空間站高精度時頻微波鏈路系統(tǒng)體制設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)*

張 旭

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

空間站高精度時頻微波鏈路系統(tǒng)體制設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)*

張 旭*

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

在空間站上建立較地面高一個量級的時間頻率系統(tǒng)，通過高精度時頻鏈路為全球民用系統(tǒng)提供更為精準的空間時頻基準，具有非常重要的科學和軍事意義。首先，探討了國外在空間站高精度時頻傳遞技術(shù)方面的現(xiàn)狀和應(yīng)用；其次，在空間站雙向時頻傳遞原理的基礎(chǔ)上，對比歐空局(ESA)的方案提出了適合我國空間站時頻系統(tǒng)微波鏈路的設(shè)計思路；最后，重點分析和研究了高精度時頻傳遞的兩項關(guān)鍵技術(shù)，對于開展詳細系統(tǒng)設(shè)計以及實現(xiàn)皮秒量級測量精度具有重要作用。

空間站；時頻鏈路；微波鏈路；雙向時頻傳遞；高精度測量

1 引 言

隨著國防與空間技術(shù)的快速發(fā)展，時間頻率計量精度得到了極大提高。目前，國外高精度時間頻率傳遞技術(shù)主要應(yīng)用于科學試驗系統(tǒng)，歐洲率先開展了相關(guān)研究。歐空局(European Space Agency,ESA)的空間原子鐘組計劃(Atomic Clock Ensemble in Space,ACES)項目是高精度時間頻率技術(shù)的典型應(yīng)用之一，任務(wù)開始于1997年,是一項基于新一代原子鐘在空間站微重力環(huán)境下性能的基礎(chǔ)物理和應(yīng)用研究，其目的是利用空間站微重力環(huán)境，實現(xiàn)較地面精度高的激光冷卻原子鐘，在空間站建立穩(wěn)定度和不確定度在10-17量級以上的空間時間頻率基準[1]。該任務(wù)計劃將兩臺高精度原子鐘(冷原子銫鐘 PHARAO 和主動氫鐘 SHM)送入空間站，并利用微波鏈路與激光鏈路來實現(xiàn)空間站-地面高精度時間頻率傳遞和其他科學實驗，其中微波鏈路利用載波相位測量實現(xiàn)時間頻率比對精度ps量級[2-3]。該任務(wù)最新計劃于2017年8月發(fā)射，任務(wù)時間1.5～3年[4]。

EGE項目是歐空局計劃開展的另一項關(guān)于時間頻率基準的基礎(chǔ)物理及應(yīng)用試驗任務(wù)。該任務(wù)在ESA-ACES的基礎(chǔ)上進一步提高了精度，可實現(xiàn)穩(wěn)定度和不確定度10-18量級的空間時間頻率基準，是目前重力物理實驗領(lǐng)域最大的成就之一。該任務(wù)將最高性能的冷原子鐘組搭載于傾斜軌道衛(wèi)星上，該傾斜軌道可提供在近地點和遠地點之間的大范圍重力變化，最大程度提高測量準確度。該項試驗同樣利用微波鏈路與激光鏈路來實現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的時間頻率傳遞，其中微波鏈路利用載波相位測量實現(xiàn)時間頻率比對精度ps量級，在ACES的基礎(chǔ)上增加了Ka頻段的上下行鏈路。

ESA多個項目的微波鏈路設(shè)備與高精度時間頻率傳遞技術(shù)研究主要由德國Timetech公司開展，目前已開展了兩代設(shè)備的研制，最新研制的原理樣機實現(xiàn)測量精度達到碼測距1 cm(30 ps)，載波測距0.1 mm(0.3 ps)。

在我國的載人空間站研制計劃中，擬建立一套高精密時頻基準，利用空間微重力環(huán)境，由冷原子銣鐘、主動氫原子鐘、鍶原子光鐘形成的原子鐘組，可實現(xiàn)精度優(yōu)于地面時頻基準1～2個量級。高精密時頻基準通過高精度的微波和激光鏈路向地面和空間分發(fā)，對時間頻率比對鏈路的測量精度的要求高達ps量級，而傳統(tǒng)的雙向時間頻率比對精度為亞ns量級[5]，該需求和研究在國內(nèi)屬于首次。因此，本文針對空間站應(yīng)用背景開展高精度的時頻傳遞鏈路技術(shù)研究具有非常重要的意義。

2 空間站雙向時頻傳遞原理

空間站雙向時間傳遞工作原理如圖1所示[6]。首先，地面站在坐標時t1時刻(即地面站的原時τg(t1))向空間站發(fā)送1 pps時標信號，空間站接收在坐標時t2時刻(即空間站的原時τs(t2))接收到該時標信號，從而獲得該信號傳播的原時間隔Δτs(τs(t2))；然后,空間站在坐標時t3與t5時刻采用兩個不同的載波頻率向地面站發(fā)送自己的1 pps時標信號;隨后，地面站與空間站通過通信鏈路將其各自的測量數(shù)據(jù)發(fā)送給對方，從而各自通過數(shù)據(jù)處理軟件完成其時差的計算，進而實現(xiàn)空間站與地面站的高精度時間同步。

圖1 空間站時頻微波鏈路原理圖

空間站與地面站之間的雙向時差可通過偽碼觀測值和載波相位觀測值進行表示。對于三頻測量鏈路，基于偽碼觀測值的雙向時差表達式如下所示[6-7]：

(1)

基于載波相位觀測值和整周模糊數(shù)的雙向時差表達式如下：

(2)

通過時差的測量，可進一步完成頻差的測量:

(3)式中：τ為取樣時間，x(0)為兩站初始時間差，x(τ)為兩站經(jīng)過取樣時間τ后時間差，fs、fg分別為取樣時間內(nèi)空間站和地面站鐘的平均頻率。相對頻率偏差求出后，空間站與地面站之間的絕對頻率偏差可知。

3 微波鏈路系統(tǒng)體制設(shè)計

針對空間站微波鏈路系統(tǒng)測量精度高和空間站飛行動態(tài)大的特點，對比ESA方案，在信號體制和鏈路動態(tài)方面展開了設(shè)計。

3.1 頻率及擴頻碼選擇

對ESA的ACES方案進行分析，在頻率選擇上有以下難點：

(1)S頻段低，帶寬擁擠，多徑效應(yīng)嚴重，電離層延遲較大；只能1 Mbit/s擴頻碼工作，測量精度低，抗多徑能力弱；

(2)Ku、S頻段間隔遠，不能共用信道和天線，硬件時延校準、一致性與穩(wěn)定性保持困難；

(3)Ku、S兩個天線相位中心不重合，需要結(jié)合姿態(tài)信息修正，處理復(fù)雜。

因此，基于上述原因，根據(jù)國際電聯(lián)規(guī)定和考慮雨衰、電離層等多項因素，微波鏈路可選擇配置Ku、Ka頻段信號；同時，Ka/Ku天線一體化設(shè)計，相位中心重合，降低了后期數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜度。此外，在擴頻碼的選擇上，可采用100 Mbit/s的偽碼，以實現(xiàn)高精度測量和多徑對抗。表 1所示為與ESA頻率/擴頻碼配置的對比。

表1 頻率及擴頻碼配置

3.2 鏈路動態(tài)設(shè)計

空間站飛行速度快，本系統(tǒng)采用Ku/Ka頻段工作，頻率高，信號動態(tài)大?？臻g站單次過境(典型約10 min)時間內(nèi)，30 GHz信號的最大多普勒頻移約為680 kHz，最大多普勒變化率約為8.5 kHz/s。此外，由空間站飛行距離引起的信號電平動態(tài)約為15 dB，電平變化率約為0.1 dB/s。因此，系統(tǒng)設(shè)計時需考慮上述動態(tài)因素，設(shè)計合理的鏈路電平動態(tài)和信號捕獲范圍。

4 空間站微波鏈路關(guān)鍵技術(shù)

空間站微波鏈路測量精度要求高，采用載波相位時差測量方法。由于載波相位存在整周模糊度問題，必須利用寬帶擴頻的偽碼觀測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對不同圈次載波相位整周模糊度的分辨。因此，要實現(xiàn)空間站與地面之間的高精度時頻傳遞，一方面需要實現(xiàn)高精度測量，另一方面需要實現(xiàn)載波相位模糊度的精確解算。

4.1 高精度時間頻率測量技術(shù)

4.1.1 測量誤差分析

空間站與地面之間的高精度時間頻率同步，采用的是雙向時頻比對技術(shù)，即通過測量空間站與地面之間的時差/頻差來完成時頻同步。由公式(1)和公式(2)可知，在實際工作中，空間站、地面站測量的偽距和載波相位包含了空地真實距離、電離層延遲、對流層延遲、接收機硬件時延、多路徑影響，以及空間站、地面站的測量時間點不完全同步等誤差項。

所有誤差中影響最大的是多路徑誤差。為保證空間站對地面的大視角覆蓋，空間站微波鏈路天線選用寬角掃描天線，極易受到空間站反射多徑信號的影響。相對時延在1個碼片以內(nèi)的多徑信號會對碼測量誤差造成較大影響，而空間站上的反射多為近端反射，相對路徑差較小。偽碼誤差增大直接導(dǎo)致載波相位模糊度無法準確解算，系統(tǒng)測量精度將由載波測量的ps量級降低到偽碼測量的ns量級。因此，如何降低多路徑的影響是空間站時頻微波鏈路需要重點考慮的。除在安裝上盡量避免近端多徑反射面外，減少多徑誤差的手段主要有兩方面：天線抑制和信號處理抑制。其中，從天線層面入手，可較大程度地對多徑信號起到抑制作用，在星上載荷重量允許的情況下盡量采用具有多徑抑制作用的天線，如扼流環(huán)天線等。在信號處理層面可采取的措施有高速率偽碼測距、抗多徑信號處理算法等。

另一個重要誤差項是信道時延穩(wěn)定性帶來的。信道時延穩(wěn)定性主要包含濾波器及電纜隨溫度變化會引起測量信號時延的變化。在不采取穩(wěn)定性措施的情況下，信道時延穩(wěn)定性在亞ns量級，無法保證本系統(tǒng)要求。為保證信道時延的穩(wěn)定性，采取的措施有：通過空間站平臺提供高穩(wěn)溫控措施，減小信道時延變化受溫度的影響；在S頻段及以下采用射頻直接采樣技術(shù)，減少模擬信道環(huán)節(jié)；采用線性相移的寬帶濾波器以及低損耗穩(wěn)相電纜等；設(shè)計自校準鏈路，用于在線標定收發(fā)硬件時延進行實時修正。

而隨著測距精度要求的提高，控制測距隨機誤差是需要重點考慮的一項措施。偽碼測距隨機誤差主要是由熱噪聲引起的碼環(huán)跟蹤誤差造成。在星上功率限制、信噪比不變的情況下，采用以下幾種方法降低偽碼測距隨機誤差：

(1)綜合考慮信號帶寬要求，采用盡可能高的偽碼速率提高測距精度；

(2)結(jié)合信號動態(tài)，設(shè)計窄的環(huán)路帶寬；

(3)采用窄相關(guān)技術(shù)提高測距精度，同時也為抑制多徑誤差帶來好處；

(4)結(jié)合信息速率，增加相干積分時間。

其他誤差項,如對流層延遲通過上下行互差可對消；電離層延遲通過雙頻或三頻進行修正；空間動態(tài)誤差通過保持位置穩(wěn)定和軌道姿態(tài)信息進行修正；天線相位中心通過各頻率共用天線和精確標定進行修正；鏈路動態(tài)誤差與工作頻率、星地距離變化、相對速度等相關(guān)，通過標定數(shù)據(jù)進行補償。

4.1.2 時差測量精度預(yù)算

空間站高時頻系統(tǒng)對時間穩(wěn)定性的要求為0.3 ps/300 s[2]，計算得出系統(tǒng)對時差測量精度的要求為6 ps。

據(jù)此，對微波鏈路各部分測量精度進行分解預(yù)算，如表2所示。經(jīng)過分解預(yù)算，采用高精度測量措施對各誤差項進行壓縮，系統(tǒng)時差測量精度可控制到約4.72 ps，滿足系統(tǒng)要求。

表2 時頻微波鏈路測量誤差項預(yù)算

4.2 載波相位整周模糊度精確解算技術(shù)

由公式(2)可知，要通過載波相位測量實現(xiàn)空間站時頻微波鏈路高精度的時差測量必須考慮對各頻率的整周模糊度進行精確求解。

對同一坐標時及同一頻率下的偽碼觀測值C和載波相位觀測值Ф分別列出如下：

(4)

(5)

(6)

結(jié)合公式(4)和公式(5)，代入3個頻點和各自的觀測時刻，可得出各頻點模糊數(shù)表達式：

(7)

(8)

(9)

由公式(7)～(9)可以看出，載波相位模糊度的估計誤差δNi取決于偽碼測量誤差δCi、載波相位測量誤差δФi以及TEC估計誤差。

利用公式(4)，通過下行f2與f3的偽碼觀測值可以進一步確定TEC，即

(10)

再將式(10)分別代入式(7)～(9)，進一步轉(zhuǎn)換成誤差表達式，可得到各頻點模糊數(shù)估計誤差的計算公式。

對于f1，

(11)

對于f2，

(12)

對于f3，

(13)

對于ESA選用的f3頻點為S頻段，其偽碼速率為1 Mbit/s，觀測誤差較100 Mbit/s大許多，導(dǎo)致f3模糊度誤差大，因此可通過f2的模糊數(shù)N2轉(zhuǎn)換為另一種表達式，即

(14)

當N2已知時，將公式(8)代入公式(14)可得

(15)

相應(yīng)f3的模糊數(shù)估計誤差可轉(zhuǎn)換為由f2上的偽碼觀測誤差表示，可降低其估計誤差，即

(16)

本系統(tǒng)3個頻點均采用100 Mbit/s的偽碼測量，可不考慮f3模糊數(shù)的轉(zhuǎn)換問題。因此，相對于ESA的S頻點上1 Mbit/s的偽碼測量來說，本系統(tǒng)設(shè)計的100 Mbit/s偽碼除測量精度和抗多徑性能更優(yōu)外，解模糊的問題也更簡化。

5 結(jié)束語

空間站時頻系統(tǒng)作為科學實驗項目已率先由ESA開展了多項研究，可為全球民用系統(tǒng)提供超高精度時空基準服務(wù)。為實現(xiàn)高精度的時頻傳遞，本文研究了ps量級微波鏈路測量技術(shù)，與ESA的ACES方案相比，設(shè)計了適合我國空間站時頻傳遞的系統(tǒng)方案，簡化了數(shù)據(jù)后處理的難度。此外，在如此高精度的系統(tǒng)中,后端數(shù)據(jù)處理涉及到的軌道姿態(tài)數(shù)據(jù)修正、大氣修正等問題值得進一步研究。

[1] MUCH R，DAGANZO E，F(xiàn)ELTHAM S，et al.Status of the ACES mission[C]//Proceedings of 2009 Joint Conference of the IEEE International Frequency Control Symposium and the 22nd European Frequency and Time Forum(IFCS-EFTF 2009).Bad Honnef,Germany:IEEE,2009:199-204.

[2] DELVA P,MEYNADIER F,LE PONCIN-LAFITTE C,et al.Time and frequency transfer with a microwave link in the ACES/PHARAO mission[C]//Proceedings of 2012 European Frequency and Time Forum(EFTF).Gothenburg,Sweden:IEEE,2012:28-35.

[3] SEIDEL A,HESS M P,KEHRER J,et al.The ACES microwave link:instrument design and test results[C]//Proceedings of 2007 Joint Conference of the IEEE International Frequency Control Symposium and the 21st European Frequency and Time Forum(IFCS-EFTF 2007). Geneva,Switzerland:IEEE,2007:1295-1298.

[4] AUGELLI M.ACES operations:an ISS external scientific payload looking for experimental confirmations on the general relativity theory[C]//Proceedings of 14th International Conference on Space Operations.Daejeon,Korea:AIAA,2016:1-5.

[5] 蔣宇志.長基線高精度時間頻率傳遞技術(shù)的綜合應(yīng)用[J].電訊技術(shù),2010,50(8):12-17. JIANG Yuzhi.Combination implementation of high accuracy time and frequency transfer technique over long baseline[J].Telecommunication Enginieering,2010,50(8):12-17.(in Chinese)

[6] SCHAFER W,SICCARDI M,HESS M P,et al.Data analysis and phase ambiguity removal in the ACES microwave link[C]//Proceedings of 2008 IEEE International Frequency Control Symposium.Honolulu,HI:IEEE,2008:515-522.

[7] UHRICH P J M,GUILLERNOT P,AUBRY P,et al.ACES microwave link requirements Ultrasonics,Ferroelectrics and Frequency Control[J].IEEE Transactions on Ultrasonics,2000,47(5):1134-1139.

[8] HESS M P,KEHRER J,KUFNER M,et al.ACES MWL status and test results[C]//Proceedings of 2011 Joint Conference of the IEEE International Frequency Control Symposium and European Frequency and Time Forum(IFCS-EFTF 2011).San Francisco,California,USA:IEEE,2011:1-8.

System Design and Key Technologies of High Accuracy Time and Frequency Microwave Link for Space Station

ZHANG Xu

(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

It is significant for science and military to establish a time and frequency system in space station to provide a more precise time and frequency standard through high accuracy time and frequency link for global civilian users. Firstly,the status and application of high accuracy time and frequency transfer technology for space station abroad is discussed. Then,based on the principle of two way time and frequency transfer(TWTFT),the idea of system design for China's space station microwave link(MWL) is proposed compared with the project of European Space Agency(ESA).Finally,two key technologies of high accuracy time and frequency transfer are analyzed,which are quite important for particular system design and realizing the picosecond level precision.

space station；time and frequency link；microwave link;two way time and frequency transfer(TWTFT);high accuracy measurement

10.3969/j.issn.1001-893x.2017.04.007

張旭.空間站高精度時頻微波鏈路系統(tǒng)體制設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)[J].電訊技術(shù)，2017,57(4):407-411.[ZHANG Xu.System design and key technologies of high accuracy time and frequency microwave link for space station[J].Telecommunication Engineering,2017,57(4):407-411.]

2016-09-20；

2017-01-17 Received date:2016-09-20；Revised date：2017-01-17

TN99

A

1001-893X(2017)04-0407-05

張 旭(1983—)，女，四川雙流人，2008年于電子科技大學獲碩士學位，現(xiàn)為高級工程師，主要研究方向為飛行器測控與衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)。

Email：xuzhang_z@163.com

*通信作者：xuzhang_z@163.com Corresponding author：xuzhang_z@163.com