GNSS时间基准关键技术研究

正全球导航卫星系统需要建立一个时间基准。本论文详细研究了建立时间基准的核心算法:(1)时间尺度算法;(2)钟差预测算法;(3)时间尺度闭环驾驭算法。在此基础上,给出了建立北斗系统时间BDT和国家授时中心时间基准UTC(NTSC)的系统设计方案。本论文取得的研究成果和创新点列举如下:(1)提出了单状态变量Kalman滤波器时间尺度算法。将生成的时间尺度表示成时间尺度基本方程,算法     

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.      

基于BDS用户终端的局域网授时方法

针对局域网时间授时应用需求,设计了一种基于北斗卫星导航系统（BDS）用户终端的局域网授时方案．通过软件研制,将用户终端的UTC时间导入到局域网计算机,作为局域网参考时间源,再利用网络授时软件进行网络授时,实现局域网UTC时间统一.试验结果表明,基于BDS用户终端的UTC时间引接精度可达200 ms,网络授时精度优于500 ms.      

广域实时精密定位与时间服务系统

广域实时精密定位与时间服务已成为GNSS应用领域研究热点,目前国内外学者围绕其模型算法已展开大量的研究。本文重点论述广域实时精密定位与时间服务数据的处理方法和服务系统,给出了基于不同基准约束的卫星钟差解算数学模型,提出通过引入外接原子钟测站、标准时间源(UTC/BDT)等不同时间基准,构建卫星拟稳基准、外接原子钟跟踪站拟稳基准及标准时间源等约束下的钟差解算模型,分析了时间基准对精密单点定位和精密单点授时的影响。本文采用实时卫星轨道、钟差、相位偏差、电离层延迟等服务产品及跟踪站实时数据,验证了系统产品可靠性及终端定位与时间服务性能。实测结果表明:GPS轨道径向精度1.8 cm,钟差STD精度约0.05 ns;BDS-3轨道径向精度6.7 cm,钟差STD精度优于0.1 ns;GPS和BDS-2电离层改正精度分别为0.74 TECU与1.03 TECU。基于该产品实现了用户端PPP、PPP-RTK及PPT、PPT-RTK服务,满足了用户实时厘米级定位和优于0.5 ns的单站时间传递服务,当采用GPS+BDS-2 PPP-RTK解算时,平面收敛至5 cm约需要12 min。     

卫星共视法中Sagnac效应的计算

一、引言卫星共视法时问比对的基本原理如图1所示：两个共视观测站选择共视跟踪时间和跟踪卫星，并在选好的时问内进行跟踪观测，从而测得本地钟与卫星钟之间的时差，经过一系列改正后就得到本地钟与系统时间的钟差。最后，两站间求差就能获得站问高精度的相对钟差，从而实现两站间的时间同步。     

北斗广域高精度时间服务原型系统

基于精密单点定位(precise point positioning,PPP)的时间传递技术以其精度高、覆盖范围广的优点成为性能最优的GNSS时间传递方法之一。随着广域差分产品时效性的提高,实时PPP时间传递开始应用于精密授时的研究。本文在PPP时间传递技术的基础上,结合实时卫星钟差估计、接收机时钟调控及硬件延迟标校技术,建立了基于北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system,BDS)的广域高精度时间服务(wide-area precise timing,WPT)系统,可为用户实时提供准确、稳定、可溯源的时间。WPT系统分为时间服务平台和用户终端两个部分。时间服务平台引入高精度的时间作为系统的参考时间基准,并提供广域实时差分改正数;用户终端基于实时PPP时间传递算法获取本地钟与系统时间基准的差异,并采用精密调钟技术实现终端与系统的同步。为了验证系统的实时授时性能,本文进行了零基线、短基线及广域环境下的性能测试和评估。试验结果表明,该系统零基线、短基线时间同步精度优于0.5 ns,广域条件下单天的授时精度均优于1 ns,为基于北斗系统的精密授时技术发展提供了参考。     

GPS同步时钟系统设计

介绍了以全球定位系统（GPS）时间为基准，通过时刻比对法对本地恒温晶振进行时刻差测量，并经相位控制电路实现的GPS同步钟系统。由于将GPS与晶体振荡器有机地结合在一起，较好地解决了GPS时钟的时间抖动和晶体振荡器时钟的频率漂移问题。     

卫星导航系统导航信号与导航电文设计中的时间要素

从时间要素考虑，卫星导航系统如何支持用户对卫星钟误差的改正，如何支持用户进行实时、无整周模糊地伪距测量以及如何支持多系统兼容定位等，是导航信号与导航电文设计中必须解决的问题。本文在对国外卫星导航系统导航信号与电文设计进行分析研究的基础上，对这些问题进行了一些探讨。     

顾及码频间偏差的GPS/GLONASS实时卫星钟差估计

在进行GPS/GLONASS联合卫星钟差估计时,GLONASS码频间偏差（inter-frequency bias,IFB）因卫星频率间的差异而无法被测站接收机钟差参数吸收,其一部分将进入GLONASS卫星钟差估值中。通过引入多个"时频偏差"参数（inter-system and inter-frequency bias,ISFB）及附加基准约束对测站GLONASS码IFB进行函数模型补偿,实现其与待估卫星钟差参数的有效分离,并对所估计实时卫星钟差和实时精度单点定位（real-time precise point positioning,RT-PPP）进行精度评估。结果表明,在卫星钟差估计观测方程中忽略码IFB,会明显降低GLONASS卫星钟差估值精度;新方法能有效避免码IFB对卫星钟差估值的影响,所获得GPS、GLONASS卫星钟差与ESA（European Space Agency）事后精密钟差产品偏差平均均方根值分别小于0.2 ns、0.3 ns。利用实时估计卫星钟差进行静态RT-PPP,当观测时段长为2 h时,GPS单系统、GPS/GLONASS组合系统的3D定位精度优于10 cm,GLONASS单系统3D定位精度约为15 cm;三种模式24 h单天解的3D定位精度均优于5 cm。     

基于GNSS精密单点定位的高精度云平台授时

采用GNSS精密单点定位(PPP)技术和时钟驯服技术,构建了基于PPP的云平台高精度授时方案,研制了搭载多系统GNSS接收机板卡、恒温晶振(OCXO)和数字信号处理器(DSP)的授时原理样机。利用协同精密定位平台分析中心(武汉)提供的5 s间隔卫星轨道和钟差产品,采用PPP技术实时解算授时终端坐标和钟差,通过驯服恒温晶振输出亚纳秒精度的1 PPS,实现了长时间高精度的授时能力。本文通过短基线比较和与UTC绝对时间基准比较,验证了精密单点授时精度(RMS)优于1 ns。     

多通道时间传递接收机NTSCGPS-1的研制与测试

近20年来，GPS共视(GPS CV)技术作为一种主要技术被用于TAI时间比对。GPS时间传递接收机是进行GPSCV时间比对的主要设备。介绍了中科院国家授时中心采用Motorola VP Oncore GPS OEM板、GT200计数器研发的高精度、多通道GIPS时间传递接收机NTscGPS-1的原理和特点。并通过实际观测数据分析，认为NTSCGPS-1的观测噪声水平与其它时间传递接收机相当，并有较好的兼客性。     

GNSS广播协调世界时偏差误差评估方法与分析

全球卫星导航系统(GNSS)广播协调世界时偏差误差(UTCOE)近年来成为卫星导航供应商和用户关注的焦点之一。本文研究了UTCOE的定义,提出了基于中科院国家授时中心保持的协调世界时UTC(NTSC)和国际权度局(BIPM)时间公报的UTCOE间接评估方法,并采用GPS UTCOE直接评估方法对该方法的有效性进行了验证,给出了评估的不确定度预算。利用搭建的GNSS系统时间偏差监测系统输出数据,评估了BDS、GPS、GLONASS的UTCOE。在2018年全年的评估周期内,BDS UTCOE的均方根(RMS)为17.33 ns。BDS、GPS、GLONASS 3大系统的UTCOE的95%统计值分别为35.47、2.08以及8.64 ns。结果表明,BDS、GPS和GLONASS的UTCOE都符合性能承诺,但GPS远优于系统承诺,GLONASS次之,BDS的UTCOE结果临界,且呈现出明显的系统误差特性。BDS的UTCOE具有较大的提升空间。     

基于GPS的多站实时时间传递算法

提出了一种基于GPS的多站实时时间传递算法,该算法将卫星钟差作为未知参数进行实时估计,利用测站间的共视卫星建立起各测站误差方程之间的联系,同时解算站间时间传递结果和卫星钟差。摆脱了对外部事后精密卫星钟差产品的依赖,不受卫星精密钟差产品精度和实时性的限制,只要站间有足够的共视卫星,即可实现时间传递。实验结果表明:该算法时间传递精度可以达到亚纳秒量级,能够应用于高精度实时时间传递。     

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。     

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)。     

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。     

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...     

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.