GNSS时间基准关键技术研究

伍贻威

北京卫星导航中心，北京 100094



GNSS时间基准关键技术研究

伍贻威

北京卫星导航中心，北京 100094

全球导航卫星系统需要建立一个时间基准。本论文详细研究了建立时间基准的核心算法：①时间尺度算法；②钟差预测算法；③时间尺度闭环驾驭算法。在此基础上，给出了建立北斗系统时间BDT和国家授时中心时间基准UTC(NTSC)的系统设计方案。

本论文取得的研究成果和创新点列举如下：

(1) 提出了单状态变量Kalman滤波器时间尺度算法。将生成的时间尺度表示成时间尺度基本方程，算法等价于加权平均时间尺度算法；推导了权重和预测值的解析表达式；引入了虚拟Kalman采样间隔，用于计算过程噪声协方差；证明了这时权重将反比于平滑时间为虚拟Kalman采样间隔时的Allan方差；这样可以通过选取虚拟Kalman采样间隔，使时间尺度的频率稳定度在任意某一个指定的平滑时间达到最优。

(2) 在上一种算法的基础上，提出了两级Kalman滤波器时间尺度算法。第一级Kalman滤波器利用了使用随机微分方程表达的原子钟特性，用于滤除频率白噪声；第二级Kalman滤波器实际上就是单状态变量Kalman滤波时间尺度算法，用于建立时间尺度；本算法的时间尺度的中短期频率稳定度相比上一种算法有明显的提高。

(3) 分析了基于随机微分方程的钟差预测算法。推导了在线性模型和二次多项式模型，原子钟噪声为频率白噪声和频率随机游走噪声，观测噪声为相位白噪声时，预测不确定度的解析表达式；推导了频差的最优观测间隔和近似最优观测间隔；分析了频漂的观测间隔对预测不确定度的影响；分析了确定性部分和随机性部分预测不确定度曲线的交点横坐标和最优观测间隔(或近似最优观测间隔)的关系；仿真和试验验证了理论分析的结论；结合理论分析、仿真和试验结果，给出了两条推论。

(4) 提出了两种时间尺度闭环驾驭算法。一种等价于稳态二状态变量Kalman滤波器加延迟器的二阶2类数字锁相环算法；一种等价于稳态三状态变量Kalman滤波器加延迟器的三阶3类数字锁相环算法；完整地分析了这两种算法的理论框架和参数选取方法。这两种算法都可以从理论上选取一个完全就决定算法性能的参数值，并预测算法在具体应用中的表现。仿真试验表明：这两种算法表现较优，可以满足建立全球导航卫星系统和守时实验室的时间基准的需求。

(5) 提出了使用两级驾驭算法建立BDT和其物理实现的系统设计方案。提出了使用时间尺度算法和钟差预测算法建立RTA(NTSC)，使用时间尺度闭环驾驭算法，用RTA(NTSC)驾驭主钟，生成UTC(NTSC)的设计方案；提出了建立北斗系统时间的设计方案；提出了同时使用UTC(NTSC)和UTC(BSNC)来驾驭产生BDT的设计方案；详细分析了BDT的时间同步精度和频率稳定度的影响因素。

最后对全文的研究内容和创新点进行了总结，列出了后续研究计划。本论文的研究成果可用于建立全球导航卫星系统和守时实验室的时间基准。

Author： WU Yiwei(1987—)，male，received his doctoral degree from National University of Defense Technology on June 2016，majors in key technologies of forming a time reference of a satellite navigation system.

E-mail： Yiwei_Wu_sh@126.com

Key Technologies of GNSS Time Scale

WU Yiwei

Beijing Satellite Navigation Center, Beijing 100094, China

伍贻威.GNSS时间基准关键技术研究[J].测绘学报，2017,46(4)：533.

10.11947/j.AGCS.2017.20160660. WU Yiwei.Key Technologies of GNSS Time Scale[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(4):533. DOI:10.11947/j.AGCS.2017.20160660.

P228

D

1001-1595(2017)04-0533-01

2016-12-26

伍贻威(1987—)，男，2016年6月毕业于国防科技大学，获工学博士学位(指导教师：欧钢教授)，研究方向为卫星导航系统时间基准关键技术。