原创《北斗卫星钟差跳变稳定性和可靠性用户评估》
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1 引言目前,北斗卫星导航系统已形成5GEO/7IGSO/6MEO的混合星座.受时间同步站的区域分布限制,IGSO 和MEO 均不能获取全天时的星地时间同步数据.此外,我国星载原子钟的稳定性能也有待提高,因此,北斗卫星钟参数预报和预报更新模式有其自身特点.卫星钟参数作为导航电文主要的发播内容之一,其误差直接决定着用户导航定位的精度[1-3].除了地面运控系统的实时监视,用户对获得的导航电文在数据处理前进行必要的数据检测是一项重要的工作内容,它能够确保数据源的质量和可靠性.本文基于用户测试角度,对北斗导航电文中的卫星钟参数进行一致性及平稳性检测和评估,以期为用户使用可靠的高质量数据提供保障.
2 北斗卫星钟差预报模型鉴于北斗卫星载原子钟的稳定性指标和频繁出入境,目前卫星钟差改正以短期预报模型为主,辅以中长期预报模型,并采用每小时更新的预报策略,以满足用户实时导航定位的需求.
2.1 短期预报模型GEO 卫星以及过境期间的IGSO 卫星,由于具有非间断的星地时间同步数据,因此采用短期预报模型,即采用2h 星地时间同步数据解算线性模型钟参数.用户从接收到的导航电文中提取钟参数,计算任一时刻的卫星预报钟差Δt s（1）其中,a0、a1 为导航电文中的卫星钟参数,toc 为星钟参考历元.
2.2 中长期预报模型受时间同步站的布站条件限制,IGSO 卫星不能做到全弧段观测.在卫星出境的四五个小时期间以及卫星入境的较短时间内,由于无法获取实时的星地时间同步数据, 只能采用中长期预报模型,即采用较长的历史数据（如1d）解算二次多项式预报模型钟参数.用户从接收到的导航电文中提取钟参数,计算任一时刻的卫星预报钟差Δt s（2）其中,a0、a1、a2 为导航电文中的卫星钟参数,toc含义同上.3 预报模型一致性检验方法用户可以获取每小时一组的卫星钟参数序列,因此,最直接的监视数据是相邻每小时的更新拼接点处的钟差跳变序列.钟跳序列能够反映卫星钟差预报的精度及其平稳性.此外,两种预报模型的交替性监视也能够反映钟差预报模型之间的精度匹配程度和一致性.
3.1 检验方法基于上述两方面考虑,设计了卫星钟差改正预报模型和预报精度的一致性检验方法.具体步骤如下：Ⅰ . 提取导航电文中每小时的卫星钟参数,组成测试序列a0i、a1i、a2i（i等于1,2,…,N）.Ⅱ . 检查钟参数的唯一性,若同一小时存在多组钟参数,标记后依据筛选原则确定最佳钟参数组.Ⅲ . 计算更新交接点的钟跳序列,即第i 组钟参数按照二次多项式预报模型外推1h 得到预报钟差,并与第i+1 组的钟差参数a0(i+1) 相比较,得到钟跳Δt（3）其中外推时间固定为等于3600s.
Ⅳ . 对钟跳序列的整体统计评估,考察卫星钟长期连续预报的平滑一致性.Ⅴ . 依据钟加速参数a2 是否为零,统计卫星出入境期间的预报模型交替,分析钟跳异常和伪钟跳现象.3.2 多组钟参数现象及其筛选原则由于接收机对导航电文的解译不准等原因,IGSO卫星钟参数会出现同一历元接收到的多组钟参数的现象,多组钟参数有时重复,有时差异较大,且都位于出入境前后.而GEO 卫星不存在该现象.为提取正确的钟参数组,有必要制定筛选原则.根据预报算法流程,设计筛选原则如下：①若多组钟参数分属于不同的钟差预报模型,出境前选择短期预报模型的钟参数（通常认为短期预报精度更高）,入境后选择中长期预报模型的钟参数（通常认为刚入境只有中长期预报模型）.②若多组钟参数均为同一钟差预报模型,建议选择最后一组（通常认为最后一组最新）.4 实验结果及分析数据源为某型号接收机提供的11d（2015-10-26到2015-11-5）导航电文.这里随机选取了3 颗GEO和4 颗IGSO 两类卫星每小时的钟参数进行分析.
4.1 多组钟参数及其筛选结果表1 给出了GEO 和IGSO 卫星的多组钟参数统计结果,可以看出,接收的多组钟参数全部对应于IGSO 卫星,平均每颗卫星每天可接收到2 组钟参数.表1 接收到的卫星钟参数统计卫星类别序列号同一历元时刻接收到两组钟参数同一历元时刻接收到三组相同钟参数小计相同不同GEO 1/3/4 — — — —IGSO6 10 — — 107 9 — — 98 13 — 1 149 4 1 1 6合计36 1 2 39为分析产生多组钟参数的原因,对其日期和时间进行统计（见表2 所示）.可以看出,IGSO 卫星在出现多组钟参数的日期上没有规律性,但在时间上却存在明显的规律,即出现多组钟参数的时刻都位于卫星出入境前后（3 小时内）.究其原因更倾向于接收机对导航电文解译程序的不完善,但也不排除其他原因的可能性.
4.2 GEO 卫星实验结果及分析3 颗GEO 卫星的钟跳曲线如图1 所示.可以看出,3 颗卫星的钟跳绝大多数都在1ns 以内.值得注意的是,每颗卫星还存在较为明显的4 个异常时段,且各时段头尾处的钟跳较大（最大可到30ns）,时段内的钟跳几乎为0.进一步研究后发现：3 颗卫星异常时段所对应的时间段完全一致,依次为10 月27 日7:00 ～ 9:00、10 月28 日11:00 ～ 18:00、11 月3 日12:00 ～ 15:00、11 月5 日5:00 ～ 6:00.
表2 多组钟参数的日期和时间统计卫星序号日期（月/ 日） 时间出境时间610/27、11/04 1∶0021∶00～0∶0010/27、10/28、10/30～11/04 19∶00710/26、10/29、10/30、11/01 9∶005∶00～8∶0010/29、10/31、11/02、11/04 2∶00 或3∶00810/26～10/31 17∶0012∶00～16∶0010/27～10/30、11/03～11/05 10∶00 或11∶009 10/26、10/28～11/01 20∶00 22∶00～次日1∶00为探究该异常时段的产生机制,对钟加速参数a2的变化情况进行了统计,结果如图2 所示（图中纵坐标数值1 表示a2等于0,为短期预报模型；纵坐标数值2表示a2 ≠ 0,为中长期预报模）.可以看出,钟加速参数a2 的确发生了变化,即GEO 卫星的钟差预报模型发生了变化.
综合图1 和图2 的统计结果,分析可知：由于GEO 卫星全弧段可获取实时的星地时间同步数据,因此应始终保持短期预报模型的工作模式.一旦从接收机接收到的导航电文中提取到钟加速参数a2 ≠ 0,则可以判定GEO 卫星工作异常或数据异常,进而确定计算获取的钟跳曲线并非卫星钟差的真实反映,即上文提到的伪钟跳.经核实,上述异常时段对应的较大钟差是由时频系统进行星上调试造成的.
4.3 IGSO 卫星实验结果分析4 颗IGSO 卫星的钟跳曲线如图3 所示（图中仅以IGSO 8/9 号卫星为例）.经统计,约82% 的钟跳在1ns 以内,但与GEO 卫星的钟跳曲线相比,较大的钟跳更为频繁,且这些较大钟跳对应的时刻绝大部分位于卫星出入境前后（5 小时内）.为辨别IGSO 卫星钟跳曲线的真实性,对其钟参数的变化情况进行了统计,结果如图4 所示（图中纵坐图2 GEO卫星钟参数a2变化情况图3 IGSO卫星更新点的钟跳标轴数值2 表示中长期预报模型,纵坐标轴数值1 表示短期预报模型,纵坐标轴数值0 表示IGSO 卫星出境）.从图中可以看出存在以下三种现象：现象1：卫星出入境前后发生钟差预报模型切换.卫星出境前由短期预报模型切换到中长期预报模型,入境后必然由中长期预报模型切换回到短期预报模型.结合图3 可以看出,绝大部分较大钟跳对应的更新交接点都出现了预报模型切换.现象2：卫星可视期间存在长时段的中长期预报.8 号星入境后有长达15 个小时的中长期预报（图4 方框部分10 月28 日18:00 ～次日6:00）,查看图3后发现：该时段内卫星钟跳几乎为0.同样,7 号星在11月3 日9:00～23:00 也存在相同情况（未绘图列出）.现象3：卫星可视期间易发生较频繁的钟差预报模型切换.
9 号星在10 月27 日7:00 ～ 9:00、11 月3 日12:00 ～ 15:00、11 月4 日8:00 ～ 10:00 存在“ 短期预报—中期预报—短期预报”现象（图中阴影部分）,其他IGSO 卫星也存在类似情况( 为便于识图未标识).综合图3 和图4,对上述现象进行分析,结论如下：（1）现象1 属于卫星的正常工作机制IGSO 卫星在出境的四五个小时期间以及卫星入境的较短时间内,由于无法获取实时的星地时间同步数据,只能采用中长期预报模型,而在卫星过境期间由于可以获取非间断的星地时间同步数据则转向采用精度更高的短期预报模型,故钟差预报模型间的切换属于卫星正常的工作机制.在预报模型切换的更新交接点上容易产生较大钟跳现象,表明两种钟差预报模型的精度不一致.另外,在本次测试的11d 内,尤其在10 月29 日至11 月4 日的7d 期间,无论从更新交接点的钟跳,还是从钟加速参数变化统计上看,8 号星的钟模型表现得不如其他IGSO 卫星平稳.
（2）现象2 属于“伪钟跳”,它并非卫星钟差的真实反映过境期间的IGSO 卫星由于具有非间断的星地时间同步数据,理应采用短期预报模型,但现象2 却采用长时段的中长期预报模型,所以该时段获取的平缓钟跳曲线属于伪钟跳.它虽然精度很高,但却不是卫星钟差的真实反映,而是对中长期预报模型内附精度的检核.这样对用户而言,就不能简单地依靠钟跳曲线来检测卫星钟差的一致性和可靠性,有必要借助钟参数统计以辨别卫星钟跳曲线的真实性.（3）可视卫星的异常必然反映到钟参数的变化上,却不一定产生较大钟跳结合GEO 卫星实验统计结果及其分析可知,4个异常时段不仅引起了GEO 卫星钟参数的变化（即a2等于 0 → a2 ≠ 0）,也均引起了过境期间4 颗IGSO 卫星钟参数的变化（即a2等于0 → a2 ≠ 0）,但在更新交接点上却不一定会产生较大钟跳,比如3 号星11 月5 日5:00 ～ 6:00、9 号星11 月3 日12:00 ～ 15:00 等（图3 方框部分）.反过来,较大钟跳却不一定都是由模型切换造成的.同时,钟参数变化也并不一定说明可视卫星的异常,例如IGSO 卫星入境后的较短时间内由中长期预报模型切换到短期预报模型就属于卫星的正常工作机制.
结语：北斗区域卫星导航系统由于星地时间同步站布设条件的限制,以及星载原子钟稳定性能的影响,导致其钟差预报方法复杂,预报精度不一致.故用户在数据使用前,必须结合钟参数对卫星钟差预报模型的一致性及平稳性进行检测,以确保数据源的质量和可靠性.基于此,本文提出了卫星钟差改正预报模型和预报精度的一致性检验方法,并验证了该方法的可行性和可靠性,为接收机测试和用户使用高质量数据提供了评价依据.
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