導航衛星主備鐘平穩切換性能設計分析

王宏兵，高　揚，肖勝紅

(北京衛星導航中心，北京 100094)

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導航衛星主備鐘平穩切換性能設計分析

王宏兵，高揚，肖勝紅

(北京衛星導航中心，北京 100094)

衛星鐘是導航衛星的核心設備，其輸出時頻信號的穩定是導航衛星向用戶提供連續穩定導航信號及服務的基礎，主鐘性能下降或故障迫使系統進行原子鐘主備切換時，由于主備鐘存在的頻率和相位差別，導航信號將產生跳變，影響衛星的服務性能，目前導航衛星多采用主備鐘跟隨及平穩切換技術來解決主備鐘切換時的頻率和相位跳變問題。針對主備鐘平穩切換與導航服務性能的關系以及平穩切換指標的確定問題，介紹了主備鐘平穩切換技術的原理，分析了主備鐘切換的時機與策略，從用戶測量性能及鐘差預報參數可用性這2個方面分析了主備鐘平穩切換指標，并提出了相應的指標要求。

導航衛星；主備鐘；平穩切換

0　引言

導航衛星原子鐘是導航衛星的核心設備，其主要功能是作為導航衛星時間與頻率信號的基礎，維持整個衛星的時間頻率信號體系，為導航衛星上行注入、任務處理和導航信號生成等設備提供時間頻率信號。為保證時間頻率體系的運行可靠性，導航衛星一般配置3～4臺原子鐘，多采用主鐘、熱備鐘和冷備鐘的原子鐘配置方案，以GPS為例，GPS衛星一般配置4臺原子鐘，其中1臺主鐘、1臺熱備鐘和2臺冷備鐘。

衛星導航系統是一個要求高可靠性、連續性和可用性的應用系統[1]，為用戶服務提供的導航信號需要很高的連續穩定性要求，需要導航信號連續穩定播發的關鍵是導航衛星的連續不間斷地穩定運行，其中星載原子鐘作為導航衛星的核心關鍵設備，其功能缺失或性能下降，都將造成導航衛星提供導航信號的性能下降甚至不可用，影響系統的導航服務性能[2]。為減小星載原子鐘主備切換時主備鐘時頻信號差異產生的導航信號相位或頻率跳變，引起衛星導航信號的相位跳變或中斷，導航衛星在主備鐘切換技術上多采用主備鐘實時跟隨及平穩切換技術，通過對熱備鐘的頻率駕馭實現與主鐘頻率和相位關系的一致性，從而保證主備鐘切換時時頻信號的連續性，實現導航衛星頻率和時間基準的平穩切換[3]。

主備鐘平穩切換的目標是導航信號的服務性能不受影響。主備鐘平穩切換后，導航信號頻率、相位的平穩程度直接關系到導航信號的用戶機接收測量連續性，同時切換后的鐘差預報參數可用性也直接影響系統提供定位服務的性能。主備鐘切換后頻率和相位的跳變與鐘差預報參數的可用性具有直接的關聯，由于鐘差預報參數一般為1～2h注入一次，若切換后的頻率與相位一致性較差，在新的鐘差預報參數未播發之前，用戶使用原參數將隨著時間的推移而精度逐漸降低，直接影響用戶的定位精度。目前導航衛星主備鐘平穩切換技術已有較多技術研究，但缺乏平穩切換的指標要求的需求分析及論證，平穩切換的指標實現與系統服務及用戶使用需求未緊密關聯，不利于對平穩切換指標要求具體實現進行指導和約束。本文從主備鐘平穩切換用戶終端信號接收性能及衛星鐘差預報參數使用性能2個方面對主備鐘平穩切換指標進行了分析論證，給出了頻率、相位和切換時間等切換指標約束及對系統服務性能的影響。

1　主備星鐘平穩切換跟隨技術

導航衛星上的星載原子鐘主要包括銣鐘、銫鐘和氫鐘，導航衛星一般設計壽命為8～10年，在軌運行時間可長達12年，考慮到星載原子鐘可靠性及壽命末期性能下降的因素，導航衛星通常配置3～4臺原子鐘，以保證衛星時間頻率信號的穩定連續性。GPS系統的BlockⅡ A衛星上搭載4臺原子鐘(2臺銣鐘和2臺銫鐘)，BlockⅡ R衛星上搭載了3臺銣鐘。Galileo衛星上搭載了3臺原子鐘(2臺銣鐘和1臺氫鐘)。北斗衛星上搭載了4臺銣鐘。導航衛星上配置的原子鐘，無論數量多少，均按照主鐘、熱備鐘和冷備鐘進行配置，區別僅在于冷備鐘的數量。導航衛星鐘組基本框圖如圖1所示。

圖1　導航衛星鐘組基本組成

導航衛星主備鐘經過開關選擇與頻率綜合產生主備2路10.23MHz基準頻率信號，再通過切換開關選擇主路10.23MHz基準頻率信號輸出，產生導航衛星所需的各頻率信號。

導航衛星主備鐘產生的2路10.23MHz基準頻率信號，通過實時相位比對測量得到2路信號的相位及頻率偏差量，通過對備鐘進行相位調整及頻率駕馭，做到備鐘對主鐘時頻信號的實時跟隨[4,5]。導航衛星主備10.23MHz基準頻率信號實時比對框圖如圖2所示。

圖2　導航衛星主備10.23MHz基準頻率信號實時比對

導航衛星通過主備10.23MHz基準頻率信號的實時相位與頻率測量，獲取熱備鐘與主鐘的相位與頻率差，當檢測到主備鐘頻率與相位超出平穩切換要求門限時，備鐘控制信號對備鐘進行相位及頻率調整，使熱備鐘與主鐘的相位與頻率始終保持較高的一致性，實現熱備鐘接替主鐘運行時，10.23MHz時頻基準信號的一致性與連續性。

2　星鐘平穩切換時機與目標

導航衛星主備鐘切換包括地面指令切換和衛星自主切換。地面指令切換是指由地面控制中心向衛星發主備鐘切換指令進行的主備鐘切換，屬于有計劃的衛星鐘切換，主要發生在衛星在軌運行時主鐘出現或可能出現性能下降，影響用戶服務性能時。自主切換是指在衛星鐘自主性能監測及自主切換狀態下，衛星主鐘出現頻率、相位突跳或時頻信號中斷等異常時，衛星自主進行的主備鐘切換，屬于緊急狀態下的應急切換。

主備鐘地面指令切換的時機由地面控制中心通過對衛星鐘性能監測評估及系統服務性能監測情況確定，當監測到主鐘漂移率、穩定度等性能下降，指標超標，或監測到衛星鐘性能存在下降趨勢時，地面控制中心實施主備鐘指令切換。主備鐘自主切換的時機由衛星自身通過對時頻信號的監測確定，衛星對星上時頻基準信號進行實時測量，當監測到時頻信號出現相位跳變或頻率跳變時，若跳變量超過衛星設置的星鐘切換門限值，則主動將工作鐘由主鐘切換至熱備鐘。

星鐘進行主備切換時，因2臺鐘之間的差異，必然會出現頻率與相位的跳變，星鐘平穩切換的目標就是要控制相位與頻率跳變的變化量，使其不影響衛星的正常運行和導航信號的服務性能，做到衛星上行注入與下行導航信號不中斷，同時導航電文中播發的星鐘預報參數具有繼續使用的效能。

3　平穩切換頻率與相位一致性要求分析

主備鐘平穩切換的目標是進行主備切換前后，導航信號的服務性能不受影響，可保持服務性能指標的實現。頻率、相位是時頻信號的基本特征，對于主備鐘平穩切換而言，就是需要實現時頻信號頻率與相位在切換前后盡量保持一致，既不出現信號中斷和服務中斷問題，也要保證用戶繼續使用衛星播發的星鐘預報參數。因此，主備鐘切換后頻率和相位一致性指標要求由兩方面因素制約：① 用戶進行導航信號測量的連續性；② 用系統鐘差預報參數的可用性。

3.1用戶測量連續性分析

用戶測量連續性含義是指在衛星鐘主備切換過程中，接收機不發生碼環、載波環的失鎖或載波環跳周現象。這里，由于載波環跳周的要求最為苛刻，因此，以不發生跳周為分析基礎。

載波環不發生跳周，即鐘切換前后的載波相位跳變在接收機鑒相器可牽引的范圍內。按照目前常見的鑒相方法，載波鎖相環牽引范圍約為60°～90°，此處以60°即1/6個載波波長計算[6]。在北斗所有下行導航信號中，載波波長最短為Bs頻點，約為12cm。因此，切換前后相位跳變值應小于2cm，折算為時間跳變為0.067ns。

3.2鐘差預報參數可用性分析

衛星鐘主備切換后，在地面控制中心上注新的鐘差預報參數前，用戶會繼續沿用切換前衛星播發的鐘差預報參數，因更換備鐘產生的新的鐘差變化與未更新的鐘差預報參數的符合性，即原鐘差預報參數的可用性直接影響用戶的服務性能。導航衛星鐘差預報參數包括時鐘數據齡期IODC、星鐘參考時刻toc、衛星時間偏差a0、衛星頻偏a1和衛星頻漂a2。用戶機用戶可通過下式計算出信號發射時刻的系統時間[7]：

t=tsv-Δtsv，

Δtsv=a0+a1(t-toc)+a2(t-toc)2+Δtr。

式中，t為信號發射時刻的系統時間；tsv為信息發送時刻衛星測距碼相位時間；Δtsv為衛星測距碼相位時間偏差；Δtr是相對論校正項。

衛星鐘完成主備切換后，地面控制中心需重新進行星鐘預報參數的計算，并向衛星注入，通常情況下，1h內可完成新的鐘差預報參數的注入，因此原鐘差預報參數將繼續使用1h，新的鐘差預報參數將進行更新。

主備鐘切換后，a0的誤差由主備鐘切換產生的相位跳變決定，a1的誤差由主備鐘切換產生的頻率跳變決定，a2的誤差由主備鐘自身的頻率漂移率特性決定，當漂移率指標優于1×10-13/天時，衛星主備鐘切換對a2影響可以忽略。因此主備鐘平穩切換的頻率與相位一致性要求直接決定了a0和a1的可用性。

假設主備鐘切換后，時頻信號相位跳變量為γ(ns)，頻率跳變量為λ，則時間t(s)后，因主備切換引起的鐘差預報參數誤差量為：

τ=γ+λ×t×10+9。

地面控制中心在衛星主備鐘切換后，可實施鐘差預報快速處理機制，通常1～2h即可完成新的參數的預報及注入，用戶即可使用新的鐘差參數。不同的相位跳變量為γ和頻率跳變量為λ，經過1h對應的鐘差預報參數誤差如表1所示。

表1　主備鐘跳變量引起的鐘差預報參數誤差(1h)

若要求主備鐘平穩切換后，1h內因鐘差引起的用戶服務性能下降不超過0.3 m(0.9ns)，則對應的對衛星相位跳變γ和頻率跳變量為λ，如表2所示。

表2　鐘差參數誤差0.3 m對應的相位與頻率跳變量

從表2可以看出，主備鐘平穩切換相位跳變控制應在0.1ns，頻率跳變應實現10-13量級。

導航衛星采用數字鎖相環來實現原子鐘鎖定高穩定度的晶振技術實現無縫平穩切換，主備鐘切換時，在丟失參考的標準信號時，利用鎖相環的保持采樣技術保持受控晶振的壓控電壓不變，這樣在主備鐘切換時受控晶體振蕩器的輸出頻率的準確度和相位保持不變，從而達到主備鐘平穩切換的目的。數字鎖相環高穩晶振實現框圖如圖3所示。

圖3　數字鎖相環高穩晶振框圖

采用原子鐘鎖定高穩晶振的平穩切換技術后，可實現10.23MHz基準頻率信號相位跳變小于0.1ns。通過衛星上高精度的主備鐘相位比對設備可以得到相位比對數據，進而可以解算出主備原子鐘的頻率準確度，通過對星鐘頻率調整，在鐘可實現頻率跳變控制在1×10-13量級。

4　平穩切換時間要求分析

主備鐘平穩切換時間指標是指主備鐘切換時備鐘信號接替主鐘信號過程引起的信號中斷時間。信號中斷一段時間可能引起接收機跟蹤狀態的瞬時抖動或者完全失鎖，因此，約束切換時間指標應以接收機不失鎖或不抖動為基礎[8-9]。

要求信號中斷不引起接收機失鎖，可以等效于中斷時間不能覆蓋接收機環路的多個更新周期。這里，保守起見，應約束信號中斷時間不大于環路的一次更新時間，即一個更新周期。

各類導航接收機所采用的環路更新時間(即相干積分時間)有較大差異，但目前最小更新時間一般按照1ms進行設計，因此，平穩切換時間應約束為小于1ms。

5　結束語

導航衛星主備鐘平穩切換技術可以保證在衛星鐘切換后導航衛星仍然可用，服務性能滿足用戶使用性能，因此對導航系統保證服務可用性與連續性具有重要的意義。從本文分析情況看，導航衛星主備切換性能確定在綜合考慮了系統鐘差預報精度誤差、用戶測量連續性和衛星時頻保持技術可行性等因素后，衛星鐘主備切換性能可按照保證鐘差預報精度引入誤差小于0.3m進行約束，即滿足系統服務性能要求，也具有較強的工程可實現性。

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王宏兵男，(1977—)，碩士，副研究員。主要研究方向：衛星導航總體及測試技術。

高揚男，(1984—)，博士，助理研究員。主要研究方向：衛星導航。

The Analysis of Smooth Switching between Primary and Backup Atomic Clocks on Navigation Satellite

WANG Hong-bing，GAO Yang，XIAO Sheng-hong

(BeijingSatelliteNavigationCenter,Beijing100094，China)

The atomic clock is the core equipment of the navigation satellite,responsible for maintaining the frequency and time signal,the stability of the frequency and time signal is the basis for providing continuous and stable navigation signal and service.The atomic clock will be forced to perform switching between primary and backup,due to the frequency and phase difference,the navigation signal cannot continue to be used.The technology of smooth switching between primary and backup atomic clocks on the navigation satellite is used to solve the problem,which ensures the continuity of the navigation signal and the availability of the navigation message.Therefore,the relationship between the switching between primary and backup and the service performance is an urgent problem to solve.This paper introduces the technology theory of the switching,analyzes the timing and strategy of switching,analyzes and gives the performance index of the switching between primary and backup.

navigation satellite;primary and backup atomic clocks;smooth switching

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.09.20

2016-05-30

P228

A

1003-3106(2016)09-0076-04

引用格式：王宏兵,高揚,肖勝紅.導航衛星主備鐘平穩切換性能設計分析[J].無線電工程,2016,46(9):76-79.