謝　軍，孫云峰，屈勇晟，何　冬 ，趙　明

(1.中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京　100094；2.中國(guó)空間技術(shù)研究院 西安分院，西安　710100)

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空間原子鐘組管理的實(shí)現(xiàn)及影響因素分析

謝軍1，孫云峰2，屈勇晟2，何冬2，趙明2

(1.中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京100094；2.中國(guó)空間技術(shù)研究院 西安分院，西安710100)

摘要：在多星構(gòu)建的導(dǎo)航衛(wèi)星星座系統(tǒng)中，建立空間原子鐘組有利于提高系統(tǒng)的測(cè)量精度，提升系統(tǒng)自主運(yùn)行能力。本文對(duì)目前國(guó)內(nèi)外地面/空間原子鐘組管理所采用的方法進(jìn)行梳理總結(jié)，給出了單顆衛(wèi)星或星座中不同衛(wèi)星鐘之間的空間原子鐘組管理初步設(shè)計(jì)方案，該方案建立在星座系統(tǒng)中原子鐘組的設(shè)計(jì)構(gòu)想基礎(chǔ)上。從空間原子鐘組輸出信號(hào)的產(chǎn)生、鐘組信號(hào)的性能測(cè)量、原子鐘異常的檢測(cè)及處理等方面進(jìn)行考慮，本文對(duì)影響星上鐘組運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)及影響因素給出了分析建議，為BDS構(gòu)建連續(xù)、可靠、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的空間原子鐘組運(yùn)行體系提供技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：空間原子鐘組；原子鐘組管理；影響因素

0引言

原子鐘的鐘組管理廣泛被世界各國(guó)守時(shí)實(shí)驗(yàn)室所采用，通常在本地實(shí)驗(yàn)室或多個(gè)實(shí)驗(yàn)室中，將用于守時(shí)的多臺(tái)高精度時(shí)鐘形成一組時(shí)鐘，并定義為一個(gè)鐘組。在鐘組運(yùn)行管理過(guò)程中，采用高精度比對(duì)測(cè)量技術(shù)獲得鐘組內(nèi)不同鐘之間的鐘差數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)應(yīng)用適合算法進(jìn)行計(jì)算，得到一個(gè)具有更低噪聲的鐘差值(紙面時(shí))，最后用該鐘差值對(duì)實(shí)際鐘進(jìn)行微調(diào)，得到最終輸出信號(hào)。

鐘組管理由原子鐘組、鐘差比對(duì)測(cè)量系統(tǒng)、鐘差數(shù)據(jù)運(yùn)算、相位微調(diào)和主參考鐘物理化輸出等部分組成。鐘組管理是一個(gè)反饋控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，關(guān)鍵在于鐘差測(cè)量結(jié)果采集和控制量的合理獲取。原子鐘鐘組管理實(shí)現(xiàn)過(guò)程示意圖見(jiàn)圖1。

地面鐘組管理應(yīng)用已經(jīng)非常普遍，國(guó)際原子時(shí)(international atomic time，TAI)、協(xié)調(diào)世界時(shí)(coordinated universal time，UTC)等時(shí)間尺度的實(shí)現(xiàn)均基于鐘組管理，其中，鐘組部分的性能指標(biāo)隨著更高性能原子鐘的產(chǎn)生，其性能不斷地提高，同時(shí)時(shí)間尺度算法也在進(jìn)行不斷地更新優(yōu)化。鐘組管理目的就是要進(jìn)一步降低鐘的噪聲，提高輸出時(shí)間的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和可靠性。

隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)自主運(yùn)行技術(shù)的不斷發(fā)展，通過(guò)星間鏈路可獲取每顆導(dǎo)航衛(wèi)星上工作原子鐘的性能參數(shù)，采用鐘組技術(shù)，可提高時(shí)間的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度，進(jìn)而提升系統(tǒng)自主運(yùn)行能力。

此外，每顆導(dǎo)航衛(wèi)星本身搭載了3臺(tái)～4臺(tái)原子鐘，這也涉及到空間原子鐘組管理的問(wèn)題。如果導(dǎo)航衛(wèi)星未采取空間原子鐘組管理那么當(dāng)工作鐘出現(xiàn)故障時(shí)(包括頻率漂移過(guò)大、頻率異常跳變、相位異常跳變等)，就會(huì)對(duì)整星的10.23 MHz信號(hào)產(chǎn)生不利影響，最終影響系統(tǒng)性能。如2004-01-01全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)衛(wèi)星SVN23上的原子鐘故障，由于未及時(shí)發(fā)現(xiàn)，鐘漂移了近3 h，一些地方GPS定位誤差甚至達(dá)到40 000 m。如果導(dǎo)航衛(wèi)星采取了空間原子鐘組管理，那么對(duì)于上述原子鐘故障就能夠進(jìn)行預(yù)測(cè)，并及時(shí)采取措施，確保不會(huì)對(duì)10.23 MHz信號(hào)產(chǎn)生影響，有助于提升系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。同時(shí)，采用鐘組技術(shù)也可以對(duì)衛(wèi)星鐘的長(zhǎng)期穩(wěn)定度進(jìn)行改善，有利于提高系統(tǒng)的測(cè)量精度，提高衛(wèi)星鐘性能。

1國(guó)內(nèi)外原子鐘組管理概況

1.1地面原子鐘組管理概況

如前所述，地面原子鐘組管理應(yīng)用已相當(dāng)普遍，尤其是在守時(shí)方面。在原子鐘的種類(lèi)選擇搭配方面，國(guó)內(nèi)外守時(shí)試驗(yàn)室普遍采用氫鐘+銫鐘的配置，這種配置可充分地將氫鐘的短期頻率穩(wěn)定度和銫鐘的長(zhǎng)期穩(wěn)定度及準(zhǔn)確度的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)鐘組管理結(jié)合起來(lái)，保證鐘組輸出信號(hào)的頻率穩(wěn)定度及準(zhǔn)確度均達(dá)到最優(yōu)。美國(guó)海軍天文臺(tái)(United States Naval Observatory，USNO)鐘組配置為19臺(tái)氫鐘+25臺(tái)商用銫鐘(后續(xù)又加入4臺(tái)銣噴泉鐘)，中科院國(guó)家授時(shí)中心鐘組配置為19臺(tái)商用銫鐘+4臺(tái)氫鐘[2]。

在時(shí)間尺度算法方面主要有：ALGOS算法，AT1算法，卡爾曼(Kalman)濾波算法。國(guó)際計(jì)量局(Bureau International des Poids et Mesures，BIPM)時(shí)間分部、中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院(National Institute of Metrology，NIM)及中科院國(guó)家授時(shí)中心(National Time Service Center，NTSC)使用ALGOS加權(quán)平均算法進(jìn)行守時(shí)工作[1，3，8]；美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(The National Institute of Standards and Technology，NIST)則使用AT1加權(quán)平均算法進(jìn)行原子時(shí)標(biāo)計(jì)算等科學(xué)研究工作[9]。美國(guó)GPS系統(tǒng)使用Kalman濾波算法進(jìn)行GPS時(shí)的產(chǎn)生[7]。三種算法中前兩種屬于加權(quán)平均算法，第三種算法則采用估值理論對(duì)鐘組中的鐘差值作最優(yōu)估計(jì)。

AGLOS是一種滯后算法，其主要應(yīng)用于TAI的歸算，其要求是原子鐘要有非常可靠?jī)?yōu)良的長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度。由于滯后算法存在滯后時(shí)間較長(zhǎng)的問(wèn)題，會(huì)造成衛(wèi)星鐘誤差累積，影響導(dǎo)航系統(tǒng)性能，因此滯后算法明顯不適合用于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

AT1算法和Kalman算法均具有實(shí)時(shí)性，AT1算法是給每臺(tái)鐘分配一個(gè)權(quán)重，無(wú)法抑制所有噪聲，較適合于對(duì)原子鐘噪聲特性的研究工作，而Kalman濾波算法則可對(duì)多種原子鐘噪聲進(jìn)行建模并加以抑制，適于類(lèi)似衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中系統(tǒng)時(shí)間產(chǎn)生和保持的需求。目前，國(guó)內(nèi)外在原子鐘組管理上對(duì)時(shí)間尺度算法的選取雖沒(méi)有統(tǒng)一的最優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)，主要是根據(jù)使用要求而確定。

1.2空間原子鐘組管理概況

目前公開(kāi)文獻(xiàn)報(bào)道空間原子鐘組管理方面的文章較少。文獻(xiàn)[6]提出了在伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Galileo navigation satellite system，Galileo)導(dǎo)航衛(wèi)星上采用原子鐘組管理的概念，其衛(wèi)星上原子鐘組配置為“兩臺(tái)被動(dòng)型氫鐘+兩臺(tái)銣原子鐘”，通過(guò)衛(wèi)星上的時(shí)鐘檢測(cè)控制單元(clock monitoring and control unit，CMCU)實(shí)現(xiàn)星用10.23 MHz基準(zhǔn)信號(hào)的產(chǎn)生。早期的CMCU沒(méi)有對(duì)鐘組管理，只是通過(guò)開(kāi)關(guān)矩陣，從四臺(tái)原子鐘中選擇兩臺(tái)原子鐘加電輸出，作為CMCU內(nèi)兩臺(tái)頻率綜合器的輸入信號(hào)，產(chǎn)生一路信號(hào)作為星上工作鐘信號(hào)輸出，另一路作為熱備路信號(hào)使用。

可以看到，當(dāng)工作路原子鐘出現(xiàn)大的頻率漂移、頻率異常跳動(dòng)或相位異常跳動(dòng)等故障時(shí)，早期CMCU的實(shí)現(xiàn)方法對(duì)由此造成的10.23 MHz信號(hào)的異常影響沒(méi)有有效防護(hù)措施(盡管可以進(jìn)行平穩(wěn)切換，但切換前故障影響已在10.23 MHz信號(hào)反映出來(lái))。基于此原因，文獻(xiàn)[5-6]提出了在CMCU上實(shí)現(xiàn)空間原子鐘組管理的建議，其主要思路是：由目前Galileo衛(wèi)星上的4臺(tái)原子鐘共同實(shí)現(xiàn)10.23 MHz信號(hào)的產(chǎn)生，在此過(guò)程中采用Kalman濾波算法完成對(duì)鐘組內(nèi)鐘差的估計(jì)，使鐘組輸出信號(hào)時(shí)頻特性最優(yōu)，同時(shí)采用鐘故障(頻率、相位異常跳變)檢測(cè)算法，提前剔除故障保證鐘組輸出信號(hào)不受影響。

2空間原子鐘組管理基本方案及關(guān)鍵技術(shù)

2.1空間原子鐘管理基本方案

應(yīng)用于空間的原子鐘數(shù)量不斷增加，其中大部分都應(yīng)用于導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)中，因此本文所給的空間原子鐘組管理也是對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星而言，但是這也同樣適用于其他空間原子鐘組管理的情況。

在導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)中，空間原子鐘組管理應(yīng)包含兩方面內(nèi)容：?jiǎn)晤w衛(wèi)星上原子鐘組管理，星座中各衛(wèi)星鐘之間的鐘組管理。兩者都是對(duì)多臺(tái)原子鐘進(jìn)行管理，通過(guò)對(duì)鐘差數(shù)據(jù)處理得到最終鐘組輸出時(shí)間(紙面時(shí))，并進(jìn)行物理化后輸出。所不同的是鐘差數(shù)據(jù)的測(cè)量和獲得方式不同，前者是在單顆衛(wèi)星內(nèi)通過(guò)高精度鐘差測(cè)量系統(tǒng)來(lái)獲得，而后者是在不同衛(wèi)星鐘之間通過(guò)星間鏈路的精密測(cè)量和數(shù)據(jù)傳輸方式來(lái)獲得。

單顆衛(wèi)星上的原子鐘組管理主要是通過(guò)對(duì)衛(wèi)星上搭載的原子鐘進(jìn)行管理，來(lái)保證衛(wèi)星鐘輸出信號(hào)的連續(xù)性和可靠性?；诒倍沸l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)導(dǎo)航衛(wèi)星已實(shí)現(xiàn)的銣原子鐘生成星上10.23 MHz基準(zhǔn)信號(hào)的方案，給出了星上原子鐘組管理的初步生成方案，見(jiàn)圖2所示。方案實(shí)現(xiàn)基本原理為：4臺(tái)原子鐘分別經(jīng)各自直接數(shù)字合成(direct digital synthesizer，DDS)模塊生成230 kHz信號(hào)，與壓控晶振的10.23 MHz混頻產(chǎn)生10 MHz信號(hào)，通過(guò)4個(gè)相位計(jì)實(shí)現(xiàn)4路10 MHz信號(hào)兩兩之間相位差測(cè)量，以此作為鐘組輸出信號(hào)形成的初始數(shù)據(jù)輸入現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(field programmable gate array，F(xiàn)PGA)芯片或?qū)Ｓ眉呻娐?application specific integrated circuit，ASIC)芯片中的鐘組信號(hào)生成模塊；采用Kalman濾波算法及故障檢測(cè)算法對(duì)鐘差數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，得到最優(yōu)鐘差值作為模塊輸出信號(hào)，該信號(hào)和多路選擇器的輸出信號(hào)一同輸入鑒相器模塊，鑒相結(jié)果經(jīng)D/A、濾波后送入壓控晶振控制端，輸出最終星上10.23 MHz基準(zhǔn)信號(hào)。

圖2　空間原子鐘組管理實(shí)現(xiàn)框圖(單顆衛(wèi)星)

圖3　空間原子鐘組管理實(shí)現(xiàn)框圖(多顆衛(wèi)星)

本方案原則上對(duì)硬件進(jìn)行盡可能小的改動(dòng)，增加部分均采用已成熟應(yīng)用的電路模塊，針對(duì)鐘組管理的要求在FPGA內(nèi)增加了相應(yīng)的功能模塊。對(duì)于圖2中的4個(gè)相位計(jì)模塊，在實(shí)現(xiàn)時(shí)可用一個(gè)4通道相位比對(duì)儀來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果FPGA資源許可時(shí)，4個(gè)DDS模塊也可在FPGA中實(shí)現(xiàn)，節(jié)省硬件資源及空間。星座中各衛(wèi)星鐘之間的鐘組管理，主要完成導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)在自主運(yùn)行工作模式下系統(tǒng)時(shí)間的產(chǎn)生和保持，此過(guò)程必須結(jié)合星座中星間鏈路系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。星間鏈路的工作模式應(yīng)考慮盡可能多的星間觀測(cè)數(shù)據(jù)的獲得性，對(duì)于星間的相對(duì)位置和可視性都固定不變的情況可采用永久星間鏈路，而隨著時(shí)間有變化的情況可采用非永久星間鏈路[4]。BDS導(dǎo)航衛(wèi)星星座有三種衛(wèi)星軌道，星間相對(duì)位置和可視性狀態(tài)不盡相同，因此可采用永久星間鏈路與非永久星間鏈路相結(jié)合的方式建立星間鏈路，來(lái)實(shí)現(xiàn)星間精密測(cè)距和數(shù)據(jù)傳輸功能。導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)中各衛(wèi)星鐘之間鐘組管理的初步實(shí)現(xiàn)方案如下：導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)基于星間鏈路的精密測(cè)量和數(shù)據(jù)傳輸功能，實(shí)現(xiàn)偽距測(cè)量和時(shí)間同步，得到各衛(wèi)星鐘之間的鐘差，將所有鐘差值通過(guò)星間鏈路傳輸給主星，通過(guò)精密時(shí)間測(cè)量得到主星上原子鐘與其他星上原子鐘之間的鐘差值，以此為依據(jù)，選取具有實(shí)時(shí)性的合適算法如Kalman濾波算法得到星上系統(tǒng)時(shí)間(紙面時(shí))。計(jì)算星上系統(tǒng)時(shí)間與地面系統(tǒng)時(shí)間的偏差，以此來(lái)對(duì)星上系統(tǒng)時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，保證兩者的同步，當(dāng)星座系統(tǒng)由地面控制工作模式切換到自主運(yùn)行工作模式時(shí)，可以保證星座系統(tǒng)時(shí)間的平穩(wěn)切換。同時(shí)通過(guò)星上系統(tǒng)時(shí)間對(duì)各衛(wèi)星鐘鐘差數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，實(shí)現(xiàn)對(duì)各自鐘差模型參數(shù)的估計(jì)并通過(guò)星間鏈路將此信息發(fā)送至各衛(wèi)星，隨導(dǎo)航電文下發(fā)用戶。星座各衛(wèi)星鐘之間鐘組管理的實(shí)現(xiàn)框圖見(jiàn)圖3所示。在星上鐘組管理實(shí)現(xiàn)算法的選取上，主要考慮到星上有實(shí)時(shí)性的要求，而Kalman濾波算法符合這一要求；同時(shí)考慮到GPS系統(tǒng)從上世紀(jì)90年代正式運(yùn)行至今一直采用Kalman濾波算法來(lái)實(shí)現(xiàn)GPS時(shí)間的產(chǎn)生和保持，證明該算法應(yīng)是穩(wěn)定可靠的，因此選取Kalman濾波算法來(lái)實(shí)現(xiàn)鐘組信號(hào)的生成。而故障檢測(cè)算法則需要根據(jù)星上原子鐘特性，通過(guò)大量分析仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證進(jìn)行選取，這也是鐘組管理方案實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵之一，在后續(xù)部分還有說(shuō)明。

2.2空間原子鐘管理關(guān)鍵技術(shù)

在該空間鐘組管理方案實(shí)現(xiàn)上，有以下關(guān)鍵技術(shù)需要進(jìn)行細(xì)化和攻關(guān)。

(1)星上高精度相位測(cè)量及相位微調(diào)技術(shù)。由于相位測(cè)量結(jié)果要作為鐘組信號(hào)生成的原始數(shù)據(jù)，因此相位測(cè)量的精度必須要滿足原子鐘性能的需求，如BDS導(dǎo)航衛(wèi)星后續(xù)將要配置的氫鐘其頻率穩(wěn)定度指標(biāo)為1×10-12/τ1/2(τ是頻率穩(wěn)定度測(cè)量過(guò)程中的采樣時(shí)間)，那么相位單次測(cè)量分辨率至少需在1 ps以?xún)?nèi)(1 s測(cè)量時(shí)間間隔)。目前較通用的相位測(cè)量還是采用雙混頻時(shí)差法實(shí)現(xiàn)，因此可以考慮對(duì)雙混頻時(shí)差法進(jìn)行改進(jìn)來(lái)實(shí)現(xiàn)相位測(cè)試的高精度要求，當(dāng)然也可考慮其他更優(yōu)的測(cè)量技術(shù)以實(shí)現(xiàn)該技術(shù)要求。在高精度相位測(cè)量實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，需要相位微調(diào)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓控晶振的精細(xì)控制，保證調(diào)整不應(yīng)帶來(lái)輸出信號(hào)頻率和相位的明顯不連續(xù)。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)主要取決于D/A，由于受到星上工程實(shí)現(xiàn)的約束，D/A器件的分辨率不可能太高，所以應(yīng)考慮擴(kuò)大分辨率的有效方法。

(2)星上鐘組管理中算法的實(shí)現(xiàn)及選擇。其中Kalman濾波算法及鐘故障檢測(cè)算法比較關(guān)鍵。針對(duì)前者，首先對(duì)鐘差狀態(tài)方程狀態(tài)模型的選取要能夠精確反映星載鐘狀態(tài)，在前期為了算法的較易實(shí)現(xiàn)可選用二次模型(如鐘差，鐘漂)進(jìn)行設(shè)計(jì)，后續(xù)需考慮三次模型(如加入鐘漂移率狀態(tài))以更精確反映鐘狀態(tài)。其次由于Kalman算法所構(gòu)造系統(tǒng)不可觀測(cè)因素的存在[7]，由此導(dǎo)致濾波器發(fā)散，即估值結(jié)果的誤差會(huì)隨時(shí)間無(wú)窮增大，所以在應(yīng)用該算法時(shí)，可考慮將算法中的協(xié)方差矩陣按照可觀測(cè)部分和不可觀測(cè)部分進(jìn)行分解，并考慮間隔固定時(shí)間對(duì)不可觀測(cè)部分進(jìn)行剔除。最后，算法必須考慮到鐘的減少或加入情況下，算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程應(yīng)能保證鐘組輸出信號(hào)頻率和相位的連續(xù)。針對(duì)鐘故障檢測(cè)算法，需根據(jù)故障特性選取適合算法，如對(duì)鐘連續(xù)的頻率、相位異常跳動(dòng)，由于具有隨機(jī)性，因此可考慮采用統(tǒng)計(jì)特性的算法；如對(duì)鐘的單次頻率、相位異常跳動(dòng)帶來(lái)的頻率漂移率的較大變化，必須對(duì)多種算法進(jìn)行檢測(cè)性能比對(duì)，選取適合算法。對(duì)于相位異常跳動(dòng)，當(dāng)跳動(dòng)量級(jí)較小時(shí)，能夠通過(guò)鐘組算法中的鎖相環(huán)路進(jìn)行相位補(bǔ)償來(lái)消除影響，當(dāng)跳動(dòng)量級(jí)較大時(shí)，可以通過(guò)Kalman濾波算法進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。對(duì)于頻率異常跳動(dòng)，由于是對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的平均頻率值的跳動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)跳動(dòng)量較大時(shí)，通過(guò)Kalman濾波算法進(jìn)行檢測(cè)；該跳動(dòng)量較小時(shí)，可以考慮通過(guò)Kalman濾波進(jìn)行檢測(cè)或者采用統(tǒng)計(jì)分析方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，如采用廣義似然比檢測(cè)法(general likelihood ratio test，GLRT)。最后要在算法的實(shí)現(xiàn)及選擇與硬件資源做好折中考慮。

除以上兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)外，還有以下技術(shù)需要關(guān)注：衛(wèi)星上原子鐘的配置，從原子鐘組的性能需求和工程實(shí)現(xiàn)代價(jià)考慮，對(duì)鐘組的原子鐘種類(lèi)和數(shù)量進(jìn)行最優(yōu)配置；不同衛(wèi)星鐘之間的傳輸時(shí)延誤差，必須對(duì)星間鏈路信號(hào)傳輸通道時(shí)延一致性和穩(wěn)定性做出約束，同時(shí)規(guī)定時(shí)延的定期校準(zhǔn)，這些均對(duì)星間衛(wèi)星鐘差測(cè)量精度造成影響。

3空間原子鐘組管理的影響因素及控制措施

對(duì)于空間鐘組正常運(yùn)行需要考慮以下因素并進(jìn)行控制：

(1)目前BDS導(dǎo)航衛(wèi)星上原子鐘配置為“4銣鐘”或“2氫鐘+2銣鐘”，雖然在將鐘組時(shí)間信號(hào)物理化之前，其性能最優(yōu)，但在物理化過(guò)程中需要考慮在鐘組配置中盡可能選取性能最優(yōu)的鐘作為主參考鐘。因此對(duì)于“4銣鐘”配置，由于各臺(tái)銣鐘性能相近，可選取任一臺(tái)為主參考鐘，對(duì)于“2氫鐘+2銣鐘”配置，就應(yīng)優(yōu)先在兩臺(tái)氫鐘之間選取一臺(tái)為主參考鐘。

(2)鐘組運(yùn)行相對(duì)于目前的兩臺(tái)鐘運(yùn)行，所需功耗加大，從BDS導(dǎo)航衛(wèi)星原子鐘的要求可估計(jì)功耗約將有140～170 W的增加，因此衛(wèi)星平臺(tái)必須為鐘組提供充足穩(wěn)定的電源供應(yīng)。

(3)算法的可靠運(yùn)行，首先要選取可靠算法，如前所述，Kalman濾波算法經(jīng)過(guò)美國(guó)GPS系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行，證明該算法是可靠的。鐘故障檢測(cè)算法需應(yīng)用檢測(cè)理論，根據(jù)原子鐘特性及系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)時(shí)效性的要求，確定各項(xiàng)故障檢測(cè)門(mén)限及檢測(cè)方法，達(dá)到故障檢測(cè)識(shí)別概率及虛警概率的要求，并對(duì)多種可用算法進(jìn)行充分比對(duì)驗(yàn)證，擇優(yōu)取之。其次需要做好硬件資源與算法所需資源的折中，在前期性能充分實(shí)現(xiàn)的保證情況下，可考慮對(duì)算法實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵器件FPGA的ASIC替代工作，保證工程實(shí)現(xiàn)。

(4)空間鐘組運(yùn)行的遙測(cè)信息應(yīng)準(zhǔn)確全面地反映鐘的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)星上鐘出現(xiàn)故障時(shí)，要能夠根據(jù)遙測(cè)信息給出準(zhǔn)確操作，如從鐘的隔離或重新加入，避免地面控制對(duì)鐘組正常運(yùn)行的干擾。同時(shí)依據(jù)遙測(cè)信息能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鐘組各臺(tái)鐘在軌性能的準(zhǔn)確評(píng)估，為后續(xù)原子鐘工程研制提供參考。

4結(jié)束語(yǔ)

建立導(dǎo)航衛(wèi)星星上原子鐘組，可以對(duì)鐘出現(xiàn)的故障進(jìn)行最大限度的預(yù)測(cè)并采取措施，避免對(duì)星上10.23 MHz基準(zhǔn)信號(hào)的影響，保障導(dǎo)航衛(wèi)星的可用性，提升系統(tǒng)自主運(yùn)行能力。本文給出了由原子鐘組、多路鐘差比對(duì)測(cè)量模塊、鐘差數(shù)據(jù)運(yùn)算及數(shù)據(jù)異常檢測(cè)模塊以及相位微調(diào)模塊共同實(shí)現(xiàn)的單顆導(dǎo)航衛(wèi)星的空間原子鐘組管理初步方案，同時(shí)在此基礎(chǔ)上結(jié)合星間鏈路的精密測(cè)量和數(shù)據(jù)傳輸功能給出了導(dǎo)航星座中不同衛(wèi)星鐘之間的空間原子鐘組管理初步方案，并對(duì)影響星上鐘組運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)及影響因素給出了分析建議，旨在為我國(guó)BDS星上原子鐘組的工程實(shí)現(xiàn)提供參考。

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Realization and Influencing Factors Analysis of ACES Management

XIEJun1，SUNYunfeng2，QUYongsheng2，HEDong2，ZHAOMing2

(1.China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China；2.Xi’an Branch China Academy of Space Technology，Xi’an 710100，China)

Abstract：In navigation satellites constellation comprised of multi-satellite，introducing an atomic clock ensemble in space is beneficial for improvement of its measurement accuracy and ability of autonomous operation.This paper summarizes the methods adopted currently at home and abroad towards atomic clock ensemble management in ground or in space and then proposes an initial design scheme of atomic clock ensemble in Space (ACES) management on a single satellite or among different satellite clocks within constellation which is based on the designing conception of atomic clock ensemble in navigation satellite constellation.Considering generation and characterize measurement of clock ensemble signal，anomaly detection and processing of atomic clock，this paper gives analysis and recommendation as for the key technologies and factors affecting ACES management，which will provide technical basis in designing a continuous，reliable，stable，accurate ACES running system for BeiDou navigation satellite system (BDS) project.

Key words：ACES；ACES management；influencing factors

中圖分類(lèi)號(hào)：P228

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-4999(2016)-01-0016-06

作者簡(jiǎn)介：第一謝軍(1959—)，男，北京人，研究員，碩士，中國(guó)空間技術(shù)研究院科技委常委、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)首席總師、全國(guó)北斗標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)委員，長(zhǎng)期從事衛(wèi)星有效載荷技術(shù)、微波測(cè)量技術(shù)，通信衛(wèi)星技術(shù)、導(dǎo)航衛(wèi)星技術(shù)和衛(wèi)星總體等方面研究工作。

收稿日期：2015-05-27

引文格式：謝軍，孫云峰，屈勇晟，等.空間原子鐘組管理的實(shí)現(xiàn)及影響因素分析[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)，2016，4(1)：16-20,49.(XIE Jun，SUN Yunfeng，QU Yongsheng，et al.Realization and Influencing Factors Analysis of ACES Management[J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(1)：16-20,49.)DOI：10.16547/j.cnki.10-1096.20160104.