导航卫星主备钟平稳切换性能设计分析

王宏兵，高　扬，肖胜红

(北京卫星导航中心，北京 100094)



导航卫星主备钟平稳切换性能设计分析

王宏兵，高扬，肖胜红

(北京卫星导航中心，北京 100094)

卫星钟是导航卫星的核心设备，其输出时频信号的稳定是导航卫星向用户提供连续稳定导航信号及服务的基础，主钟性能下降或故障迫使系统进行原子钟主备切换时，由于主备钟存在的频率和相位差别，导航信号将产生跳变，影响卫星的服务性能，目前导航卫星多采用主备钟跟随及平稳切换技术来解决主备钟切换时的频率和相位跳变问题。针对主备钟平稳切换与导航服务性能的关系以及平稳切换指标的确定问题，介绍了主备钟平稳切换技术的原理，分析了主备钟切换的时机与策略，从用户测量性能及钟差预报参数可用性这2个方面分析了主备钟平稳切换指标，并提出了相应的指标要求。

导航卫星；主备钟；平稳切换

0　引言

导航卫星原子钟是导航卫星的核心设备，其主要功能是作为导航卫星时间与频率信号的基础，维持整个卫星的时间频率信号体系，为导航卫星上行注入、任务处理和导航信号生成等设备提供时间频率信号。为保证时间频率体系的运行可靠性，导航卫星一般配置3～4台原子钟，多采用主钟、热备钟和冷备钟的原子钟配置方案，以GPS为例，GPS卫星一般配置4台原子钟，其中1台主钟、1台热备钟和2台冷备钟。

卫星导航系统是一个要求高可靠性、连续性和可用性的应用系统[1]，为用户服务提供的导航信号需要很高的连续稳定性要求，需要导航信号连续稳定播发的关键是导航卫星的连续不间断地稳定运行，其中星载原子钟作为导航卫星的核心关键设备，其功能缺失或性能下降，都将造成导航卫星提供导航信号的性能下降甚至不可用，影响系统的导航服务性能[2]。为减小星载原子钟主备切换时主备钟时频信号差异产生的导航信号相位或频率跳变，引起卫星导航信号的相位跳变或中断，导航卫星在主备钟切换技术上多采用主备钟实时跟随及平稳切换技术，通过对热备钟的频率驾驭实现与主钟频率和相位关系的一致性，从而保证主备钟切换时时频信号的连续性，实现导航卫星频率和时间基准的平稳切换[3]。

主备钟平稳切换的目标是导航信号的服务性能不受影响。主备钟平稳切换后，导航信号频率、相位的平稳程度直接关系到导航信号的用户机接收测量连续性，同时切换后的钟差预报参数可用性也直接影响系统提供定位服务的性能。主备钟切换后频率和相位的跳变与钟差预报参数的可用性具有直接的关联，由于钟差预报参数一般为1～2h注入一次，若切换后的频率与相位一致性较差，在新的钟差预报参数未播发之前，用户使用原参数将随着时间的推移而精度逐渐降低，直接影响用户的定位精度。目前导航卫星主备钟平稳切换技术已有较多技术研究，但缺乏平稳切换的指标要求的需求分析及论证，平稳切换的指标实现与系统服务及用户使用需求未紧密关联，不利于对平稳切换指标要求具体实现进行指导和约束。本文从主备钟平稳切换用户终端信号接收性能及卫星钟差预报参数使用性能2个方面对主备钟平稳切换指标进行了分析论证，给出了频率、相位和切换时间等切换指标约束及对系统服务性能的影响。

1　主备星钟平稳切换跟随技术

导航卫星上的星载原子钟主要包括铷钟、铯钟和氢钟，导航卫星一般设计寿命为8～10年，在轨运行时间可长达12年，考虑到星载原子钟可靠性及寿命末期性能下降的因素，导航卫星通常配置3～4台原子钟，以保证卫星时间频率信号的稳定连续性。GPS系统的BlockⅡ A卫星上搭载4台原子钟(2台铷钟和2台铯钟)，BlockⅡ R卫星上搭载了3台铷钟。Galileo卫星上搭载了3台原子钟(2台铷钟和1台氢钟)。北斗卫星上搭载了4台铷钟。导航卫星上配置的原子钟，无论数量多少，均按照主钟、热备钟和冷备钟进行配置，区别仅在于冷备钟的数量。导航卫星钟组基本框图如图1所示。

图1　导航卫星钟组基本组成

导航卫星主备钟经过开关选择与频率综合产生主备2路10.23MHz基准频率信号，再通过切换开关选择主路10.23MHz基准频率信号输出，产生导航卫星所需的各频率信号。

导航卫星主备钟产生的2路10.23MHz基准频率信号，通过实时相位比对测量得到2路信号的相位及频率偏差量，通过对备钟进行相位调整及频率驾驭，做到备钟对主钟时频信号的实时跟随[4,5]。导航卫星主备10.23MHz基准频率信号实时比对框图如图2所示。

图2　导航卫星主备10.23MHz基准频率信号实时比对

导航卫星通过主备10.23MHz基准频率信号的实时相位与频率测量，获取热备钟与主钟的相位与频率差，当检测到主备钟频率与相位超出平稳切换要求门限时，备钟控制信号对备钟进行相位及频率调整，使热备钟与主钟的相位与频率始终保持较高的一致性，实现热备钟接替主钟运行时，10.23MHz时频基准信号的一致性与连续性。

2　星钟平稳切换时机与目标

导航卫星主备钟切换包括地面指令切换和卫星自主切换。地面指令切换是指由地面控制中心向卫星发主备钟切换指令进行的主备钟切换，属于有计划的卫星钟切换，主要发生在卫星在轨运行时主钟出现或可能出现性能下降，影响用户服务性能时。自主切换是指在卫星钟自主性能监测及自主切换状态下，卫星主钟出现频率、相位突跳或时频信号中断等异常时，卫星自主进行的主备钟切换，属于紧急状态下的应急切换。

主备钟地面指令切换的时机由地面控制中心通过对卫星钟性能监测评估及系统服务性能监测情况确定，当监测到主钟漂移率、稳定度等性能下降，指标超标，或监测到卫星钟性能存在下降趋势时，地面控制中心实施主备钟指令切换。主备钟自主切换的时机由卫星自身通过对时频信号的监测确定，卫星对星上时频基准信号进行实时测量，当监测到时频信号出现相位跳变或频率跳变时，若跳变量超过卫星设置的星钟切换门限值，则主动将工作钟由主钟切换至热备钟。

星钟进行主备切换时，因2台钟之间的差异，必然会出现频率与相位的跳变，星钟平稳切换的目标就是要控制相位与频率跳变的变化量，使其不影响卫星的正常运行和导航信号的服务性能，做到卫星上行注入与下行导航信号不中断，同时导航电文中播发的星钟预报参数具有继续使用的效能。

3　平稳切换频率与相位一致性要求分析

主备钟平稳切换的目标是进行主备切换前后，导航信号的服务性能不受影响，可保持服务性能指标的实现。频率、相位是时频信号的基本特征，对于主备钟平稳切换而言，就是需要实现时频信号频率与相位在切换前后尽量保持一致，既不出现信号中断和服务中断问题，也要保证用户继续使用卫星播发的星钟预报参数。因此，主备钟切换后频率和相位一致性指标要求由两方面因素制约：① 用户进行导航信号测量的连续性；② 用系统钟差预报参数的可用性。

3.1用户测量连续性分析

用户测量连续性含义是指在卫星钟主备切换过程中，接收机不发生码环、载波环的失锁或载波环跳周现象。这里，由于载波环跳周的要求最为苛刻，因此，以不发生跳周为分析基础。

载波环不发生跳周，即钟切换前后的载波相位跳变在接收机鉴相器可牵引的范围内。按照目前常见的鉴相方法，载波锁相环牵引范围约为60°～90°，此处以60°即1/6个载波波长计算[6]。在北斗所有下行导航信号中，载波波长最短为Bs频点，约为12cm。因此，切换前后相位跳变值应小于2cm，折算为时间跳变为0.067ns。

3.2钟差预报参数可用性分析

卫星钟主备切换后，在地面控制中心上注新的钟差预报参数前，用户会继续沿用切换前卫星播发的钟差预报参数，因更换备钟产生的新的钟差变化与未更新的钟差预报参数的符合性，即原钟差预报参数的可用性直接影响用户的服务性能。导航卫星钟差预报参数包括时钟数据龄期IODC、星钟参考时刻toc、卫星时间偏差a0、卫星频偏a1和卫星频漂a2。用户机用户可通过下式计算出信号发射时刻的系统时间[7]：

t=tsv-Δtsv，

Δtsv=a0+a1(t-toc)+a2(t-toc)2+Δtr。

式中，t为信号发射时刻的系统时间；tsv为信息发送时刻卫星测距码相位时间；Δtsv为卫星测距码相位时间偏差；Δtr是相对论校正项。

卫星钟完成主备切换后，地面控制中心需重新进行星钟预报参数的计算，并向卫星注入，通常情况下，1h内可完成新的钟差预报参数的注入，因此原钟差预报参数将继续使用1h，新的钟差预报参数将进行更新。

主备钟切换后，a0的误差由主备钟切换产生的相位跳变决定，a1的误差由主备钟切换产生的频率跳变决定，a2的误差由主备钟自身的频率漂移率特性决定，当漂移率指标优于1×10-13/天时，卫星主备钟切换对a2影响可以忽略。因此主备钟平稳切换的频率与相位一致性要求直接决定了a0和a1的可用性。

假设主备钟切换后，时频信号相位跳变量为γ(ns)，频率跳变量为λ，则时间t(s)后，因主备切换引起的钟差预报参数误差量为：

τ=γ+λ×t×10+9。

地面控制中心在卫星主备钟切换后，可实施钟差预报快速处理机制，通常1～2h即可完成新的参数的预报及注入，用户即可使用新的钟差参数。不同的相位跳变量为γ和频率跳变量为λ，经过1h对应的钟差预报参数误差如表1所示。

表1　主备钟跳变量引起的钟差预报参数误差(1h)

若要求主备钟平稳切换后，1h内因钟差引起的用户服务性能下降不超过0.3 m(0.9ns)，则对应的对卫星相位跳变γ和频率跳变量为λ，如表2所示。

表2　钟差参数误差0.3 m对应的相位与频率跳变量

从表2可以看出，主备钟平稳切换相位跳变控制应在0.1ns，频率跳变应实现10-13量级。

导航卫星采用数字锁相环来实现原子钟锁定高稳定度的晶振技术实现无缝平稳切换，主备钟切换时，在丢失参考的标准信号时，利用锁相环的保持采样技术保持受控晶振的压控电压不变，这样在主备钟切换时受控晶体振荡器的输出频率的准确度和相位保持不变，从而达到主备钟平稳切换的目的。数字锁相环高稳晶振实现框图如图3所示。

图3　数字锁相环高稳晶振框图

采用原子钟锁定高稳晶振的平稳切换技术后，可实现10.23MHz基准频率信号相位跳变小于0.1ns。通过卫星上高精度的主备钟相位比对设备可以得到相位比对数据，进而可以解算出主备原子钟的频率准确度，通过对星钟频率调整，在钟可实现频率跳变控制在1×10-13量级。

4　平稳切换时间要求分析

主备钟平稳切换时间指标是指主备钟切换时备钟信号接替主钟信号过程引起的信号中断时间。信号中断一段时间可能引起接收机跟踪状态的瞬时抖动或者完全失锁，因此，约束切换时间指标应以接收机不失锁或不抖动为基础[8-9]。

要求信号中断不引起接收机失锁，可以等效于中断时间不能覆盖接收机环路的多个更新周期。这里，保守起见，应约束信号中断时间不大于环路的一次更新时间，即一个更新周期。

各类导航接收机所采用的环路更新时间(即相干积分时间)有较大差异，但目前最小更新时间一般按照1ms进行设计，因此，平稳切换时间应约束为小于1ms。

5　结束语

导航卫星主备钟平稳切换技术可以保证在卫星钟切换后导航卫星仍然可用，服务性能满足用户使用性能，因此对导航系统保证服务可用性与连续性具有重要的意义。从本文分析情况看，导航卫星主备切换性能确定在综合考虑了系统钟差预报精度误差、用户测量连续性和卫星时频保持技术可行性等因素后，卫星钟主备切换性能可按照保证钟差预报精度引入误差小于0.3m进行约束，即满足系统服务性能要求，也具有较强的工程可实现性。

[1]谭述森.卫星导航定位工程[M].北京：国防工业出版社，2010.

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[8]张蓓，赵昀，高米.GNSS导航电文对接收机用户的性能影响分析[J].无线电工程，2013，43(5)：35-38.

[9]许磊，何巍巍，赵胜.BOC调制导航信号的精确捕获方法研究[J].无线电工程，2015，45(11)：36-39.

王宏兵男，(1977—)，硕士，副研究员。主要研究方向：卫星导航总体及测试技术。

高扬男，(1984—)，博士，助理研究员。主要研究方向：卫星导航。

The Analysis of Smooth Switching between Primary and Backup Atomic Clocks on Navigation Satellite

WANG Hong-bing，GAO Yang，XIAO Sheng-hong

(BeijingSatelliteNavigationCenter,Beijing100094，China)

The atomic clock is the core equipment of the navigation satellite,responsible for maintaining the frequency and time signal,the stability of the frequency and time signal is the basis for providing continuous and stable navigation signal and service.The atomic clock will be forced to perform switching between primary and backup,due to the frequency and phase difference,the navigation signal cannot continue to be used.The technology of smooth switching between primary and backup atomic clocks on the navigation satellite is used to solve the problem,which ensures the continuity of the navigation signal and the availability of the navigation message.Therefore,the relationship between the switching between primary and backup and the service performance is an urgent problem to solve.This paper introduces the technology theory of the switching,analyzes the timing and strategy of switching,analyzes and gives the performance index of the switching between primary and backup.

navigation satellite;primary and backup atomic clocks;smooth switching

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.09.20

2016-05-30

P228

A

1003-3106(2016)09-0076-04

引用格式：王宏兵,高扬,肖胜红.导航卫星主备钟平稳切换性能设计分析[J].无线电工程,2016,46(9):76-79.