北斗星载时间频率系统发展综述

2023-11-16王明

科学与信息化 2023年21期

王明

中国人民解放军91710部队吉林延边 133500

引言

北斗卫星导航系统的核心组成部分北斗星载时间频率系统，又名时频系统，位于BDS空间段，能够提供准确﹑可靠的时频信息，从而满足人们的日常需求，促进科技进步和经济增长，保障国家安全。一个国家必须具备一个完备的﹑具备自主研发﹑生产﹑维护和运营的时频系统，它既具备良好的稳定性﹑可靠性，又具备较高的精准度，同时还具备协调处理时间频率信息的能力，从而实现工作流程﹑组织架构以及整体布局的优化[1]。这样的时频系统，无疑为国家的经济﹑社会发展以及国防建设提供了必要的支撑。

本文旨在探讨中国北斗卫星定位导航系统的发展情况，通过对相关资料和技术管理信息的整理，总结出其发展历程。除此之外，还将对当前的状况进行分析和总结，并对未来的发展趋势进行预测。

1 发展历程

随着“先区域，后全球，先有源，后无源”的发展思路的指引，我国从1994年开始，积极推进北斗卫星导航系统的试验﹑研制和运行服务，并且在北斗星载时频系统的建设中，从无到有，不断完善[2]。

1.1 2000年建成的第一代北斗星载时频系统

北斗卫星导航试验系统，作为中国第一代自主RDSS﹑建造和运营的卫星导航技术，于2000年正式启动，它能够为中国及其周边地区的用户提供精确的定位﹑快速的短消息传输以及准确的时间预测等多种服务。

北斗卫星导航试验系统的时频系统包括3个主要部分[3]：①地面中央站的高精度原子频率信号，以及多个测量点的频率信号；②GEO卫星的星载时频信号，以及各种用户终端的频率信号。北斗卫星导航试验系统由三颗卫星组成，它们分别采用钏钟和高稳晶振，以确保其具有较高的频率稳定性，并且利用微波锁相倍频技术，获得高稳定度的频率信号,为卫星有效载荷的L﹑S﹑C频段多路转发器提供统一的频率源。

1.2 第二代北斗星载时频系统建设

2007年4 月，北斗卫星导航系统的中圆地球轨道（MEO）第一颗试验卫星成功发射，它以星载钏原子钟（以下简称物I钟）为核心，实现了星地时间同步，并且能够满足设计要求，从而证明了其可靠性和准确性。2011年，北斗卫星导航基本系统由3颗GEO和3颗IGSO卫星组成，它们在区域内实现了精确的时间同步，并且可以与地面主控站和时间同步站的时频基准相互协调，从而达到了预期的目标[4]。2012年，中国建立了北斗卫星导航区域系统，并将其星载时频技术应用于全国及其周边地区，大大提升了卫星导航服务的覆盖面，使得多种指标得以实现有效的监测和控制。

1.3 北斗星载原子钟发展历程

自20世纪50年代以来，中国开始了对原子钟的研究，1965年，中国首次成功开发了第一台地面他频标样机，1973年，又推出了第一台地面铀频标样机。近几十年来，中国的原子钟技术取得了长足的进步，已被广泛应用于时间管理﹑导航﹑定位﹑勘探以及精确测量等多个领域。

1999年，我国开始着手研究星载原子钟，但是这项工作的进展相对较晚。自2000年北斗卫星导航系统建设工程正式启动以来，在卫星系统的统一管理和多家单位的共同努力下，取得了巨大的进步。2006年，中国第一台星载饰钟产品顺利发射，并在太空中稳定运行；2009年，所有北斗导航卫星都配备了国产钏钟，为中国的北斗导航技术提供了强有力的支持[5]。随着北斗导航卫星技术的发展，星载原子钟已成为实现BDS功能和性能指标的重要基础。目前，我国北斗时频系统使用的原子钟主要分为枷钟﹑饱钟﹑主动型或被动型饰钟以及芯片级原子钟（CSAC），它们在空间段和地面段都发挥着重要作用。

北斗卫星工程取得的重大突破，其中最为突出的是成功研发出星载钟，这一突破不仅仅是由集体智慧的攻关所实现，而且还包括了星载钏钟的寿命评估﹑力学性能测试﹑温度变化﹑真空和常压下的性能参数差异以及长期稳定性测试等多项技术挑战。通过实际测试，我们发现国产星载钟的性能表现出色，远超欧洲同类产品，不仅满足了系统的要求，而且还能提供卓越的性能。

2 北斗星载时频系统现状

北斗卫星导航系统拥有先进的定位技术，可以实现快速﹑准确的定位，并且可以提供位置报告和授时功能。它采用国际单位制（SD秒），即北斗时（BDT），不存在闰秒信息，可以在卫星发送的导航电文中播报，与协调世界时（UTC）之间的闰秒信息也可以被及时检测到，从而实现精确的定位和授时功能[6]。起始历元为2006-01-01UTC00:00:00，采用周期性的秒计数方式来计数。

2.1 北斗卫星导航系统组成

北斗卫星导航系统由3个部分组成：地面站﹑空间站和用户站。地面站包括主控站﹑时间同步站﹑注入站和监测站，它们负责提供精确的定位信息。空间站则包括五颗GEO卫星﹑27颗MEO卫星和三颗IGSO卫星[7]。截至2014年2月，太空站上共有十四颗卫星，其中五颗GEO卫星搭载了RDSS业务载荷和卫星无线电导航服务（RNSS）业务载荷，可以为用户提供覆盖区域内的全面导航服务；另外四颗MEO卫星和五颗IGSO卫星也搭载了RNSS业务，可以满足不同的应用需求，为太空站的安全运行提供支持。我们为用户提供基于RNSS体制的导航服务，包括北斗定位终端和其他卫星定位系统的接收机[8]。

2.2 北斗卫星导航星载时频系统组成

北斗卫星导航系统由十四颗卫星组成，它们都配备了一个时频子系统。当这些卫星通过电源工作时，其中一台会提供10MHz的时频基准，而另一台则是备用钟。当这些卫星在太空中运行时，地面可以通过遥控指令来切换到主要的时频子系统。

通过采用统一的频率源技术，RNSS由卫星的时频子系统可以实现对卫星的基准频率和基准时间的精确控制，从而使得上行注入﹑精密测距链路和下行导航信号生成播发链路之间能够实现完美的同步，从而使得卫星的有效载荷能够与其时间基准保持一致，从而提高了卫星的性能和可靠性[9]。通过RNSS卫星，多频点导航信号的相位之间存在着密切的联系，这使得双频用户终端能够获得更加准确的定位和授时服务。

GEO卫星的设计方案为RDSS和RNSS业务载荷提供了10MHz的时频基准，这样，两种体制的导航信号就可以在地面系统中实现实时传输，并且可以根据实际情况进行调整，以确保其精确性。

2.3 北斗星载时频系统的时间同步机制

时间同步技术测量时钟时差，在高新技术行业中至关重要。对现代信息社会，高精度时间同步对经济发展关键。它是卫星导航系统核心，确保导航﹑定位﹑授时准确性。站间时间同步技术在主控站与监测站之间应用，保障系统可靠性。利用GPS共视法﹑北斗共视法和双向卫星时间传递技术进行时间比对，满足各种应用场景的时间同步需求。

图1 单颗北斗GEO卫星星载时频系统组成示意图

2.4 北斗卫星授时原理

RDSS（北斗卫星无线电测定业务）单向授时是一种通过卫星转发器将北斗导航系统地面站发出的信号转发给用户的方式，BDT控制中心负责监控主原子钟，并通过控制原子钟来调节卫星导航信号的频率﹑相位﹑编码速率以及导航电文等参数，从而实现对用户的定时服务[10]。通过发射机将授时信号从天线上传输到北斗卫星，北斗卫星的转发器将信号转换成1PPS+TOD等时间信息，最终由用户接收端解码，实现单向授时服务。