空间原子钟组管理的实现及影响因素分析

谢　军，孙云峰，屈勇晟，何　冬 ，赵　明

(1.中国空间技术研究院，北京　100094；2.中国空间技术研究院 西安分院，西安　710100)



空间原子钟组管理的实现及影响因素分析

谢军1，孙云峰2，屈勇晟2，何冬2，赵明2

(1.中国空间技术研究院，北京100094；2.中国空间技术研究院 西安分院，西安710100)

摘要：在多星构建的导航卫星星座系统中，建立空间原子钟组有利于提高系统的测量精度，提升系统自主运行能力。本文对目前国内外地面/空间原子钟组管理所采用的方法进行梳理总结，给出了单颗卫星或星座中不同卫星钟之间的空间原子钟组管理初步设计方案，该方案建立在星座系统中原子钟组的设计构想基础上。从空间原子钟组输出信号的产生、钟组信号的性能测量、原子钟异常的检测及处理等方面进行考虑，本文对影响星上钟组运行的关键技术及影响因素给出了分析建议，为BDS构建连续、可靠、稳定、准确的空间原子钟组运行体系提供技术基础。

关键词：空间原子钟组；原子钟组管理；影响因素

0引言

原子钟的钟组管理广泛被世界各国守时实验室所采用，通常在本地实验室或多个实验室中，将用于守时的多台高精度时钟形成一组时钟，并定义为一个钟组。在钟组运行管理过程中，采用高精度比对测量技术获得钟组内不同钟之间的钟差数据，对这些数据应用适合算法进行计算，得到一个具有更低噪声的钟差值(纸面时)，最后用该钟差值对实际钟进行微调，得到最终输出信号。

钟组管理由原子钟组、钟差比对测量系统、钟差数据运算、相位微调和主参考钟物理化输出等部分组成。钟组管理是一个反馈控制系统的实现过程，关键在于钟差测量结果采集和控制量的合理获取。原子钟钟组管理实现过程示意图见图1。

地面钟组管理应用已经非常普遍，国际原子时(international atomic time，TAI)、协调世界时(coordinated universal time，UTC)等时间尺度的实现均基于钟组管理，其中，钟组部分的性能指标随着更高性能原子钟的产生，其性能不断地提高，同时时间尺度算法也在进行不断地更新优化。钟组管理目的就是要进一步降低钟的噪声，提高输出时间的准确性、稳定性和可靠性。

随着全球卫星导航系统自主运行技术的不断发展，通过星间链路可获取每颗导航卫星上工作原子钟的性能参数，采用钟组技术，可提高时间的准确度和稳定度，进而提升系统自主运行能力。

此外，每颗导航卫星本身搭载了3台～4台原子钟，这也涉及到空间原子钟组管理的问题。如果导航卫星未采取空间原子钟组管理那么当工作钟出现故障时(包括频率漂移过大、频率异常跳变、相位异常跳变等)，就会对整星的10.23 MHz信号产生不利影响，最终影响系统性能。如2004-01-01全球定位系统(global positioning system，GPS)卫星SVN23上的原子钟故障，由于未及时发现，钟漂移了近3 h，一些地方GPS定位误差甚至达到40 000 m。如果导航卫星采取了空间原子钟组管理，那么对于上述原子钟故障就能够进行预测，并及时采取措施，确保不会对10.23 MHz信号产生影响，有助于提升系统运行可靠性。同时，采用钟组技术也可以对卫星钟的长期稳定度进行改善，有利于提高系统的测量精度，提高卫星钟性能。

1国内外原子钟组管理概况

1.1地面原子钟组管理概况

如前所述，地面原子钟组管理应用已相当普遍，尤其是在守时方面。在原子钟的种类选择搭配方面，国内外守时试验室普遍采用氢钟+铯钟的配置，这种配置可充分地将氢钟的短期频率稳定度和铯钟的长期稳定度及准确度的优点，通过钟组管理结合起来，保证钟组输出信号的频率稳定度及准确度均达到最优。美国海军天文台(United States Naval Observatory，USNO)钟组配置为19台氢钟+25台商用铯钟(后续又加入4台铷喷泉钟)，中科院国家授时中心钟组配置为19台商用铯钟+4台氢钟[2]。

在时间尺度算法方面主要有：ALGOS算法，AT1算法，卡尔曼(Kalman)滤波算法。国际计量局(Bureau International des Poids et Mesures，BIPM)时间分部、中国计量科学研究院(National Institute of Metrology，NIM)及中科院国家授时中心(National Time Service Center，NTSC)使用ALGOS加权平均算法进行守时工作[1，3，8]；美国标准技术研究院(The National Institute of Standards and Technology，NIST)则使用AT1加权平均算法进行原子时标计算等科学研究工作[9]。美国GPS系统使用Kalman滤波算法进行GPS时的产生[7]。三种算法中前两种属于加权平均算法，第三种算法则采用估值理论对钟组中的钟差值作最优估计。

AGLOS是一种滞后算法，其主要应用于TAI的归算，其要求是原子钟要有非常可靠优良的长期频率稳定度。由于滞后算法存在滞后时间较长的问题，会造成卫星钟误差累积，影响导航系统性能，因此滞后算法明显不适合用于卫星导航系统。

AT1算法和Kalman算法均具有实时性，AT1算法是给每台钟分配一个权重，无法抑制所有噪声，较适合于对原子钟噪声特性的研究工作，而Kalman滤波算法则可对多种原子钟噪声进行建模并加以抑制，适于类似卫星导航系统中系统时间产生和保持的需求。目前，国内外在原子钟组管理上对时间尺度算法的选取虽没有统一的最优标准，主要是根据使用要求而确定。

1.2空间原子钟组管理概况

目前公开文献报道空间原子钟组管理方面的文章较少。文献[6]提出了在伽利略卫星导航系统(Galileo navigation satellite system，Galileo)导航卫星上采用原子钟组管理的概念，其卫星上原子钟组配置为“两台被动型氢钟+两台铷原子钟”，通过卫星上的时钟检测控制单元(clock monitoring and control unit，CMCU)实现星用10.23 MHz基准信号的产生。早期的CMCU没有对钟组管理，只是通过开关矩阵，从四台原子钟中选择两台原子钟加电输出，作为CMCU内两台频率综合器的输入信号，产生一路信号作为星上工作钟信号输出，另一路作为热备路信号使用。

可以看到，当工作路原子钟出现大的频率漂移、频率异常跳动或相位异常跳动等故障时，早期CMCU的实现方法对由此造成的10.23 MHz信号的异常影响没有有效防护措施(尽管可以进行平稳切换，但切换前故障影响已在10.23 MHz信号反映出来)。基于此原因，文献[5-6]提出了在CMCU上实现空间原子钟组管理的建议，其主要思路是：由目前Galileo卫星上的4台原子钟共同实现10.23 MHz信号的产生，在此过程中采用Kalman滤波算法完成对钟组内钟差的估计，使钟组输出信号时频特性最优，同时采用钟故障(频率、相位异常跳变)检测算法，提前剔除故障保证钟组输出信号不受影响。

2空间原子钟组管理基本方案及关键技术

2.1空间原子钟管理基本方案

应用于空间的原子钟数量不断增加，其中大部分都应用于导航卫星系统中，因此本文所给的空间原子钟组管理也是对导航卫星而言，但是这也同样适用于其他空间原子钟组管理的情况。

在导航卫星系统中，空间原子钟组管理应包含两方面内容：单颗卫星上原子钟组管理，星座中各卫星钟之间的钟组管理。两者都是对多台原子钟进行管理，通过对钟差数据处理得到最终钟组输出时间(纸面时)，并进行物理化后输出。所不同的是钟差数据的测量和获得方式不同，前者是在单颗卫星内通过高精度钟差测量系统来获得，而后者是在不同卫星钟之间通过星间链路的精密测量和数据传输方式来获得。

单颗卫星上的原子钟组管理主要是通过对卫星上搭载的原子钟进行管理，来保证卫星钟输出信号的连续性和可靠性。基于北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system，BDS)导航卫星已实现的铷原子钟生成星上10.23 MHz基准信号的方案，给出了星上原子钟组管理的初步生成方案，见图2所示。方案实现基本原理为：4台原子钟分别经各自直接数字合成(direct digital synthesizer，DDS)模块生成230 kHz信号，与压控晶振的10.23 MHz混频产生10 MHz信号，通过4个相位计实现4路10 MHz信号两两之间相位差测量，以此作为钟组输出信号形成的初始数据输入现场可编程门阵列(field programmable gate array，FPGA)芯片或专用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)芯片中的钟组信号生成模块；采用Kalman滤波算法及故障检测算法对钟差数据进行运算处理，得到最优钟差值作为模块输出信号，该信号和多路选择器的输出信号一同输入鉴相器模块，鉴相结果经D/A、滤波后送入压控晶振控制端，输出最终星上10.23 MHz基准信号。

图2　空间原子钟组管理实现框图(单颗卫星)

图3　空间原子钟组管理实现框图(多颗卫星)

本方案原则上对硬件进行尽可能小的改动，增加部分均采用已成熟应用的电路模块，针对钟组管理的要求在FPGA内增加了相应的功能模块。对于图2中的4个相位计模块，在实现时可用一个4通道相位比对仪来实现。如果FPGA资源许可时，4个DDS模块也可在FPGA中实现，节省硬件资源及空间。星座中各卫星钟之间的钟组管理，主要完成导航卫星系统在自主运行工作模式下系统时间的产生和保持，此过程必须结合星座中星间链路系统来实现。星间链路的工作模式应考虑尽可能多的星间观测数据的获得性，对于星间的相对位置和可视性都固定不变的情况可采用永久星间链路，而随着时间有变化的情况可采用非永久星间链路[4]。BDS导航卫星星座有三种卫星轨道，星间相对位置和可视性状态不尽相同，因此可采用永久星间链路与非永久星间链路相结合的方式建立星间链路，来实现星间精密测距和数据传输功能。导航卫星系统中各卫星钟之间钟组管理的初步实现方案如下：导航卫星系统基于星间链路的精密测量和数据传输功能，实现伪距测量和时间同步，得到各卫星钟之间的钟差，将所有钟差值通过星间链路传输给主星，通过精密时间测量得到主星上原子钟与其他星上原子钟之间的钟差值，以此为依据，选取具有实时性的合适算法如Kalman滤波算法得到星上系统时间(纸面时)。计算星上系统时间与地面系统时间的偏差，以此来对星上系统时间进行调整，保证两者的同步，当星座系统由地面控制工作模式切换到自主运行工作模式时，可以保证星座系统时间的平稳切换。同时通过星上系统时间对各卫星钟钟差数据进行拟合，实现对各自钟差模型参数的估计并通过星间链路将此信息发送至各卫星，随导航电文下发用户。星座各卫星钟之间钟组管理的实现框图见图3所示。在星上钟组管理实现算法的选取上，主要考虑到星上有实时性的要求，而Kalman滤波算法符合这一要求；同时考虑到GPS系统从上世纪90年代正式运行至今一直采用Kalman滤波算法来实现GPS时间的产生和保持，证明该算法应是稳定可靠的，因此选取Kalman滤波算法来实现钟组信号的生成。而故障检测算法则需要根据星上原子钟特性，通过大量分析仿真和试验验证进行选取，这也是钟组管理方案实现的关键之一，在后续部分还有说明。

2.2空间原子钟管理关键技术

在该空间钟组管理方案实现上，有以下关键技术需要进行细化和攻关。

(1)星上高精度相位测量及相位微调技术。由于相位测量结果要作为钟组信号生成的原始数据，因此相位测量的精度必须要满足原子钟性能的需求，如BDS导航卫星后续将要配置的氢钟其频率稳定度指标为1×10-12/τ1/2(τ是频率稳定度测量过程中的采样时间)，那么相位单次测量分辨率至少需在1 ps以内(1 s测量时间间隔)。目前较通用的相位测量还是采用双混频时差法实现，因此可以考虑对双混频时差法进行改进来实现相位测试的高精度要求，当然也可考虑其他更优的测量技术以实现该技术要求。在高精度相位测量实现的基础上，需要相位微调技术来实现对压控晶振的精细控制，保证调整不应带来输出信号频率和相位的明显不连续。该技术实现主要取决于D/A，由于受到星上工程实现的约束，D/A器件的分辨率不可能太高，所以应考虑扩大分辨率的有效方法。

(2)星上钟组管理中算法的实现及选择。其中Kalman滤波算法及钟故障检测算法比较关键。针对前者，首先对钟差状态方程状态模型的选取要能够精确反映星载钟状态，在前期为了算法的较易实现可选用二次模型(如钟差，钟漂)进行设计，后续需考虑三次模型(如加入钟漂移率状态)以更精确反映钟状态。其次由于Kalman算法所构造系统不可观测因素的存在[7]，由此导致滤波器发散，即估值结果的误差会随时间无穷增大，所以在应用该算法时，可考虑将算法中的协方差矩阵按照可观测部分和不可观测部分进行分解，并考虑间隔固定时间对不可观测部分进行剔除。最后，算法必须考虑到钟的减少或加入情况下，算法的实现过程应能保证钟组输出信号频率和相位的连续。针对钟故障检测算法，需根据故障特性选取适合算法，如对钟连续的频率、相位异常跳动，由于具有随机性，因此可考虑采用统计特性的算法；如对钟的单次频率、相位异常跳动带来的频率漂移率的较大变化，必须对多种算法进行检测性能比对，选取适合算法。对于相位异常跳动，当跳动量级较小时，能够通过钟组算法中的锁相环路进行相位补偿来消除影响，当跳动量级较大时，可以通过Kalman滤波算法进行实时检测。对于频率异常跳动，由于是对一段时间内的平均频率值的跳动进行监测，当跳动量较大时，通过Kalman滤波算法进行检测；该跳动量较小时，可以考虑通过Kalman滤波进行检测或者采用统计分析方法进行统计检验，如采用广义似然比检测法(general likelihood ratio test，GLRT)。最后要在算法的实现及选择与硬件资源做好折中考虑。

除以上两项关键技术外，还有以下技术需要关注：卫星上原子钟的配置，从原子钟组的性能需求和工程实现代价考虑，对钟组的原子钟种类和数量进行最优配置；不同卫星钟之间的传输时延误差，必须对星间链路信号传输通道时延一致性和稳定性做出约束，同时规定时延的定期校准，这些均对星间卫星钟差测量精度造成影响。

3空间原子钟组管理的影响因素及控制措施

对于空间钟组正常运行需要考虑以下因素并进行控制：

(1)目前BDS导航卫星上原子钟配置为“4铷钟”或“2氢钟+2铷钟”，虽然在将钟组时间信号物理化之前，其性能最优，但在物理化过程中需要考虑在钟组配置中尽可能选取性能最优的钟作为主参考钟。因此对于“4铷钟”配置，由于各台铷钟性能相近，可选取任一台为主参考钟，对于“2氢钟+2铷钟”配置，就应优先在两台氢钟之间选取一台为主参考钟。

(2)钟组运行相对于目前的两台钟运行，所需功耗加大，从BDS导航卫星原子钟的要求可估计功耗约将有140～170 W的增加，因此卫星平台必须为钟组提供充足稳定的电源供应。

(3)算法的可靠运行，首先要选取可靠算法，如前所述，Kalman滤波算法经过美国GPS系统长期运行，证明该算法是可靠的。钟故障检测算法需应用检测理论，根据原子钟特性及系统对检测时效性的要求，确定各项故障检测门限及检测方法，达到故障检测识别概率及虚警概率的要求，并对多种可用算法进行充分比对验证，择优取之。其次需要做好硬件资源与算法所需资源的折中，在前期性能充分实现的保证情况下，可考虑对算法实现关键器件FPGA的ASIC替代工作，保证工程实现。

(4)空间钟组运行的遥测信息应准确全面地反映钟的运行状态，当星上钟出现故障时，要能够根据遥测信息给出准确操作，如从钟的隔离或重新加入，避免地面控制对钟组正常运行的干扰。同时依据遥测信息能够实现对钟组各台钟在轨性能的准确评估，为后续原子钟工程研制提供参考。

4结束语

建立导航卫星星上原子钟组，可以对钟出现的故障进行最大限度的预测并采取措施，避免对星上10.23 MHz基准信号的影响，保障导航卫星的可用性，提升系统自主运行能力。本文给出了由原子钟组、多路钟差比对测量模块、钟差数据运算及数据异常检测模块以及相位微调模块共同实现的单颗导航卫星的空间原子钟组管理初步方案，同时在此基础上结合星间链路的精密测量和数据传输功能给出了导航星座中不同卫星钟之间的空间原子钟组管理初步方案，并对影响星上钟组运行的关键技术及影响因素给出了分析建议，旨在为我国BDS星上原子钟组的工程实现提供参考。

参考文献

[1]李变，屈俐俐，高玉平，等，地方原子时算法研究[J].天文学报，2010，51(4)：404-411.

[2]董绍武.守时中的若干重要技术问题研究[D].西安：中国科学院国家授时中心，2007：77-79.

[3]张莉莉.地方原子时AT1算法的研究与实现[D].北京：北京工业大学，2007：2-3.

[4]杨宇.GNSS中星间链路分配方法的研究[D].长沙：湖南大学，2013：19-22.

[5]ZENZINGER A，BARTUSCH T，KÜHL C，et al.Failure detection and correction for clock ensemble in space[C]//The Institute of Electrical and Electronics Engineers(IEEE).Proceedings of the 6th ESA Workshop on Satellite Navigation Technologies and European Workshop on GNSS Signals and Signal Processing (2012 NAVITEC).[s.n.]：IEEE，2012：1-8.DOI：10.1109/NAVITEC.2012.6423054.

[6]SOUALLE F，BECK T，TRAUTENBERG H，et al.New concept for the on-board master clock generation unit for future Galileo satellites[C]//The Institute of Navigation(ION).Proceedings of the 2010 International Technical Meeting of the Institute of Navigation (ION ITM 2010).San Diego，CA：The Institute of Navigation，Inc.，2010：880-894.

[7]WRIGHT J R.GPS composite clock analysis[EB/OL].(2007-06-12)[2014-07-12].https：//www.agi.com/downloads/support/productSupport/literature/pdfs/whitePapers/GPS_Composite_Clock_Analysis.pdf.DOI：10.1109/FREQ.2007.4319128.

[8]PANFILO G，ARIAS E F.Algorithms for international atomic time[J].IEEE Transactions on Ultrasonics，Ferroelectrics，and Frequency Control，2010，57(1)：140-150.DOI：10.1109/TUFFC.2010.1390.

[9]WEISS M A，ALLAN D W，PEPPLER T K.A Study of the NBS atomic time scale algorithm[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，1989，38(2)：631-635.DOI：10.1109/19.192364.

Realization and Influencing Factors Analysis of ACES Management

XIEJun1，SUNYunfeng2，QUYongsheng2，HEDong2，ZHAOMing2

(1.China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China；2.Xi’an Branch China Academy of Space Technology，Xi’an 710100，China)

Abstract：In navigation satellites constellation comprised of multi-satellite，introducing an atomic clock ensemble in space is beneficial for improvement of its measurement accuracy and ability of autonomous operation.This paper summarizes the methods adopted currently at home and abroad towards atomic clock ensemble management in ground or in space and then proposes an initial design scheme of atomic clock ensemble in Space (ACES) management on a single satellite or among different satellite clocks within constellation which is based on the designing conception of atomic clock ensemble in navigation satellite constellation.Considering generation and characterize measurement of clock ensemble signal，anomaly detection and processing of atomic clock，this paper gives analysis and recommendation as for the key technologies and factors affecting ACES management，which will provide technical basis in designing a continuous，reliable，stable，accurate ACES running system for BeiDou navigation satellite system (BDS) project.

Key words：ACES；ACES management；influencing factors

中图分类号：P228

文献标识码：A

文章编号：2095-4999(2016)-01-0016-06

作者简介：第一谢军(1959—)，男，北京人，研究员，硕士，中国空间技术研究院科技委常委、北斗卫星导航系统首席总师、全国北斗标准化技术委员会委员，长期从事卫星有效载荷技术、微波测量技术，通信卫星技术、导航卫星技术和卫星总体等方面研究工作。

收稿日期：2015-05-27

引文格式：谢军，孙云峰，屈勇晟，等.空间原子钟组管理的实现及影响因素分析[J].导航定位学报，2016，4(1)：16-20,49.(XIE Jun，SUN Yunfeng，QU Yongsheng，et al.Realization and Influencing Factors Analysis of ACES Management[J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(1)：16-20,49.)DOI：10.16547/j.cnki.10-1096.20160104.