星载铷原子钟频率特性星地测量技术研究

姜东升 吴乐群 王 颖 高振良

(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

星载铷原子钟频率特性星地测量技术研究

姜东升 吴乐群 王 颖 高振良

(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

阐述了借助地面测控站对星载铷钟进行监测，以实现铷钟在轨运行频率特性的四种测量方法：单向时差比对法、双向时差比对法、利用GPS系统时间比对法和激光时差比对法，并对这四种方法的测量原理进行了分析和比较。对育种卫星搭载国产铷钟的试验方案和测量结果进行了介绍。

铷钟 时间比对 频率稳定度

1 引 言

卫星导航定位系统，实质上是卫星测距和定时系统，无论在卫星上，还是在地面的主控站和监控站都要有高准确度的原子钟。高性能的原子钟以及保持它们的准确度和稳定性是卫星导航定位系统的关键和基础。星载原子频率标准对提高一个国家的军事、国防能力具有重大意义。星载原子钟技术主要由美国、瑞士、俄罗斯等少数国家垄断，我国卫星上的星载原子频率标准主要依靠进口，其供货渠道和关键技术受到国外的制约。目前，国内相关技术院所针对国防安全及卫星技术发展的需要，独立开发研制了高稳定度的星载铷钟频率标准设备。由于星载铷钟工作在外太空环境中，工作环境十分恶劣，多种因素的影响会导致星载铷钟产生漂移，因此需要进行空间飞行试验来考核星载铷钟的真实性能指标。铷钟空间飞行试验的主要目的是：考核国产铷钟经历发射主动段力学环境进入轨道后能否正常工作；在失重、辐射等空间环境条件下的工作情况；空间在轨运行时铷钟频率的准确度和稳定度。由于铷钟要为导航系统提供连续平稳的频率基准，其频率的准确度和长期稳定性是影响导航定位精度的最重要的技术指标。卫星在太空中运行，真空、微重力、温度变化、电磁场变化、自然辐射影响等多种因素的共同作用会使星上铷钟的频率产生漂移，从而导致星上时间的不准确。如何对星载铷原子钟在轨运行频率特性进行监测，对考核导航系统星载铷钟的性能，提高导航定位精度具有重要意义。

2 时差比较法频率测量原理

时间频率量的测量技术随频率源精度的提高得到不断的发展，随着频率标准的准确度和稳定度的不断提高，对测量技术提出了更高的要求，尤其是随着卫星定位导航系统的广泛应用，如何对星载铷钟频率特性进行测量成为日益迫切需要解决的问题。

对于频率的准确度和稳定度的测量，常用的方法有频差倍增测频法、频差倍增测周法、相位比较法、时差比较法[1]。其中，时差比较法是目前最广泛使用的频率测量法，它是通过测量被测钟与参考钟时间差的变化量计算被测钟的频率准确度和稳定度。测量原理框图见图1。

(1)

测频率稳定度的时域表征又叫时域稳定度，它是以阿仑方差估计值的平方根表示的，即[3]

(2)

时差比较法具有方法简单便于实施的特点，因此在实际方案中我们选用了这种方法。

3 星载铷钟频率特性测量原理

选用不同的参考频率标准和测量手段直接决定了星载铷钟频率准确度和稳定度测量结果的可信度。根据所选参考频率标准的不同星载铷钟时差比对频率测量分为：单向时差比对法、双向时差比对法、GPS系统时间比对法和激光时差比对法。

3.1单向时差比对法

单向时差比对法的原理是利用星地下行信息传输链路，传送星载铷钟时间到地面测控站，与地面高精度铯原子钟进行比对，从而测得星载铷钟的频率准确度和稳定度。单向时差比对法的设备框图见图2。

星载铷钟输出频率信号至星上的计时钟获得星上铷钟时间TS。地面则通过对高精度铯钟频率标准的计时，获取参考时间TE。卫星过境时通过地面指令控制，由卫星接到指令后的遥测帧同步信号的前沿，控制读取该时刻星上铷钟相对于地面时标1/f0的时间码TSi(i=1,2,…)，并将铷钟时间码打入该帧同步信号对应的实时遥测帧中。这样星上铷钟时间码就被包含到卫星的实时遥测数据中，与其他遥测数据一起下传到地面，由卫星地面测控站接收，解调。在卫星测控站解调出帧同步信号的同时，通过该帧同步信号的前沿，触发并控制读取地面标准铯钟在该时刻的参考时间TEi(i=1,2,…)，从而同时获得相对应的星上铷钟时间码和地面参考时间码。其时序逻辑关系见图3。

计时的方法使用计数法，因此

TSi=Ni×(1/f0)

(3)

(4)

式中：Ni——帧同步信号触发星上计时钟的计数值；fx——被测铷钟频率，Hz；Mi——解调帧同步信号触发地面参考计时钟的计数值；δ——遥测帧同步信号从卫星发送到地面站解调出的总时延[4]，s；按公式(5)计算。

δ=ΔTtm+ΔTsy+ΔTky+ΔTgy

(5)

式中：ΔTtm——遥测采样系统常数，s；ΔTsy——星上遥测系统信道时延，s；ΔTky——空间传输时延，s；ΔTgy——地面遥测系统解调时延，s。

3.2双向时差比对法

双向时差比对法是利用卫星测控的上下行信道，在地面测控站定时控制下，传送星上铷钟的时间信号，以实现星地时间差的比对，从而获得星载铷钟的频率准确度和稳定度。系统设备框图见图4。

则星载铷钟与地面参考铯钟之间的时差为

ΔTi=TSi-TEi-(δ1+δ2)/2(i=1,2,…)

(6)

这种方法可以很好地消除电离层、对流层延时、卫星轨道等对星地链路时延造成的影响，其精度可以达到很高，很多远距离授时系统和时钟同步技术均利用了该方法的原理[5]，但其缺点是占用卫星信道资源多。

3.3GPS系统时间比对法

GPS系统不仅是一个高精度的定位导航系统，而且同时能够提供高精度的定时、时间同步和高精度的测频能力，其1pps(pulse per second)信号不确定度可达50ns。因此可以利用GPS系统时间作为参考标准，与星载铷钟进行比对，用时差法测量星载铷钟的频率准确度和稳定度。利用GPS系统时间比对法原理见图6。

该方法的测量精度高，但由于需要在星上增加GPS接收设备，因此代价比较大。

3.4激光时差比对法

激光时间传递技术是利用激光脉冲在地面测控站和卫星间的传播实现星载铷钟和地面参考标准钟之间频率的比较，以获取星载铷钟在轨运行时的频率特性，激光时差比对法原理见图7。

ΔTi=TSi-TEi-δ/2 (i=1,2,…)

(7)

从原理上讲激光时差比对法与双向时差比对法是相同的，只是利用激光信号替代了S波段的微波信号。国外已做过的试验表明激光时间比对是现有时间比对方法中精度最高的一种[6～8]。但由于激光时差比对法的测试设备很复杂，同时激光信号易受天气条件的影响，因此其使用受到局限。

4 国产铷钟频率星地测量方案

2006年9月9日～9月24日，实践八号育种卫星承担了国产铷钟搭载任务。在育种卫星上进行铷钟搭载除了考核铷钟的物理部分能否在微重力状态下正常工作以及铷钟部件经历发射、在轨空间环境条件的基本工作性能外，另一个重要的作用就是验证在轨状态下铷钟信号稳定度测量。育种卫星总体结合卫星平台现有能力提出了一整套铷钟搭载的试验方案，该方案采用了单向时差比对法。

搭载的国产铷钟频率为10MHz，具有很高的稳定度，为了对铷钟输出10MHz信号准确度进行考核，还利用铷钟数据采集器进行在轨铷钟输出信号的计数以及星地同步计数的测试工作，其中地面标准为铯钟输出10MHz信号。搭载铷钟星地比对系统由星上部分和地面部分组成，星地比对示意图如图8所示。

针对测量数据处理，进一步分析得到以地面标准铯钟为基础的星上铷钟输出频率的稳定度。

5 结束语

本文中的四种远距离测量在轨运行铷钟频率特性的方法，通过适当方法消除设备和空间时延后，均可精确测量星载铷钟频率特性。在育种卫星铷钟搭载试验中，首次实现了我国国产高稳定铷原子钟的在轨搭载和测试，通过在轨测试表明：所选方案可行、有效，测试并验证了国产铷钟的在轨工作性能，为二代导航工程中国产铷钟的应用提供了在轨试验数据支持。进一步研究上述方法的测量误差，并采取适当的措施，可以有效消除方法误差，提高测量精度。这些方法经过适当改进，在星地时间同步、星间时间同步[9]、授时和校频领域都有很好的应用前景。

[1] 刘洪琴，姜东伟，李宗扬等. GJB/J2762-96 频率长期特性测量方法[S]. 国防科学技术工业委员会，1996.

[2] 周渭，王海. 时频测控技术的发展[J]. 时间频率学报，2003，26(2)：87～95.

[3] 张京真，贾卫力，郭晓先等. GB/T 12498-2012 铷原子频率标准通用规范[S].中国标准出版社，2012.

[4] 杨天社，李怀祖.在轨卫星与地面时钟精确同步方法研究[J].系统工程与电子技术，2002，24(5)：103～105.

[5] 李志刚，李焕信.卫星双向发时间比对的归算[J].天文学报，2002，43(4)：422～431.

[6] 杨福民，李鑫.激光时间传递技术的发展[J]. 宇航计测技术，2004，24(1)：46～52.

[7] Neil Ashby. Testing relativity with a laser-cooled cesium clock in space[C].international frequency control symposium. 1998 IEEE ,320～328.

[8] Pakorn Ubolkosold,Stefan Knedlik. Clock synchronization protocol for distributed satellite networks[C]. Geoscience and Remote Sensing Symposium ,2005 IEEE, 681～684.

[9] 吴乐群，姜东升. 星载铷钟频率特性测量技术研究[C]. 中国宇航学会飞行器总体专业委员会2006年学术研讨会文集，2016：328～333.

SpaceRubidiumAtomicClockFrequencyCharacteristicSatellite-GroundMeasurementTechnology

JIANG Dong-sheng WU Le-qun WANG Ying GAO Zhen-liang

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China)

Four methods which are based on acquiring frequency character of rubidium clock in orbit Satellite-Ground measurement are proposed, including one way time difference antitheses, two way time difference antitheses, time difference antitheses via GPS, time difference antitheses by using laser. The theory of all the four methods is analyzed. The test design and results of rubidium clock which was a payload of breeding satellite are introduced.

Rubidium atomic clock Time comparison Frequency stability

2017-01-13，

2017-03-21

姜东升(1974-)，男，高级工程师，主要研究方向：卫星综合电子分系统测量技术研究。

1000-7202(2017) 04-0066-05

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.04.14

TM935

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