用于GNSS的SpT星载原子钟及时间系统介绍

研究了空间铷钟和被动型氢钟的地面批量和寿命试验测试结果,以及卫星在轨试验所达到的最新性能结果。基于这些星载钟的试验结果,对全球卫星导航系统的地面时间站的关键设备及其相关算法作了简要描述,并介绍了一种新颖的在轨技术,即从星载原子钟组（ONCLE）直接产生高度稳健的时间频率信号。     

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。     

北斗星载时间频率系统发展综述

北斗时间频率系统(简称时频系统)是我国独立建设和维护的时间频率系统。北斗星载时频系统是北斗时频系统的重要组成部分。以北斗星载时间频率系统的发展建设为主线,综合各类国内外文献、网站发布的技术管理信息,梳理了北斗星载时频系统的发展历程,描述了当前以星载时频系统为主的北斗时频系统的现状,并在分析归纳当前系统状态的基础上,提出了未来北斗星载时频系统的发展趋势。     

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)。     

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。     

利用平滑广播星历的GNSS星载钟短稳评估方法

由于没有精密钟差数据,目前北斗和Galileo系统的一般用户很难获得精确的星载钟短期稳定度参数。在分析利用单个监测站观测数据实现星载钟短稳评估方法的基础上,提出了一种利用平滑广播星历的简单评估方法,给出了该方法的实现原理,并对其中的误差修正方法进行了讨论。利用GPS数据进行了有效性验证,与IGS的结果比较表明,该方法对800s平滑间隔内的短稳评估相对误差小于10%;与利用精密星历(PE法)和广播星历(BE法)两种方法的结果比较表明,本文方法与PE法获得的结果一致,优于BE法的评估性能。利用该方法对目前北斗所有11颗卫星(截至2012-08)的星载钟短稳进行了评估,其结果为6×10-12(τ=1...     

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。     

全球定位系统BLOCKⅡF星载原子钟性能评估

作为全球定位系统在轨卫星上极为重要的载荷,星载原子钟的性能会对整个导航系统的性能产生重要的影响。针对全球定位系统最新发射的三颗BLOCKⅡF卫星的星载原子钟,不仅从三个常规性能指标即准确度、漂移率和稳定性,还从预报性能共四个方面进行了评估。除此之外,提出了通过统计相关分析来探索三个常规指标和预报性能之间的关系,以寻求影响钟差预报精度的本质原因。利用三颗卫星正常运行时间段的钟差数据,通过估计得到它们的性能指标:准确度为10-12量级,漂移率为10-15 s/d量级,稳定度在10-14 s/d量级,短期(1d)预报精度优于1ns,长期预报精度分别优于30ns(1~30d)和90ns(1~100d);通过相关分析发现,短期预报精度与准确度显著相关,长期预报(1~30d)精度与漂移率和稳定性显著相关,而在1~100d的尺度上,预报精度只与稳定性显著相关。     

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。     

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.      

原子钟模型和频率稳定度分析方法

首先给出典型的原子钟时差观测量模型,包括确定性部分（时差、频差、线性频漂和周期性波动项）、随机性部分（即原子钟噪声）和观测噪声;分析了各分量对应的Allan偏差的表达式。针对部分文献对Kalman滤波器估计原子钟状态原理描述不清晰的问题,描述了原子钟随机微分方程模型和各物理量的含义,从最优估计和低通滤波器两个角度阐述其原理。针对观测噪声过大、存在周期性波动等原因造成无法准确估计原子钟噪声强度的情况,提出了综合Kalman滤波器状态估计结果和Allan偏差图,估计原子钟噪声和观测噪声强度的方法;提出了3种不同的估计线性频漂幅度的方法,并通过实测数据相互验证;针对周期性波动在时差中不明显的问题,结合原子钟随机微分方程模型,提出了综合Kalman滤波器状态估计的结果和对数Allan偏差图估计周期性波动周期和幅度的方法。对两台国产氢钟的实测数据进行了验证,证明该方法物理原理清晰,操作简便易行,具有实用性。通过该方法可以外推得到所有平滑时间的Allan偏差估计值。     

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。     

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。     

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。     

北斗系统B1频点定位性能评估

目前,北斗二号卫星导航系统已经完成5颗GEO,5颗IGSO和4颗MEO卫星组网,初步具备了向区域用户提供定位、导航、授时、短报文通信等服务的能力。为了科学分析北斗二号卫星导航系统覆盖区域内民用B1I单频伪距的定位性能,本文仿真分析了当前星座条件下的DOP值分布情况。在此基础上,选取北京、乌鲁木齐、哈尔滨、三亚和成都5个试验地区,完成了北斗二号卫星导航系统大范围定位性能实测试验评估。统计结果表明,北斗二号卫星导航系统能够提供连续服务,性能稳定。在国内的大部分区域,按照95%进行统计,可见卫星数大于6颗,PDOP值小于4,单频水平定位精度优于8 m,高程定位精度优于10 m,三维定位精度优于15 m。在"水平定位精度≤20 m和高程定位精度≤20 m"的指标要求下,单频定位精度的可用性达到99%以上,连续性达到90%以上。     

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。     

利用非差观测量估计北斗卫星实时精密钟差

研究并实现了基于非差观测量的北斗卫星实时钟差估计算法,利用全球53个多模全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)实验跟踪网(multi-GNSS experiment, MGEX)站的北斗与全球定位系统(global positioning system, GPS)观测数据进行实时钟差估计,分析了实时钟差产品的精度与定位性能。多天统计结果表明,本文生成的GPS实时钟差与事后钟差符合较好,精度优于0.07 ns,略低于事后钟差产品,验证了基于非差观测量的实时钟差估计软件的处理精度。本文解算的北斗实时钟差的精度为0.1~0.15 ns,略低于GPS卫星。基于实时钟差进行模拟动态精密单点定位(precise point positioning,PPP)实验,北斗与GPS在水平方向的定位精度为0.041 m和0.058 m,高程方向的精度为0.069 m和0.037 m,定位结果分别与事后钟差解算的结果符合较好,表明实时钟差与事后钟差差异不大。     

BDS/GPS实时钟差估计中ISB分析与函数模型设计

实时钟差产品是高精度广域差分位置服务（亚米级、分米级、厘米级）的基础产品,通过研究BDS/GPS融合的ISB,研究了各类型接收机BDS GEO/IGSO/MEO ISB差异,提出了在BDS/GPS联合的实时钟差估计中引入3个ISB参数的函数模型,在此基础上基于非差法实现了BDS/GPS联合的实时钟差估计。采用MGEX和湖南CORS实时观测数据进行了实时钟差解算,利用iGMAS产品综合中心提供的事后精密钟差产品作为基准,对比分析了新方法与原有方法的实时钟差产品的精度差异。结果表明,该方法与原方法估计的GPS钟差精度相当,对BDS实时钟差精度改进显著,尤其对BDS IGSO/MEO卫星,改进幅度在20%以上,验证了算法的有效性。     

两种预报轨道的BDS实时钟差估计与分析

基于iGMAS与武汉大学提供超快速轨道产品,以Geoscience Australia机构开源的GNSS处理软件ACS为平台,进行了BDS实时钟差估计实验,并对生成的产品进行了分析.实验结果表明,使用全球具有实时数据流的监测站,在以武汉大学最终钟差产品为参考钟差进行评估的情况下,基于武汉大学小时轨道估计的BDS实时钟差...