北斗新一代試驗(yàn)系統(tǒng)時(shí)間及衛(wèi)星鐘精度初步分析

吳運(yùn)杰,王向磊

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心,北京 100094)

0 引 言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)于2012年完成了由5顆地球靜止衛(wèi)星(GEO)、5顆地球傾斜靜止衛(wèi)星(IGSO)和4顆中軌道衛(wèi)星(MEO)構(gòu)成的空間星座組網(wǎng),正式向亞太區(qū)域提供導(dǎo)航、定位和授時(shí)(PNT)服務(wù)[1]。BDS的建設(shè)遵循“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略,將于2020年建設(shè)成為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),正式向全球用戶提供服務(wù)。按照系統(tǒng)建設(shè)規(guī)劃,BDS于2015年3月至2016年2月先后發(fā)射了由2顆IGSO衛(wèi)星和3顆MEO衛(wèi)星共同組成的新一代試驗(yàn)衛(wèi)星星座,其目的是開展新型星載原子鐘、星間鏈路、新型導(dǎo)航信號(hào)體制、衛(wèi)星鐘差與軌道測(cè)定方法等方面的技術(shù)試驗(yàn),驗(yàn)證北斗全球系統(tǒng)新技術(shù)體制設(shè)計(jì)與技術(shù)性能。北斗新一代試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射情況如表 1所示。

表1 北斗新一代試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射情況

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)從區(qū)域服務(wù)走向全球服務(wù)將是空間信號(hào)精度不斷提升的過程。地面運(yùn)控系統(tǒng)時(shí)頻統(tǒng)一系統(tǒng)與導(dǎo)航衛(wèi)星鐘差的精度在很大程度上影響著到導(dǎo)航系統(tǒng)的精度。北斗新一代試驗(yàn)衛(wèi)星在導(dǎo)航衛(wèi)星鐘差與地面運(yùn)控系統(tǒng)時(shí)頻信號(hào)產(chǎn)生方面進(jìn)行了有別于北斗區(qū)域系統(tǒng)的新技術(shù)體制設(shè)計(jì),可以滿足用戶對(duì)更高精度導(dǎo)航信號(hào)的需求。本文將從新型星載原子鐘性能、基于紙面時(shí)的系統(tǒng)時(shí)間產(chǎn)生與維持、末節(jié)點(diǎn)時(shí)頻信號(hào)產(chǎn)生等三個(gè)方面開展相應(yīng)的試驗(yàn)評(píng)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(shí)間頻率基準(zhǔn)信號(hào)產(chǎn)生,是導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)播高性能導(dǎo)航信號(hào)的重要基礎(chǔ),其性能優(yōu)劣將直接決定衛(wèi)星鐘差參數(shù)預(yù)報(bào)精度[2]。相比于北斗區(qū)域系統(tǒng)星載鐘,北斗新一代試驗(yàn)衛(wèi)星配置了性能更好的銣鐘和被動(dòng)型氫鐘。為此,本文基于試驗(yàn)衛(wèi)星的實(shí)際運(yùn)行觀測(cè)數(shù)據(jù),進(jìn)行了新型星載原子鐘性能評(píng)估。

BDS采用L波段星地雙向時(shí)頻傳遞技術(shù)(TWSTFT)實(shí)時(shí)測(cè)量衛(wèi)星鐘相對(duì)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(shí)分別到達(dá)衛(wèi)星和地面測(cè)站,將上行、下行偽距分別完成鐘面時(shí)測(cè)量的歸算,并通過比對(duì)歸算后的偽距實(shí)時(shí)計(jì)算衛(wèi)星相對(duì)于BDT的鐘差。星地雙向鐘差測(cè)量可以減小單向偽距測(cè)量中的電離層延遲,不受對(duì)流層延遲建模誤差、衛(wèi)星軌道誤差、測(cè)站坐標(biāo)誤差的影響。文獻(xiàn)[3]表明星地雙向時(shí)頻傳遞獲得的衛(wèi)星鐘差短期擬合殘差優(yōu)于0.3 ns,可以用來分析比較星載原子鐘性能的差異。文獻(xiàn)[4]表明星地雙向共視還可以實(shí)現(xiàn)高精度站間時(shí)間同步,該結(jié)果與傳統(tǒng)站間雙向時(shí)間比對(duì)結(jié)果一致性較好,二者閉合差優(yōu)于0.04 ns,標(biāo)準(zhǔn)差約0.5 ns.

衛(wèi)星鐘差預(yù)報(bào)性能既是衛(wèi)星鐘差測(cè)定精度的反映,更是星載原子鐘性能的重要考核因素,衛(wèi)星鐘差預(yù)報(bào)精度是直接影響導(dǎo)航衛(wèi)星空間信號(hào)精度的重要因素[5]。本文采用星地雙向時(shí)頻傳遞測(cè)量的衛(wèi)星鐘差,分析比較了新型星載原子鐘和北斗區(qū)域系統(tǒng)星載原子鐘的短期和中期預(yù)報(bào)性能。對(duì)于短期預(yù)報(bào),使用2 h的星地鐘差雙向測(cè)量結(jié)果進(jìn)行一階多項(xiàng)式擬合,得到后1 h的預(yù)報(bào)參數(shù),統(tǒng)計(jì)其預(yù)報(bào)精度。對(duì)于中期預(yù)報(bào),使用24 h星地鐘差數(shù)據(jù)進(jìn)行二階多項(xiàng)式擬合,擬合得到的參數(shù)作為接下來10 h的預(yù)報(bào)參數(shù),統(tǒng)計(jì)其預(yù)報(bào)精度。分別采用2016年3月10日至20日星地雙向鐘差測(cè)量結(jié)果計(jì)算的衛(wèi)星鐘差預(yù)報(bào)精度如圖 1和圖 2所示。其中,圖 1示出了IGSO衛(wèi)星鐘差擬合及預(yù)報(bào)精度,圖2示出了MEO衛(wèi)星鐘差擬合及預(yù)報(bào)精度,圖中黑色為北斗區(qū)域系統(tǒng)星載鐘的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,白色為試驗(yàn)衛(wèi)星新型星載鐘的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,左上子圖為短期擬合精度,右上子圖為短期預(yù)報(bào)精度,左下子圖為中期擬合精度,右下子圖為中期預(yù)報(bào)精度。

由上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果可得:新一代試驗(yàn)星與北斗區(qū)域系統(tǒng)衛(wèi)星鐘差擬合精度相比較有所提高,IGSO/MEO衛(wèi)星短期擬合精度從0.3 ns提高到0.1 ns,IGSO衛(wèi)星中期擬合精度從1.0 ns提高到0.5 ns,MEO衛(wèi)星中期擬合精度從0.5 ns提高到0.2 ns;新一代試驗(yàn)星與北斗區(qū)域系統(tǒng)衛(wèi)星鐘差預(yù)報(bào)精度相比較有較大提高,IGSO衛(wèi)星短期預(yù)報(bào)精度從0.65 ns提高到0.30 ns,MEO衛(wèi)星短期預(yù)報(bào)精度從0.78 ns提高到0.32 ns,IGSO/MEO衛(wèi)星中期預(yù)報(bào)精度均從2.5 ns提高到約1.5 ns.無論是短期預(yù)報(bào)還是中期預(yù)報(bào),均反映新一代試驗(yàn)星新型星載原子鐘性能與北斗區(qū)域系統(tǒng)相比較有約50%的提升。

2 基于新時(shí)頻體制系統(tǒng)時(shí)間產(chǎn)生與維持性能分析

北斗區(qū)域系統(tǒng)時(shí)頻系統(tǒng)模式簡單、設(shè)備簡單、實(shí)現(xiàn)簡單,但是一旦設(shè)備故障就不能保證系統(tǒng)時(shí)間時(shí)頻信號(hào)的連續(xù)性,從而降低系統(tǒng)可靠性。為了保證時(shí)頻信號(hào)的穩(wěn)定性和可靠性,在新一代試驗(yàn)星系統(tǒng)中時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)中采用新的模式,利用原子鐘組產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)間,避免了因?yàn)閱蝹€(gè)設(shè)備而影響系統(tǒng)時(shí)間的連續(xù)性,保證了系統(tǒng)時(shí)間的可靠性,并可以有效提高系統(tǒng)時(shí)間的穩(wěn)定度。

新一代試驗(yàn)星時(shí)頻系統(tǒng)主要功能是為新一代試驗(yàn)系統(tǒng)提供統(tǒng)一的時(shí)間和頻率參考信號(hào),完成向UTC(BSNC)溯源以及與其他GNSS系統(tǒng)時(shí)間的時(shí)差監(jiān)測(cè),并進(jìn)行時(shí)差預(yù)報(bào)及溯源電文參數(shù)/與其他導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)差電文參數(shù)生成[6]。同時(shí),完成時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)備工況及業(yè)務(wù)運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理任務(wù),完成系統(tǒng)時(shí)間及衛(wèi)星鐘性能的監(jiān)測(cè)與評(píng)估任務(wù)。

本文利用新一代試驗(yàn)星系統(tǒng)時(shí)間和北斗區(qū)域系統(tǒng)時(shí)間分別與UTC(BSNC)的時(shí)差,比較分析了新一代試驗(yàn)星系統(tǒng)時(shí)間和北斗區(qū)域系統(tǒng)時(shí)間的性能。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明,新一代試驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)間相對(duì)于北斗區(qū)域系統(tǒng)時(shí)間提升半個(gè)數(shù)量級(jí)。

3 基于新時(shí)頻體制的末節(jié)點(diǎn)時(shí)頻信號(hào)分析

在北斗區(qū)域系統(tǒng)中,所有末節(jié)點(diǎn)時(shí)頻信號(hào)都是由中心節(jié)點(diǎn)直接提供,由于中心節(jié)點(diǎn)和末級(jí)節(jié)點(diǎn)之間距離較遠(yuǎn),直接傳輸時(shí)頻信號(hào)對(duì)頻率信號(hào)相位噪聲、穩(wěn)定度插損較大,脈沖信號(hào)上升沿、抖動(dòng)影響較大,且末節(jié)點(diǎn)信號(hào)相位一致性只能做到≤0.5 ns[7]。為了使末級(jí)節(jié)點(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)具有相同的相噪指標(biāo),且提高末節(jié)點(diǎn)信號(hào)相位一致性,新一代試驗(yàn)星系統(tǒng)采用新時(shí)頻體制的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),在末級(jí)節(jié)點(diǎn)對(duì)信號(hào)進(jìn)行恢復(fù)。新體制時(shí)頻系統(tǒng)有很大的優(yōu)越性：首先,提高系統(tǒng)可靠性,大大降低末節(jié)點(diǎn)時(shí)頻系統(tǒng)崩潰的可能性;其次,可以通過雙向時(shí)間測(cè)量監(jiān)測(cè)中心節(jié)點(diǎn)與末節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)時(shí)差,利用時(shí)差可以對(duì)末節(jié)點(diǎn)時(shí)頻信號(hào)進(jìn)行精密控制,從而保證中心節(jié)點(diǎn)與末節(jié)點(diǎn)時(shí)頻信號(hào)的同步。

中心節(jié)點(diǎn)與末節(jié)點(diǎn)之間通過光纖連接,末節(jié)點(diǎn)時(shí)頻恢復(fù)設(shè)備產(chǎn)生時(shí)頻信號(hào)。本文利用新一代試驗(yàn)星系統(tǒng)中心節(jié)點(diǎn)與末節(jié)點(diǎn)的雙向時(shí)間測(cè)量數(shù)據(jù)來分析新時(shí)頻體制中末節(jié)點(diǎn)時(shí)頻信號(hào)的性能指標(biāo)。圖3示出了中心節(jié)點(diǎn)與末節(jié)點(diǎn)15天的雙向時(shí)間測(cè)量時(shí)差數(shù)據(jù)。

由圖3中數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可得:中心節(jié)點(diǎn)與末節(jié)點(diǎn)時(shí)差最大值為0.23 ns,最小值為-1.59 ns,相對(duì)于北斗區(qū)域系統(tǒng)有大幅度提高。

4 結(jié)束語

本文介紹了北斗新一代試驗(yàn)衛(wèi)星在衛(wèi)星鐘、系統(tǒng)時(shí)間產(chǎn)生與維持及末節(jié)點(diǎn)時(shí)頻信號(hào)生成方面的新技術(shù)體制,評(píng)估了其所實(shí)現(xiàn)的實(shí)際性能和相對(duì)于北斗區(qū)域系統(tǒng)的性能提升。結(jié)果表明:新一代試驗(yàn)星新型星載原子鐘預(yù)報(bào)性能與北斗區(qū)域系統(tǒng)相比較有約一倍提升,IGSO衛(wèi)星短期預(yù)報(bào)誤差從0.65 ns減小到0.30 ns,MEO衛(wèi)星短期預(yù)報(bào)誤差從0.78 ns減小到0.32 ns,IGSO/MEO衛(wèi)星中期預(yù)報(bào)誤差均從2.50 ns減小到約1.50 ns;新一代試驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)中采用的新時(shí)頻體制,系統(tǒng)時(shí)間相對(duì)于北斗區(qū)域系統(tǒng)時(shí)間提升半個(gè)數(shù)量級(jí)。中心節(jié)點(diǎn)與末節(jié)點(diǎn)具有更好的一致性,中心節(jié)點(diǎn)與末節(jié)點(diǎn)時(shí)差最大值為0.23 ns,最小值為-1.59 ns,相對(duì)于北斗區(qū)域系統(tǒng)有大幅度提高。

上述試驗(yàn)分析僅是在新一代試驗(yàn)星階段得到的初步結(jié)果。隨著新一代試驗(yàn)星系統(tǒng)長期運(yùn)行,還需基于更加充分的觀測(cè)數(shù)據(jù)給予更加豐富的試驗(yàn)分析,系統(tǒng)時(shí)間和衛(wèi)星鐘性能需要有更長期的運(yùn)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(qū)域監(jiān)測(cè)網(wǎng)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)精密定軌方法研究[D].中國科學(xué)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.