空间站高精度时频微波链路系统体制设计及关键技术*

张 旭

(中国西南电子技术研究所，成都 610036)

空间站高精度时频微波链路系统体制设计及关键技术*

张 旭*

(中国西南电子技术研究所，成都 610036)

在空间站上建立较地面高一个量级的时间频率系统，通过高精度时频链路为全球民用系统提供更为精准的空间时频基准，具有非常重要的科学和军事意义。首先，探讨了国外在空间站高精度时频传递技术方面的现状和应用；其次，在空间站双向时频传递原理的基础上，对比欧空局(ESA)的方案提出了适合我国空间站时频系统微波链路的设计思路；最后，重点分析和研究了高精度时频传递的两项关键技术，对于开展详细系统设计以及实现皮秒量级测量精度具有重要作用。

空间站；时频链路；微波链路；双向时频传递；高精度测量

1 引 言

随着国防与空间技术的快速发展，时间频率计量精度得到了极大提高。目前，国外高精度时间频率传递技术主要应用于科学试验系统，欧洲率先开展了相关研究。欧空局(European Space Agency,ESA)的空间原子钟组计划(Atomic Clock Ensemble in Space,ACES)项目是高精度时间频率技术的典型应用之一，任务开始于1997年,是一项基于新一代原子钟在空间站微重力环境下性能的基础物理和应用研究，其目的是利用空间站微重力环境，实现较地面精度高的激光冷却原子钟，在空间站建立稳定度和不确定度在10-17量级以上的空间时间频率基准[1]。该任务计划将两台高精度原子钟(冷原子铯钟 PHARAO 和主动氢钟 SHM)送入空间站，并利用微波链路与激光链路来实现空间站-地面高精度时间频率传递和其他科学实验，其中微波链路利用载波相位测量实现时间频率比对精度ps量级[2-3]。该任务最新计划于2017年8月发射，任务时间1.5～3年[4]。

EGE项目是欧空局计划开展的另一项关于时间频率基准的基础物理及应用试验任务。该任务在ESA-ACES的基础上进一步提高了精度，可实现稳定度和不确定度10-18量级的空间时间频率基准，是目前重力物理实验领域最大的成就之一。该任务将最高性能的冷原子钟组搭载于倾斜轨道卫星上，该倾斜轨道可提供在近地点和远地点之间的大范围重力变化，最大程度提高测量准确度。该项试验同样利用微波链路与激光链路来实现卫星和地面之间的时间频率传递，其中微波链路利用载波相位测量实现时间频率比对精度ps量级，在ACES的基础上增加了Ka频段的上下行链路。

ESA多个项目的微波链路设备与高精度时间频率传递技术研究主要由德国Timetech公司开展，目前已开展了两代设备的研制，最新研制的原理样机实现测量精度达到码测距1 cm(30 ps)，载波测距0.1 mm(0.3 ps)。

在我国的载人空间站研制计划中，拟建立一套高精密时频基准，利用空间微重力环境，由冷原子铷钟、主动氢原子钟、锶原子光钟形成的原子钟组，可实现精度优于地面时频基准1～2个量级。高精密时频基准通过高精度的微波和激光链路向地面和空间分发，对时间频率比对链路的测量精度的要求高达ps量级，而传统的双向时间频率比对精度为亚ns量级[5]，该需求和研究在国内属于首次。因此，本文针对空间站应用背景开展高精度的时频传递链路技术研究具有非常重要的意义。

2 空间站双向时频传递原理

空间站双向时间传递工作原理如图1所示[6]。首先，地面站在坐标时t1时刻(即地面站的原时τg(t1))向空间站发送1 pps时标信号，空间站接收在坐标时t2时刻(即空间站的原时τs(t2))接收到该时标信号，从而获得该信号传播的原时间隔Δτs(τs(t2))；然后,空间站在坐标时t3与t5时刻采用两个不同的载波频率向地面站发送自己的1 pps时标信号;随后，地面站与空间站通过通信链路将其各自的测量数据发送给对方，从而各自通过数据处理软件完成其时差的计算，进而实现空间站与地面站的高精度时间同步。

图1 空间站时频微波链路原理图

空间站与地面站之间的双向时差可通过伪码观测值和载波相位观测值进行表示。对于三频测量链路，基于伪码观测值的双向时差表达式如下所示[6-7]：

(1)

基于载波相位观测值和整周模糊数的双向时差表达式如下：

(2)

通过时差的测量，可进一步完成频差的测量:

(3)式中：τ为取样时间，x(0)为两站初始时间差，x(τ)为两站经过取样时间τ后时间差，fs、fg分别为取样时间内空间站和地面站钟的平均频率。相对频率偏差求出后，空间站与地面站之间的绝对频率偏差可知。

3 微波链路系统体制设计

针对空间站微波链路系统测量精度高和空间站飞行动态大的特点，对比ESA方案，在信号体制和链路动态方面展开了设计。

3.1 频率及扩频码选择

对ESA的ACES方案进行分析，在频率选择上有以下难点：

(1)S频段低，带宽拥挤，多径效应严重，电离层延迟较大；只能1 Mbit/s扩频码工作，测量精度低，抗多径能力弱；

(2)Ku、S频段间隔远，不能共用信道和天线，硬件时延校准、一致性与稳定性保持困难；

(3)Ku、S两个天线相位中心不重合，需要结合姿态信息修正，处理复杂。

因此，基于上述原因，根据国际电联规定和考虑雨衰、电离层等多项因素，微波链路可选择配置Ku、Ka频段信号；同时，Ka/Ku天线一体化设计，相位中心重合，降低了后期数据处理的复杂度。此外，在扩频码的选择上，可采用100 Mbit/s的伪码，以实现高精度测量和多径对抗。表 1所示为与ESA频率/扩频码配置的对比。

表1 频率及扩频码配置

3.2 链路动态设计

空间站飞行速度快，本系统采用Ku/Ka频段工作，频率高，信号动态大。空间站单次过境(典型约10 min)时间内，30 GHz信号的最大多普勒频移约为680 kHz，最大多普勒变化率约为8.5 kHz/s。此外，由空间站飞行距离引起的信号电平动态约为15 dB，电平变化率约为0.1 dB/s。因此，系统设计时需考虑上述动态因素，设计合理的链路电平动态和信号捕获范围。

4 空间站微波链路关键技术

空间站微波链路测量精度要求高，采用载波相位时差测量方法。由于载波相位存在整周模糊度问题，必须利用宽带扩频的伪码观测数据，实现对不同圈次载波相位整周模糊度的分辨。因此，要实现空间站与地面之间的高精度时频传递，一方面需要实现高精度测量，另一方面需要实现载波相位模糊度的精确解算。

4.1 高精度时间频率测量技术

4.1.1 测量误差分析

空间站与地面之间的高精度时间频率同步，采用的是双向时频比对技术，即通过测量空间站与地面之间的时差/频差来完成时频同步。由公式(1)和公式(2)可知，在实际工作中，空间站、地面站测量的伪距和载波相位包含了空地真实距离、电离层延迟、对流层延迟、接收机硬件时延、多路径影响，以及空间站、地面站的测量时间点不完全同步等误差项。

所有误差中影响最大的是多路径误差。为保证空间站对地面的大视角覆盖，空间站微波链路天线选用宽角扫描天线，极易受到空间站反射多径信号的影响。相对时延在1个码片以内的多径信号会对码测量误差造成较大影响，而空间站上的反射多为近端反射，相对路径差较小。伪码误差增大直接导致载波相位模糊度无法准确解算，系统测量精度将由载波测量的ps量级降低到伪码测量的ns量级。因此，如何降低多路径的影响是空间站时频微波链路需要重点考虑的。除在安装上尽量避免近端多径反射面外，减少多径误差的手段主要有两方面：天线抑制和信号处理抑制。其中，从天线层面入手，可较大程度地对多径信号起到抑制作用，在星上载荷重量允许的情况下尽量采用具有多径抑制作用的天线，如扼流环天线等。在信号处理层面可采取的措施有高速率伪码测距、抗多径信号处理算法等。

另一个重要误差项是信道时延稳定性带来的。信道时延稳定性主要包含滤波器及电缆随温度变化会引起测量信号时延的变化。在不采取稳定性措施的情况下，信道时延稳定性在亚ns量级，无法保证本系统要求。为保证信道时延的稳定性，采取的措施有：通过空间站平台提供高稳温控措施，减小信道时延变化受温度的影响；在S频段及以下采用射频直接采样技术，减少模拟信道环节；采用线性相移的宽带滤波器以及低损耗稳相电缆等；设计自校准链路，用于在线标定收发硬件时延进行实时修正。

而随着测距精度要求的提高，控制测距随机误差是需要重点考虑的一项措施。伪码测距随机误差主要是由热噪声引起的码环跟踪误差造成。在星上功率限制、信噪比不变的情况下，采用以下几种方法降低伪码测距随机误差：

(1)综合考虑信号带宽要求，采用尽可能高的伪码速率提高测距精度；

(2)结合信号动态，设计窄的环路带宽；

(3)采用窄相关技术提高测距精度，同时也为抑制多径误差带来好处；

(4)结合信息速率，增加相干积分时间。

其他误差项,如对流层延迟通过上下行互差可对消；电离层延迟通过双频或三频进行修正；空间动态误差通过保持位置稳定和轨道姿态信息进行修正；天线相位中心通过各频率共用天线和精确标定进行修正；链路动态误差与工作频率、星地距离变化、相对速度等相关，通过标定数据进行补偿。

4.1.2 时差测量精度预算

空间站高时频系统对时间稳定性的要求为0.3 ps/300 s[2]，计算得出系统对时差测量精度的要求为6 ps。

据此，对微波链路各部分测量精度进行分解预算，如表2所示。经过分解预算，采用高精度测量措施对各误差项进行压缩，系统时差测量精度可控制到约4.72 ps，满足系统要求。

表2 时频微波链路测量误差项预算

4.2 载波相位整周模糊度精确解算技术

由公式(2)可知，要通过载波相位测量实现空间站时频微波链路高精度的时差测量必须考虑对各频率的整周模糊度进行精确求解。

对同一坐标时及同一频率下的伪码观测值C和载波相位观测值Ф分别列出如下：

(4)

(5)

(6)

结合公式(4)和公式(5)，代入3个频点和各自的观测时刻，可得出各频点模糊数表达式：

(7)

(8)

(9)

由公式(7)～(9)可以看出，载波相位模糊度的估计误差δNi取决于伪码测量误差δCi、载波相位测量误差δФi以及TEC估计误差。

利用公式(4)，通过下行f2与f3的伪码观测值可以进一步确定TEC，即

(10)

再将式(10)分别代入式(7)～(9)，进一步转换成误差表达式，可得到各频点模糊数估计误差的计算公式。

对于f1，

(11)

对于f2，

(12)

对于f3，

(13)

对于ESA选用的f3频点为S频段，其伪码速率为1 Mbit/s，观测误差较100 Mbit/s大许多，导致f3模糊度误差大，因此可通过f2的模糊数N2转换为另一种表达式，即

(14)

当N2已知时，将公式(8)代入公式(14)可得

(15)

相应f3的模糊数估计误差可转换为由f2上的伪码观测误差表示，可降低其估计误差，即

(16)

本系统3个频点均采用100 Mbit/s的伪码测量，可不考虑f3模糊数的转换问题。因此，相对于ESA的S频点上1 Mbit/s的伪码测量来说，本系统设计的100 Mbit/s伪码除测量精度和抗多径性能更优外，解模糊的问题也更简化。

5 结束语

空间站时频系统作为科学实验项目已率先由ESA开展了多项研究，可为全球民用系统提供超高精度时空基准服务。为实现高精度的时频传递，本文研究了ps量级微波链路测量技术，与ESA的ACES方案相比，设计了适合我国空间站时频传递的系统方案，简化了数据后处理的难度。此外，在如此高精度的系统中,后端数据处理涉及到的轨道姿态数据修正、大气修正等问题值得进一步研究。

[1] MUCH R，DAGANZO E，FELTHAM S，et al.Status of the ACES mission[C]//Proceedings of 2009 Joint Conference of the IEEE International Frequency Control Symposium and the 22nd European Frequency and Time Forum(IFCS-EFTF 2009).Bad Honnef,Germany:IEEE,2009:199-204.

[2] DELVA P,MEYNADIER F,LE PONCIN-LAFITTE C,et al.Time and frequency transfer with a microwave link in the ACES/PHARAO mission[C]//Proceedings of 2012 European Frequency and Time Forum(EFTF).Gothenburg,Sweden:IEEE,2012:28-35.

[3] SEIDEL A,HESS M P,KEHRER J,et al.The ACES microwave link:instrument design and test results[C]//Proceedings of 2007 Joint Conference of the IEEE International Frequency Control Symposium and the 21st European Frequency and Time Forum(IFCS-EFTF 2007). Geneva,Switzerland:IEEE,2007:1295-1298.

[4] AUGELLI M.ACES operations:an ISS external scientific payload looking for experimental confirmations on the general relativity theory[C]//Proceedings of 14th International Conference on Space Operations.Daejeon,Korea:AIAA,2016:1-5.

[5] 蒋宇志.长基线高精度时间频率传递技术的综合应用[J].电讯技术,2010,50(8):12-17. JIANG Yuzhi.Combination implementation of high accuracy time and frequency transfer technique over long baseline[J].Telecommunication Enginieering,2010,50(8):12-17.(in Chinese)

[6] SCHAFER W,SICCARDI M,HESS M P,et al.Data analysis and phase ambiguity removal in the ACES microwave link[C]//Proceedings of 2008 IEEE International Frequency Control Symposium.Honolulu,HI:IEEE,2008:515-522.

[7] UHRICH P J M,GUILLERNOT P,AUBRY P,et al.ACES microwave link requirements Ultrasonics,Ferroelectrics and Frequency Control[J].IEEE Transactions on Ultrasonics,2000,47(5):1134-1139.

[8] HESS M P,KEHRER J,KUFNER M,et al.ACES MWL status and test results[C]//Proceedings of 2011 Joint Conference of the IEEE International Frequency Control Symposium and European Frequency and Time Forum(IFCS-EFTF 2011).San Francisco,California,USA:IEEE,2011:1-8.

System Design and Key Technologies of High Accuracy Time and Frequency Microwave Link for Space Station

ZHANG Xu

(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

It is significant for science and military to establish a time and frequency system in space station to provide a more precise time and frequency standard through high accuracy time and frequency link for global civilian users. Firstly,the status and application of high accuracy time and frequency transfer technology for space station abroad is discussed. Then,based on the principle of two way time and frequency transfer(TWTFT),the idea of system design for China's space station microwave link(MWL) is proposed compared with the project of European Space Agency(ESA).Finally,two key technologies of high accuracy time and frequency transfer are analyzed,which are quite important for particular system design and realizing the picosecond level precision.

space station；time and frequency link；microwave link;two way time and frequency transfer(TWTFT);high accuracy measurement

10.3969/j.issn.1001-893x.2017.04.007

张旭.空间站高精度时频微波链路系统体制设计及关键技术[J].电讯技术，2017,57(4):407-411.[ZHANG Xu.System design and key technologies of high accuracy time and frequency microwave link for space station[J].Telecommunication Engineering,2017,57(4):407-411.]

2016-09-20；

2017-01-17 Received date:2016-09-20；Revised date：2017-01-17

TN99

A

1001-893X(2017)04-0407-05

张 旭(1983—)，女，四川双流人，2008年于电子科技大学获硕士学位，现为高级工程师，主要研究方向为飞行器测控与卫星应用技术。

Email：xuzhang_z@163.com

*通信作者：xuzhang_z@163.com Corresponding author：xuzhang_z@163.com