北斗星載時(shí)間頻率系統(tǒng)發(fā)展綜述

米 紅，謝 軍，宋志強(qiáng)，屈勇晟

（中國空間技術(shù)研究院，北京 100094）

1 引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system，BDS），簡稱北斗系統(tǒng)，是我國獨(dú)立自主研制和建設(shè)的天基衛(wèi)星導(dǎo)航和授時(shí)系統(tǒng)，通過建立時(shí)間基準(zhǔn)和空間基準(zhǔn)提供相應(yīng)服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施［1］。2012年我國完成了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航區(qū)域系統(tǒng)的建設(shè)，可為我國及周邊地區(qū)提供定位、測速、授時(shí)服務(wù)，同時(shí)可為特定用戶提供短報(bào)文通信業(yè)務(wù)服務(wù)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航區(qū)域系統(tǒng)的授時(shí)精度優(yōu)于50ns。

北斗星載時(shí)間頻率系統(tǒng)，簡稱時(shí)頻系統(tǒng)，是北斗時(shí)頻系統(tǒng)的重要組成部分，位于BDS的空間段。無論是社會(huì)日常生活、科技、經(jīng)濟(jì)，還是國防建設(shè)運(yùn)行都需要高精度的統(tǒng)一的時(shí)頻系統(tǒng)。獨(dú)立自主的時(shí)頻系統(tǒng)意味著一個(gè)國家能夠自主研制、開發(fā)、生產(chǎn)和運(yùn)行管理系統(tǒng)所有的關(guān)鍵設(shè)備，協(xié)調(diào)處理時(shí)間頻率信息，具有完善的工作機(jī)制、機(jī)構(gòu)和整體布局［2］。高穩(wěn)定度、高可靠性和高精度的時(shí)頻系統(tǒng)是國民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展和國防建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system，GNSS）本質(zhì)上是一個(gè)時(shí)間同步系統(tǒng)，系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)是影響整個(gè)系統(tǒng)定位授時(shí)精度的關(guān)鍵因素。在現(xiàn)有建成使用和在建的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，高精度原子鐘（或稱為量子頻標(biāo)）是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)定位授時(shí)精度的基礎(chǔ)與核心設(shè)備。

目前己建成使用的有美國的全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system，GLONASS）和我國的BDS區(qū)域系統(tǒng)，歐洲的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo navigation satellite system，Galileo）正在建設(shè)，日本在建準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)（quasi－zenith satellite system，QZSS），印度在建印度區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Indian regional navigational satellite system，IRNSS）。

本文以我國北斗星載時(shí)頻系統(tǒng)的發(fā)展建設(shè)為主線，綜合各類國內(nèi)外文獻(xiàn)、網(wǎng)站的技術(shù)管理信息，梳理了北斗星載時(shí)頻系統(tǒng)的發(fā)展歷程，描述了當(dāng)前以星載時(shí)頻系統(tǒng)為主的北斗時(shí)頻系統(tǒng)的現(xiàn)狀，并在分析歸納當(dāng)前系統(tǒng)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了未來北斗時(shí)頻系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

2 發(fā)展歷程

北斗星載時(shí)頻系統(tǒng)伴隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和北斗時(shí)頻系統(tǒng)建設(shè)，從無到有逐漸成熟。我國從1994年開始，按照 “先區(qū)域，后全球，先有源，后無源”的發(fā)展思路分步實(shí)施北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的試驗(yàn)、研制和運(yùn)行服務(wù)［1］。

2.1 2000年建成的第一代北斗星載時(shí)頻系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)，是我國獨(dú)立自主研制、建設(shè)和運(yùn)行的第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。2000年建成并投入使用，可為我國及周邊地區(qū)的用戶提供定位、短報(bào)文通信及授時(shí)這3類服務(wù)。通過文獻(xiàn)［3－4］可進(jìn)―步了解北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)組成、系統(tǒng)功能性能及應(yīng)用、與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)勢與差異。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)的時(shí)頻系統(tǒng)由三部分組成：（1）地面中心站高性能原子頻標(biāo)和若干個(gè)標(biāo)校站的頻標(biāo)；（2）空間段三顆地球同步靜止軌道衛(wèi)星（geostationary orbits satellite，GEO）的星載時(shí)頻系統(tǒng)；（3）各類用戶終端的頻標(biāo)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)星載時(shí)頻系統(tǒng)位于空間段的三顆衛(wèi)星上，每顆衛(wèi)星使用銣鐘和高穩(wěn)晶振互為備份作為星載高穩(wěn)頻標(biāo)，通過微波鎖相倍頻獲得高穩(wěn)定度的頻率信號(hào)，為衛(wèi)星有效載荷的L、S、C頻段多路轉(zhuǎn)發(fā)器提供統(tǒng)一的頻率源。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)具有雙向和單向兩種授時(shí)功能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的雙向授時(shí)指標(biāo)為20ns，單向授時(shí)指標(biāo)為100ns［4］。

分析時(shí)頻系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理可知，空間段衛(wèi)星的作用是透明轉(zhuǎn)發(fā)地面中心站和用戶終端發(fā)送的信息，時(shí)間系統(tǒng)的時(shí)間同步和計(jì)算功能由地面段完成。時(shí)頻系統(tǒng)對地面中心站及各監(jiān)測站以及站間時(shí)延標(biāo)定、同步性能要求高，而對空間段的星載時(shí)頻系統(tǒng)精度要求相對較低。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)與GPS/GLONASS系統(tǒng)的工作原理不同，被稱為有源定位導(dǎo)航系統(tǒng)，向覆蓋區(qū)內(nèi)用戶提供衛(wèi)星無線電測定服務(wù)（radio detection satellite service，RDSS），它解決了我國自主控制的衛(wèi)星定位系統(tǒng)從無到有的問題，為隨后建設(shè)的無源北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.2 第二代北斗星載時(shí)頻系統(tǒng)建設(shè)

第二代北斗星載時(shí)頻系統(tǒng)建設(shè)與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)同步，分兩步走，即：第一步2012年建成北斗衛(wèi)星導(dǎo)航區(qū)域系統(tǒng)；第二步2020年前后建成北斗衛(wèi)星導(dǎo)航全球系統(tǒng)。

2007年4月，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的中圓地球軌道（medium earth orbits，MEO）第一顆試驗(yàn)衛(wèi)星成功發(fā)射。衛(wèi)星入軌正常工作后，驗(yàn)證了以星載銣原子鐘（以下簡稱銣鐘）為核心的衛(wèi)星統(tǒng)一時(shí)頻基準(zhǔn)的性能符合設(shè)計(jì)要求［5］，完成了單顆衛(wèi)星星地時(shí)間同步技術(shù)的驗(yàn)證。2011年建成由3顆GEO和3顆傾斜地球同步軌道（inclined geo－synchronous orbits，IGSO）衛(wèi)星組成的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航基本系統(tǒng)，驗(yàn)證了在區(qū)域內(nèi)基本系統(tǒng)的空間段與地面主控站、時(shí)間同步站的時(shí)頻基準(zhǔn)可以實(shí)現(xiàn)精密的時(shí)間同步。2012年建成北斗衛(wèi)星導(dǎo)航區(qū)域系統(tǒng)的星載時(shí)頻系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了覆蓋我國及周邊地區(qū)的各項(xiàng)衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)指標(biāo)。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航時(shí)頻系統(tǒng)可以劃分為三大組成部分［3］：（a）空間段所有三類衛(wèi)星裝配的星載時(shí)頻系統(tǒng)；（b）地面段運(yùn)行控制系統(tǒng)的高性能原子鐘組及同步信息處理系統(tǒng)；（c）用戶段用戶終端的頻標(biāo)。

其中，星載時(shí)頻系統(tǒng)為空間段導(dǎo)航衛(wèi)星提供高精度、高穩(wěn)定度和高可靠性的頻率源，是實(shí)現(xiàn)空間段時(shí)頻基準(zhǔn)穩(wěn)定可靠和高精度星地時(shí)間同步的核心［5］，是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)研制建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一［1］；地面運(yùn)行控制系統(tǒng)設(shè)有高性能原子鐘系統(tǒng)，負(fù)責(zé)建立北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的時(shí)頻基準(zhǔn)，并維持全系統(tǒng)的時(shí)間同步；用戶終端為單向授時(shí)終端，通過接收、解析空間段播發(fā)的導(dǎo)航信號(hào)和電文，完成與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)頻基準(zhǔn)的同步，實(shí)現(xiàn)高精度授時(shí)功能。

2.3 北斗星載原子鐘發(fā)展歷程

2002年中國香山科學(xué)會(huì)議第181次學(xué)術(shù)討論會(huì)設(shè)有衛(wèi)星導(dǎo)航星載原子鐘與時(shí)間同步專題會(huì)［6-7］。同年，美國海軍研究委員會(huì)、國家科學(xué)院、精密時(shí)間與時(shí)間間隔科學(xué)技術(shù)評估委員會(huì)聯(lián)合發(fā)布的《精密時(shí)間與時(shí)間間隔科學(xué)技術(shù)的評估》一文中強(qiáng)調(diào)了 “準(zhǔn)確的時(shí)鐘和頻率源對于國防部具有生死攸關(guān)的意義”。

原子頻率基準(zhǔn)是目前所有計(jì)量基準(zhǔn)中最高的準(zhǔn)確度，地面原子鐘的精度已達(dá)到10－18量級。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)直接利用時(shí)間測量來確定空間距離，原子鐘是建立、維持衛(wèi)星導(dǎo)航星載時(shí)頻系統(tǒng)的基礎(chǔ)與核心，并成為推動(dòng)其更新?lián)Q代的原動(dòng)力。各類原子鐘也是北斗時(shí)頻系統(tǒng)的主要設(shè)備，BDS中的時(shí)間基準(zhǔn)為北斗時(shí)（BeiDou navigation satellite system time，BDT），是使用原子鐘產(chǎn)生的。

我國原子鐘的研究起源于20世紀(jì)50年代，1965年研制出第一臺(tái)地面銫頻標(biāo)樣機(jī)，1973年研制出第一臺(tái)地面銣頻標(biāo)樣機(jī)［2］。經(jīng)過幾十年的努力，地面原子鐘產(chǎn)品己廣泛應(yīng)用于守時(shí)、導(dǎo)航、定位、勘測和精密測量等領(lǐng)域。

我國空間原子鐘工程化的工作起步較晚，始于1999年星載產(chǎn)品的預(yù)先研究課題［5］。2000年，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)工程正式立項(xiàng)后，在衛(wèi)星系統(tǒng)的統(tǒng)一組織下，通過國內(nèi)多家單位大力協(xié)同，取得了良好的成果。2006年，我國第一臺(tái)星載銣鐘產(chǎn)品隨實(shí)踐8號(hào)衛(wèi)星成功發(fā)射且在軌工作正常［5］；2009年起，我國發(fā)射的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星上均配置有國產(chǎn)銣鐘，星載銣鐘為BDS的功能、性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。目前，我國北斗時(shí)頻系統(tǒng)使用的原子鐘主要為銫鐘、氫鐘和銣鐘三大類［8］，其中空間段北斗導(dǎo)航衛(wèi)星配置的星載原子鐘均為銣鐘［5，9-12］，地面段和用戶段則使用銫鐘、氫鐘、主動(dòng)型或被動(dòng)型銣鐘和芯片級原子鐘（chip－scale atomic clock，CSAC）［13］。

北斗導(dǎo)航衛(wèi)星工程取得的重要成果之一是成功研制了星載銣鐘，集智攻關(guān)解決了星載銣鐘的壽命評估、力學(xué)試驗(yàn)、溫度敏感性、真空下與常壓下性能參數(shù)差異、長期穩(wěn)定度測試考核等問題，經(jīng)在軌驗(yàn)證表明：國產(chǎn)星載銣鐘性能指標(biāo)均達(dá)到了國際先進(jìn)水平，優(yōu)于歐洲同類產(chǎn)品，滿足系統(tǒng)要求［1］。

3 北斗星載時(shí)頻系統(tǒng)現(xiàn)狀

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有導(dǎo)航定位、短報(bào)文通信、位置報(bào)告和授時(shí)功能，擁有統(tǒng)一的北斗時(shí)頻系統(tǒng)，使用唯一的時(shí)間基準(zhǔn)，即北斗時(shí)（BDT）。BDT采用國際單位制（SI）秒為基本單位連續(xù)累計(jì)，不閏秒，BDT與協(xié)調(diào)世界時(shí)（coordinated universal time，UTC）之間的閏秒信息在衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航電文 中 播 報(bào)， 起 始 歷 元 為 2006－01－01UTC 00：00：00，采用周和周內(nèi)秒計(jì)數(shù)［14］。

3.1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組成

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由地面段、空間段和用戶段三部分組成。其中，地面段包括主控站、時(shí)間同步站、注入站和監(jiān)測站等若干個(gè)地面站?？臻g段包括5顆GEO衛(wèi)星、27顆MEO衛(wèi)星和3顆IGSO衛(wèi)星。截至2014年2月，空間段在軌工作衛(wèi)星共有14顆，其中5顆GEO衛(wèi)星同時(shí)配備了RDSS業(yè)務(wù)載荷和衛(wèi)星無線電導(dǎo)航服務(wù)（radio navigation satellite service，RNSS）業(yè)務(wù)載荷，在覆蓋區(qū)范圍內(nèi)向用戶提供RDSS和RNSS兩種體制的導(dǎo)航服務(wù)；4顆MEO衛(wèi)星和5顆IGSO衛(wèi)星［14］配置了RNSS業(yè)務(wù)載荷，向用戶提供RNSS體制的導(dǎo)航服務(wù)。用戶段包括北斗用戶終端以及與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端設(shè)備。

3.2 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航星載時(shí)頻系統(tǒng)組成

當(dāng)前在軌參與組網(wǎng)工作的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星共計(jì)14顆，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航星載時(shí)頻系統(tǒng)由空間段14顆衛(wèi)星配置的時(shí)頻子系統(tǒng)組成。每顆衛(wèi)星的時(shí)頻子系統(tǒng)均配置有多臺(tái)星載原子鐘，衛(wèi)星加電工作時(shí)其中一臺(tái)為主工作鐘，給整星提供10MHz時(shí)頻基準(zhǔn)；其余原子鐘為備份鐘，衛(wèi)星在軌工作時(shí)可按照需求由地面發(fā)送遙控指令將任意一臺(tái)備份鐘切換為主工作鐘。

衛(wèi)星采用統(tǒng)一的頻率源技術(shù)，由各星的時(shí)頻子系統(tǒng)負(fù)責(zé)產(chǎn)生、保持和校準(zhǔn)衛(wèi)星的基準(zhǔn)頻率和基準(zhǔn)時(shí)間。衛(wèi)星RNSS業(yè)務(wù)載荷上行注入和精密測距鏈路與下行導(dǎo)航信號(hào)生成播發(fā)鏈路之間建立了時(shí)間同步通道，因此衛(wèi)星有效載荷的上行鏈路、下行鏈路的信號(hào)時(shí)序與該星時(shí)間基準(zhǔn)可以保持同步。衛(wèi)星RNSS業(yè)務(wù)載荷下行鏈路播發(fā)的多頻點(diǎn)導(dǎo)航信號(hào)相位之間具有強(qiáng)相關(guān)性，可以滿足雙頻用戶終端的定位授時(shí)需求。

根據(jù)北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的GEO衛(wèi)星設(shè)計(jì)方案，RDSS業(yè)務(wù)載荷和RNSS業(yè)務(wù)載荷共用時(shí)頻子系統(tǒng)提供的10MHz時(shí)頻基準(zhǔn)，兩種體制播發(fā)的導(dǎo)航信號(hào)之間的時(shí)間與相位關(guān)系由地面系統(tǒng)控制管理。

圖1 單顆北斗GEO衛(wèi)星星載時(shí)頻系統(tǒng)組成示意圖

3.3 北斗星載時(shí)頻系統(tǒng)的時(shí)間同步機(jī)制

GNSS的時(shí)頻系統(tǒng)本質(zhì)上是一個(gè)時(shí)間同步系統(tǒng)，要求衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的各組成部分（包括導(dǎo)航衛(wèi)星、地面段和用戶終端）的時(shí)鐘具有協(xié)同一致的時(shí)序和節(jié)拍。目前，北斗區(qū)域系統(tǒng)的時(shí)間同步包括星地時(shí)間同步和各類地面站（主控站、注入站、監(jiān)測站）站間的時(shí)間同步。北斗全球系統(tǒng)設(shè)計(jì)有星間鏈路有效載荷，屆時(shí)星載時(shí)頻系統(tǒng)將具備星間時(shí)間同步功能。

北斗星載時(shí)頻系統(tǒng)負(fù)責(zé)建立和維護(hù)空間段時(shí)間頻率的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性和連續(xù)性，配合地面段運(yùn)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在軌衛(wèi)星與地面BDT的時(shí)間同步。主控站的主鐘產(chǎn)生BDT的時(shí)間信號(hào)，使用一套自校準(zhǔn)閉環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)空間段星載時(shí)頻系統(tǒng)與BDT之間的時(shí)間同步。主控站綜合分析處理各監(jiān)測站測量預(yù)測的星鐘與BDT的偏差，推算出新的星地鐘差參數(shù)和星歷數(shù)據(jù)，然后通過注入站上傳給相應(yīng)的衛(wèi)星。衛(wèi)星收到新的數(shù)據(jù)和參數(shù)后，將其播發(fā)給用戶段的用戶終端，以提高定位授時(shí)精度。

與GPS系統(tǒng)相比，北斗系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有兩個(gè)不同之處：（1）星座由三類不同軌道的衛(wèi)星組成；（2）采用了無線電雙向時(shí)間同步技術(shù)。上述特點(diǎn)使北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的星地時(shí)間同步技術(shù)既具有創(chuàng)新性和獨(dú)特性，也有明顯的技術(shù)復(fù)雜性。在BDS工程建設(shè)過程中，通過多角度、多層面的研究、模擬試驗(yàn)和在軌試驗(yàn)，突破了多項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)，掌握了北斗區(qū)域系統(tǒng)的星地時(shí)間同步技術(shù)要點(diǎn)，確保實(shí)現(xiàn)了包括50ns授時(shí)精度在內(nèi)的北斗區(qū)域系統(tǒng)的各項(xiàng)服務(wù)性能指標(biāo)。

北斗系統(tǒng)的站間時(shí)間同步方法包括以下三種方法：衛(wèi)星雙向時(shí)間傳遞（two－way satellite time transfer，TWSTT）、衛(wèi)星雙向共視和GEO衛(wèi)星雙向共視三種方法。前兩種方法可以達(dá)到納秒級同步精度，第三種方法是基于RDSS雙向時(shí)間比對法完成站間時(shí)間同步，同步精度在幾十納秒量級［3］。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有星地激光雙向時(shí)間同步功能，精度可優(yōu)于0.1ns［3］。但是激光同步測量受傳輸路徑環(huán)境限制，不能實(shí)現(xiàn)全天候測量，因此北斗系統(tǒng)的激光雙向時(shí)間同步功能主要作為星地?zé)o線電雙向時(shí)間同步功能的校準(zhǔn)手段。

3.4 BDT與UTC的關(guān)系

每個(gè)GNSS系統(tǒng)均建立并維持各自獨(dú)立的時(shí)頻系統(tǒng)，通過保持與UTC的同步，實(shí)現(xiàn)各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間的兼容。最新公布的北斗系統(tǒng)的信號(hào)接口控制文件（interface control document，ICD）［14］規(guī)范了BDT與UTC的偏差保持在100ns以內(nèi)（模1s）。BDT溯源到 UTC（NTSC）。UTC（NTSC）由中國科學(xué)院國家授時(shí)中心（national time service center，NTSC）保持，其與UTC的誤差全年可控制在±25ns以內(nèi)［8］。

北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的導(dǎo)航電文播發(fā)BDT與GPS、Galileo和GLONASS系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)GPST、GST和GLONASS時(shí)間的同步參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)BDS與其他GNSS系統(tǒng)時(shí)頻基準(zhǔn)的兼容互換。

關(guān)于國際原子時(shí)（international atomic time，TAI）和UTC的定義，以及各GNSS系統(tǒng)時(shí)與UTC的換算方法可見文獻(xiàn) ［2］。

4 發(fā)展趨勢

目前，北斗區(qū)域系統(tǒng)經(jīng)過了全面的試驗(yàn)評估，驗(yàn)證了北斗星載時(shí)頻系統(tǒng)已滿足北斗工程大系統(tǒng)提出的各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)。

為了不斷提升北斗星載時(shí)頻系統(tǒng)性能，基于國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的最新技術(shù)成果，未來有幾個(gè)值得關(guān)注的發(fā)展趨勢：

（1）北斗系統(tǒng)具有不同于其他GNSS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。需要針對這些特點(diǎn)加強(qiáng)星地時(shí)間同步技術(shù)、測量技術(shù)的研究，提高星地時(shí)間同步精度，在全球范圍內(nèi)為用戶提供更高精度的BDT授時(shí)服務(wù)。

（2）充分發(fā)揮星間鏈路的作用，實(shí)現(xiàn)星間時(shí)頻信號(hào)自主生存能力：北斗區(qū)域系統(tǒng)衛(wèi)星的有效載荷沒有星間鏈路設(shè)計(jì)。根據(jù)我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)的戰(zhàn)略部署，隨著2020年前后將建成北斗全球覆蓋系統(tǒng)，通過星間鏈路實(shí)現(xiàn)北斗星載時(shí)頻系統(tǒng)的星間同步功能。此外，新增的星間鏈路還將提升北斗星載時(shí)頻系統(tǒng)的自主生存能力，即當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)地面段主控站沒有更新上注數(shù)據(jù)時(shí)，星鐘與BDT鐘差參數(shù)可以通過星間鏈路修正后播發(fā)給用戶終端，降低因地面段功能缺失對系統(tǒng)授時(shí)精度的影響程度。

美國曾提出用廉價(jià)星載鐘組替代專用星載鐘的思路［15］，認(rèn)為從守時(shí)功能來看，鐘組優(yōu)于性能最好的單臺(tái)鐘。國內(nèi)已有單位著手進(jìn)行利用星座中的多顆衛(wèi)星上獨(dú)立的原子鐘形成綜合衛(wèi)星時(shí)間的方案研究，提出了相關(guān)的采集、處理算法。雖然該思路尚未應(yīng)用于已建成的GNSS的時(shí)頻系統(tǒng)，仍不失為未來星載時(shí)頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一種有待研究的備選方案。

（3）開展更高精度星載原子鐘技術(shù)研究［12，16-17］：北斗區(qū)域系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了星載銣鐘國產(chǎn)化和工程化的目標(biāo)，是系統(tǒng)建設(shè)過程中攻克的關(guān)鍵技術(shù)之一。但是，與國際最先進(jìn)的星載原子鐘相比，性能還有進(jìn)一步提高的空間和需求。目前，在軌北斗星載銣鐘的天穩(wěn)在10－13量級［16］，而美國PE公司研制并應(yīng)用于GPSⅡR星載原子鐘的天穩(wěn)在10－14量級，增強(qiáng)型銣原子鐘（ERAFS）的天穩(wěn)已接近2×10－15。

一方面要加強(qiáng)新一代星載銣鐘（即增強(qiáng)型銣鐘）技術(shù)研究；另一方面需要加大投入力度，拓展研制其他各類星載原子鐘，并盡快實(shí)現(xiàn)工程化，為我國北斗星載時(shí)頻系統(tǒng)達(dá)到國際先進(jìn)水平提供保障。小型化被動(dòng)氫鐘、銫鐘、微波離子鐘等都是很有發(fā)展?jié)摿Φ奈磥砀咝阅苄禽d原子鐘。

（4）在北斗星載時(shí)頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全面覆蓋之前，有必要注重國際協(xié)調(diào)與合作，加強(qiáng)BDT與其他GNSS時(shí)頻系統(tǒng)兼容互操作領(lǐng)域的課題研究，提高BDT溯源的精度和穩(wěn)定度。

5 結(jié)束語

北斗星載時(shí)頻系統(tǒng)由我國自主研究和開發(fā)，是北斗時(shí)頻系統(tǒng)位于空間段的重要組成部分。本文重點(diǎn)梳理了北斗星載時(shí)頻系統(tǒng)從無到有的建設(shè)發(fā)展歷程，描述了系統(tǒng)現(xiàn)狀，并提出未來發(fā)展趨勢，沒有單獨(dú)討論具體技術(shù)細(xì)節(jié)，對其他GNSS時(shí)間系統(tǒng)的介紹可以參閱其他書籍［18-19］。

世界發(fā)達(dá)國家和地區(qū)均十分重視星載時(shí)頻系統(tǒng)的建設(shè)，將其作為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究和管理，加緊研制開發(fā)新一代高性能星載時(shí)頻系統(tǒng)。我國也在積極組織，集智攻關(guān)，2020年，北斗星載時(shí)頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，系統(tǒng)性能將顯著提升。

［1］謝軍.北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的技術(shù)發(fā)展及展望［J］.中國航天，2013（3）：7－11.

［2］王義遒.原子鐘與時(shí)間頻率系統(tǒng)（文集）［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2012.

［3］譚述森.衛(wèi)星導(dǎo)航定位工程［M］.2版.北京：國防工業(yè)出版社，2010.

［4］中國衛(wèi)星導(dǎo)航定位應(yīng)用管理中心.北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)各項(xiàng)功能簡介［J］.衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)，2008（9）：16－17.

［5］謝軍.星載銣原子鐘特性研究及地面試驗(yàn)要求［C］//第五屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.南京：中國衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(huì)，2014：1－5.

［6］韓春好.軍用時(shí)頻與信息化建設(shè)［J］.軍事測繪導(dǎo)航，2012（5）：34－35.

［7］佚名.衛(wèi)星導(dǎo)航星載原子鐘與同步技術(shù)［C］//2002年香山科學(xué)會(huì)議文集.北京：中華人民共和國科學(xué)技術(shù)部，2002：30－37.

［8］董紹武，屈俐俐，李煥信，等.NTSC的守時(shí)工作進(jìn)展［J］.時(shí)間頻率學(xué)報(bào)，2010，33（1）：1－4.

［9］劉淑琴，董太乾.為什么星載銣鐘比地面銣鐘有更好的穩(wěn)定度［C］//2005年全國時(shí)間頻率學(xué)術(shù)交流會(huì)文集.南京：中國天文學(xué)會(huì)，2005：113－115.

［10］梅剛?cè)A，鐘達(dá)，安紹鋒，等.高穩(wěn)銣頻標(biāo)若干問題研究［C］//2001年全國時(shí)間頻率學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)論文集.成都：出版者不詳，2001：16－19.

［11］任良，崔敬忠，陸昉，等.銣原子鐘溫度補(bǔ)償技術(shù)研究［J］.宇航計(jì)測技術(shù)，2012，32（4）21－24.

［12］翟造成，李玉瑩.下一代星載原子鐘的新發(fā)展［J］.全球定位系統(tǒng)，2010（5）：1－5.

［13］楊仁福，陳海波，趙環(huán)，等.芯片級微型原子鐘的發(fā)展概述［C］//2009國防計(jì)量測試學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.貴陽：中國宇航學(xué)會(huì)計(jì)量與測試專業(yè)委員會(huì)，2009：278－283.

［14］中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間信號(hào)接口控制文件公開服務(wù)信號(hào)B1I（1.0版）［EB/OL］.［2012－12－27］.http：//www.beidou.gov.cn/attach/2013/12/26/20131226fe8b20aad5f34091a6f8a84b08b1c4b1.pdf.

［15］JADUSZLIWER B，BUELL WF.An Interruptionless Timekeeping System for Space Applications Using Low Cost，Commercial Off－the－shelf（COTS）Atomic Clocks［C］//Proceedings of the 1998IEEE International Frequency Control Symposium.Pasadena：［s.n.］，1998：260－264.

［16］屈勇晟，劉昶，朱紅，等.導(dǎo)航衛(wèi)星星載原子鐘研發(fā)方向探討［J］.導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)，2013，1（4）：55－60.

［17］MALEKI L，SAVCHENKOV A A，ILCHENKO V S，et al.All－optical Integrated Rubidium Atomic Clock［C］//Proceedings of 2011Joint Conference of the IEEE International Frequency Control and the European Frequency and Time Forum.San Fransisco：［s.n.］，2011：1－5.

［18］KAPLAN E D，HEGARTY C J.Understanding GPS：Principles and Applications［M］.2nd ed.Norwood：Artech House，2006.

［19］吳海濤，李孝輝，盧曉春，等.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間基礎(chǔ)［M］.北京：科學(xué)出版社，2011.