卫星双向时间频率比对数据处理及其误差分析

卫星双向法(TWSTFT)是目前比对精度最高的远距离时频传输技术,比对精度在0.3ns左右.本文介绍了TWSTFT的基本原理和中国计量科学研究院(NIM)卫星双向时间频率比对系统的构建情况.根据时间频率咨询委员会(CCTF)发布的卫星双向法软件标准化指南,对数据进行计算和处理,得到比对精度0.35ns.结合卫星双向法传输路径示意图,得出设备时延、电离层折射和卫星相对地面站运动为主要误差来源,其中设备时延引起的误差影响最大,为0.12ns.     

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.     

GPS接收机的定位误差分析

基于Superstar Ⅱ GPS接收机和MATLAB实验平台,实现了所有星座误差及信道误差的修正.重点分析了卫星钟差、电离层误差、对流层误差、地球自转效应等误差及修正方法.参照IGS精密星历,利用Klobuchar模型,电离层误差修正掉约14 m;利用高度角模型,对流层误差平均修正掉4.05 m;地球旋转效应误差最大修正掉约30 m;卫星钟差修正后不超过3.1 m.实验结果最终定位精度17 m,验证了误差修正方法的正确性,为今后进行的GPS接收机研制工作积累了经验.     

矢量延迟锁定环码跟踪偏差产生机理研究

矢量延迟锁定环（VDLL,Vector Delay Lock Loop）是一种直接估计接收机状态（位置,速度和钟差等）进而实现对各路可见卫星信号PRN序列的跟踪的方法.不同卫星信号到接收机的传输时延由接收机和卫星的位置决定,它们满足特定的几何关系,VDLL通过对各路卫星信号传输时延之间相关信息的提取,达到降低跟踪门限的目的.目前国内外对VDLL算法的研究均默认了VDLL跟踪的无偏性,给出了VDLL算法的理论计算结果,发现VDLL算法会导致码跟踪偏差,并通过理论计算和实验仿真验证了该问题,该码跟踪偏差会导致定位解算出现较大的偏差,因此必须加以修正.     

一种GPS/BDS多频单站电离层模型与卫星频间偏差精化方法

电离层误差与卫星频间偏差(DCB)是精密定位中的重要误差源。对于局域增强系统,常规方法是利用单个基准站对这些误差进行精密修正。从GPS/BDS的局域增强应用实际出发,讨论了建立GPS/BDS多频单站电离层模型与解算卫星BCB的方法;并利用乌鲁木齐i GMAS监测站验证了该方法的有效性。结果表明,该方法建立的局域电离层模型,与CODE全球电离层格网模型的误差可控制在3.5TECU以内;GPS卫星DCB与CODE发布值可控制在0.5 ns以内;BDS卫星DCB与IGG发布值可控制在1.7 ns以内。GPS的BCB稳定性比BDS略好;IGSO卫星DCB稳定性优于MEO与GEO卫星。     

GBAS中相位平滑伪距差分修正改进算法

针对卫星导航精度问题,提出一种载波相位平滑伪距差分修正算法的改进方案.通过无码载偏离平滑滤波技术来解决电离层对伪距和载波相位观测值带来的不一致性导致的电离层误差加剧问题.利用信号传播中误差模型预测值、载波信号和码伪距确定滤波器的衰减因子,把接收到的双频载波信号相位值和伪距值线性组合,输入滤波器滤波.同时用卫星修正信息对平滑伪距值中钟差进行修正.仿真结果表明通过该算法能够减少滤波后的信号残差,提高载波相位平滑伪距差分修正值标准差的可用性,减少电离层误差对星基导航精密进近阶段定位精度的影响.     

GEO导航卫星多种观测资料联合精密定轨

针对跟踪站少、观测几何条件差以及轨道机动后GEO导航卫星精密定轨问题,提出了用激光观测数据解算无线电测距离观测数据设备时延、用CODE模型参数和多频载波相位数据进行电离层延迟精确修正的精密定轨和轨道快速恢复的处理体制.通过在轨实测数据实验证明,利用激光标定的距离观测数据组合设备时延精度优于1ns;基于3站观测数据GEO卫星精密定轨结果,RMS为0.25m;24h数据定轨结果重叠12小轨道径向互差0.55m,位置互差约1.62m;预报12h轨道重叠弧段互差为径向3.63m,位置互差8.51m;定轨结果与激光比对残差约0.10m,预报2h轨道比对残差约0.18m,预报24h轨道比对残差约2.04m.GEO卫星轨道机动后2～3h,动力学定轨结果能够恢复到与激光比对残差小于1m、与精密定轨结果比对位置互差约30m的水平.试验及分析结果表明,所提出的GEO精度定轨技术方案可靠、稳定.     

一种基于声传播时间的海流垂直剖面求解方法

基于射线声学理论建立了运动介质中的三维声线传播模型作为正演模型,在利用双向声传播时延差计算海流流速分量时,对目前已有的时延差计算海流的方法进行改进,考虑了海流对本征声线影响,改进后的计算方法可在收发双方本征声线不同的情况下计算出海流流速,同时可以获得声传播方向上的流速垂直分布结构.最后通过仿真验证了海流计算方法的可行性.     

压电式共轨系统喷油量压力波动修正策略研究

为了解决压电式高压共轨喷油系统多次喷射过程中,水击效应引起的压力波动导致后续喷射油量波动的问题,设计了基于集总模型的周期函数喷油量压力波动修正策略.在此修正策略中,以一个由多个参数共同决定的周期函数来表征喷油量的波动特性,通过调节相关的喷射参数,最终实现对喷油量的补偿修正.实验结果表明,设计的集总模型计算结果与实验结果有很好的一致性,所设计的修正策略能够在很大程度上减少喷油量波动的幅度,从而保证了多次喷射过程中每次喷油量的一致性.     

一种GPS/BDS多频单站电离层模型与卫星DCB精化方法

电离层误差与卫星DCB是精密定位中的重要误差源,对于局域增强系统,常规方法是利用单个基准站对这些误差进行精密修正。从GPS/BDS的局域增强应用实际出发,讨论了建立GPS/BDS多频单站电离层模型与解算卫星BCB的方法,并利用乌鲁木齐iGMAS监测站验证了该方法的有效性。结果表明,该方法建立的局域电离层模型,与CODE全球电离层格网模型的误差可控制在3.5TECU以内,GPS卫星DCB与CODE发布值可控制在0.5ns以内;BDS卫星DCB与IGG发布值可控制在1.7ns以内,GPS的BCB稳定性比BDS略好;IGSO卫星DCB稳定性优于MEO与GEO卫星。     

电子系统中电波折射实时修正新方法研究

一般常用电波折射误差修正方法存在计算复杂且不具有实时性缺陷.提出了一种电波折射误差修正的新方法,即用微波辐射计采用大气遥感的方法进行电波折射实时修正.它不仅具有全天候、实时性、机动性等特点,而且由于它直接测量出电波传播路径上的大气附加时延积分,从而直接给出距离误差修正量,因此其精度较高.     

基于BDS/GPS双系统的全球电离层建模

借助当前比较完善的GPS系统,建立基于BDS/GPS双系统的全球电离层模型,是克服BDS单系统建模弊端,提高全球电离层模型和硬件延迟(DCB)监测精度的一种有效途径.本文分析了基于BDS/GPS双系统的电离层模型所能达到的精度,以及GPS观测对DCB监测的辅助作用.文中选用了太阳活动峰年2013年2月11日–2014年1月13日336天的BDS/GPS双系统观测资料,利用15×15阶球谐函数模型建立了全球电离层模型(GIM/SHA),并利用IGS最终电离层产品(GIM/IGS)、双频实测VTEC和海洋测高数据对该双系统模型的电离层产品进行了全面的精度评估.结果表明:(1)通过与三种基准数据比对,GIM/SHA的外符合精度在3–6 tecu范围内,且系统性偏差较小;(2)GPS卫星P1P2频点DCB与IGS最终产品结果比较BIAS在0.1 ns内,RMS最大不超过0.2 ns;(3)通过比较BDS单系统与双系统生成的卫星和接收机B1B2频点DCB发现,两种方法解算的DCB均值差别为0.01–0.227 ns,双系统解算BDS卫星DCB稳定性稍优于单系统结果,但是GPS观测资料的加入能够明显地提高接收机DCB的稳定性;从14颗BDS在轨卫星B1B2频点DCB长期稳定性统计可见,各卫星DCB长期稳定性为0.2–0.3ns,其中GEO卫星稳定性水平稍差.     

一种实时双频电离层修正方法

电离层延迟是影响GPS绝对定位的重要因素。比较常用的电离层延迟修正方法有模型方法和双频方法。模型方法和使用双频码伪距的方法精度有限。使用双频载波相位进行电离层延迟计算需要求解整周模糊度,计算复杂。本文提出了一种同时使用GPS双频码和载波观测量进行电离层误差修正的方法。使用卫星信号模拟器生成信号并用接收机实时接收,用此方法计算出电离层延迟值,并与真值进行比较,计算误差为厘米级。最后,接收真实卫星信号并计算了真实电离层延迟,并与使用Klobuchar模型方法计算出的电离层延迟进行了比较。     

圆弧类修正齿型涡旋机械气体力研究

分析了采用圆弧和线段修正齿端的涡旋机械型线啮合规律,发现只有修正曲线参与啮合的转角阶段的气体力才有别于不修正齿型;总结出了其在任意动盘转角位置的切向和径向气体力的简化和精确解析计算方法,该方法适用于所有采用圆弧和线段修正的涡旋齿型.实例验证表明,简化计算方法所带来的偏差切向力不超过5%,径向力不超过15%.齿端修正后切向和径向气体力波动幅度约增大1倍,不足压缩工况下径向气体力的最大值已接近切向气体力的最小值.     

基于RSSI的轨道交通列车防追尾方法

为了保证列车行车安全,本文提出一种基于RSSI的轨道交通列车防追尾方法。硬件设备主要包括一个安装在同向行驶的两列移动车辆两端上的车载阅读器。该方法能够可靠实现测量无线电波在自由空间的传播损耗,通过传播模型计算前行列车和后车的距离,运用所提出的修正算法,有效抑制RSSI随机波动较大的影响,实现了不间断测量同一运行方向的前后列车距离,并在距离小于安全限值时发出报警。     

基于GPS的双频电离层修正算法研究

电离层延迟是影响GPS卫星导航的重要误差源之一,为了有效消除该误差的影响,需要选择适当的电离层延迟修正的方法。本文在分析各修正方法优缺点的基础上,设计了一种利用双频点伪距及载波相位观测量来消除观测路径上的电离层延迟量方法,并在修正的过程中加入了检测和修复周跳的算法,提高了该方法的精度。     

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.     

一种低轨航天器与北斗卫星高精度时间传递方法及其初步试验验证

低轨卫星系统近年来在空间目标探测、手机移动通讯、卫星导航系统增强、载人航天等方面都得到了快速发展和应用.我国载人航天工程近几年取得重大突破,在空间站设计搭载的高精度时频科学实验系统,预计可以建立日稳定度和不确定度在10^-17量级的空间时间频率基准.利用空间站精密时间信号向北斗卫星进行高精度时间传递,可以进一步提升北斗时间系统性能及北斗卫星自主时间维持能力.另一方面,我国北斗三号卫星导航系统具备全球组网星间链路功能,能够实现全星座的高精度定轨和时间同步.本文基于空间站和北斗卫星现有可用资源,提出一种基于双向测量方式的低轨航天器与中高轨卫星高精度时间传递方法.根据低轨航天器运行速度快等特点,给出相对高速运动环境下双向测量链路的运动时延误差修正方法.通过进一步建立仿真模拟平台、搭建真实天地试验场景等方式,对双向时间传递性能进行验证.仿真和试验结果表明,基于双向测量方式的低轨空间站与北斗卫星时间同步精度优于0.3 ns.本文可为实现天基高精度时频传递、空间站精密原子钟授时服务、提升北斗系统自主运行能力等提供理论和工程技术参考.     

水下目标定位中的声线折射修正方法

研究了提高水下目标定位精度的一种误差修正方法-声线折射修正方法.首先根据水下声线传播环境和声速变化规律建立了海水的折射率球面分层模型.然后基于Snell定理,利用射线描迹方法得到从声源到水下目标的声线传播轨迹,从而建立声线的真实传播距离和角度模型.经与声纳测量系统的测量参数比对,建立了水下目标定位中的声线折射误差修正模型.根据实测的海水声速剖面,利用折射率球面分层模型和声线折射修正模型进行了水下目标定位的数值计算.实验证实,采用声线折射修正方法可以有效地提高水下目标的定位精度.     

GPS转发欺骗式干扰时延分析

在GPS转发欺骗式干扰中,转发时延是一项关键技术,当转发时延不合理时,会使接收机钟差改变,容易被识别,降低欺骗干扰的成功率。利用GPS伪距定位原理,推导了转发时延的算法,并针对不同的计算结果分析其对接收机钟差的影响。得出的结论为:当被转发卫星到转发器的距离与转发器到真实点距离之和不大于被转发卫星到虚拟点的距离时,干扰不会对接收机钟差产生影响，否则会影响接收机的钟差。从这个角度出发,对GPS转发欺骗式干扰源的部署位置做了分析，当转发器位于被转发卫星和真实点的连线上,可以使不对接收机钟差产生影响的虚拟点的选择范围最大。