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1、导航卫星原子钟频率漂移特性分析1,211郭海荣,杨生,何海波(1.北京市5136信箱,北京100094;2.信息工程大学测绘学院,河南郑州,450052)摘要:介绍了原子钟频漂定义,总结了频率漂移率测试评定方法,比较分析了不同噪声情况下的频率漂移率估计方法,并用实验室真空状态铷钟的频率偏差数据和GPS卫星钟的精-15密星历数据进行了计算分析,表明铷钟都有明显频漂,GPSIIR铷钟的日漂移率在10量级,而铯钟频漂不是很明显。研究了频漂对原子钟时域稳定性影响规律,还利用模拟数据进行了计算分析,验证了方
2、法的有效性。关键词:卫星导航;原子钟;频率漂移;哈达玛总方差中图分类号:P207文献标识码:A文章编号:10089268(2007)06000506台原子频标输出频率的相对偏差。在工程应用中,1引言有时并不关心频率准确度的大小,况且测量频率准在卫星导航定位中,精确位置测量实际上是精确度比较难,而频率偏差大小却是十分关键的指确时间的测量。如果没有高精度的时频,卫星导航标;频漂是原子频标的固有特性,虽然原子频标的定位系统就不可能实现高精度的导航与定位,而高输出频率值是可以校准的,但频漂是无法改变
3、的。精度的时频由高精度的原子钟来建立和维持。原也就是说,校准后的原子频标频率会随着时间推移子钟作为导航系统测距的时间基准,是卫星导航系变得越来越不准,也就是使原子频标的秒长越来越统有效载荷的核心部分,其性能直接决定用户的导不准。如果频漂是线性的,它对守时的影响与时间航定位授时精度。因此,对导航卫星原子钟时频特的平方成正比。欲对原子钟进行精确时间预报,当性进行分析具有重要意义。预报时间较长时,还需考虑频率的非线性特性。为衡量原子钟时频特性的主要指标包括:频率稳此,国外学者Su等推导了非线性频漂情况下的[1,2
4、]定度、频率准确度、频率偏差和频率漂移率等。频Kalman滤波方程。率稳定度是用来描述原子频标输出频率受噪声影国内学者已深入研究了导航卫星原子钟时域响而产生的随机起伏情况。而时域频率稳定性分频率稳定性分析方法、频率准确度和频率偏差测试[3-8]析是从时域角度,用一个简明的、全面的量化标准评定方法,本文将研究原子钟频漂测试评定方来描述原子频标输出频率的随机波动情况,以提高法、估计方法以及频漂对原子钟时域稳定性影响规测量的可靠性,并在此基础上进行钟差预报。原子律。钟的频率稳定性反映了其预报能力;频率准确度是2
5、原子钟频率漂移率估计方法分析用来描述原子频标的实际输出频率相对于其标称频率的偏差。原子频标的输出频率,虽经定时校频2.1定义操作进行频率准确度的校准,但校频仍然存在着一频标在连续运行过程中,由于频率输出元器件定误差。频率准确度对守时影响较大,因为频率不本身老化等因素,以及环境因素和负载能量变化影准,相对于系统时间的秒长不准,随着时间的推移,响,其输出频率常随运行时间单调增加或减少,且它对守时的影响随时间线性增长;频率偏差是指两频率变化常呈现线性规律,因此,把频标随运行时收稿日期:20070903基金
6、项目:国家自然科学基金项目(40474001)、国家自然科学基金项目(40274002)和国家自然科学基金项目(40604003)资助。2007.6/全球定位系统5间单调变化的速率称为频率漂移率。对于高稳石系数:M英晶体振荡器,其频率漂移通常是由其关键器件[yi()-y()](ti-t)石英晶体随运行时间的老化造成的,因此,常把其i=1r=(4)MM频率漂移率称为频率老化率。22[yi()-y()](ti-t)原子频标时差数据(常将相位数据转换为时差i=1i=1数据)可表示为:若
7、用比时法或比相仪测量出了两台原子频标12脉冲间的时差xi(i=1,2,,N),即可按以下两x(t)=x0+y0t+Dt+x(t)(1)2式计算漂移率及其相关系数[3]式中,x0,y0,D分别为初始时间(相位)偏差、初始N频率偏差和频率漂移率;x(t)为原子频标时间偏[xi-x](ti-t)i=1D^=N(5)差的随机变化分量。2(ti-t)对(1)式求一阶导数,即得原子频标瞬时相对i=1N频率偏差y(t)的表达式[xi-x](ti-t)y(t)=y0+Dt+y(t)(2)r=
8、i=1(6)NN式中,y0,D意义与(1)式相同,y(t)为瞬时相对频22[xi-x](ti-t)率偏差的随机变化分量。i=1i=1N1估计原子频标的频率漂移率就是估计(1)式或式中,N为时差数据个数,x=x。Ni=1(2)式的D项,下面将给出不同噪声情况下的频漂当
9、r
10、0.6时,表明该频标的频率漂移具有估计方法。明显的线性规律,可按(3)式计算其频率漂移率,并2.2测试与评定且
11、r
12、越接近
