衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞鏈路的性能評(píng)估分析

史俊文

摘 要 在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)作中，雙向時(shí)間頻率傳遞鏈路的性能直接影響著系統(tǒng)運(yùn)作精度。基于此，本文從傳遞鏈路性能評(píng)估的意義展開(kāi)論述，通過(guò)TWSTFT鏈路結(jié)構(gòu)介紹、設(shè)備誤差分析、其他誤差分析、整體性能評(píng)估這幾個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了對(duì)衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞鏈路的性能評(píng)估，希望能夠?yàn)樾l(wèi)星技術(shù)的發(fā)展提供助力。

關(guān)鍵詞 雙向時(shí)間;鏈路性能;傳遞鏈路

引言

衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞又被稱為TWSTFT，其精度可達(dá)到1ns以上，工作者通過(guò)準(zhǔn)確評(píng)估衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞應(yīng)用鏈路的性能，可以為衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞技術(shù)的可持續(xù)優(yōu)化提供有力依據(jù)。

1 性能評(píng)估意義

現(xiàn)階段，由于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性以及精度，被應(yīng)用于世界范圍內(nèi)的各個(gè)領(lǐng)域，而時(shí)間同步精度作為系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之一，直接影響著導(dǎo)航系統(tǒng)的定位效果。其中衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞技術(shù)是當(dāng)前最準(zhǔn)確、使用最為廣泛的時(shí)間同步應(yīng)用技術(shù)，技術(shù)人員通過(guò)研究傳遞鏈路的性能及其影響因素，然后基于找出誤差產(chǎn)生原因以及校正方法，可以準(zhǔn)確優(yōu)化傳遞鏈路的使用性能，增強(qiáng)衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞技術(shù)的效用，獲得更優(yōu)質(zhì)的時(shí)間同步效果。

2 性能評(píng)估過(guò)程

2.1 TWSTFT鏈路結(jié)構(gòu)介紹

衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞鏈路主要包含九個(gè)結(jié)構(gòu)部分，即功放放大器、上變頻器、下變頻器、調(diào)制解調(diào)器、計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、主鐘、時(shí)間計(jì)數(shù)器等。在系統(tǒng)運(yùn)作中，射頻信號(hào)會(huì)通過(guò)VSAT發(fā)射給衛(wèi)星，同時(shí)，VSAT也接收衛(wèi)星發(fā)來(lái)的射頻信號(hào)，然后MODEM負(fù)責(zé)將信號(hào)進(jìn)行濾波、A/D轉(zhuǎn)換、解調(diào)調(diào)制、時(shí)差測(cè)量等處理，在此過(guò)程中，原子鐘會(huì)將標(biāo)準(zhǔn)10MHZ頻率以及IPPS信號(hào)作為參考輸入到MODEM中，同時(shí)，時(shí)間計(jì)數(shù)器會(huì)測(cè)量MODEM內(nèi)部存在的時(shí)間差，幫助系統(tǒng)把控時(shí)間同步精度。此次用來(lái)評(píng)估的衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞鏈路為VSAT衛(wèi)星天線傳遞鏈路，該鏈路的下行是12GHZ、上行是14GHZ，同時(shí)，配套的SATRE MODEM為德國(guó)的TIMETECH，其中頻為70MHZ，整體性能等級(jí)屬于常規(guī)類型。此外，在此次性能評(píng)估中，采用的偽隨機(jī)碼速率為5MChips/s，并且在數(shù)字調(diào)制模式上，研究人員選用了BPSK模式，符合當(dāng)前衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞技術(shù)的使用標(biāo)準(zhǔn)，可以保障評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.2 設(shè)備誤差分析

一般來(lái)說(shuō)，容易造成信號(hào)傳遞誤差的設(shè)備主要為調(diào)制解調(diào)器以及發(fā)射接收設(shè)備，因此，研究者在傳遞鏈的運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)這兩類設(shè)備進(jìn)行了性能評(píng)估，分析了其信號(hào)傳遞誤差，以期尋找出衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞鏈路性能在設(shè)備方面的優(yōu)化方法。在設(shè)備誤差分析中，研究者采用計(jì)數(shù)器對(duì)調(diào)制解調(diào)器內(nèi)部的信號(hào)進(jìn)行了測(cè)量，得出其內(nèi)部信號(hào)相較于主鐘內(nèi)部信號(hào)，存在1PPs秒的時(shí)延，同時(shí)，研究者又對(duì)地面的信號(hào)發(fā)射、接收設(shè)備進(jìn)行了測(cè)量，由于該類型設(shè)備導(dǎo)致誤差時(shí)延量級(jí)大致在0.2～0.5ns左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他設(shè)備的誤差，由此可知，發(fā)射接收設(shè)備所產(chǎn)生的誤差，在設(shè)備方面影響衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞鏈路性能的主要因素。此外，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究，上下變頻器以及低噪放大器在運(yùn)作過(guò)程中，受溫度的影響較大，所以工作者通過(guò)控制設(shè)備問(wèn)題，也能夠減少一定的設(shè)備誤差。

2.3 其他誤差分析

在衛(wèi)星系統(tǒng)的運(yùn)作中，其本身會(huì)進(jìn)行一定程度的運(yùn)動(dòng)，這使得衛(wèi)星與地球之間的距離會(huì)在既定的范圍內(nèi)不斷變化，因此會(huì)導(dǎo)致距離誤差、主鐘不同步誤差以及Sagnac效應(yīng)誤差，其中距離誤差對(duì)傳遞鏈路性能的影響效果最為明顯，而且該項(xiàng)誤差會(huì)隨著地球衛(wèi)星之間距離的增大而增大，若距離誤差達(dá)到了1000km，就會(huì)造成高達(dá)幾十皮秒的信號(hào)時(shí)間同步誤差，影響傳遞鏈路的性能。為此，工作者可以選用與信號(hào)收發(fā)站幾何路徑對(duì)稱的衛(wèi)星，來(lái)緩解距離誤差對(duì)傳遞鏈路性能造成的影響。此外，傳遞鏈路本身也存在流層、電離層的時(shí)延。通常情況下，流層問(wèn)題引起的誤差相對(duì)較小，幾乎可以忽略不計(jì)，但是電離層造成的誤差，會(huì)使上下鏈路出現(xiàn)不對(duì)稱的誤差，并且可以達(dá)到幾百皮秒，因此，工作者需要在傳遞鏈路中構(gòu)建這類粗大誤差的處理程序，提升鏈路性能。

2.4 整體性能評(píng)估

經(jīng)過(guò)上述分析，研究者通過(guò)觀察衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞數(shù)據(jù)可以得出，為了保障傳遞鏈路的運(yùn)作效果，工作者需要在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中扣除系統(tǒng)誤差，以及既定的Sagnac效應(yīng)數(shù)值，同時(shí)，還要優(yōu)化粗大誤差的處理，才能保障傳遞鏈路的使用性能。在此過(guò)程中，雖然粗大誤差數(shù)量通常處于1%以下，但是該項(xiàng)誤差的出現(xiàn)，會(huì)對(duì)統(tǒng)計(jì)、計(jì)算、繪圖等工作環(huán)節(jié)造成影響，因此，工作者必須在系統(tǒng)中設(shè)置粗大誤差剔除功能，提升傳遞鏈路運(yùn)作準(zhǔn)確性水平。此外，工作者還應(yīng)根據(jù)傳遞鏈路應(yīng)用設(shè)備的運(yùn)行規(guī)律，來(lái)針對(duì)性地采取誤差處理措施，優(yōu)化傳遞鏈路的運(yùn)行效果。基于此，從整體上來(lái)看，傳遞鏈路的性能大致能夠滿足當(dāng)前衛(wèi)星系統(tǒng)運(yùn)作的常規(guī)需求，但其中依然存在優(yōu)化空間，工作者通過(guò)采取相應(yīng)的設(shè)備以及其他方面誤差因素處理措施，可以大幅度優(yōu)化傳遞鏈路的性能，增強(qiáng)衛(wèi)星系統(tǒng)的時(shí)間同步精度[1]。

3 評(píng)估結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)上述一系列的分析和研究得出，在設(shè)備方面，為了降低信號(hào)收發(fā)設(shè)備中存在的運(yùn)行誤差，工作者可以采用移動(dòng)標(biāo)校站，來(lái)進(jìn)行信號(hào)的標(biāo)校，同時(shí)，保持上下變頻器、低噪放大器這兩類設(shè)備的恒溫，緩解溫度對(duì)設(shè)備運(yùn)作帶來(lái)的影響，減少設(shè)備誤差為傳遞鏈路性能帶來(lái)的影響，優(yōu)化鏈路性能。在其他方面，工作者需要在傳遞鏈路配套數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，構(gòu)建誤差校準(zhǔn)、修正功能，扣除鏈路在運(yùn)行中存在的誤差值，增強(qiáng)輸出數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[2]。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，系統(tǒng)設(shè)備的誤差是影響衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞鏈路性能的主要因素。在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展中，技術(shù)人員通過(guò)采取設(shè)備、系統(tǒng)的誤差修正、規(guī)避措施，可以有效強(qiáng)化傳遞鏈路的使用性能，深入優(yōu)化衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞技術(shù)的實(shí)時(shí)性和精度，提升衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展水平。

參考文獻(xiàn)

[1] 王翔，董紹武，武文俊.基于1 Mcps/s碼速率的亞歐衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)性能分析[J].天文學(xué)報(bào)，2019，60（6）：28-37.

[2] 江志恒，武文俊.軟件接收機(jī)UTC衛(wèi)星雙向時(shí)間傳遞[J].時(shí)間頻率學(xué)報(bào)，2019，42（3）：196-205.