空間原子鐘組管理的實現(xiàn)及影響因素分析

謝　軍，孫云峰，屈勇晟，何　冬 ，趙　明

(1.中國空間技術研究院，北京　100094；2.中國空間技術研究院 西安分院，西安　710100)

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空間原子鐘組管理的實現(xiàn)及影響因素分析

謝軍1，孫云峰2，屈勇晟2，何冬2，趙明2

(1.中國空間技術研究院，北京100094；2.中國空間技術研究院 西安分院，西安710100)

摘要：在多星構建的導航衛(wèi)星星座系統(tǒng)中，建立空間原子鐘組有利于提高系統(tǒng)的測量精度，提升系統(tǒng)自主運行能力。本文對目前國內外地面/空間原子鐘組管理所采用的方法進行梳理總結，給出了單顆衛(wèi)星或星座中不同衛(wèi)星鐘之間的空間原子鐘組管理初步設計方案，該方案建立在星座系統(tǒng)中原子鐘組的設計構想基礎上。從空間原子鐘組輸出信號的產生、鐘組信號的性能測量、原子鐘異常的檢測及處理等方面進行考慮，本文對影響星上鐘組運行的關鍵技術及影響因素給出了分析建議，為BDS構建連續(xù)、可靠、穩(wěn)定、準確的空間原子鐘組運行體系提供技術基礎。

關鍵詞：空間原子鐘組；原子鐘組管理；影響因素

0引言

原子鐘的鐘組管理廣泛被世界各國守時實驗室所采用，通常在本地實驗室或多個實驗室中，將用于守時的多臺高精度時鐘形成一組時鐘，并定義為一個鐘組。在鐘組運行管理過程中，采用高精度比對測量技術獲得鐘組內不同鐘之間的鐘差數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)應用適合算法進行計算，得到一個具有更低噪聲的鐘差值(紙面時)，最后用該鐘差值對實際鐘進行微調，得到最終輸出信號。

鐘組管理由原子鐘組、鐘差比對測量系統(tǒng)、鐘差數(shù)據(jù)運算、相位微調和主參考鐘物理化輸出等部分組成。鐘組管理是一個反饋控制系統(tǒng)的實現(xiàn)過程，關鍵在于鐘差測量結果采集和控制量的合理獲取。原子鐘鐘組管理實現(xiàn)過程示意圖見圖1。

地面鐘組管理應用已經非常普遍，國際原子時(international atomic time，TAI)、協(xié)調世界時(coordinated universal time，UTC)等時間尺度的實現(xiàn)均基于鐘組管理，其中，鐘組部分的性能指標隨著更高性能原子鐘的產生，其性能不斷地提高，同時時間尺度算法也在進行不斷地更新優(yōu)化。鐘組管理目的就是要進一步降低鐘的噪聲，提高輸出時間的準確性、穩(wěn)定性和可靠性。

隨著全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)自主運行技術的不斷發(fā)展，通過星間鏈路可獲取每顆導航衛(wèi)星上工作原子鐘的性能參數(shù)，采用鐘組技術，可提高時間的準確度和穩(wěn)定度，進而提升系統(tǒng)自主運行能力。

此外，每顆導航衛(wèi)星本身搭載了3臺～4臺原子鐘，這也涉及到空間原子鐘組管理的問題。如果導航衛(wèi)星未采取空間原子鐘組管理那么當工作鐘出現(xiàn)故障時(包括頻率漂移過大、頻率異常跳變、相位異常跳變等)，就會對整星的10.23 MHz信號產生不利影響，最終影響系統(tǒng)性能。如2004-01-01全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)衛(wèi)星SVN23上的原子鐘故障，由于未及時發(fā)現(xiàn)，鐘漂移了近3 h，一些地方GPS定位誤差甚至達到40 000 m。如果導航衛(wèi)星采取了空間原子鐘組管理，那么對于上述原子鐘故障就能夠進行預測，并及時采取措施，確保不會對10.23 MHz信號產生影響，有助于提升系統(tǒng)運行可靠性。同時，采用鐘組技術也可以對衛(wèi)星鐘的長期穩(wěn)定度進行改善，有利于提高系統(tǒng)的測量精度，提高衛(wèi)星鐘性能。

1國內外原子鐘組管理概況

1.1地面原子鐘組管理概況

如前所述，地面原子鐘組管理應用已相當普遍，尤其是在守時方面。在原子鐘的種類選擇搭配方面，國內外守時試驗室普遍采用氫鐘+銫鐘的配置，這種配置可充分地將氫鐘的短期頻率穩(wěn)定度和銫鐘的長期穩(wěn)定度及準確度的優(yōu)點，通過鐘組管理結合起來，保證鐘組輸出信號的頻率穩(wěn)定度及準確度均達到最優(yōu)。美國海軍天文臺(United States Naval Observatory，USNO)鐘組配置為19臺氫鐘+25臺商用銫鐘(后續(xù)又加入4臺銣噴泉鐘)，中科院國家授時中心鐘組配置為19臺商用銫鐘+4臺氫鐘[2]。

在時間尺度算法方面主要有：ALGOS算法，AT1算法，卡爾曼(Kalman)濾波算法。國際計量局(Bureau International des Poids et Mesures，BIPM)時間分部、中國計量科學研究院(National Institute of Metrology，NIM)及中科院國家授時中心(National Time Service Center，NTSC)使用ALGOS加權平均算法進行守時工作[1，3，8]；美國標準技術研究院(The National Institute of Standards and Technology，NIST)則使用AT1加權平均算法進行原子時標計算等科學研究工作[9]。美國GPS系統(tǒng)使用Kalman濾波算法進行GPS時的產生[7]。三種算法中前兩種屬于加權平均算法，第三種算法則采用估值理論對鐘組中的鐘差值作最優(yōu)估計。

AGLOS是一種滯后算法，其主要應用于TAI的歸算，其要求是原子鐘要有非常可靠優(yōu)良的長期頻率穩(wěn)定度。由于滯后算法存在滯后時間較長的問題，會造成衛(wèi)星鐘誤差累積，影響導航系統(tǒng)性能，因此滯后算法明顯不適合用于衛(wèi)星導航系統(tǒng)。

AT1算法和Kalman算法均具有實時性，AT1算法是給每臺鐘分配一個權重，無法抑制所有噪聲，較適合于對原子鐘噪聲特性的研究工作，而Kalman濾波算法則可對多種原子鐘噪聲進行建模并加以抑制，適于類似衛(wèi)星導航系統(tǒng)中系統(tǒng)時間產生和保持的需求。目前，國內外在原子鐘組管理上對時間尺度算法的選取雖沒有統(tǒng)一的最優(yōu)標準，主要是根據(jù)使用要求而確定。

1.2空間原子鐘組管理概況

目前公開文獻報道空間原子鐘組管理方面的文章較少。文獻[6]提出了在伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)(Galileo navigation satellite system，Galileo)導航衛(wèi)星上采用原子鐘組管理的概念，其衛(wèi)星上原子鐘組配置為“兩臺被動型氫鐘+兩臺銣原子鐘”，通過衛(wèi)星上的時鐘檢測控制單元(clock monitoring and control unit，CMCU)實現(xiàn)星用10.23 MHz基準信號的產生。早期的CMCU沒有對鐘組管理，只是通過開關矩陣，從四臺原子鐘中選擇兩臺原子鐘加電輸出，作為CMCU內兩臺頻率綜合器的輸入信號，產生一路信號作為星上工作鐘信號輸出，另一路作為熱備路信號使用。

可以看到，當工作路原子鐘出現(xiàn)大的頻率漂移、頻率異常跳動或相位異常跳動等故障時，早期CMCU的實現(xiàn)方法對由此造成的10.23 MHz信號的異常影響沒有有效防護措施(盡管可以進行平穩(wěn)切換，但切換前故障影響已在10.23 MHz信號反映出來)。基于此原因，文獻[5-6]提出了在CMCU上實現(xiàn)空間原子鐘組管理的建議，其主要思路是：由目前Galileo衛(wèi)星上的4臺原子鐘共同實現(xiàn)10.23 MHz信號的產生，在此過程中采用Kalman濾波算法完成對鐘組內鐘差的估計，使鐘組輸出信號時頻特性最優(yōu)，同時采用鐘故障(頻率、相位異常跳變)檢測算法，提前剔除故障保證鐘組輸出信號不受影響。

2空間原子鐘組管理基本方案及關鍵技術

2.1空間原子鐘管理基本方案

應用于空間的原子鐘數(shù)量不斷增加，其中大部分都應用于導航衛(wèi)星系統(tǒng)中，因此本文所給的空間原子鐘組管理也是對導航衛(wèi)星而言，但是這也同樣適用于其他空間原子鐘組管理的情況。

在導航衛(wèi)星系統(tǒng)中，空間原子鐘組管理應包含兩方面內容：單顆衛(wèi)星上原子鐘組管理，星座中各衛(wèi)星鐘之間的鐘組管理。兩者都是對多臺原子鐘進行管理，通過對鐘差數(shù)據(jù)處理得到最終鐘組輸出時間(紙面時)，并進行物理化后輸出。所不同的是鐘差數(shù)據(jù)的測量和獲得方式不同，前者是在單顆衛(wèi)星內通過高精度鐘差測量系統(tǒng)來獲得，而后者是在不同衛(wèi)星鐘之間通過星間鏈路的精密測量和數(shù)據(jù)傳輸方式來獲得。

單顆衛(wèi)星上的原子鐘組管理主要是通過對衛(wèi)星上搭載的原子鐘進行管理，來保證衛(wèi)星鐘輸出信號的連續(xù)性和可靠性。基于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)導航衛(wèi)星已實現(xiàn)的銣原子鐘生成星上10.23 MHz基準信號的方案，給出了星上原子鐘組管理的初步生成方案，見圖2所示。方案實現(xiàn)基本原理為：4臺原子鐘分別經各自直接數(shù)字合成(direct digital synthesizer，DDS)模塊生成230 kHz信號，與壓控晶振的10.23 MHz混頻產生10 MHz信號，通過4個相位計實現(xiàn)4路10 MHz信號兩兩之間相位差測量，以此作為鐘組輸出信號形成的初始數(shù)據(jù)輸入現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array，F(xiàn)PGA)芯片或專用集成電路(application specific integrated circuit，ASIC)芯片中的鐘組信號生成模塊；采用Kalman濾波算法及故障檢測算法對鐘差數(shù)據(jù)進行運算處理，得到最優(yōu)鐘差值作為模塊輸出信號，該信號和多路選擇器的輸出信號一同輸入鑒相器模塊，鑒相結果經D/A、濾波后送入壓控晶振控制端，輸出最終星上10.23 MHz基準信號。

圖2　空間原子鐘組管理實現(xiàn)框圖(單顆衛(wèi)星)

圖3　空間原子鐘組管理實現(xiàn)框圖(多顆衛(wèi)星)

本方案原則上對硬件進行盡可能小的改動，增加部分均采用已成熟應用的電路模塊，針對鐘組管理的要求在FPGA內增加了相應的功能模塊。對于圖2中的4個相位計模塊，在實現(xiàn)時可用一個4通道相位比對儀來實現(xiàn)。如果FPGA資源許可時，4個DDS模塊也可在FPGA中實現(xiàn)，節(jié)省硬件資源及空間。星座中各衛(wèi)星鐘之間的鐘組管理，主要完成導航衛(wèi)星系統(tǒng)在自主運行工作模式下系統(tǒng)時間的產生和保持，此過程必須結合星座中星間鏈路系統(tǒng)來實現(xiàn)。星間鏈路的工作模式應考慮盡可能多的星間觀測數(shù)據(jù)的獲得性，對于星間的相對位置和可視性都固定不變的情況可采用永久星間鏈路，而隨著時間有變化的情況可采用非永久星間鏈路[4]。BDS導航衛(wèi)星星座有三種衛(wèi)星軌道，星間相對位置和可視性狀態(tài)不盡相同，因此可采用永久星間鏈路與非永久星間鏈路相結合的方式建立星間鏈路，來實現(xiàn)星間精密測距和數(shù)據(jù)傳輸功能。導航衛(wèi)星系統(tǒng)中各衛(wèi)星鐘之間鐘組管理的初步實現(xiàn)方案如下：導航衛(wèi)星系統(tǒng)基于星間鏈路的精密測量和數(shù)據(jù)傳輸功能，實現(xiàn)偽距測量和時間同步，得到各衛(wèi)星鐘之間的鐘差，將所有鐘差值通過星間鏈路傳輸給主星，通過精密時間測量得到主星上原子鐘與其他星上原子鐘之間的鐘差值，以此為依據(jù)，選取具有實時性的合適算法如Kalman濾波算法得到星上系統(tǒng)時間(紙面時)。計算星上系統(tǒng)時間與地面系統(tǒng)時間的偏差，以此來對星上系統(tǒng)時間進行調整，保證兩者的同步，當星座系統(tǒng)由地面控制工作模式切換到自主運行工作模式時，可以保證星座系統(tǒng)時間的平穩(wěn)切換。同時通過星上系統(tǒng)時間對各衛(wèi)星鐘鐘差數(shù)據(jù)進行擬合，實現(xiàn)對各自鐘差模型參數(shù)的估計并通過星間鏈路將此信息發(fā)送至各衛(wèi)星，隨導航電文下發(fā)用戶。星座各衛(wèi)星鐘之間鐘組管理的實現(xiàn)框圖見圖3所示。在星上鐘組管理實現(xiàn)算法的選取上，主要考慮到星上有實時性的要求，而Kalman濾波算法符合這一要求；同時考慮到GPS系統(tǒng)從上世紀90年代正式運行至今一直采用Kalman濾波算法來實現(xiàn)GPS時間的產生和保持，證明該算法應是穩(wěn)定可靠的，因此選取Kalman濾波算法來實現(xiàn)鐘組信號的生成。而故障檢測算法則需要根據(jù)星上原子鐘特性，通過大量分析仿真和試驗驗證進行選取，這也是鐘組管理方案實現(xiàn)的關鍵之一，在后續(xù)部分還有說明。

2.2空間原子鐘管理關鍵技術

在該空間鐘組管理方案實現(xiàn)上，有以下關鍵技術需要進行細化和攻關。

(1)星上高精度相位測量及相位微調技術。由于相位測量結果要作為鐘組信號生成的原始數(shù)據(jù)，因此相位測量的精度必須要滿足原子鐘性能的需求，如BDS導航衛(wèi)星后續(xù)將要配置的氫鐘其頻率穩(wěn)定度指標為1×10-12/τ1/2(τ是頻率穩(wěn)定度測量過程中的采樣時間)，那么相位單次測量分辨率至少需在1 ps以內(1 s測量時間間隔)。目前較通用的相位測量還是采用雙混頻時差法實現(xiàn)，因此可以考慮對雙混頻時差法進行改進來實現(xiàn)相位測試的高精度要求，當然也可考慮其他更優(yōu)的測量技術以實現(xiàn)該技術要求。在高精度相位測量實現(xiàn)的基礎上，需要相位微調技術來實現(xiàn)對壓控晶振的精細控制，保證調整不應帶來輸出信號頻率和相位的明顯不連續(xù)。該技術實現(xiàn)主要取決于D/A，由于受到星上工程實現(xiàn)的約束，D/A器件的分辨率不可能太高，所以應考慮擴大分辨率的有效方法。

(2)星上鐘組管理中算法的實現(xiàn)及選擇。其中Kalman濾波算法及鐘故障檢測算法比較關鍵。針對前者，首先對鐘差狀態(tài)方程狀態(tài)模型的選取要能夠精確反映星載鐘狀態(tài)，在前期為了算法的較易實現(xiàn)可選用二次模型(如鐘差，鐘漂)進行設計，后續(xù)需考慮三次模型(如加入鐘漂移率狀態(tài))以更精確反映鐘狀態(tài)。其次由于Kalman算法所構造系統(tǒng)不可觀測因素的存在[7]，由此導致濾波器發(fā)散，即估值結果的誤差會隨時間無窮增大，所以在應用該算法時，可考慮將算法中的協(xié)方差矩陣按照可觀測部分和不可觀測部分進行分解，并考慮間隔固定時間對不可觀測部分進行剔除。最后，算法必須考慮到鐘的減少或加入情況下，算法的實現(xiàn)過程應能保證鐘組輸出信號頻率和相位的連續(xù)。針對鐘故障檢測算法，需根據(jù)故障特性選取適合算法，如對鐘連續(xù)的頻率、相位異常跳動，由于具有隨機性，因此可考慮采用統(tǒng)計特性的算法；如對鐘的單次頻率、相位異常跳動帶來的頻率漂移率的較大變化，必須對多種算法進行檢測性能比對，選取適合算法。對于相位異常跳動，當跳動量級較小時，能夠通過鐘組算法中的鎖相環(huán)路進行相位補償來消除影響，當跳動量級較大時，可以通過Kalman濾波算法進行實時檢測。對于頻率異常跳動，由于是對一段時間內的平均頻率值的跳動進行監(jiān)測，當跳動量較大時，通過Kalman濾波算法進行檢測；該跳動量較小時，可以考慮通過Kalman濾波進行檢測或者采用統(tǒng)計分析方法進行統(tǒng)計檢驗，如采用廣義似然比檢測法(general likelihood ratio test，GLRT)。最后要在算法的實現(xiàn)及選擇與硬件資源做好折中考慮。

除以上兩項關鍵技術外，還有以下技術需要關注：衛(wèi)星上原子鐘的配置，從原子鐘組的性能需求和工程實現(xiàn)代價考慮，對鐘組的原子鐘種類和數(shù)量進行最優(yōu)配置；不同衛(wèi)星鐘之間的傳輸時延誤差，必須對星間鏈路信號傳輸通道時延一致性和穩(wěn)定性做出約束，同時規(guī)定時延的定期校準，這些均對星間衛(wèi)星鐘差測量精度造成影響。

3空間原子鐘組管理的影響因素及控制措施

對于空間鐘組正常運行需要考慮以下因素并進行控制：

(1)目前BDS導航衛(wèi)星上原子鐘配置為“4銣鐘”或“2氫鐘+2銣鐘”，雖然在將鐘組時間信號物理化之前，其性能最優(yōu)，但在物理化過程中需要考慮在鐘組配置中盡可能選取性能最優(yōu)的鐘作為主參考鐘。因此對于“4銣鐘”配置，由于各臺銣鐘性能相近，可選取任一臺為主參考鐘，對于“2氫鐘+2銣鐘”配置，就應優(yōu)先在兩臺氫鐘之間選取一臺為主參考鐘。

(2)鐘組運行相對于目前的兩臺鐘運行，所需功耗加大，從BDS導航衛(wèi)星原子鐘的要求可估計功耗約將有140～170 W的增加，因此衛(wèi)星平臺必須為鐘組提供充足穩(wěn)定的電源供應。

(3)算法的可靠運行，首先要選取可靠算法，如前所述，Kalman濾波算法經過美國GPS系統(tǒng)長期運行，證明該算法是可靠的。鐘故障檢測算法需應用檢測理論，根據(jù)原子鐘特性及系統(tǒng)對檢測時效性的要求，確定各項故障檢測門限及檢測方法，達到故障檢測識別概率及虛警概率的要求，并對多種可用算法進行充分比對驗證，擇優(yōu)取之。其次需要做好硬件資源與算法所需資源的折中，在前期性能充分實現(xiàn)的保證情況下，可考慮對算法實現(xiàn)關鍵器件FPGA的ASIC替代工作，保證工程實現(xiàn)。

(4)空間鐘組運行的遙測信息應準確全面地反映鐘的運行狀態(tài)，當星上鐘出現(xiàn)故障時，要能夠根據(jù)遙測信息給出準確操作，如從鐘的隔離或重新加入，避免地面控制對鐘組正常運行的干擾。同時依據(jù)遙測信息能夠實現(xiàn)對鐘組各臺鐘在軌性能的準確評估，為后續(xù)原子鐘工程研制提供參考。

4結束語

建立導航衛(wèi)星星上原子鐘組，可以對鐘出現(xiàn)的故障進行最大限度的預測并采取措施，避免對星上10.23 MHz基準信號的影響，保障導航衛(wèi)星的可用性，提升系統(tǒng)自主運行能力。本文給出了由原子鐘組、多路鐘差比對測量模塊、鐘差數(shù)據(jù)運算及數(shù)據(jù)異常檢測模塊以及相位微調模塊共同實現(xiàn)的單顆導航衛(wèi)星的空間原子鐘組管理初步方案，同時在此基礎上結合星間鏈路的精密測量和數(shù)據(jù)傳輸功能給出了導航星座中不同衛(wèi)星鐘之間的空間原子鐘組管理初步方案，并對影響星上鐘組運行的關鍵技術及影響因素給出了分析建議，旨在為我國BDS星上原子鐘組的工程實現(xiàn)提供參考。

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Realization and Influencing Factors Analysis of ACES Management

XIEJun1，SUNYunfeng2，QUYongsheng2，HEDong2，ZHAOMing2

(1.China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China；2.Xi’an Branch China Academy of Space Technology，Xi’an 710100，China)

Abstract：In navigation satellites constellation comprised of multi-satellite，introducing an atomic clock ensemble in space is beneficial for improvement of its measurement accuracy and ability of autonomous operation.This paper summarizes the methods adopted currently at home and abroad towards atomic clock ensemble management in ground or in space and then proposes an initial design scheme of atomic clock ensemble in Space (ACES) management on a single satellite or among different satellite clocks within constellation which is based on the designing conception of atomic clock ensemble in navigation satellite constellation.Considering generation and characterize measurement of clock ensemble signal，anomaly detection and processing of atomic clock，this paper gives analysis and recommendation as for the key technologies and factors affecting ACES management，which will provide technical basis in designing a continuous，reliable，stable，accurate ACES running system for BeiDou navigation satellite system (BDS) project.

Key words：ACES；ACES management；influencing factors

中圖分類號：P228

文獻標識碼：A

文章編號：2095-4999(2016)-01-0016-06

作者簡介：第一謝軍(1959—)，男，北京人，研究員，碩士，中國空間技術研究院科技委常委、北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)首席總師、全國北斗標準化技術委員會委員，長期從事衛(wèi)星有效載荷技術、微波測量技術，通信衛(wèi)星技術、導航衛(wèi)星技術和衛(wèi)星總體等方面研究工作。

收稿日期：2015-05-27

引文格式：謝軍，孫云峰，屈勇晟，等.空間原子鐘組管理的實現(xiàn)及影響因素分析[J].導航定位學報，2016，4(1)：16-20,49.(XIE Jun，SUN Yunfeng，QU Yongsheng，et al.Realization and Influencing Factors Analysis of ACES Management[J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(1)：16-20,49.)DOI：10.16547/j.cnki.10-1096.20160104.