基于軟件接收機的衛(wèi)星雙向時間頻率傳遞

武文俊，姜萌，王翔，張繼海，廣偉，董紹武

基于軟件接收機的衛(wèi)星雙向時間頻率傳遞

武文俊1,2,3，姜萌1,2,3，王翔1,2，張繼海1,2，廣偉1,2,3，董紹武1,2,3

（1. 中國科學院 國家授時中心，西安 710600；2. 中國科學院 時間頻率基準重點實驗室，西安 710600；3. 中國科學院大學 天文與空間科學學院，北京 101048）

衛(wèi)星雙向時間頻率傳遞是目前最準確的遠距離時間比對方式之一。多年以來，衛(wèi)星雙向一直是利用硬件調制解調器來開展工作。在國際時間頻率咨詢委員會衛(wèi)星雙向工作組的組織下，全球主要時間實驗室于2016年發(fā)起了基于軟件接收機的衛(wèi)星雙向時間比對試驗。2016年8月，中國科學院國家授時中心與德國物理技術研究院開通了第一條歐亞間基于軟件接收機的衛(wèi)星雙向時間比對鏈路。通過對基于軟件接收機的衛(wèi)星雙向時間比對進行測試與標定，結果表明：該時間比對方式的頻率相對穩(wěn)定度和時間穩(wěn)定度分別可以達到1×10-15/d和1 ns，其鏈路總不確定優(yōu)于1.6 ns。最后將該鏈路與基于硬件調制解調器的衛(wèi)星雙向時間比對進行比較驗證，二者結果互為一致。

協調世界時；時間比對；衛(wèi)星雙向；軟件接收機

0 引言

當前，國際標準時間是協調世界時（coordinated universal time，UTC），而遠距離時間比對是協調世界時產生過程中的重要環(huán)節(jié)[1]。在協調世界時的歸算中，衛(wèi)星雙向時間頻率傳遞（two-way satellite time and frequency transfer，TWSTFT）和GNSS（global navigation satellite system）時間頻率傳遞是現階段遠距離時間傳遞的兩種主要技術手段，世界主要時頻實驗室都具備這兩種時間比對的能力[2]。自1999年TWSTFT正式應用于UTC的計算以來，它在國際標準時間的產生中就一直發(fā)揮著極其重要的作用，現它已成為國際權度局（BIPM）計算協調世界時的首要時間比對方法。中國科學院國家授時中心（NTSC）于1998年與日本國家信息與通信技術研究所（NICT）開通了國內第一條TWSTFT鏈路，并于2002年1月將其數據成功應用于UTC的計算。傳統的衛(wèi)星雙向時間頻率傳遞一直主要利用德國Timetech公司的衛(wèi)星時間和距離測量設備（satellite time and ranging equipment，SATRE）來完成信號的編碼和解調[3]。為改善衛(wèi)星雙向時間比對性能，2016年1月，國際時間頻率咨詢委員會衛(wèi)星雙向時間頻率傳遞工作組發(fā)起了基于軟件接收機（software defined receiver，SDR）的全球性TWSTFT試驗，該試驗成功地利用軟件接收機的方法對TWSTFT偽碼擴頻信號進行了解擴解調[4-5]。與SATRE硬件接收機衛(wèi)星雙向時間比對相比，SDR操作簡單、增加了數據采樣率、降低了成本，并且在某些衛(wèi)星雙向時間比對鏈路上還提高了時間比對結果的精度[6]。中國科學院國家授時中心積極參與該試驗，2016年8月與德國物理技術研究院（PTB）開通了第一條歐亞間基于軟件接收機的TWSTFT，并取得了良好的試驗結果。

1 基本原理

衛(wèi)星雙向時間比對過程中由于信號路徑上的高度對稱性使得其各類誤差大部分被抵消，從而獲得了高精度的兩地時間差。基于SDR的衛(wèi)星雙向時間比對過程與基于SATRE的衛(wèi)星雙向時間比對相似，筆者將詳細描述前者的原理及系統組成。

1.1 原理

衛(wèi)星雙向時間頻率傳遞基本原理是在地面站使用發(fā)射機將本地原子鐘的時間信號經偽隨機碼調制，通過甚小口徑終端天線（VSAT）將調制的擴頻信號發(fā)射給衛(wèi)星，經衛(wèi)星轉發(fā)器把站的時間信號轉發(fā)至地面，地面站接收經衛(wèi)星轉發(fā)的站的時間信號，解調信號后并與站的原子鐘信號相比較，從而測量站傳到站信號的傳遞時延。在站發(fā)射信號的同時，站以同樣方式發(fā)射信號被站接收[7]。通過兩站數據交換，去除各種誤差項后即可獲得兩地原子鐘間的高精度鐘差。

1.2 系統組成

在不改變基于SATRE的衛(wèi)星雙向比對工作的基礎上，加入SDR，與SATRE共用發(fā)射機，天線系統接收到的信號由下變器處理后分兩路輸入SATRE接收通道和SDR。每個地面站都配備有原子鐘、VSAT、SATRE、軟件接收機和時間間隔計數器等設備，具體組成如圖1所示。原子鐘將產生的1 PPS信號送至發(fā)射機后首先與偽隨機碼進行BPSK調制，然后再將調制好的信號調制到載波上，最后生成70 MHz的中頻信號并作為發(fā)射機的輸出信號。將70 MHz的中頻信號輸入上變頻器進行變頻，然后對上變頻后的調制信號通過固態(tài)功率放大器（SSPA）進行功率放大后，通過VSAT終端發(fā)射向衛(wèi)星。衛(wèi)星接收到來自地面站的信號后，通過透明轉發(fā)器對信號實現上行頻率到下行頻率的轉換并轉發(fā)向地面。TWSTFT對方站收到衛(wèi)星轉發(fā)的信號后，由VSAT終端接收，通過低噪聲放大器（LNA）處理，信號輸入下變頻器，將信號還原為70 MHz的中頻信號。然后將還原的70 MHz的中頻信號分別輸入SATRE接收通道和SDR，二者分別對1 PPS中頻信號實現解擴解調，從而實現發(fā)射站到接收站的時延測定。

注：VAST為甚小口徑終端天線，TIC為時間間隔計數器，SATRE為衛(wèi)星時間和距離測量設備，SDR為軟件接收機

1.3 算法

衛(wèi)星雙向時間頻率傳遞過程中站時延測量的讀數為

站時延測量的讀數為

根據式（1）和（2）整理得到站和站鐘差，如下式所示：

目前，國際上主要使用Ku頻段的電磁波來進行衛(wèi)星雙向時間頻率傳遞。由于當前衛(wèi)星雙向時間比對的精度為0.5 ns，無線電波在Ku波段工作時，式（3）中的時間比對兩站幾何路徑時延、對流層時延和電離層時延在幾十皮秒甚至幾皮秒的量級，數據處理時完全可以忽略，而Sagnac效應對于固定的兩地面站，它有準確的計算公式可以求解。當時間比對雙方同用一個衛(wèi)星轉發(fā)器時，衛(wèi)星轉發(fā)器時延也可以相互抵消。當兩站使用不同轉發(fā)器時，該項需要考慮，屬于衛(wèi)星硬件時延。TWSTFT互相比對兩站的硬件時延需要準確標定[8]。

2 基于SDR的TWSTFT試驗結果

中國科學院國家授時中心和德國物理技術研究院分別負責中國和德國國家標準時間的產生和發(fā)播[9-10]。經過積極協調，中國NTSC和德國PTB分別在2016-07-20/07-30和2016-08-01/08-19期間完成了軟件接收機的安裝與調試。

2.1 NTSC與PTB設備配置

NTSC和PTB都是國際原子時的重要參與單位，二者時間比對鏈路的基線長度約為7800 km，如圖2所示，其SDR部分主要硬件設備配置情況見表1。

圖2 NTSC-PTB時間比對鏈路

表1 NTSC和PTB設備配置表

2.2 測試結果

自2016年8月20日開始，NTSC和PTB之間利用俄羅斯的AM22通信衛(wèi)星成功實現了基于SDR的TWSTFT時間比對。在試驗中，地面觀測站和衛(wèi)星之間的上下行頻率分別采用Ku波段的14.26 GHz和10.96 GHz，基帶部分的偽隨機碼的碼速率為2.5兆碼片/s。

圖3是從約化儒略日57 650（2016-09-19）~57 659（2016-09-28）期間的中德SDR衛(wèi)星雙向時間比對的結果，其中縱坐標UTC（PTB）- UTC（NTSC）為中德時間差。從圖3可以看出，NTSC-PTB之間基于SDR的衛(wèi)星雙向時間比對結果是連續(xù)穩(wěn)定的，但它具有明顯的周日變化的特點，這與傳統的SATRE衛(wèi)星雙向時間比對特征一致。圖4給出了NTSC-PTB鏈路基于SDR衛(wèi)星雙向時間比對的修正Allan方差（MVAR）和時間偏差（TDEV）。從圖4可以看出，該鏈路的頻率相對穩(wěn)定度和時間穩(wěn)定度分別可以達到1×10-15/1 d和1 ns。

圖3 基于SDR的TWSTFT試驗結果

圖4 基于SDR衛(wèi)星雙向的修正Allan方差和時間偏差

2.3 基于SDR的TWSTFT標定及其不確定度分析

圖5 SATRE雙向對SDR雙向標定結果

本次標定的不確定度采用全球SDR衛(wèi)星雙向試驗中的不確定度處理方法[6]，其中SDR衛(wèi)星雙向A類不確定度為0.2 ns，SATRE衛(wèi)星雙向的總不確定度為SDR衛(wèi)星雙向鏈路的B類不確定度，見表2所示。基于SDR的衛(wèi)星雙向比對鏈路不確定度優(yōu)于1.6 ns，表2中A、B和分別為A類、B類和總不確定度。

表2 基于SDR的TWSTFT不確定度預算表

3 與SATRE衛(wèi)星雙向比對鏈路的比較驗證

基于SATRE的衛(wèi)星雙向時間比對鏈路一直是BIPM計算UTC的首選國際時間比對方式。自2016年9月開始，通過SATRE進行NTSC與PTB之間的TWSTFT已經正式成為UTC計算中的一條正式鏈路。因此，以SATRE衛(wèi)星雙向鏈路為參考，將基于SDR的衛(wèi)星雙向與其進行比較驗證，其結果見圖6和圖7。圖6是SATRE和SDR的時間比對結果，圖7為兩種時間比對結果之差。由圖6和圖7可以看出，基于SATRE和SDR的兩條衛(wèi)星雙向時間比對鏈路的結果幾乎是完全一致的。

圖6 基于SATRE和SDR的TWSTFT比較

圖7 SATRE和SDR的TWSTFT的結果之差

4 結語

時間比對是國際標準時間產生過程中必不可少的環(huán)節(jié)之一。在國際時間頻率委員會衛(wèi)星雙向工作組的組織與協調下，中國科學院國家授時中心與德國物理技術研究院利用AM22衛(wèi)星開通了歐亞間首條基于軟件接收機的衛(wèi)星雙向時間比對鏈路，并于2016年8月開始成功獲得了試驗的結果。通過實驗表明，基于AM22衛(wèi)星的時間比對鏈路的頻率相對穩(wěn)定度和時間穩(wěn)定度分別可以達到1×10-15/1d和1 ns。利用硬件調制解調器衛(wèi)星雙向鏈路對基于軟件接收機的衛(wèi)星雙向時間比對鏈路進行了標定和驗證，其總不確定度優(yōu)于1.6 ns，二者結果相互一致?；谲浖邮諜C衛(wèi)星雙向時間比對鏈路的實現，為國際時間比對工作開拓了一種可靠的新方式。在一些幾百到二三千千米距離較短的其他國際試驗中，它還提高了時間比對的短期穩(wěn)定度。利用其他衛(wèi)星開展中德之間SDR衛(wèi)星雙向時間比對的性能還有待進一步驗證評估。2020年2月，國際權度局已經將基于軟件接收機的衛(wèi)星雙向時間頻率傳遞正式納入了國際標準時間的歸算。

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Two-way satellite time and frequency transfer based on software defined receiver

WU Wen-jun1,2, JIANG Meng1,2,3, WANG Xiang1,2, ZHANG Ji-hai1,2,GUANG Wei1,2,3, DONG Shao-wu1,2,3

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;2. Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;3. School of Astronomy and Space Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 101048, China)

The two-way satellite time and frequency transfer (TWSTFT) is one of the most accurate and precise methods for remote clocks. The traditional TWSTFT is operated on hardware modem. In 2016, all the major time laboratories in the world launched the TWSTFT study based on software defined receiver (SDR) under the organization of Consultative Committee for Time and Frequency Work Group on TWSTFT (WGTWSTFT). The first Euro-Asia SDR TWSTFT link was built up between the National Time Service Center (NTSC), Chinese Academy of Sciences and Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB). Test and calibration were implemented on the NTSC-PTB SDR link. It is shown that the relative frequency instability and time instability can reach to 1×10-15(1day) and 1ns, respectively; its total uncertainty is less than 1.6 ns. The traditional and SDR TWSTFT links were compared with each other and it’s found that they are consistent with each other.

coordinated universal time (UTC); time comparison; two-way satellite time and frequency transfer (TWSTFT); software defined receiver

10.13875/j.issn.1674-0637.2020-02-0094-07

2019-10-29；

2020-01-21

國家自然科學基金資助項目（11703030；11473029）

武文俊，男，副研究員，主要從事時間與頻率研究。