卫星双向时间频率比对软件接收技术研究

杨志强， 梁 坤， 张爱敏， 袁小迪， 宋文霞

(中国计量科学研究院，北京 100029)

1 引 言

时间是一个基本物理量，秒定义是7个基本物理量定义之一。到目前为止，秒定义是7个基本物理量中准确度最高的物理量[1]。国际计量局(BIPM)通过国际原子时合作，利用全球各个时间频率实验室间的比对数据计算并发布国际原子时(TAI)及协调世界时(UTC)。时间频率远程传递与比对技术是全球时间频率实验室参加国际原子时合作的必要手段。目前，高精度时间频率远程传递与比对方法主要有两种，一种是利用地球同步通信卫星的卫星双向时间频率传递(two-way satellite time and frequency transfer，TWSTFT)方法[2～4]，另一种是利用全球导航卫星系统(global navigation satellite system，GNSS)的时间频率传递方法[5，6]。

卫星双向时间频率传递技术通过建立卫星地面站、租用卫星信道和处理比对数据实现远距离时间频率比对。TWSTFT技术不但应用于通过比较本地时标进行时间传递，也应用于原子喷泉钟和氢钟之间的精密频率比对。TWSTFT比对工作由BIPM时间频率咨询委员会(consultative committee of time and frequency，CCTF)的TWSTFT工作组负责组织实施。目前，TWSTFT系统中通常使用SATRE调制解调器，研究发现TWSTFT结果中存在连续的周日变化误差(diurnal)，这是卫星双向时间比对主要的统计学不确定度来源，在使用1 Mchip/s时，该误差的峰峰值幅度可达2 ns[7～11]。

近年来，一些实验室利用软件接收机技术(software defined receiver，SDR)配合SATRE调制解调器开展了相关实验研究，SDR比对结果表明该技术能明显降低卫星双向时间比对中的周日变化误差并提高短期稳定度[12～14]。2016年1月，国际计量局卫星双向时间比对工作组启动了利用SDR接收机参与计算UTC的实验研究，目的是研究SDR TWSTFT在亚洲—亚洲，亚洲—欧洲，欧洲—欧洲，欧洲—美国链路，在使用不同转发卫星的情况下，SDR接收机相对于传统SATRE调制解调器的改善性能[15，16]。全球范围内，16个时间实验室安装了SDR接收机并且参加了SDR TWSTFT的测量：亚洲实验室包括TL、NICT、KRISS、NTSC、NIM；欧洲实验室包括PTB、OP、VNIIFTRI(SU)、INRIM(IT)、METAS(CH)、AOS、PL(GUM)、RISE(SP)、ROA和NPL；还有美国的NIST实验室。在实验研究中，租用了3个卫星的KU转发器；其中，亚洲—亚洲链路使用Eutelsat 172A(E172A)卫星，租用带宽2.5 MHz，在2017年11月，E172A由E172B代替；亚洲—欧洲链路使用Express AM22卫星，租用带宽2.5 MHz直到2017年6月；欧洲—欧洲和欧洲—美国链路使用Telstar 11N(T-11N)卫星，租用带宽1.7 MHz。2018年3月，亚洲—欧洲链路使用Express AM22卫星由ABS-2A代替。BIPM对覆盖全球的SDR TWSTFT时间比对链路的研究结果表明，与传统的SATRE TWSTFT相比，在所有链路中，SDR TWSTFT表现出了优于或者至少是相似的性能。

中国计量科学研究院(NIM)参加了该项由BIPM牵头组织的研究工作，在基于AM22通信卫星的亚洲—欧洲卫星双向比对链路中，NIM与俄罗斯计量院(SU)之间的SDR TWSTFT结果相对于传统的SATRE TWSTFT结果得到明显改善，增益因子的平均值为2.0；同时，NIM-SU SDR链路也是全球第一条周日变化误差得到明显改善的长基线洲际SDR TWSTFT链路。分析了基于ABS-2A卫星的SDR TWSTFT和SATRE TWSTFT的时间稳定度计算结果，结果表明SDR TWSTFT对短期链路噪声的抑制效果更为显著。

2 卫星双向比对原理

卫星双向时间频率传递方法的基本原理是用户之间通过卫星同时交换时间信息，比对结束后，两地实验室交换数据，若两信号经过的路径对称或者准对称的话，就可以抵消传播时延。经过数据处理，可以得到两地时标之间的时间差和相对频率偏差。

卫星双向比对系统主要由卫星地面站、调制解调器、时间间隔计数器和数据采集处理计算机组成。卫星地面站主要包括卫星天线、发射用上变频器、接收用下变频器等。按照预定的比对时间表，参加同一条比对链路的地面站在规定时间内测量时间信号并存储结果，通过交换数据来计算两地的时标差。

图1 卫星双向时间频率传递原理图Fig.1 The principle of TWSTFT

如图1所示，卫星双向时间传递的信号流程如下：在地面站1，本地产生的1 PPS信号通过调制解调器编码并调制到70 MHz中频，上变频器将 70 MHz 的信号上变频到KU波段发射给卫星，卫星接收并将此信号转换到下行频率向地面广播。远程的地面站2接收到卫星转发的信号后，将其下变频到70 MHz，传送到地面站2的解调器，解调出地面站1发射1 PPS信号；地面站2的时间间隔计数器测量本地发送1 PPS信号和解调到1 PPS信号之间的时间间隔；地面站1的时间间隔计数器采用同样的测量原理。

图1中各符号含义如下：TS(k)：地面站k(1或2)参考点的时标1 PPSTX；TI(k)：时间间隔读数TX(k)：发射延迟，包括调制解调器延迟；RX(k)：接收延迟，包括调制解调器延迟；SPU(k)：上行链路传播延迟；SPD(k)：下行链路传播延迟；SPT(k)：卫星延迟；SCU(k)：上行链路Sagnac修正延迟；SCD(k)：下行链路Sagnac修正延迟。

地面站1的时间间隔计数器(TIC)读数为：

TI(1)=TS(1)-TS(2)+TX(2)+SPU(2)+

SCU(2)+SPT(2)+SPD(1)+

SCD(1)+RX(1)

(1)

地面站2的TIC读数为：

TI(2)=TS(2)-TS(1)+TX(1)+SPU(1)+

SCU(1)+SPT(1)+SPD(2)+

SCD(2)+RX(2)

(2)

所以：

TI(1)-TI(2)=2TS(1)-2TS(2)+TX(2)-

TX(1)+SPU(2)-SPU(1)+

SPT(2)-SPT(1)+SPD(1)-

SPD(2)+RX(1)-RX(2)+

SCD(1)-SCU(1)-

SCD(2)+SCU(2)

(3)

地面站1与地面站2之间的时标之差由式(4)给出：

TS(1)-TS(2)=+0.5[TI(1)]-0.5[TI(2)]+

0.5[SPT(1)-SPT(2)]-

0.5[SCD(1)-SCU(1)]+

0.5[SCD(2)-SCU(2)]+

0.5[SPU(1)-SPD(1)]-

0.5[SPU(2)-SPD(2)]+

0.5[TX(1)-RX(1)]-

0.5[TX(1)-RX(1)]

(4)

式(4)中除了卫星的延迟SPT外，其他延迟可以逐个站进行校正。

3 SDR TWSTFT比对实验

全球SDR TWSTFT比对网络如图2所示。在卫星双向时间比对中，SDR接收机与SATRE调制解调器并行使用；在每个地面站，发射信号由SATRE调制解调器产生；在接收单元，下变频后的信号一分为二，同时输入SATRE调制解调器和SDR接收机。在这两套装置中，信号的到达时间是独立确定的。

图2 SDR TWSTFT全球比对网络Fig.2 Global network of SDR TWSTFT

3.1 BIPM组织的SDR TWSTFT实验研究

BIPM组织的实验研究覆盖全球的SDR TWSTFT网络。从研究结果可见，与传统的SATRE TWSTFT相比，在所有链路中，SDR TWSTFT表现出了优于或者至少是相似的性能。精确地看，在洲内链路中，例如欧洲内部链路具有较大的周日变化误差，SDR TWSTFT表现出明显改善，减小周日误差的因子在2～3倍；在较长的洲际链路上，例如大西洋链路(欧洲—美国)中，SDR TWSTFT仅仅获得了30%到40%的改善因子，但仍然是明显改进。

BIPM选取具有代表性的OP-PTB和AOS-PTB链路的实验结果进行分析，表1统计了SDR TWSTFT与SATRE TWSTFT比对结果的时间标准偏差及增益因子。

表1 SDR TWSTFT相对SATRE TWSTFT的增益因子Tab.1 The gain factor of SDR TWSTFT vs SATRE TWSTFT

图3 SDR TWSTFT与SATRE TWSTFT时间偏差比较图Fig.3 The TDEV results between SDR TWSTFT and SATRE TWSTFT

图4 增益因子Fig.4 The gain factor of SDR TWSTFT vs SATRE TWSTFT

由图4可见，SDR TWSTFT与SATRE TWSTFT比对结果的增益因子在平均时间为8 h时达到最大值，随着平均时间的增加，增益因子逐渐减小。

3.2 NIM的SDR TWSTFT实验结果及分析

2017年2月，NIM成功安装SDR接收机并参加BIPM组织的SDR TWSTFT比对实验；SDR接收机由A/D采样器(USRP N210)，GPU数据处理器(Nvidia Tesla K40)和一台工作站组成。SDR接收机与NIM01地面站的结构如图5，为了满足A/D采样器对输入信号的要求，使用了70 MHz的带通滤波器和前端低噪声放大器对信号进行预处理。

图5 NIM01卫星地面站SDR结构图Fig.5 The SDR framework of NIM01 earth station

SDR TWSTFT数据的格式按照ITU-R TF.1153-4(ITU for short)的规定编写[17]。采用与SATRE测量时相同的文件名称来记录SDR TWSTFT数据并参加UTC计算实验。2017年2月～6月，亚洲—欧洲TWSTFT链路租用卫星为AM22；由于PTB参加亚洲—欧洲TWSTFT链路的地面站没有安装SDR，无法获取PTB的SDR比对数据；因此，选取SU-NIM的比对数据进行分析，SU-NIM TWSTFT链路是欧洲—亚洲长距离卫星双向比对链路，比对两端实验室分别位于俄罗斯莫斯科和中国北京。

图6给出了AM22链路中，SDR和SATRE TWSTFT的时差比对结果。

图6 AM22链路SU-NIM时差比对结果Fig.6 Time difference btween SU and NIM of AM22 link

表2统计了AM22链路中SU-NIM的SDR TWSTFT相对SATRE TWSTFT的增益因子，在SU-NIM链路中，SDR TWSTFT的结果比SATRE TWSTFT具有明显的改善，平均增益因子为2.0。

表2 AM22链路中SU-NIM的SDR TWSTFT相对SATRE TWSTFT的增益因子Tab.2 The gain factor of SU-NIM SDR TWSTFT vs SATRE TWSTFT on AM22 link

2017年6月底，AM22卫星由于使用寿命到期不能继续使用，同时没有符合要求的卫星替代，亚洲—欧洲TWSTFT链路暂停比对。2018年3月，随着俄罗斯ABS-2A卫星发射成功并通过测试，亚洲—欧洲链路开始租用ABS-2A卫星进行卫星双向比对，参比实验室包括PTB、NIM、NTSC、NICT。

在实际使用中发现ABS-2A的链路噪声相对较大。由于NICT01没有上传SDR数据到BIPM，通过分析PTB-NIM-NTSC之间的比对数据来验证SDR TWSTFT的改善性能，选取的比对数据日期为MJD 58 802-58 827。

图7和图8分别给出了SATRE TWSTFT和SDR TWSTFT比对结果的时间稳定度(time stability)。图中，纵坐标为：时间偏差/ns，横坐标为：平均时间/0.5 hours。

图7 ABS-2A链路SATRE比对结果的时间稳定度Fig.7 The time stability of SATRE results by ABS-2A link

图8 ABS-2A链路SDR比对结果的时间稳定度Fig.8 The time stability of SDR results by ABS-2A link

表3～表5分别统计了ABS-2A链路中NIM-PTB、NIM-NTSC、PTB-NTSC之间SDR TWSTFT相对SATRE TWSTFT的增益因子(时间稳定度计算结果)，其中NIM-PTB和PTB-NTSC的平均增益因子均优于2.5。从3个表中结果可见，所有的增益因子都随着统计时间的增长而减小。

表3 ABS-2A链路中NIM-PTB的SDR TWSTFT相对SATRE TWSTFT的增益因子Tab.3 The gain factor of NIM-PTB SDR TWSTFT vs SATRE TWSTFT on ABS-2A link

4 结 论

在卫星双向时间频率比对中，基于SATRE的TWSTFT比对结果的不确定度水平受限于一种周日变化误差，在一些链路的比对结果中，能够观测到该误差的峰峰值大于2 ns。

一些实验室也开展了对于这种周日变化误差的研究，但迄今为止，没有研究成果能够明确给出导致该误差的主要原因。近年来，一种基于SDR的TWSTFT地面站能够明显地降低卫星双向比对链路的测量噪声。因此，BIPM时间频率咨询委员会卫星双向时间比对工作组启动了一项在全球TWSTFT网络中应用SDR进行UTC计算的实验研究，该项研究的结果表明，与基于SATRE的TWSTFT相比，SDR TWSTFT表现出更优秀的性能。

NIM参加了该项由BIPM牵头组织的研究工作，在基于AM22通信卫星的亚洲—欧洲卫星双向比对链路中，NIM与SU之间的SDR TWSTFT结果相对于传统的SATRE TWSTFT结果得到明显改善，增益因子的平均值为2.0；同时，NIM-SU SDR链路也是全球第一条周日变化误差得到明显改善的长基线洲际SDR TWSTFT链路。分析了基于ABS-2A卫星的SDR TWSTFT和SATRE TWSTFT的时间稳定度计算结果，结果表明SDR TWSTFT对短期链路噪声的抑制效果更为显著。

表4 ABS-2A链路中NIM-NTSC的SDR TWSTFT相对SATRE TWSTFT的增益因子Tab.4 The gain factor of NIM-NTSC SDR TWSTFT vs SATRE TWSTFT on ABS-2A link

表5 ABS-2A链路中PTB-NTSC的SDR TWSTFT相对SATRE TWSTFT的增益因子Tab.5 The gain factor of PTB-NTSC SDR TWSTFT vs SATRE TWSTFT on ABS-2A link