Galileo卫星星载原子钟性能分析
发布时间：2021-12-10 04:29
为了弥补近年来欧盟的伽利略卫星导航系统（Galileo）卫星密集发射,而对其星载原子钟稳定性进行系统分析相关研究的不足,提出1种Galileo卫星星载原子钟性能分析方法:利用精密钟差拟合残差和重叠阿伦方差的方法分析不同卫星类型、不同原子钟类型的Galileo星载原子钟的性能;并与全球定位系统（GPS）各类型星载原子钟进行对比。实验结果表明:Galileo原子钟拟合残差明显小于GPS各卫星的钟差拟合残差;通过重叠阿伦方差计算得到的Galileo在轨氢钟的频率稳定性在整体上优于Galileo铷钟,也好于GPS星载原子钟;整体来看,Galileo系统的星载原子钟稳定性要好于GPS。
【文章来源】：导航定位学报. 2020,8(01)CSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
2018年年积日第300~318天GPSG08卫星钟差残差时间序列
56导航定位学报2020年2月理、探测和剔除粗差，才能获得可靠准确的分析结果。但相位数据不利于粗差剔除，因此需要将钟差序列转换为频率数据。本文采用钟差频率的中位数绝对偏差（medianabsolutedeviation,MAD)来进行探测粗差[2]，其原理为MADMedian(Median()/.)ii=yy06745（3）式中：代表钟差的频率序列；Median代表序列的中位数。序列符合正态分布时，MAD等于标准偏差。当满足||Median3MAD时，则将其标记为粗差予以剔除。该方法是1种简单有效并应用广泛的探测方法。2.2拟合残差由于GFZ提供的钟差产品在天与天之间不连续，因而本文对每1天的钟差序列做2次多项式拟合，剔除掉钟差序列中每天的趋势项，获得拟合后的残差序列。剔除趋势项后的拟合残差既可以评估卫星钟差精度，也可以用于后续重叠阿伦方差计算。图1~图4分别给出了Galileo和GPS卫星钟差拟合残差时间序列结果。从中可以看出，6颗Galileo卫星的钟差残差范围为-0.3~0.3ns，有极好的稳定性。而对于GPS，G08上搭载的铯钟残差为-3~3ns，其余3颗卫星G02、G05和G08搭载的铷原子钟残差量级处于同一水平，范围在-1~1ns之间，这说明铯钟的短期稳定性比铷钟差。图5给出了选取的6颗Galileo卫星和4颗GPS卫星钟差拟合残差的均方根(rootmeansquare,RMS）值，可以看出，Galileo卫星钟差拟合残差的RMS值约为0.1ns，GPS铷钟的残差RMS在0.2~0.3ns，铯钟则超过了0.9ns。因此，Galileo的原子钟呈现出相对一致的结果，而GPS的铷钟表现要明显优于铯钟，但与Galileo相比整体仍较?
第1期韩有文.Galileo卫星星载原子钟性能分析57卫星类型、不同原子钟类型的重叠阿伦方差计算结果。图6Galileo星载原子钟重叠阿伦方差图7GPS星载原子钟重叠阿伦方差目前Galileo只有1颗IOV卫星E11搭载了铷原子钟。虽然从图1~图5的残差图和统计分析中来看，铷钟性能与氢钟的性能相差不多，但根据重叠阿伦方差的结果，容易发现在平均时间300~6600s的范围内，E11搭载的铷钟的稳定性明显低于其他Galileo卫星搭载的氢钟。但在10000s平均间隔附近，氢钟有明显的凸起，而铷钟则没有该现象。结合其他学者的研究，这里的异常凸起应当是钟差数据中含有残留的轨道误差[8]。这是因为在精密定轨时，钟差吸收了部分轨道中未被模型化的误差。氢钟的重叠阿伦方差稳定性较好，因此该误差的影响在图6中较明显，而对E11的铷钟来说，残余轨道误差的影响要小于其本身稳定度，故图6呈现出的结果并不明显。此外对比GalileoFOC和IOV的氢钟稳定性结果，卫星类型对原子钟稳定性没有明显的影响。与Galileo不同，GPS卫星的重叠阿伦方差结果可以清楚发现不同的卫星类型，其搭载的原子钟稳定性有明显区别[15]。对GPS系统而言，BlockIIF卫星搭载的原子钟呈现出最好的稳定性能。在300~2000s的平均时间间隔内与Galileo搭载的铷钟性能相当。此外，BlockIIR和IIR-M上的铷钟性能相当，而BlockIIF上搭载的铯钟其短期稳定性相对较差。千秒稳定度、万秒稳定度以及天稳定度的大小是衡量钟差预报精度的标准。为了直观，表2、表3给出了2个系统星载原子钟的千秒稳、万秒稳和天稳（86400s）值。可以清楚地看出Galileo铷钟的千秒稳要差于氢钟
本文编号：3531908
【文章来源】：导航定位学报. 2020,8(01)CSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
2018年年积日第300~318天GPSG08卫星钟差残差时间序列
56导航定位学报2020年2月理、探测和剔除粗差，才能获得可靠准确的分析结果。但相位数据不利于粗差剔除，因此需要将钟差序列转换为频率数据。本文采用钟差频率的中位数绝对偏差（medianabsolutedeviation,MAD)来进行探测粗差[2]，其原理为MADMedian(Median()/.)ii=yy06745（3）式中：代表钟差的频率序列；Median代表序列的中位数。序列符合正态分布时，MAD等于标准偏差。当满足||Median3MAD时，则将其标记为粗差予以剔除。该方法是1种简单有效并应用广泛的探测方法。2.2拟合残差由于GFZ提供的钟差产品在天与天之间不连续，因而本文对每1天的钟差序列做2次多项式拟合，剔除掉钟差序列中每天的趋势项，获得拟合后的残差序列。剔除趋势项后的拟合残差既可以评估卫星钟差精度，也可以用于后续重叠阿伦方差计算。图1~图4分别给出了Galileo和GPS卫星钟差拟合残差时间序列结果。从中可以看出，6颗Galileo卫星的钟差残差范围为-0.3~0.3ns，有极好的稳定性。而对于GPS，G08上搭载的铯钟残差为-3~3ns，其余3颗卫星G02、G05和G08搭载的铷原子钟残差量级处于同一水平，范围在-1~1ns之间，这说明铯钟的短期稳定性比铷钟差。图5给出了选取的6颗Galileo卫星和4颗GPS卫星钟差拟合残差的均方根(rootmeansquare,RMS）值，可以看出，Galileo卫星钟差拟合残差的RMS值约为0.1ns，GPS铷钟的残差RMS在0.2~0.3ns，铯钟则超过了0.9ns。因此，Galileo的原子钟呈现出相对一致的结果，而GPS的铷钟表现要明显优于铯钟，但与Galileo相比整体仍较?
第1期韩有文.Galileo卫星星载原子钟性能分析57卫星类型、不同原子钟类型的重叠阿伦方差计算结果。图6Galileo星载原子钟重叠阿伦方差图7GPS星载原子钟重叠阿伦方差目前Galileo只有1颗IOV卫星E11搭载了铷原子钟。虽然从图1~图5的残差图和统计分析中来看，铷钟性能与氢钟的性能相差不多，但根据重叠阿伦方差的结果，容易发现在平均时间300~6600s的范围内，E11搭载的铷钟的稳定性明显低于其他Galileo卫星搭载的氢钟。但在10000s平均间隔附近，氢钟有明显的凸起，而铷钟则没有该现象。结合其他学者的研究，这里的异常凸起应当是钟差数据中含有残留的轨道误差[8]。这是因为在精密定轨时，钟差吸收了部分轨道中未被模型化的误差。氢钟的重叠阿伦方差稳定性较好，因此该误差的影响在图6中较明显，而对E11的铷钟来说，残余轨道误差的影响要小于其本身稳定度，故图6呈现出的结果并不明显。此外对比GalileoFOC和IOV的氢钟稳定性结果，卫星类型对原子钟稳定性没有明显的影响。与Galileo不同，GPS卫星的重叠阿伦方差结果可以清楚发现不同的卫星类型，其搭载的原子钟稳定性有明显区别[15]。对GPS系统而言，BlockIIF卫星搭载的原子钟呈现出最好的稳定性能。在300~2000s的平均时间间隔内与Galileo搭载的铷钟性能相当。此外，BlockIIR和IIR-M上的铷钟性能相当，而BlockIIF上搭载的铯钟其短期稳定性相对较差。千秒稳定度、万秒稳定度以及天稳定度的大小是衡量钟差预报精度的标准。为了直观，表2、表3给出了2个系统星载原子钟的千秒稳、万秒稳和天稳（86400s）值。可以清楚地看出Galileo铷钟的千秒稳要差于氢钟
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