北斗二代星载原子钟特性分析及实时钟差预报研究

The satellite clocks are the time datum on-orbit for measuring the distance in the satellite navigation system. They are also the key payloads of the satellite navigation system. Their performance directly affects the accuracy of navigation and position as well as time and frequency transferring. Considering the special characters of satellite clocks of BeiDou navigation satellite system (BDS) such as discontinuity and precision clustering, the quality variation and clock offset model of BDS satellite clocks are studied in this project. Firstly the real measured data of the BDS satellite clocks on-orbit are collected and the characteristics variations of the satellite clocks on orbit are studied. The numerical model of the key indexes are decided while the method and theory of satellite clocks monitoring in real-time are researched. In the end, the way to estimate the quality of the BDS satellite clocks is established. Secondly, in order to improve the prediction accuracy of BDS broadcast clock model, adaptive BDS clock prediction model and algorithm which considering the noise styles and period character of satellite clocks are proposed. The new method can enhance the accuracy of BDS clock offset predictions meanwhile it wouldn't add the complex steps to the algorithm. This project will provide the theory contribution to the BDS broadcast clock model and rapid ephemeris renewing plus satellite autonomous navigation.

星载原子钟作为卫星导航系统测距的星上时间基准，又是导航系统有效核心荷载之一，其性能直接决定实际导航定位和时频传递精度。本项目主要针对我国北斗导航卫星系统（BDS）星载钟序列具有突发性、非连续性和精度分群性等异于其他导航系统的新特点，对其特性规律和钟差模型展开研究。项目首先基于实测BDS卫星钟数据，开展卫星钟时频特性变化规律研究，确立关键特性的数值计算模型，研究星载钟实时状态监测方法和理论，拟初步建立一套BDS星载钟的质量评价方法。其次针对目前BDS广播星历实时钟差模型没有兼顾星载钟自身特性、精度较低等局限性，研究一种能顾及星载钟噪声特性以及周期变化规律的自适应BDS钟差预报模型和算法，在不增加算法复杂度的前题下提高BDS钟差预报精度，为我国BDS广播钟差模型以及快速星历恢复和卫星自主导航等工作提供一定的理论基础。

星载原子钟作为卫星导航系统测距的星上时间基准，是卫星有效核心荷载之一，其性能直接决定实际导航定位和时频传递精度。本项目主要针对我国北斗导航卫星系统（BDS）星载钟序列具有突发性、非连续性和精度分群性等异于其他导航系统的新特点，对其特性规律和钟差模型展开了研究。在钟差特性分析方面，本项目基于实测BDS/GNSS卫星钟数据，在深入了解星载原子钟特征的相关理论和算法基础上，对BDS/GNSS星载原子钟的在轨中长期特性进行了分析和评价，得出了BDS卫星与GPS/GLONASS/Galileo卫星的差异特性，建立了一套BDS星载原子钟的质量评价体系。在钟差预报方面，本项目分析了起点偏差对IGU钟差预报产品精度的影响，建立了一种顾及相位跳变的BDS在轨卫星钟差预报算法，同时在分析BDS/GNSS系统时差序列特征的基础上，构建了适用于BDS/GNSS系统时差的多项式预报算法，并在AR模型的基础上，进一步构建多项式和AR模型的组合时差预报方法，该模型考虑了时差序列的时钟参数特性，周期性以及随机补偿特性等。在实时钟差估计方面，本项目基于非差模型实时钟差解算策略，提出了附有对流层先验约束的BDS高频卫星钟差实时估计算法，分析了不同轨道精度下BDS实时卫星钟差估计精度，同时研究了区域测站分布对BDS实时卫星钟差估计的影响。在定位方面，本项目基于单频和双频的实时观测数据，提出了附加先验坐标和历元约束信息的GNSS动态精密单点定位技术，研究了基于抗差 Helmert 方差分量估计多系统融合精密单点定位算法，建立了一套动态精密单点定位软件，验证了实时估计钟差和预报钟差对定位精度的影响。