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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

“天绘一号”卫星在轨性能评估

“天绘一号”卫星是中国新一代传输型摄影测量卫星, 由航天东方红卫星有限公司基于CAST2000小卫星平台研制。01星于2010年8月发射成功, 02星于2012年5月发射成功。经过在轨测试, 两颗卫星性能指标均达到设计要求。本文介绍了“天绘一号”卫星在轨性能测试的结果, 为该卫星后续业务化应用提供宝贵数据。     

BDS-3在轨卫星广播星历精度评估

针对BDS-3现有在轨卫星广播星历精度评估问题,以BDS-2和BDS-3 MEO和IGSO卫星为研究对象,基于武汉大学数据分析中心发布广播星历和精密星历对42颗北斗卫星的卫星轨道误差、钟差误差和空间信号测距误差进行精度评估和分析。结果表明：卫星轨道方面,径向误差明显优于切向和法向误差,BDS-3整体轨道误差在0.23 m以下。径向、切向和法向精度BDS-3卫星相比BDS-2卫星分别提高了64%、26%和5%;钟差方面,H钟差误差优于Rb钟差误差,H钟钟差对于Rb钟钟差精度提高了约13%;空间信号测距精度方面,BDS-2卫星在1 m左右,BDS-3卫星总体精度优于0.5 m,精度提高了约50%。     

在轨导航卫星的性能监测

随着全球卫星导航系统(GNSS)在国家安全、经济及社会发展中的作用越来越显著,各个卫星导航系统均通过不断发射卫星,保持足够数量的卫星在轨正常运行,从而确保系统对外提供连续的导航定位服务.随着在轨运行时间的不断增长,导航卫星设备出现故障或工作异常的概率也将逐渐增大,针对在轨导航卫星出现的常见故障,提出在轨导航卫星的性能监测需要对卫星运行的空间环境、卫星钟性能进行实时监测和预报,并对导航信号、卫星有效载荷重点参数进行监测和分析,同时对相应内容的监测方法进行了论述.     

BDS-2与BDS-3卫星空间信号精度评估

针对BDS-3现有卫星空间信号精度评估问题,该文以BDS-2和BDS-3卫星为研究对象,介绍了BDS卫星空间信号精度评估的方法,基于MGEX发布的2019-05-01—2019-05-31日连续31d的广播星历与WUM分析中心的精密星历产品对33颗BDS卫星的轨道误差、卫星钟差、用户测距误差(URE)和空间信号测距误差(SISRE)进行精度评估。研究结果表明:BDS-2中,IGSO与MEO的轨道精度优于GEO,径向精度优于切向和法向;星载钟差均值优于12.1ns;URE和SISRE均值分别优于1.0和1.2m;BDS-3MEO卫星轨道径向、切向、法向均值分别优于0.2、0.8、0.4m,径向和法向比BDS-2 MEO分别提高45.8%与21.1%;BDS-3卫星星载钟差均值优于7.7ns,比BDS-2提高36.2%;BDS-3的URE和SISRE均值分别优于0.6和0.5m,比BDS-2分别提高42.9%和47.4%。     

BDS-3卫星钟差特性分析

北斗全球导航卫星系统(简称北斗三号系统,BDS-3)载有高精度的国产新型铷钟和被动型氢原子钟,相比于北斗二号系统(BDS-2),其性能得到了极大的提升。为了分析BDS-3卫星钟的性能,首先采用中国矿业大学北斗数据处理与分析中心定轨软件估计了BDS-3的卫星钟差,其重叠弧段标准差精度优于1 ns。然后针对常用卫星钟差异常值探测方法的缺点,改进了Baarda粗差探测法,使其能够有效地处理北斗卫星钟差数据中存在的粗差、钟跳等异常值。最后采用处理后的钟差数据,分析了北斗卫星钟差的周期特性和频率稳定性。结果表明,加入两个周期项后,拟合残差序列更加稳定,拟合精度得到了很大的提升;BDS-3卫星的频率稳定性和BDS-2相比,提升了20.85%～75.09%;北斗中圆地球轨道(medium earth orbit, MEO)卫星的频率稳定性要优于倾斜地球同步轨道(inclined geosynchronous orbit,IGSO)卫星;氢原子钟频率稳定性高于铷原子钟40.16%～65.60%,且氢原子钟的长期稳定性要明显优于铷原子钟。     

利用卫星分布概率对BDS-3性能的评估

为了研究北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system,BDS)在全球范围内的服务性能,基于卫星的分布概率,分别对北斗全球卫星导航系统(简称北斗三号系统,BDS-3)和北斗二号系统(BDS-2)在"一带一路"沿线,以及BDS-3在全球范围的可见卫星数和精度因子进行了预测和评估,重...     

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。     

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...     

风云三号卫星微波成像仪在轨性能稳定性分析

利用地球冷目标观测亮温的稳定性和遥感数据统计直方图方法,是评价微波成像仪等类似微波成像辐射计在轨性能稳定性的有效方法。在此基础上,本文用2011年2月—7月风云三号02星微波成像仪在轨观测的亮温数据,对微波成像仪在轨运行的性能稳定性进行了分析。结果表明:风云三号02星微波成像仪在轨性能稳定,所有通道最低亮温参考值波动范围不超过1.8K。     

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.      

GPS卫星钟噪声类型分析

介绍了原子钟的噪声模型及表征原子钟稳定度的Allan方差,给出了两种(斜率法和两种Allan方差比较法)确定原子钟噪声类型的方法,并利用这两种方法分析了几颗GPS卫星钟的噪声类型,得出不同种类卫星钟的噪声类型不同,同一种类卫星钟的噪声类型也不完全相同。     

南极地区BDS-3新频率性能评估

针对BDS-3新频率B1C和B2a在南极地区定位性能评估问题,本文基于南极地区CAS1站连续7 d数据,分别进行了BDS-3新频率伪距与精密单点定位实验。实验结果表明,南极地区BDS-3新频率单点定位性能较优,B1C频率和B2a频率伪距单点定位精度可以达到米级,B1C/B2a静态精密单点定位精度可以达到厘米级,仿动态精密单点定位水平精度在厘米级,高程精度在分米级,可为今后研究BDS-3在南极地区的定位性能提供一定的参考。     

BDS-3不同类型卫星对BDS-2伪距定位性能提升定量分析

针对北斗三号（BDS-3）不同类型卫星对北斗二号（BDS-2）伪距单点定位性能的影响,基于iGMAS机构发布的跟踪站实测数据,分析了BDS-3地球静止轨道（GEO）、倾斜地球同步轨道（IGSO）、中圆轨道（MEO）、全部BDS-3卫星对BDS-2卫星可见数、位置精度因子（PDOP）值以及伪距单点定位精度的影响．经研究发现,BDS-3不同卫星对BDS-2卫星可见数、卫星空间几何结构以及伪距单点定位精度提升程度不同,MEO卫星的提升程度优于IGSO卫星和GEO卫星,三种类型卫星对BDS-2定位性能提升量之和与全部BDS-3卫星对BDS-2定位性能提升量相当．      

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。