精密時(shí)頻傳遞技術(shù)綜述

何 婷，陳國(guó)軍，馬嘉琳

(信息工程大學(xué)，河南 鄭州 450001)

時(shí)間頻率傳遞是指借助一定媒介實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間頻率信號(hào)從源到終端的傳輸，使多個(gè)節(jié)點(diǎn)同一個(gè)公用精確參考時(shí)間/頻率之間完成遠(yuǎn)距離時(shí)間/頻率比對(duì)。精密時(shí)間頻率傳遞技術(shù)是現(xiàn)代社會(huì)中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一，其應(yīng)用領(lǐng)域包括科學(xué)觀測(cè)及研究、定位及導(dǎo)航業(yè)務(wù)、通信、電網(wǎng)、交通、金融、緊急救援、環(huán)境資源管理等，并且目前還在不斷擴(kuò)展。同時(shí)，精密時(shí)間頻率傳遞技術(shù)也是協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC(coordinated universal time)、國(guó)際原子時(shí)TAI(international atomic time)等國(guó)際時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)建立和維持的支撐技術(shù)之一。國(guó)際時(shí)間尺度的建立，其實(shí)際的性能瓶頸并不在于鐘，而在于兩地間時(shí)間頻率信息傳遞的精度[1]。

當(dāng)前主流的遠(yuǎn)距離精密時(shí)間頻率傳遞技術(shù)有衛(wèi)星時(shí)頻傳遞、光纖時(shí)頻傳遞及激光時(shí)間傳遞。自20世紀(jì) 80年代起，GNSS(global navigation satellite systems)測(cè)量便被用于高精度、高準(zhǔn)確度時(shí)間頻率傳遞。GNSS時(shí)頻傳遞的主要方法有兩種：一是精密單點(diǎn)定位(precise point positioning，PPP)，該方法利用單站非差測(cè)量值確定接收機(jī)時(shí)鐘與系統(tǒng)時(shí)之間的同步誤差[1-6]；二是共視法(common view，CV)，該方法基于單差分析結(jié)果以獲得兩個(gè)觀測(cè)站主鐘之間的同步誤差[7-8]。除GNSS時(shí)頻傳遞技術(shù)之外，衛(wèi)星雙向時(shí)頻傳遞(two-way satellite time and frequency transfer，TWSTFT)是另一種重要的時(shí)頻傳遞技術(shù)，也是目前最精確的遠(yuǎn)距離時(shí)間頻率比對(duì)方法之一。該方法中，兩觀測(cè)站經(jīng)GEO(geostationary earth orbit)衛(wèi)星對(duì)發(fā)定時(shí)信號(hào)，兩站分別測(cè)量定時(shí)信號(hào)傳播時(shí)延并事后交換數(shù)據(jù)，可計(jì)算出兩站主鐘之間的同步誤差[9]。

隨著光纖的大面積鋪設(shè)，目前其已成為一種極具前景的時(shí)間頻率信號(hào)傳輸媒介。不同地域?qū)嶒?yàn)室的頻率標(biāo)準(zhǔn)可通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膮⒖脊廨d波實(shí)現(xiàn)比對(duì)(通常采用光梳技術(shù))和同步；通過(guò)光強(qiáng)調(diào)制將時(shí)間頻率電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，在接收端進(jìn)行直接光強(qiáng)探測(cè)，將光信號(hào)再轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這是光纖時(shí)頻傳遞的第二種模式；第三種模式是將光信號(hào)相位鎖定到超穩(wěn)鈦藍(lán)光頻率參考基準(zhǔn)，可獲得與高穩(wěn)無(wú)調(diào)制光載波傳輸模式相比擬的頻率傳遞精度，同時(shí)提供了與時(shí)間頻率電信號(hào)進(jìn)行直接比對(duì)的接口[10-12]。

激光時(shí)間傳遞技術(shù)包括激光時(shí)間傳遞(laser time transfer，LTT)和基于激光鏈路的時(shí)間傳遞(time transfer by laser link，T2L2)，兩者均源自衛(wèi)星激光測(cè)距(satellite laser range，SLR)技術(shù)。LTT能夠校準(zhǔn)以GNSS系統(tǒng)為代表的偽碼調(diào)制微波時(shí)間傳遞系統(tǒng)，評(píng)估星載鐘的短期性能，提升星載鐘的預(yù)測(cè)精度；T2L2利用ILRS(international laser ranging service)網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)超穩(wěn)遠(yuǎn)距離地面鐘之間的時(shí)間傳遞與比對(duì)[13-15]。

遠(yuǎn)距離時(shí)鐘比對(duì)及穩(wěn)定精確授時(shí)對(duì)于人類未來(lái)在空間和地面的諸多行為(導(dǎo)航、寬帶通信網(wǎng)絡(luò)及基礎(chǔ)科學(xué)研究等)具有深遠(yuǎn)的影響。因此，有必要在效率、精度、準(zhǔn)確度及安全性等方面進(jìn)一步推動(dòng)時(shí)間頻率傳遞技術(shù)的發(fā)展。

1 衛(wèi)星時(shí)頻傳遞技術(shù)

1.1 GNSS時(shí)頻傳遞技術(shù)

GNSS時(shí)頻傳遞技術(shù)指依托GNSS系統(tǒng)及其精密測(cè)距理論實(shí)現(xiàn)時(shí)間、頻率傳遞的技術(shù)。該技術(shù)具有覆蓋范圍廣、精度高的特點(diǎn)，可滿足不同領(lǐng)域、不同精度等級(jí)的應(yīng)用需求，是目前應(yīng)用最廣泛的時(shí)頻傳遞技術(shù)。

任一地面站觀測(cè)GNSS衛(wèi)星s的載波相位測(cè)量方程及偽距測(cè)量方程分別為

(1)

(2)

PPP時(shí)頻傳遞技術(shù)在式(1)和式(2)基礎(chǔ)上，聯(lián)立求解消除電離層時(shí)延，并借助IGS(International GNSS Service)提供的精密衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)及星載鐘時(shí)間序列(以IGS時(shí)間為參考基準(zhǔn))，可確定GNSS天線相位中心位置、對(duì)流層濕分量頂點(diǎn)路徑時(shí)延及接收機(jī)時(shí)鐘與相應(yīng)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)之間的同步誤差。時(shí)間傳遞精度通常情況下可達(dá)幾個(gè)納秒，理想情況下小于100皮秒(ps)，日頻率穩(wěn)定度可達(dá)10-14～10-15。

PPP時(shí)頻傳遞技術(shù)本質(zhì)上是一種單站后處理技術(shù)。2009年9月，該技術(shù)以其高穩(wěn)定性被BIPM(Bureau International de Poids et de Mesures)正式采納，參與TAI計(jì)算。相比于其他衛(wèi)星時(shí)頻傳遞技術(shù)，PPP時(shí)頻傳遞的優(yōu)勢(shì)在于精度高、設(shè)備成本低、無(wú)基線長(zhǎng)度限制。不足在于實(shí)時(shí)性差，不適用于本地鐘性能的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。PPP時(shí)頻傳遞的另一點(diǎn)不足是邊界(日、周)不連續(xù)性，該不連續(xù)性是由偽距觀測(cè)量中的有色噪聲(源于近場(chǎng)多徑效應(yīng)或設(shè)備時(shí)延變化)引起的，該有色噪聲帶來(lái)的誤差并不能通過(guò)PPP觀測(cè)模型進(jìn)行有效的補(bǔ)償。

不同于PPP法，衛(wèi)星共視時(shí)頻傳遞需要構(gòu)造不同測(cè)站對(duì)同一衛(wèi)星的同步觀測(cè)值的差，即構(gòu)造式(1)與式(2)的單差。共視時(shí)頻傳遞同樣被BIPM采納并用于TAI產(chǎn)生。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是衛(wèi)星位置及星載鐘殘差可大幅度降低，其時(shí)間傳遞精度在1～10 ns范圍內(nèi)變化，日頻率穩(wěn)定度為1×10-14。該方法的缺點(diǎn)是兩測(cè)站事后數(shù)據(jù)交換及處理會(huì)帶來(lái)一定的時(shí)間延遲，因而不適用于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)；共視衛(wèi)星的數(shù)目要少于觀測(cè)站可觀測(cè)到的衛(wèi)星數(shù)目，從而造成分析過(guò)程中有效數(shù)據(jù)的減少。此外，該方法的傳遞精度受基線長(zhǎng)度影響。當(dāng)采用碼和載波相位聯(lián)合分析時(shí)，基線長(zhǎng)度應(yīng)限制在2000 km之內(nèi)[5]。中間站可用于解決兩目標(biāo)測(cè)站距離較遠(yuǎn)的問(wèn)題，且能夠獲得近似于短基線時(shí)頻傳遞的同步精度。

1.2 衛(wèi)星雙向時(shí)頻傳遞技術(shù)

雙向傳遞是另一種重要的衛(wèi)星時(shí)頻傳遞技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于TAI的建立與維持。該技術(shù)的基本工作原理是兩測(cè)站在約定歷元產(chǎn)生時(shí)間信號(hào)，并且經(jīng)由GEO(geostationary earth orbit)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給對(duì)方測(cè)站，同時(shí)測(cè)量本站時(shí)間信號(hào)產(chǎn)生歷元與接收并恢復(fù)出對(duì)方測(cè)站時(shí)間信號(hào)的歷元時(shí)刻之間的時(shí)間間隔。兩站測(cè)量的時(shí)間間隔T1和T2分別為

T1=(t1-t2)+τT2+τU2+τs21+τD1+τR1+τSCU2+τSCD1

(3)

T2=(t2-t1)+τT1+τU1+τs12+τD2+τR2+τSCU1+τSCD2

(4)

式中，t1、t2分別為兩站主鐘鐘面時(shí)；τT1、τT2分別為兩站時(shí)間信號(hào)發(fā)射時(shí)延；τR1、τR2分別為兩站時(shí)間信號(hào)接收時(shí)延；τU1、τU2分別為兩站時(shí)間信號(hào)從天線到GEO衛(wèi)星的上行傳播時(shí)延；τs12、τs21分別為GEO衛(wèi)星對(duì)站1、站2時(shí)間信號(hào)的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延；τD1、τD2分別為時(shí)間信號(hào)從GEO衛(wèi)星到站1和站2的下行傳播時(shí)延；τSCU1、τSCU2分別為兩站上行信號(hào)的Sagnac校正；τSCD1、τSCD2分別為兩站下行信號(hào)的Sagnac校正。

2 光纖時(shí)頻傳遞技術(shù)

光纖時(shí)頻傳遞具有單向、雙向兩種模式。單向模式如圖1(a)所示。鐘A產(chǎn)生的時(shí)頻信號(hào)(時(shí)間信號(hào)通常為1PPS(秒脈沖)，頻率信號(hào)通常為10 MHz正弦/方波信號(hào))經(jīng)過(guò)光強(qiáng)度調(diào)制轉(zhuǎn)換為光信號(hào)之后，通過(guò)光纖進(jìn)行傳輸(也可根據(jù)實(shí)際需要，附加編碼等操作，再送入光纖)。接收端的信號(hào)再次轉(zhuǎn)換為電信號(hào)格式，經(jīng)放大和整形后，通過(guò)時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器/鑒相器與本地鐘B的時(shí)間/頻率信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，即可得到本地鐘B與遠(yuǎn)距離鐘A的鐘差和頻率差。該傳遞方式需確定信號(hào)在光纖中的傳播時(shí)延。通常情況下，該時(shí)延是比較容易確定的，但是該傳遞方式的精度將受到光纖溫度變化等非理想因素帶來(lái)的時(shí)延不穩(wěn)定性的限制[10-11]。

由于單向模式在光信號(hào)傳輸時(shí)延不確定性方面的局限，要獲得更高的傳遞精度，需采用雙向光纖時(shí)頻傳遞技術(shù)，其基本架構(gòu)如圖1(b)所示。雙向模式基本工作原理與TWSTFT類似，甲、乙兩站主鐘A和B通過(guò)同一光纖在約定時(shí)刻對(duì)發(fā)時(shí)間信號(hào)，并借助時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器測(cè)量本地時(shí)間信號(hào)產(chǎn)生直至接收到對(duì)方時(shí)間信號(hào)之間的時(shí)間間隔。甲、乙兩站測(cè)量的時(shí)間間隔分別為

TA=-tclkA+tclkB+τBA

(5)

TB=tclkA-tclkB+τAB

(6)

式中，τBA、τAB分別為兩個(gè)方向的光纖傳輸時(shí)延。為了簡(jiǎn)化表達(dá)式，發(fā)射機(jī)、接收機(jī)處理時(shí)延及光纖兩端雙工器時(shí)延未予以體現(xiàn)，實(shí)際中需精確標(biāo)定。

圖1 光纖時(shí)頻傳遞示意圖

兩站事后交換測(cè)量數(shù)據(jù)，可計(jì)算出A、B兩鐘鐘差。單向光纖時(shí)頻傳遞精度受光纖傳輸時(shí)延熱相關(guān)性影響較大，約為38 ps(K·km)-1[10]。因此，當(dāng)光纖長(zhǎng)度在幾千米之內(nèi)時(shí)，可獲得較理想的傳遞精度。雙向光纖時(shí)頻傳遞精度受限于殘余時(shí)延失配的溫度相關(guān)性，大致在1.5×10-3～4.5×10-3(nm·km·K)-1的范圍內(nèi)[10]。因此，相比于單向模式，雙向模式降低了光纖溫度變化的影響。

光纖時(shí)頻傳遞的優(yōu)勢(shì)在于具有較高的傳遞精度。但也存在兩點(diǎn)局限：一是光纖長(zhǎng)度(覆蓋范圍)。當(dāng)光纖長(zhǎng)度超過(guò)幾百公里時(shí)，路徑損耗及光纖噪聲等問(wèn)題凸顯，信噪比嚴(yán)重下降，精度難以保證。該問(wèn)題可通過(guò)增加雙向光纖放大器及增加中繼站的方式解決。二是高成本。目前光纖時(shí)頻傳遞需要布設(shè)專用光纖，費(fèi)用昂貴。有文獻(xiàn)提出可利用現(xiàn)有公共電信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行時(shí)頻傳遞，即高穩(wěn)光時(shí)頻信號(hào)和普通電信數(shù)據(jù)共用一根光纖進(jìn)行傳輸。其基本思路是利用密集波分復(fù)用(dense wavelength division multiplexing，DWDM)技術(shù)。該技術(shù)將光纖傳輸總帶寬分為若干等間隔的信道，選擇其中一個(gè)信道進(jìn)行時(shí)頻信號(hào)傳遞，其余信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。結(jié)合中繼站和密集波分復(fù)用技術(shù)，采用總長(zhǎng)為540 km的光纖鏈路在兩個(gè)時(shí)間實(shí)驗(yàn)室之間進(jìn)行頻率傳遞，端到端頻偏均值為-2.6×10-20，長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度為1×10-19[12]，該頻率穩(wěn)定度和精度水平可比擬無(wú)中繼專用光纖鏈路，該試驗(yàn)初步驗(yàn)證了公共電信網(wǎng)絡(luò)具備用于超穩(wěn)、高精度頻率傳遞的實(shí)際可行性。

3 激光時(shí)間傳遞技術(shù)

星地激光時(shí)間傳遞(LTT)的原理為：地面站向衛(wèi)星發(fā)射激光脈沖，該脈沖到達(dá)衛(wèi)星后，經(jīng)星上反射器反射，再返回地面站。地面站測(cè)量發(fā)送激光脈沖與其后第一個(gè)地面站主鐘秒脈沖之間的時(shí)間間隔；星載設(shè)備測(cè)量激光脈沖到達(dá)衛(wèi)星時(shí)刻與前一個(gè)星載鐘秒脈沖之間的時(shí)間間隔；激光脈沖上行傳播時(shí)延根據(jù)地面站測(cè)量的往返時(shí)延得到，進(jìn)而求出星載鐘與地面站主鐘之間的鐘差[13-14]。該技術(shù)的時(shí)間傳遞精度約為300 ps，頻率穩(wěn)定度可達(dá)3×10-14(2000 s)[13-14]，比基于微波的時(shí)頻傳遞技術(shù)在精度上至少高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。既可用于電離層時(shí)延校正，也可用于提升衛(wèi)星軌道預(yù)測(cè)的精度和準(zhǔn)確度，同時(shí)可增強(qiáng)系統(tǒng)在星載鐘比對(duì)、監(jiān)測(cè)及校準(zhǔn)方面的能力?？紤]該技術(shù)在實(shí)際工程應(yīng)用中需設(shè)計(jì)構(gòu)建專門的測(cè)量系統(tǒng)，專業(yè)性較強(qiáng)，因此該傳遞方法的研究、試驗(yàn)和推廣需依靠有條件的組織、院?；蜓邪l(fā)機(jī)構(gòu)開展。

基于激光鏈路工程的時(shí)間傳遞(T2L2)的基本原理與LTT類似，LTT技術(shù)目前主要與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用，而T2L2技術(shù)基于2008年6月發(fā)射的Jason-2衛(wèi)星(軌道高度1335 km)。相比于LTT，該技術(shù)所基于的衛(wèi)星軌道更低，從而使得到達(dá)衛(wèi)星的光信號(hào)密度更強(qiáng)。該技術(shù)的時(shí)間傳遞精度優(yōu)于100 ps，通常在50～70 ps左右，時(shí)間穩(wěn)定程度約為7 ps(30 s)，該值受限于T2L2星載晶體振蕩器的穩(wěn)定程度[15]?；谠摷夹g(shù)，兩個(gè)地面站之間還可進(jìn)行共視時(shí)間傳遞，共視原理近似于前文所述的衛(wèi)星共視時(shí)頻傳遞技術(shù)。采用單鏈路T2L2共視技術(shù)，短期時(shí)間穩(wěn)定度約為9～11 ps；采用多鏈路加權(quán)平均T2L2共視技術(shù)，日時(shí)間穩(wěn)定度可達(dá)10 ps[15]。

激光時(shí)間傳遞技術(shù)原理簡(jiǎn)單、傳遞精度和穩(wěn)定度高，但其應(yīng)用領(lǐng)域還有待進(jìn)一步拓展。星載高精度激光探測(cè)技術(shù)、星載計(jì)數(shù)器、地面站激光發(fā)射時(shí)間控制、數(shù)據(jù)處理等為激光時(shí)間傳遞的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)的技術(shù)突破可帶來(lái)激光時(shí)間傳遞精度和穩(wěn)定度的新提升。

4 結(jié) 論

本文對(duì)3類主流的精密時(shí)頻傳遞技術(shù)進(jìn)行了研究。衛(wèi)星時(shí)頻傳遞應(yīng)用范圍廣、精度高，是目前最主要的時(shí)頻傳遞技術(shù)。該技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是多系統(tǒng)融合，增加可用衛(wèi)星的數(shù)量及采用更先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理方法。挑戰(zhàn)是安全性、可靠性及對(duì)復(fù)雜、惡劣環(huán)境的適應(yīng)性。光纖時(shí)頻傳遞將精密時(shí)間頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為超穩(wěn)光信號(hào)，采用有線方式(光纖)進(jìn)行傳輸，受環(huán)境影響較小，各誤差項(xiàng)可得到有效測(cè)量和補(bǔ)償，精度和穩(wěn)定度高。目前主要用于中、短距離時(shí)間實(shí)驗(yàn)室之間的高精度時(shí)頻比對(duì)，具有良好的發(fā)展前景。該技術(shù)未來(lái)的研究熱點(diǎn)包括：光纖熱敏感性、色散特性、相噪特性及其抑制方法；中繼站研究與設(shè)計(jì)；光纖鏈路附屬精密雙向設(shè)備/裝置研制；廣域光纖時(shí)頻傳遞網(wǎng)絡(luò)部署研究。面臨的挑戰(zhàn)是部署靈活性、時(shí)頻信號(hào)完好性及與現(xiàn)有電信網(wǎng)的融合。激光時(shí)間傳遞技術(shù)利用激光的直線傳輸特性，獲得比微波更精確的星地信號(hào)傳播時(shí)延測(cè)量值，從而實(shí)現(xiàn)星載鐘與地面站主鐘的高精度、高穩(wěn)定性時(shí)間比對(duì)。由于該技術(shù)實(shí)施需要專用系統(tǒng)及設(shè)備，應(yīng)用領(lǐng)域有限，目前主要的應(yīng)用方向是與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合，作為附加精密時(shí)鐘源，提升其系統(tǒng)性能。該技術(shù)未來(lái)可在以下方面進(jìn)行重點(diǎn)研究和探索：多系統(tǒng)融合應(yīng)用；星地激光傳輸關(guān)鍵技術(shù)研究及專業(yè)設(shè)備研制；激光時(shí)間傳遞系統(tǒng)通用接口設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)化；授時(shí)性能監(jiān)測(cè)(精確性、完好性)。以上技術(shù)的研究，可為我國(guó)正在進(jìn)行的國(guó)家時(shí)頻體系建設(shè)提供參考。例如，在一級(jí)時(shí)間實(shí)驗(yàn)室的選址及建設(shè)過(guò)程中，需考慮以上3類 時(shí)頻傳遞技術(shù)的綜合應(yīng)用，以保證一級(jí)時(shí)間實(shí)驗(yàn)室之間時(shí)頻信號(hào)比對(duì)的高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性和高安全性(日常/戰(zhàn)時(shí))。

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