GNSS時間基準(zhǔn)關(guān)鍵技術(shù)研究

伍貽威

北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094

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GNSS時間基準(zhǔn)關(guān)鍵技術(shù)研究

伍貽威

北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)需要建立一個時間基準(zhǔn)。本論文詳細(xì)研究了建立時間基準(zhǔn)的核心算法：①時間尺度算法；②鐘差預(yù)測算法；③時間尺度閉環(huán)駕馭算法。在此基礎(chǔ)上，給出了建立北斗系統(tǒng)時間BDT和國家授時中心時間基準(zhǔn)UTC(NTSC)的系統(tǒng)設(shè)計方案。

本論文取得的研究成果和創(chuàng)新點列舉如下：

(1) 提出了單狀態(tài)變量Kalman濾波器時間尺度算法。將生成的時間尺度表示成時間尺度基本方程，算法等價于加權(quán)平均時間尺度算法；推導(dǎo)了權(quán)重和預(yù)測值的解析表達(dá)式；引入了虛擬Kalman采樣間隔，用于計算過程噪聲協(xié)方差；證明了這時權(quán)重將反比于平滑時間為虛擬Kalman采樣間隔時的Allan方差；這樣可以通過選取虛擬Kalman采樣間隔，使時間尺度的頻率穩(wěn)定度在任意某一個指定的平滑時間達(dá)到最優(yōu)。

(2) 在上一種算法的基礎(chǔ)上，提出了兩級Kalman濾波器時間尺度算法。第一級Kalman濾波器利用了使用隨機微分方程表達(dá)的原子鐘特性，用于濾除頻率白噪聲；第二級Kalman濾波器實際上就是單狀態(tài)變量Kalman濾波時間尺度算法，用于建立時間尺度；本算法的時間尺度的中短期頻率穩(wěn)定度相比上一種算法有明顯的提高。

(3) 分析了基于隨機微分方程的鐘差預(yù)測算法。推導(dǎo)了在線性模型和二次多項式模型，原子鐘噪聲為頻率白噪聲和頻率隨機游走噪聲，觀測噪聲為相位白噪聲時，預(yù)測不確定度的解析表達(dá)式；推導(dǎo)了頻差的最優(yōu)觀測間隔和近似最優(yōu)觀測間隔；分析了頻漂的觀測間隔對預(yù)測不確定度的影響；分析了確定性部分和隨機性部分預(yù)測不確定度曲線的交點橫坐標(biāo)和最優(yōu)觀測間隔(或近似最優(yōu)觀測間隔)的關(guān)系；仿真和試驗驗證了理論分析的結(jié)論；結(jié)合理論分析、仿真和試驗結(jié)果，給出了兩條推論。

(4) 提出了兩種時間尺度閉環(huán)駕馭算法。一種等價于穩(wěn)態(tài)二狀態(tài)變量Kalman濾波器加延遲器的二階2類數(shù)字鎖相環(huán)算法；一種等價于穩(wěn)態(tài)三狀態(tài)變量Kalman濾波器加延遲器的三階3類數(shù)字鎖相環(huán)算法；完整地分析了這兩種算法的理論框架和參數(shù)選取方法。這兩種算法都可以從理論上選取一個完全就決定算法性能的參數(shù)值，并預(yù)測算法在具體應(yīng)用中的表現(xiàn)。仿真試驗表明：這兩種算法表現(xiàn)較優(yōu)，可以滿足建立全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)和守時實驗室的時間基準(zhǔn)的需求。

(5) 提出了使用兩級駕馭算法建立BDT和其物理實現(xiàn)的系統(tǒng)設(shè)計方案。提出了使用時間尺度算法和鐘差預(yù)測算法建立RTA(NTSC)，使用時間尺度閉環(huán)駕馭算法，用RTA(NTSC)駕馭主鐘，生成UTC(NTSC)的設(shè)計方案；提出了建立北斗系統(tǒng)時間的設(shè)計方案；提出了同時使用UTC(NTSC)和UTC(BSNC)來駕馭產(chǎn)生BDT的設(shè)計方案；詳細(xì)分析了BDT的時間同步精度和頻率穩(wěn)定度的影響因素。

最后對全文的研究內(nèi)容和創(chuàng)新點進(jìn)行了總結(jié)，列出了后續(xù)研究計劃。本論文的研究成果可用于建立全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)和守時實驗室的時間基準(zhǔn)。

Author： WU Yiwei(1987—)，male，received his doctoral degree from National University of Defense Technology on June 2016，majors in key technologies of forming a time reference of a satellite navigation system.

E-mail： Yiwei_Wu_sh@126.com

Key Technologies of GNSS Time Scale

WU Yiwei

Beijing Satellite Navigation Center, Beijing 100094, China

伍貽威.GNSS時間基準(zhǔn)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].測繪學(xué)報，2017,46(4)：533.

10.11947/j.AGCS.2017.20160660. WU Yiwei.Key Technologies of GNSS Time Scale[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(4):533. DOI:10.11947/j.AGCS.2017.20160660.

P228

D

1001-1595(2017)04-0533-01

2016-12-26

伍貽威(1987—)，男，2016年6月畢業(yè)于國防科技大學(xué)，獲工學(xué)博士學(xué)位(指導(dǎo)教師：歐鋼教授)，研究方向為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時間基準(zhǔn)關(guān)鍵技術(shù)。