GNSS星載原子鐘性能分析理論與算法研究.pdf

1、導(dǎo)航定位的關(guān)鍵要素之一是在軌衛(wèi)星所搭載的原子鐘，一般為高性能的銣鐘與銫鐘，而最新發(fā)射的BDS衛(wèi)星與Galileo衛(wèi)星則為氫鐘。衛(wèi)星鐘的性能一般用頻率準(zhǔn)確度、頻率漂移率和頻率穩(wěn)定度等指標(biāo)來衡量，此外，其鐘差預(yù)報(bào)性能也是衡量其性能的一個(gè)重要指標(biāo)。受空間各種因素的影響，在軌衛(wèi)星鐘的性能評估較之地面鐘的評估難度更大，因此對在軌衛(wèi)星鐘進(jìn)行性能評估是一項(xiàng)很有研究意義的課題。論文從衛(wèi)星鐘的時(shí)頻理論與方法出發(fā)，對衛(wèi)星鐘的事后精密鐘差產(chǎn)品進(jìn)行了預(yù)處理與精

2、度評定，分析了獲取鐘差引入的系統(tǒng)噪聲。使用事后精密鐘差產(chǎn)品分別分析了不同導(dǎo)航系統(tǒng)上使用的星載原子鐘的性能，并進(jìn)行了鐘差預(yù)報(bào)的研究，對比分析了各導(dǎo)航系統(tǒng)的性能評估與鐘差預(yù)報(bào)結(jié)果，其主要工作如下：
　　1．針對MGEX精密鐘差產(chǎn)品，采用頻譜分析的方法，分別計(jì)算了四個(gè)系統(tǒng)各衛(wèi)星鐘差產(chǎn)品的精度。MGEX精密鐘差產(chǎn)品精度分析表明，GPS銫鐘的鐘差精度最低，處于dm量級，而GPS銣鐘的鐘差精度普遍較高，處于cm量級；BDS MEO銣鐘的鐘差精

3、度基本與GPS銣鐘的鐘差精度相當(dāng)，也處于cm量級，GEO與IGSO銣鐘的鐘差精度則略差，處于dm量級；GLONASS銫鐘的鐘差精度與GPS銫鐘的鐘差精度均處于dm量級；Galileo IOV氫鐘的鐘差精度與GPSBLOCK IIF銣鐘精度相當(dāng)，均屬于精度最高的衛(wèi)星鐘。另外，相同類型衛(wèi)星鐘的鐘差精度基本一致，且變化幅度較小。
　　2．利用MGEX精密鐘差產(chǎn)品，對GNSS四個(gè)系統(tǒng)的在軌衛(wèi)星鐘性能進(jìn)行了評估，分別計(jì)算了頻率準(zhǔn)確度、日漂移

4、率與天穩(wěn)定度。結(jié)果表明，GPS BLOCK IIF銣鐘與Galileo IOV氫鐘的綜合性能最優(yōu)，而同類型衛(wèi)星鐘的性能基本一致。BDS衛(wèi)星鐘的平均頻率準(zhǔn)確度在2.26×10-11量級，日頻率漂移率在6.69×10-14量級，天穩(wěn)定度在5.20×10-14量級；其頻率準(zhǔn)確度比其他系統(tǒng)低了一個(gè)數(shù)量級，MEO銣鐘的日頻漂與GPS銣鐘相當(dāng)，IGSO與GEO銣鐘略差，BDS銣鐘天穩(wěn)定度與GPS BLOCK IIR銣鐘相當(dāng)，BDS MEO衛(wèi)星鐘的各

5、項(xiàng)性能均優(yōu)于GEO與IGSO衛(wèi)星鐘。此外，銣鐘與氫鐘的性能總體上優(yōu)于銫鐘。
　　3．使用常用的多項(xiàng)式模型、灰色模型與ARIMA模型三種鐘差模型，進(jìn)行了短期（1天）與中長期（7天、15天與30天）的預(yù)報(bào)，三種鐘差預(yù)報(bào)模型其短期預(yù)報(bào)精度基本相當(dāng)，但是對比統(tǒng)計(jì)三種模型擬合與預(yù)報(bào)的RMS，ARIMA模型預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性要優(yōu)于其它兩種模型，本文認(rèn)為其對鐘差的短期預(yù)報(bào)效果最優(yōu)。相比多項(xiàng)式模型與ARIMA模型，灰色模型在多數(shù)情況下更適合進(jìn)行

6、鐘差的中長期預(yù)報(bào)。
　　4．鐘差獲取會引入系統(tǒng)噪聲，通過分析法與實(shí)測法分別對不同鐘差獲取方法的系統(tǒng)噪聲進(jìn)行分析。針對最常用的ODTS鐘差獲取方式，通過研究接入高精度原子鐘的地面站鐘差數(shù)據(jù)，定量計(jì)算出了ODTS系統(tǒng)噪聲的影響水平，計(jì)算結(jié)果表明：IGS提供的精密鐘差產(chǎn)品中的ODTS系統(tǒng)噪聲影響在可接受的水平，可實(shí)現(xiàn)對GPS星載銣鐘與銫鐘的可靠評估；GBM提供的精密鐘差產(chǎn)品中的ODTS系統(tǒng)噪聲對北斗星載氫鐘的影響不可忽視，其僅可對氫鐘的