BDS-3观测数据质量分析及精密定轨

当前，北斗卫星导航定位系统正处于快速发展阶段，在全球GNSS卫星导航定位领域中受到了越来越多的关注，分析BDS-3卫星观测数据质量以及钟差性能对中国北斗导航事业的发展与应用具有重要意义。深入分析了IGMAS监测站BDS-3卫星的数据质量，同时采用现有的观测数据进行了BDS-3卫星三天弧段的定轨实验。结果表明，轨道重叠弧段1D RMS径向优于20cm，钟差重叠弧段STD精度优于1ns。为准确掌握BDS-3卫星钟差的时频特性，利用估计的钟差数据计算了BDS-3卫星钟差频率稳定性指标，其千秒稳定度、万秒稳定度和日稳定度分别为4.64×10-13、8.55×10-14和1.28×10-14，相对于BDS-2系统最高提升了25.89%。     

SATRACK-Ⅰ和SATRACK-Ⅱ导弹跟踪系统的工作经验与设计指标

SATRACK-I是为美国海军战略系统计划局研制的,用来跟踪试飞的“三叉戟-I”型导弹。该系统利用GPS的L_1频率信号、弹载变频转发器、地基接收/记录站以及一套专用的事后处理设备(该设备设在约翰·霍普金斯大学的应用物理实验室),用以对导弹初始状态、弹道及制导系统误差作最优估计。该系统从1978年沿用至今,进行了50多发试飞导弹的性能估计。本文评价了SATRACK-I系统的性能,其设计精度指标为12.2米和0.015米/秒(1σ/每轴)。由于SATRACK-I的卫星—导弹间是单频线路,所以要用电子密度数学模型来修正电离层的距离及多卜勒误差。本文讨论了所用模型的特点及其性能。目前正在设计的SATRACK-Ⅱ系统将用来跟踪和鉴定“三叉戟-Ⅱ”型试飞导弹。该系统的精度指标为6.1米和0.03米/秒(1σ/每轴)。为达到这些指标,必须使用双频卫星一导弹间线路,并作其它一些系统改进。已选定GPS的L_3频率信号作为第二个频率,这一选择的原因以及其它系统改进将在下面介绍。     

用甚长基线干涉仪同步时钟

1977年3月28日,利用甚长基线干涉仪对数个河外射电源进行了观测,借此同步了位于麻省海斯答克(Haystack)天文台和西弗吉尼亚州国立射电天文台(NRAO)的两台氢原子钟,9月23日又进行了一次。在8个360千赫频段上顺序进行观测,这8个频段分布在8.4～8.5千兆赫内,各频段之间相隔一定频率,以便无模糊地测定两站观测同一信源所接收到的各信号之间的群延时差,不确定度小于1~ns,这主要是接收机噪声造成的。分析数小时内的观测结果,估算出每次实验中各天文台时钟之间的初始时刻差和速率差。修正天线、馈源、接收机和记录器的延时,即可测定时钟时刻差的绝对值。每一次实验,均将搬运钟从华盛顿特区的海军天文台(USNO)空运到上述两天文台,然后返回海军天文台。甚长基线干涉仪同步之后,分析飞行钟的数据,可以看出,第一次、第二次甚长基线干涉仪同步结果与搬运钟数据的符合程度分别为18和14毫微秒。     

TDAS时代低地球轨道航天器的导航

九十年代将用跟踪数据采集系统(TDA5)取代现在的跟踪与数据中继卫星系统(TDRSS)。现在正在研究通过该TDAS为用户航天器提供测轨/测时功能的各种方案。TDRSS中所用的双向测距和多卜勒跟踪仍然是TDAS地基导航的一种方案,但本文集中讨论单向测距和多卜勒跟踪的方法,具体说是: (1)正向线路信标跟踪(FLBT)——在用户星上处理由TDAS卫星连续播发的独立的导航信号; (2)正向线路定期跟踪(FLST)——在用户星上处理从TDAS正向线路定期跟踪期间所接收的导航数据; (3)反向线路定期跟踪(RLST)——在地面处理从TDAS反向线路定期接收期间用户星所产生的导航数据。比较了每种方法的系统结构以及要求,给出了导航性能评价的初步结果。该性能是用户航天器轨道、TDAS星座结构和其它参数的函数。接着将这些结果与TDAS任务模型中的精度要求相比较。最后讨论了上述各种方案对TDAS和用户航天器的影响,并指出了需进一步研究的问题。     

爱德华数字交换系统的同步

位于加利福尼亚州爱德华的空军飞行试验中心(AFFTC)配备了爱德华数字交换台(EDS)。该系统是能够交换话音、加密话音和时空位置信息(TSPI)数据的DS-1交换系统。爱德华数字交换台中的加密话音和时空位置信息要可靠地传送到别的通信系统中去要求这两个系统必须以同一基准频率工作。为了利用爱德华数字交换系统与别的靶场通过租用商业线路通信就要求他们与一个标准频率源同步。目前,空军飞行试验中心所用的同步方法不适用于爱德华数字交换台。准备组建一个分级同步网络,可为联到爱德华数字交换台的所有系统提供一个公共基准频率。为空军飞行试验中心绝大多数设备提供同步信源的主时统站(MTS)现已老化,亟待改造。主时统站的改造和同步信号分配网的重建将同时完成。为了使爱德华数字交换台与其它系统可靠地联接,需要建立与美国海军天文台(USNO)和国家标准局(NBS)的时间同步。人们正在把全球定位系统当作可与USNO和NBS同步的主校频信源。     

通过卫星进行时/频传递和协调

一、引言目前,许多时间和频率(T/F)信息的用户与各种时/频发播业务和技术发生种种联系。其中包括众所周知的高频(HF)、低频(LF)和甚低频(VLF)发播业务(这些业务由全球许多机构经办);搬运钟方法;利用广播电视和无线电导航信号作为时/频传递标准;电话询时业务和卫星技术。利用这些方法能达到的时/频传递的准确度在毫秒到亚微秒之间,取决于所采用的具体技术、地理位置和传播条件等因素(详见报告267-4,271-5,263-4)。     

卫星双向法与卫星测距

卫星双向时间比对是目前远距离台站时间比对精度最高的时间同步技术,时间比对精度达几百皮秒,比GPS共视技术的时间比对精度几乎高一个数量级。中科院国家授时中心根据多台站卫星时间比对经验,提出利用卫星双向比对技术进行卫星测距(称转发器定轨)。实验证明:利用卫星双向技术(卫星需要转发器)进行卫星测距,可得到高精度卫星轨道(内符精度为几厘米)和卫星预报轨道。     

跟踪和数据中继卫星系统的多址接收相控阵系统

30单元相控阵是中继卫星系统中所采用的新型多址方案的基础,这种相控阵利用了远地波束形成和多址信号方案。系统综合设计提出了一种控制校正方案,该方案相当于动态系统的现代估算理论,它减小了自适应控制的复杂性,又保证了所需要的精度。系统动态模型基于跟踪数据计算出来的用户星星历,外推(propa-gation)最佳权矢(旦力)的“开环”估值。由一个采样数据闭环自适应控制系统定期更新波束控制矢量,消除参数漂移和模型误差,使权矢量大致保持最佳状态。虽然有可能有一定程度的抗干扰能力,但这种方案主要用于特定的无干扰环境。     

基于被动相位噪声补偿的自由空间光学频率传递

针对自由空间光信号传输更易受到环境影响的特点，提出了一种被动相位噪声补偿技术。该方法利用探测往返传输的光信号与发射端参考信号拍频获得链路引入的相位噪声，在发射端通过声光移频器（acousto-optic modulator, AOM）对待传递信号移频取共轭即可在接收端获得相位稳定的光学频率信号。该方法避免了使用复杂的鉴相和伺服控制电路，使系统具有更快的补偿速度且没有鉴相范围的限制。实验结果表明，150 m的室外自由空间链路的平均时间1 s的附加频率不稳定度约为1.9×10-16，平均时间1 000 s的附加频率不稳定度约为4.6×10-19。该相位噪声补偿技术为高精度的自由空间光学频率传递提供了一个简单可靠的方案。     

低轨卫星多普勒频移特性的快速计算

地面站利用低轨卫星进行通信时,地面接收站接收信号存在明显的多普勒频移现象。为描述多普勒频移特性,首先分析卫星轨道偏心率对多普勒特性曲线的影响,分析表明：轨道偏心率越大,地面站接收信号多普勒变化率越大。其次,推导了卫星多普勒频移的计算表达式,并讨论了低轨卫星多普勒频移特性曲线的快速计算。仿真计算结果表明,该算法可以很好地描述任意低轨道卫星多普勒频移特性,并明显缩短了精确算法的计算时间,对于10 000km轨道高度卫星,算法置信度可达99%以上。     

哥达德距离和距离率系统与并置的激光系统跟踪测地卫星的相互比较

NASA正在进行测地卫星1号(GEOS—A)卫星观测系统的相互比较研究。作为该项研究的一部分,用并置的哥达德距离和距离变化率(GRARR)系统及哥达德激光跟踪系统对GEOS—A卫星进行了跟踪。从1966年7月至11月,北卡罗莱纳州罗斯曼的GRARR站对该卫星的17次过境做了观测,并对其中的10次做了鉴定。在该项研究中,激光系统的跟踪轨道用作GRARR系统的基准轨道。激光数据用GEOS—A数据调整程序(GDAP)进行了平滑,以笛卡尔座标位置和速度矢量的形式给出所选历元时刻的基准轨道。数据鉴定表明,可用激光跟踪轨道来检测距离和离变化率中的系统误差,其精度分别可达2米和1厘米/秒。利用所测的GRARR数据和激光轨道数据,由GDAP计算出每次过境(10次中的7次)中的平均距离零位偏倚误差为-5.3米,标准偏差为±2.5米。其他3次过境均被剔除,因为其偏离均值的偏差高达30米。测距-定时误差确定为-2.1±1.2毫秒。消除系统误差后,未经平滑的距离数据的均方根噪声分量为6.8米。认为应答机延迟曲线的误差导致了GRARR的距离偏倚和定时误差。对GDAP的距离变化率残差做了折射修正,并用序贯最小二乘回归程序估计了各距离变化率误差模型的系数。没有发现明显的距离变化率零位偏倚。观察到距离变化率总有-0.20±0.02毫秒的定时误差,但其原因不详。发现的频率换算因子误差为10~(-5)。消除了这些系统误差之后,未经平滑的距离变化率数据的均方根误差分量为1厘米/秒。     

相对论效应下连续波雷达及GPS系统的测速原理与相对论影响

在狭义和广义相对论效应下,研究推导了连续波雷达及GPS系统的测速原理。给出距离和变化率S与多卜勒频平间的关系式;对经典公式(不考虑相对论影响)应作的相对论修正等。最后给出算例。 研究表明:狭义相对论的时间膨缩效应,在雷达上、下行通道测量中能互相抵消。而广义相对论引力场使频率改变造成的S误差,则为高阶小量(在算例的前题下,△_广S=1×10~(-11)米/秒,四站最优布站测飞行器速度的相对论影响△(?)、△(?)、△(?)均小于6×10~(-12)米/秒)。对于从空间单程测量的GPS系统,狭义和广义相对论影响都很大(测地面低速或静止目标时,△_狭(?)=0.02米/秒,△_广(?)=-0.16米/秒,△_总(?)=-0.13米/秒;四星最优几何测量时,△(?)=△(?)=△(?)=0.12米/秒),庄子重视和修正。     

一种高精度的卫星定位系统—STARFIX

STARFIX 是一种新开发的利用地球同步(C 波段)通信卫星的卫星定位系统。对速度高达50节的活动用户,它能即时提供5米(均方根)以下的两维定位,覆盖范围包括美国大陆和近海水域。完整的 STARFIX 系统由卫星星座、对每颗卫星的上行线路、国内跟踪网、数据通信线路和用户设备组成。本文阐述了 STARFIX的发展,介绍了各组成部分,说明了海上的例子以及与其它现存的或将来的卫星系统之间的比较情况。     

基于北斗卫星的纳秒级全球授时系统

北斗三号系统的基础服务可以为全球用户提供精度优于20ns的信号，更高精度的时间同步应用，需要如GNSS共视、全视、PPP或卫星双向时频传递等专用方法，成本高，并且需要专业维护，只适合小范围应用。在研究了各种高精度时间比对技术的基础上，基于国家授时中心的标准时间UTC（NTSC），提出了基于北斗卫星实时共视、实时全视和实时PPP多种技术互补融合的纳秒级全球授时方法。结合时延绝对标定与分段标定组合的设备时延标定，以及振荡器动态驯服等技术，建立了标准时间远程复现系统，由服务端和用户端两部分组成。服务端由国家授时中心维护，用户仅需要安装一台标准时间复现设备，并通过互联网或北斗短报文信道自动持续从服务端获取服务数据，即可在本地恢复出溯源至标准时间UTC（NTSC）的时间频率信号。系统可为全球用户提供与UTC（NTSC）偏差小于5ns的1PPS信号，以及万秒频率稳定度优于5×10-13、相对频偏小于5×10-14的10MHz信号，授时A类不确定度优于2ns。目前已经为多个行业提供服务。     

弹道辅助的弹载接收机伪卫星信号快速捕获方案

 为实现导航式弹道修正弹在高动态环境下对导航信号的快速捕获且摆脱全球定位系统(GPS)的限制,提出了一个完整的基于伪卫星区域定位系统的弹载接收机信号快速捕获方案。首先利用期望弹道辅助获得多普勒频移初始值以缩小多普勒频移搜索范围,然后采用改进的搜索策略进一步减小多普勒频移搜索时间,最后利用三次样条插值法处理相关谱谱峰及邻近采样点的数据以提高低频采样下粗捕获(C/A)码相位的测量精度。算法分析及仿真结果表明,所提方案能有效缩短多普勒频移搜索时间,提高PN码相位测量精度。     

顾及频间偏差的GNSS多频非组合PPP变形监测

精密单点定位(PPP）技术有望解决长距离、大范围等监测场景难以找到稳定基准点的难题。现代化的全球卫星导航系统(GNSS）卫星纷纷开始播发多频信号，多频观测值融合理论上可提升PPP变形监测性能。为了充分利用多频冗余观测数据，详细研究了每个频点的差分码偏差(DCB）和全球定位系统(GPS）存在的相位频率间卫星钟偏差(PIFCB）的改正方法，扩展了多频数据处理的严密理论模型，能够灵活处理GPS三频、Galileo五频和BDS-3五频观测数据。多频PPP振动监测实验结果表明，GPS三频PPP、BDS-3五频PPP、Galileo五频PPP较各自双频PPP位移监测精度可分别提升12%、13%和14%，表明多频PPP技术有利于提升PPP位移监测精度与稳定性。     

卫星激光测距中的大气折射修正

大气折射会使卫星激光测距(SLR)系统产生显著的误差。可用两种方法来修正这些误差。光线轨迹证明了基于地面压力、温度以及相对湿度测量值的大气模型,当仰角大于20°时,可精确到几个厘米以内。此模型中的残差主要是由折射率的水平梯度而产生的。尽管导出了几种模型来预测这种梯度影响,但初步研究表明它们对地形影响很敏感。大气湍流能使折射率产生随机起伏,但在仰角低于10°时仅产生厘米级的误差。双色脉冲系统能直接测量出卫星测距中的大气延迟。该系统需要用锁模多频激光器和基于高速扫描摄影机的接收机,目前可以0.5cm以上的精度测量大气延迟。     

柏林工学院航空航天研究所研制的卫星测距设备

本文介绍了柏林工学院航空航天研究所(ILR)研制的两种极高精确度的系统。这两种系统分别利用了侧音测距和伪噪声码测距的原理,都设计成通过宽带通信转发器来完成双向测距(地-空-地)。测距线路要求几兆赫的信道带宽,利用普通的通信所用的转发器通道就可以建立这种线路,而没有相互干扰。本系统的特点是硬件简单,所需射频辐射功率低。其分辨力可达10微微秒量级,长期漂移也在这一数量级上。总廷迟误差小于1毫微秒,系统精确度可望达到此值。基于已研制的伪噪声码测距系统,ILR 正在研制第三套设备,这是专为某一项任务而设计的。用于该系统的地面设施和星上装置亦将投产。下面,我们就来介绍此系统。     

歼×机操纵系统飞行特性和瞬时操纵品质的试飞研究

本文介绍了歼×机瞬时杆力和操纵系统频率响应特性的试飞结果,并把飞机机体加操纵系统的组合特性作为等效的二阶系统来研究歼×机的瞬时杆力。文中通过“计算操纵系统的频率响应特性”和“飞行提取操纵系统反馈增益”来进一步分析操纵系统的飞行特性对瞬时杆力的影响。经过分析确认:歼×机操纵系统的飞行特性与地面特性差别较大,歼×机操纵系统存在着正的惯性反馈增益。因此,存在着等效阻尼比大于纵向短周期阻尼比,存在着松杆短周期无阻尼自振频率小于握杆短周期无阻尼自振频率;操纵系统不存在相位导前,不存在由于瞬时杆力过轻而引起驾驶员诱发振荡。本文给出的k(?)值是利用已有少量试飞数据提取的,故只供参考,其准确值可参考有关试飞报告。     

欧洲未来的数据中继卫星系统技术方案

本文介绍并比较了能满足欧洲九十年代需要的未来数据中继卫星系统的各种技术方案,列出了目前己知的各种工作要求及各种系统方案,还分析了各种可能的中继技术,其中有一项技术涉及激光线路。本文还介绍了预先研究和研制情况,最后简要介绍初步确定的参考系统方案和数据中继卫星(DRS)计划进度示意表。