星载原子钟性能分析方法比较研究

卫星导航时间系统是影响导航系统性能的决定性因素。原子时钟作为频率标准,能够产生高准确度和高稳定度的标准频率信号,可以实现精确计时。因此在导航卫星上广泛使用原子钟作为频率标准。讨论了原子时钟频率稳定度的Allan方差、重叠Allan方差、Hadamard方差及重叠Hadamard方差算法,并对GPS卫星真实数据进行了频率稳定度分析。得出了不同的GPS卫星,星载卫星钟的稳定度不同。对于同一种类的GPS卫星,卫星钟的稳定度也存在差异,且GPS BLOCK IIR卫星具有较好的频率稳定度。     

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.     

基于通用钟差模型的北斗卫星钟预报精度分析

卫星钟差参数的预报精度直接影响卫星导航系统的服务性能.影响卫星钟预报精度的因素有很多,其中钟差序列的建模质量是一个很重要的影响因子,只有最能反映星载原子钟自身物理特性和运行状态的模型才能获得更高的卫星钟预报精度.本文分析了北斗系统钟差序列的特性,提出了一种通用的钟差模型,该模型同时包含线性项、周期项和随机项,并且利用了AR模型对随机项进行建模,给出了周期项和AR模型参数的确定方法,该模型还能够根据实际星载钟特性进行退化与扩展.本文还给出了基于该模型的卫星钟预报方法,最后利用北斗实测数据进行了卫星钟预报精度分析试验,试验结果表明:所提出的通用模型能够最大限度地拟合钟差序列,从而大大提高卫星钟的预报精度,特别是针对一些稳定度较差的星载钟,实现了6 h预报精度2 ns,12 h预报精度5.5 ns.     

光纤陀螺随机误差的测定方法研究

针对光纤陀螺的随机噪声，分析了其产生的来源；对于5种主要的噪声源，运用IEEE公认的在时域上对频域稳定性进行分析的方法——Allan方差法，进行了特性分析，并给出了误差系数的计算公式．同时介绍了只测定角度随机游走系数时的2种简单测定方法：模型拟合法、归一化计算法；对于一组实际的陀螺零偏数据进行了测定．     

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.     

一种基于DAVAR的FOG随机信号处理新方法

为定量描述光纤陀螺(FOG)测试信号中各误差分量的动态变化过程,分析了多个随机信号处理方法的优缺点,指出了常用Allan方差分析不能辨识FOG信号非平稳性因素的不足,提出采用动态Allan方差(DAVAR)对FOG信号动态特性进行分析,采用二维表示法定量描述FOG各主要噪声项变化过程。实验结果表明,DAVAR能够反映FOG数据的非平稳特性;利用二维表示的方法,可准确地反映动态误差中各噪声项的变化特征。新的方法可作为FOG信号非平稳性分析的一种定量评价工具,为研究各干扰因素对FOG组成系统精度的影响提供理论参考和评价依据。     

基于时变AR模型的GPS定位精度研究

定位精度是影响GPS卫星导航系统应用的重要因素之一.对时变参数模型TVAR进行了研究,并将其应用于GPS卫星导航系统的定位精度分析,以达到减小定位误差的目的.该方法针对定位序列的统计特性,利用时间序列分析方法建立预测模型,通过前面一段数据拟合的模型预测后面一段时间的数据趋势.数据实验结果验证了利用时变自回归方法进行GPS数据建模分析的有效性和可行性.     

影响GPS测量的电离层延迟模型研究

GPS作为一种无线电导航系统,受到很多误差源的影响,如:卫星轨道误差、卫星钟差、电离层延迟误差、对流层延迟误差、多路径误差、接收机钟差和测量噪声等误差。其中,自从SA(Selected Availability)于2000年5月1日取消以后,电离层误差是最大的一项误差。为了消除电离层延迟的影响,GPS导航定位中采用了双频改正法、利用电离层延迟的空间相关性差分以及各种电离层模型来削弱其影响。本文探讨了常用的修正GPS电离层延迟的模型和经验改正公式:Bent模型,IRI模型,Klubuchar模型,双频改正法等,并详细论述了如何利用双频观测值建立电离层模型。     

卫星钟差异常值探测的Bayesian方法

顾及钟差的物理特性,提出了一种新的卫星钟差时间序列异常值探测方法.利用二次多项式模型将卫星钟差分解为钟差、钟速、钟漂三个物理意义明确的分量,然后对每个分量通过ARIMA模型异常值探测的Bayesian方法进行异常值探测与估计.最后,采用IGS钟差数据进行实验,验证了该方法的有效性.     

正交迭代泛函网络在中短期钟差预报中的应用

 在卫星钟源无法与地面钟源进行实时比对的时段中,准确预报卫星钟差对于维持卫星的稳定运行具有重要意义。针对卫星钟差的中短期预报问题,选择多项式模型对钟差进行建模分析,设计了一种基于滑动窗模型的正交迭代泛函网络算法。利用泛函网络的非线性学习能力对钟差预报模型进行拟合分析,采用正交函数作为泛函网络的基函数簇,并引入滑动窗思想来更新输入层元素进行迭代训练,获得较小的预报误差。分析表明,预报时间小于12 h 时,预报误差为0.2~0.5 ns,预报精度与IGU P精度相当;当预报时间为24 h 时,预报误差总体在1 ns,预报精度略次于IGU P 精度;当预报时间为1 个卫星周时,最大误差达130 ns,难以满足卫星运行对钟源的要求。研究表明：该算法适合于短期卫星钟差预报,不适合中长期钟差预报。     

基于动态Allan方差的MEMS惯性测量单元的性能评价

为了对受温度等外界环境影响下的MEMS惯性测量单元进行性能评估,针对经典Allan方差法不能反映各喷性器件的时变特陛的缺陷,提出了采用动态Allan方差（DAVAR）法对MEMS陀螺仪和加速度计进行随机误差项的辨识和时变特性分析．经典Allan方差法和DAVAR法的随机误差辨识结果和仿真结果表明：在随机误差辨识方面,DAVAR法相比经典Allan方差法的辨识结果更为准确;在变温环境下,DAVAR法的仿真结果还能够反映出惯性器件输出信号受温度变化等环境影响下的时变特性,DAVAR法能够对MEMS惯性测量单元进行准确评价．     

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.     

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。     

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.     

高精度（10^-15）可搬运铷原子喷泉钟的研制

原子喷泉钟是目前世界上最准的运行原子钟,主要包括铯喷泉钟和铷喷泉钟两种.中国科学院上海光学精密机械研究所于2003年开始开展了可搬运小型喷泉铷钟样机的研制,它的主要特点是：以铷原子做工作介质、损耗低、信噪比高、冷原子碰撞频移低;通过折叠光路设计,其对激光的功率要求降低2/3,系统更加紧凑稳定,更加有利于喷泉钟的工程化.该原子钟已经获得了微波跃迁的Ramsey干涉条纹,其信噪比约100,并实现了闭环锁定,1s的稳定度为8×10？13,4×104s稳定度优于6×10？15.目前正在进行误差的评估工作及系统的改进,近期将进行项目验收,预期总的频率不确定度优于4×10？15.     

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.