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。     

利用单站GPS数据进行星载钟短期稳定性分析

高精度的卫星钟差是进行精密定位服务的关键,对于实时无模糊度精密单点定位来说,需要对广播星历卫星钟差进行历元差分来实现单站位移的解算,但钟差精度的历元间变化会对解算结果产生影响.对星载原子钟的短期稳定性进行分析,可以了解不同卫星钟差的时频特性,对研究广播星历钟差精度变化情况、提高单站位移解算精度具有重要的意义.本文利用单站GPS数据进行星间相对钟差的估计,然后基于相对钟差估计结果对星载RB钟的短期稳定性进行快速分析.通过实测的GPS数据进行实验,结果表明利用单站GPS数据估计的3 h的相对钟差精度要优于0.5 ns;阿伦方差计算结果表明BlockⅡF卫星RB钟短期稳定性最优,BlockⅡRM卫星和BlockⅡR卫星RB钟的短期稳定性基本相当,但要低于BlockⅡF卫星.     

MADOCA-LEX高频GPS卫星钟差 短期预测精度分析

日本准天顶卫星系统（QZSS）卫星通过L波段实时播发高频全球卫星导航系统（GNSS）精密轨道和钟差产品,为GNSS导航用户提供实时精密单点定位（PPP）服务. 本文以JAXA MADOCA数据中心提供的1 s采样率GPS卫星钟差数据为研究对象,首先采用阿伦方差对卫星钟差的短期稳定性进行评估;然后分别采用一阶多项式、二阶多项式和灰色模型对高频钟差产品进行建模,在5 s,10 s和30 s的拟合窗口内预报后续10 s内钟差,并基于预报残差的均方根误差（RMS）评定不同类型GPS卫星钟差产品的短期预报精度. 基于2020年1月1日-21日连续21天的实时高频钟差统计分析结果表明,不同型号的GPS卫星钟差1 s,5 s和10 s的短期稳定性均能达到10-12量级;对比预报精度显示,10 s以内的拟合窗口采用最简单的一阶多项式最为稳定可靠,10 s延迟预报RMS精度可控制在0.1 ns以内;若采用30 s的拟合窗口,考虑钟差频漂特性的二阶多项式则更为稳定可靠,预报钟差的RMS精度能达到0.15 ns以内．由此可见,本文基于MADOCA-LEX钟差产品的实时预报精度可以满足厘米级PPP的需求．      

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。     

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．     

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。     

卫星导航定位与空间原子钟

介绍了各类原子钟在目前卫星导航定位系统以及科学试验中的应用概况，给出各类空间钟的性能特征及我国目前空间原子钟的研究现状。     

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。     

导航卫星原子钟Kalman滤波中噪声方差-协方差的确定

用Kalman滤波实时监测卫星钟运行状况,需要确定Kalman滤波协方差阵。首先介绍适用于铷钟的Kalman滤波方程,推导基于哈达玛总方差的Kalman滤波过程噪声参数和观测噪声估计方法,并在此基础上构造Kalman滤波状态噪声协方差阵和观测噪声协方差阵。利用GPSBlockIIR铷钟事后处理的采样间隔为5min的精密钟差数据进行了预报分析,结果表明,当预报时间为1h时,预报精度在1ns左右;当预报时间为6h时,预报精度在(8～9)ns之间。进一步验证Kalman滤波协方差阵估计方法的正确性。     

北斗三号卫星钟差分析与星载原子钟评价

针对北斗卫星三号(BDS-3)卫星钟的表现情况的问题，该文选取了全球均匀分布的120个国际GNSS服务(IGS)跟踪站的北斗三号卫星观测数据进行北斗卫星钟差估计，利用评价卫星钟差产品的方法分析北斗新一代卫星钟的精度水平。得到结果如下：北斗卫星钟中圆地球轨道(MEO)精度在0.1 ns以内、倾斜地球同步轨道(IGSO)精度在0.15 ns以内，地球静止轨道(GEO)精度在0.2～0.9 ns水平；BDS-3卫星的频率的万秒稳定度已经处于1×10^-14水平；GPS与BDS精密单点定位解算结果的均方根误差(RMS)均在厘米级。基于卫星钟差实验结果表明，MEO比IGSO卫星钟差精度高，稳定性强；BDS-3搭载的铷钟(Rb-Ⅱ)和氢钟(PHM)比BDS-2的铷钟(Rb)更稳定，这是因为发射较早的卫星钟普遍受到硬件老化影响，相位与频率的波动较大；BDS在U方向上的精度与收敛速度略有不足，可通过GPS+BDS组合定位提升U方向单点定位性能。北斗卫星钟的精度、稳定性已达到钟差预报及实时精密单点定位应用的需求。     

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。     

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。     

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。     

高性能原子钟钟差建模及其在精密单点定位中的应用

鉴于当前许多IGS跟踪站均配置有高性能原子钟的现状,本文首先采用修正Allan方差法分析了不同IGS跟踪站的接收机钟随机噪声的时域特性,进而评估了不同类型接收机的短期稳定度及钟差建模的可行性,然后利用IGS站配有氢原子钟的观测数据,在精密单点定位算法中,通过对钟差参数进行短时建模约束接收机钟差的随机变化,进而改进精密单点定位(PPP)的定位性能。试验结果表明钟差建模方法显著降低了高程分量参数、天顶对流层延迟参数与接收机钟差参数之间的相关性,GNSS高程分量的精度可提高50%。该方法对于提升PPP技术在地壳形变监测、低轨卫星定轨、水汽监测及预报等高精度GNSS地学领域的应用水平具有一定意义。     

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。     

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)。     

基于哈达玛总方差的卫星钟差参数估计与预报

钟差参数估计与预报是卫星导航系统应用中的一项关键技术。本文研究了基于哈达玛总方差的钟差参数预报方法。随机部分采用幂律谱模型,利用哈达玛总方差计算Kalman噪声参数,进而得到状态噪声和测量噪声协方差阵。最后利用IGS数据,验证了基于哈达玛总方差进行钟差参数估计与预报的适用性。结果表明,短期预报精度可达到亚纳秒级。