賀玉玲，何克亮，王國永，杜二旺，杜麗軍，許 風，孫云峰

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710100)

0 引言

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以為海陸空甚至近地空間的用戶提供全天時、全天候的三維位置、速度和時間信息，已成為重要的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施，融入國民經(jīng)濟、社會發(fā)展和國防建設(shè)的各個領(lǐng)域。進入21世紀以來，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)迅速發(fā)展，美國的全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)、歐盟的Galileo系統(tǒng)和中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不斷建設(shè)完善且性能持續(xù)提升。我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)按照先區(qū)域后全球、先有源后無源的建設(shè)思路，實施“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略。2020年7月31日，北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通，目前在軌服務(wù)衛(wèi)星共計45顆，可提供導(dǎo)航定位和通信數(shù)傳兩大類、七種服務(wù)，2035年前還將建成更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合定位導(dǎo)航授時(Positioning, Navigation, and Timing，PNT)體系[1]。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用三球交會的定位體制，在統(tǒng)一的時間、空間基準中，將衛(wèi)星作為位置已知的空間節(jié)點播發(fā)導(dǎo)航信號，用戶通過接收導(dǎo)航信號獲取衛(wèi)星與用戶之間的偽距和多普勒頻移，實現(xiàn)用戶的定位、測速、導(dǎo)航和授時服務(wù)。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，時間的穩(wěn)定性和時鐘的同步是高精度測量的基礎(chǔ)。目前，GPS、Galileo、GLONASS以及我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)均在星上配置了高精度時頻系統(tǒng)，通過在每顆衛(wèi)星配置高性能的星載原子鐘和功能豐富的時頻生成與保持設(shè)備，為衛(wèi)星導(dǎo)航載荷提供高精度、平穩(wěn)可靠的時頻參考信號。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度和自主運行能力的不斷提升，對星載時頻系統(tǒng)的性能也提出了更高的要求。

本文首先介紹了目前應(yīng)用于各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的星載時頻關(guān)鍵技術(shù)，然后討論了面向未來精度提升和系統(tǒng)自主運行能力提升需求下星載時頻系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)和可能的發(fā)展路徑。

1 導(dǎo)航衛(wèi)星時頻系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

導(dǎo)航衛(wèi)星時頻系統(tǒng)由多臺原子鐘和時頻生成與保持單元組成。星載原子鐘輸出穩(wěn)定度極高的頻率信號，時頻生成與保持單元將原子鐘的頻率轉(zhuǎn)換為衛(wèi)星載荷需要的頻率，常為10.23MHz，并進行原子鐘主備份輸出信號間的高精度測量和鐘差參數(shù)精密調(diào)整，為導(dǎo)航衛(wèi)星有效載荷提供性能優(yōu)良、平穩(wěn)可靠的基準時間頻率信號。

1.1 星載原子鐘

時間(頻率)是7個基本物理量中計量精度最高的，這得益于原子鐘技術(shù)的不斷發(fā)展。原子鐘是利用原子在微波、光波段的電子躍遷頻率作為基準產(chǎn)生的時間保持系統(tǒng)。原子鐘是現(xiàn)代導(dǎo)航衛(wèi)星的基礎(chǔ)，各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)均配置了星載原子鐘。考慮到原子鐘在星載應(yīng)用中對體積、質(zhì)量、功耗、可靠性和壽命的要求，以及需要非常好的頻率穩(wěn)定度，目前的星載原子鐘仍以銣鐘、氫鐘和銫鐘為主，通常每顆衛(wèi)星配置3～4臺原子鐘。

根據(jù)系統(tǒng)需求與技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)，各全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)使用了不同種類的星載原子鐘。GPS Block ⅡF衛(wèi)星配置1臺銫鐘加2臺銣鐘，GPS Block III衛(wèi)星改為使用3臺增強型銣鐘；GLONASS系統(tǒng)第二代衛(wèi)星GLONASS-M每顆配置3臺銫鐘，第三代衛(wèi)星GLONASS-K1每顆配置2臺銫鐘和2臺被動型氫鐘；Galileo衛(wèi)星，除GIOVE-A外，均配置了2臺銣鐘和2臺被動型氫鐘；我國北斗二號導(dǎo)航衛(wèi)星配置均為銣鐘，北斗三號導(dǎo)航衛(wèi)星使用星載銣鐘和星載被動型氫鐘，地球同步軌道(Geosynchronous Orbit，GEO)和傾斜地球同步軌道(Inclined Geosynchronous Orbit，IGSO)衛(wèi)星采用2臺銣鐘和2臺氫鐘的配置，中地球軌道(Medium Earth Orbit，MEO)衛(wèi)星配置4臺銣鐘。區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，如日本準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)(Quasi-Ze-nith Satellite System，QZSS)和印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Indian Regional Navigation Satellite System，IRNSS)，也在其衛(wèi)星上配置了星載原子鐘，目前均使用銣鐘。截至目前，累計有一千余臺原子鐘在軌運行，其中約50%為星載銣鐘，同時被動型氫鐘的比例在持續(xù)增加。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的不斷發(fā)展，推進了星載原子鐘技術(shù)水平不斷進步，性能指標快速提升[2]。

1.1.1 星載銣鐘

星載銣鐘采用被動型銣原子頻標方案，以銣原子基態(tài)超精細能級躍遷譜線作為鑒頻標準鎖定晶振的輸出頻率。銣鐘物理部分常為三泡式，即銣燈泡、濾光泡和吸收泡，也可以將濾光泡和吸收泡合二為一，成為集成泡。銣鐘物理部分巧妙地利用了自然界中兩種同位素85Rb和87Rb有一條非常相近的超精細結(jié)構(gòu)光共振譜線的特性，通過一個85Rb濾光泡吸收掉87Rb銣燈泡發(fā)光譜線中波長相近的譜線，使得最終的透射光可以滿足87Rb基態(tài)超精細能級躍遷譜線所需的抽運光要求，實現(xiàn)吸收泡中87Rb超精細能級布居數(shù)反轉(zhuǎn)，此時在吸收泡中施加6.8GHz微波信號，可以激勵87Rb基態(tài)超精細能級間的共振躍遷。

20世紀70年代，美國第一個將銣鐘應(yīng)用于衛(wèi)星，至今已有50多年的研制、使用歷史。星載銣鐘從最初的平均壽命不足1年、性能指標較低[3]到現(xiàn)在應(yīng)用于GPS Block III衛(wèi)星上的銣鐘10000s穩(wěn)定度優(yōu)于2×10-14，36000s穩(wěn)定度進入10-15量級[4]，其研制水平在不斷提高。星載銣鐘通過特殊的精細設(shè)計與普通商用銣鐘相比性能有了很大提升，同時具有體積小、質(zhì)量小、功耗低等優(yōu)點，經(jīng)特殊設(shè)計后整機溫度系數(shù)很低、抗輻射能力強，可以適應(yīng)導(dǎo)航衛(wèi)星的要求。西安空間無線電技術(shù)研究所、中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院、北京無線電計量測試技術(shù)研究所、蘭州空間技術(shù)物理研究所和成都天奧電子股份有限公司等國內(nèi)多個單位開展了星載銣鐘及其相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，星載銣鐘成功應(yīng)用于北斗二號和北斗三號衛(wèi)星[5-9]。基于星地雙向時頻比對的在軌鐘性能評估表明，北斗導(dǎo)航衛(wèi)星星載銣鐘穩(wěn)定度可進入10-15/d量級[10]。

1.1.2 星載氫鐘

氫鐘采用氫原子基態(tài)F=1，mF=0到F=0，mF=0之間的σ躍遷作為鐘躍遷，其躍遷頻率為1.42GHz。通過不斷優(yōu)化制造工藝、延長氫原子與輻射場相互作用時間、降低共振譜線線寬，氫鐘獲得了極高的頻率穩(wěn)定度和極低的漂移率。根據(jù)不同的技術(shù)方案，氫鐘分為主動型氫鐘(也稱為氫激射器頻標、氫脈澤頻標)和被動型氫鐘。主動型氫鐘廣泛應(yīng)用于世界各地的守時實驗室，例如在美國海軍天文臺(United States Naval Observatory，USNO)、德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(Physikalisch-Te-chnische Bundesanstalt，PTB)、我國國家授時中心和計量科學(xué)研究院等研究機構(gòu)均配置了幾臺至幾十臺主動型氫鐘，參與國際原子時(International Atomic Time，TAI)的歸算[11]。利用星載氫鐘開展空間科學(xué)研究，始于1976年開展的GP-A(Gravity Probe A)試驗，通過發(fā)射一個裝載主動型氫鐘的火箭探測器，垂直上升到1.02×104km的高度，進行引力紅移測量，以在更高精度上驗證廣義相對論[12]。歐洲空間局(European Space Agency，ESA)正在組織的空間原子鐘組合(Atomic Clock Ensemble in Space, ACES)項目通過在國際空間站部署2臺原子鐘，1臺激光冷原子銫鐘(PHARAO)和1臺主動型氫鐘，進行星地超高精度時頻信號比對測量，以開展一系列基礎(chǔ)物理實驗研究[13]。中國天宮二號空間站上也將配置主動型氫鐘、冷原子銣微波鐘和冷原子鍶光鐘，利用極高穩(wěn)定度的時間頻率開展原子躍遷光頻對比、基本物理常數(shù)精密測量和引力紅移測量的相對論驗證等基礎(chǔ)物理研究和應(yīng)用[14]。

主動型氫鐘需要TE011模式的高Q(品質(zhì)因子)腔，以實現(xiàn)自主原子躍遷，體積、質(zhì)量較大，難以適應(yīng)以導(dǎo)航衛(wèi)星為代表的大部分衛(wèi)星平臺；通過減小腔的尺寸，可以顯著降低氫鐘的體積和質(zhì)量，但小型金屬腔的品質(zhì)因數(shù)不足以滿足脈澤振蕩，需要在探測信號的激勵下才能發(fā)生原子躍遷，氫鐘工作在被動模式下，稱為被動型氫鐘[15]。Galileo衛(wèi)星和北斗導(dǎo)航衛(wèi)星上均配置了被動型星載氫鐘。

被動型星載氫鐘的典型頻率穩(wěn)定度和漂移率分別可達5×10-15/d和1×10-15/d，使其守時誤差可優(yōu)于1ns/d[16-17]，從而使導(dǎo)航衛(wèi)星具備極好的天尺度守時能力。星載氫鐘的小型化、輕量化設(shè)計極大擴展了其空間應(yīng)用領(lǐng)域，瑞士研制的小型化氫鐘質(zhì)量僅為12kg[18]；中國科學(xué)院上海天文臺也研制了質(zhì)量為13.5kg的小型化被動型氫鐘[19]；俄羅斯的Vremya-Ch公司[20]和北京無線電計量測試研究所也正在開展星載小型化氫鐘的研制。

1.1.3 星載銫鐘

根據(jù)1967年第13屆國際計量大會通過的秒定義和1977年國際計量局時間頻率咨詢委員會(Consultative Committee for Time and Frequency，CCTF)增加的秒定義約束條件，原子時1s是指以位于平均海平面上的絕對零度133Cs原子基態(tài)2個超精細能級間在零磁場中躍遷輻射的9192631770個周期所持續(xù)的時間。磁選態(tài)銫鐘使用磁偏轉(zhuǎn)的方式完成量子態(tài)的選擇，光抽運銫鐘使用特定頻率和偏振的激光使原子積聚在基態(tài)某個塞曼子能級上完成量子態(tài)制備；銫原子在真空腔中形成一束銫原子流，自由飛行，與饋入的微波場發(fā)生相干作用，并利用Ramsey分離振蕩場技術(shù)獲得更窄的共振譜線中心線寬。世界上許多計量實驗室，如德國PTB和中國計量科學(xué)研究院，曾使用大型銫束頻標作為頻率基準[21]，當前使用性能優(yōu)異的銫噴泉鐘作為頻率基準。通過小型化設(shè)計，小型密封銫束頻標在世界各地的守時試驗室廣泛使用。在進一步提高其可靠性和壽命后，小銫鐘也已用于星載，GPS和GLONASS衛(wèi)星均使用了磁選態(tài)小銫鐘，GPS Block IIF使用的星載銫鐘穩(wěn)定度達到2×10-11/s、5×10-14/d，質(zhì)量15kg，壽命10年;GLONASS的銫鐘穩(wěn)定度達到2×10-11/s、1×10-13/d，質(zhì)量53kg，壽命3～5年[22]。

我國從20世紀60年代開始磁選態(tài)銫鐘的研制工作，主要研制單位包括北京大學(xué)、蘭州空間技術(shù)物理研究所、北京真空電子技術(shù)研究所和北京無線電計量測試研究所等單位[23-26]。壽命問題一直是國內(nèi)磁選態(tài)銫原子鐘的短板，目前影響國內(nèi)銫束管壽命的主要問題是電子倍增器，倍增器增益會隨工作時間的延續(xù)而下降，其增益衰減的快慢在很大程度上影響了銫束管的壽命。北京大學(xué)創(chuàng)新性地采用存儲泡與光檢測方案代替磁選態(tài)原子檢測，無需采用電子倍增器，因而規(guī)避了電子倍增器壽命問題[23]。蘭州空間技術(shù)物理研究所通過對電子倍增器采用二次敏化技術(shù)，提高了銫束管壽命[27]。2016年，蘭州空間技術(shù)物理研究所啟動了星載磁選態(tài)銫鐘的研制工作，研制出我國首臺星載磁選態(tài)銫鐘，于2019年搭載北斗三號衛(wèi)星發(fā)射升空，在軌頻率穩(wěn)定度達到4.9×10-14/105s[28]。

1.2 時頻生成與保持技術(shù)

時頻生成與保持單元以星載原子鐘信號為參考，采用低噪聲頻率綜合技術(shù)生成導(dǎo)航衛(wèi)星所需時頻基準信號；通過高精度相位測量技術(shù)實現(xiàn)時頻基準信號相位、頻率、頻率漂移率的精密控制和自主故障檢測；完成時頻基準信號的生成分發(fā)、維持傳遞、時間備份與精密恢復(fù)。目前已建成運行的各大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在星上均配置了時頻生成與保持單元。GPS Block IIR衛(wèi)星的時間保持單元(Time Keeping System，TKS)頻率調(diào)整精度為1μHz，相位差測量精度為1.67ns，頻率漂移率調(diào)整精度為2×10-14/d[29]。Galileo衛(wèi)星的時鐘監(jiān)控單元(Clock Monitoring and Control Units，CMCU)頻率調(diào)整精度為0.056μHz，相位差測量精度達到3ps[30]。GLONASS衛(wèi)星配置了星載時頻標準(Spaceborne Time Frequency Standard，STFS)，以完成星上時頻信號的管理[31]。

導(dǎo)航衛(wèi)星時頻生成與保持單元的原理框圖如圖1[32]所示。通過選擇開關(guān)從多臺原子鐘中選擇兩路原子鐘信號，并利用低噪聲頻率綜合技術(shù)生成兩路10.23MHz時頻基準信號，其中一路為主鐘，另一路為熱備鐘。通過在自主故障檢測與恢復(fù)模塊內(nèi)進行高精度相位測量得到兩路信號的相位差，作為遙測信息下發(fā)到地面以對衛(wèi)星鐘進行監(jiān)測，同時可根據(jù)該相位差對熱備鐘進行精密調(diào)控，以實現(xiàn)工作鐘異常時兩路信號間的平穩(wěn)切換，確保衛(wèi)星時頻基準信號的連續(xù)可用。兩路時頻基準信號通過開關(guān)選擇其中一路輸出，鎖定壓控高穩(wěn)晶振，最終獲得低噪聲、高穩(wěn)定、連續(xù)可靠的10.23MHz衛(wèi)星鐘信號。其中，低損傳遞技術(shù)用于確保能夠傳遞星載原子鐘極高的頻率穩(wěn)定度性能；高精度相位計是進行精密時頻信號調(diào)控的基礎(chǔ)；頻率漂移率補償以及平穩(wěn)切換對于衛(wèi)星鐘運行過程中保持連續(xù)可用性非常重要。衛(wèi)星鐘時間與地面系統(tǒng)時間的鐘差主要通過星地雙向微波時間傳遞鏈路進行測量，當星地鐘差偏移達到一定值時，時頻生成與保持單元需要調(diào)整衛(wèi)星鐘時間。

圖1 導(dǎo)航衛(wèi)星時頻生成與保持單元原理框圖

2 星載時頻技術(shù)發(fā)展展望

美國一方面在持續(xù)推進GPS現(xiàn)代化，加速GPS III衛(wèi)星的部署，另一方面正在開展導(dǎo)航技術(shù)演示驗證項目NTS-3，以驗證GPS未來發(fā)展所需的有效載荷關(guān)鍵技術(shù)[33]。歐洲在穩(wěn)步推進第一代Galileo系統(tǒng)建設(shè)的同時，已啟動下一代Galileo系統(tǒng)ADVANTAGE的研發(fā)[34]。俄羅斯已于2020年啟動了GLONASS系統(tǒng)空間星座的全面更新與升級活動，以提升更有競爭力的全球衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)[35]。在中高軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展的同時，近年來基于低軌星座的全球?qū)Ш皆鰪娨渤蔀樾l(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的發(fā)展熱點。美國XONA公司提出了300顆小衛(wèi)星組成的低軌星座用于加速精密定位快速收斂[36]，我國正在發(fā)展的北斗綜合PNT體系也包括了低軌導(dǎo)航增強系統(tǒng)[37]。面向高性能的導(dǎo)航服務(wù)，應(yīng)用于中高軌導(dǎo)航衛(wèi)星的時頻系統(tǒng)的發(fā)展方向是提升長期穩(wěn)定度性能；面向低軌應(yīng)用，則需要在性能和體積、質(zhì)量、功耗以及成本(Size, Weight, Power and Cost，SWaP-C)之間進行折中考慮。衛(wèi)星導(dǎo)航定位精度從當前的米級被提升至分米級甚至厘米級，可滿足自動駕駛、物聯(lián)網(wǎng)與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)等應(yīng)用需求，是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要發(fā)展方向之一。分米級、厘米級定位需要將星地/星間的偽距測量精度分別提升至分米級和厘米級，相應(yīng)地需要將導(dǎo)航衛(wèi)星的守時精度提升至ns和亞ns水平，以及需要同步地提高星地/星間鏈路的測量精度。因此，星載時頻產(chǎn)品性能的提升是改善衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度的重要途徑之一。

2.1 星載原子鐘性能提升及新技術(shù)展望

中高軌導(dǎo)航衛(wèi)星天尺度ns、亞ns守時精度需要配備穩(wěn)定度和漂移率均可達10-15/d、10-16/d水平的星載原子鐘。對于星載應(yīng)用，技術(shù)成熟度和在軌長期工作的穩(wěn)定性、可靠性和長壽命是需要考慮的首要因素。星載銣鐘和星載氫鐘性能指標仍有進一步提升的潛力，在下一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中仍將是優(yōu)選產(chǎn)品。伴隨激光抽運、激光冷卻、射頻及光場囚禁、數(shù)字伺服、低噪聲高穩(wěn)定度頻率合成等新技術(shù)、新方法的運用，正在研制出一批有望應(yīng)用于導(dǎo)航衛(wèi)星的星載原子鐘。

原子的囚禁與操控技術(shù)是原子鐘的核心技術(shù)，決定著原子鐘的穩(wěn)定度、漂移率及準確度指標極限。傳統(tǒng)銣、氫、銫及汞離子鐘分別采用原子泡(銣和氫)、原子束及射頻離子阱技術(shù)，且其鐘躍遷頻率工作在微波段，屬于熱原子/離子微波鐘。通過激光冷卻技術(shù)實現(xiàn)原子的冷卻和囚禁，有助于降低原子鐘熱噪聲從而提高其性能。銫/銣噴泉鐘和積分球冷原子鐘采用激光冷卻技術(shù)，且工作于微波段，屬于冷原子微波鐘。相應(yīng)地，原子鐘按是否采用激光冷卻技術(shù)和鐘躍遷頻段處于微波還是光頻2個維度進行分類，還包含熱原子光鐘和冷原子光鐘。下一代導(dǎo)航衛(wèi)星新型星載鐘應(yīng)兼具穩(wěn)定、可靠和指標提升的要求。

總體上，在下一代導(dǎo)航衛(wèi)星星載鐘配置方面，高性能傳統(tǒng)微波鐘仍然有望繼續(xù)得到廣泛應(yīng)用，冷原子微波鐘和熱原子光鐘指標介于傳統(tǒng)微波鐘與冷原子光鐘之間，且其結(jié)構(gòu)相對于冷原子光鐘更簡單，有望實現(xiàn)推廣和應(yīng)用。冷原子光鐘盡管指標更高，穩(wěn)定度和漂移率可達10-18/d甚至更高水平，但由于結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，在一段時間內(nèi)可能難以實現(xiàn)廣泛的星載應(yīng)用。

2.2 時頻生成與保持技術(shù)展望

隨著更高性能新型原子鐘在未來北斗導(dǎo)航衛(wèi)星上的應(yīng)用，對于衛(wèi)星時頻系統(tǒng)的要求將進一步提升，未來的基準頻率產(chǎn)生與保持單元可采用鐘組管理模式，實現(xiàn)不同類型、不同頻率特性星載鐘性能的最優(yōu)組合，產(chǎn)生兼具長短穩(wěn)性能的衛(wèi)星鐘信號，并實現(xiàn)星座時間的生成、維持以及同步功能。

GPS Block IIIA導(dǎo)航衛(wèi)星擬將單顆衛(wèi)星上的多臺星載鐘組成鐘組運行模式，以生成性能更優(yōu)的時頻基準信號[54]；Galileo導(dǎo)航衛(wèi)星為了提升CMCU輸出信號的性能，計劃將CMCU升級為CMCU+，引入鐘組思想，即4臺星載鐘都工作，通過時間尺度算法綜合產(chǎn)生時頻基準信號[55]；下一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星時頻生成與保持單元也需考慮采用鐘組管理思想,以進一步提升時頻基準信號的頻率穩(wěn)定性、健壯性和連續(xù)可用性。

采用鐘組管理模式可以對未來導(dǎo)航衛(wèi)星時頻系統(tǒng)中時頻基準信號生成與保持技術(shù)的發(fā)展帶來眾多優(yōu)勢。首先，在高精度相位測量的基礎(chǔ)上，通過時間尺度算法實現(xiàn)多臺多種類高性能原子鐘的融合，以輸出性能最優(yōu)的時頻基準信號；其次，鐘組運行過程中，通過不同權(quán)重系數(shù)的動態(tài)調(diào)整以優(yōu)化不同原子鐘在鐘組輸出信號性能表現(xiàn)中所占比重，同時能夠快速實現(xiàn)原子鐘的加入和移除，并保證不影響時頻基準信號的連續(xù)可用；最后，采用全數(shù)字化設(shè)計，通過高精度鑒相技術(shù)和時間尺度算法實現(xiàn)時頻基準信號的生成與保持功能，能夠進一步減少由于器件差異和環(huán)境溫度等變化對時頻基準信號時延穩(wěn)定性的影響。

2.3 星間高精度時頻同步技術(shù)展望

當前各導(dǎo)航系統(tǒng)主要通過星地時間比對將衛(wèi)星鐘的時間溯源至地面站，得到衛(wèi)星鐘與地面系統(tǒng)時間的鐘差信息，并插入到導(dǎo)航電文中。建立和提高星間時頻比對鏈路有助于提升導(dǎo)航衛(wèi)星的精密定軌與時間同步精度以及導(dǎo)航系統(tǒng)的自主運行能力，進而維持和提高PNT精度。高精度的微波雙向星間鏈路已被應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的星地/星間聯(lián)合精密定軌與時頻比對的實驗當中，提高了定軌精度[56-57]。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的進一步發(fā)展，對星座的自主運行能力和PNT精度提出了更高的要求，這就需要衛(wèi)星具有更高的時頻同步能力。近年來，隨著碘分子鐘和銣光鐘等新型原子鐘的持續(xù)發(fā)展，光學(xué)星間鏈路正成為下一代導(dǎo)航系統(tǒng)的研究熱點[58-59]，需要持續(xù)提升星間鏈路的時頻傳遞能力，以便能夠?qū)⒃隅姷膬?yōu)異性能在星間進行傳遞比對，建立高精度天基時空基準。德國宇航中心在Galileo下一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)Kepler項目中計劃采用基于光載高速偽碼的激光雙向時頻傳遞的技術(shù)路線，通過超穩(wěn)激光上搭載的25.55Gchip/s高速偽碼實現(xiàn)幾十飛秒的時間測量精度[60-62]。

高精度激光時頻傳遞技術(shù)需要突破高速時頻信號處理技術(shù)、高精度溫度補償和零值校準技術(shù)；開展超低相噪光生微波技術(shù)研究，探索超高精度的時標產(chǎn)生方法；同時，針對在當前精密定軌條件下星地/星間非對稱傳播時延難以精確修正的問題，研究非對稱傳播時延修正方法及誤差抑制方法，探索低系統(tǒng)約束的高精度空間時頻同步模型。

3 結(jié)論

過去30年，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)經(jīng)歷雙星有源、區(qū)域無源、全球無源，實現(xiàn)從無到有、特色鮮明、先進易用，躋身世界最有競爭力的GNSS行列。高性能、高穩(wěn)健、全國產(chǎn)的衛(wèi)星時頻系統(tǒng)為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的全球時空信息服務(wù)奠定了基礎(chǔ)。GNSS已成為最廣泛應(yīng)用的天基授時系統(tǒng)。目前，GNSS均通過在地面產(chǎn)生、建立系統(tǒng)時間，通過星地、星間測量確定衛(wèi)星軌道和鐘差信息，衛(wèi)星具備一定的時間保持能力；但如果沒有地面站定時上注信息，導(dǎo)航衛(wèi)星時頻系統(tǒng)還難以在周、月及年尺度上具備ns及更高精度的守時能力，從而影響系統(tǒng)定位精度。通過研制新型原子鐘、不斷提升星載原子鐘的性能，建立星間高精度激光時頻傳遞鏈路，有望在未來實現(xiàn)時頻基準的天基化，支撐2035年前建設(shè)和完善更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合PNT體系。