米 紅，謝 軍，宋志強，屈勇晟

（中國空間技術研究院，北京 100094）

1 引言

北斗衛(wèi)星導航系統（BeiDou navigation satellite system，BDS），簡稱北斗系統，是我國獨立自主研制和建設的天基衛(wèi)星導航和授時系統，通過建立時間基準和空間基準提供相應服務的基礎設施［1］。2012年我國完成了北斗衛(wèi)星導航區(qū)域系統的建設，可為我國及周邊地區(qū)提供定位、測速、授時服務，同時可為特定用戶提供短報文通信業(yè)務服務。北斗衛(wèi)星導航區(qū)域系統的授時精度優(yōu)于50ns。

北斗星載時間頻率系統，簡稱時頻系統，是北斗時頻系統的重要組成部分，位于BDS的空間段。無論是社會日常生活、科技、經濟，還是國防建設運行都需要高精度的統一的時頻系統。獨立自主的時頻系統意味著一個國家能夠自主研制、開發(fā)、生產和運行管理系統所有的關鍵設備，協調處理時間頻率信息，具有完善的工作機制、機構和整體布局［2］。高穩(wěn)定度、高可靠性和高精度的時頻系統是國民經濟、社會發(fā)展和國防建設的重要基礎設施。

全球衛(wèi)星導航系統（global navigation satellite system，GNSS）本質上是一個時間同步系統，系統的時間基準是影響整個系統定位授時精度的關鍵因素。在現有建成使用和在建的衛(wèi)星導航系統中，高精度原子鐘（或稱為量子頻標）是實現系統定位授時精度的基礎與核心設備。

目前己建成使用的有美國的全球定位系統（global positioning system，GPS）、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導航系統（global navigation satellite system，GLONASS）和我國的BDS區(qū)域系統，歐洲的伽利略衛(wèi)星導航系統（Galileo navigation satellite system，Galileo）正在建設，日本在建準天頂衛(wèi)星系統（quasi－zenith satellite system，QZSS），印度在建印度區(qū)域衛(wèi)星導航系統（Indian regional navigational satellite system，IRNSS）。

本文以我國北斗星載時頻系統的發(fā)展建設為主線，綜合各類國內外文獻、網站的技術管理信息，梳理了北斗星載時頻系統的發(fā)展歷程，描述了當前以星載時頻系統為主的北斗時頻系統的現狀，并在分析歸納當前系統現狀的基礎上，提出了未來北斗時頻系統的發(fā)展趨勢。

2 發(fā)展歷程

北斗星載時頻系統伴隨著北斗衛(wèi)星導航系統和北斗時頻系統建設，從無到有逐漸成熟。我國從1994年開始，按照 “先區(qū)域，后全球，先有源，后無源”的發(fā)展思路分步實施北斗衛(wèi)星導航系統的試驗、研制和運行服務［1］。

2.1 2000年建成的第一代北斗星載時頻系統

北斗衛(wèi)星導航試驗系統，是我國獨立自主研制、建設和運行的第一代衛(wèi)星導航系統。2000年建成并投入使用，可為我國及周邊地區(qū)的用戶提供定位、短報文通信及授時這3類服務。通過文獻［3－4］可進―步了解北斗衛(wèi)星導航試驗系統的工作原理、系統組成、系統功能性能及應用、與其他衛(wèi)星導航系統的優(yōu)勢與差異。

北斗衛(wèi)星導航試驗系統的時頻系統由三部分組成：（1）地面中心站高性能原子頻標和若干個標校站的頻標；（2）空間段三顆地球同步靜止軌道衛(wèi)星（geostationary orbits satellite，GEO）的星載時頻系統；（3）各類用戶終端的頻標。北斗衛(wèi)星導航試驗系統星載時頻系統位于空間段的三顆衛(wèi)星上，每顆衛(wèi)星使用銣鐘和高穩(wěn)晶振互為備份作為星載高穩(wěn)頻標，通過微波鎖相倍頻獲得高穩(wěn)定度的頻率信號，為衛(wèi)星有效載荷的L、S、C頻段多路轉發(fā)器提供統一的頻率源。

北斗衛(wèi)星導航試驗系統具有雙向和單向兩種授時功能，系統設計的雙向授時指標為20ns，單向授時指標為100ns［4］。

分析時頻系統構成及工作原理可知，空間段衛(wèi)星的作用是透明轉發(fā)地面中心站和用戶終端發(fā)送的信息，時間系統的時間同步和計算功能由地面段完成。時頻系統對地面中心站及各監(jiān)測站以及站間時延標定、同步性能要求高，而對空間段的星載時頻系統精度要求相對較低。北斗衛(wèi)星導航試驗系統與GPS/GLONASS系統的工作原理不同，被稱為有源定位導航系統，向覆蓋區(qū)內用戶提供衛(wèi)星無線電測定服務（radio detection satellite service，RDSS），它解決了我國自主控制的衛(wèi)星定位系統從無到有的問題，為隨后建設的無源北斗衛(wèi)星導航系統奠定了堅實的基礎。

2.2 第二代北斗星載時頻系統建設

第二代北斗星載時頻系統建設與北斗衛(wèi)星導航系統建設同步，分兩步走，即：第一步2012年建成北斗衛(wèi)星導航區(qū)域系統；第二步2020年前后建成北斗衛(wèi)星導航全球系統。

2007年4月，北斗衛(wèi)星導航系統的中圓地球軌道（medium earth orbits，MEO）第一顆試驗衛(wèi)星成功發(fā)射。衛(wèi)星入軌正常工作后，驗證了以星載銣原子鐘（以下簡稱銣鐘）為核心的衛(wèi)星統一時頻基準的性能符合設計要求［5］，完成了單顆衛(wèi)星星地時間同步技術的驗證。2011年建成由3顆GEO和3顆傾斜地球同步軌道（inclined geo－synchronous orbits，IGSO）衛(wèi)星組成的北斗衛(wèi)星導航基本系統，驗證了在區(qū)域內基本系統的空間段與地面主控站、時間同步站的時頻基準可以實現精密的時間同步。2012年建成北斗衛(wèi)星導航區(qū)域系統的星載時頻系統，實現了覆蓋我國及周邊地區(qū)的各項衛(wèi)星導航服務指標。

北斗衛(wèi)星導航時頻系統可以劃分為三大組成部分［3］：（a）空間段所有三類衛(wèi)星裝配的星載時頻系統；（b）地面段運行控制系統的高性能原子鐘組及同步信息處理系統；（c）用戶段用戶終端的頻標。

其中，星載時頻系統為空間段導航衛(wèi)星提供高精度、高穩(wěn)定度和高可靠性的頻率源，是實現空間段時頻基準穩(wěn)定可靠和高精度星地時間同步的核心［5］，是衛(wèi)星導航系統研制建設的關鍵技術之一［1］；地面運行控制系統設有高性能原子鐘系統，負責建立北斗衛(wèi)星導航系統的時頻基準，并維持全系統的時間同步；用戶終端為單向授時終端，通過接收、解析空間段播發(fā)的導航信號和電文，完成與北斗衛(wèi)星導航系統時頻基準的同步，實現高精度授時功能。

2.3 北斗星載原子鐘發(fā)展歷程

2002年中國香山科學會議第181次學術討論會設有衛(wèi)星導航星載原子鐘與時間同步專題會［6-7］。同年，美國海軍研究委員會、國家科學院、精密時間與時間間隔科學技術評估委員會聯合發(fā)布的《精密時間與時間間隔科學技術的評估》一文中強調了 “準確的時鐘和頻率源對于國防部具有生死攸關的意義”。

原子頻率基準是目前所有計量基準中最高的準確度，地面原子鐘的精度已達到10－18量級。衛(wèi)星導航系統直接利用時間測量來確定空間距離，原子鐘是建立、維持衛(wèi)星導航星載時頻系統的基礎與核心，并成為推動其更新換代的原動力。各類原子鐘也是北斗時頻系統的主要設備，BDS中的時間基準為北斗時（BeiDou navigation satellite system time，BDT），是使用原子鐘產生的。

我國原子鐘的研究起源于20世紀50年代，1965年研制出第一臺地面銫頻標樣機，1973年研制出第一臺地面銣頻標樣機［2］。經過幾十年的努力，地面原子鐘產品己廣泛應用于守時、導航、定位、勘測和精密測量等領域。

我國空間原子鐘工程化的工作起步較晚，始于1999年星載產品的預先研究課題［5］。2000年，北斗衛(wèi)星導航系統建設工程正式立項后，在衛(wèi)星系統的統一組織下，通過國內多家單位大力協同，取得了良好的成果。2006年，我國第一臺星載銣鐘產品隨實踐8號衛(wèi)星成功發(fā)射且在軌工作正常［5］；2009年起，我國發(fā)射的北斗導航衛(wèi)星上均配置有國產銣鐘，星載銣鐘為BDS的功能、性能指標的實現奠定了基礎。目前，我國北斗時頻系統使用的原子鐘主要為銫鐘、氫鐘和銣鐘三大類［8］，其中空間段北斗導航衛(wèi)星配置的星載原子鐘均為銣鐘［5，9-12］，地面段和用戶段則使用銫鐘、氫鐘、主動型或被動型銣鐘和芯片級原子鐘（chip－scale atomic clock，CSAC）［13］。

北斗導航衛(wèi)星工程取得的重要成果之一是成功研制了星載銣鐘，集智攻關解決了星載銣鐘的壽命評估、力學試驗、溫度敏感性、真空下與常壓下性能參數差異、長期穩(wěn)定度測試考核等問題，經在軌驗證表明：國產星載銣鐘性能指標均達到了國際先進水平，優(yōu)于歐洲同類產品，滿足系統要求［1］。

3 北斗星載時頻系統現狀

北斗衛(wèi)星導航系統具有導航定位、短報文通信、位置報告和授時功能，擁有統一的北斗時頻系統，使用唯一的時間基準，即北斗時（BDT）。BDT采用國際單位制（SI）秒為基本單位連續(xù)累計，不閏秒，BDT與協調世界時（coordinated universal time，UTC）之間的閏秒信息在衛(wèi)星發(fā)送的導航電文 中 播 報， 起 始 歷 元 為 2006－01－01UTC 00：00：00，采用周和周內秒計數［14］。

3.1 北斗衛(wèi)星導航系統組成

北斗衛(wèi)星導航系統由地面段、空間段和用戶段三部分組成。其中，地面段包括主控站、時間同步站、注入站和監(jiān)測站等若干個地面站?？臻g段包括5顆GEO衛(wèi)星、27顆MEO衛(wèi)星和3顆IGSO衛(wèi)星。截至2014年2月，空間段在軌工作衛(wèi)星共有14顆，其中5顆GEO衛(wèi)星同時配備了RDSS業(yè)務載荷和衛(wèi)星無線電導航服務（radio navigation satellite service，RNSS）業(yè)務載荷，在覆蓋區(qū)范圍內向用戶提供RDSS和RNSS兩種體制的導航服務；4顆MEO衛(wèi)星和5顆IGSO衛(wèi)星［14］配置了RNSS業(yè)務載荷，向用戶提供RNSS體制的導航服務。用戶段包括北斗用戶終端以及與其他衛(wèi)星導航系統兼容的終端設備。

3.2 北斗衛(wèi)星導航星載時頻系統組成

當前在軌參與組網工作的北斗導航衛(wèi)星共計14顆，北斗衛(wèi)星導航星載時頻系統由空間段14顆衛(wèi)星配置的時頻子系統組成。每顆衛(wèi)星的時頻子系統均配置有多臺星載原子鐘，衛(wèi)星加電工作時其中一臺為主工作鐘，給整星提供10MHz時頻基準；其余原子鐘為備份鐘，衛(wèi)星在軌工作時可按照需求由地面發(fā)送遙控指令將任意一臺備份鐘切換為主工作鐘。

衛(wèi)星采用統一的頻率源技術，由各星的時頻子系統負責產生、保持和校準衛(wèi)星的基準頻率和基準時間。衛(wèi)星RNSS業(yè)務載荷上行注入和精密測距鏈路與下行導航信號生成播發(fā)鏈路之間建立了時間同步通道，因此衛(wèi)星有效載荷的上行鏈路、下行鏈路的信號時序與該星時間基準可以保持同步。衛(wèi)星RNSS業(yè)務載荷下行鏈路播發(fā)的多頻點導航信號相位之間具有強相關性，可以滿足雙頻用戶終端的定位授時需求。

根據北斗導航衛(wèi)星的GEO衛(wèi)星設計方案，RDSS業(yè)務載荷和RNSS業(yè)務載荷共用時頻子系統提供的10MHz時頻基準，兩種體制播發(fā)的導航信號之間的時間與相位關系由地面系統控制管理。

圖1 單顆北斗GEO衛(wèi)星星載時頻系統組成示意圖

3.3 北斗星載時頻系統的時間同步機制

GNSS的時頻系統本質上是一個時間同步系統，要求衛(wèi)星導航系統的各組成部分（包括導航衛(wèi)星、地面段和用戶終端）的時鐘具有協同一致的時序和節(jié)拍。目前，北斗區(qū)域系統的時間同步包括星地時間同步和各類地面站（主控站、注入站、監(jiān)測站）站間的時間同步。北斗全球系統設計有星間鏈路有效載荷，屆時星載時頻系統將具備星間時間同步功能。

北斗星載時頻系統負責建立和維護空間段時間頻率的準確度、穩(wěn)定性和連續(xù)性，配合地面段運控系統實現在軌衛(wèi)星與地面BDT的時間同步。主控站的主鐘產生BDT的時間信號，使用一套自校準閉環(huán)系統實現空間段星載時頻系統與BDT之間的時間同步。主控站綜合分析處理各監(jiān)測站測量預測的星鐘與BDT的偏差，推算出新的星地鐘差參數和星歷數據，然后通過注入站上傳給相應的衛(wèi)星。衛(wèi)星收到新的數據和參數后，將其播發(fā)給用戶段的用戶終端，以提高定位授時精度。

與GPS系統相比，北斗系統設計具有兩個不同之處：（1）星座由三類不同軌道的衛(wèi)星組成；（2）采用了無線電雙向時間同步技術。上述特點使北斗衛(wèi)星導航系統的星地時間同步技術既具有創(chuàng)新性和獨特性，也有明顯的技術復雜性。在BDS工程建設過程中，通過多角度、多層面的研究、模擬試驗和在軌試驗，突破了多項技術難點，掌握了北斗區(qū)域系統的星地時間同步技術要點，確保實現了包括50ns授時精度在內的北斗區(qū)域系統的各項服務性能指標。

北斗系統的站間時間同步方法包括以下三種方法：衛(wèi)星雙向時間傳遞（two－way satellite time transfer，TWSTT）、衛(wèi)星雙向共視和GEO衛(wèi)星雙向共視三種方法。前兩種方法可以達到納秒級同步精度，第三種方法是基于RDSS雙向時間比對法完成站間時間同步，同步精度在幾十納秒量級［3］。

北斗衛(wèi)星導航系統具有星地激光雙向時間同步功能，精度可優(yōu)于0.1ns［3］。但是激光同步測量受傳輸路徑環(huán)境限制，不能實現全天候測量，因此北斗系統的激光雙向時間同步功能主要作為星地無線電雙向時間同步功能的校準手段。

3.4 BDT與UTC的關系

每個GNSS系統均建立并維持各自獨立的時頻系統，通過保持與UTC的同步，實現各衛(wèi)星導航系統時間的兼容。最新公布的北斗系統的信號接口控制文件（interface control document，ICD）［14］規(guī)范了BDT與UTC的偏差保持在100ns以內（模1s）。BDT溯源到 UTC（NTSC）。UTC（NTSC）由中國科學院國家授時中心（national time service center，NTSC）保持，其與UTC的誤差全年可控制在±25ns以內［8］。

北斗導航衛(wèi)星的導航電文播發(fā)BDT與GPS、Galileo和GLONASS系統的時間基準GPST、GST和GLONASS時間的同步參數，可以實現BDS與其他GNSS系統時頻基準的兼容互換。

關于國際原子時（international atomic time，TAI）和UTC的定義，以及各GNSS系統時與UTC的換算方法可見文獻 ［2］。

4 發(fā)展趨勢

目前，北斗區(qū)域系統經過了全面的試驗評估，驗證了北斗星載時頻系統已滿足北斗工程大系統提出的各項設計指標。

為了不斷提升北斗星載時頻系統性能，基于國內外相關領域的最新技術成果，未來有幾個值得關注的發(fā)展趨勢：

（1）北斗系統具有不同于其他GNSS系統的設計特點。需要針對這些特點加強星地時間同步技術、測量技術的研究，提高星地時間同步精度，在全球范圍內為用戶提供更高精度的BDT授時服務。

（2）充分發(fā)揮星間鏈路的作用，實現星間時頻信號自主生存能力：北斗區(qū)域系統衛(wèi)星的有效載荷沒有星間鏈路設計。根據我國北斗衛(wèi)星導航系統建設的戰(zhàn)略部署，隨著2020年前后將建成北斗全球覆蓋系統，通過星間鏈路實現北斗星載時頻系統的星間同步功能。此外，新增的星間鏈路還將提升北斗星載時頻系統的自主生存能力，即當一段時間內地面段主控站沒有更新上注數據時，星鐘與BDT鐘差參數可以通過星間鏈路修正后播發(fā)給用戶終端，降低因地面段功能缺失對系統授時精度的影響程度。

美國曾提出用廉價星載鐘組替代專用星載鐘的思路［15］，認為從守時功能來看，鐘組優(yōu)于性能最好的單臺鐘。國內已有單位著手進行利用星座中的多顆衛(wèi)星上獨立的原子鐘形成綜合衛(wèi)星時間的方案研究，提出了相關的采集、處理算法。雖然該思路尚未應用于已建成的GNSS的時頻系統，仍不失為未來星載時頻系統設計的一種有待研究的備選方案。

（3）開展更高精度星載原子鐘技術研究［12，16-17］：北斗區(qū)域系統實現了星載銣鐘國產化和工程化的目標，是系統建設過程中攻克的關鍵技術之一。但是，與國際最先進的星載原子鐘相比，性能還有進一步提高的空間和需求。目前，在軌北斗星載銣鐘的天穩(wěn)在10－13量級［16］，而美國PE公司研制并應用于GPSⅡR星載原子鐘的天穩(wěn)在10－14量級，增強型銣原子鐘（ERAFS）的天穩(wěn)已接近2×10－15。

一方面要加強新一代星載銣鐘（即增強型銣鐘）技術研究；另一方面需要加大投入力度，拓展研制其他各類星載原子鐘，并盡快實現工程化，為我國北斗星載時頻系統達到國際先進水平提供保障。小型化被動氫鐘、銫鐘、微波離子鐘等都是很有發(fā)展?jié)摿Φ奈磥砀咝阅苄禽d原子鐘。

（4）在北斗星載時頻系統實現全面覆蓋之前，有必要注重國際協調與合作，加強BDT與其他GNSS時頻系統兼容互操作領域的課題研究，提高BDT溯源的精度和穩(wěn)定度。

5 結束語

北斗星載時頻系統由我國自主研究和開發(fā)，是北斗時頻系統位于空間段的重要組成部分。本文重點梳理了北斗星載時頻系統從無到有的建設發(fā)展歷程，描述了系統現狀，并提出未來發(fā)展趨勢，沒有單獨討論具體技術細節(jié)，對其他GNSS時間系統的介紹可以參閱其他書籍［18-19］。

世界發(fā)達國家和地區(qū)均十分重視星載時頻系統的建設，將其作為衛(wèi)星導航系統的關鍵技術進行研究和管理，加緊研制開發(fā)新一代高性能星載時頻系統。我國也在積極組織，集智攻關，2020年，北斗星載時頻系統實現全球覆蓋，系統性能將顯著提升。

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