衛(wèi)星雙向時間頻率傳遞研究進展

張升康，楊文哲，王學(xué)運，王海峰，葛 軍

(1.北京無線電計量測試研究所，北京 100854；2.計量與校準(zhǔn)技術(shù)重點實驗室，北京 100854)

0 引言

時間頻率傳遞技術(shù)在國防建設(shè)、計量校準(zhǔn)、電力交通和科學(xué)研究等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，衛(wèi)星雙向時間頻率傳遞(Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer，TWSTFT)方法作為一種獨立的、高精度時間頻率傳遞方法，對標(biāo)準(zhǔn)時間產(chǎn)生與傳遞、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)等方面具有非常重要的價值。國際計量局(International Bureau of Weights and Measures，BIPM)負(fù)責(zé)的國際原子時(International Atomic Time，TAI)以及在其基礎(chǔ)上建立的協(xié)調(diào)世界時(Coordinated Universal Time，UTC)使用了全球80多個守時實驗室約450臺原子鐘的比對數(shù)據(jù)，TWSTFT網(wǎng)絡(luò)是TAI守時實驗室原子鐘遠程比對的重要途徑[1]。

TWSTFT技術(shù)起源于20世紀(jì)60年代，隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的進步而同步發(fā)展。1962年，J. M. Steele和W. Markowitz等[2]首次在美國海軍天文臺(United States Naval Observatory，USNO)和英國皇家格林尼治天文臺(Royal Greenwich Observatory，RGO)之間利用Telstar I衛(wèi)星進行雙向時間比對實驗。實驗采用持續(xù)時間為5μs的脈沖信號，每秒發(fā)射10個脈沖，實現(xiàn)了大約±1μs衛(wèi)星時間比對精度。隨后的20年間，陸續(xù)開展了利用通信衛(wèi)星進行遠程時間比對的實驗，但受制于衛(wèi)星通信技術(shù)，特別是信號調(diào)制解調(diào)的限制，衛(wèi)星雙向時間比對精度一直在微秒至數(shù)百納秒量級。1983年，斯圖加特大學(xué)P. Hartl等[3]利用偽隨機碼擴頻調(diào)制信號作為時間傳遞信號載體，設(shè)計了專門用于時間傳遞的調(diào)制解調(diào)器，通過商業(yè)通信衛(wèi)星和小型衛(wèi)星地球站將時間傳遞精度提升到1ns量級，極大地推動了TWSTFT技術(shù)的發(fā)展。隨后，世界主要的守時實驗室分別建立TWSTFT系統(tǒng)，開展日常時間頻率傳遞。1989年，BIPM成立TWSTFT臨時工作組，協(xié)調(diào)守時實驗室間的TWSTFT比對工作，該臨時工作組于1993年轉(zhuǎn)為永久性工作組[4]。隨著TWSTFT系統(tǒng)的正常運行，1999年，BIPM確定將TWSTFT比對數(shù)據(jù)作為TAI計算的主要數(shù)據(jù)之一[5]。至2019年，全球已有21個守時實驗室采用TWSTFT技術(shù)向BIPM進行報數(shù)[6]。

與其他的時間頻率傳遞方法相比，TWSTFT方法具有特有的優(yōu)勢。TWSTFT采用通信衛(wèi)星信道，具有覆蓋范圍廣、時頻傳遞基線長等優(yōu)點，可以實現(xiàn)跨大洲的時間頻率比對；TWSTFT地球站天線波束小，受周邊電磁信號影響小，具有較好的抗干擾能力；TWSTFT系統(tǒng)相對簡單，對外依賴小，時間頻率比對精度高，時差測量數(shù)據(jù)可共信道傳輸，可實現(xiàn)實時測量數(shù)據(jù)交互和時頻比對；TWSTFT采用無線信道傳輸，鏈路比對對站點位置不敏感，可用于相對運動節(jié)點間的時頻傳遞?；谝陨蟽?yōu)勢，TWSTFT技術(shù)具有很強的生命力，除用于守時系統(tǒng)比對外，在衛(wèi)星導(dǎo)航、衛(wèi)星定軌和時間統(tǒng)一等領(lǐng)域也具有重要應(yīng)用價值。

本文在簡單回顧了TWSTFT發(fā)展歷史的基礎(chǔ)上，闡述了TWSTFT的原理和誤差來源，給出了近年來國際上在降低TWSTFT誤差方面所做的努力和獲得的進展，分析了當(dāng)前TWSTFT系統(tǒng)存在的主要問題，并展望了TWSTFT技術(shù)的主要發(fā)展方向。

1 TWSTFT原理與誤差分析

1.1 TWSTFT原理[7]

TWSTFT以通信衛(wèi)星作為信號和信息傳輸載體,對地面上兩站的時間進行精確比對，參與比對的兩站向衛(wèi)星發(fā)射調(diào)制的時頻信號，接收經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)來自對方的時間頻率調(diào)制信號，經(jīng)解調(diào)測量和測量數(shù)據(jù)交互，能夠極大程度上消除傳輸路徑時延影響，從而得到精確的站間時差結(jié)果。TWSTFT的基本原理框圖如圖1所示，設(shè)站A和站B的時間參考需要進行衛(wèi)星雙向時間頻率比對，每個站的衛(wèi)星雙向系統(tǒng)包括時間參考、調(diào)制解調(diào)器、衛(wèi)星地面站和計數(shù)器。在實際工作中，站A的時間參考輸出的1PPS信號分成兩路，一路輸入至調(diào)制解調(diào)器，經(jīng)地面站A發(fā)送到衛(wèi)星上，并由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到地面站B；另一路用作本地計數(shù)器A的開門脈沖，使計數(shù)器開始計數(shù)。站B配備和信號流與站A完全相同。當(dāng)站B的信號經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到達站A后，由調(diào)制解調(diào)器A恢復(fù)出站B信號的1PPS脈沖信號，此信號用作計數(shù)器A的關(guān)門脈沖。則A、B兩站的時差為

(1)

圖1 衛(wèi)星雙向時間傳遞原理框圖Fig.1 Schematic diagram of TWSTFT

1.2 TWSTFT誤差分析

1)調(diào)制解調(diào)與時間間隔測量誤差[8-9]

當(dāng)前的TWSTFT系統(tǒng)中，一般將時間間隔計數(shù)器和調(diào)制解調(diào)器集成在一個設(shè)備中，所以這兩部分誤差可以合并。調(diào)制解調(diào)器一般采用偽隨機碼(Pseudorandom Noise，PN)擴頻形式，在信號解調(diào)時，需要采用延遲鎖定環(huán)路(Delay Locking Loop，DLL)實現(xiàn)對偽隨機碼相位的測量，由于鏈路熱噪聲的影響，DLL對擴頻碼的跟蹤會存在一個隨機抖動，抖動的大小取決于鏈路的信噪比和偽碼的速率。根據(jù)時間傳遞中偽碼擴頻測距原理，鏈路中熱噪聲引起的時間傳遞誤差滿足[10]

(2)

式中，Tc為偽碼的碼片寬度；F1為偽碼跟蹤環(huán)鑒別器相關(guān)因子；d為超前、即時和滯后之間的相關(guān)器間隔；Bn為碼環(huán)路的噪聲帶寬；C/N0為接收信號與噪聲功率比，單位為dB-Hz；T為積分清除時間；F2為碼跟蹤環(huán)鑒別器類型因子。圖2所示為擴頻調(diào)制解調(diào)器時間測量抖動隨鏈路信噪比的變化關(guān)系，對于碼率為2.5MChip/s的擴頻鏈路，當(dāng)載噪比為60dBHz時，時間傳遞的抖動為0.3ns。在TWSTFT調(diào)制解調(diào)器設(shè)計時，一般將時間間隔計數(shù)器內(nèi)置其中，此時不再區(qū)分時間間隔計數(shù)器的誤差和調(diào)制解調(diào)器誤差。當(dāng)前的時間間隔計數(shù)器精度一般在10～50ps量級，相對調(diào)制解調(diào)器的跟蹤測量誤差較小。

圖2 調(diào)制解調(diào)器抖動與鏈路載噪比的關(guān)系Fig.2 Relationship between modem jitter and signal power-noise ratio

2)信號空間傳輸路徑時延非對稱誤差

空間傳輸路徑時延非對稱誤差主要來自于電離層[11-12]，電離層延遲與信號頻率的平方成反比。由于每個測站的上下行鏈路的載波頻率不同，上下行鏈路中電離層產(chǎn)生的延遲無法抵消，但可以通過測量電離層電子濃度來計算延遲量的大小。對于TWSTFT地面站A，其上下行路徑電離層延遲之差可以用式(3)表示

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式中,TEC為信號傳播路徑上的電子總含量；c為光速；fU和fD分別為上下行頻率。如果信號傳播路徑的總電子含量TEC取典型值1×1018/m2，對于Ku波段(上行14GHz，下行12GHz)，電離層在A站的傳播延遲改正量約為0.247ns。通過在國際GNSS服務(wù)(International GNSS Service, IGS)網(wǎng)站上下載的預(yù)報全球電子濃度圖(Global Ionospheric Map, GIM)，可以對TWSTFT中電離層時延進行修正,修正后殘差約為20ps。

3)地球站收發(fā)設(shè)備時延非對稱誤差

地球站設(shè)備延遲校準(zhǔn)誤差是衛(wèi)星雙向時間傳遞的重要誤差源，由于地面設(shè)備復(fù)雜，硬件模塊和線纜連接器較多，因而會引入較大的校準(zhǔn)不確定度[11-13]。對設(shè)備時延的校準(zhǔn)是降低誤差的重要方法，G.D.Jong[14]與J. Achkar[15-17]等提出了利用衛(wèi)星模擬器實時監(jiān)測地球站設(shè)備時延，M. Fujieda等[18]設(shè)計了便攜式移動校準(zhǔn)站，通過比對地球站間相對時延進行測量。受制于電子設(shè)備、電纜等時延的穩(wěn)定性和一致性問題，地球站時延校準(zhǔn)殘留誤差在1ns左右[19]。

4)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器引入誤差

衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器引入的誤差分兩種情況。在多數(shù)TWSTFT鏈路中，時頻比對的雙方采用同一個衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的同一個頻段，這時轉(zhuǎn)發(fā)器時延在2個方向上可以認(rèn)為是完全抵消的；在部分長基線TWSTFT鏈路中，2個方向使用了不同的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，這時轉(zhuǎn)發(fā)器誤差較大。由于轉(zhuǎn)發(fā)器放置在衛(wèi)星上，在軌轉(zhuǎn)發(fā)器時延目前還沒有有效的測量方法。

5)地球自轉(zhuǎn)影響

地球自轉(zhuǎn)會導(dǎo)致電磁波傳播時延的增加或減少，這種影響被稱為Sagnac效應(yīng)[20]。Sagnac效應(yīng)的大小與衛(wèi)星、地球站以及地心連成的三角形在赤道面的投影面積成正比。TWSTFT鏈路中，Sagnac效應(yīng)產(chǎn)生的時延修正在百納秒量級，但由于同步衛(wèi)星存在軌道攝動，形成的投影面積存在周期性變化，這種變化可能會產(chǎn)生數(shù)十皮秒量級的Sagnac修正殘差。

2 TWSTFT研究最新進展

2.1 軟件接收機進展

在研究衛(wèi)星雙向日波動效應(yīng)(Diurnal)現(xiàn)象的來源時，Y. Huang等[21]提出Diurnal可能來自于時間比對調(diào)制解調(diào)器的接收機，他們認(rèn)為現(xiàn)行使用的調(diào)制解調(diào)接收機采用DLL測量信號傳輸時延時，測量結(jié)果會受到衛(wèi)星相對運動的影響，環(huán)路設(shè)計的不理想將導(dǎo)致測量存在周期性穩(wěn)態(tài)誤差。在此假設(shè)的基礎(chǔ)上，Y. Huang等[21]開發(fā)了基于軟件無線電思想的開環(huán)軟件接收機(Software-Defined Receiver，SDR)。初步試驗表明，SDR在抑制Diurnal現(xiàn)象和降低傳遞噪聲等方面具有優(yōu)勢。 TWSTFT SDR 系統(tǒng)采用傳統(tǒng)TWSTFT的發(fā)射裝備，僅在接收端增加中頻數(shù)據(jù)采集和軟件處理設(shè)備，對中頻信號直接進行數(shù)據(jù)化，利用軟件進行開環(huán)計算得到信號傳輸時延。2016年，Y. Huang等[22]給出了SDR在TL-KRISS、TL-NICT以及NICT-KRISS之間時間比對的研究情況。結(jié)果表明，和現(xiàn)有的DLL相比，SDR性能有顯著提升。Y. Huang等的研究發(fā)現(xiàn)引起了廣泛關(guān)注，2016年時間頻率咨詢委員會(Consultative Committee for Time and Frequency, CCTF)衛(wèi)星雙向工作組會議上決定，在全球范圍內(nèi)發(fā)起一項關(guān)于TWSTFT SDR的研究計劃[23-24]，呼吁世界上主要的守時實驗室安裝SDR設(shè)備，并將數(shù)據(jù)上報到BIPM，圖3所示為參與SDR預(yù)先研究計劃的機構(gòu)。經(jīng)過2年的試驗研究表明，TWSTFT SDR與傳統(tǒng)衛(wèi)星雙向SATRE設(shè)備性能相比具有顯著提升，特別是在大洲內(nèi)部的比對鏈路上，SDR將Diurnal效應(yīng)量級減少為原來的1/2～1/3；在跨大洲比對鏈路上，SDR對Diurnal的抑制比較有限，Diurnal下降幅度約為30%[24]，如圖4所示?；赥WSTFT SDR的優(yōu)異表現(xiàn)，CCTF TWSTFT工作組在2017年提出了一項利用SDR進行UTC計算的建議，并得到CCTF的采納，于2018年起正式采用SDR數(shù)據(jù)進行UTC計算。SDR采用開環(huán)接收機思路，理論上可以消除閉環(huán)接收機的穩(wěn)態(tài)測量誤差，從而降低Diurnal的影響。這是Y. Huang起初研究SDR的思想假設(shè)，在研究和實驗過程中，SDR確實降低了Diurnal的幅度，但這些降低并不總是有效。通過對SDR在國際TWSTFT比對鏈路的效果來看，SDR似乎更好地降低了多站同頻干擾，這一點值得進一步研究。

圖3 BIPM發(fā)起的SDR預(yù)先研究計劃參與機構(gòu)[24]Fig.3 Participating institutions in the SDR advanced research program initiated by BIPM

圖4 SDR與SATRE性能比較[24]Fig.4 Performance comparison between SDR and SATRE

2.2 雙偽碼時頻信號調(diào)制解調(diào)器

TWSTFT系統(tǒng)時間比對的性能直接與可用信道帶寬關(guān)聯(lián)，帶寬越大，時間比對的精度越高。在實際系統(tǒng)中，受制于信道成本等影響，一般選用帶寬較小。為了提升TWSTFT精度且降低帶寬成本，T. Gotoh等[25-26]提出了一種雙偽碼(Dual Pseudo Random Noise Code，DPN)信號體制，設(shè)計了數(shù)字化DPN MODEM，初步試驗驗證在NICT-TL之間實現(xiàn)了單次測量16ps每秒的時間比對精度[27-29]。雙偽碼信號是由二進制偏移載波(Binary Offset Carrier，BOC)調(diào)制方式衍生而來的一種新型調(diào)制方式，其在衛(wèi)星雙向傳統(tǒng)信號二進制相移鍵控 (Binary Phase Shift Keying，BPSK)調(diào)制方式的基礎(chǔ)上增加了一個二進制副載波，信號由數(shù)據(jù)信號、擴頻碼信號、二進制副載波和正弦載波組成。雙偽碼調(diào)制信號的最大特點是信號頻域功率譜分為兩瓣，相對于正弦載波頻率中心對稱，且每個瓣與中心頻率的距離為副載波頻率，如圖5所示。與BPSK調(diào)制信號相比，雙偽碼調(diào)制信號的等效占用帶寬大幅降低，節(jié)省了衛(wèi)星帶寬資源，極大程度解決了高精度TWSTFT衛(wèi)星帶寬租賃費用昂貴的問題。此外，雙偽碼調(diào)制信號的自相關(guān)函數(shù)具有很多相關(guān)峰，其中主峰比BPSK調(diào)制信號相關(guān)函數(shù)主峰更加尖銳。理論上，信號自相關(guān)主峰越尖銳，偽碼相位測量精度越高，采用雙偽碼調(diào)制信號獲得的測量精度更高，但其更加緊密的副相關(guān)峰也給新型偽碼測量環(huán)路設(shè)計帶來了困難。雙偽碼信號對信道占用具有特殊的要求，在實際使用中衛(wèi)星公司往往難以提供需要的信道，在此基礎(chǔ)上王海峰等[30]提出了一種改進的信號調(diào)制體制FBOC(Flexible BOC)信號。在雙偽碼信號的基礎(chǔ)上，通過設(shè)置副載波頻率，以適應(yīng)實際衛(wèi)星信道的要求，并基于現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)和數(shù)字信號處理(Digital Signal Processing, DSP)平臺實現(xiàn)了FBOC信號的跟蹤測量，在中頻閉環(huán)測試精度下，時間穩(wěn)定度達到2.43ps@1s。

圖5 雙偽碼信號特征頻譜特性[29]Fig.5 Spectrum characteristics of DPN signal

2.3 載波相位衛(wèi)星雙向技術(shù)進展

傳統(tǒng)的TWSTFT采用調(diào)制發(fā)射偽隨機碼和測量偽碼相位進行時間比對，典型的偽碼速率為1MChip/s或2.5MChip/s，對于時間比對的精度大約為1/1000碼片。TWSTFT一般采用Ku波段無線電信號進行傳輸，載波頻率比偽碼速率高大約3～4個量級，若是利用TWSTFT的載波相位進行時頻傳遞，將有望大幅提升時頻比對的精度。W. Schafer等提出了TWSTFT載波相位(Carrier Phase，CP)時頻傳遞概念[31]，為了消除衛(wèi)星運動產(chǎn)生的多普勒頻率對頻率傳遞的影響，TWSTFT CP要求每個地球站不僅接收測量對方的載波相位，還接收測量自己發(fā)射出去經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)回來的載波信息。經(jīng)過初步的試驗，TWSTFT CP在零基線測量情況下，可以實現(xiàn)10-13/s量級頻率傳遞精度，在PTB-DLR之間可以實現(xiàn)大約10-12/s頻率傳遞精度。2004年，B. Fonville等[32]深入研究了TWSTFT CP時頻傳遞的理論模型，并在此基礎(chǔ)上開展了USNO和PTB之間的TWSTFT CP，實現(xiàn)了USNO-PTB 10-12/s頻率傳遞精度。

2013年，F(xiàn). Nakagawa等[33]采用ETS-VIII衛(wèi)星和自主研制的時間比對設(shè)備(Time Comparison Equipment，TCE)在NICT 的兩站間開展TWSTFT CP試驗，在110km基線長度上進行2臺氫鐘的頻率比對，比傳統(tǒng)的基于偽碼的比對系統(tǒng)精度高2個數(shù)量級。2014年，M. Fujieda等在NICT和PTB之間開展了基線距離長達9000km的洲際間載波相位衛(wèi)星雙向?qū)嶒瀃34-35]，其時間比對結(jié)果與全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)載波相位測量結(jié)果一致，鏈路短期不穩(wěn)定度為2×10-13/s，優(yōu)于GPS載波相位和傳統(tǒng)衛(wèi)星雙向系統(tǒng)，如圖6所示。北京無線電計量測試研究所開展了載波相位相關(guān)技術(shù)研究，在2018年利用SATRE Modem完成了與中國計量院之間的載波相位衛(wèi)星雙向?qū)嶒瀃36]，測量了UTC(BIRM)和UTC(NIM)之間的時間頻率差，鏈路短期不穩(wěn)定度為4×10-12/s。

(a)

(b)圖6 TWSTFT CP時頻傳遞性能比較[34]Fig.6 Performance comparison of TWSTFT CP time-frequency transfer

2.4 衛(wèi)星雙向日波動效應(yīng)(Diurnal)

衛(wèi)星雙向日波動效應(yīng)是指TWSTFT時間差結(jié)果中存在以1天為周期的周期性變化，日波動效應(yīng)在世界各TWSTFT鏈路中廣泛存在，目前觀測到的日波動效應(yīng)峰峰值在0.5～2ns范圍內(nèi)，其已經(jīng)成為影響TWSTFT系統(tǒng)性能的重要因素[21, 37-38]。圖7所示為NICT和TL直接TWSTFT鏈路中的Diurnal現(xiàn)象。盡管已經(jīng)開展了大量研究，但是目前仍然不能完全確定日波動效應(yīng)的形成原因，更無法從根源上對日波動效應(yīng)進行消除。V. Zhang和T. Parker計算了電離層效應(yīng)對TWSTFT的日變化和衛(wèi)星運動引起的Sagnac效應(yīng)的日變化[12]，結(jié)果表明兩者都不是日波動效應(yīng)的主要原因。Y. Huang等[21]提出了Diurnal可能來自于時間比對調(diào)制解調(diào)設(shè)備內(nèi)部DLL動態(tài)情況下的多普勒穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差假設(shè)，并建議利用SDR接收機降低Diurnal。張升康等[39]通過搭建實驗證實了現(xiàn)有調(diào)制解調(diào)器穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差的存在，但進一步的理論計算表明，穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差在所有設(shè)備中具有一致性，這種一致性在TWSTFT鏈路中可以相互抵消，不會引起明顯的Diurnal效應(yīng)。曾文紅等[20]假定Diurnal效應(yīng)來自于衛(wèi)星運動多普勒導(dǎo)致的接收機跟蹤誤差，給出了一種基于衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)修正Diurnal的模型，并在實際鏈路中進行了驗證，對Diurnal效應(yīng)的消除具有非常顯著的效果，但是這種修正模型的建立缺乏堅實的理論依據(jù)。

圖7 TWSTFT鏈路中的Diurnal現(xiàn)象[21]Fig.7 Diurnal effects in TWSTFT link

3 當(dāng)前TWSTFT面臨的主要問題

3.1 Diurnal效應(yīng)形成機理

從20世紀(jì)末，隨著TWSTFT鏈路的廣泛建立和性能的逐漸提升，Diurnal效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)已有約20年的時間，導(dǎo)致Diurnal效應(yīng)的潛在原因有很多，包括地球站環(huán)境溫度的周日變化、對流層電離層的周日變化、衛(wèi)星軌道運動的周日變化和接收機跟蹤誤差等。最新全球TWSTFT SDR數(shù)據(jù)表明，歐洲本土的TWSTFT鏈路中的Diurnal似乎來源于同頻干擾導(dǎo)致的接收機跟蹤誤差，歐洲和美國之間的跨大西洋TWSTFT鏈路中的Diurnal可能來自于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器。到目前為止，關(guān)于Diurnal現(xiàn)象之謎尚未解開，上述的各種分析只是推測，沒有找到直接的科學(xué)證據(jù)，還有待更深入地研究。

3.2 性能與帶寬矛盾

傳統(tǒng)TWSTFT是基于偽碼相位測量原理的，碼相位測量的精度決定了時間傳遞的精度，而其又直接受偽碼速率或偽碼信號帶寬的影響，帶寬越大，測量的精度也越高。受到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬和鏈路運行成本的限制，TWSTFT信號帶寬是一定的，因此，通過不斷增加帶寬來提升性能的道路是行不通的。近年來發(fā)展的DPN技術(shù)和載波相位技術(shù)都是在保持或降低信號帶寬的情況下，提升時頻傳遞性能的新方法。DPN信號體制非常具有創(chuàng)新性，但是其實用化道路并不平坦，這一方面源于衛(wèi)星信道租賃的商業(yè)阻力，衛(wèi)星運營公司沒有或不愿提供剛好適合DPN信號傳輸?shù)男诺?，所以發(fā)展靈活的DPN信號體制，根據(jù)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器自行設(shè)置帶寬，將是有望解決DPN信道困難的有效途徑；另一方面，DPN信號帶寬內(nèi)的其他業(yè)務(wù)信號將會對DPN性能產(chǎn)生影響，這種影響的抑制方法還需要進一步研究和驗證。TWSTFT CP方法的理論突破和試驗成功是TWSTFT發(fā)展的一大跨越，將頻率傳遞的短期不穩(wěn)定度從10-10～10-11量級提升至10-13量級，這對氫鐘和銫鐘等裝置的頻率短期特性校準(zhǔn)很有價值，但對于時間傳遞的精度卻沒有幫助，這與GNSS中利用載波相位進行時間傳遞相比存在明顯的缺憾，進一步研究TWSTFT CP的解模糊和時間傳遞可能是下一步研究考慮的重要方向。

3.3 TWSTFT鏈路校準(zhǔn)問題

TWSTFT鏈路校準(zhǔn)是降低時間比對不確定度的核心問題，DPN和載波相位技術(shù)使得時頻傳遞的附加不穩(wěn)定性大幅降低，但是地球站時延短期變化和長期漂移使得TWSTFT時間比對的不確定度大于1ns(考慮到Diurnal效應(yīng)，不確定度將會更大)，鏈路校準(zhǔn)就變得極其重要。近20年來，TWSTFT鏈路的校準(zhǔn)方法和技術(shù)進展緩慢，似乎1ns的校準(zhǔn)不確定度已經(jīng)成為極限，若能夠在地球站時延測量、校準(zhǔn)和時延控制方面產(chǎn)生突破，將會帶來新的技術(shù)飛躍，但到目前為止，還沒有出現(xiàn)新的途徑。

3.4 多通道組網(wǎng)和信息交互容量限制

多通道組網(wǎng)和比對數(shù)據(jù)實時交互在很多應(yīng)用領(lǐng)域有著迫切的需求，這看似是工程應(yīng)用問題，但在同頻干擾、高速數(shù)據(jù)和時延測量融合等方面還存在較多的理論問題，有待進一步研究。歐洲TWSTFT網(wǎng)絡(luò)大約有13個地球站同時進行組網(wǎng)比對，實際比對數(shù)據(jù)表明，鏈路噪聲很大，解決比對鏈路間的同頻干擾是比對鏈路接收機信號處理需要重點考慮的理論問題，SDR給出了一個很好的同頻干擾處理結(jié)果，這是值得時間比對Modem接收機借鑒的。另一方面，多站組網(wǎng)情況下實時數(shù)據(jù)交互變得更加困難，傳統(tǒng)Modem為了保證時頻傳遞的性能，信息傳輸容量不大，在少數(shù)站點組網(wǎng)情況下可以滿足實時數(shù)據(jù)交互要求，但在較大節(jié)點組網(wǎng)情況下，在保證時頻傳遞精度的同時，提升信息傳輸變得尤為迫切。

4 結(jié)束語

TWSTFT方法與技術(shù)經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，已經(jīng)在多個領(lǐng)域廣泛使用。其發(fā)展的步伐與衛(wèi)星技術(shù)、通信技術(shù)和衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)基本保持同步，衛(wèi)星技術(shù)和通信技術(shù)為TWSTFT提供了很好的信道基礎(chǔ)，而衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展給TWSTFT的信號體制和測量方法帶來了進步，同時，TWSTFT技術(shù)的進步也促進了衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展。進入21世紀(jì)的第二個10年，TWSTFT不僅成為原子時比對、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)等重要領(lǐng)域不可或缺的實用技術(shù)，在前沿研究領(lǐng)域也非常活躍。TWSTFT在時間傳遞上的理論極限精度大約在亞皮秒量級，相比當(dāng)前能夠?qū)崿F(xiàn)的最高水平還要高2個數(shù)量級。當(dāng)然，要達到亞皮秒量級，不僅信號測量精度要達到亞皮秒級，還需要解決亞皮秒量級大氣層時延、設(shè)備通道時延和物理機制等一系列更深層的理論問題。