王宏兵，高　揚(yáng)，肖勝紅

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094)

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導(dǎo)航衛(wèi)星主備鐘平穩(wěn)切換性能設(shè)計(jì)分析

王宏兵，高揚(yáng)，肖勝紅

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094)

衛(wèi)星鐘是導(dǎo)航衛(wèi)星的核心設(shè)備，其輸出時(shí)頻信號(hào)的穩(wěn)定是導(dǎo)航衛(wèi)星向用戶(hù)提供連續(xù)穩(wěn)定導(dǎo)航信號(hào)及服務(wù)的基礎(chǔ)，主鐘性能下降或故障迫使系統(tǒng)進(jìn)行原子鐘主備切換時(shí)，由于主備鐘存在的頻率和相位差別，導(dǎo)航信號(hào)將產(chǎn)生跳變，影響衛(wèi)星的服務(wù)性能，目前導(dǎo)航衛(wèi)星多采用主備鐘跟隨及平穩(wěn)切換技術(shù)來(lái)解決主備鐘切換時(shí)的頻率和相位跳變問(wèn)題。針對(duì)主備鐘平穩(wěn)切換與導(dǎo)航服務(wù)性能的關(guān)系以及平穩(wěn)切換指標(biāo)的確定問(wèn)題，介紹了主備鐘平穩(wěn)切換技術(shù)的原理，分析了主備鐘切換的時(shí)機(jī)與策略，從用戶(hù)測(cè)量性能及鐘差預(yù)報(bào)參數(shù)可用性這2個(gè)方面分析了主備鐘平穩(wěn)切換指標(biāo)，并提出了相應(yīng)的指標(biāo)要求。

導(dǎo)航衛(wèi)星；主備鐘；平穩(wěn)切換

0　引言

導(dǎo)航衛(wèi)星原子鐘是導(dǎo)航衛(wèi)星的核心設(shè)備，其主要功能是作為導(dǎo)航衛(wèi)星時(shí)間與頻率信號(hào)的基礎(chǔ)，維持整個(gè)衛(wèi)星的時(shí)間頻率信號(hào)體系，為導(dǎo)航衛(wèi)星上行注入、任務(wù)處理和導(dǎo)航信號(hào)生成等設(shè)備提供時(shí)間頻率信號(hào)。為保證時(shí)間頻率體系的運(yùn)行可靠性，導(dǎo)航衛(wèi)星一般配置3～4臺(tái)原子鐘，多采用主鐘、熱備鐘和冷備鐘的原子鐘配置方案，以GPS為例，GPS衛(wèi)星一般配置4臺(tái)原子鐘，其中1臺(tái)主鐘、1臺(tái)熱備鐘和2臺(tái)冷備鐘。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是一個(gè)要求高可靠性、連續(xù)性和可用性的應(yīng)用系統(tǒng)[1]，為用戶(hù)服務(wù)提供的導(dǎo)航信號(hào)需要很高的連續(xù)穩(wěn)定性要求，需要導(dǎo)航信號(hào)連續(xù)穩(wěn)定播發(fā)的關(guān)鍵是導(dǎo)航衛(wèi)星的連續(xù)不間斷地穩(wěn)定運(yùn)行，其中星載原子鐘作為導(dǎo)航衛(wèi)星的核心關(guān)鍵設(shè)備，其功能缺失或性能下降，都將造成導(dǎo)航衛(wèi)星提供導(dǎo)航信號(hào)的性能下降甚至不可用，影響系統(tǒng)的導(dǎo)航服務(wù)性能[2]。為減小星載原子鐘主備切換時(shí)主備鐘時(shí)頻信號(hào)差異產(chǎn)生的導(dǎo)航信號(hào)相位或頻率跳變，引起衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的相位跳變或中斷，導(dǎo)航衛(wèi)星在主備鐘切換技術(shù)上多采用主備鐘實(shí)時(shí)跟隨及平穩(wěn)切換技術(shù)，通過(guò)對(duì)熱備鐘的頻率駕馭實(shí)現(xiàn)與主鐘頻率和相位關(guān)系的一致性，從而保證主備鐘切換時(shí)時(shí)頻信號(hào)的連續(xù)性，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航衛(wèi)星頻率和時(shí)間基準(zhǔn)的平穩(wěn)切換[3]。

主備鐘平穩(wěn)切換的目標(biāo)是導(dǎo)航信號(hào)的服務(wù)性能不受影響。主備鐘平穩(wěn)切換后，導(dǎo)航信號(hào)頻率、相位的平穩(wěn)程度直接關(guān)系到導(dǎo)航信號(hào)的用戶(hù)機(jī)接收測(cè)量連續(xù)性，同時(shí)切換后的鐘差預(yù)報(bào)參數(shù)可用性也直接影響系統(tǒng)提供定位服務(wù)的性能。主備鐘切換后頻率和相位的跳變與鐘差預(yù)報(bào)參數(shù)的可用性具有直接的關(guān)聯(lián)，由于鐘差預(yù)報(bào)參數(shù)一般為1～2h注入一次，若切換后的頻率與相位一致性較差，在新的鐘差預(yù)報(bào)參數(shù)未播發(fā)之前，用戶(hù)使用原參數(shù)將隨著時(shí)間的推移而精度逐漸降低，直接影響用戶(hù)的定位精度。目前導(dǎo)航衛(wèi)星主備鐘平穩(wěn)切換技術(shù)已有較多技術(shù)研究，但缺乏平穩(wěn)切換的指標(biāo)要求的需求分析及論證，平穩(wěn)切換的指標(biāo)實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)服務(wù)及用戶(hù)使用需求未緊密關(guān)聯(lián)，不利于對(duì)平穩(wěn)切換指標(biāo)要求具體實(shí)現(xiàn)進(jìn)行指導(dǎo)和約束。本文從主備鐘平穩(wěn)切換用戶(hù)終端信號(hào)接收性能及衛(wèi)星鐘差預(yù)報(bào)參數(shù)使用性能2個(gè)方面對(duì)主備鐘平穩(wěn)切換指標(biāo)進(jìn)行了分析論證，給出了頻率、相位和切換時(shí)間等切換指標(biāo)約束及對(duì)系統(tǒng)服務(wù)性能的影響。

1　主備星鐘平穩(wěn)切換跟隨技術(shù)

導(dǎo)航衛(wèi)星上的星載原子鐘主要包括銣鐘、銫鐘和氫鐘，導(dǎo)航衛(wèi)星一般設(shè)計(jì)壽命為8～10年，在軌運(yùn)行時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)12年，考慮到星載原子鐘可靠性及壽命末期性能下降的因素，導(dǎo)航衛(wèi)星通常配置3～4臺(tái)原子鐘，以保證衛(wèi)星時(shí)間頻率信號(hào)的穩(wěn)定連續(xù)性。GPS系統(tǒng)的BlockⅡ A衛(wèi)星上搭載4臺(tái)原子鐘(2臺(tái)銣鐘和2臺(tái)銫鐘)，BlockⅡ R衛(wèi)星上搭載了3臺(tái)銣鐘。Galileo衛(wèi)星上搭載了3臺(tái)原子鐘(2臺(tái)銣鐘和1臺(tái)氫鐘)。北斗衛(wèi)星上搭載了4臺(tái)銣鐘。導(dǎo)航衛(wèi)星上配置的原子鐘，無(wú)論數(shù)量多少，均按照主鐘、熱備鐘和冷備鐘進(jìn)行配置，區(qū)別僅在于冷備鐘的數(shù)量。導(dǎo)航衛(wèi)星鐘組基本框圖如圖1所示。

圖1　導(dǎo)航衛(wèi)星鐘組基本組成

導(dǎo)航衛(wèi)星主備鐘經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)選擇與頻率綜合產(chǎn)生主備2路10.23MHz基準(zhǔn)頻率信號(hào)，再通過(guò)切換開(kāi)關(guān)選擇主路10.23MHz基準(zhǔn)頻率信號(hào)輸出，產(chǎn)生導(dǎo)航衛(wèi)星所需的各頻率信號(hào)。

導(dǎo)航衛(wèi)星主備鐘產(chǎn)生的2路10.23MHz基準(zhǔn)頻率信號(hào)，通過(guò)實(shí)時(shí)相位比對(duì)測(cè)量得到2路信號(hào)的相位及頻率偏差量，通過(guò)對(duì)備鐘進(jìn)行相位調(diào)整及頻率駕馭，做到備鐘對(duì)主鐘時(shí)頻信號(hào)的實(shí)時(shí)跟隨[4,5]。導(dǎo)航衛(wèi)星主備10.23MHz基準(zhǔn)頻率信號(hào)實(shí)時(shí)比對(duì)框圖如圖2所示。

圖2　導(dǎo)航衛(wèi)星主備10.23MHz基準(zhǔn)頻率信號(hào)實(shí)時(shí)比對(duì)

導(dǎo)航衛(wèi)星通過(guò)主備10.23MHz基準(zhǔn)頻率信號(hào)的實(shí)時(shí)相位與頻率測(cè)量，獲取熱備鐘與主鐘的相位與頻率差，當(dāng)檢測(cè)到主備鐘頻率與相位超出平穩(wěn)切換要求門(mén)限時(shí)，備鐘控制信號(hào)對(duì)備鐘進(jìn)行相位及頻率調(diào)整，使熱備鐘與主鐘的相位與頻率始終保持較高的一致性，實(shí)現(xiàn)熱備鐘接替主鐘運(yùn)行時(shí)，10.23MHz時(shí)頻基準(zhǔn)信號(hào)的一致性與連續(xù)性。

2　星鐘平穩(wěn)切換時(shí)機(jī)與目標(biāo)

導(dǎo)航衛(wèi)星主備鐘切換包括地面指令切換和衛(wèi)星自主切換。地面指令切換是指由地面控制中心向衛(wèi)星發(fā)主備鐘切換指令進(jìn)行的主備鐘切換，屬于有計(jì)劃的衛(wèi)星鐘切換，主要發(fā)生在衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)主鐘出現(xiàn)或可能出現(xiàn)性能下降，影響用戶(hù)服務(wù)性能時(shí)。自主切換是指在衛(wèi)星鐘自主性能監(jiān)測(cè)及自主切換狀態(tài)下，衛(wèi)星主鐘出現(xiàn)頻率、相位突跳或時(shí)頻信號(hào)中斷等異常時(shí)，衛(wèi)星自主進(jìn)行的主備鐘切換，屬于緊急狀態(tài)下的應(yīng)急切換。

主備鐘地面指令切換的時(shí)機(jī)由地面控制中心通過(guò)對(duì)衛(wèi)星鐘性能監(jiān)測(cè)評(píng)估及系統(tǒng)服務(wù)性能監(jiān)測(cè)情況確定，當(dāng)監(jiān)測(cè)到主鐘漂移率、穩(wěn)定度等性能下降，指標(biāo)超標(biāo)，或監(jiān)測(cè)到衛(wèi)星鐘性能存在下降趨勢(shì)時(shí)，地面控制中心實(shí)施主備鐘指令切換。主備鐘自主切換的時(shí)機(jī)由衛(wèi)星自身通過(guò)對(duì)時(shí)頻信號(hào)的監(jiān)測(cè)確定，衛(wèi)星對(duì)星上時(shí)頻基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，當(dāng)監(jiān)測(cè)到時(shí)頻信號(hào)出現(xiàn)相位跳變或頻率跳變時(shí)，若跳變量超過(guò)衛(wèi)星設(shè)置的星鐘切換門(mén)限值，則主動(dòng)將工作鐘由主鐘切換至熱備鐘。

星鐘進(jìn)行主備切換時(shí)，因2臺(tái)鐘之間的差異，必然會(huì)出現(xiàn)頻率與相位的跳變，星鐘平穩(wěn)切換的目標(biāo)就是要控制相位與頻率跳變的變化量，使其不影響衛(wèi)星的正常運(yùn)行和導(dǎo)航信號(hào)的服務(wù)性能，做到衛(wèi)星上行注入與下行導(dǎo)航信號(hào)不中斷，同時(shí)導(dǎo)航電文中播發(fā)的星鐘預(yù)報(bào)參數(shù)具有繼續(xù)使用的效能。

3　平穩(wěn)切換頻率與相位一致性要求分析

主備鐘平穩(wěn)切換的目標(biāo)是進(jìn)行主備切換前后，導(dǎo)航信號(hào)的服務(wù)性能不受影響，可保持服務(wù)性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。頻率、相位是時(shí)頻信號(hào)的基本特征，對(duì)于主備鐘平穩(wěn)切換而言，就是需要實(shí)現(xiàn)時(shí)頻信號(hào)頻率與相位在切換前后盡量保持一致，既不出現(xiàn)信號(hào)中斷和服務(wù)中斷問(wèn)題，也要保證用戶(hù)繼續(xù)使用衛(wèi)星播發(fā)的星鐘預(yù)報(bào)參數(shù)。因此，主備鐘切換后頻率和相位一致性指標(biāo)要求由兩方面因素制約：① 用戶(hù)進(jìn)行導(dǎo)航信號(hào)測(cè)量的連續(xù)性；② 用系統(tǒng)鐘差預(yù)報(bào)參數(shù)的可用性。

3.1用戶(hù)測(cè)量連續(xù)性分析

用戶(hù)測(cè)量連續(xù)性含義是指在衛(wèi)星鐘主備切換過(guò)程中，接收機(jī)不發(fā)生碼環(huán)、載波環(huán)的失鎖或載波環(huán)跳周現(xiàn)象。這里，由于載波環(huán)跳周的要求最為苛刻，因此，以不發(fā)生跳周為分析基礎(chǔ)。

載波環(huán)不發(fā)生跳周，即鐘切換前后的載波相位跳變?cè)诮邮諜C(jī)鑒相器可牽引的范圍內(nèi)。按照目前常見(jiàn)的鑒相方法，載波鎖相環(huán)牽引范圍約為60°～90°，此處以60°即1/6個(gè)載波波長(zhǎng)計(jì)算[6]。在北斗所有下行導(dǎo)航信號(hào)中，載波波長(zhǎng)最短為Bs頻點(diǎn)，約為12cm。因此，切換前后相位跳變值應(yīng)小于2cm，折算為時(shí)間跳變?yōu)?.067ns。

3.2鐘差預(yù)報(bào)參數(shù)可用性分析

衛(wèi)星鐘主備切換后，在地面控制中心上注新的鐘差預(yù)報(bào)參數(shù)前，用戶(hù)會(huì)繼續(xù)沿用切換前衛(wèi)星播發(fā)的鐘差預(yù)報(bào)參數(shù)，因更換備鐘產(chǎn)生的新的鐘差變化與未更新的鐘差預(yù)報(bào)參數(shù)的符合性，即原鐘差預(yù)報(bào)參數(shù)的可用性直接影響用戶(hù)的服務(wù)性能。導(dǎo)航衛(wèi)星鐘差預(yù)報(bào)參數(shù)包括時(shí)鐘數(shù)據(jù)齡期IODC、星鐘參考時(shí)刻toc、衛(wèi)星時(shí)間偏差a0、衛(wèi)星頻偏a1和衛(wèi)星頻漂a2。用戶(hù)機(jī)用戶(hù)可通過(guò)下式計(jì)算出信號(hào)發(fā)射時(shí)刻的系統(tǒng)時(shí)間[7]：

t=tsv-Δtsv，

Δtsv=a0+a1(t-toc)+a2(t-toc)2+Δtr。

式中，t為信號(hào)發(fā)射時(shí)刻的系統(tǒng)時(shí)間；tsv為信息發(fā)送時(shí)刻衛(wèi)星測(cè)距碼相位時(shí)間；Δtsv為衛(wèi)星測(cè)距碼相位時(shí)間偏差；Δtr是相對(duì)論校正項(xiàng)。

衛(wèi)星鐘完成主備切換后，地面控制中心需重新進(jìn)行星鐘預(yù)報(bào)參數(shù)的計(jì)算，并向衛(wèi)星注入，通常情況下，1h內(nèi)可完成新的鐘差預(yù)報(bào)參數(shù)的注入，因此原鐘差預(yù)報(bào)參數(shù)將繼續(xù)使用1h，新的鐘差預(yù)報(bào)參數(shù)將進(jìn)行更新。

主備鐘切換后，a0的誤差由主備鐘切換產(chǎn)生的相位跳變決定，a1的誤差由主備鐘切換產(chǎn)生的頻率跳變決定，a2的誤差由主備鐘自身的頻率漂移率特性決定，當(dāng)漂移率指標(biāo)優(yōu)于1×10-13/天時(shí)，衛(wèi)星主備鐘切換對(duì)a2影響可以忽略。因此主備鐘平穩(wěn)切換的頻率與相位一致性要求直接決定了a0和a1的可用性。

假設(shè)主備鐘切換后，時(shí)頻信號(hào)相位跳變量為γ(ns)，頻率跳變量為λ，則時(shí)間t(s)后，因主備切換引起的鐘差預(yù)報(bào)參數(shù)誤差量為：

τ=γ+λ×t×10+9。

地面控制中心在衛(wèi)星主備鐘切換后，可實(shí)施鐘差預(yù)報(bào)快速處理機(jī)制，通常1～2h即可完成新的參數(shù)的預(yù)報(bào)及注入，用戶(hù)即可使用新的鐘差參數(shù)。不同的相位跳變量為γ和頻率跳變量為λ，經(jīng)過(guò)1h對(duì)應(yīng)的鐘差預(yù)報(bào)參數(shù)誤差如表1所示。

表1　主備鐘跳變量引起的鐘差預(yù)報(bào)參數(shù)誤差(1h)

若要求主備鐘平穩(wěn)切換后，1h內(nèi)因鐘差引起的用戶(hù)服務(wù)性能下降不超過(guò)0.3 m(0.9ns)，則對(duì)應(yīng)的對(duì)衛(wèi)星相位跳變?chǔ)煤皖l率跳變量為λ，如表2所示。

表2　鐘差參數(shù)誤差0.3 m對(duì)應(yīng)的相位與頻率跳變量

從表2可以看出，主備鐘平穩(wěn)切換相位跳變控制應(yīng)在0.1ns，頻率跳變應(yīng)實(shí)現(xiàn)10-13量級(jí)。

導(dǎo)航衛(wèi)星采用數(shù)字鎖相環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)原子鐘鎖定高穩(wěn)定度的晶振技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫平穩(wěn)切換，主備鐘切換時(shí)，在丟失參考的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，利用鎖相環(huán)的保持采樣技術(shù)保持受控晶振的壓控電壓不變，這樣在主備鐘切換時(shí)受控晶體振蕩器的輸出頻率的準(zhǔn)確度和相位保持不變，從而達(dá)到主備鐘平穩(wěn)切換的目的。數(shù)字鎖相環(huán)高穩(wěn)晶振實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示。

圖3　數(shù)字鎖相環(huán)高穩(wěn)晶振框圖

采用原子鐘鎖定高穩(wěn)晶振的平穩(wěn)切換技術(shù)后，可實(shí)現(xiàn)10.23MHz基準(zhǔn)頻率信號(hào)相位跳變小于0.1ns。通過(guò)衛(wèi)星上高精度的主備鐘相位比對(duì)設(shè)備可以得到相位比對(duì)數(shù)據(jù)，進(jìn)而可以解算出主備原子鐘的頻率準(zhǔn)確度，通過(guò)對(duì)星鐘頻率調(diào)整，在鐘可實(shí)現(xiàn)頻率跳變控制在1×10-13量級(jí)。

4　平穩(wěn)切換時(shí)間要求分析

主備鐘平穩(wěn)切換時(shí)間指標(biāo)是指主備鐘切換時(shí)備鐘信號(hào)接替主鐘信號(hào)過(guò)程引起的信號(hào)中斷時(shí)間。信號(hào)中斷一段時(shí)間可能引起接收機(jī)跟蹤狀態(tài)的瞬時(shí)抖動(dòng)或者完全失鎖，因此，約束切換時(shí)間指標(biāo)應(yīng)以接收機(jī)不失鎖或不抖動(dòng)為基礎(chǔ)[8-9]。

要求信號(hào)中斷不引起接收機(jī)失鎖，可以等效于中斷時(shí)間不能覆蓋接收機(jī)環(huán)路的多個(gè)更新周期。這里，保守起見(jiàn)，應(yīng)約束信號(hào)中斷時(shí)間不大于環(huán)路的一次更新時(shí)間，即一個(gè)更新周期。

各類(lèi)導(dǎo)航接收機(jī)所采用的環(huán)路更新時(shí)間(即相干積分時(shí)間)有較大差異，但目前最小更新時(shí)間一般按照1ms進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此，平穩(wěn)切換時(shí)間應(yīng)約束為小于1ms。

5　結(jié)束語(yǔ)

導(dǎo)航衛(wèi)星主備鐘平穩(wěn)切換技術(shù)可以保證在衛(wèi)星鐘切換后導(dǎo)航衛(wèi)星仍然可用，服務(wù)性能滿(mǎn)足用戶(hù)使用性能，因此對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)保證服務(wù)可用性與連續(xù)性具有重要的意義。從本文分析情況看，導(dǎo)航衛(wèi)星主備切換性能確定在綜合考慮了系統(tǒng)鐘差預(yù)報(bào)精度誤差、用戶(hù)測(cè)量連續(xù)性和衛(wèi)星時(shí)頻保持技術(shù)可行性等因素后，衛(wèi)星鐘主備切換性能可按照保證鐘差預(yù)報(bào)精度引入誤差小于0.3m進(jìn)行約束，即滿(mǎn)足系統(tǒng)服務(wù)性能要求，也具有較強(qiáng)的工程可實(shí)現(xiàn)性。

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王宏兵男，(1977—)，碩士，副研究員。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航總體及測(cè)試技術(shù)。

高揚(yáng)男，(1984—)，博士，助理研究員。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航。

The Analysis of Smooth Switching between Primary and Backup Atomic Clocks on Navigation Satellite

WANG Hong-bing，GAO Yang，XIAO Sheng-hong

(BeijingSatelliteNavigationCenter,Beijing100094，China)

The atomic clock is the core equipment of the navigation satellite,responsible for maintaining the frequency and time signal,the stability of the frequency and time signal is the basis for providing continuous and stable navigation signal and service.The atomic clock will be forced to perform switching between primary and backup,due to the frequency and phase difference,the navigation signal cannot continue to be used.The technology of smooth switching between primary and backup atomic clocks on the navigation satellite is used to solve the problem,which ensures the continuity of the navigation signal and the availability of the navigation message.Therefore,the relationship between the switching between primary and backup and the service performance is an urgent problem to solve.This paper introduces the technology theory of the switching,analyzes the timing and strategy of switching,analyzes and gives the performance index of the switching between primary and backup.

navigation satellite;primary and backup atomic clocks;smooth switching

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.09.20

2016-05-30

P228

A

1003-3106(2016)09-0076-04

引用格式：王宏兵,高揚(yáng),肖勝紅.導(dǎo)航衛(wèi)星主備鐘平穩(wěn)切換性能設(shè)計(jì)分析[J].無(wú)線(xiàn)電工程,2016,46(9):76-79.