星載銣原子鐘頻率特性星地測量技術(shù)研究

姜東升 吳樂群 王 穎 高振良

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

星載銣原子鐘頻率特性星地測量技術(shù)研究

姜東升 吳樂群 王 穎 高振良

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

闡述了借助地面測控站對星載銣鐘進(jìn)行監(jiān)測，以實(shí)現(xiàn)銣鐘在軌運(yùn)行頻率特性的四種測量方法：單向時差比對法、雙向時差比對法、利用GPS系統(tǒng)時間比對法和激光時差比對法，并對這四種方法的測量原理進(jìn)行了分析和比較。對育種衛(wèi)星搭載國產(chǎn)銣鐘的試驗(yàn)方案和測量結(jié)果進(jìn)行了介紹。

銣鐘 時間比對 頻率穩(wěn)定度

1 引 言

衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，實(shí)質(zhì)上是衛(wèi)星測距和定時系統(tǒng)，無論在衛(wèi)星上，還是在地面的主控站和監(jiān)控站都要有高準(zhǔn)確度的原子鐘。高性能的原子鐘以及保持它們的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性是衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。星載原子頻率標(biāo)準(zhǔn)對提高一個國家的軍事、國防能力具有重大意義。星載原子鐘技術(shù)主要由美國、瑞士、俄羅斯等少數(shù)國家壟斷，我國衛(wèi)星上的星載原子頻率標(biāo)準(zhǔn)主要依靠進(jìn)口，其供貨渠道和關(guān)鍵技術(shù)受到國外的制約。目前，國內(nèi)相關(guān)技術(shù)院所針對國防安全及衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展的需要，獨(dú)立開發(fā)研制了高穩(wěn)定度的星載銣鐘頻率標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。由于星載銣鐘工作在外太空環(huán)境中，工作環(huán)境十分惡劣，多種因素的影響會導(dǎo)致星載銣鐘產(chǎn)生漂移，因此需要進(jìn)行空間飛行試驗(yàn)來考核星載銣鐘的真實(shí)性能指標(biāo)。銣鐘空間飛行試驗(yàn)的主要目的是：考核國產(chǎn)銣鐘經(jīng)歷發(fā)射主動段力學(xué)環(huán)境進(jìn)入軌道后能否正常工作；在失重、輻射等空間環(huán)境條件下的工作情況；空間在軌運(yùn)行時銣鐘頻率的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。由于銣鐘要為導(dǎo)航系統(tǒng)提供連續(xù)平穩(wěn)的頻率基準(zhǔn)，其頻率的準(zhǔn)確度和長期穩(wěn)定性是影響導(dǎo)航定位精度的最重要的技術(shù)指標(biāo)。衛(wèi)星在太空中運(yùn)行，真空、微重力、溫度變化、電磁場變化、自然輻射影響等多種因素的共同作用會使星上銣鐘的頻率產(chǎn)生漂移，從而導(dǎo)致星上時間的不準(zhǔn)確。如何對星載銣原子鐘在軌運(yùn)行頻率特性進(jìn)行監(jiān)測，對考核導(dǎo)航系統(tǒng)星載銣鐘的性能，提高導(dǎo)航定位精度具有重要意義。

2 時差比較法頻率測量原理

時間頻率量的測量技術(shù)隨頻率源精度的提高得到不斷的發(fā)展，隨著頻率標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度的不斷提高，對測量技術(shù)提出了更高的要求，尤其是隨著衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，如何對星載銣鐘頻率特性進(jìn)行測量成為日益迫切需要解決的問題。

對于頻率的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度的測量，常用的方法有頻差倍增測頻法、頻差倍增測周法、相位比較法、時差比較法[1]。其中，時差比較法是目前最廣泛使用的頻率測量法，它是通過測量被測鐘與參考鐘時間差的變化量計(jì)算被測鐘的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。測量原理框圖見圖1。

(1)

測頻率穩(wěn)定度的時域表征又叫時域穩(wěn)定度，它是以阿侖方差估計(jì)值的平方根表示的，即[3]

(2)

時差比較法具有方法簡單便于實(shí)施的特點(diǎn)，因此在實(shí)際方案中我們選用了這種方法。

3 星載銣鐘頻率特性測量原理

選用不同的參考頻率標(biāo)準(zhǔn)和測量手段直接決定了星載銣鐘頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度測量結(jié)果的可信度。根據(jù)所選參考頻率標(biāo)準(zhǔn)的不同星載銣鐘時差比對頻率測量分為：單向時差比對法、雙向時差比對法、GPS系統(tǒng)時間比對法和激光時差比對法。

3.1單向時差比對法

單向時差比對法的原理是利用星地下行信息傳輸鏈路，傳送星載銣鐘時間到地面測控站，與地面高精度銫原子鐘進(jìn)行比對，從而測得星載銣鐘的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。單向時差比對法的設(shè)備框圖見圖2。

星載銣鐘輸出頻率信號至星上的計(jì)時鐘獲得星上銣鐘時間TS。地面則通過對高精度銫鐘頻率標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)時，獲取參考時間TE。衛(wèi)星過境時通過地面指令控制，由衛(wèi)星接到指令后的遙測幀同步信號的前沿，控制讀取該時刻星上銣鐘相對于地面時標(biāo)1/f0的時間碼TSi(i=1,2,…)，并將銣鐘時間碼打入該幀同步信號對應(yīng)的實(shí)時遙測幀中。這樣星上銣鐘時間碼就被包含到衛(wèi)星的實(shí)時遙測數(shù)據(jù)中，與其他遙測數(shù)據(jù)一起下傳到地面，由衛(wèi)星地面測控站接收，解調(diào)。在衛(wèi)星測控站解調(diào)出幀同步信號的同時，通過該幀同步信號的前沿，觸發(fā)并控制讀取地面標(biāo)準(zhǔn)銫鐘在該時刻的參考時間TEi(i=1,2,…)，從而同時獲得相對應(yīng)的星上銣鐘時間碼和地面參考時間碼。其時序邏輯關(guān)系見圖3。

計(jì)時的方法使用計(jì)數(shù)法，因此

TSi=Ni×(1/f0)

(3)

(4)

式中：Ni——幀同步信號觸發(fā)星上計(jì)時鐘的計(jì)數(shù)值；fx——被測銣鐘頻率，Hz；Mi——解調(diào)幀同步信號觸發(fā)地面參考計(jì)時鐘的計(jì)數(shù)值；δ——遙測幀同步信號從衛(wèi)星發(fā)送到地面站解調(diào)出的總時延[4]，s；按公式(5)計(jì)算。

δ=ΔTtm+ΔTsy+ΔTky+ΔTgy

(5)

式中：ΔTtm——遙測采樣系統(tǒng)常數(shù)，s；ΔTsy——星上遙測系統(tǒng)信道時延，s；ΔTky——空間傳輸時延，s；ΔTgy——地面遙測系統(tǒng)解調(diào)時延，s。

3.2雙向時差比對法

雙向時差比對法是利用衛(wèi)星測控的上下行信道，在地面測控站定時控制下，傳送星上銣鐘的時間信號，以實(shí)現(xiàn)星地時間差的比對，從而獲得星載銣鐘的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。系統(tǒng)設(shè)備框圖見圖4。

則星載銣鐘與地面參考銫鐘之間的時差為

ΔTi=TSi-TEi-(δ1+δ2)/2(i=1,2,…)

(6)

這種方法可以很好地消除電離層、對流層延時、衛(wèi)星軌道等對星地鏈路時延造成的影響，其精度可以達(dá)到很高，很多遠(yuǎn)距離授時系統(tǒng)和時鐘同步技術(shù)均利用了該方法的原理[5]，但其缺點(diǎn)是占用衛(wèi)星信道資源多。

3.3GPS系統(tǒng)時間比對法

GPS系統(tǒng)不僅是一個高精度的定位導(dǎo)航系統(tǒng)，而且同時能夠提供高精度的定時、時間同步和高精度的測頻能力，其1pps(pulse per second)信號不確定度可達(dá)50ns。因此可以利用GPS系統(tǒng)時間作為參考標(biāo)準(zhǔn)，與星載銣鐘進(jìn)行比對，用時差法測量星載銣鐘的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。利用GPS系統(tǒng)時間比對法原理見圖6。

該方法的測量精度高，但由于需要在星上增加GPS接收設(shè)備，因此代價(jià)比較大。

3.4激光時差比對法

激光時間傳遞技術(shù)是利用激光脈沖在地面測控站和衛(wèi)星間的傳播實(shí)現(xiàn)星載銣鐘和地面參考標(biāo)準(zhǔn)鐘之間頻率的比較，以獲取星載銣鐘在軌運(yùn)行時的頻率特性，激光時差比對法原理見圖7。

ΔTi=TSi-TEi-δ/2 (i=1,2,…)

(7)

從原理上講激光時差比對法與雙向時差比對法是相同的，只是利用激光信號替代了S波段的微波信號。國外已做過的試驗(yàn)表明激光時間比對是現(xiàn)有時間比對方法中精度最高的一種[6～8]。但由于激光時差比對法的測試設(shè)備很復(fù)雜，同時激光信號易受天氣條件的影響，因此其使用受到局限。

4 國產(chǎn)銣鐘頻率星地測量方案

2006年9月9日～9月24日，實(shí)踐八號育種衛(wèi)星承擔(dān)了國產(chǎn)銣鐘搭載任務(wù)。在育種衛(wèi)星上進(jìn)行銣鐘搭載除了考核銣鐘的物理部分能否在微重力狀態(tài)下正常工作以及銣鐘部件經(jīng)歷發(fā)射、在軌空間環(huán)境條件的基本工作性能外，另一個重要的作用就是驗(yàn)證在軌狀態(tài)下銣鐘信號穩(wěn)定度測量。育種衛(wèi)星總體結(jié)合衛(wèi)星平臺現(xiàn)有能力提出了一整套銣鐘搭載的試驗(yàn)方案，該方案采用了單向時差比對法。

搭載的國產(chǎn)銣鐘頻率為10MHz，具有很高的穩(wěn)定度，為了對銣鐘輸出10MHz信號準(zhǔn)確度進(jìn)行考核，還利用銣鐘數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行在軌銣鐘輸出信號的計(jì)數(shù)以及星地同步計(jì)數(shù)的測試工作，其中地面標(biāo)準(zhǔn)為銫鐘輸出10MHz信號。搭載銣鐘星地比對系統(tǒng)由星上部分和地面部分組成，星地比對示意圖如圖8所示。

針對測量數(shù)據(jù)處理，進(jìn)一步分析得到以地面標(biāo)準(zhǔn)銫鐘為基礎(chǔ)的星上銣鐘輸出頻率的穩(wěn)定度。

5 結(jié)束語

本文中的四種遠(yuǎn)距離測量在軌運(yùn)行銣鐘頻率特性的方法，通過適當(dāng)方法消除設(shè)備和空間時延后，均可精確測量星載銣鐘頻率特性。在育種衛(wèi)星銣鐘搭載試驗(yàn)中，首次實(shí)現(xiàn)了我國國產(chǎn)高穩(wěn)定銣原子鐘的在軌搭載和測試，通過在軌測試表明：所選方案可行、有效，測試并驗(yàn)證了國產(chǎn)銣鐘的在軌工作性能，為二代導(dǎo)航工程中國產(chǎn)銣鐘的應(yīng)用提供了在軌試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。進(jìn)一步研究上述方法的測量誤差，并采取適當(dāng)?shù)拇胧梢杂行椒ㄕ`差，提高測量精度。這些方法經(jīng)過適當(dāng)改進(jìn)，在星地時間同步、星間時間同步[9]、授時和校頻領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用前景。

[1] 劉洪琴，姜東偉，李宗揚(yáng)等. GJB/J2762-96 頻率長期特性測量方法[S]. 國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會，1996.

[2] 周渭，王海. 時頻測控技術(shù)的發(fā)展[J]. 時間頻率學(xué)報(bào)，2003，26(2)：87～95.

[3] 張京真，賈衛(wèi)力，郭曉先等. GB/T 12498-2012 銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)通用規(guī)范[S].中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

[4] 楊天社，李懷祖.在軌衛(wèi)星與地面時鐘精確同步方法研究[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2002，24(5)：103～105.

[5] 李志剛，李煥信.衛(wèi)星雙向發(fā)時間比對的歸算[J].天文學(xué)報(bào)，2002，43(4)：422～431.

[6] 楊福民，李鑫.激光時間傳遞技術(shù)的發(fā)展[J]. 宇航計(jì)測技術(shù)，2004，24(1)：46～52.

[7] Neil Ashby. Testing relativity with a laser-cooled cesium clock in space[C].international frequency control symposium. 1998 IEEE ,320～328.

[8] Pakorn Ubolkosold,Stefan Knedlik. Clock synchronization protocol for distributed satellite networks[C]. Geoscience and Remote Sensing Symposium ,2005 IEEE, 681～684.

[9] 吳樂群，姜東升. 星載銣鐘頻率特性測量技術(shù)研究[C]. 中國宇航學(xué)會飛行器總體專業(yè)委員會2006年學(xué)術(shù)研討會文集，2016：328～333.

SpaceRubidiumAtomicClockFrequencyCharacteristicSatellite-GroundMeasurementTechnology

JIANG Dong-sheng WU Le-qun WANG Ying GAO Zhen-liang

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China)

Four methods which are based on acquiring frequency character of rubidium clock in orbit Satellite-Ground measurement are proposed, including one way time difference antitheses, two way time difference antitheses, time difference antitheses via GPS, time difference antitheses by using laser. The theory of all the four methods is analyzed. The test design and results of rubidium clock which was a payload of breeding satellite are introduced.

Rubidium atomic clock Time comparison Frequency stability

2017-01-13，

2017-03-21

姜東升(1974-)，男，高級工程師，主要研究方向：衛(wèi)星綜合電子分系統(tǒng)測量技術(shù)研究。

1000-7202(2017) 04-0066-05

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.04.14

TM935

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