卫星导航中的时间参数及其测试方法

发布时间：2017-07-20 12:22

  本文关键词：卫星导航中的时间参数及其测试方法

  更多相关文章： UTC 时间参数 测试方法 接收机延迟 授时性能

【摘要】：目前的卫星导航系统都是基于时间测量实现的,准确稳定的时间是卫星导航系统运行的最基础保障。时间参数作为卫星导航中时间信息的表现方式,它不仅是实现定位、测速等功能的前提保证,更直接关系着系统的服务性能,有必要对卫星导航系统的时间参数进行全面的分析和测试。在对卫星导航系统定位和授时技术进行全面分析的基础上,系统的归纳了卫星导航中时间参数的功能及特征,研究了导航电文中时间参数和用户端时间参数的表征方法及其对系统服务性能的影响。针对用户的使用特点,提出了对卫星广播UTC时间与实际UTC偏差进行测试的概念和方法,同时研究了各项时间参数的测试方法并对整个导航系统的授时性能进行综合测试与评估。通过对GPS、GLONASS、北斗三大导航系统中关键时间参数进行分析与测试,验证了本文提出的测试方法。本文主要的工作和创新点体现在以下几个方面:(1)从用户角度出发,研究了定位过程和授时过程中时间参数的变化特点,归纳了导航电文中时间参数和用户端时间参数的内容,系统地给出了时间参数的变化规律和特点,同时分析了时间参数的测试要点。(2)研究了导航电文中溯源模型的测试方法,设计实际的测试试验,对GPS、GLONASS、北斗的溯源模型进行了测试分析。结果表明一年内GPS系统的溯源模型预报误差在?3ns以内,优于GLONASS和北斗;而北斗系统的溯源模型预报值存在较大误差,误差范围为-50ns~100ns。利用此试验平台分析了用户获得导航系统时间的特点,发现在测试的两个月内GPST和BDT均呈现单调波动趋势,GPST的波动范围较小,而BDT随时间增加逐步向UTC逼近并趋于稳定。GLONASST在2015年1月出现较大的相位调整,调整后的稳定度要低于BDT。(3)针对星钟模型测试中的难点,提出了卫星广播系统时间的测试方法。从用户角度出发,不单独评估星钟模型的误差,而是评估用户从每颗卫星信号中获得的系统时间性能,这种转换明确了测试对象,不仅使测试过程易于操作,并且能够真实反映用户的定位误差和授时误差。结果表明GPS卫星广播系统时间的误差要优于GLONASS和北斗。最后设计差分星钟模型改正的方法对测试结果进行验证。相比导航电文中星钟模型广播值对定位的影响,加入本文测试结果改正后用户的定位误差明显减小,对GPS、GLONASS和北斗定位误差的改善幅度分别为79.91%、75.15%和50.85%,验证了测试方法的正确性。(4)接收机延迟作为导航领域的难点,是本文重点研究的对象之一,提出了基于钟驾驭型接收机的校准方法,对本文使用的两款接收机进行校准试验。其中GPS/GLONASS接收机的频间偏差随GLONASS频率号增加呈线性递增趋势,变化范围在0~13ns之间,校准不确定度GPS L1和L2分别为1.8ns、1.6ns,GLONASS L1为5.2ns。而北斗接收机延迟随着外部输入1PPS与10MHz信号相位差的变化表现出强相关性,且延迟在接收机连续运行和开关机运行下存在差异,这是容易被忽略的因素;通过设计零基线比对试验对校准结果进行了验证,校准不确定度北斗B1、B2为2.8ns,B3为2.3ns。(5)从系统层面出发,研究了卫星授时的单星测试方法和多星综合测试方法,提出了卫星广播UTC与实际UTC偏差的性能表征体系,并针对三大卫星导航系统的授时性能开展了综合测试与评估试验。结果表明2014年GPS卫星广播时间与UTC偏差为-30ns~20ns,授时误差优于-15ns。GLONASS系统时间在2014年8月出现跳变,在此之前授时误差高于-200ns,在此之后授时误差逐步降低至-20ns以内,与同时期T公报数据进行比对,发现T公报监测的GLONASST-UTC存在220ns左右的系统差。而北斗卫星广播时间与UTC偏差的波动较大,由于北斗溯源模型存在误差,导致目前北斗系统的授时误差较大,因此用户通过北斗导航信号获得的UTC时间与实际UTC时间存在较大偏差。根据本文给出的卫星广播UTC时间和实际UTC偏差的测试方法与测试结果,可以进一步深入了解卫星导航系统的定位、授时性能,分析系统需要改进的方向,为我国卫星导航系统的建设和应用推广提供支撑。同时本文将部分评估结果通过互联网以FTP的方式定期发布出去,为进一步优化系统设计、提高系统授时性能奠定基础,方便用户有选择的进行使用。
【关键词】：UTC 时间参数 测试方法 接收机延迟 授时性能
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（国家授时中心）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P228.4;TN96.1
【目录】：

• 致谢4-6
• 摘要6-8
• Abstract8-11
• 目录11-15
• 图表目录15-23
• 第1章 绪论23-35
• 1.1 引言23-26
• 1.1.1 时间的概念23-25
• 1.1.2 授时技术的发展25-26
• 1.2 卫星导航系统的时间体系26-32
• 1.2.1 卫星导航系统概述26-28
• 1.2.2 时间体系的功能28-30
• 1.2.3 时间体系的组成30
• 1.2.4 时间参数的作用及种类30-32
• 1.3 本文的研究意义32
• 1.4 论文的内容安排32-35
• 第2章 卫星导航授时技术研究35-55
• 2.1 卫星导航的系统时间35-41
• 2.1.1 系统时间的物理意义35-36
• 2.1.2 系统时间的产生与保持36
• 2.1.3 系统时间的溯源36-38
• 2.1.4 系统时间性能测试38-41
• 2.2 卫星导航的授时过程41-45
• 2.2.1 授时原理41-43
• 2.2.2 授时过程的关键技术43-45
• 2.3 授时过程的误差分析45-52
• 2.3.1 发射端误差45-47
• 2.3.2 传播路径误差47-50
• 2.3.3 接收端误差50-52
• 2.4 本章小结52-55
• 第3章 卫星导航中的时间参数及其影响55-73
• 3.1 导航电文中的时间参数55-62
• 3.1.1 溯源模型参数55-58
• 3.1.2 星钟模型参数58-60
• 3.1.3 发射通道偏差参数60-62
• 3.2 用户端的时间参数62-69
• 3.2.1 本地时间延迟63-65
• 3.2.2 天线群时延65-67
• 3.2.3 接收机延迟67-69
• 3.3 时间参数对卫星导航的影响69-71
• 3.4 本章小结71-73
• 第4章 导航电文中时间参数的测试方法研究73-95
• 4.1 溯源模型参数的测试方法研究73-78
• 4.1.1 测试方法73-75
• 4.1.2 溯源模型预报误差分析75-77
• 4.1.3 小结77-78
• 4.2 星钟模型参数的测试方法研究78-87
• 4.2.1 测试方法78-80
• 4.2.2 卫星广播系统时间的测试结果80-85
• 4.2.3 测试结果验证85-87
• 4.3 发射通道偏差参数的测试方法研究87-94
• 4.3.1 测试方法87-90
• 4.3.2 发射通道偏差误差分析90-92
• 4.3.3 测试结果验证92-94
• 4.4 本章小结94-95
• 第5章 用户端时间参数的测试方法研究95-125
• 5.1 本地时间延迟的测试方法研究95-98
• 5.1.1 搬运钟测试法原理96-97
• 5.1.2 测试结果97-98
• 5.2 天线群时延的测试方法研究98-104
• 5.2.1 三天线法测试原理98-100
• 5.2.2 测试结果100-103
• 5.2.3 测试不确定度分析103-104
• 5.3 GPS/GLONASS双模接收机的测试方法研究104-115
• 5.3.1 接收机特性分析104-105
• 5.3.2 接收机延迟的组成105
• 5.3.3 绝对校准原理与方法105-107
• 5.3.4 校准试验107-113
• 5.3.5 校准不确定度分析113-114
• 5.3.6 接收机频间偏差114-115
• 5.4 北斗接收机的测试方法研究115-124
• 5.4.1 接收机特性分析115-116
• 5.4.2 零值校准原理116
• 5.4.3 TtP对接收机零值的影响116-118
• 5.4.4 校准试验118-121
• 5.4.5 校准不确定度分析121-122
• 5.4.6 零基线比对试验122-124
• 5.5 本章小结124-125
• 第6章 导航系统授时性能综合测试与评估125-159
• 6.1 导航系统授时性能综合测试与评估要求125-127
• 6.1.1 测试与评估的主要内容126
• 6.1.2 测试与评估的性能表征126-127
• 6.2 导航系统授时性能综合测试与评估方法127-135
• 6.2.1 测试与评估的原理127-129
• 6.2.2 试验平台搭建129-134
• 6.2.3 不确定度分析134-135
• 6.3 导航系统授时性能综合测试与评估结果135-152
• 6.3.1 GPS测试与评估结果135-140
• 6.3.2 GLONASS测试与评估结果140-145
• 6.3.3 北斗测试与评估结果145-149
• 6.3.4 小结149-152
• 6.4 评估结果的发布152-157
• 6.4.1 评估结果的发布方法152-153
• 6.4.2 评估结果的发布内容153-157
• 6.5 本章小结157-159
• 第7章 总结与展望159-161
• 7.1 论文的主要结论与创新点159-160
• 7.2 下一步工作展望160-161
• 作者简介及在学期间发表的学术论文和研究成果161-163
• 参考文献163-17

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