GPS星載原子鐘在軌性能評估精度分析

賈小林， 劉　帥， 孫大偉

1. 西安測繪研究所，陜西 西安，710054；2.地理信息工程國家重點實驗室，陜西 西安，710054；3.信息工程大學導航與空天目標工程學院，河南 鄭州，450052；4.長安大學，陜西 西安，710054

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GPS星載原子鐘在軌性能評估精度分析

賈小林1,2， 劉帥1，3， 孫大偉4

1. 西安測繪研究所，陜西 西安，710054；2.地理信息工程國家重點實驗室，陜西 西安，710054；3.信息工程大學導航與空天目標工程學院，河南 鄭州，450052；4.長安大學，陜西 西安，710054

星載原子鐘作為導航信號生成和系統測距的星上時間基準，為導航系統提供了精確穩定的頻率源，其性能直接決定用戶的導航定位精度。本文介紹了采用精密定軌與時間同步方法實現原子鐘在軌性能評估方案，基于IGS鐘差產品，分析了電離層、軌道殘差等鐘差測定系統噪聲對在軌原子鐘性能評估精度的影響，得出了有效的結論，可為我國北斗衛星高精度星載原子鐘性能評估提供參考。

精密定軌與時間同步方法；IGS鐘差；系統噪聲

1　引　言

衛星導航系統導航定位的關鍵在于高精度、高穩定性的星載原子鐘。星載原子鐘作為導航信號生成和系統測距的星上時間基準，為導航系統提供了精確穩定的頻率源，是衛星導航系統有效載荷的核心部分，沒有原子鐘就不能實現衛星導航、定位和授時，其性能直接決定用戶的導航定位精度[1，2]。GPS 系統星載原子鐘主要采用銣鐘和銫鐘，GLONASS 系統采用銫鐘，北斗區域系統、IRNSS、QZSS 以及Galileo 系統GIOVE-A 衛星上搭載了銣鐘，而Galileo系統GIOVE-B 衛星上除了搭載銣鐘外，還搭載了氫鐘[3，4，5，8]。較之地面的性能，星載原子鐘發射入軌后，其在軌性能由于空間工作環境的不同與地面不盡相同。同時，與星載原子鐘和地面高精度原子鐘直接比對的地面測試評估方法不同，星載原子鐘在軌性能受測試技術的影響較大。分析各類技術手段對原子鐘在軌性能評估的影響，對客觀了解衛星鐘的性能具有重要意義。

目前，原子鐘在軌性能測試技術與方法包括：相位比對法(備份原子鐘相對于主原子鐘)、無線電雙向法、激光雙向時間比對法、偽距與激光比對法、精密定軌與時間同步法等。相位比對法的精度較高，但其獲得的是兩個星載鐘之間的相對性能，精度受參考鐘性能的影響較大，其評估精度為參考鐘的精度；無線電雙向法受測站分別影響，不易獲得全球連續的衛星鐘差數據；激光雙向時間比對法、偽距與激光比對法受天氣和衛星軌道特性等因素影響較大，不易連續觀測，很難得到被測原子鐘的穩定度數據。由于無線電雙向法、激光雙向時間比對法、偽距與激光比對法所獲得鐘差的參考基準一般選在地面，衛星鐘差解算精度通常在考慮各種誤差因素后采用分析法給出，因此其無法有效獲得實測結果。

精密定軌與時間同步方法(Orbit Determination and Time Synchronization，ODTS)在精密定軌的同時獲得鐘差，進而評估衛星鐘的性能，是目前普遍采用的方法。在一般參考文獻中，主要報道集中在衛星精密鐘差分析獲得衛星鐘在軌性能，而對利用 ODTS法評估衛星在軌性能的精度卻很少提及[3，4，5，7，8]。Galileo系統為了評估GIOVE-A和GIOVE-B搭載的原子鐘性能，2008年在全球范圍內均勻布設了13個跟蹤站構成Galileo試驗跟蹤網(Galileo Experimental Sensor Stations，GESSs)，GESS網中有3個站與主動型氫鐘相連，采用ODTS法獲得其中2個站的地面鐘差，通過比較這2站鐘差之差，分析ODTS法鐘差測定系統噪聲對衛星鐘在軌性能評估的影響[6]。該方法的優點是衛星鐘在軌性能評估精度是通過實測數據分析得到的，與分析法相比更接近實際情況；同時，ODTS法一般采用全球布站，利用偽距/載波觀測數據求解衛星軌道、鐘差，能實現衛星鐘差全弧段的確定。目前，IGS高精度軌道鐘差產品是采用ODTS方法獲得。IGS有許多與高精度地面鐘相連的測站，本文擬利用IGS鐘差產品定量分析ODTS方法對星載原子鐘穩定性評估的影響，為實際應用及相關研究提供參考。

2　基本理論與方法

地面高精度原子鐘是衛星鐘性能評估的基準。與星載原子鐘在地面評估獲得鐘差不同，星載原子鐘在軌性能評估受測量與傳輸誤差(鐘差測定誤差)的影響，主要包括觀測數據質量和鐘差確定方法等方面。每種觀測數據質量各有其特點，受空間環境及設備的影響各不相同，鐘差測定誤差的表現形式也不一致。如何高精度獲得測量與傳輸綜合誤差對衛星鐘差測定的影響，是首先需要解決的問題。對于相位比對法、無線電雙向時間比對法、偽距與激光比對法，由于無法有效地將測量系統噪聲從星載原子鐘的性能中分離，因此只能采用分析法對其測量系統噪聲影響定性評估。

采用ODTS法獲得衛星鐘差，其影響的誤差因素包括：測量誤差、電離層延遲誤差、對流層延遲誤差、多路徑效應、動力學模型誤差等，同時還受測站分布等方面的影響。衛星鐘差的確定精度，單個影響因素難以有效地表達。為了評估鐘差測定系統噪聲所帶來的影響，在進行精密定軌測量方案設計時，考慮在地面測軌網中至少有兩臺(可以是多臺)接收機接入性能優良原子鐘(見圖1)。同時，為了避免由于地面高精度原子鐘對評估的影響，要求原子鐘的秒穩定度在10-13數量級，千秒～萬秒穩定度需達到10-15數量級[6]。目前，高精度地面原子鐘一般采用主動型氫鐘。通常情況下，由于鐘差測定系統噪聲是誤差的主要來源，精密定軌時估計地面性能優良的原子鐘鐘差，通過比較其中兩個測站鐘差便可以估算出ODTS 法的測量系統噪聲；同時，將兩個測站鐘差比較后進行頻偏及Allan方差的分析，可以獲得測量系統噪聲估計的Allan方差。將測量系統噪聲估計的Allan方差與星載原子鐘在地面頻率標準的Allan方差相比較，以此來判斷ODTS法能否評估星載原子鐘在地面的性能，進而確定能否評估星載原子鐘在軌性能。由此可見，有效地獲得精密定軌與鐘差系統噪聲，是對在軌原子鐘性能評估精度分析的關鍵。星載原子鐘的性能易受所使用的ODTS方法和制約估計精度的誤差影響，誤差包括在軌相位穩定性、接收機噪聲和可能存在的軌道殘差等[6]。

圖1　ODTS基本原理圖

3　衛星鐘在軌性能評估精度分析

IGS精密鐘差產品是利用全球站通過ODTS獲得的高精度產品。目前IGS提供的精密星歷中包含間隔為5min的GPS軌道及衛星/測站鐘差信息，其中鐘差的標稱精度為0.1～0.2ns[11]。同時，在測軌站中有許多測站接入地面高精度原子鐘，甚至有些測站接入UTC主鐘[9](見表1)。因此，經過精密定軌估計接收機鐘差，比較兩個接入高精度原子鐘的站鐘差可以獲得ODTS所帶來的噪聲。

表1IGS站外接原子鐘情況(部分)

IGS站標準類型輸入頻率有效期限algo主動型氫鐘5MHz2015-03-23amc2主動型氫鐘5MHz1998-03-24bjnm氫微波激射器10MHz2006-06-25brew主動型氫鐘5MHz2005-02-16ieng主動型氫鐘20MHz2014-02-05irkj主動型氫鐘5MHz2001-07-24mkea主動型氫鐘5MHz2000-04-26mobs石英晶振器5MHz2002-10-29nist主動型氫鐘5MHz2006-05-10nrcl主動型氫鐘5MHz2008-01-22nrl1主動型氫鐘20MHz2007-08-01nya1主動型氫鐘10MHz2009-07-10nyal主動型氫鐘10MHz2009-07-10ptbb主動型氫鐘20MHZ2010-01-28qaql銣鐘5MHz2006-01-11usn7主動型氫鐘5MHz1998-03-24wab2UTC(CH)主鐘20MHz2011-08-08wtzr主動型氫鐘EFOS185MHz2013-05-13zeck主動型氫鐘VCH-1003M5MHz2011-05-28usno主動型氫鐘5MHz1997-04-24

采用2015年1月1日～30日IGS的amc2站、ptbb站、wab2以及usno站接收機精密鐘差數據[10](這些站接收機均接入了高精度地面原子鐘(見表1)，各站鐘差由ODTS獲得)，通過兩兩比較2個站之間的鐘差，可以獲得ODTS 所帶來的噪聲，獲得ODTS系統噪聲結果見圖2、圖3、圖4。其中，圖1(a)為與amc2站、ptbb站相連的兩臺主動型氫鐘的頻偏結果，圖2(b)為與amc2站、ptbb站相連的兩臺主動型氫鐘頻偏的Allan 方差，圖3(a)為與usno站、ptbb站相連的兩臺主動型氫鐘的頻偏結果，圖3(b)為與usno站、ptbb站相連的兩臺主動型氫鐘頻偏的Allan 方差，圖4(a)為與wab2站、ptbb站相連的兩臺主動型氫鐘的頻偏結果，圖4(b)為與wab2站、ptbb站相連的兩臺主動型氫鐘頻偏的Allan 方差。結果顯示，圖1、圖2以及圖3所求兩臺主動型氫鐘頻偏的Allan 方差一致，萬秒穩定度達到5×10-15，天穩定度達到2～3×10-15，優于星載銣鐘和被動型氫鐘在地面的頻率標準的Allan方差[6]，可以有效實現對星載氫鐘性能評估。

圖2(a)　amc2站與ptbb站兩臺主動型氫鐘的頻偏

圖2(b)　amc2站與ptbb站兩臺主動型氫鐘頻偏的Allan方差圖2　IGS系統誤差估計(1)

圖3(a)　usno站與ptbb站兩臺主動型氫鐘的頻偏

圖3(b)　usno站與ptbb站兩臺主動型氫鐘頻偏的Allan方差圖3　IGS系統誤差估計(2)

圖4(a)　wab2站與ptbb站兩臺主動型氫鐘的頻偏

圖4(b)　wab2站與ptbb站兩臺主動型氫鐘頻偏的Allan方差圖4　IGS系統誤差估計(3)

4　結　論

ODTS方法在精密定軌的同時估計衛星及地面的鐘差，比較地面接收機接入高精度原子鐘的測站鐘差，可以估算出ODTS 法所帶來的測量系統噪聲；對測量系統噪聲進行頻偏及Allan方差的分析，可以獲得ODTS 法測量系統噪聲對衛星鐘在軌性能評估的影響。IGS利用全球分布的跟蹤站，利用ODTS方法獲得IGS精密軌道、鐘差產品，其測量系統噪聲所獲得Allan方差萬秒穩定度達到5×10-15，天穩定度達到2～3×10-15，可以有效地對GPS星載原子鐘進行評估。針對我國北斗系統高精度原子鐘在軌性能(如星載氫鐘)的評估問題，如何采用ODTS提高衛星鐘差確定精度，是影響評估精度的關鍵。考慮到目前北斗是區域系統，高精度軌道和鐘差產品與GPS相比還有差距，因此在采用ODTS方法時，可以利用消電離層組合的GPS/北斗觀測數據，使用批處理最小二乘方法，解算出衛星軌道參數、太陽輻射壓力參數，以及每個歷元中星載原子鐘和地面時間基準之間的相位差，減小測量系統噪聲對衛星鐘確定的影響，實現北斗星載氫鐘性能的評估，這也是下一步工作重點。

[1]俞建國.星載原子鐘誤差檢測與時鐘備份[D].哈爾濱：洽爾濱工業大學,2008.

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[8]Alice Cernigliaro, Stefano Valloreia, GianlucaFantino and Lorenzo. Analysis on GNSS Space Clocks Performances[C]. 2013 Joint UFFC, EFTF and PFM Symposium,2013.

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[10]International GNSS Service (IGS)IGS Products[EB].[2015-1-31]. ftp://cddis.gsfc.nasa.gov.

[11]黃觀文, 張勤.基于頻譜分析的IGS 精密星歷衛星鐘差精度分析研究[J].武漢大學學報·信息科學版，2008,33(5):496-499.

Performance Evaluation Precision Analysis of GPS On-board Atomic Clock

Jia Xiaolin1,2, Liu Shuai1，3, Sun Dawei4

1. Xi’an Research Institute of Surveying and Mapping, Xi’an 710054, China 2. State Key Laboratory of Geo-information Engineering, Xi’an 710054, China 3. Institute of Navigation and Space Target Engineering, Information Engineering University, Zhengzhou 450052, China 4. Chang’an University, Xi’an 710054, China

As the navigation signal generator and time reference for distance ranging on satellite, the satellite atomic clock can provide stable and accurate frequency source for GNSS, and its performance directly determines the accuracy of navigation and positioning. In this paper, the performance evaluation of on-board atomic clock is made using orbit determination and time synchronization method. Based on the IGS clock bias products, the effect of the measurement system noises on the performance evaluation of GPS satellite clock is analyzed, and some useful results are obtained to provide reference for the performance evaluation for high-precision on-board clock of BeiDou satellites.

precise orbit determination and time synchronization; IGS clock bias; system noise

2015-11-11。

賈小林(1972—)，男，研究員，主要從事衛星導航方面的研究。

P223

A