GPS星载原子钟在轨性能评估精度分析

星载原子钟作为导航信号生成和系统测距的星上时间基准，为导航系统提供了精确稳定的频率源，其性能直接决定用户的导航定位精度。本文介绍了采用精密定轨与时间同步方法实现原子钟在轨性能评估方案，基于IGS钟差产品，分析了电离层、轨道残差等钟差测定系统噪声对在轨原子钟性能评估精度的影响，得出了有效的结论，可为我国北斗卫星高精度星载原子钟性能评估提供参考。

BDS卫星精密钟差性能综合评定

为了进一步服务于北斗卫星导航系统(BDS)的精确导航、定位和授时,对BDS卫星的高精度钟差数据进行综合评定:分析星地双向时间比对(TWTT)及精密定轨与时间同步(ODTS)2种卫星钟差确定方法的特点与差异;然后从卫星钟差数据的连续性、内符合精度、外符合精度以及计算得到的时域稳定度4个方面,对国际全球卫星导航系统服务组织(IGS)分析中心提供的BDS ODTS卫星钟差和TWTT卫星钟差的数据质量进行分析和讨论。分析认为,IGS不同分析中心的数据缺失率规律相似,但是德国地学研究中心(GFZ)的缺失率最高,欧洲定轨中心(CODE)的缺失率相对较低;TWTT精密卫星钟差的内符合精度最高,数据拟合精度即均方根(RMS)为0.37 ns,CODE、GFZ、武汉大学GNSS中心(WHU)钟差产品受到定轨误差等其他因素的影响,其拟合精度相对较低,RMS值分别为0.53、0.71、0.65 ns;4种精密星钟产品的天稳定度指标均到达1×10^-14量级,但TWTT结果所反映的噪声特性与3个分析中心的产品略有不同。

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3000 s稳定度可达3×10^(-14),且氢钟的短期稳定性优于铷钟;中长期稳定度方面,当平滑时间大于1×10^(4)s时,采用ISL体制的钟差评价中长期稳定度更接近于北斗三号星载原子钟的实际情况;对于7 d以上的长期稳定度评估,基于TWTT的广播钟差评估结果接近于ISL,可用于快速评估。

卫星导航系统自主导航技术研究与验证

本文结合全球卫星导航系统自主导航技术发展现状,介绍了自主导航能力的发展特点及重要作用,分析设计了卫星导航系统自主导航体系架构,并对自主导航关键的时空基准保持技术进行了分析,提出了基于星间观测的完全自主导航的滤波算法、滤波状态噪声协方差信息选择方法及自主导航星载数据处理方法.论证了基于地面观测数据(锚固站)的半自主导航方法,比较了不同锚固站分布、数量及观测周期对自主导航性能的影响,并利用一套地面仿真试验系统验证了自主和半自主模式下的精密定轨和时间同步精度,可为卫星导航系统自主导航设计提供参考.

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=1s)、2×10-12(τ=10s)、5×10-13(τ=100s)、2×10-13(τ=1 000s)。

两种精密钟差产品系统噪声分析

针对精密定轨与时间同步(ODTS)系统噪声难以准确计算的问题,该文选取了多台外接高精度主动型氢原子频标的监测站,通过对不同监测站钟差作差的方法对系统噪声进行了测试与分析。分别对国际GNSS服务(IGS)和德国地学中心分析中心(GFZ)提供的精密钟差产品进行ODTS系统噪声分析,分别采用IGS钟差产品和GFZ钟差产品进行了实验。结果表明,用阿兰方差表征ODTS系统噪声对在轨原子钟性能评估的影响,系统噪声的万秒和天稳定度均优于卫星钟设计稳定度,使用IGS与GFZ提供的精密钟差产品可以有效对星载原子钟在轨性能进行评估。