GPS卫星钟差分析、建模及仿真

卫星钟差是卫星导航系统中的一项重要误差源,本文根据IGS观测数据分析GPS卫星铷钟和铯钟的噪声特性,并对星钟误差进行建模和仿真.首先采用修正Allan方差表征和分析了GPS卫星上不同种类原子钟随机噪声的时域特性;然后基于最小二乘分段拟合确定了卫星钟差确定性分量的时差、频差、线性频漂参数值;对于多项式拟合后的残差部分,利用随机噪声幂律谱模型建立了随机性分量误差模型;最后利用修正Allan方差反演的方法模拟产生了各噪声分量的独立随机序列并进行合成;对合成序列与原始数据进行了对比分析以验证本文所提出建模与仿真方法的正确性.     

GPS/BDS精密高频卫星钟差计算及应用

为了获得高采样率的GPS/BDS卫星钟差,对基于相位历元间差分的精密钟差加密方法进行了改进,并利用IGS MGEX观测站数据和GFZ提供的5 min采样率卫星钟差生成30 s采样率的GPS/BDS卫星钟差.分析结果表明:与GFZ提供的30 s采样率的精密钟差相比,二者差异在10 ps以内,且测站数量对钟差结果的影响不大;加密得到的30 s钟差与5 min钟差的Allan方差保持高度一致;移动历元动态PPP证实加密钟差并未损失原始钟差的精度.动态PPP统计结果表明加密后的钟差大大缩短了PPP收敛时间,并提高了定位精度.该方法计算效率高,可应用于更高采样率的卫星钟差估计中.     

双TWSTFT链路北斗站间时间频率传递:钟差阿伦方差的置信区间计算

卫星双向时间频率传递(TWSTFT)是我国北斗卫星导航系统(BDS)中实现地面站之间时间频率传递的重要方法.不同于通常的站间时频传递系统,BDS的一些地面站之间通过两颗地球静止轨道卫星实现了双TWSTFT独立比对链路.基于此双链路特征,我们之前的研究表明,通过有效分离钟差阿伦方差与测量噪声阿伦方差,可降低测量噪声对站间钟差频率稳定度评估(阿伦方差表示)的影响.本文在假设测量噪声为相位白噪声,钟差噪声为频率白噪声的情况下,推导给出了BDS双TWSTFT链路分离测量噪声阿伦方差获得的站间钟差阿伦方差置信区间的计算方法.对BDS实测数据分析表明,平滑时间=1 s时,通过双TWSTFT链路可获得的站间钟差的阿伦偏差(阿伦方差的平方根)的置信区间上限为3.2481012(置信度0.95).相比之下,通过单TWSTFT链路直接获得的站间钟差的阿伦偏差仅为(8.59–8.91)×1011(=1 s).本文结果进一步表明,利用两条独立比对链路,可以将测量噪声阿伦方差与钟差阿伦方差进行有效分离,从而减少测量噪声对钟差频率稳定度评估结果的影响.     

微波频率时间标准的研究

在微波，已能用１×１０－１３的准确度确定某个频率；这表示原子的能级差可以这么精确。铯钟是原子时间得以定义的根据。氢钟的谱线极窄，能级图简单，稳定度高（在１０－１３至１０－１５之间）。另一方面，利用宏观物理效应也能做出高准确度、高稳定度的微波频标——超导腔稳频振荡器（ＳＣＳＯ）即为显著的实例。超导腔的质量因数最佳者可达１０１１，ＳＣＳＯ的短期稳定度竟可达６×１０－１６。令人惊叹的成就又开辟了应用前景     

内含伪距差分功能的虚拟卫星原子钟

卫星原子钟是类GPS系统工作的基础,由卫星原子钟控制导航信号发射的时间和频率．在中国区域定位系统中,租用现有的通信卫星实现卫星导航,星上不配备卫星原子钟,在这种情形下,类GPS系统的基于卫星原子钟的时间同步方式不再适合．研究提出虚拟卫星原子钟的方法。可以实现无星载原子钟的卫星导航．采用虚拟卫星原子钟,将信号从地面发射的时间延迟到信号从卫星发射的时间,可以实现类GPS系统相同的伪距测量功能．虚拟卫星原子钟不但可以实现导航,并且还具有伪距差分功能,可以抵消星历误差,提高导航定位精度．虚拟卫星原子钟不但实现了无星载钟的导航系统,而且实现了一个具有差分功能的卫星导航系统．     

频率源短期频率稳定度的新表征——沃尔什正弦方差

通过对频率源稳定度的时域测量进行极低频谱分析是一种有效方法。哈德玛方差的传递函数由于具有选频特性,因而可用来进行频率源相对频率噪声谱S_y(f)分析。本文从最佳“频窗”传递函数出发,利用沃尔什函数的性质,获得了频率短期稳定度的新表征——沃尔什正弦方差。它能够充分发挥微型计算机优良的数值计算和系统控制功能,灵活、方便地获得频率源短期稳定度的各种表征,特别在测试S_y(f)时,基本克服了哈德玛方差传递函数的谐波及其旁瓣所带来的误差,并可通过数据复用大大缩短测试时间。文中给出了沃尔什正弦方差与阿仑方差及哈德玛方差的关系,指出它在获取频率短期稳定度方面具有内在含义。     

北斗新一代试验卫星星钟及轨道精度初步分析

北斗卫星导航系统新一代试验卫星星座由2颗高轨倾斜地球同步轨道卫星和3颗中轨地球轨道卫星组成,2016年2月全部发射入轨,其任务是验证北斗系统从目前区域导航定位授时服务走向全球服务的新技术体制设计及指标性能.导航卫星星载原子钟是最重要载荷之一,负责星上时间频率基准信号维持和产生,本文利用星地双向时频传递设备观测的星地钟差数据,评估了试验星配置的新型高精度铷钟和被动型氢钟的实际性能,定量比较了相对于北斗区域系统卫星钟的性能提升.结果表明新一代试验星与北斗区域系统卫星钟差预报精度相比较有较大提高,地球倾斜静止卫星(Inclined Geosynchronous Orbit,IGSO)短期预报误差从0.65ns减小到0.30ns,中轨道卫星(Medium Orbit,MEO)短期预报误差从0.78ns减小到0.32ns,IGSO/MEO卫星中期预报误差均从2.50ns减小到约1.50ns.星间链路(Inter-Satellite Link,ISL)是北斗全球系统最重要的技术体制设计之一,本文评估了试验卫星实现的星间伪距测量对提升空间信号精度,即轨道和钟差的贡献,得到在地面监测网无法连续覆盖到的境外弧段,高精度星间链路测量对轨道确定和钟差测定精度的提升尤为明显.加入星间伪距测量,MEO卫星重新入境时钟差预报误差由3ns减小至1ns以内.采用星地星间联合定轨方法估计的卫星轨道径向重叠弧段互差优于0.1m,三维位置重叠互差优于0.5m,预报24h径向重叠弧段互差优于0.2m,三维位置重叠互差优于1m,均较区域监测网L波段定轨结果有较大提升.为解决多星定轨处理时卫星钟差与轨道高度耦合问题,本文提出了卫星钟差半约束模式定轨处理方法.用户等效距离误差分析结果表明采用卫星钟差半约束的定轨模式,卫星轨道预报4h用户等效距离误差由1.04m减小至0.82m.     

Allan方差方法分析环形激光陀螺仪噪声的性能评估

为验证Allan方差方法用于不同状态下不同类型陀螺仪噪声分析的适用性,该文系统总结了Allan方差方法用于分析室温(～25℃)下静态环形激光陀螺仪噪声的方法,对该陀螺仪常见的5个主要噪声项以外的其他噪声项作了补充说明。对中国自主生产的某型号环形激光陀螺仪和目前使用较广泛的MPU 9250微系统惯性测量单元中的陀螺仪分别进行静态和动态下的多次实验与对比分析,结果表明:在对陀螺仪噪声特性充分了解的前提下,Allan方差方法可以对静态下不同类型陀螺仪的若干主要噪声项进行建模与概算,以满足全球导航卫星系统/惯性导航系统(GNSS/INS)的组合系统中Kalman滤波器参数设置的需要。若干实验分析结论对《IEEE单轴干涉式光纤陀螺仪试验程序和格式指南的标准规范》中经典Allan方差方法作了补充解释。通过对比Allan方差及相关常用数据分析方法,概述了其一般适用性。Allan方差方法可以为改进精密仪器的设计与制造、提高惯性产品实际使用精度等提供依据。     

GPS双星定位方案研究

全球卫星定位系统（GPS）作为迄今最好的导航定位系统之一,获得了日益广泛的应用。但GPS信号容易受到干扰或是中断,从而使定位出现较大误差,甚至是不能正确定位。本文提出用两颗GPS卫星、具有精密时钟的GPS接收板和气压高度表对载体导航定位的方案,并检验此了方案是否能达到在GPS接收机不能正常定位时实现连续定位。     

星载原子钟磁致频移影响在轨评估

星载原子钟作为磁敏感设备,外界磁场变化会导致星载原子钟输出频率发生变化.本文采用星载主备原子钟比相法评估了10颗配置星载氢原子钟的MEO导航卫星原子钟频率稳定度,短期稳定度平均值优于1×10^?12τ^?1/2,天稳均优于7×10^?15.基于该稳定度水平,本文针对导航卫星原子钟磁致频移进行了初步评估,得到磁力矩器工作情况下原子钟磁致频移达到1×10^?13量级,磁力矩器持续工作1 h将引起钟差预报误差0.4 ns.本文将在轨磁力矩器工作状态等效为磁致频移噪声,仿真分析了其对星载原子钟稳定度的影响,仿真结果表明,该磁致频移噪声将恶化星载原子钟长期稳定度,尤其对稳定度更高的原子钟恶化更明显.本文最后就如何降低磁致频移对星载原子钟的影响进行了讨论.     

北斗导航卫星氢原子钟性能分析评估

星载原子钟是导航卫星最重要的载荷之一,负责星上时间基准的产生和维持.我国北斗三号导航试验卫星首次配置了23 kg级被动型星载氢原子钟,验证了氢原子钟的空间环境适应性和在轨性能,实现在轨运行误差小于1 ns/d.在北斗三号全球导航卫星系统中,氢原子钟已作为主钟应用至GEO,IGSO和MEO三类导航卫星,对系统的运行发挥至关重要的作用.本文从氢原子钟的机理和性能评估方法出发,比较了铷钟、铯钟和氢钟三类原子钟的性能差异,根据地面和在轨测试数据,给出氢原子钟在轨运行性能评估结果;最后利用卫星遥测数据建模,对氢原子钟健康状况和寿命进行了初步分析.     

MEMS惯性器件误差系数的Allan方差分析方法

全球卫星导航系统和惯性导航系统（GNSS/INS）组成的组合导航系统已经在很多应用场景下发挥了巨大的作用,随着组合导航系统的发展,低成本INS也得到了广泛的应用,微机电系统（MEMS）惯性器件在组合导航系统的应用当中也日益受到重视,MEMS惯性器件体积小,功耗低,便于低成本系统的实现.但是MEMS惯性器件的误差较大,为了对其误差项进行分析和识别,可以使用Allan方差方法对惯性器件长时间测量数据进行处理.本文分析了MEMS惯性器件具有的典型误差项,介绍了Allan方差分析方法的原理和实现方法,利用该方法可以对MEMS惯性器件的各个误差项进行辨识.通过对一种商用级MEMS陀螺仪和加速度长时间实测得到的数据进行处理和分析,验证了Allan方差分析方法应用于误差项辨识的可行性,并给出了该MEMS惯性器件的各个误差项识别结果.使用Allan方差方法得到的误差项系数可以直接应用于惯性器件误差建模,对于GNSS/INS组合导航系统的实现和改进有重要意义.     

北斗导航卫星伪距偏差特性及减弱方法

导航卫星信号的非理想特性会引起伪距测量产生偏差,具体表现为相同类型接收机具有相同伪距偏差,不同类型接收机的伪距偏差不一致.当提供导航定位服务产品的接收机技术状态与用户端不一致时,伪距偏差将引起导航定位服务性能降低.本文利用超短基线双差伪距O?C(Observation Minus Computation)方法计算了BDS(Beidou Satellite Navigation System)的伪距偏差,发现在早期试验卫星阶段的不同状态接收机之间存在较大的伪距偏差现象,设计了接收机环路参数调整、改变抗多径算法和卫星预失真滤波器参数调整三种减弱伪距偏差的方法.分别试验验证结果表明,接收机环路参数调整能大幅降低卫星之间的伪距偏差,B1I各颗卫星伪距偏差标准差由0.63 m降低至0.36 m;抗多径算法会造成额外的伪距偏差,窄相关算法能大幅减小伪距偏差,B1I各颗卫星伪距偏差标准差由0.36 m降低至0.18 m;调整卫星预失真滤波器参数能在一定程度上减小伪距偏差,单颗卫星伪距偏差降低约0.3–0.4 m.最后,针对BDS卫星伪距偏差解算无固定参考基准的问题,设计了一种基于外频标非实时双差O?C方法,利用该方法分别处理了BDS和GPS(Global Positioning System)数据,并对两个系统卫星伪距偏差的特性进行比较分析.结果表明,BDS和GPS卫星都存在伪距偏差;GPS卫星L2C伪距偏差与BDS-3卫星B1C数据支路相当;GPS卫星L1CA伪距偏差与其兼容互操作的BDS-3卫星B1C导频支路相当;L5C与其兼容互操作的BDS-3卫星B2a信号相比伪距偏差更大.     

基于人工鱼群优化LS-SVM的卫星钟差预报

针对导航卫星短期钟差预报精度不高的问题,提出了一种基于人工鱼群(AFSA)优化最小二乘支持向量机(LS-SVM)的卫星钟差预报方法。利用人工鱼群算法较强的全局寻优能力优化LS-SVM模型的惩罚参数和核宽度参数,避免人为选择参数的盲目性,提高了LS-SVM的泛化能力和预报精度。选取IGS产品中4颗典型卫星的钟差数据,分别采用人工鱼群优化LS-SVM模型、神经网络模型和灰色系统模型进行短期钟差预报,计算结果表明:人工鱼群优化LS-SVM模型的预报精度优于其它2种模型,尤其是在铷钟方面,预报误差在0.5 ns内,运行时间在5 min内。     

环形激光陀螺仪随机误差模型的研究

为了减少陀螺仪的误差并提高其精度,需要对陀螺仪误差进行估算与补偿,因而建立了陀螺仪的随机误差模型。在环形激光陀螺仪（ＲＬＧ）随机误差模型分析方法中,有功率谱密度（ＰＳＤ）分析,时序ＡＲＭＡ模型,及Ａｌａｎ方差分析。Ａｌａｎ方差分析是在时域上对频率稳定性进行分析的一种通用方法。在Ａｌａｎ方差与ＰＳＤ之间存在定量的关系。通过分析Ａｌａｎ方差,可以分辨出存在于ＲＬＧ中的各种类型噪声。Ａｌａｎ方差分析比在频域上分析ＰＳＤ简单得多。该文用Ａｌａｎ方差对Ｌ－１环形激光陀螺仪进行了具体的分析,得到了存在于Ｌ－１环形激光陀螺仪中的各误差源。表明Ａｌａｎ方差是建立激光陀螺仪随机误差模型的一种很实用的方法。     

构建微型定位导航授时体系,改变PNT格局

 定位导航授时(PNT)是关乎国家战略的军民两用技术。传统的卫星导航系统易受干扰和遮挡, 惯性导航存在误差积累问题, 其提供的PNT 服务均存在固有缺陷。以MEMS 技术为基础的芯片原子钟和微惯性测量组合, 与卫星导航技术相结合, 形成微型定位导航授时单元。微型定位导航授时单元以精确的芯片原子钟为时钟基础, 发播定位导航授时信号, 搭建PNT 网络。微型定位导航授时单元可以由微纳卫星、无人机等载体携带, 数量可选、布局能控、组网灵活, 克服了传统PNT 存在的问题, 改变PNT 格局。     

基于Flower星座的区域卫星导航系统

在Flower星座设计方法的基础上,提出了一种新的区域卫星导航系统设计方法.利用2个Flower星座,通过Flower星座模型精确计算导航Flower星座(NFC)中每个卫星的6个轨道参数,得到一个区域卫星导航系统NFC.NFC可以分阶段部署,开始由8颗卫星组成,补充发射6颗卫星以后组成完整的系统.对中国区域的几何精度因子(GDOP)仿真证明,NFC的平均GDOP值为2.113.与国内已经提出的几种区域导航系统及GPS,GLONASS,Galileo等全球卫星导航系统相比,NFC的GDOP性能与Galileo系统相当,远优于其他系统.NFC较高的导航精度和经济性证明基于Flower星座的区域卫星导航系统设计方法是有效的.     

基于单频伪距、伪距率GPS/INS紧组合导航系统

单频单系统型接收机的造价成本较低,为了迎合低成本的需求,并且解决在城市环境下因高楼大树遮挡导致全球卫星导航系统可见卫星数不足而无法定位的情况,本文设计了基于单频伪距、伪距率GPS/INS紧组合导航系统,详细推导了该组合导航系统的模型,并通过实验验证了当可见卫星数充足时,该系统的精度较高;当可见卫星数不足4颗时,该组合导航系统仍然可以有效的定位导航,满足一定的导航精度需求。