北斗星载时间频率系统发展综述

米 红，谢 军，宋志强，屈勇晟

（中国空间技术研究院，北京 100094）

1 引言

北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system，BDS），简称北斗系统，是我国独立自主研制和建设的天基卫星导航和授时系统，通过建立时间基准和空间基准提供相应服务的基础设施［1］。2012年我国完成了北斗卫星导航区域系统的建设，可为我国及周边地区提供定位、测速、授时服务，同时可为特定用户提供短报文通信业务服务。北斗卫星导航区域系统的授时精度优于50ns。

北斗星载时间频率系统，简称时频系统，是北斗时频系统的重要组成部分，位于BDS的空间段。无论是社会日常生活、科技、经济，还是国防建设运行都需要高精度的统一的时频系统。独立自主的时频系统意味着一个国家能够自主研制、开发、生产和运行管理系统所有的关键设备，协调处理时间频率信息，具有完善的工作机制、机构和整体布局［2］。高稳定度、高可靠性和高精度的时频系统是国民经济、社会发展和国防建设的重要基础设施。

全球卫星导航系统（global navigation satellite system，GNSS）本质上是一个时间同步系统，系统的时间基准是影响整个系统定位授时精度的关键因素。在现有建成使用和在建的卫星导航系统中，高精度原子钟（或称为量子频标）是实现系统定位授时精度的基础与核心设备。

目前己建成使用的有美国的全球定位系统（global positioning system，GPS）、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（global navigation satellite system，GLONASS）和我国的BDS区域系统，欧洲的伽利略卫星导航系统（Galileo navigation satellite system，Galileo）正在建设，日本在建准天顶卫星系统（quasi－zenith satellite system，QZSS），印度在建印度区域卫星导航系统（Indian regional navigational satellite system，IRNSS）。

本文以我国北斗星载时频系统的发展建设为主线，综合各类国内外文献、网站的技术管理信息，梳理了北斗星载时频系统的发展历程，描述了当前以星载时频系统为主的北斗时频系统的现状，并在分析归纳当前系统现状的基础上，提出了未来北斗时频系统的发展趋势。

2 发展历程

北斗星载时频系统伴随着北斗卫星导航系统和北斗时频系统建设，从无到有逐渐成熟。我国从1994年开始，按照 “先区域，后全球，先有源，后无源”的发展思路分步实施北斗卫星导航系统的试验、研制和运行服务［1］。

2.1 2000年建成的第一代北斗星载时频系统

北斗卫星导航试验系统，是我国独立自主研制、建设和运行的第一代卫星导航系统。2000年建成并投入使用，可为我国及周边地区的用户提供定位、短报文通信及授时这3类服务。通过文献［3－4］可进―步了解北斗卫星导航试验系统的工作原理、系统组成、系统功能性能及应用、与其他卫星导航系统的优势与差异。

北斗卫星导航试验系统的时频系统由三部分组成：（1）地面中心站高性能原子频标和若干个标校站的频标；（2）空间段三颗地球同步静止轨道卫星（geostationary orbits satellite，GEO）的星载时频系统；（3）各类用户终端的频标。北斗卫星导航试验系统星载时频系统位于空间段的三颗卫星上，每颗卫星使用铷钟和高稳晶振互为备份作为星载高稳频标，通过微波锁相倍频获得高稳定度的频率信号，为卫星有效载荷的L、S、C频段多路转发器提供统一的频率源。

北斗卫星导航试验系统具有双向和单向两种授时功能，系统设计的双向授时指标为20ns，单向授时指标为100ns［4］。

分析时频系统构成及工作原理可知，空间段卫星的作用是透明转发地面中心站和用户终端发送的信息，时间系统的时间同步和计算功能由地面段完成。时频系统对地面中心站及各监测站以及站间时延标定、同步性能要求高，而对空间段的星载时频系统精度要求相对较低。北斗卫星导航试验系统与GPS/GLONASS系统的工作原理不同，被称为有源定位导航系统，向覆盖区内用户提供卫星无线电测定服务（radio detection satellite service，RDSS），它解决了我国自主控制的卫星定位系统从无到有的问题，为随后建设的无源北斗卫星导航系统奠定了坚实的基础。

2.2 第二代北斗星载时频系统建设

第二代北斗星载时频系统建设与北斗卫星导航系统建设同步，分两步走，即：第一步2012年建成北斗卫星导航区域系统；第二步2020年前后建成北斗卫星导航全球系统。

2007年4月，北斗卫星导航系统的中圆地球轨道（medium earth orbits，MEO）第一颗试验卫星成功发射。卫星入轨正常工作后，验证了以星载铷原子钟（以下简称铷钟）为核心的卫星统一时频基准的性能符合设计要求［5］，完成了单颗卫星星地时间同步技术的验证。2011年建成由3颗GEO和3颗倾斜地球同步轨道（inclined geo－synchronous orbits，IGSO）卫星组成的北斗卫星导航基本系统，验证了在区域内基本系统的空间段与地面主控站、时间同步站的时频基准可以实现精密的时间同步。2012年建成北斗卫星导航区域系统的星载时频系统，实现了覆盖我国及周边地区的各项卫星导航服务指标。

北斗卫星导航时频系统可以划分为三大组成部分［3］：（a）空间段所有三类卫星装配的星载时频系统；（b）地面段运行控制系统的高性能原子钟组及同步信息处理系统；（c）用户段用户终端的频标。

其中，星载时频系统为空间段导航卫星提供高精度、高稳定度和高可靠性的频率源，是实现空间段时频基准稳定可靠和高精度星地时间同步的核心［5］，是卫星导航系统研制建设的关键技术之一［1］；地面运行控制系统设有高性能原子钟系统，负责建立北斗卫星导航系统的时频基准，并维持全系统的时间同步；用户终端为单向授时终端，通过接收、解析空间段播发的导航信号和电文，完成与北斗卫星导航系统时频基准的同步，实现高精度授时功能。

2.3 北斗星载原子钟发展历程

2002年中国香山科学会议第181次学术讨论会设有卫星导航星载原子钟与时间同步专题会［6-7］。同年，美国海军研究委员会、国家科学院、精密时间与时间间隔科学技术评估委员会联合发布的《精密时间与时间间隔科学技术的评估》一文中强调了 “准确的时钟和频率源对于国防部具有生死攸关的意义”。

原子频率基准是目前所有计量基准中最高的准确度，地面原子钟的精度已达到10－18量级。卫星导航系统直接利用时间测量来确定空间距离，原子钟是建立、维持卫星导航星载时频系统的基础与核心，并成为推动其更新换代的原动力。各类原子钟也是北斗时频系统的主要设备，BDS中的时间基准为北斗时（BeiDou navigation satellite system time，BDT），是使用原子钟产生的。

我国原子钟的研究起源于20世纪50年代，1965年研制出第一台地面铯频标样机，1973年研制出第一台地面铷频标样机［2］。经过几十年的努力，地面原子钟产品己广泛应用于守时、导航、定位、勘测和精密测量等领域。

我国空间原子钟工程化的工作起步较晚，始于1999年星载产品的预先研究课题［5］。2000年，北斗卫星导航系统建设工程正式立项后，在卫星系统的统一组织下，通过国内多家单位大力协同，取得了良好的成果。2006年，我国第一台星载铷钟产品随实践8号卫星成功发射且在轨工作正常［5］；2009年起，我国发射的北斗导航卫星上均配置有国产铷钟，星载铷钟为BDS的功能、性能指标的实现奠定了基础。目前，我国北斗时频系统使用的原子钟主要为铯钟、氢钟和铷钟三大类［8］，其中空间段北斗导航卫星配置的星载原子钟均为铷钟［5，9-12］，地面段和用户段则使用铯钟、氢钟、主动型或被动型铷钟和芯片级原子钟（chip－scale atomic clock，CSAC）［13］。

北斗导航卫星工程取得的重要成果之一是成功研制了星载铷钟，集智攻关解决了星载铷钟的寿命评估、力学试验、温度敏感性、真空下与常压下性能参数差异、长期稳定度测试考核等问题，经在轨验证表明：国产星载铷钟性能指标均达到了国际先进水平，优于欧洲同类产品，满足系统要求［1］。

3 北斗星载时频系统现状

北斗卫星导航系统具有导航定位、短报文通信、位置报告和授时功能，拥有统一的北斗时频系统，使用唯一的时间基准，即北斗时（BDT）。BDT采用国际单位制（SI）秒为基本单位连续累计，不闰秒，BDT与协调世界时（coordinated universal time，UTC）之间的闰秒信息在卫星发送的导航电文 中 播 报， 起 始 历 元 为 2006－01－01UTC 00：00：00，采用周和周内秒计数［14］。

3.1 北斗卫星导航系统组成

北斗卫星导航系统由地面段、空间段和用户段三部分组成。其中，地面段包括主控站、时间同步站、注入站和监测站等若干个地面站。空间段包括5颗GEO卫星、27颗MEO卫星和3颗IGSO卫星。截至2014年2月，空间段在轨工作卫星共有14颗，其中5颗GEO卫星同时配备了RDSS业务载荷和卫星无线电导航服务（radio navigation satellite service，RNSS）业务载荷，在覆盖区范围内向用户提供RDSS和RNSS两种体制的导航服务；4颗MEO卫星和5颗IGSO卫星［14］配置了RNSS业务载荷，向用户提供RNSS体制的导航服务。用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端设备。

3.2 北斗卫星导航星载时频系统组成

当前在轨参与组网工作的北斗导航卫星共计14颗，北斗卫星导航星载时频系统由空间段14颗卫星配置的时频子系统组成。每颗卫星的时频子系统均配置有多台星载原子钟，卫星加电工作时其中一台为主工作钟，给整星提供10MHz时频基准；其余原子钟为备份钟，卫星在轨工作时可按照需求由地面发送遥控指令将任意一台备份钟切换为主工作钟。

卫星采用统一的频率源技术，由各星的时频子系统负责产生、保持和校准卫星的基准频率和基准时间。卫星RNSS业务载荷上行注入和精密测距链路与下行导航信号生成播发链路之间建立了时间同步通道，因此卫星有效载荷的上行链路、下行链路的信号时序与该星时间基准可以保持同步。卫星RNSS业务载荷下行链路播发的多频点导航信号相位之间具有强相关性，可以满足双频用户终端的定位授时需求。

根据北斗导航卫星的GEO卫星设计方案，RDSS业务载荷和RNSS业务载荷共用时频子系统提供的10MHz时频基准，两种体制播发的导航信号之间的时间与相位关系由地面系统控制管理。

图1 单颗北斗GEO卫星星载时频系统组成示意图

3.3 北斗星载时频系统的时间同步机制

GNSS的时频系统本质上是一个时间同步系统，要求卫星导航系统的各组成部分（包括导航卫星、地面段和用户终端）的时钟具有协同一致的时序和节拍。目前，北斗区域系统的时间同步包括星地时间同步和各类地面站（主控站、注入站、监测站）站间的时间同步。北斗全球系统设计有星间链路有效载荷，届时星载时频系统将具备星间时间同步功能。

北斗星载时频系统负责建立和维护空间段时间频率的准确度、稳定性和连续性，配合地面段运控系统实现在轨卫星与地面BDT的时间同步。主控站的主钟产生BDT的时间信号，使用一套自校准闭环系统实现空间段星载时频系统与BDT之间的时间同步。主控站综合分析处理各监测站测量预测的星钟与BDT的偏差，推算出新的星地钟差参数和星历数据，然后通过注入站上传给相应的卫星。卫星收到新的数据和参数后，将其播发给用户段的用户终端，以提高定位授时精度。

与GPS系统相比，北斗系统设计具有两个不同之处：（1）星座由三类不同轨道的卫星组成；（2）采用了无线电双向时间同步技术。上述特点使北斗卫星导航系统的星地时间同步技术既具有创新性和独特性，也有明显的技术复杂性。在BDS工程建设过程中，通过多角度、多层面的研究、模拟试验和在轨试验，突破了多项技术难点，掌握了北斗区域系统的星地时间同步技术要点，确保实现了包括50ns授时精度在内的北斗区域系统的各项服务性能指标。

北斗系统的站间时间同步方法包括以下三种方法：卫星双向时间传递（two－way satellite time transfer，TWSTT）、卫星双向共视和GEO卫星双向共视三种方法。前两种方法可以达到纳秒级同步精度，第三种方法是基于RDSS双向时间比对法完成站间时间同步，同步精度在几十纳秒量级［3］。

北斗卫星导航系统具有星地激光双向时间同步功能，精度可优于0.1ns［3］。但是激光同步测量受传输路径环境限制，不能实现全天候测量，因此北斗系统的激光双向时间同步功能主要作为星地无线电双向时间同步功能的校准手段。

3.4 BDT与UTC的关系

每个GNSS系统均建立并维持各自独立的时频系统，通过保持与UTC的同步，实现各卫星导航系统时间的兼容。最新公布的北斗系统的信号接口控制文件（interface control document，ICD）［14］规范了BDT与UTC的偏差保持在100ns以内（模1s）。BDT溯源到 UTC（NTSC）。UTC（NTSC）由中国科学院国家授时中心（national time service center，NTSC）保持，其与UTC的误差全年可控制在±25ns以内［8］。

北斗导航卫星的导航电文播发BDT与GPS、Galileo和GLONASS系统的时间基准GPST、GST和GLONASS时间的同步参数，可以实现BDS与其他GNSS系统时频基准的兼容互换。

关于国际原子时（international atomic time，TAI）和UTC的定义，以及各GNSS系统时与UTC的换算方法可见文献 ［2］。

4 发展趋势

目前，北斗区域系统经过了全面的试验评估，验证了北斗星载时频系统已满足北斗工程大系统提出的各项设计指标。

为了不断提升北斗星载时频系统性能，基于国内外相关领域的最新技术成果，未来有几个值得关注的发展趋势：

（1）北斗系统具有不同于其他GNSS系统的设计特点。需要针对这些特点加强星地时间同步技术、测量技术的研究，提高星地时间同步精度，在全球范围内为用户提供更高精度的BDT授时服务。

（2）充分发挥星间链路的作用，实现星间时频信号自主生存能力：北斗区域系统卫星的有效载荷没有星间链路设计。根据我国北斗卫星导航系统建设的战略部署，随着2020年前后将建成北斗全球覆盖系统，通过星间链路实现北斗星载时频系统的星间同步功能。此外，新增的星间链路还将提升北斗星载时频系统的自主生存能力，即当一段时间内地面段主控站没有更新上注数据时，星钟与BDT钟差参数可以通过星间链路修正后播发给用户终端，降低因地面段功能缺失对系统授时精度的影响程度。

美国曾提出用廉价星载钟组替代专用星载钟的思路［15］，认为从守时功能来看，钟组优于性能最好的单台钟。国内已有单位着手进行利用星座中的多颗卫星上独立的原子钟形成综合卫星时间的方案研究，提出了相关的采集、处理算法。虽然该思路尚未应用于已建成的GNSS的时频系统，仍不失为未来星载时频系统设计的一种有待研究的备选方案。

（3）开展更高精度星载原子钟技术研究［12，16-17］：北斗区域系统实现了星载铷钟国产化和工程化的目标，是系统建设过程中攻克的关键技术之一。但是，与国际最先进的星载原子钟相比，性能还有进一步提高的空间和需求。目前，在轨北斗星载铷钟的天稳在10－13量级［16］，而美国PE公司研制并应用于GPSⅡR星载原子钟的天稳在10－14量级，增强型铷原子钟（ERAFS）的天稳已接近2×10－15。

一方面要加强新一代星载铷钟（即增强型铷钟）技术研究；另一方面需要加大投入力度，拓展研制其他各类星载原子钟，并尽快实现工程化，为我国北斗星载时频系统达到国际先进水平提供保障。小型化被动氢钟、铯钟、微波离子钟等都是很有发展潜力的未来高性能星载原子钟。

（4）在北斗星载时频系统实现全面覆盖之前，有必要注重国际协调与合作，加强BDT与其他GNSS时频系统兼容互操作领域的课题研究，提高BDT溯源的精度和稳定度。

5 结束语

北斗星载时频系统由我国自主研究和开发，是北斗时频系统位于空间段的重要组成部分。本文重点梳理了北斗星载时频系统从无到有的建设发展历程，描述了系统现状，并提出未来发展趋势，没有单独讨论具体技术细节，对其他GNSS时间系统的介绍可以参阅其他书籍［18-19］。

世界发达国家和地区均十分重视星载时频系统的建设，将其作为卫星导航系统的关键技术进行研究和管理，加紧研制开发新一代高性能星载时频系统。我国也在积极组织，集智攻关，2020年，北斗星载时频系统实现全球覆盖，系统性能将显著提升。

［1］谢军.北斗导航卫星的技术发展及展望［J］.中国航天，2013（3）：7－11.

［2］王义遒.原子钟与时间频率系统（文集）［M］.北京：国防工业出版社，2012.

［3］谭述森.卫星导航定位工程［M］.2版.北京：国防工业出版社，2010.

［4］中国卫星导航定位应用管理中心.北斗导航定位系统各项功能简介［J］.卫星与网络，2008（9）：16－17.

［5］谢军.星载铷原子钟特性研究及地面试验要求［C］//第五届中国卫星导航学术年会论文集.南京：中国卫星导航学术年会，2014：1－5.

［6］韩春好.军用时频与信息化建设［J］.军事测绘导航，2012（5）：34－35.

［7］佚名.卫星导航星载原子钟与同步技术［C］//2002年香山科学会议文集.北京：中华人民共和国科学技术部，2002：30－37.

［8］董绍武，屈俐俐，李焕信，等.NTSC的守时工作进展［J］.时间频率学报，2010，33（1）：1－4.

［9］刘淑琴，董太乾.为什么星载铷钟比地面铷钟有更好的稳定度［C］//2005年全国时间频率学术交流会文集.南京：中国天文学会，2005：113－115.

［10］梅刚华，钟达，安绍锋，等.高稳铷频标若干问题研究［C］//2001年全国时间频率学术报告会论文集.成都：出版者不详，2001：16－19.

［11］任良，崔敬忠，陆昉，等.铷原子钟温度补偿技术研究［J］.宇航计测技术，2012，32（4）21－24.

［12］翟造成，李玉莹.下一代星载原子钟的新发展［J］.全球定位系统，2010（5）：1－5.

［13］杨仁福，陈海波，赵环，等.芯片级微型原子钟的发展概述［C］//2009国防计量测试学术年会论文集.贵阳：中国宇航学会计量与测试专业委员会，2009：278－283.

［14］中国卫星导航系统管理办公室.北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件公开服务信号B1I（1.0版）［EB/OL］.［2012－12－27］.http：//www.beidou.gov.cn/attach/2013/12/26/20131226fe8b20aad5f34091a6f8a84b08b1c4b1.pdf.

［15］JADUSZLIWER B，BUELL WF.An Interruptionless Timekeeping System for Space Applications Using Low Cost，Commercial Off－the－shelf（COTS）Atomic Clocks［C］//Proceedings of the 1998IEEE International Frequency Control Symposium.Pasadena：［s.n.］，1998：260－264.

［16］屈勇晟，刘昶，朱红，等.导航卫星星载原子钟研发方向探讨［J］.导航定位学报，2013，1（4）：55－60.

［17］MALEKI L，SAVCHENKOV A A，ILCHENKO V S，et al.All－optical Integrated Rubidium Atomic Clock［C］//Proceedings of 2011Joint Conference of the IEEE International Frequency Control and the European Frequency and Time Forum.San Fransisco：［s.n.］，2011：1－5.

［18］KAPLAN E D，HEGARTY C J.Understanding GPS：Principles and Applications［M］.2nd ed.Norwood：Artech House，2006.

［19］吴海涛，李孝辉，卢晓春，等.卫星导航系统时间基础［M］.北京：科学出版社，2011.