衛(wèi)星雙向時間頻率比對軟件接收技術(shù)研究

楊志強， 梁 坤， 張愛敏， 袁小迪， 宋文霞

(中國計量科學研究院，北京 100029)

1 引 言

時間是一個基本物理量，秒定義是7個基本物理量定義之一。到目前為止，秒定義是7個基本物理量中準確度最高的物理量[1]。國際計量局(BIPM)通過國際原子時合作，利用全球各個時間頻率實驗室間的比對數(shù)據(jù)計算并發(fā)布國際原子時(TAI)及協(xié)調(diào)世界時(UTC)。時間頻率遠程傳遞與比對技術(shù)是全球時間頻率實驗室參加國際原子時合作的必要手段。目前，高精度時間頻率遠程傳遞與比對方法主要有兩種，一種是利用地球同步通信衛(wèi)星的衛(wèi)星雙向時間頻率傳遞(two-way satellite time and frequency transfer，TWSTFT)方法[2～4]，另一種是利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)的時間頻率傳遞方法[5，6]。

衛(wèi)星雙向時間頻率傳遞技術(shù)通過建立衛(wèi)星地面站、租用衛(wèi)星信道和處理比對數(shù)據(jù)實現(xiàn)遠距離時間頻率比對。TWSTFT技術(shù)不但應(yīng)用于通過比較本地時標進行時間傳遞，也應(yīng)用于原子噴泉鐘和氫鐘之間的精密頻率比對。TWSTFT比對工作由BIPM時間頻率咨詢委員會(consultative committee of time and frequency，CCTF)的TWSTFT工作組負責組織實施。目前，TWSTFT系統(tǒng)中通常使用SATRE調(diào)制解調(diào)器，研究發(fā)現(xiàn)TWSTFT結(jié)果中存在連續(xù)的周日變化誤差(diurnal)，這是衛(wèi)星雙向時間比對主要的統(tǒng)計學不確定度來源，在使用1 Mchip/s時，該誤差的峰峰值幅度可達2 ns[7～11]。

近年來，一些實驗室利用軟件接收機技術(shù)(software defined receiver，SDR)配合SATRE調(diào)制解調(diào)器開展了相關(guān)實驗研究，SDR比對結(jié)果表明該技術(shù)能明顯降低衛(wèi)星雙向時間比對中的周日變化誤差并提高短期穩(wěn)定度[12～14]。2016年1月，國際計量局衛(wèi)星雙向時間比對工作組啟動了利用SDR接收機參與計算UTC的實驗研究，目的是研究SDR TWSTFT在亞洲—亞洲，亞洲—歐洲，歐洲—歐洲，歐洲—美國鏈路，在使用不同轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星的情況下，SDR接收機相對于傳統(tǒng)SATRE調(diào)制解調(diào)器的改善性能[15，16]。全球范圍內(nèi)，16個時間實驗室安裝了SDR接收機并且參加了SDR TWSTFT的測量：亞洲實驗室包括TL、NICT、KRISS、NTSC、NIM；歐洲實驗室包括PTB、OP、VNIIFTRI(SU)、INRIM(IT)、METAS(CH)、AOS、PL(GUM)、RISE(SP)、ROA和NPL；還有美國的NIST實驗室。在實驗研究中，租用了3個衛(wèi)星的KU轉(zhuǎn)發(fā)器；其中，亞洲—亞洲鏈路使用Eutelsat 172A(E172A)衛(wèi)星，租用帶寬2.5 MHz，在2017年11月，E172A由E172B代替；亞洲—歐洲鏈路使用Express AM22衛(wèi)星，租用帶寬2.5 MHz直到2017年6月；歐洲—歐洲和歐洲—美國鏈路使用Telstar 11N(T-11N)衛(wèi)星，租用帶寬1.7 MHz。2018年3月，亞洲—歐洲鏈路使用Express AM22衛(wèi)星由ABS-2A代替。BIPM對覆蓋全球的SDR TWSTFT時間比對鏈路的研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的SATRE TWSTFT相比，在所有鏈路中，SDR TWSTFT表現(xiàn)出了優(yōu)于或者至少是相似的性能。

中國計量科學研究院(NIM)參加了該項由BIPM牽頭組織的研究工作，在基于AM22通信衛(wèi)星的亞洲—歐洲衛(wèi)星雙向比對鏈路中，NIM與俄羅斯計量院(SU)之間的SDR TWSTFT結(jié)果相對于傳統(tǒng)的SATRE TWSTFT結(jié)果得到明顯改善，增益因子的平均值為2.0；同時，NIM-SU SDR鏈路也是全球第一條周日變化誤差得到明顯改善的長基線洲際SDR TWSTFT鏈路。分析了基于ABS-2A衛(wèi)星的SDR TWSTFT和SATRE TWSTFT的時間穩(wěn)定度計算結(jié)果，結(jié)果表明SDR TWSTFT對短期鏈路噪聲的抑制效果更為顯著。

2 衛(wèi)星雙向比對原理

衛(wèi)星雙向時間頻率傳遞方法的基本原理是用戶之間通過衛(wèi)星同時交換時間信息，比對結(jié)束后，兩地實驗室交換數(shù)據(jù)，若兩信號經(jīng)過的路徑對稱或者準對稱的話，就可以抵消傳播時延。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，可以得到兩地時標之間的時間差和相對頻率偏差。

衛(wèi)星雙向比對系統(tǒng)主要由衛(wèi)星地面站、調(diào)制解調(diào)器、時間間隔計數(shù)器和數(shù)據(jù)采集處理計算機組成。衛(wèi)星地面站主要包括衛(wèi)星天線、發(fā)射用上變頻器、接收用下變頻器等。按照預定的比對時間表，參加同一條比對鏈路的地面站在規(guī)定時間內(nèi)測量時間信號并存儲結(jié)果，通過交換數(shù)據(jù)來計算兩地的時標差。

圖1 衛(wèi)星雙向時間頻率傳遞原理圖Fig.1 The principle of TWSTFT

如圖1所示，衛(wèi)星雙向時間傳遞的信號流程如下：在地面站1，本地產(chǎn)生的1 PPS信號通過調(diào)制解調(diào)器編碼并調(diào)制到70 MHz中頻，上變頻器將 70 MHz 的信號上變頻到KU波段發(fā)射給衛(wèi)星，衛(wèi)星接收并將此信號轉(zhuǎn)換到下行頻率向地面廣播。遠程的地面站2接收到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的信號后，將其下變頻到70 MHz，傳送到地面站2的解調(diào)器，解調(diào)出地面站1發(fā)射1 PPS信號；地面站2的時間間隔計數(shù)器測量本地發(fā)送1 PPS信號和解調(diào)到1 PPS信號之間的時間間隔；地面站1的時間間隔計數(shù)器采用同樣的測量原理。

圖1中各符號含義如下：TS(k)：地面站k(1或2)參考點的時標1 PPSTX；TI(k)：時間間隔讀數(shù)TX(k)：發(fā)射延遲，包括調(diào)制解調(diào)器延遲；RX(k)：接收延遲，包括調(diào)制解調(diào)器延遲；SPU(k)：上行鏈路傳播延遲；SPD(k)：下行鏈路傳播延遲；SPT(k)：衛(wèi)星延遲；SCU(k)：上行鏈路Sagnac修正延遲；SCD(k)：下行鏈路Sagnac修正延遲。

地面站1的時間間隔計數(shù)器(TIC)讀數(shù)為：

TI(1)=TS(1)-TS(2)+TX(2)+SPU(2)+

SCU(2)+SPT(2)+SPD(1)+

SCD(1)+RX(1)

(1)

地面站2的TIC讀數(shù)為：

TI(2)=TS(2)-TS(1)+TX(1)+SPU(1)+

SCU(1)+SPT(1)+SPD(2)+

SCD(2)+RX(2)

(2)

所以：

TI(1)-TI(2)=2TS(1)-2TS(2)+TX(2)-

TX(1)+SPU(2)-SPU(1)+

SPT(2)-SPT(1)+SPD(1)-

SPD(2)+RX(1)-RX(2)+

SCD(1)-SCU(1)-

SCD(2)+SCU(2)

(3)

地面站1與地面站2之間的時標之差由式(4)給出：

TS(1)-TS(2)=+0.5[TI(1)]-0.5[TI(2)]+

0.5[SPT(1)-SPT(2)]-

0.5[SCD(1)-SCU(1)]+

0.5[SCD(2)-SCU(2)]+

0.5[SPU(1)-SPD(1)]-

0.5[SPU(2)-SPD(2)]+

0.5[TX(1)-RX(1)]-

0.5[TX(1)-RX(1)]

(4)

式(4)中除了衛(wèi)星的延遲SPT外，其他延遲可以逐個站進行校正。

3 SDR TWSTFT比對實驗

全球SDR TWSTFT比對網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。在衛(wèi)星雙向時間比對中，SDR接收機與SATRE調(diào)制解調(diào)器并行使用；在每個地面站，發(fā)射信號由SATRE調(diào)制解調(diào)器產(chǎn)生；在接收單元，下變頻后的信號一分為二，同時輸入SATRE調(diào)制解調(diào)器和SDR接收機。在這兩套裝置中，信號的到達時間是獨立確定的。

圖2 SDR TWSTFT全球比對網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Global network of SDR TWSTFT

3.1 BIPM組織的SDR TWSTFT實驗研究

BIPM組織的實驗研究覆蓋全球的SDR TWSTFT網(wǎng)絡(luò)。從研究結(jié)果可見，與傳統(tǒng)的SATRE TWSTFT相比，在所有鏈路中，SDR TWSTFT表現(xiàn)出了優(yōu)于或者至少是相似的性能。精確地看，在洲內(nèi)鏈路中，例如歐洲內(nèi)部鏈路具有較大的周日變化誤差，SDR TWSTFT表現(xiàn)出明顯改善，減小周日誤差的因子在2～3倍；在較長的洲際鏈路上，例如大西洋鏈路(歐洲—美國)中，SDR TWSTFT僅僅獲得了30%到40%的改善因子，但仍然是明顯改進。

BIPM選取具有代表性的OP-PTB和AOS-PTB鏈路的實驗結(jié)果進行分析，表1統(tǒng)計了SDR TWSTFT與SATRE TWSTFT比對結(jié)果的時間標準偏差及增益因子。

表1 SDR TWSTFT相對SATRE TWSTFT的增益因子Tab.1 The gain factor of SDR TWSTFT vs SATRE TWSTFT

圖3 SDR TWSTFT與SATRE TWSTFT時間偏差比較圖Fig.3 The TDEV results between SDR TWSTFT and SATRE TWSTFT

圖4 增益因子Fig.4 The gain factor of SDR TWSTFT vs SATRE TWSTFT

由圖4可見，SDR TWSTFT與SATRE TWSTFT比對結(jié)果的增益因子在平均時間為8 h時達到最大值，隨著平均時間的增加，增益因子逐漸減小。

3.2 NIM的SDR TWSTFT實驗結(jié)果及分析

2017年2月，NIM成功安裝SDR接收機并參加BIPM組織的SDR TWSTFT比對實驗；SDR接收機由A/D采樣器(USRP N210)，GPU數(shù)據(jù)處理器(Nvidia Tesla K40)和一臺工作站組成。SDR接收機與NIM01地面站的結(jié)構(gòu)如圖5，為了滿足A/D采樣器對輸入信號的要求，使用了70 MHz的帶通濾波器和前端低噪聲放大器對信號進行預處理。

圖5 NIM01衛(wèi)星地面站SDR結(jié)構(gòu)圖Fig.5 The SDR framework of NIM01 earth station

SDR TWSTFT數(shù)據(jù)的格式按照ITU-R TF.1153-4(ITU for short)的規(guī)定編寫[17]。采用與SATRE測量時相同的文件名稱來記錄SDR TWSTFT數(shù)據(jù)并參加UTC計算實驗。2017年2月～6月，亞洲—歐洲TWSTFT鏈路租用衛(wèi)星為AM22；由于PTB參加亞洲—歐洲TWSTFT鏈路的地面站沒有安裝SDR，無法獲取PTB的SDR比對數(shù)據(jù)；因此，選取SU-NIM的比對數(shù)據(jù)進行分析，SU-NIM TWSTFT鏈路是歐洲—亞洲長距離衛(wèi)星雙向比對鏈路，比對兩端實驗室分別位于俄羅斯莫斯科和中國北京。

圖6給出了AM22鏈路中，SDR和SATRE TWSTFT的時差比對結(jié)果。

圖6 AM22鏈路SU-NIM時差比對結(jié)果Fig.6 Time difference btween SU and NIM of AM22 link

表2統(tǒng)計了AM22鏈路中SU-NIM的SDR TWSTFT相對SATRE TWSTFT的增益因子，在SU-NIM鏈路中，SDR TWSTFT的結(jié)果比SATRE TWSTFT具有明顯的改善，平均增益因子為2.0。

表2 AM22鏈路中SU-NIM的SDR TWSTFT相對SATRE TWSTFT的增益因子Tab.2 The gain factor of SU-NIM SDR TWSTFT vs SATRE TWSTFT on AM22 link

2017年6月底，AM22衛(wèi)星由于使用壽命到期不能繼續(xù)使用，同時沒有符合要求的衛(wèi)星替代，亞洲—歐洲TWSTFT鏈路暫停比對。2018年3月，隨著俄羅斯ABS-2A衛(wèi)星發(fā)射成功并通過測試，亞洲—歐洲鏈路開始租用ABS-2A衛(wèi)星進行衛(wèi)星雙向比對，參比實驗室包括PTB、NIM、NTSC、NICT。

在實際使用中發(fā)現(xiàn)ABS-2A的鏈路噪聲相對較大。由于NICT01沒有上傳SDR數(shù)據(jù)到BIPM，通過分析PTB-NIM-NTSC之間的比對數(shù)據(jù)來驗證SDR TWSTFT的改善性能，選取的比對數(shù)據(jù)日期為MJD 58 802-58 827。

圖7和圖8分別給出了SATRE TWSTFT和SDR TWSTFT比對結(jié)果的時間穩(wěn)定度(time stability)。圖中，縱坐標為：時間偏差/ns，橫坐標為：平均時間/0.5 hours。

圖7 ABS-2A鏈路SATRE比對結(jié)果的時間穩(wěn)定度Fig.7 The time stability of SATRE results by ABS-2A link

圖8 ABS-2A鏈路SDR比對結(jié)果的時間穩(wěn)定度Fig.8 The time stability of SDR results by ABS-2A link

表3～表5分別統(tǒng)計了ABS-2A鏈路中NIM-PTB、NIM-NTSC、PTB-NTSC之間SDR TWSTFT相對SATRE TWSTFT的增益因子(時間穩(wěn)定度計算結(jié)果)，其中NIM-PTB和PTB-NTSC的平均增益因子均優(yōu)于2.5。從3個表中結(jié)果可見，所有的增益因子都隨著統(tǒng)計時間的增長而減小。

表3 ABS-2A鏈路中NIM-PTB的SDR TWSTFT相對SATRE TWSTFT的增益因子Tab.3 The gain factor of NIM-PTB SDR TWSTFT vs SATRE TWSTFT on ABS-2A link

4 結(jié) 論

在衛(wèi)星雙向時間頻率比對中，基于SATRE的TWSTFT比對結(jié)果的不確定度水平受限于一種周日變化誤差，在一些鏈路的比對結(jié)果中，能夠觀測到該誤差的峰峰值大于2 ns。

一些實驗室也開展了對于這種周日變化誤差的研究，但迄今為止，沒有研究成果能夠明確給出導致該誤差的主要原因。近年來，一種基于SDR的TWSTFT地面站能夠明顯地降低衛(wèi)星雙向比對鏈路的測量噪聲。因此，BIPM時間頻率咨詢委員會衛(wèi)星雙向時間比對工作組啟動了一項在全球TWSTFT網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用SDR進行UTC計算的實驗研究，該項研究的結(jié)果表明，與基于SATRE的TWSTFT相比，SDR TWSTFT表現(xiàn)出更優(yōu)秀的性能。

NIM參加了該項由BIPM牽頭組織的研究工作，在基于AM22通信衛(wèi)星的亞洲—歐洲衛(wèi)星雙向比對鏈路中，NIM與SU之間的SDR TWSTFT結(jié)果相對于傳統(tǒng)的SATRE TWSTFT結(jié)果得到明顯改善，增益因子的平均值為2.0；同時，NIM-SU SDR鏈路也是全球第一條周日變化誤差得到明顯改善的長基線洲際SDR TWSTFT鏈路。分析了基于ABS-2A衛(wèi)星的SDR TWSTFT和SATRE TWSTFT的時間穩(wěn)定度計算結(jié)果，結(jié)果表明SDR TWSTFT對短期鏈路噪聲的抑制效果更為顯著。

表4 ABS-2A鏈路中NIM-NTSC的SDR TWSTFT相對SATRE TWSTFT的增益因子Tab.4 The gain factor of NIM-NTSC SDR TWSTFT vs SATRE TWSTFT on ABS-2A link

表5 ABS-2A鏈路中PTB-NTSC的SDR TWSTFT相對SATRE TWSTFT的增益因子Tab.5 The gain factor of PTB-NTSC SDR TWSTFT vs SATRE TWSTFT on ABS-2A link