衛星雙向時間頻率傳遞研究進展

張升康，楊文哲，王學運，王海峰，葛 軍

(1.北京無線電計量測試研究所，北京 100854；2.計量與校準技術重點實驗室，北京 100854)

0 引言

時間頻率傳遞技術在國防建設、計量校準、電力交通和科學研究等領域應用廣泛，衛星雙向時間頻率傳遞(Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer，TWSTFT)方法作為一種獨立的、高精度時間頻率傳遞方法，對標準時間產生與傳遞、衛星導航系統建設等方面具有非常重要的價值。國際計量局(International Bureau of Weights and Measures，BIPM)負責的國際原子時(International Atomic Time，TAI)以及在其基礎上建立的協調世界時(Coordinated Universal Time，UTC)使用了全球80多個守時實驗室約450臺原子鐘的比對數據，TWSTFT網絡是TAI守時實驗室原子鐘遠程比對的重要途徑[1]。

TWSTFT技術起源于20世紀60年代，隨著衛星通信技術的進步而同步發展。1962年，J. M. Steele和W. Markowitz等[2]首次在美國海軍天文臺(United States Naval Observatory，USNO)和英國皇家格林尼治天文臺(Royal Greenwich Observatory，RGO)之間利用Telstar I衛星進行雙向時間比對實驗。實驗采用持續時間為5μs的脈沖信號，每秒發射10個脈沖，實現了大約±1μs衛星時間比對精度。隨后的20年間，陸續開展了利用通信衛星進行遠程時間比對的實驗，但受制于衛星通信技術，特別是信號調制解調的限制，衛星雙向時間比對精度一直在微秒至數百納秒量級。1983年，斯圖加特大學P. Hartl等[3]利用偽隨機碼擴頻調制信號作為時間傳遞信號載體，設計了專門用于時間傳遞的調制解調器，通過商業通信衛星和小型衛星地球站將時間傳遞精度提升到1ns量級，極大地推動了TWSTFT技術的發展。隨后，世界主要的守時實驗室分別建立TWSTFT系統，開展日常時間頻率傳遞。1989年，BIPM成立TWSTFT臨時工作組，協調守時實驗室間的TWSTFT比對工作，該臨時工作組于1993年轉為永久性工作組[4]。隨著TWSTFT系統的正常運行，1999年，BIPM確定將TWSTFT比對數據作為TAI計算的主要數據之一[5]。至2019年，全球已有21個守時實驗室采用TWSTFT技術向BIPM進行報數[6]。

與其他的時間頻率傳遞方法相比，TWSTFT方法具有特有的優勢。TWSTFT采用通信衛星信道，具有覆蓋范圍廣、時頻傳遞基線長等優點，可以實現跨大洲的時間頻率比對；TWSTFT地球站天線波束小，受周邊電磁信號影響小，具有較好的抗干擾能力；TWSTFT系統相對簡單，對外依賴小，時間頻率比對精度高，時差測量數據可共信道傳輸，可實現實時測量數據交互和時頻比對；TWSTFT采用無線信道傳輸，鏈路比對對站點位置不敏感，可用于相對運動節點間的時頻傳遞?；谝陨蟽瀯?，TWSTFT技術具有很強的生命力，除用于守時系統比對外，在衛星導航、衛星定軌和時間統一等領域也具有重要應用價值。

本文在簡單回顧了TWSTFT發展歷史的基礎上，闡述了TWSTFT的原理和誤差來源，給出了近年來國際上在降低TWSTFT誤差方面所做的努力和獲得的進展，分析了當前TWSTFT系統存在的主要問題，并展望了TWSTFT技術的主要發展方向。

1 TWSTFT原理與誤差分析

1.1 TWSTFT原理[7]

TWSTFT以通信衛星作為信號和信息傳輸載體,對地面上兩站的時間進行精確比對，參與比對的兩站向衛星發射調制的時頻信號，接收經衛星轉發來自對方的時間頻率調制信號，經解調測量和測量數據交互，能夠極大程度上消除傳輸路徑時延影響，從而得到精確的站間時差結果。TWSTFT的基本原理框圖如圖1所示，設站A和站B的時間參考需要進行衛星雙向時間頻率比對，每個站的衛星雙向系統包括時間參考、調制解調器、衛星地面站和計數器。在實際工作中，站A的時間參考輸出的1PPS信號分成兩路，一路輸入至調制解調器，經地面站A發送到衛星上，并由衛星轉發到地面站B；另一路用作本地計數器A的開門脈沖，使計數器開始計數。站B配備和信號流與站A完全相同。當站B的信號經衛星轉發到達站A后，由調制解調器A恢復出站B信號的1PPS脈沖信號，此信號用作計數器A的關門脈沖。則A、B兩站的時差為

(1)

圖1 衛星雙向時間傳遞原理框圖Fig.1 Schematic diagram of TWSTFT

1.2 TWSTFT誤差分析

1)調制解調與時間間隔測量誤差[8-9]

當前的TWSTFT系統中，一般將時間間隔計數器和調制解調器集成在一個設備中，所以這兩部分誤差可以合并。調制解調器一般采用偽隨機碼(Pseudorandom Noise，PN)擴頻形式，在信號解調時，需要采用延遲鎖定環路(Delay Locking Loop，DLL)實現對偽隨機碼相位的測量，由于鏈路熱噪聲的影響，DLL對擴頻碼的跟蹤會存在一個隨機抖動，抖動的大小取決于鏈路的信噪比和偽碼的速率。根據時間傳遞中偽碼擴頻測距原理，鏈路中熱噪聲引起的時間傳遞誤差滿足[10]

(2)

式中，Tc為偽碼的碼片寬度；F1為偽碼跟蹤環鑒別器相關因子；d為超前、即時和滯后之間的相關器間隔；Bn為碼環路的噪聲帶寬；C/N0為接收信號與噪聲功率比，單位為dB-Hz；T為積分清除時間；F2為碼跟蹤環鑒別器類型因子。圖2所示為擴頻調制解調器時間測量抖動隨鏈路信噪比的變化關系，對于碼率為2.5MChip/s的擴頻鏈路，當載噪比為60dBHz時，時間傳遞的抖動為0.3ns。在TWSTFT調制解調器設計時，一般將時間間隔計數器內置其中，此時不再區分時間間隔計數器的誤差和調制解調器誤差。當前的時間間隔計數器精度一般在10～50ps量級，相對調制解調器的跟蹤測量誤差較小。

圖2 調制解調器抖動與鏈路載噪比的關系Fig.2 Relationship between modem jitter and signal power-noise ratio

2)信號空間傳輸路徑時延非對稱誤差

空間傳輸路徑時延非對稱誤差主要來自于電離層[11-12]，電離層延遲與信號頻率的平方成反比。由于每個測站的上下行鏈路的載波頻率不同，上下行鏈路中電離層產生的延遲無法抵消，但可以通過測量電離層電子濃度來計算延遲量的大小。對于TWSTFT地面站A，其上下行路徑電離層延遲之差可以用式(3)表示

(3)

式中,TEC為信號傳播路徑上的電子總含量；c為光速；fU和fD分別為上下行頻率。如果信號傳播路徑的總電子含量TEC取典型值1×1018/m2，對于Ku波段(上行14GHz，下行12GHz)，電離層在A站的傳播延遲改正量約為0.247ns。通過在國際GNSS服務(International GNSS Service, IGS)網站上下載的預報全球電子濃度圖(Global Ionospheric Map, GIM)，可以對TWSTFT中電離層時延進行修正,修正后殘差約為20ps。

3)地球站收發設備時延非對稱誤差

地球站設備延遲校準誤差是衛星雙向時間傳遞的重要誤差源，由于地面設備復雜，硬件模塊和線纜連接器較多，因而會引入較大的校準不確定度[11-13]。對設備時延的校準是降低誤差的重要方法，G.D.Jong[14]與J. Achkar[15-17]等提出了利用衛星模擬器實時監測地球站設備時延，M. Fujieda等[18]設計了便攜式移動校準站，通過比對地球站間相對時延進行測量。受制于電子設備、電纜等時延的穩定性和一致性問題，地球站時延校準殘留誤差在1ns左右[19]。

4)衛星轉發器引入誤差

衛星轉發器引入的誤差分兩種情況。在多數TWSTFT鏈路中，時頻比對的雙方采用同一個衛星轉發器的同一個頻段，這時轉發器時延在2個方向上可以認為是完全抵消的；在部分長基線TWSTFT鏈路中，2個方向使用了不同的衛星轉發器，這時轉發器誤差較大。由于轉發器放置在衛星上，在軌轉發器時延目前還沒有有效的測量方法。

5)地球自轉影響

地球自轉會導致電磁波傳播時延的增加或減少，這種影響被稱為Sagnac效應[20]。Sagnac效應的大小與衛星、地球站以及地心連成的三角形在赤道面的投影面積成正比。TWSTFT鏈路中，Sagnac效應產生的時延修正在百納秒量級，但由于同步衛星存在軌道攝動，形成的投影面積存在周期性變化，這種變化可能會產生數十皮秒量級的Sagnac修正殘差。

2 TWSTFT研究最新進展

2.1 軟件接收機進展

在研究衛星雙向日波動效應(Diurnal)現象的來源時，Y. Huang等[21]提出Diurnal可能來自于時間比對調制解調器的接收機，他們認為現行使用的調制解調接收機采用DLL測量信號傳輸時延時，測量結果會受到衛星相對運動的影響，環路設計的不理想將導致測量存在周期性穩態誤差。在此假設的基礎上，Y. Huang等[21]開發了基于軟件無線電思想的開環軟件接收機(Software-Defined Receiver，SDR)。初步試驗表明，SDR在抑制Diurnal現象和降低傳遞噪聲等方面具有優勢。 TWSTFT SDR 系統采用傳統TWSTFT的發射裝備，僅在接收端增加中頻數據采集和軟件處理設備，對中頻信號直接進行數據化，利用軟件進行開環計算得到信號傳輸時延。2016年，Y. Huang等[22]給出了SDR在TL-KRISS、TL-NICT以及NICT-KRISS之間時間比對的研究情況。結果表明，和現有的DLL相比，SDR性能有顯著提升。Y. Huang等的研究發現引起了廣泛關注，2016年時間頻率咨詢委員會(Consultative Committee for Time and Frequency, CCTF)衛星雙向工作組會議上決定，在全球范圍內發起一項關于TWSTFT SDR的研究計劃[23-24]，呼吁世界上主要的守時實驗室安裝SDR設備，并將數據上報到BIPM，圖3所示為參與SDR預先研究計劃的機構。經過2年的試驗研究表明，TWSTFT SDR與傳統衛星雙向SATRE設備性能相比具有顯著提升，特別是在大洲內部的比對鏈路上，SDR將Diurnal效應量級減少為原來的1/2～1/3；在跨大洲比對鏈路上，SDR對Diurnal的抑制比較有限，Diurnal下降幅度約為30%[24]，如圖4所示。基于TWSTFT SDR的優異表現，CCTF TWSTFT工作組在2017年提出了一項利用SDR進行UTC計算的建議，并得到CCTF的采納，于2018年起正式采用SDR數據進行UTC計算。SDR采用開環接收機思路，理論上可以消除閉環接收機的穩態測量誤差，從而降低Diurnal的影響。這是Y. Huang起初研究SDR的思想假設，在研究和實驗過程中，SDR確實降低了Diurnal的幅度，但這些降低并不總是有效。通過對SDR在國際TWSTFT比對鏈路的效果來看，SDR似乎更好地降低了多站同頻干擾，這一點值得進一步研究。

圖3 BIPM發起的SDR預先研究計劃參與機構[24]Fig.3 Participating institutions in the SDR advanced research program initiated by BIPM

圖4 SDR與SATRE性能比較[24]Fig.4 Performance comparison between SDR and SATRE

2.2 雙偽碼時頻信號調制解調器

TWSTFT系統時間比對的性能直接與可用信道帶寬關聯，帶寬越大，時間比對的精度越高。在實際系統中，受制于信道成本等影響，一般選用帶寬較小。為了提升TWSTFT精度且降低帶寬成本，T. Gotoh等[25-26]提出了一種雙偽碼(Dual Pseudo Random Noise Code，DPN)信號體制，設計了數字化DPN MODEM，初步試驗驗證在NICT-TL之間實現了單次測量16ps每秒的時間比對精度[27-29]。雙偽碼信號是由二進制偏移載波(Binary Offset Carrier，BOC)調制方式衍生而來的一種新型調制方式，其在衛星雙向傳統信號二進制相移鍵控 (Binary Phase Shift Keying，BPSK)調制方式的基礎上增加了一個二進制副載波，信號由數據信號、擴頻碼信號、二進制副載波和正弦載波組成。雙偽碼調制信號的最大特點是信號頻域功率譜分為兩瓣，相對于正弦載波頻率中心對稱，且每個瓣與中心頻率的距離為副載波頻率，如圖5所示。與BPSK調制信號相比，雙偽碼調制信號的等效占用帶寬大幅降低，節省了衛星帶寬資源，極大程度解決了高精度TWSTFT衛星帶寬租賃費用昂貴的問題。此外，雙偽碼調制信號的自相關函數具有很多相關峰，其中主峰比BPSK調制信號相關函數主峰更加尖銳。理論上，信號自相關主峰越尖銳，偽碼相位測量精度越高，采用雙偽碼調制信號獲得的測量精度更高，但其更加緊密的副相關峰也給新型偽碼測量環路設計帶來了困難。雙偽碼信號對信道占用具有特殊的要求，在實際使用中衛星公司往往難以提供需要的信道，在此基礎上王海峰等[30]提出了一種改進的信號調制體制FBOC(Flexible BOC)信號。在雙偽碼信號的基礎上，通過設置副載波頻率，以適應實際衛星信道的要求，并基于現場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)和數字信號處理(Digital Signal Processing, DSP)平臺實現了FBOC信號的跟蹤測量，在中頻閉環測試精度下，時間穩定度達到2.43ps@1s。

圖5 雙偽碼信號特征頻譜特性[29]Fig.5 Spectrum characteristics of DPN signal

2.3 載波相位衛星雙向技術進展

傳統的TWSTFT采用調制發射偽隨機碼和測量偽碼相位進行時間比對，典型的偽碼速率為1MChip/s或2.5MChip/s，對于時間比對的精度大約為1/1000碼片。TWSTFT一般采用Ku波段無線電信號進行傳輸，載波頻率比偽碼速率高大約3～4個量級，若是利用TWSTFT的載波相位進行時頻傳遞，將有望大幅提升時頻比對的精度。W. Schafer等提出了TWSTFT載波相位(Carrier Phase，CP)時頻傳遞概念[31]，為了消除衛星運動產生的多普勒頻率對頻率傳遞的影響，TWSTFT CP要求每個地球站不僅接收測量對方的載波相位，還接收測量自己發射出去經衛星轉發回來的載波信息。經過初步的試驗，TWSTFT CP在零基線測量情況下，可以實現10-13/s量級頻率傳遞精度，在PTB-DLR之間可以實現大約10-12/s頻率傳遞精度。2004年，B. Fonville等[32]深入研究了TWSTFT CP時頻傳遞的理論模型，并在此基礎上開展了USNO和PTB之間的TWSTFT CP，實現了USNO-PTB 10-12/s頻率傳遞精度。

2013年，F. Nakagawa等[33]采用ETS-VIII衛星和自主研制的時間比對設備(Time Comparison Equipment，TCE)在NICT 的兩站間開展TWSTFT CP試驗，在110km基線長度上進行2臺氫鐘的頻率比對，比傳統的基于偽碼的比對系統精度高2個數量級。2014年，M. Fujieda等在NICT和PTB之間開展了基線距離長達9000km的洲際間載波相位衛星雙向實驗[34-35]，其時間比對結果與全球定位系統(Global Positioning System，GPS)載波相位測量結果一致，鏈路短期不穩定度為2×10-13/s，優于GPS載波相位和傳統衛星雙向系統，如圖6所示。北京無線電計量測試研究所開展了載波相位相關技術研究，在2018年利用SATRE Modem完成了與中國計量院之間的載波相位衛星雙向實驗[36]，測量了UTC(BIRM)和UTC(NIM)之間的時間頻率差，鏈路短期不穩定度為4×10-12/s。

(a)

(b)圖6 TWSTFT CP時頻傳遞性能比較[34]Fig.6 Performance comparison of TWSTFT CP time-frequency transfer

2.4 衛星雙向日波動效應(Diurnal)

衛星雙向日波動效應是指TWSTFT時間差結果中存在以1天為周期的周期性變化，日波動效應在世界各TWSTFT鏈路中廣泛存在，目前觀測到的日波動效應峰峰值在0.5～2ns范圍內，其已經成為影響TWSTFT系統性能的重要因素[21, 37-38]。圖7所示為NICT和TL直接TWSTFT鏈路中的Diurnal現象。盡管已經開展了大量研究，但是目前仍然不能完全確定日波動效應的形成原因，更無法從根源上對日波動效應進行消除。V. Zhang和T. Parker計算了電離層效應對TWSTFT的日變化和衛星運動引起的Sagnac效應的日變化[12]，結果表明兩者都不是日波動效應的主要原因。Y. Huang等[21]提出了Diurnal可能來自于時間比對調制解調設備內部DLL動態情況下的多普勒穩態跟蹤誤差假設，并建議利用SDR接收機降低Diurnal。張升康等[39]通過搭建實驗證實了現有調制解調器穩態跟蹤誤差的存在，但進一步的理論計算表明，穩態跟蹤誤差在所有設備中具有一致性，這種一致性在TWSTFT鏈路中可以相互抵消，不會引起明顯的Diurnal效應。曾文紅等[20]假定Diurnal效應來自于衛星運動多普勒導致的接收機跟蹤誤差，給出了一種基于衛星星歷數據修正Diurnal的模型，并在實際鏈路中進行了驗證，對Diurnal效應的消除具有非常顯著的效果，但是這種修正模型的建立缺乏堅實的理論依據。

圖7 TWSTFT鏈路中的Diurnal現象[21]Fig.7 Diurnal effects in TWSTFT link

3 當前TWSTFT面臨的主要問題

3.1 Diurnal效應形成機理

從20世紀末，隨著TWSTFT鏈路的廣泛建立和性能的逐漸提升，Diurnal效應被發現已有約20年的時間，導致Diurnal效應的潛在原因有很多，包括地球站環境溫度的周日變化、對流層電離層的周日變化、衛星軌道運動的周日變化和接收機跟蹤誤差等。最新全球TWSTFT SDR數據表明，歐洲本土的TWSTFT鏈路中的Diurnal似乎來源于同頻干擾導致的接收機跟蹤誤差，歐洲和美國之間的跨大西洋TWSTFT鏈路中的Diurnal可能來自于衛星轉發器。到目前為止，關于Diurnal現象之謎尚未解開，上述的各種分析只是推測，沒有找到直接的科學證據，還有待更深入地研究。

3.2 性能與帶寬矛盾

傳統TWSTFT是基于偽碼相位測量原理的，碼相位測量的精度決定了時間傳遞的精度，而其又直接受偽碼速率或偽碼信號帶寬的影響，帶寬越大，測量的精度也越高。受到衛星轉發器帶寬和鏈路運行成本的限制，TWSTFT信號帶寬是一定的，因此，通過不斷增加帶寬來提升性能的道路是行不通的。近年來發展的DPN技術和載波相位技術都是在保持或降低信號帶寬的情況下，提升時頻傳遞性能的新方法。DPN信號體制非常具有創新性，但是其實用化道路并不平坦，這一方面源于衛星信道租賃的商業阻力，衛星運營公司沒有或不愿提供剛好適合DPN信號傳輸的信道，所以發展靈活的DPN信號體制，根據衛星轉發器自行設置帶寬，將是有望解決DPN信道困難的有效途徑；另一方面，DPN信號帶寬內的其他業務信號將會對DPN性能產生影響，這種影響的抑制方法還需要進一步研究和驗證。TWSTFT CP方法的理論突破和試驗成功是TWSTFT發展的一大跨越，將頻率傳遞的短期不穩定度從10-10～10-11量級提升至10-13量級，這對氫鐘和銫鐘等裝置的頻率短期特性校準很有價值，但對于時間傳遞的精度卻沒有幫助，這與GNSS中利用載波相位進行時間傳遞相比存在明顯的缺憾，進一步研究TWSTFT CP的解模糊和時間傳遞可能是下一步研究考慮的重要方向。

3.3 TWSTFT鏈路校準問題

TWSTFT鏈路校準是降低時間比對不確定度的核心問題，DPN和載波相位技術使得時頻傳遞的附加不穩定性大幅降低，但是地球站時延短期變化和長期漂移使得TWSTFT時間比對的不確定度大于1ns(考慮到Diurnal效應，不確定度將會更大)，鏈路校準就變得極其重要。近20年來，TWSTFT鏈路的校準方法和技術進展緩慢，似乎1ns的校準不確定度已經成為極限，若能夠在地球站時延測量、校準和時延控制方面產生突破，將會帶來新的技術飛躍，但到目前為止，還沒有出現新的途徑。

3.4 多通道組網和信息交互容量限制

多通道組網和比對數據實時交互在很多應用領域有著迫切的需求，這看似是工程應用問題，但在同頻干擾、高速數據和時延測量融合等方面還存在較多的理論問題，有待進一步研究。歐洲TWSTFT網絡大約有13個地球站同時進行組網比對，實際比對數據表明，鏈路噪聲很大，解決比對鏈路間的同頻干擾是比對鏈路接收機信號處理需要重點考慮的理論問題，SDR給出了一個很好的同頻干擾處理結果，這是值得時間比對Modem接收機借鑒的。另一方面，多站組網情況下實時數據交互變得更加困難，傳統Modem為了保證時頻傳遞的性能，信息傳輸容量不大，在少數站點組網情況下可以滿足實時數據交互要求，但在較大節點組網情況下，在保證時頻傳遞精度的同時，提升信息傳輸變得尤為迫切。

4 結束語

TWSTFT方法與技術經過半個多世紀的發展，已經在多個領域廣泛使用。其發展的步伐與衛星技術、通信技術和衛星導航技術基本保持同步，衛星技術和通信技術為TWSTFT提供了很好的信道基礎，而衛星導航技術的發展給TWSTFT的信號體制和測量方法帶來了進步，同時，TWSTFT技術的進步也促進了衛星導航技術的發展。進入21世紀的第二個10年，TWSTFT不僅成為原子時比對、衛星導航系統建設等重要領域不可或缺的實用技術，在前沿研究領域也非常活躍。TWSTFT在時間傳遞上的理論極限精度大約在亞皮秒量級，相比當前能夠實現的最高水平還要高2個數量級。當然，要達到亞皮秒量級，不僅信號測量精度要達到亞皮秒級，還需要解決亞皮秒量級大氣層時延、設備通道時延和物理機制等一系列更深層的理論問題。