導航衛星時頻系統發展綜述

賀玉玲，何克亮，王國永，杜二旺，杜麗軍，許 風，孫云峰

(中國空間技術研究院西安分院，西安 710100)

0 引言

衛星導航系統可以為海陸空甚至近地空間的用戶提供全天時、全天候的三維位置、速度和時間信息，已成為重要的空間信息基礎設施，融入國民經濟、社會發展和國防建設的各個領域。進入21世紀以來，全球衛星導航系統(Global Navigation Satellite System，GNSS)迅速發展，美國的全球定位系統(Global Positioning System，GPS)、俄羅斯的GLONASS系統、歐盟的Galileo系統和中國的北斗衛星導航系統不斷建設完善且性能持續提升。我國北斗衛星導航系統按照先區域后全球、先有源后無源的建設思路，實施“三步走”發展戰略。2020年7月31日，北斗三號全球衛星導航系統正式開通，目前在軌服務衛星共計45顆，可提供導航定位和通信數傳兩大類、七種服務，2035年前還將建成更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合定位導航授時(Positioning, Navigation, and Timing，PNT)體系[1]。

衛星導航系統采用三球交會的定位體制，在統一的時間、空間基準中，將衛星作為位置已知的空間節點播發導航信號，用戶通過接收導航信號獲取衛星與用戶之間的偽距和多普勒頻移，實現用戶的定位、測速、導航和授時服務。衛星導航系統中，時間的穩定性和時鐘的同步是高精度測量的基礎。目前，GPS、Galileo、GLONASS以及我國的北斗衛星導航系統均在星上配置了高精度時頻系統，通過在每顆衛星配置高性能的星載原子鐘和功能豐富的時頻生成與保持設備，為衛星導航載荷提供高精度、平穩可靠的時頻參考信號。隨著衛星導航系統定位精度和自主運行能力的不斷提升，對星載時頻系統的性能也提出了更高的要求。

本文首先介紹了目前應用于各衛星導航系統中的星載時頻關鍵技術，然后討論了面向未來精度提升和系統自主運行能力提升需求下星載時頻系統關鍵技術和可能的發展路徑。

1 導航衛星時頻系統關鍵技術

導航衛星時頻系統由多臺原子鐘和時頻生成與保持單元組成。星載原子鐘輸出穩定度極高的頻率信號，時頻生成與保持單元將原子鐘的頻率轉換為衛星載荷需要的頻率，常為10.23MHz，并進行原子鐘主備份輸出信號間的高精度測量和鐘差參數精密調整，為導航衛星有效載荷提供性能優良、平穩可靠的基準時間頻率信號。

1.1 星載原子鐘

時間(頻率)是7個基本物理量中計量精度最高的，這得益于原子鐘技術的不斷發展。原子鐘是利用原子在微波、光波段的電子躍遷頻率作為基準產生的時間保持系統。原子鐘是現代導航衛星的基礎，各衛星導航系統均配置了星載原子鐘。考慮到原子鐘在星載應用中對體積、質量、功耗、可靠性和壽命的要求，以及需要非常好的頻率穩定度，目前的星載原子鐘仍以銣鐘、氫鐘和銫鐘為主，通常每顆衛星配置3～4臺原子鐘。

根據系統需求與技術發展基礎，各全球衛星導航系統使用了不同種類的星載原子鐘。GPS Block ⅡF衛星配置1臺銫鐘加2臺銣鐘，GPS Block III衛星改為使用3臺增強型銣鐘；GLONASS系統第二代衛星GLONASS-M每顆配置3臺銫鐘，第三代衛星GLONASS-K1每顆配置2臺銫鐘和2臺被動型氫鐘；Galileo衛星，除GIOVE-A外，均配置了2臺銣鐘和2臺被動型氫鐘；我國北斗二號導航衛星配置均為銣鐘，北斗三號導航衛星使用星載銣鐘和星載被動型氫鐘，地球同步軌道(Geosynchronous Orbit，GEO)和傾斜地球同步軌道(Inclined Geosynchronous Orbit，IGSO)衛星采用2臺銣鐘和2臺氫鐘的配置，中地球軌道(Medium Earth Orbit，MEO)衛星配置4臺銣鐘。區域衛星導航系統，如日本準天頂衛星系統(Quasi-Ze-nith Satellite System，QZSS)和印度區域導航衛星系統(Indian Regional Navigation Satellite System，IRNSS)，也在其衛星上配置了星載原子鐘，目前均使用銣鐘。截至目前，累計有一千余臺原子鐘在軌運行，其中約50%為星載銣鐘，同時被動型氫鐘的比例在持續增加。衛星導航系統的不斷發展，推進了星載原子鐘技術水平不斷進步，性能指標快速提升[2]。

1.1.1 星載銣鐘

星載銣鐘采用被動型銣原子頻標方案，以銣原子基態超精細能級躍遷譜線作為鑒頻標準鎖定晶振的輸出頻率。銣鐘物理部分常為三泡式，即銣燈泡、濾光泡和吸收泡，也可以將濾光泡和吸收泡合二為一，成為集成泡。銣鐘物理部分巧妙地利用了自然界中兩種同位素85Rb和87Rb有一條非常相近的超精細結構光共振譜線的特性，通過一個85Rb濾光泡吸收掉87Rb銣燈泡發光譜線中波長相近的譜線，使得最終的透射光可以滿足87Rb基態超精細能級躍遷譜線所需的抽運光要求，實現吸收泡中87Rb超精細能級布居數反轉，此時在吸收泡中施加6.8GHz微波信號，可以激勵87Rb基態超精細能級間的共振躍遷。

20世紀70年代，美國第一個將銣鐘應用于衛星，至今已有50多年的研制、使用歷史。星載銣鐘從最初的平均壽命不足1年、性能指標較低[3]到現在應用于GPS Block III衛星上的銣鐘10000s穩定度優于2×10-14，36000s穩定度進入10-15量級[4]，其研制水平在不斷提高。星載銣鐘通過特殊的精細設計與普通商用銣鐘相比性能有了很大提升，同時具有體積小、質量小、功耗低等優點，經特殊設計后整機溫度系數很低、抗輻射能力強，可以適應導航衛星的要求。西安空間無線電技術研究所、中國科學院精密測量科學與技術創新研究院、北京無線電計量測試技術研究所、蘭州空間技術物理研究所和成都天奧電子股份有限公司等國內多個單位開展了星載銣鐘及其相關技術的研發，星載銣鐘成功應用于北斗二號和北斗三號衛星[5-9]。基于星地雙向時頻比對的在軌鐘性能評估表明，北斗導航衛星星載銣鐘穩定度可進入10-15/d量級[10]。

1.1.2 星載氫鐘

氫鐘采用氫原子基態F=1，mF=0到F=0，mF=0之間的σ躍遷作為鐘躍遷，其躍遷頻率為1.42GHz。通過不斷優化制造工藝、延長氫原子與輻射場相互作用時間、降低共振譜線線寬，氫鐘獲得了極高的頻率穩定度和極低的漂移率。根據不同的技術方案，氫鐘分為主動型氫鐘(也稱為氫激射器頻標、氫脈澤頻標)和被動型氫鐘。主動型氫鐘廣泛應用于世界各地的守時實驗室，例如在美國海軍天文臺(United States Naval Observatory，USNO)、德國聯邦物理技術研究院(Physikalisch-Te-chnische Bundesanstalt，PTB)、我國國家授時中心和計量科學研究院等研究機構均配置了幾臺至幾十臺主動型氫鐘，參與國際原子時(International Atomic Time，TAI)的歸算[11]。利用星載氫鐘開展空間科學研究，始于1976年開展的GP-A(Gravity Probe A)試驗，通過發射一個裝載主動型氫鐘的火箭探測器，垂直上升到1.02×104km的高度，進行引力紅移測量，以在更高精度上驗證廣義相對論[12]。歐洲空間局(European Space Agency，ESA)正在組織的空間原子鐘組合(Atomic Clock Ensemble in Space, ACES)項目通過在國際空間站部署2臺原子鐘，1臺激光冷原子銫鐘(PHARAO)和1臺主動型氫鐘，進行星地超高精度時頻信號比對測量，以開展一系列基礎物理實驗研究[13]。中國天宮二號空間站上也將配置主動型氫鐘、冷原子銣微波鐘和冷原子鍶光鐘，利用極高穩定度的時間頻率開展原子躍遷光頻對比、基本物理常數精密測量和引力紅移測量的相對論驗證等基礎物理研究和應用[14]。

主動型氫鐘需要TE011模式的高Q(品質因子)腔，以實現自主原子躍遷，體積、質量較大，難以適應以導航衛星為代表的大部分衛星平臺；通過減小腔的尺寸，可以顯著降低氫鐘的體積和質量，但小型金屬腔的品質因數不足以滿足脈澤振蕩，需要在探測信號的激勵下才能發生原子躍遷，氫鐘工作在被動模式下，稱為被動型氫鐘[15]。Galileo衛星和北斗導航衛星上均配置了被動型星載氫鐘。

被動型星載氫鐘的典型頻率穩定度和漂移率分別可達5×10-15/d和1×10-15/d，使其守時誤差可優于1ns/d[16-17]，從而使導航衛星具備極好的天尺度守時能力。星載氫鐘的小型化、輕量化設計極大擴展了其空間應用領域，瑞士研制的小型化氫鐘質量僅為12kg[18]；中國科學院上海天文臺也研制了質量為13.5kg的小型化被動型氫鐘[19]；俄羅斯的Vremya-Ch公司[20]和北京無線電計量測試研究所也正在開展星載小型化氫鐘的研制。

1.1.3 星載銫鐘

根據1967年第13屆國際計量大會通過的秒定義和1977年國際計量局時間頻率咨詢委員會(Consultative Committee for Time and Frequency，CCTF)增加的秒定義約束條件，原子時1s是指以位于平均海平面上的絕對零度133Cs原子基態2個超精細能級間在零磁場中躍遷輻射的9192631770個周期所持續的時間。磁選態銫鐘使用磁偏轉的方式完成量子態的選擇，光抽運銫鐘使用特定頻率和偏振的激光使原子積聚在基態某個塞曼子能級上完成量子態制備；銫原子在真空腔中形成一束銫原子流，自由飛行，與饋入的微波場發生相干作用，并利用Ramsey分離振蕩場技術獲得更窄的共振譜線中心線寬。世界上許多計量實驗室，如德國PTB和中國計量科學研究院，曾使用大型銫束頻標作為頻率基準[21]，當前使用性能優異的銫噴泉鐘作為頻率基準。通過小型化設計，小型密封銫束頻標在世界各地的守時試驗室廣泛使用。在進一步提高其可靠性和壽命后，小銫鐘也已用于星載，GPS和GLONASS衛星均使用了磁選態小銫鐘，GPS Block IIF使用的星載銫鐘穩定度達到2×10-11/s、5×10-14/d，質量15kg，壽命10年;GLONASS的銫鐘穩定度達到2×10-11/s、1×10-13/d，質量53kg，壽命3～5年[22]。

我國從20世紀60年代開始磁選態銫鐘的研制工作，主要研制單位包括北京大學、蘭州空間技術物理研究所、北京真空電子技術研究所和北京無線電計量測試研究所等單位[23-26]。壽命問題一直是國內磁選態銫原子鐘的短板，目前影響國內銫束管壽命的主要問題是電子倍增器，倍增器增益會隨工作時間的延續而下降，其增益衰減的快慢在很大程度上影響了銫束管的壽命。北京大學創新性地采用存儲泡與光檢測方案代替磁選態原子檢測，無需采用電子倍增器，因而規避了電子倍增器壽命問題[23]。蘭州空間技術物理研究所通過對電子倍增器采用二次敏化技術，提高了銫束管壽命[27]。2016年，蘭州空間技術物理研究所啟動了星載磁選態銫鐘的研制工作，研制出我國首臺星載磁選態銫鐘，于2019年搭載北斗三號衛星發射升空，在軌頻率穩定度達到4.9×10-14/105s[28]。

1.2 時頻生成與保持技術

時頻生成與保持單元以星載原子鐘信號為參考，采用低噪聲頻率綜合技術生成導航衛星所需時頻基準信號；通過高精度相位測量技術實現時頻基準信號相位、頻率、頻率漂移率的精密控制和自主故障檢測；完成時頻基準信號的生成分發、維持傳遞、時間備份與精密恢復。目前已建成運行的各大衛星導航系統在星上均配置了時頻生成與保持單元。GPS Block IIR衛星的時間保持單元(Time Keeping System，TKS)頻率調整精度為1μHz，相位差測量精度為1.67ns，頻率漂移率調整精度為2×10-14/d[29]。Galileo衛星的時鐘監控單元(Clock Monitoring and Control Units，CMCU)頻率調整精度為0.056μHz，相位差測量精度達到3ps[30]。GLONASS衛星配置了星載時頻標準(Spaceborne Time Frequency Standard，STFS)，以完成星上時頻信號的管理[31]。

導航衛星時頻生成與保持單元的原理框圖如圖1[32]所示。通過選擇開關從多臺原子鐘中選擇兩路原子鐘信號，并利用低噪聲頻率綜合技術生成兩路10.23MHz時頻基準信號，其中一路為主鐘，另一路為熱備鐘。通過在自主故障檢測與恢復模塊內進行高精度相位測量得到兩路信號的相位差，作為遙測信息下發到地面以對衛星鐘進行監測，同時可根據該相位差對熱備鐘進行精密調控，以實現工作鐘異常時兩路信號間的平穩切換，確保衛星時頻基準信號的連續可用。兩路時頻基準信號通過開關選擇其中一路輸出，鎖定壓控高穩晶振，最終獲得低噪聲、高穩定、連續可靠的10.23MHz衛星鐘信號。其中，低損傳遞技術用于確保能夠傳遞星載原子鐘極高的頻率穩定度性能；高精度相位計是進行精密時頻信號調控的基礎；頻率漂移率補償以及平穩切換對于衛星鐘運行過程中保持連續可用性非常重要。衛星鐘時間與地面系統時間的鐘差主要通過星地雙向微波時間傳遞鏈路進行測量，當星地鐘差偏移達到一定值時，時頻生成與保持單元需要調整衛星鐘時間。

圖1 導航衛星時頻生成與保持單元原理框圖

2 星載時頻技術發展展望

美國一方面在持續推進GPS現代化，加速GPS III衛星的部署，另一方面正在開展導航技術演示驗證項目NTS-3，以驗證GPS未來發展所需的有效載荷關鍵技術[33]。歐洲在穩步推進第一代Galileo系統建設的同時，已啟動下一代Galileo系統ADVANTAGE的研發[34]。俄羅斯已于2020年啟動了GLONASS系統空間星座的全面更新與升級活動，以提升更有競爭力的全球衛星導航服務[35]。在中高軌衛星導航系統持續發展的同時，近年來基于低軌星座的全球導航增強也成為衛星導航領域的發展熱點。美國XONA公司提出了300顆小衛星組成的低軌星座用于加速精密定位快速收斂[36]，我國正在發展的北斗綜合PNT體系也包括了低軌導航增強系統[37]。面向高性能的導航服務，應用于中高軌導航衛星的時頻系統的發展方向是提升長期穩定度性能；面向低軌應用，則需要在性能和體積、質量、功耗以及成本(Size, Weight, Power and Cost，SWaP-C)之間進行折中考慮。衛星導航定位精度從當前的米級被提升至分米級甚至厘米級，可滿足自動駕駛、物聯網與現代農業等應用需求，是衛星導航系統的重要發展方向之一。分米級、厘米級定位需要將星地/星間的偽距測量精度分別提升至分米級和厘米級，相應地需要將導航衛星的守時精度提升至ns和亞ns水平，以及需要同步地提高星地/星間鏈路的測量精度。因此，星載時頻產品性能的提升是改善衛星導航系統定位精度的重要途徑之一。

2.1 星載原子鐘性能提升及新技術展望

中高軌導航衛星天尺度ns、亞ns守時精度需要配備穩定度和漂移率均可達10-15/d、10-16/d水平的星載原子鐘。對于星載應用，技術成熟度和在軌長期工作的穩定性、可靠性和長壽命是需要考慮的首要因素。星載銣鐘和星載氫鐘性能指標仍有進一步提升的潛力，在下一代衛星導航系統中仍將是優選產品。伴隨激光抽運、激光冷卻、射頻及光場囚禁、數字伺服、低噪聲高穩定度頻率合成等新技術、新方法的運用，正在研制出一批有望應用于導航衛星的星載原子鐘。

原子的囚禁與操控技術是原子鐘的核心技術，決定著原子鐘的穩定度、漂移率及準確度指標極限。傳統銣、氫、銫及汞離子鐘分別采用原子泡(銣和氫)、原子束及射頻離子阱技術，且其鐘躍遷頻率工作在微波段，屬于熱原子/離子微波鐘。通過激光冷卻技術實現原子的冷卻和囚禁，有助于降低原子鐘熱噪聲從而提高其性能。銫/銣噴泉鐘和積分球冷原子鐘采用激光冷卻技術，且工作于微波段，屬于冷原子微波鐘。相應地，原子鐘按是否采用激光冷卻技術和鐘躍遷頻段處于微波還是光頻2個維度進行分類，還包含熱原子光鐘和冷原子光鐘。下一代導航衛星新型星載鐘應兼具穩定、可靠和指標提升的要求。

總體上，在下一代導航衛星星載鐘配置方面，高性能傳統微波鐘仍然有望繼續得到廣泛應用，冷原子微波鐘和熱原子光鐘指標介于傳統微波鐘與冷原子光鐘之間，且其結構相對于冷原子光鐘更簡單，有望實現推廣和應用。冷原子光鐘盡管指標更高，穩定度和漂移率可達10-18/d甚至更高水平，但由于結構相對復雜，在一段時間內可能難以實現廣泛的星載應用。

2.2 時頻生成與保持技術展望

隨著更高性能新型原子鐘在未來北斗導航衛星上的應用，對于衛星時頻系統的要求將進一步提升，未來的基準頻率產生與保持單元可采用鐘組管理模式，實現不同類型、不同頻率特性星載鐘性能的最優組合，產生兼具長短穩性能的衛星鐘信號，并實現星座時間的生成、維持以及同步功能。

GPS Block IIIA導航衛星擬將單顆衛星上的多臺星載鐘組成鐘組運行模式，以生成性能更優的時頻基準信號[54]；Galileo導航衛星為了提升CMCU輸出信號的性能，計劃將CMCU升級為CMCU+，引入鐘組思想，即4臺星載鐘都工作，通過時間尺度算法綜合產生時頻基準信號[55]；下一代北斗導航衛星時頻生成與保持單元也需考慮采用鐘組管理思想,以進一步提升時頻基準信號的頻率穩定性、健壯性和連續可用性。

采用鐘組管理模式可以對未來導航衛星時頻系統中時頻基準信號生成與保持技術的發展帶來眾多優勢。首先，在高精度相位測量的基礎上，通過時間尺度算法實現多臺多種類高性能原子鐘的融合，以輸出性能最優的時頻基準信號；其次，鐘組運行過程中，通過不同權重系數的動態調整以優化不同原子鐘在鐘組輸出信號性能表現中所占比重，同時能夠快速實現原子鐘的加入和移除，并保證不影響時頻基準信號的連續可用；最后，采用全數字化設計，通過高精度鑒相技術和時間尺度算法實現時頻基準信號的生成與保持功能，能夠進一步減少由于器件差異和環境溫度等變化對時頻基準信號時延穩定性的影響。

2.3 星間高精度時頻同步技術展望

當前各導航系統主要通過星地時間比對將衛星鐘的時間溯源至地面站，得到衛星鐘與地面系統時間的鐘差信息，并插入到導航電文中。建立和提高星間時頻比對鏈路有助于提升導航衛星的精密定軌與時間同步精度以及導航系統的自主運行能力，進而維持和提高PNT精度。高精度的微波雙向星間鏈路已被應用于衛星導航系統的星地/星間聯合精密定軌與時頻比對的實驗當中，提高了定軌精度[56-57]。隨著衛星導航系統的進一步發展，對星座的自主運行能力和PNT精度提出了更高的要求，這就需要衛星具有更高的時頻同步能力。近年來，隨著碘分子鐘和銣光鐘等新型原子鐘的持續發展，光學星間鏈路正成為下一代導航系統的研究熱點[58-59]，需要持續提升星間鏈路的時頻傳遞能力，以便能夠將原子鐘的優異性能在星間進行傳遞比對，建立高精度天基時空基準。德國宇航中心在Galileo下一代衛星導航系統Kepler項目中計劃采用基于光載高速偽碼的激光雙向時頻傳遞的技術路線，通過超穩激光上搭載的25.55Gchip/s高速偽碼實現幾十飛秒的時間測量精度[60-62]。

高精度激光時頻傳遞技術需要突破高速時頻信號處理技術、高精度溫度補償和零值校準技術；開展超低相噪光生微波技術研究，探索超高精度的時標產生方法；同時，針對在當前精密定軌條件下星地/星間非對稱傳播時延難以精確修正的問題，研究非對稱傳播時延修正方法及誤差抑制方法，探索低系統約束的高精度空間時頻同步模型。

3 結論

過去30年，北斗衛星導航系統經歷雙星有源、區域無源、全球無源，實現從無到有、特色鮮明、先進易用，躋身世界最有競爭力的GNSS行列。高性能、高穩健、全國產的衛星時頻系統為北斗衛星導航系統的全球時空信息服務奠定了基礎。GNSS已成為最廣泛應用的天基授時系統。目前，GNSS均通過在地面產生、建立系統時間，通過星地、星間測量確定衛星軌道和鐘差信息，衛星具備一定的時間保持能力；但如果沒有地面站定時上注信息，導航衛星時頻系統還難以在周、月及年尺度上具備ns及更高精度的守時能力，從而影響系統定位精度。通過研制新型原子鐘、不斷提升星載原子鐘的性能，建立星間高精度激光時頻傳遞鏈路，有望在未來實現時頻基準的天基化，支撐2035年前建設和完善更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合PNT體系。