基于不同轨道和星钟类型的BDS-3星载钟特性评估.pdf
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1、 年 无线电工程 第 卷 第 期:引用格式:苏佳,高梦佳,易卿武,等基于不同轨道和星钟类型的星载钟特性评估无线电工程,():,():基于不同轨道和星钟类型的星载钟特性评估苏佳,高梦佳,易卿武,王彬彬(河北科技大学 信息科学与工程学院,河北 石家庄;卫星导航装备与技术国家重点实验室,河北 石家庄)摘要:星载原子钟性能的研究对于卫星钟差估计与预报、卫星导航系统的建设与维护等具有重要的意义。采用了德国地学研究中心()多星定轨联合解算的精密钟差产品,基于预处理后的钟差数据,对年北斗三号卫星导航系统()星载钟的相位、频率跳变情况进行了统计,探讨了中圆地球轨道(,)卫星铷钟与氢钟的相位、频率序列图特点。使
2、用二次多项式模型分析了不同轨道、不同星钟类型卫星钟的频率漂移率和模型噪声等指标的变化规律,基于哈达玛方差从不同时间尺度对卫星钟的频率稳定度展开了分析。结果表明,卫星钟相位和频率变化相对连续且稳定,其中仅地球静止轨道(,)卫星星钟存在调相行为,卫星和卫星都存在调频行为,且铷钟的调频次数明显多于氢钟。从频漂和模型噪声水平来看,卫星优于其他轨道类型卫星,同铷钟相比,氢钟性能更优。星载原子钟的稳定度保持在 量级,卫星星载钟的稳定度最优,其次是倾斜地球同步轨道(,)卫星,卫星星载钟的稳定度最差。关键词:北斗三号;卫星钟;钟差模型;频率稳定度中图分类号:文献标志码:开放科学(资源服务)标识码():文 章
3、编 号:(),(,;,):,()(),(),(),:;收稿日期:基金项目:中国电科发展基金();中国电子科技集团公司第五十四研究所专项基金():();()工程与应用 引言在卫星导航中,要想获得精确的位置信息首先要保证精确的时频信息,的时间误差就会引起 的测距误差。原子钟作为卫星导航系统的星上时间基准,它的性能直接决定着卫星导航、定位和授时的精度。但在卫星实际运行过程中,卫星钟的性能会受到外界环境以及自身因素的影响,因此有必要对卫星钟进行监测评估。此外,卫星钟性能的分析,对于导航系统的完好性监测、卫星钟差预报和导航系统建设等方面具有重要意义。在原子钟性能分析方面,国内外学者进行了大量研究。等验证
4、了从缺失数据的频率测量中计算的艾伦方差受到偏差的影响,并通过校正艾伦方差来消除(或在很大程度上减少)这种偏差。等基于 的精密钟差数据对伽利略卫星导航系 统(,)在轨卫星原子钟的特征和性能展开了分析。潘雄等将检测量与中位数法结合,从多个方面对处于设计年限末期的北斗二号卫星钟进行了分析。等针对传统的噪声分析方法很容易受到频繁波动和局部不连续性的影响,提出了基于重叠样本的滞后自相关函数方法来识别卫星时钟的噪声,指出了格洛纳斯卫星导航系统(,)和星载原子钟噪声影响的类型。但目前对星载钟的研究主要集中在除北斗三号卫星导航系统(,)以外的其他卫星导航系统上,对星载钟分析和评估的体系还不够全面,未对星载钟全
5、星座进行深入探讨。针对上述问题,本文采用了年月日年月日共 德国地学研究中心()精密钟差产品(),利用预处理后的钟差数据计算了不同卫星钟的相位、频率、频率漂移率、频率稳定度和模型拟合残差指标,基于卫星不同轨道类型之间、不同星钟类型展开了分析。星载原子钟特性分析指标 卫星钟差模型卫星载有新型铷钟和被动型氢钟。在卫星运行过程中,铷钟具有明显的频率漂移,所以在构建卫星钟差模型时,采用了能够表示星钟时频特性的二次多项式模型。具体的表达式如下:()(),()式中:为参考历元,为历元时刻,为历元时刻的卫星钟差,、分别为相位(钟差)、频率(钟速)及频漂(钟漂),为观测误差。频率稳定度分析模型频率稳定度描述了星
6、载钟输出频率在外来因素下的随机起伏状况。目前主要采用阿伦()方差和哈达玛()方差来进行计算。其中,方差容易受到线性频漂的影响,对具有频漂特性的铷钟不能很好地评估;方差是一种三次采样方差,在计算过程中采用了频率数据的二阶差分、相位数据的三阶差分,对线性频漂具有很好的抑制作用。卫星搭载了高精度的铷钟和被动型氢钟,为了有效地对铷钟和氢钟进行分析,本文采用方差对进行频率稳定度分析。对于原始钟差数据,方差计算如下:()()。()对于钟差一次差分数据,方差计算如下:()(),()式中:为相位数据,为相应时间段内的相对频率偏差均值,为平滑时间,为平滑因子,为平滑时间内的个数。钟差数据来源及预处理 钟差数据来
7、源为了掌握星载钟在轨运行状况,通常利用精密钟差产品对星载钟进行特性分析。目前,卫星钟差数据有种确定机制,分别是基于波段的星间链路时间同步体制、基于波段的星地双向时间比对体制以及精密定轨与时间同步体制。其中基于星间链路时间同步体制和星地双向时间比对体制获得的钟差产品精度分别优于、,但其数据尚未公开。基于精密定轨与时间同步体制工程与应用 年 无线电工程 第 卷 第 期 获得的钟差产品提供免费、公开的可靠数据源,钟差产品精度优于 ,能够较为准确地对星载钟进行性能分析和评估。本文采用的卫星钟差数据来自通过多星定轨联合解算得到的精密钟差产品(),选取的时间段为年月日年月日,数据采样间隔为。钟差数据预处理
8、星载原子钟在轨运行期间,受太空环境干扰以及自身设备故障等因素的影响,使得通过联合定轨方法获取到的钟差数据存在数据缺失、数据跳变和粗差等异常情况,会直接影响星载钟特性评估结果的可靠性。因此,在对卫星钟性能评估之前,先对钟差数据进行预先处理。卫星与地面的信号连接中断时,会造成数据间断。为了不引入新的数据,将缺失历元处的钟差数据标记为空。轨道机动引起了钟差相位跳变,在对星载钟的性能进行分析时,对存在相位跳变的数据段进行了剔除。此外除了相位跳变,在星载钟长期运行过程中,频率跳变也时常发生。频率跳变通常使用移动窗口法对跳变点进行标记,将跳变前后的数据进行分段处理。以号卫星为例,该卫星数据存在频率跳变,分
9、段对号卫星当天数据进行了预处理,如图()所示。若某一钟差数据的绝对值大于倍的中误差时,称这一钟差数据为粗差。原始钟差数据为相位数据,量级较大,粗差点不宜剔除,通常将其转换为频率数据再进行粗差剔除。常用的粗差剔除算法为中位数法(,),表示如下:,()式中:为当天时段的频率数据,为时间序列的中间数,即。以 为一个数据段,当钟差数据()时(本文取),就判定该钟差数据为粗差,应剔除。以 号卫星为例,对当天的数据使用法进行粗差剔除(如图()所示)。()预处理前(左)后(右)的卫星频率序列图()预处理前(左)后(右)的卫星频率序列图图预处理前后钟差频率序列结果 原子钟性能分析本文选取了中圆地球轨道(,)、
10、倾斜地球同步轨道(,)以及地球静止轨道(,)卫星作为代表,基于预处理后的钟差数据,从相位、频率、频率漂移率、频率稳定度以及模型噪声水平方面展开了分析。相位、频率特性分析在星载钟运行期间,卫星钟会不可避免地出现调相以及调频行为,造成调相与调频的原因主要有点:星载钟主备钟之间的切换会造成调相与调频操作;星载钟出现相位偏差与频率漂移时,为了避免其影响,主控站对其进行调相、调频操作。本文将处理干净的钟差数据采用二次多项式模型进行逐天建模,得到了卫星钟的相位以及频率序列值。表对所选取卫星全年的相位、频率跳变情况进行了统计。表卫星钟相位、频率跳变次数统计 调相次数调频次数星钟类型轨道类型铷钟工程与应用 续
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