北斗星载铯钟在轨性能评估方法实践

李 炫

(中国空间技术研究院西安分院，西安710000)

0 引言

北斗系统是重要的空间基础设施，对国家安全、人民生命财产安全都有着非常重要的战略意义。从2012年12月底北斗区域卫星导航系统组网成功,到2020年6月底国家宣布北斗全球组网成功，北斗卫星导航系统从区域走向了全球服务。在原子钟配置上北斗全球导航卫星系统在继承北斗区域导航系统，每颗星均配置4个高性能的原子钟，包括氢钟、铷钟，其中一台作为频率源，为整星提供高性能的时间服务，一台作为热备份且随时准备作为主钟的替换，另外两台作为冷备份备用。

卫星钟的性能直接影响星上有效载荷的运行、导航定位、授时等服务精度[1-6]。卫星在地面测试完成，随整星发射入轨后，性能可能会受空间环境影响发生变化。在星载原子钟提供服务后，地面用户可使用多种方式对星载原子钟的综合性能进行评估，原子钟的性能重要性使得这个问题成为了很多地面用户关心的问题之一[7-10]。

基于铯原子钟在地面使用性能也较好的情况下[11-12]，北斗某星首次配置铯钟在轨作为热备钟使用，主钟为氢钟。文章通过对主备钟相差测量的数据，对星载铯钟的频率性能做出评估。结果分析表明铯钟在轨后频率准确度、10 s以上的频率稳定度、频率漂移率等性能与地面测试结果一致性较高，相差测量数据分析备份铯钟性能方法可行，且可信度很高。

1 星载铯钟性能评估方法

原子钟的性能评估一般使用频率准确度、频率稳定度、频率漂移率来衡量。频率准确度是输出频率与标准频率的相对偏差；频率稳定度是指输出频率相对标准频率的方差(一般用Allan方差或者Hadamard方差表征)；频率漂移率是指输出频率相对于标准频率每天的偏差量[13-14]。而相位测量是通过对两个输出频率做一个时间域的相位差测量[15-17]，在轨后容易通过相位差测量值对原子钟性能进行评估。

北斗某星上使用氢钟作为主钟，铯钟作为热备钟，通过基准频率合成器生成卫星使用的10.23 MHz的标准频率源。将主、备路10.23 MHz信号分别与公共晶振输出10.229 MHz信号混频产生主、备路1 kHz信号，经低通滤波、放大、过零检测、整形形成拍频1 kHz的TTL信号送到控制管理单元电路，然后用采样钟对两个1 kHz信号进行计数，获得两路信号之间的相位差。这个相位差是10.23 MHz频率信号一个周期内的变化值，范围是[0，97.75 ns]，其中比相仪的频率分辨率为1.5 ps。测量原理如图 1所示。

图1 主备份钟相差测量原理框图Fig.1 The phase difference per second between main and backup clock measuring principle

采用卫星钟相差测量，其相对频差的计算公式为：

(1)

式(1)中：f0为10.23 MHz;

fd为1 kHz;

τ为采样时间;

Δx为累计相位时间差。

从式(1)可知，采样时间越长，测频精度越高，实践中比相仪用于测1 000 s以上铷原子频标长期稳定度。且测频精度也与时差分层有关，最大时差97.75 ns，比相仪相位分辨率约为1.592 4 ps，频率准确度测量分辨率与采样时间的关系如表 1所列。

表1 频率准确度测量分辨率与采样时间对应关系表

结合表2 铯钟地面测试的频率稳定度结果可知，使用相差测试数据采样时间在10 s以上都可以满足这种关系，评估的铯钟10 s以上的频率稳定度结果可信。

表2 星载铯钟频率稳定度

通过对相差测量量进行分析可得到主备钟相对的稳定度、准确度以及漂移率等性能数据。测量精度高、测量方法可信。

2 星载铯钟相差数据分析与结果

北斗某导航卫星使用铯钟作为热备钟，氢钟作为主钟，分析2019年12月6日至2020年5月17日的主备钟相差数据，对铯钟备钟的频率特性进行评估。期间由于在轨数据的不连续性，去掉了数据不完整的11个小段。

实际处理数据时，使用Stable32软件，将相差数据转换为频差数据，并去掉野值后，频差数据如图2所示。

图2 主备钟(互比)频差数据Fig.2 Frequency difference data of main and stand-by clocks (mutual comparison)

由于数据量较大，计算稳定度时使用了10次平均，原始数值得到的频率特性评估数据如表3所列。

表3 原始评估数据

由于工作中氢钟的稳定度优于铯钟的3倍，可以认为主备钟相差稳定度指标评估数据就是铯钟的频率稳定度。

铯钟地面测试结果和评估结果对比分析如表4所列。地面测试结果与在轨稳定性评估曲线如图3所示。

表4 评估数据与地面测试数据对比表

图3 地面测试结果与在轨后稳定性评估曲线图Fig.3 Ground test results and on orbit stability evaluation curve

从上述图表可以看出，铯钟在轨后通过相差数据评估得到的频率准确度、稳定度与地面真空下测试结果基本一致，漂移率相对主钟的结果也非常合适，符合地面预期，可以作为星载原子钟使用。

3 结论

星载铯钟在轨工作，开机作为热备份钟使用，相差测量值对于频率特性的评估是目前可获得的唯一原始数据源。评估结果显示：铯钟准确度可达10-12量级，天稳达到大系数的10-14量级，漂移率在10-16量级。使用相差测量法对铯钟的频率特性进行估计，评估数据与地面测试结果基本一致，评估方法可信。从星载铯钟地面测试数据与在轨后的数据对比可以看出，国内星载铯钟的频率特性表现优异，具备在航天器上使用的条件。