GNSS系統(tǒng)時(shí)間及星載鐘研究

趙學(xué)軍

（中國(guó)人民解放軍92678部隊(duì)，天津 300220）

0 引言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）所產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息在通信、電力、廣播、電視、科研、安防監(jiān)控、工業(yè)控制等領(lǐng)域廣泛使用。衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)可提供高精度、全天時(shí)、全天候的導(dǎo)航、定位和授時(shí)服務(wù)。其授時(shí)性能優(yōu)異，高精度，低成本，安全可靠，全天候，覆蓋范圍廣。本文主要介紹各GNSS的系統(tǒng)時(shí)間和其星載鐘性能研究。

1 GPS系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)時(shí)間

GPS時(shí)間是一種由 GPS地面測(cè)控系統(tǒng)建立的連續(xù)運(yùn)行的時(shí)間系統(tǒng)，其時(shí)間原點(diǎn)定義在1980年1月6日0時(shí)。它溯源到美國(guó)海軍天文臺(tái)所產(chǎn)生和保持的協(xié)調(diào)時(shí)UTC（USNO），溯源鏈路如圖1所示。

GPS時(shí)間與國(guó)際協(xié)調(diào)時(shí)UTC不同之處在于它不作閏秒修正，因而是一個(gè)連續(xù)的時(shí)間尺度。它與國(guó)際原子時(shí)相似，但與國(guó)際原子時(shí)在任一瞬間都存在一個(gè)19s的系統(tǒng)差，即：TAI-TGPS=19s。

1.2 GPS星載鐘及衛(wèi)星時(shí)間系統(tǒng)

星載原子鐘，也稱原子頻標(biāo)（AFS）是導(dǎo)航衛(wèi)星的關(guān)鍵載荷，能夠確保衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供精確的授時(shí)服務(wù)。

GPS系統(tǒng)中星載原子鐘受到高度重視，美國(guó)曾多次進(jìn)行星載原子中的性能評(píng)估試驗(yàn)，現(xiàn)已納入BIPM（國(guó)際計(jì)量局）的監(jiān)測(cè)體系。目前，GPS空間段的每顆Block II/IIA衛(wèi)星上均放置了2臺(tái)銣鐘和2臺(tái)銫鐘，每顆Block IIR衛(wèi)星上放置了3臺(tái)銣鐘，其中1臺(tái)銣鐘作為實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)，其余備用。與Block II/IIA衛(wèi)星相比，Block IIR衛(wèi)星所到在的銣原子鐘加強(qiáng)了物理封裝，提高了穩(wěn)定性和可靠性。Block II/IIA衛(wèi)星原子頻標(biāo)輸出信號(hào)通過(guò)頻標(biāo)分配單元（FSDU）發(fā)播給用戶，而B(niǎo)lock IIR衛(wèi)星原子頻標(biāo)的輸出信號(hào)要通過(guò)時(shí)間保持系統(tǒng)（TKS，功能為頻率凈化和主備鐘切換）后發(fā)播給用戶。隨著GPS的現(xiàn)代化，GPS Block IIR-M和BlockIIF衛(wèi)星增加了新的信號(hào)頻點(diǎn)和更加健壯的信號(hào)體制，Block IIR-M依然采用與Block IIR衛(wèi)星相同的原子鐘配置方案，Block IIF采用兩臺(tái)銣鐘和一臺(tái)銫鐘的配置方案，銫鐘的引入能夠改善頻率短期穩(wěn)定度。

圖1 GPS時(shí)間溯源原理圖

圖2展示了由美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室（U.S. Naval Research Lab）給出的GPS星載原子鐘頻率穩(wěn)定度。

圖3利用IGS提供的精密鐘差數(shù)據(jù)計(jì)算了GPS星載原子鐘的頻率穩(wěn)定度，展示了 2013年第四季度GPS星載原子鐘天穩(wěn)排序。

圖2 GPS星載原子鐘頻率穩(wěn)定度（哈達(dá)瑪方差）

圖3 2013年第四季度GPS星載原子鐘天穩(wěn)排序（哈達(dá)瑪方差）

2 GLONASS系統(tǒng)

GLONASS系統(tǒng)是前蘇聯(lián)建立的類似于GPS系統(tǒng)的星基無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)，其前身CICADA與美國(guó)海軍衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)NNSS（子午系統(tǒng)）同期，于1965年設(shè)計(jì)，20世紀(jì)70年代中期開(kāi)始啟動(dòng)GLONASS計(jì)劃，1982年10月12日發(fā)射第一顆GLONASS衛(wèi)星，1996年1月18日，完成24顆衛(wèi)星的布局，衛(wèi)星具備完全工作能力。

GLONASS系統(tǒng)由24顆衛(wèi)星組成，它們均勻分布在軌道高度約為20000km的3個(gè)軌道平面上，每個(gè)平面上分布8顆衛(wèi)星。軌道傾角為64.8°，軌道平面相互間隔 120°。同 GPS系統(tǒng)一樣，GLONASS系統(tǒng)也由空間段、地面段和用戶端三部分組成，其功能也與GPS系統(tǒng)的各組成部分的功能基本相同。

2.1 GLONASS系統(tǒng)時(shí)間

GLONASS系統(tǒng)時(shí)間是一個(gè)與協(xié)調(diào)時(shí) UTC相類似但又不完全相同的原子鐘時(shí)系統(tǒng)。與GPS系統(tǒng)時(shí)間不同的是GLONASS系統(tǒng)時(shí)間引入了跳秒（閏秒），并以莫斯科時(shí)間為基準(zhǔn)，它溯源于俄羅斯時(shí)間空間計(jì)量研究所所產(chǎn)生和保持的俄羅斯協(xié)調(diào)時(shí)UTC（SU），但與UTC（SU）之間存在3h的系統(tǒng)差，如下式所示。

2.2 GLONASS星載鐘

GLONASS系統(tǒng)于1982年至1985年發(fā)射了11顆 Block I衛(wèi)星，設(shè)計(jì)壽命 1年，每顆衛(wèi)星配有“BERYL”銣鐘。1985年12月開(kāi)始發(fā)射Block IIa衛(wèi)星，共6顆衛(wèi)星，設(shè)計(jì)壽命1年，配有銫原子鐘。1987年和1988年發(fā)射12顆Block IIb衛(wèi)星（僅6顆運(yùn)轉(zhuǎn)于預(yù)設(shè)軌道，2顆發(fā)射失?。┰O(shè)計(jì)壽命兩年，配有銫原子鐘。1988年11月開(kāi)始發(fā)射Block IIc衛(wèi)星，設(shè)計(jì)壽命3年。GLONASS于1996年1月18日完成衛(wèi)星布設(shè)。GLONASS系統(tǒng)于 2003發(fā)射了12顆現(xiàn)代化衛(wèi)星GLONASS-M（也稱Uragan-M）,設(shè)計(jì)壽命七年，每顆衛(wèi)星上搭載了3個(gè)新型銫原子鐘。圖4展示了GLONASS 17號(hào)衛(wèi)星銫原子鐘頻率穩(wěn)定度。

3 GALILEO系統(tǒng)

由于GPS、GLONASS均由美國(guó)和俄羅斯軍方控制，且目前GLONASS在軌衛(wèi)星缺失，GPS獨(dú)霸市場(chǎng)。1982年歐空局提議要建立一套民用為目的的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其特點(diǎn)是共享的、獨(dú)立于GPS的無(wú)增強(qiáng)條件下的適于海陸空的系統(tǒng)。2002年2月26日，歐盟正式啟動(dòng)GALILEO系統(tǒng)建設(shè)，計(jì)劃耗資32億到36億歐元。

圖4 GLONASS R17號(hào)衛(wèi)星銫原子鐘頻率穩(wěn)定度

GALILEO系統(tǒng)由30顆高軌道衛(wèi)星組成，分布在軌道高度為2.4萬(wàn)km、傾角為56°的3個(gè)軌道面上。同GPS系統(tǒng)和GLONASS系統(tǒng)一樣，GALILEO系統(tǒng)也由空間段、地面段和用戶端三部分組成。目前GALILEO系統(tǒng)有兩顆在軌試驗(yàn)衛(wèi)星。

3.1 系統(tǒng)時(shí)間

GALILEO系統(tǒng)時(shí)間簡(jiǎn)稱為GST，是一個(gè)連續(xù)運(yùn)行的的原子時(shí)，其時(shí)間基準(zhǔn)由位于意大利的弗西羅伽利略控制中心提供，初始?xì)v元為1999年8月22日0時(shí)。它與GPST類似，不進(jìn)行閏秒調(diào)整，與TAI有一個(gè)常數(shù)偏差。

3.2 GALILEO星載鐘

2006年1月，GALILEO的GIOVE A衛(wèi)星開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，該衛(wèi)星搭載了2臺(tái)銣原子鐘。其后，GIOVE B衛(wèi)星于2008年5月開(kāi)始播發(fā)信號(hào)，該衛(wèi)星搭載了1臺(tái)被動(dòng)氫原子鐘和2臺(tái)銣原子鐘。2012年10月12日至2016年11月17日，GALILEO系統(tǒng)累計(jì)發(fā)射16顆衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星搭載2臺(tái)氫原子鐘和2臺(tái)銣原子鐘，在軌衛(wèi)星達(dá)到18顆。

圖5至圖7展示了Galiloe系統(tǒng)銣原子鐘和氫原子鐘的頻率穩(wěn)定度。

圖5 Galiloe衛(wèi)星銣原子鐘RAFS1頻率穩(wěn)定度

圖6 Galiloe衛(wèi)星銣原子鐘RAFS2頻率穩(wěn)定度

圖7 Galiloe衛(wèi)星銣原子鐘和被動(dòng)氫鐘頻率穩(wěn)定度

表1 BDS星載原子鐘性能

表2 GPS、GLONASS和BDS星載原子鐘性能比較

BDS星載銣原子鐘頻率穩(wěn)定度如圖8所示。

4 BDS系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是中國(guó)正在實(shí)施的自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。其空間星座由5顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星 、27顆中圓地球軌道（MEO）衛(wèi)星和3顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛(wèi)星組成。GEO衛(wèi)星軌道高度 35786km，分別定點(diǎn)于東經(jīng)58.75°、80°、110.5°、140°和 160°；MEO 衛(wèi)星軌道高度21528km，軌道傾角55°；IGSO衛(wèi)星軌道高度35786km，軌道傾角55°。

4.1 BDS星載鐘

我國(guó)BDS發(fā)射的衛(wèi)星都搭載了3臺(tái)銣原子鐘，表1展示了BDS星載原子鐘的性能，表2對(duì)比了GPS、GLONASS和BDS的星載原子鐘性能。

5 結(jié)論

縱觀GNSS的星載時(shí)頻系統(tǒng)，其衛(wèi)星鐘大都基于星載銣原子鐘，它們有的是一氫兩銣、有的是一銫兩銣，有的是三銣配置。研究結(jié)果表明，隨著溯源和星載鐘控制校準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星載鐘的最佳配置是三銣。

圖8 BDS衛(wèi)星銣原子鐘頻率穩(wěn)定度