精密時頻傳遞技術綜述

何 婷，陳國軍，馬嘉琳

(信息工程大學，河南 鄭州 450001)

時間頻率傳遞是指借助一定媒介實現標準時間頻率信號從源到終端的傳輸，使多個節點同一個公用精確參考時間/頻率之間完成遠距離時間/頻率比對。精密時間頻率傳遞技術是現代社會中應用最廣泛的技術之一，其應用領域包括科學觀測及研究、定位及導航業務、通信、電網、交通、金融、緊急救援、環境資源管理等，并且目前還在不斷擴展。同時，精密時間頻率傳遞技術也是協調世界時UTC(coordinated universal time)、國際原子時TAI(international atomic time)等國際時間標準建立和維持的支撐技術之一。國際時間尺度的建立，其實際的性能瓶頸并不在于鐘，而在于兩地間時間頻率信息傳遞的精度[1]。

當前主流的遠距離精密時間頻率傳遞技術有衛星時頻傳遞、光纖時頻傳遞及激光時間傳遞。自20世紀 80年代起，GNSS(global navigation satellite systems)測量便被用于高精度、高準確度時間頻率傳遞。GNSS時頻傳遞的主要方法有兩種：一是精密單點定位(precise point positioning，PPP)，該方法利用單站非差測量值確定接收機時鐘與系統時之間的同步誤差[1-6]；二是共視法(common view，CV)，該方法基于單差分析結果以獲得兩個觀測站主鐘之間的同步誤差[7-8]。除GNSS時頻傳遞技術之外，衛星雙向時頻傳遞(two-way satellite time and frequency transfer，TWSTFT)是另一種重要的時頻傳遞技術，也是目前最精確的遠距離時間頻率比對方法之一。該方法中，兩觀測站經GEO(geostationary earth orbit)衛星對發定時信號，兩站分別測量定時信號傳播時延并事后交換數據，可計算出兩站主鐘之間的同步誤差[9]。

隨著光纖的大面積鋪設，目前其已成為一種極具前景的時間頻率信號傳輸媒介。不同地域實驗室的頻率標準可通過光纖網絡傳輸的參考光載波實現比對(通常采用光梳技術)和同步；通過光強調制將時間頻率電信號轉換為光信號，在接收端進行直接光強探測，將光信號再轉換為電信號，這是光纖時頻傳遞的第二種模式；第三種模式是將光信號相位鎖定到超穩鈦藍光頻率參考基準，可獲得與高穩無調制光載波傳輸模式相比擬的頻率傳遞精度，同時提供了與時間頻率電信號進行直接比對的接口[10-12]。

激光時間傳遞技術包括激光時間傳遞(laser time transfer，LTT)和基于激光鏈路的時間傳遞(time transfer by laser link，T2L2)，兩者均源自衛星激光測距(satellite laser range，SLR)技術。LTT能夠校準以GNSS系統為代表的偽碼調制微波時間傳遞系統，評估星載鐘的短期性能，提升星載鐘的預測精度；T2L2利用ILRS(international laser ranging service)網絡，可實現超穩遠距離地面鐘之間的時間傳遞與比對[13-15]。

遠距離時鐘比對及穩定精確授時對于人類未來在空間和地面的諸多行為(導航、寬帶通信網絡及基礎科學研究等)具有深遠的影響。因此，有必要在效率、精度、準確度及安全性等方面進一步推動時間頻率傳遞技術的發展。

1 衛星時頻傳遞技術

1.1 GNSS時頻傳遞技術

GNSS時頻傳遞技術指依托GNSS系統及其精密測距理論實現時間、頻率傳遞的技術。該技術具有覆蓋范圍廣、精度高的特點，可滿足不同領域、不同精度等級的應用需求，是目前應用最廣泛的時頻傳遞技術。

任一地面站觀測GNSS衛星s的載波相位測量方程及偽距測量方程分別為

(1)

(2)

PPP時頻傳遞技術在式(1)和式(2)基礎上，聯立求解消除電離層時延，并借助IGS(International GNSS Service)提供的精密衛星軌道數據及星載鐘時間序列(以IGS時間為參考基準)，可確定GNSS天線相位中心位置、對流層濕分量頂點路徑時延及接收機時鐘與相應的衛星導航系統時之間的同步誤差。時間傳遞精度通常情況下可達幾個納秒，理想情況下小于100皮秒(ps)，日頻率穩定度可達10-14～10-15。

PPP時頻傳遞技術本質上是一種單站后處理技術。2009年9月，該技術以其高穩定性被BIPM(Bureau International de Poids et de Mesures)正式采納，參與TAI計算。相比于其他衛星時頻傳遞技術，PPP時頻傳遞的優勢在于精度高、設備成本低、無基線長度限制。不足在于實時性差，不適用于本地鐘性能的實時監測。PPP時頻傳遞的另一點不足是邊界(日、周)不連續性，該不連續性是由偽距觀測量中的有色噪聲(源于近場多徑效應或設備時延變化)引起的，該有色噪聲帶來的誤差并不能通過PPP觀測模型進行有效的補償。

不同于PPP法，衛星共視時頻傳遞需要構造不同測站對同一衛星的同步觀測值的差，即構造式(1)與式(2)的單差。共視時頻傳遞同樣被BIPM采納并用于TAI產生。該技術的優點是衛星位置及星載鐘殘差可大幅度降低，其時間傳遞精度在1～10 ns范圍內變化，日頻率穩定度為1×10-14。該方法的缺點是兩測站事后數據交換及處理會帶來一定的時間延遲，因而不適用于實時業務；共視衛星的數目要少于觀測站可觀測到的衛星數目，從而造成分析過程中有效數據的減少。此外，該方法的傳遞精度受基線長度影響。當采用碼和載波相位聯合分析時，基線長度應限制在2000 km之內[5]。中間站可用于解決兩目標測站距離較遠的問題，且能夠獲得近似于短基線時頻傳遞的同步精度。

1.2 衛星雙向時頻傳遞技術

雙向傳遞是另一種重要的衛星時頻傳遞技術，被廣泛應用于TAI的建立與維持。該技術的基本工作原理是兩測站在約定歷元產生時間信號，并且經由GEO(geostationary earth orbit)衛星轉發給對方測站，同時測量本站時間信號產生歷元與接收并恢復出對方測站時間信號的歷元時刻之間的時間間隔。兩站測量的時間間隔T1和T2分別為

T1=(t1-t2)+τT2+τU2+τs21+τD1+τR1+τSCU2+τSCD1

(3)

T2=(t2-t1)+τT1+τU1+τs12+τD2+τR2+τSCU1+τSCD2

(4)

式中，t1、t2分別為兩站主鐘鐘面時；τT1、τT2分別為兩站時間信號發射時延；τR1、τR2分別為兩站時間信號接收時延；τU1、τU2分別為兩站時間信號從天線到GEO衛星的上行傳播時延；τs12、τs21分別為GEO衛星對站1、站2時間信號的轉發時延；τD1、τD2分別為時間信號從GEO衛星到站1和站2的下行傳播時延；τSCU1、τSCU2分別為兩站上行信號的Sagnac校正；τSCD1、τSCD2分別為兩站下行信號的Sagnac校正。

2 光纖時頻傳遞技術

光纖時頻傳遞具有單向、雙向兩種模式。單向模式如圖1(a)所示。鐘A產生的時頻信號(時間信號通常為1PPS(秒脈沖)，頻率信號通常為10 MHz正弦/方波信號)經過光強度調制轉換為光信號之后，通過光纖進行傳輸(也可根據實際需要，附加編碼等操作，再送入光纖)。接收端的信號再次轉換為電信號格式，經放大和整形后，通過時間間隔計數器/鑒相器與本地鐘B的時間/頻率信號進行比對，即可得到本地鐘B與遠距離鐘A的鐘差和頻率差。該傳遞方式需確定信號在光纖中的傳播時延。通常情況下，該時延是比較容易確定的，但是該傳遞方式的精度將受到光纖溫度變化等非理想因素帶來的時延不穩定性的限制[10-11]。

由于單向模式在光信號傳輸時延不確定性方面的局限，要獲得更高的傳遞精度，需采用雙向光纖時頻傳遞技術，其基本架構如圖1(b)所示。雙向模式基本工作原理與TWSTFT類似，甲、乙兩站主鐘A和B通過同一光纖在約定時刻對發時間信號，并借助時間間隔計數器測量本地時間信號產生直至接收到對方時間信號之間的時間間隔。甲、乙兩站測量的時間間隔分別為

TA=-tclkA+tclkB+τBA

(5)

TB=tclkA-tclkB+τAB

(6)

式中，τBA、τAB分別為兩個方向的光纖傳輸時延。為了簡化表達式，發射機、接收機處理時延及光纖兩端雙工器時延未予以體現，實際中需精確標定。

圖1 光纖時頻傳遞示意圖

兩站事后交換測量數據，可計算出A、B兩鐘鐘差。單向光纖時頻傳遞精度受光纖傳輸時延熱相關性影響較大，約為38 ps(K·km)-1[10]。因此，當光纖長度在幾千米之內時，可獲得較理想的傳遞精度。雙向光纖時頻傳遞精度受限于殘余時延失配的溫度相關性，大致在1.5×10-3～4.5×10-3(nm·km·K)-1的范圍內[10]。因此，相比于單向模式，雙向模式降低了光纖溫度變化的影響。

光纖時頻傳遞的優勢在于具有較高的傳遞精度。但也存在兩點局限：一是光纖長度(覆蓋范圍)。當光纖長度超過幾百公里時，路徑損耗及光纖噪聲等問題凸顯，信噪比嚴重下降，精度難以保證。該問題可通過增加雙向光纖放大器及增加中繼站的方式解決。二是高成本。目前光纖時頻傳遞需要布設專用光纖，費用昂貴。有文獻提出可利用現有公共電信網絡進行時頻傳遞，即高穩光時頻信號和普通電信數據共用一根光纖進行傳輸。其基本思路是利用密集波分復用(dense wavelength division multiplexing，DWDM)技術。該技術將光纖傳輸總帶寬分為若干等間隔的信道，選擇其中一個信道進行時頻信號傳遞，其余信道進行數據傳輸。結合中繼站和密集波分復用技術，采用總長為540 km的光纖鏈路在兩個時間實驗室之間進行頻率傳遞，端到端頻偏均值為-2.6×10-20，長期頻率穩定度為1×10-19[12]，該頻率穩定度和精度水平可比擬無中繼專用光纖鏈路，該試驗初步驗證了公共電信網絡具備用于超穩、高精度頻率傳遞的實際可行性。

3 激光時間傳遞技術

星地激光時間傳遞(LTT)的原理為：地面站向衛星發射激光脈沖，該脈沖到達衛星后，經星上反射器反射，再返回地面站。地面站測量發送激光脈沖與其后第一個地面站主鐘秒脈沖之間的時間間隔；星載設備測量激光脈沖到達衛星時刻與前一個星載鐘秒脈沖之間的時間間隔；激光脈沖上行傳播時延根據地面站測量的往返時延得到，進而求出星載鐘與地面站主鐘之間的鐘差[13-14]。該技術的時間傳遞精度約為300 ps，頻率穩定度可達3×10-14(2000 s)[13-14]，比基于微波的時頻傳遞技術在精度上至少高了一個數量級。既可用于電離層時延校正，也可用于提升衛星軌道預測的精度和準確度，同時可增強系統在星載鐘比對、監測及校準方面的能力?？紤]該技術在實際工程應用中需設計構建專門的測量系統，專業性較強，因此該傳遞方法的研究、試驗和推廣需依靠有條件的組織、院?；蜓邪l機構開展。

基于激光鏈路工程的時間傳遞(T2L2)的基本原理與LTT類似，LTT技術目前主要與衛星導航系統結合應用，而T2L2技術基于2008年6月發射的Jason-2衛星(軌道高度1335 km)。相比于LTT，該技術所基于的衛星軌道更低，從而使得到達衛星的光信號密度更強。該技術的時間傳遞精度優于100 ps，通常在50～70 ps左右，時間穩定程度約為7 ps(30 s)，該值受限于T2L2星載晶體振蕩器的穩定程度[15]?；谠摷夹g，兩個地面站之間還可進行共視時間傳遞，共視原理近似于前文所述的衛星共視時頻傳遞技術。采用單鏈路T2L2共視技術，短期時間穩定度約為9～11 ps；采用多鏈路加權平均T2L2共視技術，日時間穩定度可達10 ps[15]。

激光時間傳遞技術原理簡單、傳遞精度和穩定度高，但其應用領域還有待進一步拓展。星載高精度激光探測技術、星載計數器、地面站激光發射時間控制、數據處理等為激光時間傳遞的關鍵環節，這些環節的技術突破可帶來激光時間傳遞精度和穩定度的新提升。

4 結 論

本文對3類主流的精密時頻傳遞技術進行了研究。衛星時頻傳遞應用范圍廣、精度高，是目前最主要的時頻傳遞技術。該技術未來的發展趨勢是多系統融合，增加可用衛星的數量及采用更先進的數據處理方法。挑戰是安全性、可靠性及對復雜、惡劣環境的適應性。光纖時頻傳遞將精密時間頻率信號轉換為超穩光信號，采用有線方式(光纖)進行傳輸，受環境影響較小，各誤差項可得到有效測量和補償，精度和穩定度高。目前主要用于中、短距離時間實驗室之間的高精度時頻比對，具有良好的發展前景。該技術未來的研究熱點包括：光纖熱敏感性、色散特性、相噪特性及其抑制方法；中繼站研究與設計；光纖鏈路附屬精密雙向設備/裝置研制；廣域光纖時頻傳遞網絡部署研究。面臨的挑戰是部署靈活性、時頻信號完好性及與現有電信網的融合。激光時間傳遞技術利用激光的直線傳輸特性，獲得比微波更精確的星地信號傳播時延測量值，從而實現星載鐘與地面站主鐘的高精度、高穩定性時間比對。由于該技術實施需要專用系統及設備，應用領域有限，目前主要的應用方向是與衛星導航系統結合，作為附加精密時鐘源，提升其系統性能。該技術未來可在以下方面進行重點研究和探索：多系統融合應用；星地激光傳輸關鍵技術研究及專業設備研制；激光時間傳遞系統通用接口設計及標準化；授時性能監測(精確性、完好性)。以上技術的研究，可為我國正在進行的國家時頻體系建設提供參考。例如，在一級時間實驗室的選址及建設過程中，需考慮以上3類 時頻傳遞技術的綜合應用，以保證一級時間實驗室之間時頻信號比對的高精度、高穩定性、高可靠性和高安全性(日常/戰時)。

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