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.     

中国科学院国家授时中心“高精度时间传递与精密测定轨”研究室简介

正研究方向和平台:主要研究高精度时间频率传递与精密测定轨技术,以及相关的科学问题。具体包括:1)双向卫星时间频率传递(TWSTFT)与转发式测定轨。研制了国内多站分布的双向卫星时间传递与转发式测定轨系统平台,开展双向卫星时间频率传递技术研究,开展卫星转发式测定轨技术(ODTT)研究;2)北斗/GNSS精密测定轨与时间服务。研制了国际GNSS监测评估系统(iGMAS)国内跟踪网、数据中心和分析中心平台,开展北斗/GNSS卫星及低轨卫星精密轨道与钟差确定、电离层延迟和对流层延迟解算建模、GNSS卫星精密定位授时与时间频率传递等技术研究,以及日长变化和极移等相关科学研究;     

基于FPGA的BOC(1,1)信号捕获技术

BOC调制是新一代卫星导航系统中广泛采用的调制方式,在时域上具有多峰值特性,副峰的存在增加了捕获的难度。采用自相关副峰消除技术(ASPeCT)在原有的BOC码相关支路的基础上增加一条伪码相关支路,可以有效削弱码相位检测函数的副峰,避免误捕获,是一种性能良好的BOC信号捕获技术。提出一种采用二维并行快速搜索的在FPGA芯片中实现ASPeCT捕获技术的方案,可以显著缩短捕获时间。在理论分析和仿真验证的基础上,采用Verilog硬件描述语言在接收机FPGA+DSP平台上编程实现,在露天测试中,成功捕获到Galileo E1B卫星导航信号,并对ChipScope采集的数字中频信号的多普勒频率和码相位静态捕获结果进行验证,与同一段信号的Matlab仿真结果一致,证明所提出的技术方案正确合理可行。     

BDS接收机星间载波相位偏差

BDS(BeiDou satellite navigation System,北斗卫星导航系统)的MEO/IGSO (Medium Earth Orbit/Inclined Geosynchronous Satellite Orbit,中圆地球轨道/倾斜地球同步轨道)卫星在D1导航电文上调制了NH(Neumann-Hoffman,奈曼-霍夫曼)二次编码,而在GEO(Geostationary Earth Orbit,地球静止轨道)卫星上未使用.利用北斗MEO/IGSO和GEO卫星进行差分定位时,采用不同NH码符号映射规则的接收机之间会出现半周载波相位偏差的问题,严重影响RTK (Real-Time Kinematic,实时动态差分)应用.通过分析半周载波相位偏差的形成机理,从单差、双差、三差应用角度分别研究了半周载波相位偏差的影响.分析结果表明,接收机NH码符号映射规则与卫星不一致时,接收机直接用乘法器对NH码解调将存在反相,也即引入了半周载波相位偏差;在满足特定条件下,单差和双差应用时会存在半周载波相位偏差的问题;三差应用时不存在半周载波相位偏差的问题.最后,提出了需在北斗接口控制文件中明确卫星NH码调制或映射规则的修订建议.     

卫星双向时间比对的设备时延标定方法

卫星双向时间比对的设备时延包含在伪码测距的测量值之中,精确标定设备时延是提升卫星双向时间比对精度的关键。针对卫星双向时间比对中的设备时延标定问题,提出了一种基于同源零基线测量的设备时延标定方法,将中国科学院国家授时中心的1套3.7m天线地面站和2套5m天线地面站并址安装,3套地面站同时进行卫星双向时间比对模式的观测,以此来标定3套地面站之间的设备时延相对值。试验结果表明,该方法可使设备时延标定的精度达到亚ns量级,能有效减小设备时延对卫星双向时间比对精度的影响,对于多个地面站站间时间比对具有一定的实际意义。     

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。     

船岸网络时延测量误差原因分析

简单介绍了测量船船岸通信网络组成,重点介绍了NTP（网络时间协议）和PTP（精密时间协议）这2种网络时间同步协议。针对改建后的船岸网络时延测量误差进行分析和研究,提出基于TWSTFT（卫星双向时间频率传输）技术模型的网络时延测量方法,测量结果误差小于3ms,满足测控任务实时性要求,为提高测控网的测控精度提供有益参考。     

BDS-3时间频率传递方法及其性能分析

我国独立自主建设的全球卫星导航系统——北斗三号（BDS-3），在2018年底已完成基本系统建设，计划2020年底全面建成并正式为全球用户提供定位、导航和授时服务。考虑到BDS-3系统与BDS-2区域系统在覆盖范围、卫星载荷、信号设计等方面的差异，其远程时间传递的性能有待进一步分析研究。利用GNSS时间传递中的共视法和载波相位时间传递方法，基于国际时间实验室BDS-2和BDS-3的短基线、长基线时间传递链路，对其时间传递链路的噪声水平和频率稳定度进行定量分析。实验结果表明，对于共视法，在时间传递的噪声水平和频率稳定度方面，BDS-3都明显优于BDS-2；长基线链路的精度为1.48ns（BDS-3）和3.13ns（BDS-2），短基线链路的精度为0.65ns（BDS-3）和1.02ns（BDS-2）。对于载波相位方法，BDS-3和BDS-2时间传递的噪声水平相当，长基线链路的精度为0.20ns，短基线链路的精度为0.02ns；但在频率稳定度方面，BDS-3优于BDS-2。     

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。     

不同GNSS在高纬度地区时间传递性能分析

全球卫星导航系统（GNSS）载波相位时间传递技术是高精度时间传递领域的主要研究方法之一，但目前关于该部分的研究主要集中在中低纬度地区，在高纬度地区并不多见。不同GNSS由于星座设计不同，在高纬度地区结构差异较大，因此需要对不同GNSS在高纬度地区的时间传递性能进行分析。实验结果表明，在高纬度地区时间传递中，Galileo稳定度最高，GPS和BDS次之，GLONASS最差。同时因在高纬度地区卫星的高度角普遍偏低，为合理平衡低高度角时可视卫星多和多路径误差大的矛盾，对不同截止高度角下获取的链路时间传递性能进行了分析。结果表明，在5°截止高度角下，高纬度地区的时间传递链路稳定性最好。     

一种时间传递系统中调制器时延的数字标定算法

针对传统示波器观察法测量BPSK（Binary phase shift keying,二进制相移键控）调制器时延时存在整码元模糊、噪声敏感、载波初相要求苛刻及标定精度低的缺点,利用软件无线电的相关处理技术,提出一种精密的BPSK调制器时延标定算法.通过高速数字示波器对BPSK调制器的输入基带信号和输出载波调制信号进行双通道同步过采样,对输出信号与输入信号采样值进行循环相关,根据相关峰值对应的样本点序号以及连接电缆的校准时延,计算得到BPSK调制器时延.仿真和试验验证表明：提出的算法不受载波初始相位影响,时延标定上限可达1个伪随机码周期,而且低载噪比情况下也能得到准确结果.数字示波器的通道采样率为10 GSa/s时,采用提出的算法进行BPSK调制器时延标定,标定结果的不确定度可以达到0.2 ns.     

基于鉴相器的矢量跟踪环设计

基于鉴相器的矢量跟踪环是锁定导航卫星码和载波的一种跟踪算法,这种算法适合于在弱信号环境下进行跟踪。矢量环不仅充分利用信号跟踪和导航状态解算之间的内在耦合关系,而且每一通道中采用鉴相器和锁频环结合的方式,系统一步内完成信号跟踪和导航解算任务。反馈控制量NCO是由导航滤波器和环路内部滤波器共同产生。实验表明,矢量跟踪环具有快速重捕获特性,能够在弱信号的环境下运行,比起传统环路有更小的跟踪误差。     

基于逆系统方法的多输入多输出非高斯驱动信号生成

多输入多输出(MIMO)振动环境试验是振动试验的新方法,该方法比传统的单输入单输出(SISO)方法更真实地模拟了结构在实际工作下的振动环境。传统随机振动试验的频域方法所模拟的是平稳高斯信号,但是实际振动环境往往是超高斯的,且超高斯激励和高斯激励对结构的损害差异很大,因此对MIMO超高斯振动环境试验的研究十分重要。驱动信号的产生是振动环境试验的关键。提出一种基于逆系统的MIMO超高斯驱动信号生成方法。首先,根据给定的响应参考功率谱密度(PSD)和参考峭度值采用相位调节法生成参考响应超高斯伪随机信号;其次,利用逆系统方法生成超高斯伪随机驱动信号;最后,对伪随机驱动信号进行时域随机化处理得到超高斯真随机驱动信号。对一根两输入两输出的悬臂梁模型进行了仿真验证,结果表明,采用本文方法所得到的驱动信号加载在梁上后,其输出响应谱与给定参考谱之间的误差完全满足工程中常用的±3 dB的要求,而且峭度也与给定的参考值十分接近,证实了所提方法的有效性。     

GPS多径信号的自适应滤波估计方法

 研究全球定位系统(GPS)多径信号估计的问题。通过分析自适应滤波器的原理,建立了数字中频信号处理的数学模型,提出一种用自适应滤波实现GPS多径幅度、码相位和载波相位估计的方法。该方法采用不同延迟的伪随机序列对信号进行解扩、解调和累加,得到了作为期望信号的系列自适应滤波相关值。对该方法与其他3种方法进行了理论上的分析比较,得出本方法具有信噪比高、自适应滤波性能好、带有码相位信息和不存在载波模糊度问题等优点。根据各种滤波器算法的特点和本应用的需求,给出了选用递归最小二乘算法实现的方法。通过计算机仿真,验证了提出的方法能够在14 dB的信噪比下,以1个采样间隔的时间延迟分辨率和0.005周的载波相位估计精度估计出GPS L1的多径信号。     

一种低相位噪声频标分配放大器的设计实现

随着测控试验系统对低相位噪声频标指标要求的不断提高,国内市场上的绝大部分相关产品已无法满足要求。本文给出一种低相位噪声频标分配放大器的设计实例,实例采用基于MAX4104增益放大和LMH6609分配放大的2级放大电路结构,充分利用MAX4104的低相位噪声放大特性和LMH6609的大电流驱动分配特性,同时采用先进的PCB（印制电路板）设计技术和有效的电路噪声抑制手段,实现了频标的低相位噪声分配放大输出。最后对实例设计进行了验证分析。本设计相关产品已广泛应用于卫星地面测控系统的时频分系统中,实践证明设计指标满足航天测控和武器试验用户的要求。     

多径效应对GPS载波相位观测量的影响

推导了ＧＰＳ接收机中多径效应引入的最大载波相位跟踪误差的闭合形式。得到以下结论：当直达信号跟踪误差不超过１码片时,最大载波测相多径误差为１／４周,该值出现在测码伪距多径误差最小的情况下;当直达信号跟踪误差超过或等于１码片时,接收机跟踪多径信号,信号误检发生。     

Interception Algorithm of S-cubed Signal Model in Stealth Radar Equipment

Radar equipment of stealth platforms such as aircraft have adopted the newest modern technology to design the signal waveforms. One of the important and effective methods is the hybrid waveform called spread spectrum stretch (S-cubed) which combines linear frequency modulation (LFM) and discrete phase code. In order to investigate the function of enemy’s stealth radar equipment, the interception algorithm of S-cubed is needed. In this paper, a novel detection and parameter estimation approach for the reconnaissance S-cubed radar signal is presented. First, the generalized time-frequency representation of Zhao, Atlas, and Marks (ZAM-GTFR) and Hough transforms (HT) are applied to detecting the signal, and then the initial frequency and modulation slope of LFM are estimated from the ZAM-GTFR. On the basis of LFM information, the reconstructing signal is generated. Finally, the code rate of discrete phase code is extracted from the negative peaks of the ZAM-GTFR. Simulation results show that the proposed algorithm has higher estimation accuracy when the signal to noise ratio (SNR) is above 3 dB.     

辛算法在随机振动响应求解中的应用

以能量差为基础的等效线性化方法来线性化Duffing系统,然后结合虚拟激励法和四阶辛差分格式来求解线性系统的随机响应问题,从而得到了一套高效高精度求解动力系统随机响应的方法.数值结果验证了该结论的正确性.      

Comments on “Discrete-time observability and estimabilityanalysis for bearings-only target motion analysis”

Discusses the extensive mathematical analysis carried out by the authors of the original paper [see ibid., vol. 33, no. 1, p. 178-201, 1997] and submits the following points. The authors used pseudo measurements for recasting the observability problem into a linear framework. They treated the bearings-only passive target tracking system as a deterministic system. It is already established that for deterministic systems, the pseudo measurements are linear functions of the states of the system, though the coefficient matrix is a nonlinear function of the original measurements, By using the pseudo measurements in a linear observer, global stability can be shown. However, if the pseudo measurement observer, for which the analysis is mostly carried out by the authors, is used in a noisy environment as a pseudo measurement filter (PMF), biased estimates are arrived at. Hence, though the approach of authors is quite direct and provides insights about the algebraic structure of the BOT problem, as pseudo measurements are used throughout the analysis is not of much use to the TMA community, as the nonlinear measurement equation along with measurement noise are required to be considered in the BOT problem to obtain unbiased results