北斗新一代试验系统时间及卫星钟精度初步分析

吴运杰,王向磊

(北京卫星导航中心,北京 100094)

0 引 言

北斗卫星导航系统(BDS)于2012年完成了由5颗地球静止卫星(GEO)、5颗地球倾斜静止卫星(IGSO)和4颗中轨道卫星(MEO)构成的空间星座组网,正式向亚太区域提供导航、定位和授时(PNT)服务[1]。BDS的建设遵循“三步走”的发展战略,将于2020年建设成为全球卫星导航系统,正式向全球用户提供服务。按照系统建设规划,BDS于2015年3月至2016年2月先后发射了由2颗IGSO卫星和3颗MEO卫星共同组成的新一代试验卫星星座,其目的是开展新型星载原子钟、星间链路、新型导航信号体制、卫星钟差与轨道测定方法等方面的技术试验,验证北斗全球系统新技术体制设计与技术性能。北斗新一代试验卫星发射情况如表 1所示。

表1 北斗新一代试验卫星发射情况

北斗卫星导航系统从区域服务走向全球服务将是空间信号精度不断提升的过程。地面运控系统时频统一系统与导航卫星钟差的精度在很大程度上影响着到导航系统的精度。北斗新一代试验卫星在导航卫星钟差与地面运控系统时频信号产生方面进行了有别于北斗区域系统的新技术体制设计,可以满足用户对更高精度导航信号的需求。本文将从新型星载原子钟性能、基于纸面时的系统时间产生与维持、末节点时频信号产生等三个方面开展相应的试验评估分析。

1 新型星载原子钟性能分析

星载原子钟用于星上时间频率基准信号产生,是导航卫星发播高性能导航信号的重要基础,其性能优劣将直接决定卫星钟差参数预报精度[2]。相比于北斗区域系统星载钟,北斗新一代试验卫星配置了性能更好的铷钟和被动型氢钟。为此,本文基于试验卫星的实际运行观测数据,进行了新型星载原子钟性能评估。

BDS采用L波段星地双向时频传递技术(TWSTFT)实时测量卫星钟相对于主控站建立保持的BDT的偏差[3]。假定上行伪距和下行伪距在同一钟面时分别到达卫星和地面测站,将上行、下行伪距分别完成钟面时测量的归算,并通过比对归算后的伪距实时计算卫星相对于BDT的钟差。星地双向钟差测量可以减小单向伪距测量中的电离层延迟,不受对流层延迟建模误差、卫星轨道误差、测站坐标误差的影响。文献[3]表明星地双向时频传递获得的卫星钟差短期拟合残差优于0.3 ns,可以用来分析比较星载原子钟性能的差异。文献[4]表明星地双向共视还可以实现高精度站间时间同步,该结果与传统站间双向时间比对结果一致性较好,二者闭合差优于0.04 ns,标准差约0.5 ns.

卫星钟差预报性能既是卫星钟差测定精度的反映,更是星载原子钟性能的重要考核因素,卫星钟差预报精度是直接影响导航卫星空间信号精度的重要因素[5]。本文采用星地双向时频传递测量的卫星钟差,分析比较了新型星载原子钟和北斗区域系统星载原子钟的短期和中期预报性能。对于短期预报,使用2 h的星地钟差双向测量结果进行一阶多项式拟合,得到后1 h的预报参数,统计其预报精度。对于中期预报,使用24 h星地钟差数据进行二阶多项式拟合,拟合得到的参数作为接下来10 h的预报参数,统计其预报精度。分别采用2016年3月10日至20日星地双向钟差测量结果计算的卫星钟差预报精度如图 1和图 2所示。其中,图 1示出了IGSO卫星钟差拟合及预报精度,图2示出了MEO卫星钟差拟合及预报精度,图中黑色为北斗区域系统星载钟的统计结果,白色为试验卫星新型星载钟的统计结果,左上子图为短期拟合精度,右上子图为短期预报精度,左下子图为中期拟合精度,右下子图为中期预报精度。

由上述统计结果可得:新一代试验星与北斗区域系统卫星钟差拟合精度相比较有所提高,IGSO/MEO卫星短期拟合精度从0.3 ns提高到0.1 ns,IGSO卫星中期拟合精度从1.0 ns提高到0.5 ns,MEO卫星中期拟合精度从0.5 ns提高到0.2 ns;新一代试验星与北斗区域系统卫星钟差预报精度相比较有较大提高,IGSO卫星短期预报精度从0.65 ns提高到0.30 ns,MEO卫星短期预报精度从0.78 ns提高到0.32 ns,IGSO/MEO卫星中期预报精度均从2.5 ns提高到约1.5 ns.无论是短期预报还是中期预报,均反映新一代试验星新型星载原子钟性能与北斗区域系统相比较有约50%的提升。

2 基于新时频体制系统时间产生与维持性能分析

北斗区域系统时频系统模式简单、设备简单、实现简单,但是一旦设备故障就不能保证系统时间时频信号的连续性,从而降低系统可靠性。为了保证时频信号的稳定性和可靠性,在新一代试验星系统中时统系统中采用新的模式,利用原子钟组产生系统时间,避免了因为单个设备而影响系统时间的连续性,保证了系统时间的可靠性,并可以有效提高系统时间的稳定度。

新一代试验星时频系统主要功能是为新一代试验系统提供统一的时间和频率参考信号,完成向UTC(BSNC)溯源以及与其他GNSS系统时间的时差监测,并进行时差预报及溯源电文参数/与其他导航系统时差电文参数生成[6]。同时,完成时统系统设备工况及业务运行状况的实时监控与管理任务,完成系统时间及卫星钟性能的监测与评估任务。

本文利用新一代试验星系统时间和北斗区域系统时间分别与UTC(BSNC)的时差,比较分析了新一代试验星系统时间和北斗区域系统时间的性能。实测数据分析结果表明,新一代试验卫星系统时间相对于北斗区域系统时间提升半个数量级。

3 基于新时频体制的末节点时频信号分析

在北斗区域系统中,所有末节点时频信号都是由中心节点直接提供,由于中心节点和末级节点之间距离较远,直接传输时频信号对频率信号相位噪声、稳定度插损较大,脉冲信号上升沿、抖动影响较大,且末节点信号相位一致性只能做到≤0.5 ns[7]。为了使末级节点与中心节点具有相同的相噪指标,且提高末节点信号相位一致性,新一代试验星系统采用新时频体制的拓扑结构,在末级节点对信号进行恢复。新体制时频系统有很大的优越性：首先,提高系统可靠性,大大降低末节点时频系统崩溃的可能性;其次,可以通过双向时间测量监测中心节点与末节点的实时时差,利用时差可以对末节点时频信号进行精密控制,从而保证中心节点与末节点时频信号的同步。

中心节点与末节点之间通过光纤连接,末节点时频恢复设备产生时频信号。本文利用新一代试验星系统中心节点与末节点的双向时间测量数据来分析新时频体制中末节点时频信号的性能指标。图3示出了中心节点与末节点15天的双向时间测量时差数据。

由图3中数据统计结果可得:中心节点与末节点时差最大值为0.23 ns,最小值为-1.59 ns,相对于北斗区域系统有大幅度提高。

4 结束语

本文介绍了北斗新一代试验卫星在卫星钟、系统时间产生与维持及末节点时频信号生成方面的新技术体制,评估了其所实现的实际性能和相对于北斗区域系统的性能提升。结果表明:新一代试验星新型星载原子钟预报性能与北斗区域系统相比较有约一倍提升,IGSO卫星短期预报误差从0.65 ns减小到0.30 ns,MEO卫星短期预报误差从0.78 ns减小到0.32 ns,IGSO/MEO卫星中期预报误差均从2.50 ns减小到约1.50 ns;新一代试验卫星系统中采用的新时频体制,系统时间相对于北斗区域系统时间提升半个数量级。中心节点与末节点具有更好的一致性,中心节点与末节点时差最大值为0.23 ns,最小值为-1.59 ns,相对于北斗区域系统有大幅度提高。

上述试验分析仅是在新一代试验星阶段得到的初步结果。随着新一代试验星系统长期运行,还需基于更加充分的观测数据给予更加丰富的试验分析,系统时间和卫星钟性能需要有更长期的运行考核。

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