張升康，楊文哲，王學(xué)運(yùn)，王海峰，葛 軍

(1.北京無(wú)線電計(jì)量測(cè)試研究所，北京 100854；2.計(jì)量與校準(zhǔn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100854)

0 引言

時(shí)間頻率傳遞技術(shù)在國(guó)防建設(shè)、計(jì)量校準(zhǔn)、電力交通和科學(xué)研究等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞(Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer，TWSTFT)方法作為一種獨(dú)立的、高精度時(shí)間頻率傳遞方法，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間產(chǎn)生與傳遞、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)等方面具有非常重要的價(jià)值。國(guó)際計(jì)量局(International Bureau of Weights and Measures，BIPM)負(fù)責(zé)的國(guó)際原子時(shí)(International Atomic Time，TAI)以及在其基礎(chǔ)上建立的協(xié)調(diào)世界時(shí)(Coordinated Universal Time，UTC)使用了全球80多個(gè)守時(shí)實(shí)驗(yàn)室約450臺(tái)原子鐘的比對(duì)數(shù)據(jù)，TWSTFT網(wǎng)絡(luò)是TAI守時(shí)實(shí)驗(yàn)室原子鐘遠(yuǎn)程比對(duì)的重要途徑[1]。

TWSTFT技術(shù)起源于20世紀(jì)60年代，隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的進(jìn)步而同步發(fā)展。1962年，J. M. Steele和W. Markowitz等[2]首次在美國(guó)海軍天文臺(tái)(United States Naval Observatory，USNO)和英國(guó)皇家格林尼治天文臺(tái)(Royal Greenwich Observatory，RGO)之間利用Telstar I衛(wèi)星進(jìn)行雙向時(shí)間比對(duì)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用持續(xù)時(shí)間為5μs的脈沖信號(hào)，每秒發(fā)射10個(gè)脈沖，實(shí)現(xiàn)了大約±1μs衛(wèi)星時(shí)間比對(duì)精度。隨后的20年間，陸續(xù)開展了利用通信衛(wèi)星進(jìn)行遠(yuǎn)程時(shí)間比對(duì)的實(shí)驗(yàn)，但受制于衛(wèi)星通信技術(shù)，特別是信號(hào)調(diào)制解調(diào)的限制，衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)精度一直在微秒至數(shù)百納秒量級(jí)。1983年，斯圖加特大學(xué)P. Hartl等[3]利用偽隨機(jī)碼擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào)作為時(shí)間傳遞信號(hào)載體，設(shè)計(jì)了專門用于時(shí)間傳遞的調(diào)制解調(diào)器，通過(guò)商業(yè)通信衛(wèi)星和小型衛(wèi)星地球站將時(shí)間傳遞精度提升到1ns量級(jí)，極大地推動(dòng)了TWSTFT技術(shù)的發(fā)展。隨后，世界主要的守時(shí)實(shí)驗(yàn)室分別建立TWSTFT系統(tǒng)，開展日常時(shí)間頻率傳遞。1989年，BIPM成立TWSTFT臨時(shí)工作組，協(xié)調(diào)守時(shí)實(shí)驗(yàn)室間的TWSTFT比對(duì)工作，該臨時(shí)工作組于1993年轉(zhuǎn)為永久性工作組[4]。隨著TWSTFT系統(tǒng)的正常運(yùn)行，1999年，BIPM確定將TWSTFT比對(duì)數(shù)據(jù)作為TAI計(jì)算的主要數(shù)據(jù)之一[5]。至2019年，全球已有21個(gè)守時(shí)實(shí)驗(yàn)室采用TWSTFT技術(shù)向BIPM進(jìn)行報(bào)數(shù)[6]。

與其他的時(shí)間頻率傳遞方法相比，TWSTFT方法具有特有的優(yōu)勢(shì)。TWSTFT采用通信衛(wèi)星信道，具有覆蓋范圍廣、時(shí)頻傳遞基線長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)跨大洲的時(shí)間頻率比對(duì)；TWSTFT地球站天線波束小，受周邊電磁信號(hào)影響小，具有較好的抗干擾能力；TWSTFT系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)外依賴小，時(shí)間頻率比對(duì)精度高，時(shí)差測(cè)量數(shù)據(jù)可共信道傳輸，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)交互和時(shí)頻比對(duì)；TWSTFT采用無(wú)線信道傳輸，鏈路比對(duì)對(duì)站點(diǎn)位置不敏感，可用于相對(duì)運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)間的時(shí)頻傳遞?；谝陨蟽?yōu)勢(shì)，TWSTFT技術(shù)具有很強(qiáng)的生命力，除用于守時(shí)系統(tǒng)比對(duì)外，在衛(wèi)星導(dǎo)航、衛(wèi)星定軌和時(shí)間統(tǒng)一等領(lǐng)域也具有重要應(yīng)用價(jià)值。

本文在簡(jiǎn)單回顧了TWSTFT發(fā)展歷史的基礎(chǔ)上，闡述了TWSTFT的原理和誤差來(lái)源，給出了近年來(lái)國(guó)際上在降低TWSTFT誤差方面所做的努力和獲得的進(jìn)展，分析了當(dāng)前TWSTFT系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題，并展望了TWSTFT技術(shù)的主要發(fā)展方向。

1 TWSTFT原理與誤差分析

1.1 TWSTFT原理[7]

TWSTFT以通信衛(wèi)星作為信號(hào)和信息傳輸載體,對(duì)地面上兩站的時(shí)間進(jìn)行精確比對(duì)，參與比對(duì)的兩站向衛(wèi)星發(fā)射調(diào)制的時(shí)頻信號(hào)，接收經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)自對(duì)方的時(shí)間頻率調(diào)制信號(hào)，經(jīng)解調(diào)測(cè)量和測(cè)量數(shù)據(jù)交互，能夠極大程度上消除傳輸路徑時(shí)延影響，從而得到精確的站間時(shí)差結(jié)果。TWSTFT的基本原理框圖如圖1所示，設(shè)站A和站B的時(shí)間參考需要進(jìn)行衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率比對(duì)，每個(gè)站的衛(wèi)星雙向系統(tǒng)包括時(shí)間參考、調(diào)制解調(diào)器、衛(wèi)星地面站和計(jì)數(shù)器。在實(shí)際工作中，站A的時(shí)間參考輸出的1PPS信號(hào)分成兩路，一路輸入至調(diào)制解調(diào)器，經(jīng)地面站A發(fā)送到衛(wèi)星上，并由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到地面站B；另一路用作本地計(jì)數(shù)器A的開門脈沖，使計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。站B配備和信號(hào)流與站A完全相同。當(dāng)站B的信號(hào)經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)站A后，由調(diào)制解調(diào)器A恢復(fù)出站B信號(hào)的1PPS脈沖信號(hào)，此信號(hào)用作計(jì)數(shù)器A的關(guān)門脈沖。則A、B兩站的時(shí)差為

(1)

圖1 衛(wèi)星雙向時(shí)間傳遞原理框圖Fig.1 Schematic diagram of TWSTFT

1.2 TWSTFT誤差分析

1)調(diào)制解調(diào)與時(shí)間間隔測(cè)量誤差[8-9]

當(dāng)前的TWSTFT系統(tǒng)中，一般將時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器和調(diào)制解調(diào)器集成在一個(gè)設(shè)備中，所以這兩部分誤差可以合并。調(diào)制解調(diào)器一般采用偽隨機(jī)碼(Pseudorandom Noise，PN)擴(kuò)頻形式，在信號(hào)解調(diào)時(shí)，需要采用延遲鎖定環(huán)路(Delay Locking Loop，DLL)實(shí)現(xiàn)對(duì)偽隨機(jī)碼相位的測(cè)量，由于鏈路熱噪聲的影響，DLL對(duì)擴(kuò)頻碼的跟蹤會(huì)存在一個(gè)隨機(jī)抖動(dòng)，抖動(dòng)的大小取決于鏈路的信噪比和偽碼的速率。根據(jù)時(shí)間傳遞中偽碼擴(kuò)頻測(cè)距原理，鏈路中熱噪聲引起的時(shí)間傳遞誤差滿足[10]

(2)

式中，Tc為偽碼的碼片寬度；F1為偽碼跟蹤環(huán)鑒別器相關(guān)因子；d為超前、即時(shí)和滯后之間的相關(guān)器間隔；Bn為碼環(huán)路的噪聲帶寬；C/N0為接收信號(hào)與噪聲功率比，單位為dB-Hz；T為積分清除時(shí)間；F2為碼跟蹤環(huán)鑒別器類型因子。圖2所示為擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)器時(shí)間測(cè)量抖動(dòng)隨鏈路信噪比的變化關(guān)系，對(duì)于碼率為2.5MChip/s的擴(kuò)頻鏈路，當(dāng)載噪比為60dBHz時(shí)，時(shí)間傳遞的抖動(dòng)為0.3ns。在TWSTFT調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)時(shí)，一般將時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器內(nèi)置其中，此時(shí)不再區(qū)分時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器的誤差和調(diào)制解調(diào)器誤差。當(dāng)前的時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器精度一般在10～50ps量級(jí)，相對(duì)調(diào)制解調(diào)器的跟蹤測(cè)量誤差較小。

圖2 調(diào)制解調(diào)器抖動(dòng)與鏈路載噪比的關(guān)系Fig.2 Relationship between modem jitter and signal power-noise ratio

2)信號(hào)空間傳輸路徑時(shí)延非對(duì)稱誤差

空間傳輸路徑時(shí)延非對(duì)稱誤差主要來(lái)自于電離層[11-12]，電離層延遲與信號(hào)頻率的平方成反比。由于每個(gè)測(cè)站的上下行鏈路的載波頻率不同，上下行鏈路中電離層產(chǎn)生的延遲無(wú)法抵消，但可以通過(guò)測(cè)量電離層電子濃度來(lái)計(jì)算延遲量的大小。對(duì)于TWSTFT地面站A，其上下行路徑電離層延遲之差可以用式(3)表示

(3)

式中,TEC為信號(hào)傳播路徑上的電子總含量；c為光速；fU和fD分別為上下行頻率。如果信號(hào)傳播路徑的總電子含量TEC取典型值1×1018/m2，對(duì)于Ku波段(上行14GHz，下行12GHz)，電離層在A站的傳播延遲改正量約為0.247ns。通過(guò)在國(guó)際GNSS服務(wù)(International GNSS Service, IGS)網(wǎng)站上下載的預(yù)報(bào)全球電子濃度圖(Global Ionospheric Map, GIM)，可以對(duì)TWSTFT中電離層時(shí)延進(jìn)行修正,修正后殘差約為20ps。

3)地球站收發(fā)設(shè)備時(shí)延非對(duì)稱誤差

地球站設(shè)備延遲校準(zhǔn)誤差是衛(wèi)星雙向時(shí)間傳遞的重要誤差源，由于地面設(shè)備復(fù)雜，硬件模塊和線纜連接器較多，因而會(huì)引入較大的校準(zhǔn)不確定度[11-13]。對(duì)設(shè)備時(shí)延的校準(zhǔn)是降低誤差的重要方法，G.D.Jong[14]與J. Achkar[15-17]等提出了利用衛(wèi)星模擬器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地球站設(shè)備時(shí)延，M. Fujieda等[18]設(shè)計(jì)了便攜式移動(dòng)校準(zhǔn)站，通過(guò)比對(duì)地球站間相對(duì)時(shí)延進(jìn)行測(cè)量。受制于電子設(shè)備、電纜等時(shí)延的穩(wěn)定性和一致性問(wèn)題，地球站時(shí)延校準(zhǔn)殘留誤差在1ns左右[19]。

4)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器引入誤差

衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器引入的誤差分兩種情況。在多數(shù)TWSTFT鏈路中，時(shí)頻比對(duì)的雙方采用同一個(gè)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的同一個(gè)頻段，這時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)延在2個(gè)方向上可以認(rèn)為是完全抵消的；在部分長(zhǎng)基線TWSTFT鏈路中，2個(gè)方向使用了不同的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，這時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)器誤差較大。由于轉(zhuǎn)發(fā)器放置在衛(wèi)星上，在軌轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)延目前還沒有有效的測(cè)量方法。

5)地球自轉(zhuǎn)影響

地球自轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致電磁波傳播時(shí)延的增加或減少，這種影響被稱為Sagnac效應(yīng)[20]。Sagnac效應(yīng)的大小與衛(wèi)星、地球站以及地心連成的三角形在赤道面的投影面積成正比。TWSTFT鏈路中，Sagnac效應(yīng)產(chǎn)生的時(shí)延修正在百納秒量級(jí)，但由于同步衛(wèi)星存在軌道攝動(dòng)，形成的投影面積存在周期性變化，這種變化可能會(huì)產(chǎn)生數(shù)十皮秒量級(jí)的Sagnac修正殘差。

2 TWSTFT研究最新進(jìn)展

2.1 軟件接收機(jī)進(jìn)展

在研究衛(wèi)星雙向日波動(dòng)效應(yīng)(Diurnal)現(xiàn)象的來(lái)源時(shí)，Y. Huang等[21]提出Diurnal可能來(lái)自于時(shí)間比對(duì)調(diào)制解調(diào)器的接收機(jī)，他們認(rèn)為現(xiàn)行使用的調(diào)制解調(diào)接收機(jī)采用DLL測(cè)量信號(hào)傳輸時(shí)延時(shí)，測(cè)量結(jié)果會(huì)受到衛(wèi)星相對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響，環(huán)路設(shè)計(jì)的不理想將導(dǎo)致測(cè)量存在周期性穩(wěn)態(tài)誤差。在此假設(shè)的基礎(chǔ)上，Y. Huang等[21]開發(fā)了基于軟件無(wú)線電思想的開環(huán)軟件接收機(jī)(Software-Defined Receiver，SDR)。初步試驗(yàn)表明，SDR在抑制Diurnal現(xiàn)象和降低傳遞噪聲等方面具有優(yōu)勢(shì)。 TWSTFT SDR 系統(tǒng)采用傳統(tǒng)TWSTFT的發(fā)射裝備，僅在接收端增加中頻數(shù)據(jù)采集和軟件處理設(shè)備，對(duì)中頻信號(hào)直接進(jìn)行數(shù)據(jù)化，利用軟件進(jìn)行開環(huán)計(jì)算得到信號(hào)傳輸時(shí)延。2016年，Y. Huang等[22]給出了SDR在TL-KRISS、TL-NICT以及NICT-KRISS之間時(shí)間比對(duì)的研究情況。結(jié)果表明，和現(xiàn)有的DLL相比，SDR性能有顯著提升。Y. Huang等的研究發(fā)現(xiàn)引起了廣泛關(guān)注，2016年時(shí)間頻率咨詢委員會(huì)(Consultative Committee for Time and Frequency, CCTF)衛(wèi)星雙向工作組會(huì)議上決定，在全球范圍內(nèi)發(fā)起一項(xiàng)關(guān)于TWSTFT SDR的研究計(jì)劃[23-24]，呼吁世界上主要的守時(shí)實(shí)驗(yàn)室安裝SDR設(shè)備，并將數(shù)據(jù)上報(bào)到BIPM，圖3所示為參與SDR預(yù)先研究計(jì)劃的機(jī)構(gòu)。經(jīng)過(guò)2年的試驗(yàn)研究表明，TWSTFT SDR與傳統(tǒng)衛(wèi)星雙向SATRE設(shè)備性能相比具有顯著提升，特別是在大洲內(nèi)部的比對(duì)鏈路上，SDR將Diurnal效應(yīng)量級(jí)減少為原來(lái)的1/2～1/3；在跨大洲比對(duì)鏈路上，SDR對(duì)Diurnal的抑制比較有限，Diurnal下降幅度約為30%[24]，如圖4所示?；赥WSTFT SDR的優(yōu)異表現(xiàn)，CCTF TWSTFT工作組在2017年提出了一項(xiàng)利用SDR進(jìn)行UTC計(jì)算的建議，并得到CCTF的采納，于2018年起正式采用SDR數(shù)據(jù)進(jìn)行UTC計(jì)算。SDR采用開環(huán)接收機(jī)思路，理論上可以消除閉環(huán)接收機(jī)的穩(wěn)態(tài)測(cè)量誤差，從而降低Diurnal的影響。這是Y. Huang起初研究SDR的思想假設(shè)，在研究和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，SDR確實(shí)降低了Diurnal的幅度，但這些降低并不總是有效。通過(guò)對(duì)SDR在國(guó)際TWSTFT比對(duì)鏈路的效果來(lái)看，SDR似乎更好地降低了多站同頻干擾，這一點(diǎn)值得進(jìn)一步研究。

圖3 BIPM發(fā)起的SDR預(yù)先研究計(jì)劃參與機(jī)構(gòu)[24]Fig.3 Participating institutions in the SDR advanced research program initiated by BIPM

圖4 SDR與SATRE性能比較[24]Fig.4 Performance comparison between SDR and SATRE

2.2 雙偽碼時(shí)頻信號(hào)調(diào)制解調(diào)器

TWSTFT系統(tǒng)時(shí)間比對(duì)的性能直接與可用信道帶寬關(guān)聯(lián)，帶寬越大，時(shí)間比對(duì)的精度越高。在實(shí)際系統(tǒng)中，受制于信道成本等影響，一般選用帶寬較小。為了提升TWSTFT精度且降低帶寬成本，T. Gotoh等[25-26]提出了一種雙偽碼(Dual Pseudo Random Noise Code，DPN)信號(hào)體制，設(shè)計(jì)了數(shù)字化DPN MODEM，初步試驗(yàn)驗(yàn)證在NICT-TL之間實(shí)現(xiàn)了單次測(cè)量16ps每秒的時(shí)間比對(duì)精度[27-29]。雙偽碼信號(hào)是由二進(jìn)制偏移載波(Binary Offset Carrier，BOC)調(diào)制方式衍生而來(lái)的一種新型調(diào)制方式，其在衛(wèi)星雙向傳統(tǒng)信號(hào)二進(jìn)制相移鍵控 (Binary Phase Shift Keying，BPSK)調(diào)制方式的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)二進(jìn)制副載波，信號(hào)由數(shù)據(jù)信號(hào)、擴(kuò)頻碼信號(hào)、二進(jìn)制副載波和正弦載波組成。雙偽碼調(diào)制信號(hào)的最大特點(diǎn)是信號(hào)頻域功率譜分為兩瓣，相對(duì)于正弦載波頻率中心對(duì)稱，且每個(gè)瓣與中心頻率的距離為副載波頻率，如圖5所示。與BPSK調(diào)制信號(hào)相比，雙偽碼調(diào)制信號(hào)的等效占用帶寬大幅降低，節(jié)省了衛(wèi)星帶寬資源，極大程度解決了高精度TWSTFT衛(wèi)星帶寬租賃費(fèi)用昂貴的問(wèn)題。此外，雙偽碼調(diào)制信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)具有很多相關(guān)峰，其中主峰比BPSK調(diào)制信號(hào)相關(guān)函數(shù)主峰更加尖銳。理論上，信號(hào)自相關(guān)主峰越尖銳，偽碼相位測(cè)量精度越高，采用雙偽碼調(diào)制信號(hào)獲得的測(cè)量精度更高，但其更加緊密的副相關(guān)峰也給新型偽碼測(cè)量環(huán)路設(shè)計(jì)帶來(lái)了困難。雙偽碼信號(hào)對(duì)信道占用具有特殊的要求，在實(shí)際使用中衛(wèi)星公司往往難以提供需要的信道，在此基礎(chǔ)上王海峰等[30]提出了一種改進(jìn)的信號(hào)調(diào)制體制FBOC(Flexible BOC)信號(hào)。在雙偽碼信號(hào)的基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)置副載波頻率，以適應(yīng)實(shí)際衛(wèi)星信道的要求，并基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)和數(shù)字信號(hào)處理(Digital Signal Processing, DSP)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了FBOC信號(hào)的跟蹤測(cè)量，在中頻閉環(huán)測(cè)試精度下，時(shí)間穩(wěn)定度達(dá)到2.43ps@1s。

圖5 雙偽碼信號(hào)特征頻譜特性[29]Fig.5 Spectrum characteristics of DPN signal

2.3 載波相位衛(wèi)星雙向技術(shù)進(jìn)展

傳統(tǒng)的TWSTFT采用調(diào)制發(fā)射偽隨機(jī)碼和測(cè)量偽碼相位進(jìn)行時(shí)間比對(duì)，典型的偽碼速率為1MChip/s或2.5MChip/s，對(duì)于時(shí)間比對(duì)的精度大約為1/1000碼片。TWSTFT一般采用Ku波段無(wú)線電信號(hào)進(jìn)行傳輸，載波頻率比偽碼速率高大約3～4個(gè)量級(jí)，若是利用TWSTFT的載波相位進(jìn)行時(shí)頻傳遞，將有望大幅提升時(shí)頻比對(duì)的精度。W. Schafer等提出了TWSTFT載波相位(Carrier Phase，CP)時(shí)頻傳遞概念[31]，為了消除衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻率對(duì)頻率傳遞的影響，TWSTFT CP要求每個(gè)地球站不僅接收測(cè)量對(duì)方的載波相位，還接收測(cè)量自己發(fā)射出去經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)回來(lái)的載波信息。經(jīng)過(guò)初步的試驗(yàn)，TWSTFT CP在零基線測(cè)量情況下，可以實(shí)現(xiàn)10-13/s量級(jí)頻率傳遞精度，在PTB-DLR之間可以實(shí)現(xiàn)大約10-12/s頻率傳遞精度。2004年，B. Fonville等[32]深入研究了TWSTFT CP時(shí)頻傳遞的理論模型，并在此基礎(chǔ)上開展了USNO和PTB之間的TWSTFT CP，實(shí)現(xiàn)了USNO-PTB 10-12/s頻率傳遞精度。

2013年，F(xiàn). Nakagawa等[33]采用ETS-VIII衛(wèi)星和自主研制的時(shí)間比對(duì)設(shè)備(Time Comparison Equipment，TCE)在NICT 的兩站間開展TWSTFT CP試驗(yàn)，在110km基線長(zhǎng)度上進(jìn)行2臺(tái)氫鐘的頻率比對(duì)，比傳統(tǒng)的基于偽碼的比對(duì)系統(tǒng)精度高2個(gè)數(shù)量級(jí)。2014年，M. Fujieda等在NICT和PTB之間開展了基線距離長(zhǎng)達(dá)9000km的洲際間載波相位衛(wèi)星雙向?qū)嶒?yàn)[34-35]，其時(shí)間比對(duì)結(jié)果與全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)載波相位測(cè)量結(jié)果一致，鏈路短期不穩(wěn)定度為2×10-13/s，優(yōu)于GPS載波相位和傳統(tǒng)衛(wèi)星雙向系統(tǒng)，如圖6所示。北京無(wú)線電計(jì)量測(cè)試研究所開展了載波相位相關(guān)技術(shù)研究，在2018年利用SATRE Modem完成了與中國(guó)計(jì)量院之間的載波相位衛(wèi)星雙向?qū)嶒?yàn)[36]，測(cè)量了UTC(BIRM)和UTC(NIM)之間的時(shí)間頻率差，鏈路短期不穩(wěn)定度為4×10-12/s。

(a)

(b)圖6 TWSTFT CP時(shí)頻傳遞性能比較[34]Fig.6 Performance comparison of TWSTFT CP time-frequency transfer

2.4 衛(wèi)星雙向日波動(dòng)效應(yīng)(Diurnal)

衛(wèi)星雙向日波動(dòng)效應(yīng)是指TWSTFT時(shí)間差結(jié)果中存在以1天為周期的周期性變化，日波動(dòng)效應(yīng)在世界各TWSTFT鏈路中廣泛存在，目前觀測(cè)到的日波動(dòng)效應(yīng)峰峰值在0.5～2ns范圍內(nèi)，其已經(jīng)成為影響TWSTFT系統(tǒng)性能的重要因素[21, 37-38]。圖7所示為NICT和TL直接TWSTFT鏈路中的Diurnal現(xiàn)象。盡管已經(jīng)開展了大量研究，但是目前仍然不能完全確定日波動(dòng)效應(yīng)的形成原因，更無(wú)法從根源上對(duì)日波動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行消除。V. Zhang和T. Parker計(jì)算了電離層效應(yīng)對(duì)TWSTFT的日變化和衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)引起的Sagnac效應(yīng)的日變化[12]，結(jié)果表明兩者都不是日波動(dòng)效應(yīng)的主要原因。Y. Huang等[21]提出了Diurnal可能來(lái)自于時(shí)間比對(duì)調(diào)制解調(diào)設(shè)備內(nèi)部DLL動(dòng)態(tài)情況下的多普勒穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差假設(shè)，并建議利用SDR接收機(jī)降低Diurnal。張升康等[39]通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)證實(shí)了現(xiàn)有調(diào)制解調(diào)器穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差的存在，但進(jìn)一步的理論計(jì)算表明，穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差在所有設(shè)備中具有一致性，這種一致性在TWSTFT鏈路中可以相互抵消，不會(huì)引起明顯的Diurnal效應(yīng)。曾文紅等[20]假定Diurnal效應(yīng)來(lái)自于衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)多普勒導(dǎo)致的接收機(jī)跟蹤誤差，給出了一種基于衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)修正Diurnal的模型，并在實(shí)際鏈路中進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)Diurnal效應(yīng)的消除具有非常顯著的效果，但是這種修正模型的建立缺乏堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。

圖7 TWSTFT鏈路中的Diurnal現(xiàn)象[21]Fig.7 Diurnal effects in TWSTFT link

3 當(dāng)前TWSTFT面臨的主要問(wèn)題

3.1 Diurnal效應(yīng)形成機(jī)理

從20世紀(jì)末，隨著TWSTFT鏈路的廣泛建立和性能的逐漸提升，Diurnal效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)已有約20年的時(shí)間，導(dǎo)致Diurnal效應(yīng)的潛在原因有很多，包括地球站環(huán)境溫度的周日變化、對(duì)流層電離層的周日變化、衛(wèi)星軌道運(yùn)動(dòng)的周日變化和接收機(jī)跟蹤誤差等。最新全球TWSTFT SDR數(shù)據(jù)表明，歐洲本土的TWSTFT鏈路中的Diurnal似乎來(lái)源于同頻干擾導(dǎo)致的接收機(jī)跟蹤誤差，歐洲和美國(guó)之間的跨大西洋TWSTFT鏈路中的Diurnal可能來(lái)自于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器。到目前為止，關(guān)于Diurnal現(xiàn)象之謎尚未解開，上述的各種分析只是推測(cè)，沒有找到直接的科學(xué)證據(jù)，還有待更深入地研究。

3.2 性能與帶寬矛盾

傳統(tǒng)TWSTFT是基于偽碼相位測(cè)量原理的，碼相位測(cè)量的精度決定了時(shí)間傳遞的精度，而其又直接受偽碼速率或偽碼信號(hào)帶寬的影響，帶寬越大，測(cè)量的精度也越高。受到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬和鏈路運(yùn)行成本的限制，TWSTFT信號(hào)帶寬是一定的，因此，通過(guò)不斷增加帶寬來(lái)提升性能的道路是行不通的。近年來(lái)發(fā)展的DPN技術(shù)和載波相位技術(shù)都是在保持或降低信號(hào)帶寬的情況下，提升時(shí)頻傳遞性能的新方法。DPN信號(hào)體制非常具有創(chuàng)新性，但是其實(shí)用化道路并不平坦，這一方面源于衛(wèi)星信道租賃的商業(yè)阻力，衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)公司沒有或不愿提供剛好適合DPN信號(hào)傳輸?shù)男诺溃园l(fā)展靈活的DPN信號(hào)體制，根據(jù)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器自行設(shè)置帶寬，將是有望解決DPN信道困難的有效途徑；另一方面，DPN信號(hào)帶寬內(nèi)的其他業(yè)務(wù)信號(hào)將會(huì)對(duì)DPN性能產(chǎn)生影響，這種影響的抑制方法還需要進(jìn)一步研究和驗(yàn)證。TWSTFT CP方法的理論突破和試驗(yàn)成功是TWSTFT發(fā)展的一大跨越，將頻率傳遞的短期不穩(wěn)定度從10-10～10-11量級(jí)提升至10-13量級(jí)，這對(duì)氫鐘和銫鐘等裝置的頻率短期特性校準(zhǔn)很有價(jià)值，但對(duì)于時(shí)間傳遞的精度卻沒有幫助，這與GNSS中利用載波相位進(jìn)行時(shí)間傳遞相比存在明顯的缺憾，進(jìn)一步研究TWSTFT CP的解模糊和時(shí)間傳遞可能是下一步研究考慮的重要方向。

3.3 TWSTFT鏈路校準(zhǔn)問(wèn)題

TWSTFT鏈路校準(zhǔn)是降低時(shí)間比對(duì)不確定度的核心問(wèn)題，DPN和載波相位技術(shù)使得時(shí)頻傳遞的附加不穩(wěn)定性大幅降低，但是地球站時(shí)延短期變化和長(zhǎng)期漂移使得TWSTFT時(shí)間比對(duì)的不確定度大于1ns(考慮到Diurnal效應(yīng)，不確定度將會(huì)更大)，鏈路校準(zhǔn)就變得極其重要。近20年來(lái)，TWSTFT鏈路的校準(zhǔn)方法和技術(shù)進(jìn)展緩慢，似乎1ns的校準(zhǔn)不確定度已經(jīng)成為極限，若能夠在地球站時(shí)延測(cè)量、校準(zhǔn)和時(shí)延控制方面產(chǎn)生突破，將會(huì)帶來(lái)新的技術(shù)飛躍，但到目前為止，還沒有出現(xiàn)新的途徑。

3.4 多通道組網(wǎng)和信息交互容量限制

多通道組網(wǎng)和比對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互在很多應(yīng)用領(lǐng)域有著迫切的需求，這看似是工程應(yīng)用問(wèn)題，但在同頻干擾、高速數(shù)據(jù)和時(shí)延測(cè)量融合等方面還存在較多的理論問(wèn)題，有待進(jìn)一步研究。歐洲TWSTFT網(wǎng)絡(luò)大約有13個(gè)地球站同時(shí)進(jìn)行組網(wǎng)比對(duì)，實(shí)際比對(duì)數(shù)據(jù)表明，鏈路噪聲很大，解決比對(duì)鏈路間的同頻干擾是比對(duì)鏈路接收機(jī)信號(hào)處理需要重點(diǎn)考慮的理論問(wèn)題，SDR給出了一個(gè)很好的同頻干擾處理結(jié)果，這是值得時(shí)間比對(duì)Modem接收機(jī)借鑒的。另一方面，多站組網(wǎng)情況下實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互變得更加困難，傳統(tǒng)Modem為了保證時(shí)頻傳遞的性能，信息傳輸容量不大，在少數(shù)站點(diǎn)組網(wǎng)情況下可以滿足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互要求，但在較大節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)情況下，在保證時(shí)頻傳遞精度的同時(shí)，提升信息傳輸變得尤為迫切。

4 結(jié)束語(yǔ)

TWSTFT方法與技術(shù)經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域廣泛使用。其發(fā)展的步伐與衛(wèi)星技術(shù)、通信技術(shù)和衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)基本保持同步，衛(wèi)星技術(shù)和通信技術(shù)為TWSTFT提供了很好的信道基礎(chǔ)，而衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展給TWSTFT的信號(hào)體制和測(cè)量方法帶來(lái)了進(jìn)步，同時(shí)，TWSTFT技術(shù)的進(jìn)步也促進(jìn)了衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展。進(jìn)入21世紀(jì)的第二個(gè)10年，TWSTFT不僅成為原子時(shí)比對(duì)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)等重要領(lǐng)域不可或缺的實(shí)用技術(shù)，在前沿研究領(lǐng)域也非?；钴S。TWSTFT在時(shí)間傳遞上的理論極限精度大約在亞皮秒量級(jí)，相比當(dāng)前能夠?qū)崿F(xiàn)的最高水平還要高2個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)然，要達(dá)到亞皮秒量級(jí)，不僅信號(hào)測(cè)量精度要達(dá)到亞皮秒級(jí)，還需要解決亞皮秒量級(jí)大氣層時(shí)延、設(shè)備通道時(shí)延和物理機(jī)制等一系列更深層的理論問(wèn)題。