李 炫

(中國空間技術研究院西安分院，西安710000)

0 引言

北斗系統(tǒng)是重要的空間基礎設施，對國家安全、人民生命財產(chǎn)安全都有著非常重要的戰(zhàn)略意義。從2012年12月底北斗區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)組網(wǎng)成功,到2020年6月底國家宣布北斗全球組網(wǎng)成功，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)從區(qū)域走向了全球服務。在原子鐘配置上北斗全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)在繼承北斗區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)，每顆星均配置4個高性能的原子鐘，包括氫鐘、銣鐘，其中一臺作為頻率源，為整星提供高性能的時間服務，一臺作為熱備份且隨時準備作為主鐘的替換，另外兩臺作為冷備份備用。

衛(wèi)星鐘的性能直接影響星上有效載荷的運行、導航定位、授時等服務精度[1-6]。衛(wèi)星在地面測試完成，隨整星發(fā)射入軌后，性能可能會受空間環(huán)境影響發(fā)生變化。在星載原子鐘提供服務后，地面用戶可使用多種方式對星載原子鐘的綜合性能進行評估，原子鐘的性能重要性使得這個問題成為了很多地面用戶關心的問題之一[7-10]。

基于銫原子鐘在地面使用性能也較好的情況下[11-12]，北斗某星首次配置銫鐘在軌作為熱備鐘使用，主鐘為氫鐘。文章通過對主備鐘相差測量的數(shù)據(jù)，對星載銫鐘的頻率性能做出評估。結果分析表明銫鐘在軌后頻率準確度、10 s以上的頻率穩(wěn)定度、頻率漂移率等性能與地面測試結果一致性較高，相差測量數(shù)據(jù)分析備份銫鐘性能方法可行，且可信度很高。

1 星載銫鐘性能評估方法

原子鐘的性能評估一般使用頻率準確度、頻率穩(wěn)定度、頻率漂移率來衡量。頻率準確度是輸出頻率與標準頻率的相對偏差；頻率穩(wěn)定度是指輸出頻率相對標準頻率的方差(一般用Allan方差或者Hadamard方差表征)；頻率漂移率是指輸出頻率相對于標準頻率每天的偏差量[13-14]。而相位測量是通過對兩個輸出頻率做一個時間域的相位差測量[15-17]，在軌后容易通過相位差測量值對原子鐘性能進行評估。

北斗某星上使用氫鐘作為主鐘，銫鐘作為熱備鐘，通過基準頻率合成器生成衛(wèi)星使用的10.23 MHz的標準頻率源。將主、備路10.23 MHz信號分別與公共晶振輸出10.229 MHz信號混頻產(chǎn)生主、備路1 kHz信號，經(jīng)低通濾波、放大、過零檢測、整形形成拍頻1 kHz的TTL信號送到控制管理單元電路，然后用采樣鐘對兩個1 kHz信號進行計數(shù)，獲得兩路信號之間的相位差。這個相位差是10.23 MHz頻率信號一個周期內(nèi)的變化值，范圍是[0，97.75 ns]，其中比相儀的頻率分辨率為1.5 ps。測量原理如圖 1所示。

圖1 主備份鐘相差測量原理框圖Fig.1 The phase difference per second between main and backup clock measuring principle

采用衛(wèi)星鐘相差測量，其相對頻差的計算公式為：

(1)

式(1)中：f0為10.23 MHz;

fd為1 kHz;

τ為采樣時間;

Δx為累計相位時間差。

從式(1)可知，采樣時間越長，測頻精度越高，實踐中比相儀用于測1 000 s以上銣原子頻標長期穩(wěn)定度。且測頻精度也與時差分層有關，最大時差97.75 ns，比相儀相位分辨率約為1.592 4 ps，頻率準確度測量分辨率與采樣時間的關系如表 1所列。

表1 頻率準確度測量分辨率與采樣時間對應關系表

結合表2 銫鐘地面測試的頻率穩(wěn)定度結果可知，使用相差測試數(shù)據(jù)采樣時間在10 s以上都可以滿足這種關系，評估的銫鐘10 s以上的頻率穩(wěn)定度結果可信。

表2 星載銫鐘頻率穩(wěn)定度

通過對相差測量量進行分析可得到主備鐘相對的穩(wěn)定度、準確度以及漂移率等性能數(shù)據(jù)。測量精度高、測量方法可信。

2 星載銫鐘相差數(shù)據(jù)分析與結果

北斗某導航衛(wèi)星使用銫鐘作為熱備鐘，氫鐘作為主鐘，分析2019年12月6日至2020年5月17日的主備鐘相差數(shù)據(jù)，對銫鐘備鐘的頻率特性進行評估。期間由于在軌數(shù)據(jù)的不連續(xù)性，去掉了數(shù)據(jù)不完整的11個小段。

實際處理數(shù)據(jù)時，使用Stable32軟件，將相差數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為頻差數(shù)據(jù)，并去掉野值后，頻差數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 主備鐘(互比)頻差數(shù)據(jù)Fig.2 Frequency difference data of main and stand-by clocks (mutual comparison)

由于數(shù)據(jù)量較大，計算穩(wěn)定度時使用了10次平均，原始數(shù)值得到的頻率特性評估數(shù)據(jù)如表3所列。

表3 原始評估數(shù)據(jù)

由于工作中氫鐘的穩(wěn)定度優(yōu)于銫鐘的3倍，可以認為主備鐘相差穩(wěn)定度指標評估數(shù)據(jù)就是銫鐘的頻率穩(wěn)定度。

銫鐘地面測試結果和評估結果對比分析如表4所列。地面測試結果與在軌穩(wěn)定性評估曲線如圖3所示。

表4 評估數(shù)據(jù)與地面測試數(shù)據(jù)對比表

圖3 地面測試結果與在軌后穩(wěn)定性評估曲線圖Fig.3 Ground test results and on orbit stability evaluation curve

從上述圖表可以看出，銫鐘在軌后通過相差數(shù)據(jù)評估得到的頻率準確度、穩(wěn)定度與地面真空下測試結果基本一致，漂移率相對主鐘的結果也非常合適，符合地面預期，可以作為星載原子鐘使用。

3 結論

星載銫鐘在軌工作，開機作為熱備份鐘使用，相差測量值對于頻率特性的評估是目前可獲得的唯一原始數(shù)據(jù)源。評估結果顯示：銫鐘準確度可達10-12量級，天穩(wěn)達到大系數(shù)的10-14量級，漂移率在10-16量級。使用相差測量法對銫鐘的頻率特性進行估計，評估數(shù)據(jù)與地面測試結果基本一致，評估方法可信。從星載銫鐘地面測試數(shù)據(jù)與在軌后的數(shù)據(jù)對比可以看出，國內(nèi)星載銫鐘的頻率特性表現(xiàn)優(yōu)異，具備在航天器上使用的條件。