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.     

iGMAS分析中心产品一致性分析及其应用研究

通过比较不同分析中心提供的精密轨道与钟差产品发现，不同分析中心的轨道和钟差表现出明显差异，并且轨道径向和钟差的相对偏差存在很强的相关性和周期特性。经过数据分析，BDS、GPS、GLONASS的轨道径向和钟差相对偏差具有12h和24h周期项，而Galileo具有12h周期项。因此，提出了一种新的钟差拟合及加权综合方法，通过建立多项式+不同周期项模型对钟差进行拟合求得残差序列，利用残差序列对不同分析中心产品的钟差值进行定权，并将加权均值作为钟差综合值。通过与ISC钟差对比发现，提出的钟差综合模型可以明显提高部分分析中心产品的钟差精度，并优化iGMAS分析中心钟差产品的一致性。     

顾及轨道误差的GNSS卫星钟差实时估计策略优化

为提高GNSS卫星钟差实时估计精度，针对GNSS各卫星系统的轨道差异，分析各系统卫星轨道误差对钟差估计的影响，基于距离函数线性化二阶残余项的思想，提出了一种顾及轨道误差的权函数模型，以优化实时卫星钟差估计策略。利用全球均匀分布的IGS和iGMAS跟踪站的实时观测数据进行实验，并与GBM的事后精密钟差进行对比分析。结果表明： GPS精度提高率为6.47%，BDS精度提高率为6.46%，GLONASS精度提高率为7.42%，Galileo精度提高率为7.62%。     

面向导航增强的低轨卫星钟差确定及预报方法研究

低轨导航增强是未来导航发展的重要趋势,而高精度低轨卫星钟差是实现低轨导航增强的必要条件。基于Sentinel-6A卫星,对低轨卫星钟差特性进行了分析,给出了钟差确定方法及影响因素,介绍了顾及钟差特性的低轨卫星钟差预报方法。实验表明,低轨卫星钟差含有多个周期项,给低轨卫星建模和预报带来了困难。与使用运动学定轨模型相比,基于简化动力学的定轨模型可显著提升低轨卫星钟差精度;当基于运动学模型确定低轨卫星钟差时,相较于使用GPS单系统数据,多GNSS观测数据可提升低轨卫星钟差精度。研究表明,基于GPS和Galileo观测的Sentinel-6A卫星钟差精度相较于GPS单系统钟差精度改善了36%,同时,所使用的GNSS产品精度与低轨卫星钟差精度密切相关。利用顾及卫星钟差特性的低轨卫星钟差预报方法,当预报时长小于1 min,低轨卫星钟差预报精度（预报与解算值之差的RMSE）在0.1 ns之内,当预报时长小于5 min,预报精度在0.3 ns之内,随着预报时长的增长,预报精度显著下降。     

不同基准钟对BDS实时钟差估计的影响分析CSCD

BDS原始观测量是站星之间的相对时间延迟,在实时卫星钟差估计过程中需要引入一个基准钟,求解该基准约束下的钟差产品。基于两种不同的基准约束条件实时估计BDS卫星钟差,并从实时钟差的估计精度、钟差频率特性(频率漂移率、频率准确度、频率稳定度)及钟差预报精度等方面分析其对BDS实时钟差估计的影响。算例结果表明,在两种不同的基准模式下,估计得到的BDS实时卫星钟差性能基本一致,在实际使用中可根据情况采用不同的基准钟进行钟差估计,为BDS实时卫星钟差估计时基准钟的选择提供了参考。     

GNSS实时卫星钟差估计技术进展

不依赖实体基准站增强信息的GNSS实时精密单点定位服务将逐渐成为主流定位模式。实时卫星钟差产品作为实时精密单点定位的关键先决条件之一，其精度直接决定实时精密定位服务的性能。计算实时卫星钟差的GNSS实时卫星钟差估计技术成为实时精密定位的核心技术之一，其主要包括两种解算模式：非差解算模式和差分解算模式。由于对卫星模糊度等未知参数处理策略的不同，卫星钟差估计技术又可细分为非差、历元差分、星间差分、混合差分等策略类型。针对不同实时卫星钟差估计技术的原理方法、算法效率、适用性等问题，综合目前已有相关研究成果的基础上，对GNSS实时卫星钟差估计的研究现状、关键技术和面临的挑战进行了较为系统的总结综述，并对未来卫星钟差预报产品和实时估计产品的关系进行了展望。     

GNSS卫星钟差估计与结果分析

探讨了GNSS卫星钟差估计的基本原理、处理方法及数据处理中的一些关键技术,利用全球56个IGS跟踪站的观测数据进行钟差估计,比较分析了钟差产品的精度与定位性能。以GPS系统解算结果为例,其钟差产品与IGS最终精密卫星钟差符合较好,精度优于0.04ns(约0.012m),多系统钟差解算结果互差优于亚纳秒级。基于钟差产品进行精密单点定位解算试验,试验结果表明,在定位收敛之后,静态PPP在东、北、天3个方向上精度为0.0582m、0.0466m、0.1188m;动态PPP在东、北、天3个方向上精度为0.0671m、0.0640m、0.3200m。定位结果与IGS最终精密钟差解算结果符合较好,表明两者之间差异较小,进一步验证了解算得到的卫星钟差产品的定位性能。     

基于非差模型的GPS卫星实时钟差估计精度分析

通过分析实时钟差估计的解算过程,实现了基于非差模型的GPS卫星实时钟差估计,利用区域和全球数据、最终和实时轨道分别求解实时钟差,并将其结果与IGS实时钟差产品进行对比,分析GPS卫星实时钟差产品的精度。算例表明:采用IGS最终轨道产品实时解算卫星钟差,平均钟差精度达到0.2ns;采用IGS实时轨道产品实时解算卫星钟差,平均钟差精度达到0.25ns;IGS实时钟差产品平均钟差精度达到0.2ns以内。实时估计的钟差和IGS实时钟差产品精度差异有很大一部分是由于双方采用的钟差解算策略不同造成的,IGS实时钟差产品和IGS实时轨道产品是同一软件求解得到,符合性更好,且两种实时钟差产品在精度评定时选择IGS最终钟差产品为参考,这对IGS实时钟差产品的评估也会有利。     

基于伪距信息的COMPASS-MEO导航卫星单星定轨分析

COMPASS-MEO导航卫星的伪距观测量包含星站距离、接收机钟差和卫星钟差以及各种噪声。本文首先分析了接收机钟差和卫星钟差在一定间隔内主要表现为线性变化的特性,可以考虑将接收机和卫星钟差作为测距的偏差和偏差变化率和轨道一起进行求解。其次,利用实测的MEO导航单星伪距数据,进行了数据预处理和定轨试验,分别对站间无时间同步信息和有时间同步信息两种情况进行定轨、残差分析和参数解算。使用重叠弧段、轨道预报和激光观测数据验证定轨结果的精度。结果表明,两种情况下的定轨结果无明显差别。该定轨方法可以运用于MEO导航单星精密轨道的计算。     

GNSS实时卫星钟差估计在地震监测中的应用

为快速、有效地获取地震发生阶段震源周边地区站点的动态位移,为地震预警系统提供高可靠性的地表形变信息,利用全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)高频观测数据,基于非差估计法对多模GNSS卫星钟差进行实时估计及性能分析,并将其应用于精密单点定位(precise point positioning, PPP)实时计算2021年漾濞M_w6.4地震和玛多M_w 7.4地震的地面动态形变。结果表明,GNSS四系统实时估计卫星钟差的标准差(standard deviation, STD)均值为0.142 ns,其多系统组合PPP动态解的平均标准差在水平方向达到0.5 cm,高程方向达到1.0 cm,计算得到的地震动态位移波形相对GPS单系统更为稳定,而且能够获得较为准确的同震形变。     

GPS/BDS组合定位精度分析

随着定位技术的不断发展及多系统导航定位技术的逐步推广,多系统组合导航定位已经成为了GNSS导航定位领域中的主要发展趋势。主要阐述了GPS/BDS组合相对定位的观测方程和数学模型,并根据实测数据对比分析,从卫星可见性、精度因子、定位精度和均方根误差等方面对GPS、BDS及GPS/BDS组合定位系统的定位性能、定位精度进行了比较。研究结果表明,较单一的GPS和BDS系统定位,采用GPS/BDS组合定位可有效提高卫星可见数目和DOP值,且稳定性更好。GPS/BDS组合定位的定位精度也明显优于单一系统,这对GNSS高精度导航定位具有重要的参考价值。     

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。     

Precise orbit determination for TH02-02 satellites based on BDS3 and GPS observations

The Tianhui-2 02 (TH02-02) satellite formation, as a supplement to the microwave mapping satellite system Tianhui-2 01 (TH02-01), is the first Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) satellite formation-flying system that supports the tracking of BeiDou global navigation Satellite system (BDS3) new B1C and B2a signals. Meanwhile, the twin TH02-02 satellites also support the tracking of Global Positioning System (GPS) L1&L2 and BDS B1I&B3I signals. As the spaceborne receiver employs two independent boards to track the Global Navigation Satellite System (GNSS) satellites, we design an orbit determination strategy by estimating independent receiver clock offsets epoch by epoch for each GNSS to realize the multi-GNSS data fusion from different boards. The performance of the spaceborne receiver is evaluated and the contribution of BDS3 to the kinematic and reduced-dynamic Precise Orbit Determination (POD) of TH02-02 satellites is investigated. The tracking data onboard shows that the average number of available BDS3 and GPS satellites are 8.7 and 9.1, respectively. The carrier-to-noise ratio and carrier phase noise of BDS3 B1C and B2a signals are comparable to those of GPS. However, strong azimuth-related systematic biases are recognized in the pseudorange multipath errors of B1C and B3I. The pseudorange noise of BDS3 signals is better than that of GPS after eliminating the multipath errors from specific signals. Taking the GPS-based reduced-dynamic orbit with single-receiver ambiguity fixing technique as a reference, the results of BDS3-only and BDS3 + GPS combined POD are assessed. The Root Mean Square (RMS) of orbit comparison of BDS3-based kinematic and reduced-dynamic POD with reference orbit are better than 7 cm and 3 cm in three-Dimensional direction (3D). The POD performance based on B1C&B2a data is comparable to that based on B1I&B3I. The precision of BDS3 + GPS combined kinematic orbit can reach up to 3 cm (3D RMS), which has a more than 25% improvement relative to the GPS-only solution. In addition, the consistency between the BDS3 + GPS combined reduced-dynamic orbit and the GPS-based ambiguity-fixed orbit is better than 1.5 cm (3D RMS).     

北斗空间信号误差统计特征及描述方法研究

通过对比北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)广播星历与事后精密星历,提取了轨道和卫星时钟误差。基于北斗轨道误差及北斗卫星时钟误差统计特征分析,构建区别于全球定位系统(Global Positioning System,GPS)的BDS空间信号用户测距误差(Signal-In-Space User Range Error,SISRE)描述方法,对BDS广播星历中用户测距精度(User Range Accuracy,URA)进行了验证。6个月的北斗数据测试结果表明,北斗GEO、IGSO和MEO卫星的URA分别为3.0m、1.9m和1.6m。     

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     

Frequency steering of spaceborne clocks based on XPNAV-1 observations

Due to high stable rotations, timing of pulsars provides a natural tool to correct the frequency deviation of spaceborne atomic clocks. Based on processing the observational data about a year of Crab pulsar given by XPNAV-1 satellite, we study the possibility of correcting the frequency deviation of spaceborne atomic clocks using pulsar timing. According to the observational data in X-ray band and the timing model parameters from radio observations, the pre-fit timing residuals with a level of 6...