北斗二号卫星导航系统运行末期卫星钟性能评估

截至2020年7月,北斗系统在轨工作的卫星包括15颗北斗二号卫星和30颗北斗三号卫星,其中北斗二号系统(BD-2)大部分卫星已经接近使用寿命甚至超期服役,对其卫星钟性能进行全面评估十分必要。利用2019年365天的星地无线电双向比对钟差数据,从钟差数据质量、频率准确度、频率漂移率和频率稳定度等方面,对包括4颗备份卫星在内的所有BD-2在轨卫星原子钟的性能进行了评估。结果表明,目前BD-2系统所有卫星钟运行状况良好,频率准确度为3.38×10~(-11),漂移率为6.27×10~(-14)/d,万秒稳定度为9.93×10~(-14),天稳定度为4.70×10~(-14);其中4颗备份卫星的各项指标均未出现较大值,性能十分稳定,准确度为4.42×10~(-11),漂移率为9.13×10~(-14)/d,万秒稳定度和天稳定度处于较好水平,分别为6.81×10~(-14)和3.15×10~(-14)。因此,所有BD-2系统在轨卫星钟的各项指标符合设计要求,为实现北斗二号系统向北斗三号系统的顺利平稳过渡提供保障。     

基于奇异谱分析的BDS卫星钟差周期项提取

在建立星座自主时间基准时，必须扣除卫星钟差的周期波动，以避免将其引入系统时间。为准确地扣除周期波动，提出一种基于奇异谱分析（SSA）的BDS卫星钟差周期项提取方法。首先，经SSA分解获得钟差信号的多个重构成分；然后，引入重标极差分析方法计算各重构成分的Hurst指数，根据Hurst指数辨识钟差的低频信号主导分量和高频信号随机分量，从而实现周期项的重建提取。对不同类型的BDS卫星钟进行了分析和研究，结果表明：所提方法能够准确提取钟差周期项，所提取周期项的频谱特征比钟差多项式拟合残差的频谱更为清晰；利用多项式拟合方法扣除周期项后，万秒稳和日稳平均分别提升4.1%和2.4%，而利用所提方法扣除周期项后，万秒稳和日稳平均分别提升20.9%和34.1%，提高了卫星钟频率稳定度，为星座自主时间基准的建立提供了基础。     

顾及频间钟差的BDS/GPS三频非组合精密单点定位方法

采用传统精密钟差产品进行多频精密单点定位(PPP)时,频间钟差(IFCB)会对定位结果产生明显的系统性偏差,针对此问题,提出了基于无几何模型的BDS/GPS频间钟差估计方法,并推导了其在三频非组合PPP模型中的应用方法。通过全球184个监测站连续7天的数据实验,验证分析了IFCB的时变特性。结果表明:GPS和BDS GEO/IGSO卫星的IFCB周期性明显,BDS的IFCB量级小于GPS,一般不超过3 cm;对于静态PPP,与不改正IFCB相比,IFCB改正后,单GPS点位精度提高83.4%,GPS和BDS GEO/IGSO/MEO卫星的相位验后残差标准差分别减小了75.0%、54.5%、32.1%和19.2%;对于动态PPP,单GPS和BDS/GPS双系统组合的点位精度分别提高59.6%和54.7%。该方法解决了传统钟差产品与多频精密定位的兼容问题。     

北斗卫星钟差的CEEMDAN分解与周期项提取方法

卫星钟差具有非线性非平稳特征,其趋势分量、周期分量等信号与随机分量互相干扰,不利于钟差估计与预报、时间尺度算法等实际应用。为了实现卫星钟差数据的信噪分离与重构,提出了一种以自适应噪声完备集合经验模态分解（CEEMDAN）为基础的信噪分离方法。经CEEMDAN分解得到多个本征模态分量,引入排列熵算法确定噪声主导分量与信号主导分量,通过t检验分析分量的高频与低频特征,从而完成信号重构。对各类北斗卫星原子钟进行实验,结果表明,以CEEMDAN为基础的综合分析方法能够准确辨识本征模态分量特征,重构周期项的频谱图中基本不含有不规则周期分量与多余信号;去除周期分量后,4颗北斗卫星原子钟的万秒频率稳定度平均提升21.6%。     

基于优化自注意力神经网络的卫星钟差短期预报

为了提高卫星钟差短期预报精度,有效利用钟差数据之间的依赖关系,实现深层隐含特征提取与并行化计算,提出了一种序列到序列的基于优化自注意力机制的神经网络钟差预报模型（Informer）。首先,对自注意力机制进行概率稀疏性优化,合理分配权重,给出详细的稀疏优化方法,降低模型的训练与预报时长;其次,引入麻雀优化算法进行超参数优化,得到神经网络的最优超参数;然后,给出Informer模型钟差预报的具体步骤;最后,将Informer模型与已有模型进行实验对比。实验结果表明：在计算效率方面,LSTM模型、Transformer模型和Informer模型在输入长度低于336个历元时运行时间大致相同;在预报时间方面,Informer模型优势明显;利用12 h的数据建模,与QP、GM以及LSTM模型相比,Informer模型3 h的预报精度分别提高了66.83%、79.78%、71.11%,6 h的预报精度分别提高了50.50%、70.84%、53.54%,12 h的预报精度分别提高了37.91%、60.12%和15.74%,验证了Informer模型在钟差短期预报中具有较高的准确性和稳定性。     

接收机钟差估计的伪距异常值检测方法

针对接收机钟差辅助的RAIM检测方法无法适应接收机钟差周期性跳变的问题,根据伪距单点定位原理,提出了基于接收机钟差估计的伪距异常值检测方法。首先根据接收机钟差最大值、接收机速度以及两次定位时间差实时计算伪距异常值的核检门限,然后依次判断每颗卫星到接收机的伪距数据是否正常;为保证检测效果,提出了接收机采样周期门限和定位时间差门限的计算方法,理论计算表明,当接收机钟差最大值为12?s、速度达到第二宇宙速度时,接收机采样周期应小于0.32 s,定位时间差应小于3.2 s。采用GPS空间服务空域高动态目标实测数据分析,结果表明:该方法不受接收机钟差本地周期性修正的影响,在卫星数量减少至4颗或5颗时,依然可以识别出伪距异常的卫星,超出核检门限的伪距异常值识别率达100%,异常数据剔除后的伪距单点定位精度最大值达36 m。     

激光多普勒测速技术讲座之(二)——激光多普勒流速计的光学系统

一、光外差检测及其实现 由第一讲我们知道,运动散射粒子的散射光频率与入射光频率之差f_0可由下式求得:也即 这里S_0及K_0分别为散射光与入射光传播方向的单位矢量,因此f_D/f≤V/C。设V=1m/S,则f_D/f≤3.33×10~(-9)。可见光频率f的量级为10~(14)HZ,要从如此高频的信号中直接检测出的10~5HZ量级的f_d(测量的相对精度为10~(-9))是十分困难的。     

加速度计误差系数对拟合残差的影响及试验分析

为了提高加速度计的测试精度,针对加速度计在重力场的试验,分析了加速度计误差模型中误差系数对辨识拟合残差的影响.通过石英挠性加速度计的三十六位置翻滚试验,利用最小二乘参数估计后,根据残差曲线的规律性形状确定了加速度计误差模型中存在零偏不对称项和标度因数不对称项,从而进一步完善误差模型.试验结果表明,被测加速度计的零偏不对称项和标度因数不对称项对辨识结果影响很大,加入到误差模型中拟合残差标准差从原来的1.1×10-5g提高到 7×10-6g左右,精度明显得到改善.     

历元间载波相位差分的GPS/BDS精密单点测速算法

针对单系统历元间载波相位差分测速出现跳变的问题,提出一种顾及广播星历更新计算卫星钟差的方法。通过当前的历元信息判别卫星钟差的基准,进而消除因历元间基准变换引起的测速异常。在此基础上,分析GNSS系统间偏差对组合系统精密测速的影响,发现系统间偏差对GPS/BDS精密测速的影响基本可以忽略。最后,利用MGEX测站和车载数据进行静态和动态试验,验证GPS/BDS组合测速的有效性。结果表明:动态测速时,GPS、BDS、GPS/BDS的3D均方根误差在0～10 mm/s范围内所占的比率分别约为61%、58%、83%,GPS/BDS组合测速精度和稳定性更优。     

三浮陀螺磁悬浮干扰力矩机理分析

在三浮陀螺磁悬浮的干扰力矩研究方面,详细分析了磁悬浮干扰力矩的产生机理,对机加和装配误差、磁性材料的不理想、调试过程等可能造成的磁悬浮干扰力矩进行了定性分析和定量计算,推导出干扰力矩的表达式,并通过组合加工的方法对磁悬浮干扰力矩的力臂加以控制。目前的加工水平可以达到:径向磁悬浮干扰力矩1×10~(-8) N×m,对应的陀螺漂移8.4×10~(-2)(°)/h,随机分量4.2×10~(-6)(°)/h;轴向磁悬浮干扰力矩2×10~(-10) N×m,对应的陀螺漂移1.7×10~(-3)(°)/h,随机分量为8.4×10~(-8)(°)/h。