钟差存在显著的周期项,其主周期分别近似为对应卫星轨道周期的1/2倍或1倍;BDS星载原子钟频率稳定度的平均值为1.484×10~(-13)。     

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。     

北斗在轨卫星钟产品质量分析

星载原子钟是卫星导航系统的星上时间基准,其性能的优劣直接决定了导航定位服务的质量。我国BDS目前处于全面建设阶段,对BDS卫星钟产品进行质量分析以及在轨星载原子钟的性能评估是一项重要的工作。目前,多个GNSS分析中心同时提供BDS卫星钟差产品,但对于不同分析中心的钟差产品特性对比和分析却鲜有报道。因此,本文从连续性指标、一致性指标、拟合精度指标、预报特性指标,对CODE、GFZ和WHU分析中心的北斗卫星钟差不同采样间隔数据进行了对比和分析。同时,基于北斗卫星钟产品对北斗系统星载原子钟短期频率稳定性进行了评估,得出了一些有益的结论。     

基于动态阿伦方差的北斗星载原子钟特性分析

针对传统的阿伦方差等评价手段无法实现对星载原子钟进行动态性能评估的缺陷,将动态阿伦方差引入到BDS星载原子钟的监测和评估中。采用BDS多星定轨卫星钟差产品,基于动态阿伦方差算法对BDS原子钟在轨性能进行了研究,并利用BDS星地双向无线电时间比对钟差数据对其结果进行了对比和验证。实验结果表明,动态阿伦方差算法可以实现对BDS星载原子钟动态特性的有效评估,BDS原子钟的万秒稳定度的量级基本为在10-14,但是随着时间有一定的变化。     

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。     

BDS-3卫星钟在轨性能评估与分析

目前,国际主要卫星导航系统搭载的原子钟包含铷钟、氢钟、铯钟3大类。新型国产星载铷原子钟、氢原子钟的应用是BDS-3相对于BDS-2的重要改变之一。BDS-3正式开通运行以来,已经积累了丰富的在轨数据,本文采用2 a的精密钟差数据评估了新型国产原子钟的在轨性能,并与国际主流星载原子钟的性能进行对比,分析了国产原子钟在轨长期演化规律。结果表明,北斗氢钟具有较低的在轨漂移率和较高的稳定度,与Galileo系统星载氢钟为同一精度水平,北斗铷钟在轨性能稳步提高,跻身世界先进行列。     

北斗系统在轨卫星钟性能评估方法及结论

在轨卫星钟性能(频率准确度、稳定度、漂移率以及在轨寿命)评估是卫星导航系统性能指标评估的重要任务之一。文中结合北斗卫星钟在轨性能评估任务,介绍了几种评估北斗在轨卫星钟性能的方法及原理并进行了专题试验。试验结果表明,北斗在轨卫星原子钟性能稳定,频率准确度约为10-11,漂移率为10-13,稳定度为10-14。与国外卫星钟性能相当,能够满足北斗卫星导航系统服务指标要求。     

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。     

北斗在轨卫星钟中长期钟差特性分析

针对北斗在轨卫星Rb原子钟2013年的实测数据,采用二次多项式拟合得到BDS卫星钟差模型,采用哈达玛总方差公式计算了北斗卫星钟的短期频率稳定度指标,进而分析了北斗在轨卫星钟特性指标的变化规律。通过实例计算,揭示了BDS不同在轨卫星钟的相位、频率、频漂及残差指标的变化规律;计算得出BDS卫星钟万秒频率稳定度维持在10-13量级左右,其中GEO卫星钟的稳定度相对较差,4号和8号卫星在运行期间出现跳变,跳变之后稳定性得到提高,其他在轨卫星钟稳定度变化趋势则相对平稳。     

GPS在轨卫星原子钟的稳定性分析

导航卫星星载原子钟的相位或频率数据,作为导航系统应用研究的基础,将直接影响导航系统时间尺度建立以及定位的精度和准确性。本文针对由IGS官网提供的四种GPS卫星钟的钟差数据,采用修正阿伦方差进行了稳定性分析,得到了一些有益的结论。     

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.     

基于采样方差的卫星钟信号分析

对原子钟频率稳定度分析受到频率漂移的影响进行定性分析,明确了不同类型方差在原子钟频率稳定度分析中的适用范围,首次提出将重叠Hadamard方差应用于卫星钟信号分析。分别利用Allan方差、Hadamard方差和重叠Hadamard方差对铷钟进行了稳定度计算,结果表明Allan方差的计算结果受频率漂移影响很大,而Hadamard系列方差能够有效克服频率漂移的影响,对于卫星钟的性能表征具有良好的效果。     

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.      

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。     

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...