北斗新一代試驗系統時間及衛星鐘精度初步分析

吳運杰,王向磊

(北京衛星導航中心,北京 100094)

0 引 言

北斗衛星導航系統(BDS)于2012年完成了由5顆地球靜止衛星(GEO)、5顆地球傾斜靜止衛星(IGSO)和4顆中軌道衛星(MEO)構成的空間星座組網,正式向亞太區域提供導航、定位和授時(PNT)服務[1]。BDS的建設遵循“三步走”的發展戰略,將于2020年建設成為全球衛星導航系統,正式向全球用戶提供服務。按照系統建設規劃,BDS于2015年3月至2016年2月先后發射了由2顆IGSO衛星和3顆MEO衛星共同組成的新一代試驗衛星星座,其目的是開展新型星載原子鐘、星間鏈路、新型導航信號體制、衛星鐘差與軌道測定方法等方面的技術試驗,驗證北斗全球系統新技術體制設計與技術性能。北斗新一代試驗衛星發射情況如表 1所示。

表1 北斗新一代試驗衛星發射情況

北斗衛星導航系統從區域服務走向全球服務將是空間信號精度不斷提升的過程。地面運控系統時頻統一系統與導航衛星鐘差的精度在很大程度上影響著到導航系統的精度。北斗新一代試驗衛星在導航衛星鐘差與地面運控系統時頻信號產生方面進行了有別于北斗區域系統的新技術體制設計,可以滿足用戶對更高精度導航信號的需求。本文將從新型星載原子鐘性能、基于紙面時的系統時間產生與維持、末節點時頻信號產生等三個方面開展相應的試驗評估分析。

1 新型星載原子鐘性能分析

星載原子鐘用于星上時間頻率基準信號產生,是導航衛星發播高性能導航信號的重要基礎,其性能優劣將直接決定衛星鐘差參數預報精度[2]。相比于北斗區域系統星載鐘,北斗新一代試驗衛星配置了性能更好的銣鐘和被動型氫鐘。為此,本文基于試驗衛星的實際運行觀測數據,進行了新型星載原子鐘性能評估。

BDS采用L波段星地雙向時頻傳遞技術(TWSTFT)實時測量衛星鐘相對于主控站建立保持的BDT的偏差[3]。假定上行偽距和下行偽距在同一鐘面時分別到達衛星和地面測站,將上行、下行偽距分別完成鐘面時測量的歸算,并通過比對歸算后的偽距實時計算衛星相對于BDT的鐘差。星地雙向鐘差測量可以減小單向偽距測量中的電離層延遲,不受對流層延遲建模誤差、衛星軌道誤差、測站坐標誤差的影響。文獻[3]表明星地雙向時頻傳遞獲得的衛星鐘差短期擬合殘差優于0.3 ns,可以用來分析比較星載原子鐘性能的差異。文獻[4]表明星地雙向共視還可以實現高精度站間時間同步,該結果與傳統站間雙向時間比對結果一致性較好,二者閉合差優于0.04 ns,標準差約0.5 ns.

衛星鐘差預報性能既是衛星鐘差測定精度的反映,更是星載原子鐘性能的重要考核因素,衛星鐘差預報精度是直接影響導航衛星空間信號精度的重要因素[5]。本文采用星地雙向時頻傳遞測量的衛星鐘差,分析比較了新型星載原子鐘和北斗區域系統星載原子鐘的短期和中期預報性能。對于短期預報,使用2 h的星地鐘差雙向測量結果進行一階多項式擬合,得到后1 h的預報參數,統計其預報精度。對于中期預報,使用24 h星地鐘差數據進行二階多項式擬合,擬合得到的參數作為接下來10 h的預報參數,統計其預報精度。分別采用2016年3月10日至20日星地雙向鐘差測量結果計算的衛星鐘差預報精度如圖 1和圖 2所示。其中,圖 1示出了IGSO衛星鐘差擬合及預報精度,圖2示出了MEO衛星鐘差擬合及預報精度,圖中黑色為北斗區域系統星載鐘的統計結果,白色為試驗衛星新型星載鐘的統計結果,左上子圖為短期擬合精度,右上子圖為短期預報精度,左下子圖為中期擬合精度,右下子圖為中期預報精度。

由上述統計結果可得:新一代試驗星與北斗區域系統衛星鐘差擬合精度相比較有所提高,IGSO/MEO衛星短期擬合精度從0.3 ns提高到0.1 ns,IGSO衛星中期擬合精度從1.0 ns提高到0.5 ns,MEO衛星中期擬合精度從0.5 ns提高到0.2 ns;新一代試驗星與北斗區域系統衛星鐘差預報精度相比較有較大提高,IGSO衛星短期預報精度從0.65 ns提高到0.30 ns,MEO衛星短期預報精度從0.78 ns提高到0.32 ns,IGSO/MEO衛星中期預報精度均從2.5 ns提高到約1.5 ns.無論是短期預報還是中期預報,均反映新一代試驗星新型星載原子鐘性能與北斗區域系統相比較有約50%的提升。

2 基于新時頻體制系統時間產生與維持性能分析

北斗區域系統時頻系統模式簡單、設備簡單、實現簡單,但是一旦設備故障就不能保證系統時間時頻信號的連續性,從而降低系統可靠性。為了保證時頻信號的穩定性和可靠性,在新一代試驗星系統中時統系統中采用新的模式,利用原子鐘組產生系統時間,避免了因為單個設備而影響系統時間的連續性,保證了系統時間的可靠性,并可以有效提高系統時間的穩定度。

新一代試驗星時頻系統主要功能是為新一代試驗系統提供統一的時間和頻率參考信號,完成向UTC(BSNC)溯源以及與其他GNSS系統時間的時差監測,并進行時差預報及溯源電文參數/與其他導航系統時差電文參數生成[6]。同時,完成時統系統設備工況及業務運行狀況的實時監控與管理任務,完成系統時間及衛星鐘性能的監測與評估任務。

本文利用新一代試驗星系統時間和北斗區域系統時間分別與UTC(BSNC)的時差,比較分析了新一代試驗星系統時間和北斗區域系統時間的性能。實測數據分析結果表明,新一代試驗衛星系統時間相對于北斗區域系統時間提升半個數量級。

3 基于新時頻體制的末節點時頻信號分析

在北斗區域系統中,所有末節點時頻信號都是由中心節點直接提供,由于中心節點和末級節點之間距離較遠,直接傳輸時頻信號對頻率信號相位噪聲、穩定度插損較大,脈沖信號上升沿、抖動影響較大,且末節點信號相位一致性只能做到≤0.5 ns[7]。為了使末級節點與中心節點具有相同的相噪指標,且提高末節點信號相位一致性,新一代試驗星系統采用新時頻體制的拓撲結構,在末級節點對信號進行恢復。新體制時頻系統有很大的優越性：首先,提高系統可靠性,大大降低末節點時頻系統崩潰的可能性;其次,可以通過雙向時間測量監測中心節點與末節點的實時時差,利用時差可以對末節點時頻信號進行精密控制,從而保證中心節點與末節點時頻信號的同步。

中心節點與末節點之間通過光纖連接,末節點時頻恢復設備產生時頻信號。本文利用新一代試驗星系統中心節點與末節點的雙向時間測量數據來分析新時頻體制中末節點時頻信號的性能指標。圖3示出了中心節點與末節點15天的雙向時間測量時差數據。

由圖3中數據統計結果可得:中心節點與末節點時差最大值為0.23 ns,最小值為-1.59 ns,相對于北斗區域系統有大幅度提高。

4 結束語

本文介紹了北斗新一代試驗衛星在衛星鐘、系統時間產生與維持及末節點時頻信號生成方面的新技術體制,評估了其所實現的實際性能和相對于北斗區域系統的性能提升。結果表明:新一代試驗星新型星載原子鐘預報性能與北斗區域系統相比較有約一倍提升,IGSO衛星短期預報誤差從0.65 ns減小到0.30 ns,MEO衛星短期預報誤差從0.78 ns減小到0.32 ns,IGSO/MEO衛星中期預報誤差均從2.50 ns減小到約1.50 ns;新一代試驗衛星系統中采用的新時頻體制,系統時間相對于北斗區域系統時間提升半個數量級。中心節點與末節點具有更好的一致性,中心節點與末節點時差最大值為0.23 ns,最小值為-1.59 ns,相對于北斗區域系統有大幅度提高。

上述試驗分析僅是在新一代試驗星階段得到的初步結果。隨著新一代試驗星系統長期運行,還需基于更加充分的觀測數據給予更加豐富的試驗分析,系統時間和衛星鐘性能需要有更長期的運行考核。

[1] FERNANDEZ F A. Inter-satellite ranging and inter-satellite communication links for enhancing GNSS satellite broadcast navigation data[J].Advances in Space Research,2011(47):786-801.

[2] KRISTINE P, PAUL A, JOHN L. Crosslinks for the next-generation GPS[J].IEEE AC, 2003(4):1589-1595

[3] WOLF R. Satellite orbit and ephemeris determination using inter satellite links[D]. Munehen: University of Munehen, 2000.

[4] ZHOU S S., CAO Y L, ZHOU J H,etal, Positioning accuracy assessment for the 4GEO/5IGSO/2MEO constellation of COMPASS[J]. Sci China Phys Mech Astron, 2012，55(12): 2290-2299.

[5] MAO Y, DU Y, SONG X Y,etal. GEO and IGSO joint precise orbit determination[J]. Sci China Phys Mech Astron, 2011，54(6): 1009-1013

[6] SVEHLA D, SCHNEMANN E, ESCOBAR D, et al. Complete relativistic modelling of the GIOVE-B clock parameters and its impact on POD, track-to-track ambiguity resolution and precise timing applications[R]. In: IGS Analysis Center Workshop 2010, Newcastle.

[7] ZHOU S S, HU X G, WU B,etal, Orbit determination and time synchronization for a GEO/IGSO satellite navigation constellation with regional tracking network[J]. Sci China Phys Mech Astron, 2011，54(6): 1089-1097.

[8] 周善石.基于區域監測網的衛星導航系統精密定軌方法研究[D].中國科學院上海天文,2011.

[9] HE F, ZHOU S S, HU X. G,etal. Satellite-station time synchronization information based real-time orbit error monitoring and correction of navigation satellite in Beidou System.[J].Sci China-Phys Mech Astron, 2014, 57(7): 1395-1403

[10] LI X J, ZHOU J H, HU X G,etal. Orbit determination and prediction for Beidou GEO satellites at the time of the spring/autumn equinox.[J].Sci China-Phys Mech Astron, 2015，58(8), 089501.doi:10.1007/s11433-15-5675-6.