2017, Vol. 37
2. 山东大学空间科学研究院，威海市文化西路180号，264209;
3. 地理信息工程国家重点实验室，西安市雁塔路中段1号，710054;
4. 西安测绘研究所，西安市雁塔路中段1号，710054;
5. 青岛农业大学建筑工程学院，青岛市长城路700号，266109
星载原子钟性能的提高对卫星导航系统发展起着重要作用[1-2]。开展星载原子钟性能评估模型与算法研究，是确保卫星钟性能指标实现和推动高精度导航定位的保障[3-5]。Han[6]采用星地无线电双向时间比对法对北斗在轨卫星钟进行性能评估，得出北斗卫星钟稳定性维持在10-14量级，其中万秒稳达到(5.95~9.17)×10-14，天稳达到(2.53~9.38)×10-14；Vannicola[7]采用6个USAF站、11个NGA站以及2个IGS站组成的监测网进行钟差解算，然后分别对Block Ⅱ F Cs钟(SVN62/PRN25)、Block Ⅱ F Rb钟(Rb27)以及Block Ⅱ R Rb钟(Rb14)进行性能评估，得到其天稳分别为5×10-14、7×10-15和9×10-15。然而当前的卫星钟差性能分析大多是直接基于所求卫星钟差进行的，而未进行精度分析。为了更有效地实现星载原子钟性能评估，首先要获取原子钟相对于高精度基准钟的钟差信息。目前卫星钟差确定方法包括卫星遥测下传的比相数据法和星地时差法。星地时差法可分为激光双向时间比对法和无线电双向时间比对法[8-9]。前者由于受天气和卫星轨道特性等因素的影响较大，不易连续观测，很难得到被测原子钟的稳定度数据；后者采用伪距测量，测站布设和测量精度难以满足高精度卫星定位的要求。因此，测定钟差当前广泛使用的是精密定轨与时间同步的方法[10-11]。
1 基于ODTS的系统噪声确定采用ODTS法确定卫星钟差受到测距误差、电离层延迟误差、对流层延迟误差、多路径效应、地球潮汐改正以及动力学模型误差和监测站点的分布等多个方面的影响，而单个因素的影响很难有效地确定钟差精度。为了评估钟差测定过程中系统噪声所带来的影响，考虑在地面监测网中至少有两台接收机接入高精度原子钟(一般为主动型氢钟)，其自身具有很好的频率标准(秒稳在10-13量级，1 000~10 000 s稳需达到10-15量级)。通常情况下，由于钟差测定系统噪声是误差的主要来源，采用至少两台监测接收机外接高精度原子频标的方法，基于ODTS法确定两站的卫星钟差，比较两站钟差可以估算出ODTS的测量系统噪声[12]。考虑频漂特性的影响，将系统噪声与原子钟频标所对应的Allan方差进行比较，可以判定ODTS所产生的系统噪声能否评估星载原子钟在轨性能[12]。
2 GNSS星载原子钟在轨性能评估分别利用IGS、GFZ和IAC(俄罗斯空间局分析中心)发布的5 min钟差产品进行系统噪声性能分析。通过地面监测网接入的高精度原子钟钟差求得对应的系统噪声，并对其进行性能评估。部分IGS站点外接高精度原子钟信息见表 1。
|
表 1 部分IGS站外接原子钟信息 Tab. 1 The external atomic clock information of part IGS stations |
采用2015-04-01~04-30共30 d、历元间隔为5 min的IGS钟差产品，提取AMC2、CRO1、OPMT、WAB2以及WSRT站接收机精密钟差数据，分别比较两个接入高精度原子钟的站钟差所获得的ODTS带来的系统噪声，并求取其对应的频偏以及频偏的Allan方差(图 1~4)。
|
图 1 AMC2站与WSRT站两台主动型氢钟的频偏及其Allan方差 Fig. 1 The frequency offset and Allan deviation of AMC2-WSRT |
|
图 2 CRO1站与WSRT站两台主动型氢钟的频偏及其Allan方差 Fig. 2 The frequency offset and Allan deviation of CRO1-WSRT |
|
图 3 OPMT站与WSRT站两台主动型氢钟的频偏及其Allan方差 Fig. 3 The frequency offset and Allan deviation of OPMT-WSRT |
|
图 4 WAB2站与WSRT站两台主动型氢钟的频偏及其Allan方差 Fig. 4 The frequency offset and Allan deviation of WAB2-WSRT |
由图 1~4中的(b)可以看出，4组站钟所对应的两台主动型氢钟频偏的Allan方差一致，万秒稳定度达到(4~6)×10-15，天稳定度达到3×10-15，优于地面GPS铷原子钟和铯原子钟。由于在时域稳定度分析时，参考频标的Allan方差应小于被测频标Allan方差的1/3[6]，根据以上5个站点采用ODTS方法求得的系统噪声，基于Allan方差的评估结果表明，采用IGS精密钟差产品可以有效评估GPS星载原子钟性能。
2.2 IAC钟差产品系统噪声性能评估采用2015-10-01~10-31时段IAC精密钟差产品中的HOB2、HRAO、ONSA以及KOKV站接收机精密钟差数据，得到对应的系统噪声，然后基于系统噪声进行性能分析。
图 5~7分别对应的是HOB2、HRAO、ONSA与KOKV站之间的系统噪声频偏和基于系统噪声频偏的Allan方差。结果表明，两台主动型氢钟频偏的Allan方差一致，万秒稳定度达到1×10-14，天稳达到(4~5)×10-15，优于地面GLONASS铯原子钟。对IAC的Sta钟差产品，基于ODTS方法的系统噪声分析表明，利用Sta的钟差产品可以有效地实现对星载GLONASS卫星钟的性能评估。
|
图 5 HOB2站、KOKV站两台主动型氢钟的频偏及其Allan方差 Fig. 5 The frequency offset and Allan deviation of HOB2-KOKV |
|
图 6 HRAO站与KOKV站两台主动型氢钟的频偏及其Allan方差 Fig. 6 The frequency offset and Allan deviation of HRAO-KOKV |
|
图 7 ONSA站与KOKV站两台主动型氢钟的频偏及其Allan方差 Fig. 7 The frequency offset and Allan deviation of ONSA-KOKV |
采用GFZ发布的2015-05-01~05-31 CEBR、USN4、USN5和KOUR站的钟差产品, 运用以上两组同样的评估方法，分别计算系统噪声，然后基于系统噪声进行原子钟性能分析(图 8~10)。
|
图 8 CEBR站与KOUR站两台主动型氢钟的频偏及其Allan方差 Fig. 8 The frequency offset and Allan deviation of CEBR-KOUR |
|
图 9 USN4站与KOYR站两台主动型氢钟频偏及其Allan方差 Fig. 9 The frequency offset and Allan deviation of USN44-KOUR |
|
图 10 USN5站与KOUR站两台主动型氢钟的频偏及其Allan方差 Fig. 10 The frequency offset and Allan deviation of USN5-KOUR |
由图 8~10可知，两台主动型氢钟的Allan方差一致，万秒稳定度达到1×10-14，天稳定度达到(2~5)×10-15，优于地面铷原子钟，以及被动型氢钟。对GBM钟差产品，基于ODTS的系统噪声分析表明，利用GBM精密钟差产品可以有效评估北斗星载铷钟性能以及氢钟的天稳定度。为更加完备地分析系统噪声的性能，也对其准确度和漂移率进行了计算(表 2)。
|
|
表 2 系统噪声性能评估结果统计 Tab. 2 The evaluation statistics of system noise |
表 2表明，系统噪声的准确度和日漂移率较各个系统的卫星钟差都高出1~2个数量级，稳定度评估结果也都能满足参考频标的Allan方差应小于被测频标Allan方差的1/3的要求，能较好地实现当前星载原子钟的性能评估。
3 结语采用ODTS方法估算得到的钟差产品，通过比较两个高精度原子钟的测站钟差，即可获得ODTS带来的系统噪声，从而实现对卫星钟在轨性能评估。结果表明，系统噪声的各项性能指标均比星载卫星钟高1~2个数量级。采用IGS和Sat钟差产品，基于ODTS的系统噪声可以分别有效评估GPS和GLONASS星载原子钟的性能。而GBM的钟差产品，采用ODTS获得的系统噪声能够实现对当前BDS系统星载铷钟的性能评估。需要指出的是，由于系统噪声的影响，该方法目前尚无法实现北斗导航系统星载氢钟万秒稳以下的性能评估。如何实现新一代北斗卫星高精度氢原子钟的在轨性能评估，是下一步工作的重点。
| [1] |
黄观文. GNSS星载原子钟质量评价及精密钟差算法研究[D].西安: 长安大学, 2012 (Huang Guanwen. Research on Algorithms of Precise Clock Offset and Quality Evaluation of GNSS Satellite Clock[D]. Xi'an: Chang'an University, 2012) http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10710-1013017231.htm
(  0) |
| [2] |
贾小林, 冯来平, 毛悦, 等. GPS星载原子钟性能评估[J]. 时间频率学报, 2010, 33(2): 115-120 (Jia Xiaolin, Feng Laiping, Mao Yue, et al. Performance Evaluation of GPS On-Board Clock[J]. Journal of Time & Frequency, 2010, 33(2): 115-120 DOI:10.3969/j.issn.1674-0637.2010.02.006)
( 0) |
| [3] |
Hesselbarth A, Wanninger L. Short-Term Stability of GNSS Satellite Clocks and Its Effects on Precise Point Positioning[C].International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation, Georgia, 2008
( 0) |
| [4] |
张清华, 王源. BDS与GPS/GLONASS星载原子钟性能的比较分析[J]. 海洋测绘, 2015, 35(2): 62-67 (Zhang Qinghua, Wang Yuan. Performance Analysis of Atomic Clocks on Board BDS/GPS/GLONASS Satellites[J]. Hydrographic Surveying Charting, 2015, 35(2): 62-67 DOI:10.3969/j.issn.1671-3044.2015.02.017)
( 0) |
| [5] |
Senior K L, Ray J R, Beard R L. Characterization of Periodic Variations in the GPS Satellite Clocks[J]. GPS Solutions, 2008, 12(3): 211-225 DOI:10.1007/s10291-008-0089-9
( 0) |
| [6] |
Han C H. Time Synchronization and Performance of Beidou Satellite Clocks in Orbit[J]. International Journal of Navigation & Observation, 2013
( 0) |
| [7] |
Vannicola F, Beard R, White J, et al. GPS Block Ⅱ F Atomic Frequency Standard Analysis[C]. 42nd Annual Precise Time & Time Interval Systems & Applications Meeting, Vienna, 2010
( 0) |
| [8] |
刘勇军, 杨林.空间原子钟性能评估相关技术探讨[C].全国频率控制技术年会, 成都, 2008 (Liu Yongjun, Yang Lin. Relative Technology Discussion in Space Atomic Clock's Performance Evaluation[C].The Annual Frequency Control Technology, Chengdu, 2008)
( 0) |
| [9] |
吴海玲, 郭树人, 樊士伟. 无源卫星导航系统星地双向无线电时间比对实现[J]. 全球定位系统, 2003, 28(5): 36-40 (Wu Hailing, Guo Shuren, Fan Shiwei. The Realization of Due Way Time Synchronization between the Satellite and the Ground Station in Passive Satellite Navigation System[J]. GNSS World of China, 2003, 28(5): 36-40 DOI:10.3969/j.issn.1008-9268.2003.05.008)
( 0) |
| [10] |
寇艳红. GPS原理与应用[M]. 北京: 电子工业出版社, 2008 (Kou Yanhong. The Principle and the Application of GPS[M]. Beijing: Electronic Industry Publishing House, 2008)
( 0) |
| [11] |
郭睿, 胡小工, 刘利, 等.时间同步体制下的GEO卫星精密定轨[C].第一届中国卫星导航学术年会, 北京, 2010 (Guo Rui, Hu Xiaogong, Liu Li, et al.Precise Orbit Determination for GEO Satellites Based on Time Transfer[C].The 1th China Satellite Navigation Conference, Beijing, 2010)
( 0) |
| [12] |
Waller P, Gonzalez F, Binda S, et al. The In-Orbit Performances of GIOVE Clocks[J]. IEEE Transactions on Ultrasonics Ferroelectrics & Frequency Control, 2010, 57(3): 738-745
( 0) |
2. Institute of Space Science, Shandong University, 180 West-Wenhua Road, Weihai 264209, China;
3. State Key Laboratory of Geo-Information Engineering, 1 Mid-Yanta Road, Xi'an 710054, China;
4. Xi'an Institute of Surveying and Mapping, 1 Mid-Yanta Road, Xi'an 710054, China;
5. Institute of Civil Engineering, Qingdao Agricultural University, 700 Changcheng Road, Qingdao 266109, China