李 炫

(中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院，西安710000)

0 引言

北斗系統(tǒng)是重要的空間基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)國(guó)家安全、人民生命財(cái)產(chǎn)安全都有著非常重要的戰(zhàn)略意義。從2012年12月底北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組網(wǎng)成功,到2020年6月底國(guó)家宣布北斗全球組網(wǎng)成功，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)從區(qū)域走向了全球服務(wù)。在原子鐘配置上北斗全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)在繼承北斗區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)，每顆星均配置4個(gè)高性能的原子鐘，包括氫鐘、銣鐘，其中一臺(tái)作為頻率源，為整星提供高性能的時(shí)間服務(wù)，一臺(tái)作為熱備份且隨時(shí)準(zhǔn)備作為主鐘的替換，另外兩臺(tái)作為冷備份備用。

衛(wèi)星鐘的性能直接影響星上有效載荷的運(yùn)行、導(dǎo)航定位、授時(shí)等服務(wù)精度[1-6]。衛(wèi)星在地面測(cè)試完成，隨整星發(fā)射入軌后，性能可能會(huì)受空間環(huán)境影響發(fā)生變化。在星載原子鐘提供服務(wù)后，地面用戶可使用多種方式對(duì)星載原子鐘的綜合性能進(jìn)行評(píng)估，原子鐘的性能重要性使得這個(gè)問(wèn)題成為了很多地面用戶關(guān)心的問(wèn)題之一[7-10]。

基于銫原子鐘在地面使用性能也較好的情況下[11-12]，北斗某星首次配置銫鐘在軌作為熱備鐘使用，主鐘為氫鐘。文章通過(guò)對(duì)主備鐘相差測(cè)量的數(shù)據(jù)，對(duì)星載銫鐘的頻率性能做出評(píng)估。結(jié)果分析表明銫鐘在軌后頻率準(zhǔn)確度、10 s以上的頻率穩(wěn)定度、頻率漂移率等性能與地面測(cè)試結(jié)果一致性較高，相差測(cè)量數(shù)據(jù)分析備份銫鐘性能方法可行，且可信度很高。

1 星載銫鐘性能評(píng)估方法

原子鐘的性能評(píng)估一般使用頻率準(zhǔn)確度、頻率穩(wěn)定度、頻率漂移率來(lái)衡量。頻率準(zhǔn)確度是輸出頻率與標(biāo)準(zhǔn)頻率的相對(duì)偏差；頻率穩(wěn)定度是指輸出頻率相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率的方差(一般用Allan方差或者Hadamard方差表征)；頻率漂移率是指輸出頻率相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)頻率每天的偏差量[13-14]。而相位測(cè)量是通過(guò)對(duì)兩個(gè)輸出頻率做一個(gè)時(shí)間域的相位差測(cè)量[15-17]，在軌后容易通過(guò)相位差測(cè)量值對(duì)原子鐘性能進(jìn)行評(píng)估。

北斗某星上使用氫鐘作為主鐘，銫鐘作為熱備鐘，通過(guò)基準(zhǔn)頻率合成器生成衛(wèi)星使用的10.23 MHz的標(biāo)準(zhǔn)頻率源。將主、備路10.23 MHz信號(hào)分別與公共晶振輸出10.229 MHz信號(hào)混頻產(chǎn)生主、備路1 kHz信號(hào)，經(jīng)低通濾波、放大、過(guò)零檢測(cè)、整形形成拍頻1 kHz的TTL信號(hào)送到控制管理單元電路，然后用采樣鐘對(duì)兩個(gè)1 kHz信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，獲得兩路信號(hào)之間的相位差。這個(gè)相位差是10.23 MHz頻率信號(hào)一個(gè)周期內(nèi)的變化值，范圍是[0，97.75 ns]，其中比相儀的頻率分辨率為1.5 ps。測(cè)量原理如圖 1所示。

圖1 主備份鐘相差測(cè)量原理框圖Fig.1 The phase difference per second between main and backup clock measuring principle

采用衛(wèi)星鐘相差測(cè)量，其相對(duì)頻差的計(jì)算公式為：

(1)

式(1)中：f0為10.23 MHz;

fd為1 kHz;

τ為采樣時(shí)間;

Δx為累計(jì)相位時(shí)間差。

從式(1)可知，采樣時(shí)間越長(zhǎng)，測(cè)頻精度越高，實(shí)踐中比相儀用于測(cè)1 000 s以上銣原子頻標(biāo)長(zhǎng)期穩(wěn)定度。且測(cè)頻精度也與時(shí)差分層有關(guān)，最大時(shí)差97.75 ns，比相儀相位分辨率約為1.592 4 ps，頻率準(zhǔn)確度測(cè)量分辨率與采樣時(shí)間的關(guān)系如表 1所列。

表1 頻率準(zhǔn)確度測(cè)量分辨率與采樣時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系表

結(jié)合表2 銫鐘地面測(cè)試的頻率穩(wěn)定度結(jié)果可知，使用相差測(cè)試數(shù)據(jù)采樣時(shí)間在10 s以上都可以滿足這種關(guān)系，評(píng)估的銫鐘10 s以上的頻率穩(wěn)定度結(jié)果可信。

表2 星載銫鐘頻率穩(wěn)定度

通過(guò)對(duì)相差測(cè)量量進(jìn)行分析可得到主備鐘相對(duì)的穩(wěn)定度、準(zhǔn)確度以及漂移率等性能數(shù)據(jù)。測(cè)量精度高、測(cè)量方法可信。

2 星載銫鐘相差數(shù)據(jù)分析與結(jié)果

北斗某導(dǎo)航衛(wèi)星使用銫鐘作為熱備鐘，氫鐘作為主鐘，分析2019年12月6日至2020年5月17日的主備鐘相差數(shù)據(jù)，對(duì)銫鐘備鐘的頻率特性進(jìn)行評(píng)估。期間由于在軌數(shù)據(jù)的不連續(xù)性，去掉了數(shù)據(jù)不完整的11個(gè)小段。

實(shí)際處理數(shù)據(jù)時(shí)，使用Stable32軟件，將相差數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為頻差數(shù)據(jù)，并去掉野值后，頻差數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 主備鐘(互比)頻差數(shù)據(jù)Fig.2 Frequency difference data of main and stand-by clocks (mutual comparison)

由于數(shù)據(jù)量較大，計(jì)算穩(wěn)定度時(shí)使用了10次平均，原始數(shù)值得到的頻率特性評(píng)估數(shù)據(jù)如表3所列。

表3 原始評(píng)估數(shù)據(jù)

由于工作中氫鐘的穩(wěn)定度優(yōu)于銫鐘的3倍，可以認(rèn)為主備鐘相差穩(wěn)定度指標(biāo)評(píng)估數(shù)據(jù)就是銫鐘的頻率穩(wěn)定度。

銫鐘地面測(cè)試結(jié)果和評(píng)估結(jié)果對(duì)比分析如表4所列。地面測(cè)試結(jié)果與在軌穩(wěn)定性評(píng)估曲線如圖3所示。

表4 評(píng)估數(shù)據(jù)與地面測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比表

圖3 地面測(cè)試結(jié)果與在軌后穩(wěn)定性評(píng)估曲線圖Fig.3 Ground test results and on orbit stability evaluation curve

從上述圖表可以看出，銫鐘在軌后通過(guò)相差數(shù)據(jù)評(píng)估得到的頻率準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度與地面真空下測(cè)試結(jié)果基本一致，漂移率相對(duì)主鐘的結(jié)果也非常合適，符合地面預(yù)期，可以作為星載原子鐘使用。

3 結(jié)論

星載銫鐘在軌工作，開(kāi)機(jī)作為熱備份鐘使用，相差測(cè)量值對(duì)于頻率特性的評(píng)估是目前可獲得的唯一原始數(shù)據(jù)源。評(píng)估結(jié)果顯示：銫鐘準(zhǔn)確度可達(dá)10-12量級(jí)，天穩(wěn)達(dá)到大系數(shù)的10-14量級(jí)，漂移率在10-16量級(jí)。使用相差測(cè)量法對(duì)銫鐘的頻率特性進(jìn)行估計(jì)，評(píng)估數(shù)據(jù)與地面測(cè)試結(jié)果基本一致，評(píng)估方法可信。從星載銫鐘地面測(cè)試數(shù)據(jù)與在軌后的數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，國(guó)內(nèi)星載銫鐘的頻率特性表現(xiàn)優(yōu)異，具備在航天器上使用的條件。