原子钟性能对卫星导航系统定位精度的影响分析

星载原子钟是卫星导航系统的关键设备,原子钟主要通过影响卫星钟差对定位精度产生影响,分析了GNSS星载原子钟性能对定位精度的影响.通过原理分析,建立了原子钟稳定度与卫星导航系统定位精度的关系.在不考虑控制段对星钟校准误差的前提下,将原子钟噪声与星上工作环境因素作为主要因素,分析了GPS-IIF铷钟和铯钟对钟差/定位误差的影响,并给出了分析结果.最后,利用iGMAS提供的钟差产品数据,对比了北斗和GPS部分原子钟的稳定度及其对定位精度的影响,为后续星载原子钟的发展与选择提供了一定参考.     

基于实测星载原子钟数据的脉冲星守时方法

利用脉冲星估计星载原子钟钟差是实现卫星自主守时的途径之一。为充分分析基于脉冲星的自主守时系统性能，利用实测的星载原子钟钟差数据和中子星内部组成探测器(neutron star interior composition explorer, NICER)的PSR B1937+21脉冲星的观测数据，对比分析了星载原子钟和脉冲星的误差特性。设计了脉冲星守时系统框架和星载原子钟钟差估计方法。以实测的星载原子钟钟差数据为基础，计算分析了脉冲星守时系统的性能。计算结果表明，若脉冲星的脉冲到达时间（time of arrival, TOA）解算精度为1 μs/30 d，则原子钟钟差估计精度可达到优于1 μs的水平，初步验证了脉冲星守时系统的可行性。     

Galileo卫星星钟故障前后信号质量分析

星载原子钟是卫星导航系统的核心器件,是影响导航信号质量的重要因素。2016年11月,Galileo系统利用一箭四星发射升空4颗新一代Galileo卫星。根据观测显示,截至2017年7月,仅能接收到其中1颗卫星发射的导航信号。在2017年1月,欧洲航天局通告称多颗卫星原子钟大规模故障。针对此,40m 大口径高增益天线系统设备对不同批次和星钟故障情况的3颗Galileo卫星E5频点信号进行了数据采集处理,对各信号分量的功率谱、星座图、码片波形、相关损失、相关峰、S曲线偏差等信号质量指标进行了分析评估。结果表明,此次星载原子钟的大面积故障并未影响Galileo卫星信号的可用性,足够的星载备份钟避免了信号质量的严重恶化。     

不同GNSS星载原子钟周期特性分析

高精度的卫星时钟修正是全球卫星导航系统实时精密单点定位和授时服务的重要基础。为了提高GNSS钟差预报精度，需要对GNSS星载原子钟的周期特性进行分析。基于2016年全年的GNSS精密卫星钟差数据，利用中位数方法进行了数据预处理，使用多项式拟合模型分析了卫星钟的拟合残差，利用频谱分析法分析了BDS、GPS卫星钟差的周期特性，全面分析了BDS、GPS星载原子钟的周期特性。分析结果表明：除Cs钟外，其他卫星钟差都表现出较好的周期特性，BDS、GPS的主周期项基本在12h、24h、6h附近；同时不同的轨道、原子钟，其钟差周期项不同，而相同的轨道类型，其钟差周期项也存在一定差异；卫星的钟差主周期分别近似为其卫星轨道周期的1/2倍、1倍、2倍。     

GNSS驯服芯片级原子钟方法研究CSCD

芯片级原子钟是一种体积小且功耗低的高精度时钟源,具有广泛的用途。针对这一特点,设计了基于GNSS的芯片级原子钟驾驭算法。以GNSS系统时作为参考,测量芯片级原子钟与GNSS系统时间的钟差,并对芯片级原子钟进行钟差建模,获取其特征参数。通过乒乓法计算出钟驾驭调整量,对芯片级原子钟进行控制,最终将芯片级原子钟驾驭到GNSS系统时间上。经过实验验证,在驾驭时间常数为100s的情况下,芯片级原子钟与GNSS系统时间的时钟同步误差在-7.5~7.5ns之间;1h频率准确度为5.8×10-13;平均时间为10000s时的频率稳定度为3×10-13。     

双向比对高精度物理时间同步方法

提出一种面向未来卫星在轨应用的闭环物理高精度时间同步方法。比较了所提方法与其他时间同步方法的区别与优势，建立了远程系统时间同步基本模型与误差传递模型，基于双向测距和时间传递技术分析了高精度钟差获取原理，给出了时钟调整环路的时域频域参数依赖关系。完成了高精度时间同步地面试验系统构建，测试了开环非调钟状态下钟差测量精度误差、闭环调钟状态下时间同步准确度误差以及长时运行情况下的时间同步监测结果。测试结果表明，该方法能够实现优于1 ns量级的时间同步，为高精度时间同步技术研究提供了新的途径。     

集群编队条件下通导一体高精度时间同步方法

针对集群编队条件下对高精度时间同步的需求，对通导一体高精度时间同步方法进行了研究，将卫星导航系统与数据链系统进行深度融合，提出了动基座条件下基于卫星导航载波差分算法的节点间高精度时间同步算法。该算法通过协同时间驯服的方式来抑制两次定位间隔间受钟漂影响导致的节点间时间同步误差发散以及节点间时钟修正不同步导致的时间同步误差，提升了编队组网条件下节点间的时间同步精度。最后,通过仿真对算法进行了验证。结果表明，时空同步精度可以达到1ns，可有力支撑未来集群编队作战、高精度协同探测、高精度协同制导等典型场景下对节点间高精度时间同步的需求。     

欧洲议会为部署“伽利略”导航系统开绿灯

欧盟已经发射了“伽利略”导航系统第2颗试验卫星,从而使其进人工程实现阶段。这颗命名为“Giove B”的试验卫星是今年4月27日夜晚,从哈萨克斯坦境内的拜科努尔航天发射场发射升空的。发射该卫星的目的,一是检验高精度、无源氢原子钟的设计,而这种氢原子钟从未发射升空过;二是为试验和验证提供信号,即模拟将来工作系统要采用的真实频率和信息格式。     

芯片原子钟的现状与发展

芯片原子钟具有体积小、功耗低、成本低的突出优点,可应用于北斗卫星导航接收机、水下导航、武器系统数据链、时频体系节点等,是最具有工程应用前景的原子钟。回顾了国外芯片原子钟的发展历程,并给出了一种国产芯片原子钟的主要技术指标。讨论了芯片原子钟的常用技术方案,并分析了体积与功耗、频率稳定度、天老化率、秒驯服功能、温度系数等指标的影响因素和改进措施,最后指出了芯片原子钟的发展目标。     

卫星授时与时间传递技术进展

近年来,卫星导航技术发展迅速.卫星导航系统以精密时间测量技术为基础,实现了伪距测量,进而实现定位.同时,卫星导航系统还提供了高精度授时功能.综述了卫星导航系统的授时和时间频率传递技术、基于通信卫星的授时技术以及双向卫星时间频率传递(TWSTFT)技术等.随着我国北斗卫星导航系统(BDS)的建成和提供服务,BDS授时应用研究正在快速发展.基于BDS/GNSS多系统的精密单点定位(PPP)时间传递技术已成为重点研究方向,未来将会应用于国际时间比对.同时,随着卫星通信技术尤其是低轨通信卫星技术的快速发展,低轨通信卫星授时会成为一个有潜力的研究方向.     

不同电离层模型对北斗共视的精度影响分析

GNSS共视时间传递已成为远程高精度时间同步的主要技术手段之一,我国自主研制的北斗导航系统已经服务于亚太地区,基于北斗共视进行高精度时间传递已成为我国时频领域的研究热点。为了提高导航系统定位精度,需降低或消除导航定位过程中的各类误差,其中电离层为影响北斗共视的主要误差。研究了常用的几种电离层修正算法,利用2014年7月份的观测数据分析不同电离层模型对北斗共视钟差的精度影响,给出了残差标准差和稳定度值。分析结果表明:经各种电离层修正后,钟差精度都有所提高,其中双频电离层修正最优,比VTEC格网模型和Klobuchar模型分别提高22%和30%。对于不同星座,GEO卫星计算的钟差修正后精度明显优于MEO、IGSO卫星。     

光抽运小铯钟及其在PNT应用

对比分析了大小铯原子钟及其在PNT中的应用,在此基础上介绍了基于光抽运技术方案实现的国际上第一台商用小铯钟。在研制原理样机和工程样机的过程中,解决了激光稳频、铯束准直等关键技术和工作温度、振动、EMC等环境难题,技术状态满足小批量生产要求,频率稳定度可达10-15,频率准确度优于10-12,技术指标达到国际同类小铯钟5071A水平。分析了光抽运小铯钟作为守时原子钟如何应用于时间频率基准实验室、数字通信同步网、卫星导航地面站、长波导航路基站等PNT体系。     

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%。     

Characterization of NAVSTAR GPS and GLONASS on-board clocks

Investigation into navigation satellite on board clock frequency references and performance are reported. The focus is on the stability of the clocks aboard the NAVSTAR GPS (Global Positioning System) and GLONASS satellites as well as those used by their respective maser control stations and associated time scales. Allan-variance techniques have been applied to determine the long-term time-domain behavior of satellite clocks in an attempt to identify different regions of power spectral density. Coupled with analysis of relative-frequency drift over a period of many weeks, this behavior allows the type of satellite onboard standard to be tentatively identified. The known nature of the GPS clocks has shown that the different types of clocks aboard the satellites (crystal, rubidium, and cesium) are distinguishable given a sufficient sample time. The same approach has been applied to the GLONASS satellites, and a comparison of the results obtained from GPS has allowed conjecture on the type of clock used by the GLONASS satellites. It appears that GLONASS has used clocks of the quality of rubidium atomic oscillators since at least 1986, and that the quality and performance of onboard standards have increased steadily with time. Some current satellites perform well enough in terms of frequency drift, flicker FM noise floor, and long-term stability to compare favorably with the cesium beam standards carried on NAVSTAR GPS satellites launched in 1983-84     

History of Time-Frequency Technology

Present-day collision avoidance systems (CAS) of the time-frequency variety employ modes of operation similar to those of airborne equipment which has been operating in military aircraft since 1959. A fleet operational evaluation of these systems began in 1961 in aircraft of U. S. Navy Helicopter Squadron HS-4, based on the aircraft carrier U.S.S. Yorktown. This equipment utilized a local clock in each aircraft, a separate time slot for each aircraft's interrogation signal, air-to-air coarse synchronization of all stations, and sufficient free-drift stability for time slot keeping. Operational use of one-way ranging with elimination of propagation delay offsets, higher clock stability for open-loop time keeping in the SNS-64 ... AN/APN-169 family of systems began in 1964 in U. S. Air Force C-130E turboprop aircraft. In 1965, use of the EROS I collision avoidance system began during flight testing of F-4 Phantom supersonic aircraft.     

时钟模型辅助的惯性/卫星紧组合导航算法研究

针对卫星信号受到遮挡或者干扰、卫星接收机收星数不足的问题,提出了一种时钟模型辅助的惯性/卫星紧组合导航算法。通过正常紧组合状态下的钟差、钟漂估计值建立钟差和钟漂的数学模型,在可见卫星少于4颗时,用时钟模型计算得到的钟差和钟漂作为系统钟差、钟漂的真实值引入观测信息中,并省去状态变量中的钟差和钟漂项,增加了系统的可观测性。最后,通过采集跑车试验数据进行了离线数据仿真试验。试验结果表明,提出的时钟模型辅助的惯性/卫星紧组合导航算法在可见卫星不足的情况下取得了良好的效果。