基于不同轨道和星钟类型的BDS-3星载钟特性评估

星载原子钟性能的研究对于卫星钟差估计与预报、卫星导航系统的建设与维护等具有重要的意义。采用了德国地学研究中心(GFZ)2021-01-01—2021-12-31多星定轨联合解算的精密钟差产品，基于预处理后的钟差数据，对2021年北斗三号卫星导航系统(BDS-3)星载钟的相位、频率跳变情况进行了统计，探讨了中圆地球轨道(Medium Erth Obit, MEO)卫星铷钟与氢钟的相位、频率序列图特点。使用二次多项式模型分析了BDS-3不同轨道、不同星钟类型卫星钟的频率漂移率和模型噪声等指标的变化规律，基于哈达玛方差从不同时间尺度对BDS-3卫星钟的频率稳定度展开了分析。结果表明，BDS-3卫星钟相位和频率变化相对连续且稳定，其中仅地球静止轨道(Geostationary Orbit, GEO)卫星星钟存在调相行为，MEO卫星和GEO卫星都存在调频行为，且铷钟的调频次数明显多于氢钟。从频漂和模型噪声水平来看，MEO卫星优于其他轨道类型卫星，同铷钟相比，氢钟性能更优。BDS-3星载原子钟的稳定度保持在10^-15～10^-14量级，MEO卫星星载钟的稳...     

GNSS星载原子钟性能评估与噪声分析模型算法研究

星载原子钟作为导航卫星的时间基准，其性能直接影响GNSS的导航、定位和授时服务。采用德国地学中心(GFZ)提供的多系统精密钟差产品，对GNSS卫星钟时域性能和中长期(τ=10 000 s)稳定性进行分析，并提出了基于重叠采样的自相关法对卫星钟噪声进行识别。结果表明，稳定性方面，BDS氢钟、Galileo氢钟和GPS III-A铷钟性能相当且优于其他类型的卫星钟，GLONASS卫星钟存在略微老化的现象，而BDS与Galileo在轨卫星钟进入稳定运行期。噪声特性方面，BDS与Galileo卫星钟主要受3种调频噪声的影响，GPS铷钟主要受调频白噪声、调相闪烁噪声和调相白噪声的影响，GPS IIF铯钟和GLONASS铯钟主要受调频白噪声的影响，提出的基于重叠采样的自相关法能准确识别受相对频率漂移影响较小的GPS和GLONASS卫星钟噪声。     

卫星导航系统星载钟时域频率稳定度探讨

介绍了四大卫星导航系统采用的时间系统,分析了频率标准的时域频率稳定度研究内容、研究方法,推导了其实用计算方法和公式,主要对近十年以来研究GNSS星载原子钟频率稳定度的测算数据进行了梳理和归纳总结,对比分析了各个导航系统星载原子钟的频率稳定度,综合数据表明大部分星载钟天稳均可达到10^-14量级,其中GPS星载铷钟和Galileo星载PHM钟稳定性最好。     

混合模型在短弧跟踪卫星钟差预报中的应用

当卫星在空间轨道飞行到地面监测站观测不到的弧段时,卫星钟与系统时间之间的同步只能由卫星钟自己维持,为了得到连续的卫星钟差结果,必须对卫星钟差进行预报。本文针对地面站频繁观测不到卫星导致的卫星钟差数据频繁中断这一特殊情况,提出多项式加AR混合模型,以GPS星载原子钟差时间序列为实例进行钟差预报分析,并与GPS常用的二阶多项式模型预报结果进行比较,结果表明:短弧跟踪条件下,多项式加AR混合模型对GPS星载原子钟进行8~20 h钟差预报时精度均优于1ns,明显高于二阶多项式模型预报精度,满足实际应用中短弧跟踪条件下的钟差预报精度要求。这一结论为短弧跟踪条件下的星载原子钟差预报做了理论上的铺垫。     

BDS在轨卫星钟性能评估与对比

从卫星钟基本特性、频率稳定度、钟差预报精度等方面对 BDS 三种类型卫星钟 (RAFS-1、RAFS-2、PHM)进行综合对比分析，结果表明：PHM 卫星钟性能指标显著优于 RAFS； RAFS-2 卫星钟性能指标显著优于 RAFS-1，频率稳定度指标和钟差预报精度提升了 1 倍左右，且 RAFS-2 卫星钟增加了相位连接功能，保证了在轨卫星钟在调整过程中不会影响时间频率服务。     

多项式模型在导航卫星钟差预报中的应用研究

为了解决导航卫星钟差预报精度随时间不断衰减问题,提出了基于多项式的卫星钟差预报模型优化方法。该方法通过优化预报采用的数据资料长度和多项式模型阶次,实现了高精度的卫星钟差短/中/长期预报。为验证该方法的可行性和有效性,利用实测的COMPASS导航卫星钟差数据进行钟差预报精度分析。结果表明,当多项式模型满足资料长度和模型阶次的最佳配置时,可有效解决导航卫星钟差预报精度随时间不断衰减的问题。     

GNSS兼容频点动态PPP性能分析

为验证GNSS兼容频点定位性能，给出了顾及系统间偏差的PPP模型，推导了各GNSS兼容频点卫星UCD改正模型。基于全球范围内的MGEX测站，从5个方面开展了7种定位模式下，动态PPP性能分析。结果表明：(1) BDS-3兼容频点在3个单系统测试中最优，定位率、PDOP及可用卫星数分别为97.61%、1.94和9,Galileo次之，GPS最差；(2) BDS-3与其他系统的联合模式要优于其它系统间的联合，并且在GNSS联合定位中，BDS-3贡献最大；(3) BDS-3/Galileo联合模式收敛时间最快和收敛精度最高，E、N、U各方向收敛时间分别为22.70、7.99、11.17 min,收敛精度分别为1.6、1.2、4.9 cm;(4) BDS-3与其他系统联合均可显著加快收敛时间和提高收敛精度。可明显看出，BDS-3在GNSS兼容互操作发展方向扮演着重要的角色。     

基于TDC的二级频率标准驯服算法

利用全球定位系统(GPS)接收到的秒脉冲(1PPS),对常见的二级频率源温补晶振(TCXO)和相干布局囚禁(CPT)原子钟驯服开展研究。设计了硬件锁相环的驯服方案,利用时间数字转换器(TDC)测量本地分频1PPS与GPS接收机收到的1PPS时间差,实现本地信号相对GPS时间信号的锁定。锁定之后,TCXO实现了万秒稳定度为8.5×10^-12,驯服后3.5×10⁴ s的平均频率准确度提升至5倍以上。此外,深入研究了CPT原子钟的噪声模型,在Matlab上对其进行仿真,建立起频率白噪声和频率随机游走噪声在阿伦方差曲线上的对应关系,对比了平均滤波和平均滤波+卡尔曼滤波2种滤波测频方案对CPT原子钟的驯服效果,频率稳定度在5×10⁴ s时有一个数量级的提升。     

导航卫星主备钟平稳切换性能设计分析

卫星钟是导航卫星的核心设备,其输出时频信号的稳定是导航卫星向用户提供连续稳定导航信号及服务的基础,主钟性能下降或故障迫使系统进行原子钟主备切换时,由于主备钟存在的频率和相位差别,导航信号将产生跳变,影响卫星的服务性能,目前导航卫星多采用主备钟跟随及平稳切换技术来解决主备钟切换时的频率和相位跳变问题。针对主备钟平稳切换与导航服务性能的关系以及平稳切换指标的确定问题,介绍了主备钟平稳切换技术的原理,分析了主备钟切换的时机与策略,从用户测量性能及钟差预报参数可用性这2个方面分析了主备钟平稳切换指标,并提出了相应的指标要求。     

氢钟频移校准与相位无损切换

为满足VLBI等高精度空间测量技术对时间频率稳定度和准确度提出的更高要求,深空测控系统都配置了高性能的氢原子钟。但由于部件老化、环境变化等影响,氢原子钟输出频率会发生漂移变化,需要对此频移进行校准;同时备份原子钟需要追踪并保持与主钟的输出相位一致,必须进行相位的无损切换才能保障时频信号的连续性。分析了氢原子钟的工作原理和调频移相技术,设计了一种氢钟追踪外部授时系统进行频率漂移校准、主备钟相位无损切换的工程实施方法。应用结果表明,72 h测试时间内,与GPS相比,氢钟的稳定度由原来1.1×10-13提高到3.2×10-14,主备氢钟相位差由原来1.03o减小至0.08o,满足了VLBI长时间高精度测量的精度需求。     

应用于积分球冷原子钟的窄线宽激光稳频系统

通过调制转移光谱稳频的方式，将外腔半导体激光器频率锁定于⁸⁷Rb原子D₂线超精细跃迁5²S_1/2,F=2→5²P_3/2,F=3，使激光器线宽由自由运转的382.18 k Hz压窄至稳频后的37.94 k Hz。稳频后的窄线宽激光用于积分球冷原子钟的探测光，可以将激光频率噪声对原子钟短期稳定度的影响降低至5.6×10^-14τ^-1/2。     

基于转发体制的卫星导航定位性能仿真与分析

基于转发体制卫星导航定位是一种创新的卫星导航方法,有必要分析和验证其定位性能。本文基于虚拟原子钟伪距测量定位原理,提出了定位误差仿真的总体思路,并建立了电离层延迟、对流层延迟、伪距观测量和定位解算等数学模型,最后利用4颗在轨通信卫星对中国典型地区进行了定位误差仿真试验分析。仿真结果表明,部分地区可见星达不到4颗,系统定位误差约10m左右,但某些时段存在定位误差突然增大的现象。     

增强北斗导航性能的几点建议

2010年12月18日,我国第7颗北斗(Compass)卫星入轨运行,这将使2012年前建成一个区域性覆盖的北斗系统变成现实。如何增强北斗导航性能也就成为一个研究大热点。基于对GPS/GLONASS现代化的分析,笔者提出增强北斗导航性能的下述建议:扩大北斗卫星定轨观测网,提高广播星历精度;优化北斗卫星导航电文内容,便于用户接收使用;播发北斗与GPS/GLONASS/Galileo的时差信息,扩大北斗的应用市场;研发北斗卫星自主导航技术,提高北斗系统的抗毁能力;研制MEMS化北斗卫星,建设强抗毁和强抗干扰的全新北斗星座。     

星载GNSS反射信号时-空性能仿真分析

针对星载全球导航卫星系统(GNSS)反射信号时-空性能问题,该文从1阶统计量角度定义了平均空间覆盖次数、全球覆盖面积百分比和平均回访时间3个衡量星载GNSS反射信号时-空性能的指标,并通过建立GNSS和低轨卫星轨道仿真研究了低轨卫星轨道高度、倾角、升交点赤经以及天线波束对星载GNSS反射信号时-空性能的影响.结果表明:...     

水下空间中的光学高精度双向时间比对

为探寻水下空间导航定位授时服务的新途径,进一步提升水下空间授时精度,提出一种水下空间中的光学双向时间比对方法,阐述其基本原理和系统组成,利用激光二极管、光束准直器和反射镜等搭建基于玻璃水池的实验系统。最终,实验系统的时间比对结果峰峰值为1.6 ns,系统附加时间传递抖动结果为1.05×10^-11 s/s, 6.30×10^-11 s/10³ s。实验结果验证了水下空间中光学双向时间比对方案的可行性,同时纳秒量级的时间比对结果表明具有深入研究的价值。针对实验过程中存在的问题,进行了深入分析和总结,为后续工作和研究提供了理论依据。     

北斗三号B1C/B2a新信号精密卫星产品估计及PPP-AR性能研究

为分析北斗卫星导航系统(Beidou Navigation Satellite System, BDS)B1C/B2a新信号的服务水平,基于混合差分的方法,结合全球均匀分布的观测站数据解算得到BDS精密钟差,进一步估计宽窄巷未校准相位延迟(Uncalibrated Phase Delay, UPD)。使用二次差法对所估计的BDS-3钟差精度进行评估分析,验证估计产品的准确性;通过UPD产品长期序列来研究其稳定性;将估计的钟差和UPD等产品应用于精密单点定位浮点解和固定解(Precise Point Positioning-Ambiguity Resolution, PPP-AR)进行验证。根据数据处理结果可知,地球静止轨道(Geosynchronous Earth Orbit, GEO)、倾斜地球同步轨道(Inclined Geosynchronous Satellite Orbit, IGSO)和中地球轨道(Medium Earth Orbit, MEO)3种轨道类型的估计卫星钟差平均精度分别为0.209、0.095、0.087 ns; BDS-3宽巷UPD长期序列标准差(Stand...     

对地观测星载激光测高仪在轨姿态系统误差检校方法

星载激光测高仪通过接收经地表反射的微弱激光脉冲回波,计算卫星与地表的距离;结合卫星位置和姿态数据,生成激光脚点精确地理位置和高程结果。对于高程精度10 cm量级的对地观测激光测高仪,必须对影响严重的姿态角系统误差进行标定和校正。文中推导得出星载激光测高仪姿态角误差与已知地表先验信息相关联的数学模型,设计了利用大洋表面作为地表标定场,通过卫星姿态机动方式,最小二乘估计算法校正卫星在轨系统误差的具体方法。仿真结果表明,所设计的方法能够准确估计存在的姿态系统误差,即使大规模观测值丢失,估计偏差也小于5%。这种在轨运行系统误差的标定方法对于对地观测星载激光测高仪的姿态误差检校具有参考意义。     

基于BDS-3/GPS多频数据的GNSS-R海面高度反演方法研究

随着北斗三号（BDS-3）系统的完善与投入使用，本文基于BDS-3/GPS多频信噪比数据提出了两种全球导航卫星系统反射测量（GNSS-R）海面高度反演改进方法，即基于最高峰与次峰关系剔除粗差方法和最优频段改正方法。通过印度洋附近马约特岛的MAYG测站2020年年积日（DOY）333～337天连续5天观测数据验证该方法的有效性。结果表明，基于最高峰与次峰关系剔除粗差方法可以提高潮位反演精度，GPS频段总体提高了9.16%,BDS频段总体提高了17.34%，但是会导致反演结果数量降低。而最优频段改正方法可以在增加反演结果数量的同时提高精度，被改正的GPS S1C、S2W频段反演精度总体分别提高了26.54%、22.89%,BDS S1X、S2I、S6I和S7I 5天的潮位反演RMSE分别降低了61.36%、34.23%、47.68%和55.38%，并且精度提高程度较前者更高。     

北斗RDSS授时性能分析

目前,我国已经发射了北斗三号卫星无线电测定业务(Radio Determination Satellite Service, RDSS)的59,60和61号3颗GEO卫星,加上原有的北斗二号的1～5号GEO卫星,总共有8颗GEO卫星为导航用户提供导航定位、短报文通信、卫星授时和星基增强等RDSS业务服务。由于GEO卫星距离地表距离超过3.6万km,卫星属于高轨卫星,其服务质量受到轨道精度、配置星载原子钟、大气延迟和卫星硬件延迟等影响严重。针对北斗RDSS授时相关研究目前鲜有报道,尤其平稳过渡波束和北斗三号卫星的相关内容尚未开展研究。深入分析了北斗RDSS提供的单向授时和双向授时服务质量,研究目标包括目前可用的全部北斗二号卫星、平稳过渡波束和北斗三号卫星。基于北斗RDSS授时接收机连续30 d的北斗实测RDSS授时数据的试验验证表明,平稳过渡波束较北斗二号授时结果改善不明显;北斗二号双向授时结果较单向授时结果改善了电离层延迟,授时结果提高了约30%;北斗三号双向授时结果较北斗二号双向授时结果改善了轨道误差和卫星钟差等,授时结果则改善了60%。充分说明了轨道误差和卫星钟差是影响北斗RDSS...     

BDS实时精密单点定位性能分析

以GFZ事后精密轨道与钟差产品为参考,评估CNES实时轨道与钟差精度。基于CNES实时轨道和钟差,对18个MGEX地面站进行了实时精密单点定位(Real-Time Precise Point Positioning, RT PPP)测试,以GPS为参考分别对比分析了BDS3、BDS2+3的RT PPP的性能。结果表明,GPS实时轨道三维精度优于11 cm,实时钟差精度约为0.02～0.06 ns, BDS非GEO卫星实时轨道三维精度优于33 cm,钟差精度约为0.05～0.29 ns。BDS与GPS三维定位精度基本相当,约为5～6 cm。GPS平均收敛速度约为59 min, BDS平均收敛时间约为124 min。相对于BDS3、BDS2+3在E、N、U三方向的定位精度分别提升9.9%、6.7%、2.6%,3D定位精度提升5.8%,收敛速度提升20.2%。