北斗系统星载氢钟性能评估模型与算法研究

The aim of this work is to propose scientific and reasonable methods that allow to estimate and to improve the behavior of BDS on-board high performance clocks. Mastering the operating performance of atomic clock.Therefore this project has great significance for the construction of BDS, application of high precision BDS.By means of space measurements(including the clock phase comparison measurements, the radio communication measurements between station and satellite,the pseudo range and phase measurements between monitoring station and satellite,the Laser measurements , the objectives of this project are the establishment of clock error measurement model and the test system, the analysis to separate the affection(caused by measurement error and transmission error)on precision of the onboard hydrogen clock estimation affected by the model and other limitations based on the theory analysis and the actual measurement, the establishment of a variety of the BDS onboard hydrogen clock measurements fusion theory and method,the acquisition of the long term clock error with high precision and reliability,the establishment of on-board hydrogen clock evolution model, the improvement the prediction accuracy of onboard clock error, the estimation of the clock bias between the onboard hydrogen clock and the ground time system based on the ultrahigh performance ground reference timescale, as well as the analysis of the relativistic frequency shift of the onboard hydrogen clock.Therefore, this work provides the technical support to the in-orbit test and evaluation of the BDS onboard hydrogen clock.

建立科学合理的高精度BDS星载原子钟的性能监测评估体系，提升北斗卫星系统星载原子钟性能精度，掌握原子钟在轨运行性能，对推动我国卫星导航系统建设、保障北斗系统高精度应用均具有重要意义。本项目目标是利用卫星钟比相、星地无线电双向、监测站星地伪距/相位、激光等多种空间测量技术，建立钟差测定模型，构建试验系统，通过理论分析和实测手段分离测量与传输误差对星载氢钟原子钟的性能受所使用的钟差测定方法和制约估计精度的误差影响；建立融合多种数据的北斗系统星载度氢钟测理论与算法，获取高精度、高可靠的长期钟差数据，建立星载氢钟演化模型，提高卫星钟差的预报精度；基于地面高精度时间基准，建立星载氢钟相对于地面时间的相对频偏的估计，验证星载氢钟的频率的相对论效应。为北斗导航系统星载高精度氢钟在轨测试与评估提供技术支撑。

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，为导航系统提供精确稳定的频率源，是卫星导航系统有效载荷的核心部分，其性能直接决定用户的导航定位精度。研究北斗系统星载原子钟性能评估模型与算法，提升北斗卫星系统星载原子钟性能评估精度，掌握原子钟在轨运行性能，对推动我国卫星导航系统建设、保障北斗系统高精度应用均具有重要意义。项目开展了星载高精度原子钟在轨评估多源数据综合方法研究、测量与传输误差对星载高精度原子钟评估的影响分析、星载氢钟在轨特性分析及钟差预报方法研究、相对论效应引起的卫星钟频偏验证等方面的研究。获得的主要结果：①多源数据对卫星钟在轨性能评估的模型和算法不同，其评估精度不同，精密定轨与时间同步是其中重要和常用方法。融合多种评估手段，可以分别实现1E-13、1E-14、和1E-15千秒、万秒和天的稳定度。②采用地面至少两站外接高精度时间基准，构成钟差测定考核指标确定的试验平台，量化给出卫星钟差的测定噪声，为精密定轨钟差测定的精度评估提供重要的依据，试验表明可以获得北斗钟差精度优于0.1ns。③基于频谱分析的钟差模型可以有效地对卫星钟差进行拟合，大多数情况下拟合精度在厘米级。基于频谱分析的钟差模型其拟合预报优于二次多项式钟差模型，对星载氢钟，其两者差异不大。④采用北斗卫星以精密轨道确定获得的频率准确度为2.4E-11，其相对论效应频移误差为4.4%；采用比相数据获得的频率准确度2.0E-13，其相对论效应频移误差为0.04%。本项目采用了包括比相数据、星地无线电双向数据、监测站星地伪距/相位数据、激光数据等数据，开展多源数据综合测试评估模型与算法研究。以地面高精度时间基准为参考，定量、高精度解析星载钟系统噪声，给出了卫星钟差定量评估的方法，验证了卫星由狭义相对论和广义相对论效应引的起频偏等，具有重要的理论及科学意义。