GPS星载原子钟在轨性能评估精度分析

贾小林， 刘　帅， 孙大伟

1. 西安测绘研究所，陕西 西安，710054；2.地理信息工程国家重点实验室，陕西 西安，710054；3.信息工程大学导航与空天目标工程学院，河南 郑州，450052；4.长安大学，陕西 西安，710054



GPS星载原子钟在轨性能评估精度分析

贾小林1,2， 刘帅1，3， 孙大伟4

1. 西安测绘研究所，陕西 西安，710054；2.地理信息工程国家重点实验室，陕西 西安，710054；3.信息工程大学导航与空天目标工程学院，河南 郑州，450052；4.长安大学，陕西 西安，710054

星载原子钟作为导航信号生成和系统测距的星上时间基准，为导航系统提供了精确稳定的频率源，其性能直接决定用户的导航定位精度。本文介绍了采用精密定轨与时间同步方法实现原子钟在轨性能评估方案，基于IGS钟差产品，分析了电离层、轨道残差等钟差测定系统噪声对在轨原子钟性能评估精度的影响，得出了有效的结论，可为我国北斗卫星高精度星载原子钟性能评估提供参考。

精密定轨与时间同步方法；IGS钟差；系统噪声

1　引　言

卫星导航系统导航定位的关键在于高精度、高稳定性的星载原子钟。星载原子钟作为导航信号生成和系统测距的星上时间基准，为导航系统提供了精确稳定的频率源，是卫星导航系统有效载荷的核心部分，没有原子钟就不能实现卫星导航、定位和授时，其性能直接决定用户的导航定位精度[1，2]。GPS 系统星载原子钟主要采用铷钟和铯钟，GLONASS 系统采用铯钟，北斗区域系统、IRNSS、QZSS 以及Galileo 系统GIOVE-A 卫星上搭载了铷钟，而Galileo系统GIOVE-B 卫星上除了搭载铷钟外，还搭载了氢钟[3，4，5，8]。较之地面的性能，星载原子钟发射入轨后，其在轨性能由于空间工作环境的不同与地面不尽相同。同时，与星载原子钟和地面高精度原子钟直接比对的地面测试评估方法不同，星载原子钟在轨性能受测试技术的影响较大。分析各类技术手段对原子钟在轨性能评估的影响，对客观了解卫星钟的性能具有重要意义。

目前，原子钟在轨性能测试技术与方法包括：相位比对法(备份原子钟相对于主原子钟)、无线电双向法、激光双向时间比对法、伪距与激光比对法、精密定轨与时间同步法等。相位比对法的精度较高，但其获得的是两个星载钟之间的相对性能，精度受参考钟性能的影响较大，其评估精度为参考钟的精度；无线电双向法受测站分别影响，不易获得全球连续的卫星钟差数据；激光双向时间比对法、伪距与激光比对法受天气和卫星轨道特性等因素影响较大，不易连续观测，很难得到被测原子钟的稳定度数据。由于无线电双向法、激光双向时间比对法、伪距与激光比对法所获得钟差的参考基准一般选在地面，卫星钟差解算精度通常在考虑各种误差因素后采用分析法给出，因此其无法有效获得实测结果。

精密定轨与时间同步方法(Orbit Determination and Time Synchronization，ODTS)在精密定轨的同时获得钟差，进而评估卫星钟的性能，是目前普遍采用的方法。在一般参考文献中，主要报道集中在卫星精密钟差分析获得卫星钟在轨性能，而对利用 ODTS法评估卫星在轨性能的精度却很少提及[3，4，5，7，8]。Galileo系统为了评估GIOVE-A和GIOVE-B搭载的原子钟性能，2008年在全球范围内均匀布设了13个跟踪站构成Galileo试验跟踪网(Galileo Experimental Sensor Stations，GESSs)，GESS网中有3个站与主动型氢钟相连，采用ODTS法获得其中2个站的地面钟差，通过比较这2站钟差之差，分析ODTS法钟差测定系统噪声对卫星钟在轨性能评估的影响[6]。该方法的优点是卫星钟在轨性能评估精度是通过实测数据分析得到的，与分析法相比更接近实际情况；同时，ODTS法一般采用全球布站，利用伪距/载波观测数据求解卫星轨道、钟差，能实现卫星钟差全弧段的确定。目前，IGS高精度轨道钟差产品是采用ODTS方法获得。IGS有许多与高精度地面钟相连的测站，本文拟利用IGS钟差产品定量分析ODTS方法对星载原子钟稳定性评估的影响，为实际应用及相关研究提供参考。

2　基本理论与方法

地面高精度原子钟是卫星钟性能评估的基准。与星载原子钟在地面评估获得钟差不同，星载原子钟在轨性能评估受测量与传输误差(钟差测定误差)的影响，主要包括观测数据质量和钟差确定方法等方面。每种观测数据质量各有其特点，受空间环境及设备的影响各不相同，钟差测定误差的表现形式也不一致。如何高精度获得测量与传输综合误差对卫星钟差测定的影响，是首先需要解决的问题。对于相位比对法、无线电双向时间比对法、伪距与激光比对法，由于无法有效地将测量系统噪声从星载原子钟的性能中分离，因此只能采用分析法对其测量系统噪声影响定性评估。

采用ODTS法获得卫星钟差，其影响的误差因素包括：测量误差、电离层延迟误差、对流层延迟误差、多路径效应、动力学模型误差等，同时还受测站分布等方面的影响。卫星钟差的确定精度，单个影响因素难以有效地表达。为了评估钟差测定系统噪声所带来的影响，在进行精密定轨测量方案设计时，考虑在地面测轨网中至少有两台(可以是多台)接收机接入性能优良原子钟(见图1)。同时，为了避免由于地面高精度原子钟对评估的影响，要求原子钟的秒稳定度在10-13数量级，千秒～万秒稳定度需达到10-15数量级[6]。目前，高精度地面原子钟一般采用主动型氢钟。通常情况下，由于钟差测定系统噪声是误差的主要来源，精密定轨时估计地面性能优良的原子钟钟差，通过比较其中两个测站钟差便可以估算出ODTS 法的测量系统噪声；同时，将两个测站钟差比较后进行频偏及Allan方差的分析，可以获得测量系统噪声估计的Allan方差。将测量系统噪声估计的Allan方差与星载原子钟在地面频率标准的Allan方差相比较，以此来判断ODTS法能否评估星载原子钟在地面的性能，进而确定能否评估星载原子钟在轨性能。由此可见，有效地获得精密定轨与钟差系统噪声，是对在轨原子钟性能评估精度分析的关键。星载原子钟的性能易受所使用的ODTS方法和制约估计精度的误差影响，误差包括在轨相位稳定性、接收机噪声和可能存在的轨道残差等[6]。

图1　ODTS基本原理图

3　卫星钟在轨性能评估精度分析

IGS精密钟差产品是利用全球站通过ODTS获得的高精度产品。目前IGS提供的精密星历中包含间隔为5min的GPS轨道及卫星/测站钟差信息，其中钟差的标称精度为0.1～0.2ns[11]。同时，在测轨站中有许多测站接入地面高精度原子钟，甚至有些测站接入UTC主钟[9](见表1)。因此，经过精密定轨估计接收机钟差，比较两个接入高精度原子钟的站钟差可以获得ODTS所带来的噪声。

表1IGS站外接原子钟情况(部分)

IGS站标准类型输入频率有效期限algo主动型氢钟5MHz2015-03-23amc2主动型氢钟5MHz1998-03-24bjnm氢微波激射器10MHz2006-06-25brew主动型氢钟5MHz2005-02-16ieng主动型氢钟20MHz2014-02-05irkj主动型氢钟5MHz2001-07-24mkea主动型氢钟5MHz2000-04-26mobs石英晶振器5MHz2002-10-29nist主动型氢钟5MHz2006-05-10nrcl主动型氢钟5MHz2008-01-22nrl1主动型氢钟20MHz2007-08-01nya1主动型氢钟10MHz2009-07-10nyal主动型氢钟10MHz2009-07-10ptbb主动型氢钟20MHZ2010-01-28qaql铷钟5MHz2006-01-11usn7主动型氢钟5MHz1998-03-24wab2UTC(CH)主钟20MHz2011-08-08wtzr主动型氢钟EFOS185MHz2013-05-13zeck主动型氢钟VCH-1003M5MHz2011-05-28usno主动型氢钟5MHz1997-04-24

采用2015年1月1日～30日IGS的amc2站、ptbb站、wab2以及usno站接收机精密钟差数据[10](这些站接收机均接入了高精度地面原子钟(见表1)，各站钟差由ODTS获得)，通过两两比较2个站之间的钟差，可以获得ODTS 所带来的噪声，获得ODTS系统噪声结果见图2、图3、图4。其中，图1(a)为与amc2站、ptbb站相连的两台主动型氢钟的频偏结果，图2(b)为与amc2站、ptbb站相连的两台主动型氢钟频偏的Allan 方差，图3(a)为与usno站、ptbb站相连的两台主动型氢钟的频偏结果，图3(b)为与usno站、ptbb站相连的两台主动型氢钟频偏的Allan 方差，图4(a)为与wab2站、ptbb站相连的两台主动型氢钟的频偏结果，图4(b)为与wab2站、ptbb站相连的两台主动型氢钟频偏的Allan 方差。结果显示，图1、图2以及图3所求两台主动型氢钟频偏的Allan 方差一致，万秒稳定度达到5×10-15，天稳定度达到2～3×10-15，优于星载铷钟和被动型氢钟在地面的频率标准的Allan方差[6]，可以有效实现对星载氢钟性能评估。

图2(a)　amc2站与ptbb站两台主动型氢钟的频偏

图2(b)　amc2站与ptbb站两台主动型氢钟频偏的Allan方差图2　IGS系统误差估计(1)

图3(a)　usno站与ptbb站两台主动型氢钟的频偏

图3(b)　usno站与ptbb站两台主动型氢钟频偏的Allan方差图3　IGS系统误差估计(2)

图4(a)　wab2站与ptbb站两台主动型氢钟的频偏

图4(b)　wab2站与ptbb站两台主动型氢钟频偏的Allan方差图4　IGS系统误差估计(3)

4　结　论

ODTS方法在精密定轨的同时估计卫星及地面的钟差，比较地面接收机接入高精度原子钟的测站钟差，可以估算出ODTS 法所带来的测量系统噪声；对测量系统噪声进行频偏及Allan方差的分析，可以获得ODTS 法测量系统噪声对卫星钟在轨性能评估的影响。IGS利用全球分布的跟踪站，利用ODTS方法获得IGS精密轨道、钟差产品，其测量系统噪声所获得Allan方差万秒稳定度达到5×10-15，天稳定度达到2～3×10-15，可以有效地对GPS星载原子钟进行评估。针对我国北斗系统高精度原子钟在轨性能(如星载氢钟)的评估问题，如何采用ODTS提高卫星钟差确定精度，是影响评估精度的关键。考虑到目前北斗是区域系统，高精度轨道和钟差产品与GPS相比还有差距，因此在采用ODTS方法时，可以利用消电离层组合的GPS/北斗观测数据，使用批处理最小二乘方法，解算出卫星轨道参数、太阳辐射压力参数，以及每个历元中星载原子钟和地面时间基准之间的相位差，减小测量系统噪声对卫星钟确定的影响，实现北斗星载氢钟性能的评估，这也是下一步工作重点。

[1]俞建国.星载原子钟误差检测与时钟备份[D].哈尔滨：洽尔滨工业大学,2008.

[2]顾亚楠，陈忠贵，帅平.国外导航卫星星载原子钟技术发展概况[J].国际太空, 2008(10)：12-16.[3]Hutsell S.T., Reid W.G.. Operational Use of the Hadamard Variance in GPS[C]. In Proceedings of the 28th Annual Precise Time and Time Interval(PTTI) Meeting,1996.[4]Howe D., Beard R., Greenhall C., et al. A Total Estimator of The Hadamard Function Usedfor GPS Operations[C]. In Proceedings of the 32th Annual Precise Time and Time Interval(PTTI) Meeting, Reston, VA,2000.

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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.

[9]International GNSS Service(IGS)[EB].[2015-10-10].ftp://igs.org/pub/station.

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

[11]黄观文, 张勤.基于频谱分析的IGS 精密星历卫星钟差精度分析研究[J].武汉大学学报·信息科学版，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。

贾小林(1972—)，男，研究员，主要从事卫星导航方面的研究。

P223

A