星地距离变化对星地双向时间比对的影响及改正

星地时间同步是卫星导航系统的关键技术,星地双向时间比对能有效提高星地时间同步的精度。在分析了星地距离变化对星地双向时间比对可引起百纳秒量级误差后,提出了前后历元观测数据差分改正方法,通过数学仿真验证该方法能达到纳秒量级精度。

星地双向时间比对Sagnac效应的计算和分析

以星地无线电双向时间比对法为例,利用几何图形介绍了Sagnac效应产生的原因,并在Ashby等人给出的Sagnac效应基本原理公式的基础上,详细推导了利用GEO、IGSO、MEO这三种类型卫星进行时间比对时所产生的Sagnac效应在地心惯性系中的具体表达式,分析了Sagnac效应值为零和取极值时这三种类型的卫星以及地面站需满足的条件。

星地双向时间比对技术中伪距及其时刻的处理方法

导航卫星的星地时间同步技术是导航卫星的核心技术之一。文章在论述GPS时间同步的基础上,讨论了星地同步的各种方法;重点论述建立在星地双向比对基础上的时间同步技术,对其重点进行论述;并根据实际需要建立了比较理想的星地测距模型,并给出各种模型下卫星和地面伪距值及其时刻的获取方法;讨论了不同模型之间的差异,并给出不同模型的使用建议及结论。

星地无线电双向法时间比对中Sagnac效应的计算

根据星地无线电双向法进行时间比对的基本原理,详细介绍了Sagnac效应产生的原因。并以同步轨道卫星为例,推导了星地无线电双向法时间比对中Sagnac效应的基本计算模型,给出了当地面站在赤道上和不在赤道上这两种情况下Sagnac效应的详细计算过程。

星地无线电双向时间比对法误差源分析

本文简要介绍了星地无线电双向时间比对法的基本原理,给出其地心惯性系中计算模型,分析了各种误差源对星地间相对钟差的影响,计算了在几种计算精度下卫星和地面站位置和速度误差所需要达到的精度。结果表明:影响星地无线电双向法精度的主要误差源为设备时延误差和电离层延迟误差,而由于卫星和地面站位置不准确引起的误差相对较小;对于电离层时延、设备时延等与信号传播频率有关的时延项,并不能通过差分完全消除它的影响,还需要通过其改正模型来对它的影响进行改正;对于目前时间比对法各误差源的精度量级,星地无线电双向法的理论精度也仅能达到约几百个皮秒的量级。

一种星间设备系统偏差的标定方法

针对Ka波段测距体制中星间测距设备系统偏差标定困难从而影响自主导航精度的问题,提出用星地无线电双向时间比对的方法标定星间设备系统偏差。通过两条星地双向链路并在这两颗卫星间建立一条星间双向链路进行标定。结果表明:该方法能够标定星间设备系统偏差,其RMS优于1ns,从而起到提高星间时间同步精度的目的。

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。