星地双向时差测量系统周跳探测与修复算法

随着空间时间频率基准的精度越来越高,需要与之匹配的空间时频传递技术. 基于载波相位的星地双向时差测量方法可以实现更高的时间频率传递精度,但对于复杂的星地环境,由于航天器飞行动态高,时频传递链路的传输频率高,载波多普勒效应大,更容易出现粗差和周跳. 基于此,研究一种适合高动态环境下的星地双向时差测量系统载波相位周跳探测与修复方法,提出一种适用于三频组合模式的双向周跳探测与修复方法. 该方法联合双频码相 (MW)组合法可以实现不同类型周跳的探测与修复,对于上下行三条微波链路均可探测出周跳的存在并实现毫米级周跳修复精度. 进一步对基于载波相位测量的星地双向时差测量系统的星地时间同步性能进行分析,在经过周跳探测与修复,以及链路时延数据处理,其星地时间同步精度优于0.3×10–12 s.      

中国空间站微波链路引力红移检验仿真实验

利用高精度空载/星载原子钟进行引力红移检验是物理学领域的研究热点。随着原子钟精度的不断提高,利用高精度时频信号检验引力红移和测定重力位成为可能。中国空间站二号实验舱预计于2022年10月在轨运行,并搭载高精度原子钟组,为高精度引力红移实验奠定了基础。利用中国空间站的一组上行微波链路与下行微波链路进行双向时间/频率比对,从而实现引力红移检验。由于两条链路的频率及路径相同且极化方向相反,可以极大地消除误差干扰。结果表明,当空间站搭载的原子钟稳定度为$\mathrm{2}\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{15}}/\sqrt[]{\tau }$且长期稳定度约为10-18量级时,引力红移检验精度可达到10-7量级,比目前国际上最高的引力红移检验精度高1~2个量级。     

精密时频传递技术综述

精密时间频率传递技术在当今众多领域中发挥基础支撑作用,同时也是UTC(coordinated universal time)、TAI(international atomic time)等国际时间标准建立和维持的关键技术之一。本文对3类主流的精密时频传递技术进行了研究。结果表明,卫星时频传递发展最为成熟,应用最为广泛,但同时也面临性能提升瓶颈及安全性、环境适应性等隐患;光纤时频传递利用先进的光纤传输技术,在传递性能方面具有一定的优越性,但易受环境温度等因素的影响,且在铺设范围、成本及灵活性方面存在局限性;激光时频传递利用卫星激光测距技术实现星地时钟的高精度比对,但该技术实施需要专用系统及设备,应用领域有限,目前主要应用于卫星导航系统性能增强。本文研究可为建设满足精度、稳定性、可靠性及安全性要求的国家时频体系提供参考。     

导航星间链路体制星地时间同步性能及其相关因素分析

利用北斗组网星座资源,将导航体制星间链路技术应用于星地时间同步是一种较好的远程高精度时间传递方法。星地时间同步通过双向单程测量能够抵消大部分信道误差,从而提高测量精度,但仍存在因部分上下行路径不一致所引起的残留误差,影响最终时间同步性能。本文主要介绍星地时间同步的基本原理,给出时间同步过程中主要误差修正方法,重点分析轨道先验信息对时间同步性能的影响,并利用不同精度的轨道对星地实测数据进行分析和验证。结果表明,采用北斗广播星历与精密星历解算的星地钟差拟合残差RMS值均优于0.1 ns,当轨道信息叠加一定程度的随机误差时,通过平滑处理的方法可以进一步提高时间同步精度。本文可为星地实现高精度时间同步提供一定的技术参考和积累。     

下行L波段轨道法时间比对计算模型误差分析

通过星地时间比对可以实现地面站与卫星之间的时间同步,主要采用的星地时间比对方法有星地无线电双向比对、卫星激光双向测距比对、下行L波段轨道法比对、伪码与卫星激光测距比对和伪距与星地测距比对等。本文介绍了下行L波段轨道时间比对法在地心惯性系中的计算模型,对影响下行L波段轨道法时间比对精度的主要误差源进行了详细分析。     

星地时间比对大气误差修正及其影响因素分析

由于空间环境较为复杂，大气对无线电微波信号的影响是星地高精度时间比对的主要误差源之一.针对星地高精度时间比对的需求，研究了双向测量体制下的电离层误差修正方法及对流层色散延迟修正方法，对影响大气误差修正的主要因素展开了讨论，并对不同场景下大气误差修正情况及星地时间比对结果进行了仿真分析.仿真结果表明：当卫星姿态误差控制在100 as以内、相位中心标定误差控制在5 mm以内、精密定轨误差控制在30 cm以内时，通过相应的误差修正算法修正后，电离层误差残差的RMS值小于0.006 ps，对流层误差残差的RMS值小于0.06 ps，星地时间比对精度优于皮秒量级.     

利用卫星双向时间频率传递确定重力位差和高程差

根据广义相对论,两地之间的重力位差导致两地之间时钟的运行速率差或频率差。反之,通过比对两地之间高精度时钟的守时速率之差或频率差,则可确定两地之间的重力位差及海拔高程差。本文选取国际度量局(BIPM)发布的5个台站2013年4月1日至21日的卫星双向时频传递(TWSTFT)数据,采用卫星双向时间频率传递技术,并基于重力频移法确定两地之间重力位差和高程差。与EGM2008模型结果的比对结果表明,重力位差和高程差的标准差分别为129.2m~2·s~(-2)和13.2m。实验结果与目前守时台站所采用原子钟的稳定度10×10~(-15)量级基本一致。迅速发展的时频技术及原子钟(光钟)精度不断提高,为利用卫星双向时间频率传递确定重力位差和高程差提供了应用空间。     

一种基于GEO星间链路的导航系统时间同步新体制

设计提出了一种时间同步新体制,即在GEO卫星上放置高精度氢钟,并在GEO卫星间建立高精度星间链路以进行高精度时间维持,利用两种方案进行了仿真比较研究。仿真结果表明,本文提出的方案切实可行,可以显著提升时间同步精度,尤其是自主时间同步精度,并得出了时间同步精度与星间链路精度和星载钟的精度关系。仿真结果表明,星载钟精度对新体制时间同步精度的影响相对于星间链路精度的影响较小。     

北斗三号卫星星地星间联合精密定轨初步结果

截至2018年底中国已有19颗北斗三号卫星成功发射入轨,北斗三号卫星上都搭载了高精度星间链路载荷并成功实现了星间双向测距。介绍了北斗三号卫星星间链路观测模型,并利用L波段星地和Ka波段星间链路观测数据对8颗北斗三号卫星进行了星地星间联合精密定轨实验,L波段数据来自全球连续监测评估系统分布于中国境内的6个跟踪站。实验结果表明:星间链路观测值定轨残差RMS值优于6 cm,设备时延在±0.15 ns以内变化。在地面跟踪站限制在境内的情况下,增加星间链路能显著提高定轨精度。通过重叠弧段比较,联合定轨得到的卫星轨道在三维位置上的误差约为12 cm,径向误差约为3 cm,与仅国内6个站星地定轨相比提高85%。     

星地监测网下的北斗导航卫星轨道确定

提出层间链路的星间链路方式,即以轨道高度区分的不同类型卫星间链路,在MEO卫星上安装星载接收机即可接收GEO、IGSO卫星观测数据。根据中国卫星导航系统星座构型,从卫星跟踪时间、三维位置精度因子PDOP、定轨均方差等评价指标,分别进行地面跟踪站区域和全球非均匀分布情况下的星地链路、星地链路联合层间链路、星地链路联合星间双向测距等多种场景的定轨仿真。结果显示,基于中国区域的7个地面跟踪站1 d观测值,联合波束角为41.25°的层间星间链路,GEO、IGSO和MEO定轨均方差值由6.1 m、1.3 m和5.9 m减小到1.0 m、0.8 m和2.0 m;联合卫星波束角为45°的卫星双向测距(残余系统误差为振幅30 cm的周期项),星座整体定轨精度优于20 cm。     

传输型立体测绘卫星定位误差分析与评估

分析了影响传输型立体测绘卫星影像定位精度的误差源,建立了星地误差仿真与评估模型,进行了星地链路误差仿真计算。实践表明:利用星地全链路误差仿真与评估数学模型可以实现星地误差链路的定量分析,为卫星系统指标论证和研制提供技术支撑。     

星地SLR和星间链路的BDS-3卫星精密定轨EI北大核心CSCD

目前,BDS-3卫星上已全部搭载星间链路设备,可利用星间双向测量数据分离卫星相对钟差和相对几何距离解耦卫星轨道和钟差,再把星间距离作为观测量结合地面测量数据进行星地星间联合定轨。人卫激光测距(SLR)技术不受载波相位模糊度、钟差等因素的影响,数据处理过程相对于GNSS技术的数据处理更简单,可以作为一种独立于GNSS观测技术的测量手段。所有BDS卫星上已搭载激光角反射器,因此本文利用2020年1月北斗星间链路数据及少量SLR数据对11颗BDS-3卫星(MEO/IGSO/GEO)进行联合精密定轨试验。分析结果表明,基于SLR和星间链路的3类轨道类型的BDS-3卫星定轨精度相当,轨道精度径向为4.2 cm,三维精度为30.2 cm;卫星轨道预报12 h和24 h MEO卫星三维精度约40.0 cm,IGSO三维精度优于60.0 cm;GEO卫星三维精度约1.0 m。在精密定轨的同时解算地球自转参数(ERP),由于激光数据量少,极移精度约3.0 mas,日长变化精度为0.35 ms。利用少量SLR观测数据和星间链路测量数据联合可以实现导航卫星的高精度定轨,如果能够对BDS卫星加强激光观测,有助于提升轨道精度,为BDS自主可控空间基准参数解算提供参考。     

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。     

北斗三号系统时频体系设计与实现

北斗卫星导航系统作为复杂巨系统,需要科学、完整、高效的时频体系总体设计与工程实现。北斗三号系统的时频体系设计首先通过基于星间链路实现星载钟之间的比对与时间同步,基于星地时间比对链路实现主控站与卫星间的星地时间比对与精密同步,基于卫星双向、地面有线双向时间比对链路实现主控站各分系统之间的比对与精密同步,同时基于组合钟组和综合原子时等方法生成北斗系统时间(Bei Dou system time,BDT),从而实现北斗系统内的时间建立、保持与同步。然后,通过直接或间接的溯源比对以及时差监测,实现BDT与其他导航系统时间基准的统一。北斗三号卫星信号的长期监测数据表明,BDT天稳定度达到4.6×10^-15,星载钟本地时间准确度达到1.25×10^-11,星载钟万秒稳定度达到1.65×10^-14,同时BDT相对于其他卫星导航系统的时差保持在50 ns以内。经系统运行检验与监测评估,证明北斗三号系统时频体系功能完备、组织架构科学、体系指标先进,能够全面支撑北斗三号的全球服务能力。     

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...     

对流层双向时间比对及其时延误差分析

双向时间比对技术广泛应用于高精度时间同步系统中,借鉴卫星双向时间比对和流星余迹双向时间比对原理,本文提出利用对流层散射通信进行双向时间比对的思想。分析对流层散射通信延迟理论及其在高精度时间比对中的重要性,研究对流层双向时间比对技术原理及其时延误差,根据选择的3个观测站的气象数据,详细分析各站在不同计算模型下的延迟误差,并设计了一种多站对流层散射双向时间比对系统。研究表明,在对流层散射双向时间比对中,散射传输时延误差是影响比对精度的最大因素,估计理论上总时延误差在1.2ns左右。     

辅助激光测距的共视法站间时间比对

辅助激光测距的共视法站间时间比对技术是一种新的站间时间比对技术.它同时利用激光和伪码进行时间比对,减弱星地位置不确定和传播路径带来的误差,因此,比对精度较高.它的缺点是设备昂贵且易受天气状况的影响.提出该方法的基本原理和计算模型,分析影响比对结果的误差源及对比对精度的影响,并给出各种比对量级下应考虑的改正项.     

完整后牛顿近似下原时与坐标时的转换

IAU2000通过了新的时空参考系和时间尺度决议,建议时空坐标理论必须在完整的后牛顿近似下来考虑.基于IAU2000决议,文中研究了在完整后牛顿近似下相对论参考系的基本概念、太阳系质心天球参考系(BCRS)和地球质心天球参考系(GCRS)的定义及其转换公式;推导了原时与坐标时之间的理论关系和严格转换公式.得到的理论公式可为进一步确定或定义相对论框架下的其它时间尺度(例如地球时和太阳系动力学时)提供了严格的理论基础和依据.     

GNSS载波相位时间传递的日界不连续误差研究EI北大核心CSCD

高精度远程时间传递技术是实现两地时钟比对的重要手段,是实现地方协调世界时UTC(k)与国际UTC建立联系的技术支撑,是国际原子时(TAI)计算的基础。作为GNSS载波相位时间频率传递技术的典型代表,基于全球定位系统(GPS)的精密单点定位(PPP)自2009年开始被国际权度局(BIPM)用于TAI计算,时间传递精度可达亚纳秒量级。然而,由于伪码噪声影响,使得PPP相位模糊度失去了整数特性,时间传递结果在相邻天边界历元处出现“不连续”现象,导致无法通过PPP时间传递更加准确反映两地实时连续运行时钟的性能,严重影响PPP时间传递长期频率稳定度的提升,也限制了PPP时间传递在铯喷泉钟等基准频标比对中的应用。论文围绕PPP时间传递结果日界不连续误差这一核心问题,按照从GPS单系统到GPS/BDS多系统,从理论研究到试验验证的模式,系统深入地研究了日界不连续误差的统计特性、产生原因、对时间频率传递的影响及改正方法。主要研究内容及结论如下。     

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.