GNSS系统时间及星载钟研究

赵学军

（中国人民解放军92678部队，天津 300220）

0 引言

全球卫星导航系统（GNSS）所产生的标准时间信息在通信、电力、广播、电视、科研、安防监控、工业控制等领域广泛使用。卫星导航定位系统可提供高精度、全天时、全天候的导航、定位和授时服务。其授时性能优异，高精度，低成本，安全可靠，全天候，覆盖范围广。本文主要介绍各GNSS的系统时间和其星载钟性能研究。

1 GPS系统

1.1 系统时间

GPS时间是一种由 GPS地面测控系统建立的连续运行的时间系统，其时间原点定义在1980年1月6日0时。它溯源到美国海军天文台所产生和保持的协调时UTC（USNO），溯源链路如图1所示。

GPS时间与国际协调时UTC不同之处在于它不作闰秒修正，因而是一个连续的时间尺度。它与国际原子时相似，但与国际原子时在任一瞬间都存在一个19s的系统差，即：TAI-TGPS=19s。

1.2 GPS星载钟及卫星时间系统

星载原子钟，也称原子频标（AFS）是导航卫星的关键载荷，能够确保卫星导航系统提供精确的授时服务。

GPS系统中星载原子钟受到高度重视，美国曾多次进行星载原子中的性能评估试验，现已纳入BIPM（国际计量局）的监测体系。目前，GPS空间段的每颗Block II/IIA卫星上均放置了2台铷钟和2台铯钟，每颗Block IIR卫星上放置了3台铷钟，其中1台铷钟作为实践标准，其余备用。与Block II/IIA卫星相比，Block IIR卫星所到在的铷原子钟加强了物理封装，提高了稳定性和可靠性。Block II/IIA卫星原子频标输出信号通过频标分配单元（FSDU）发播给用户，而Block IIR卫星原子频标的输出信号要通过时间保持系统（TKS，功能为频率净化和主备钟切换）后发播给用户。随着GPS的现代化，GPS Block IIR-M和BlockIIF卫星增加了新的信号频点和更加健壮的信号体制，Block IIR-M依然采用与Block IIR卫星相同的原子钟配置方案，Block IIF采用两台铷钟和一台铯钟的配置方案，铯钟的引入能够改善频率短期稳定度。

图1 GPS时间溯源原理图

图2展示了由美国海军研究实验室（U.S. Naval Research Lab）给出的GPS星载原子钟频率稳定度。

图3利用IGS提供的精密钟差数据计算了GPS星载原子钟的频率稳定度，展示了 2013年第四季度GPS星载原子钟天稳排序。

图2 GPS星载原子钟频率稳定度（哈达玛方差）

图3 2013年第四季度GPS星载原子钟天稳排序（哈达玛方差）

2 GLONASS系统

GLONASS系统是前苏联建立的类似于GPS系统的星基无线电导航系统，其前身CICADA与美国海军卫星导航系统NNSS（子午系统）同期，于1965年设计，20世纪70年代中期开始启动GLONASS计划，1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星，1996年1月18日，完成24颗卫星的布局，卫星具备完全工作能力。

GLONASS系统由24颗卫星组成，它们均匀分布在轨道高度约为20000km的3个轨道平面上，每个平面上分布8颗卫星。轨道倾角为64.8°，轨道平面相互间隔 120°。同 GPS系统一样，GLONASS系统也由空间段、地面段和用户端三部分组成，其功能也与GPS系统的各组成部分的功能基本相同。

2.1 GLONASS系统时间

GLONASS系统时间是一个与协调时 UTC相类似但又不完全相同的原子钟时系统。与GPS系统时间不同的是GLONASS系统时间引入了跳秒（闰秒），并以莫斯科时间为基准，它溯源于俄罗斯时间空间计量研究所所产生和保持的俄罗斯协调时UTC（SU），但与UTC（SU）之间存在3h的系统差，如下式所示。

2.2 GLONASS星载钟

GLONASS系统于1982年至1985年发射了11颗 Block I卫星，设计寿命 1年，每颗卫星配有“BERYL”铷钟。1985年12月开始发射Block IIa卫星，共6颗卫星，设计寿命1年，配有铯原子钟。1987年和1988年发射12颗Block IIb卫星（仅6颗运转于预设轨道，2颗发射失败）设计寿命两年，配有铯原子钟。1988年11月开始发射Block IIc卫星，设计寿命3年。GLONASS于1996年1月18日完成卫星布设。GLONASS系统于 2003发射了12颗现代化卫星GLONASS-M（也称Uragan-M）,设计寿命七年，每颗卫星上搭载了3个新型铯原子钟。图4展示了GLONASS 17号卫星铯原子钟频率稳定度。

3 GALILEO系统

由于GPS、GLONASS均由美国和俄罗斯军方控制，且目前GLONASS在轨卫星缺失，GPS独霸市场。1982年欧空局提议要建立一套民用为目的的全球卫星导航系统，其特点是共享的、独立于GPS的无增强条件下的适于海陆空的系统。2002年2月26日，欧盟正式启动GALILEO系统建设，计划耗资32亿到36亿欧元。

图4 GLONASS R17号卫星铯原子钟频率稳定度

GALILEO系统由30颗高轨道卫星组成，分布在轨道高度为2.4万km、倾角为56°的3个轨道面上。同GPS系统和GLONASS系统一样，GALILEO系统也由空间段、地面段和用户端三部分组成。目前GALILEO系统有两颗在轨试验卫星。

3.1 系统时间

GALILEO系统时间简称为GST，是一个连续运行的的原子时，其时间基准由位于意大利的弗西罗伽利略控制中心提供，初始历元为1999年8月22日0时。它与GPST类似，不进行闰秒调整，与TAI有一个常数偏差。

3.2 GALILEO星载钟

2006年1月，GALILEO的GIOVE A卫星开始运转，该卫星搭载了2台铷原子钟。其后，GIOVE B卫星于2008年5月开始播发信号，该卫星搭载了1台被动氢原子钟和2台铷原子钟。2012年10月12日至2016年11月17日，GALILEO系统累计发射16颗卫星，每颗卫星搭载2台氢原子钟和2台铷原子钟，在轨卫星达到18颗。

图5至图7展示了Galiloe系统铷原子钟和氢原子钟的频率稳定度。

图5 Galiloe卫星铷原子钟RAFS1频率稳定度

图6 Galiloe卫星铷原子钟RAFS2频率稳定度

图7 Galiloe卫星铷原子钟和被动氢钟频率稳定度

表1 BDS星载原子钟性能

表2 GPS、GLONASS和BDS星载原子钟性能比较

BDS星载铷原子钟频率稳定度如图8所示。

4 BDS系统

北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。其空间星座由5颗地球静止轨道（GEO）卫星 、27颗中圆地球轨道（MEO）卫星和3颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星组成。GEO卫星轨道高度 35786km，分别定点于东经58.75°、80°、110.5°、140°和 160°；MEO 卫星轨道高度21528km，轨道倾角55°；IGSO卫星轨道高度35786km，轨道倾角55°。

4.1 BDS星载钟

我国BDS发射的卫星都搭载了3台铷原子钟，表1展示了BDS星载原子钟的性能，表2对比了GPS、GLONASS和BDS的星载原子钟性能。

5 结论

纵观GNSS的星载时频系统，其卫星钟大都基于星载铷原子钟，它们有的是一氢两铷、有的是一铯两铷，有的是三铷配置。研究结果表明，随着溯源和星载钟控制校准技术的发展，卫星导航系统星载钟的最佳配置是三铷。

图8 BDS卫星铷原子钟频率稳定度