GNSS系統時間及星載鐘研究

趙學軍

（中國人民解放軍92678部隊，天津 300220）

0 引言

全球衛星導航系統（GNSS）所產生的標準時間信息在通信、電力、廣播、電視、科研、安防監控、工業控制等領域廣泛使用。衛星導航定位系統可提供高精度、全天時、全天候的導航、定位和授時服務。其授時性能優異，高精度，低成本，安全可靠，全天候，覆蓋范圍廣。本文主要介紹各GNSS的系統時間和其星載鐘性能研究。

1 GPS系統

1.1 系統時間

GPS時間是一種由 GPS地面測控系統建立的連續運行的時間系統，其時間原點定義在1980年1月6日0時。它溯源到美國海軍天文臺所產生和保持的協調時UTC（USNO），溯源鏈路如圖1所示。

GPS時間與國際協調時UTC不同之處在于它不作閏秒修正，因而是一個連續的時間尺度。它與國際原子時相似，但與國際原子時在任一瞬間都存在一個19s的系統差，即：TAI-TGPS=19s。

1.2 GPS星載鐘及衛星時間系統

星載原子鐘，也稱原子頻標（AFS）是導航衛星的關鍵載荷，能夠確保衛星導航系統提供精確的授時服務。

GPS系統中星載原子鐘受到高度重視，美國曾多次進行星載原子中的性能評估試驗，現已納入BIPM（國際計量局）的監測體系。目前，GPS空間段的每顆Block II/IIA衛星上均放置了2臺銣鐘和2臺銫鐘，每顆Block IIR衛星上放置了3臺銣鐘，其中1臺銣鐘作為實踐標準，其余備用。與Block II/IIA衛星相比，Block IIR衛星所到在的銣原子鐘加強了物理封裝，提高了穩定性和可靠性。Block II/IIA衛星原子頻標輸出信號通過頻標分配單元（FSDU）發播給用戶，而Block IIR衛星原子頻標的輸出信號要通過時間保持系統（TKS，功能為頻率凈化和主備鐘切換）后發播給用戶。隨著GPS的現代化，GPS Block IIR-M和BlockIIF衛星增加了新的信號頻點和更加健壯的信號體制，Block IIR-M依然采用與Block IIR衛星相同的原子鐘配置方案，Block IIF采用兩臺銣鐘和一臺銫鐘的配置方案，銫鐘的引入能夠改善頻率短期穩定度。

圖1 GPS時間溯源原理圖

圖2展示了由美國海軍研究實驗室（U.S. Naval Research Lab）給出的GPS星載原子鐘頻率穩定度。

圖3利用IGS提供的精密鐘差數據計算了GPS星載原子鐘的頻率穩定度，展示了 2013年第四季度GPS星載原子鐘天穩排序。

圖2 GPS星載原子鐘頻率穩定度（哈達瑪方差）

圖3 2013年第四季度GPS星載原子鐘天穩排序（哈達瑪方差）

2 GLONASS系統

GLONASS系統是前蘇聯建立的類似于GPS系統的星基無線電導航系統，其前身CICADA與美國海軍衛星導航系統NNSS（子午系統）同期，于1965年設計，20世紀70年代中期開始啟動GLONASS計劃，1982年10月12日發射第一顆GLONASS衛星，1996年1月18日，完成24顆衛星的布局，衛星具備完全工作能力。

GLONASS系統由24顆衛星組成，它們均勻分布在軌道高度約為20000km的3個軌道平面上，每個平面上分布8顆衛星。軌道傾角為64.8°，軌道平面相互間隔 120°。同 GPS系統一樣，GLONASS系統也由空間段、地面段和用戶端三部分組成，其功能也與GPS系統的各組成部分的功能基本相同。

2.1 GLONASS系統時間

GLONASS系統時間是一個與協調時 UTC相類似但又不完全相同的原子鐘時系統。與GPS系統時間不同的是GLONASS系統時間引入了跳秒（閏秒），并以莫斯科時間為基準，它溯源于俄羅斯時間空間計量研究所所產生和保持的俄羅斯協調時UTC（SU），但與UTC（SU）之間存在3h的系統差，如下式所示。

2.2 GLONASS星載鐘

GLONASS系統于1982年至1985年發射了11顆 Block I衛星，設計壽命 1年，每顆衛星配有“BERYL”銣鐘。1985年12月開始發射Block IIa衛星，共6顆衛星，設計壽命1年，配有銫原子鐘。1987年和1988年發射12顆Block IIb衛星（僅6顆運轉于預設軌道，2顆發射失敗）設計壽命兩年，配有銫原子鐘。1988年11月開始發射Block IIc衛星，設計壽命3年。GLONASS于1996年1月18日完成衛星布設。GLONASS系統于 2003發射了12顆現代化衛星GLONASS-M（也稱Uragan-M）,設計壽命七年，每顆衛星上搭載了3個新型銫原子鐘。圖4展示了GLONASS 17號衛星銫原子鐘頻率穩定度。

3 GALILEO系統

由于GPS、GLONASS均由美國和俄羅斯軍方控制，且目前GLONASS在軌衛星缺失，GPS獨霸市場。1982年歐空局提議要建立一套民用為目的的全球衛星導航系統，其特點是共享的、獨立于GPS的無增強條件下的適于海陸空的系統。2002年2月26日，歐盟正式啟動GALILEO系統建設，計劃耗資32億到36億歐元。

圖4 GLONASS R17號衛星銫原子鐘頻率穩定度

GALILEO系統由30顆高軌道衛星組成，分布在軌道高度為2.4萬km、傾角為56°的3個軌道面上。同GPS系統和GLONASS系統一樣，GALILEO系統也由空間段、地面段和用戶端三部分組成。目前GALILEO系統有兩顆在軌試驗衛星。

3.1 系統時間

GALILEO系統時間簡稱為GST，是一個連續運行的的原子時，其時間基準由位于意大利的弗西羅伽利略控制中心提供，初始歷元為1999年8月22日0時。它與GPST類似，不進行閏秒調整，與TAI有一個常數偏差。

3.2 GALILEO星載鐘

2006年1月，GALILEO的GIOVE A衛星開始運轉，該衛星搭載了2臺銣原子鐘。其后，GIOVE B衛星于2008年5月開始播發信號，該衛星搭載了1臺被動氫原子鐘和2臺銣原子鐘。2012年10月12日至2016年11月17日，GALILEO系統累計發射16顆衛星，每顆衛星搭載2臺氫原子鐘和2臺銣原子鐘，在軌衛星達到18顆。

圖5至圖7展示了Galiloe系統銣原子鐘和氫原子鐘的頻率穩定度。

圖5 Galiloe衛星銣原子鐘RAFS1頻率穩定度

圖6 Galiloe衛星銣原子鐘RAFS2頻率穩定度

圖7 Galiloe衛星銣原子鐘和被動氫鐘頻率穩定度

表1 BDS星載原子鐘性能

表2 GPS、GLONASS和BDS星載原子鐘性能比較

BDS星載銣原子鐘頻率穩定度如圖8所示。

4 BDS系統

北斗衛星導航系統（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是中國正在實施的自主發展、獨立運行的全球衛星導航系統。其空間星座由5顆地球靜止軌道（GEO）衛星 、27顆中圓地球軌道（MEO）衛星和3顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛星組成。GEO衛星軌道高度 35786km，分別定點于東經58.75°、80°、110.5°、140°和 160°；MEO 衛星軌道高度21528km，軌道傾角55°；IGSO衛星軌道高度35786km，軌道傾角55°。

4.1 BDS星載鐘

我國BDS發射的衛星都搭載了3臺銣原子鐘，表1展示了BDS星載原子鐘的性能，表2對比了GPS、GLONASS和BDS的星載原子鐘性能。

5 結論

縱觀GNSS的星載時頻系統，其衛星鐘大都基于星載銣原子鐘，它們有的是一氫兩銣、有的是一銫兩銣，有的是三銣配置。研究結果表明，隨著溯源和星載鐘控制校準技術的發展，衛星導航系統星載鐘的最佳配置是三銣。

圖8 BDS衛星銣原子鐘頻率穩定度