2023年11月30日发(作者:)

2013年2月

第33卷第1期

宇航计测技术

Journal of Astonautc Metrology and Measurement

Feb.,2013

V0l_33.No.1

文章编号:1000—7202(2013)O1—0015—08 中图分类号:P127.1

文献标识码:A

卫星双向时间频率传递校准技术综述

张升康 王学运 王宏博 , 杨 军

(1.北京无线电计量测试研究所,北京100039;

2.计量校准技术国防科技重点实验室,北京100039)

摘 要 卫星双向时间频率传递技术是高精度时间频率远程比对的基本手段,其时间比对A类标准不确定

度优于0.Ins,B类标准不确定度主要取决于系统的校准。本文简述了卫星双向时间频率传递的基本理论,着重说

明各种卫星双向时间频率传递系统校准方法和硬件实现,对各种校准技术进行评述和比较,总结并展望了校准技

术发展的方向。

关键词 卫星双向时间频率传递延迟校准卫星模拟器

Review of Calibration Techniques for Two Way Satelte

Time and Frequency Transfer System

ZHANG Sheng.kang WANG Xue.yun WANG Hong—bo ’ YANG Jun '

(1.Beng nsutof Meology and Measurement,Being 100039;

2.Science and Technology on Meolog and Calbraton Laboraory,Being 100039)

Abstract Two way satele tme and ̄equency transfer echnique is a fundamental means of high

precie tme and fequency comparson,wih which A type uncerainty i about 0.1 nsn tme compar

son.The B type uncertainty is mainly reles on the system calbraton.In this arcle,the prncipals of

wo way satele tme and ̄equency transerrsy review.Then varous exiting techniques and de—

vices for TWSTFTr calbraton are presented in detai.Thei perormances and charactercse con—

pared and reviewed.Te development ofe calbraton i concluded and the future tend i discussed.

Key words Two Way Satellite Time Frequency Transfer Delay calibration Satellite simulator

引 言

高精度时间同步在时间计量、卫星导航、通信雷

达及航天测控等领域有着重要的应用价值,卫星双

向时间频率传递(Two Way SatTime Frquency

Transr,TⅣSTFr)技术是实现高精度远程时间的传

递的重要手段之一,与传统的GPS共视时间比对法

欧美等国的多个时间计量实验室建立了卫星双向时

间传递链路,东亚地区以NICT为中心也建立了卫

星双向时间比对网,实现各个实验室之间原子时互

比 。唧sTF1'的地球站一方面将本地的1PPS

(Pul Per Second)信号和时戳等信息调制到中频,

然后再上变频、放大、发射至卫星;另一方面接收解

调来自卫星转发器所转发过来其它地球站的时间信

息 。在双向时间传递过程中,由于链路的近似对

相比,卫星双向法时间传递的精度要高得多。目前,

宇航计测技术

称性,地球站之间的传输延迟绝大部分被抵消了,剩

余的误差中,地球站信号传输延迟及其随温度变化

是目前TwsTFT链路的最主要误差源 ,对地球站

设备延迟进行精确的测量与校准,是进一步挖掘

sT兀、技术潜力,实现亚纳秒甚至更高精度时间

同步的关键,T.E.Parker等 人的分析表明,在精

确完成TwsTFT设备延迟校准和精确分析整个链路 将对各种校准方法的原理、性能及其有缺点进行说

各部发误差的基础上,实现10ps量级时间同步是有

可能的。本文简述了卫星双向时间频率传递的基本

理论,着重说明各种卫星双向时间频率传递系统校

准方法和硬件实现,对各种校准技术进行评述和比 地球站设备延迟的方法,它接收地球站发射出的频

较,总结并展望了校准技术发展的方向。

2卫星双向时间频率传递系统校准方法

在TwsTFT系统中,地球站之间互相发送时间

信息,并解调出对方发送来的时间,若忽略信号正反

向传输过程中,空间链路、卫星转发器、Sagnac效应

等因素,可得两时间站A、B的钟差△ 为

AT=2(arA—ATB)+

÷[(T:~ :)一()] (1)

式中:△TA,△TB——分别为A、B两站时间间隔计

数器的测量值; :,f:——分别为A站发射通道、

接收通道信号传输延迟;T:, ——分别为B站

发射通道、接收通道信号传输延迟。

在目前的TⅣsT兀、系统中,正向与反向链路一

般采用同一卫星转发器,其引入的正反向延迟误差

非常小,可以忽略不计;空间链路误差主要来源于电

离层电子浓度在A、B站分布的非对称性:根据IGS

发布的全球电离层电子浓度分布图,可以将电离层

的影响极大地减小;Sagnac效应也可以根据卫星的 时,可以将发射电缆与参考电缆的连接互换。然而

位置和两站的地理坐标精确地计算出来;相比较而 在实际应用中,一级混频器产生的.厂d 信号电平太

言,卫星地球站硬件设备传输延迟的非对称构成了 低,无法激励主混频器工作,需要对输出的.厂d 信号

TwSTF1系统的最主要误差源,对其进行精确的校

准是必不可少的。G.de ong 最先开展了 rwsT. 式,采用如图1(b)所示的串联方式来实现。虽然采

兀’系统校准的研究,提出了采用卫星模拟器法对地

球站延迟进行校准的方法,并研制出一套地球站延

迟自动测量设备 J。建立一个可携带或运输的参

考地球站,分别对两时间比对站进行延迟测量,获得

两比对站设备延迟的差值来进行链路延迟补偿也是 成器将70MHz与( 一7O)MHz信号线性叠加,再通

种常用的校准方法 ],该方法要求移动参考

站设备的信号传输延迟应尽量稳定。此外,

NIST 一11]与NICTl 2]也开发了专用的TwSTFT地

球站校准设备,它们采用相近的方法,通过将地球站

发射通道馈线输出信号耦合至校准设备来测量发射

通道的传输延迟,通过将校准设备产生的信号馈入

地球站接收通道来测量接收通道的产生延迟。下文

明。

2.1卫星模拟器法

卫星模拟器法是最早提出的用于测量TwSTFT

率为14GHz左右的上行微波信号,并将信号下变频

至12GHz左右后发送出去。地球站接收来自卫星

模拟器发射的信号,经过放大与下变频处理后,输入

至时间传递调制解调器。根据卫星模拟器法的基本

原理,G.de Jong 'J.Achkar和P.MerckI卜 等

先后提出了两地球站设备信号传输延迟的具体测量

方案,两种方案的设计思路基本相同,只是在具体实

现上存在差异。

G.de Jong延迟测量设备包含天线与变频模

块,室外单元与室内单元,以及参考电缆、转换开关

等。天线与变频单元是整个设备的核心,它有一对

收发天线,用于接收TWSTFT地面站发射来上行微

波信号和发射下行频率信号,收发天线采用正交极

化隔离,天线之间为变频部件,它将接收到的频率为

信号下变频为中心频率为 的信号,并由发射天

线发射给TⅣsT丌地面站。信号中心频率向下搬移

该频率为双向对时卫星的本振频率。变频部件

的本振并非直接输入频率为 的正弦信号,而是输

入频率分别为70MHz和( 一70)MHz的两路正弦

信号,经一级混频产生. 后再输入至主混频器,如

图1(a)所示,这样设计的目的是在进行延迟测量

进行放大,为此,可改变两个混频器之间的连接方

用双混频器串联连接方式可是使卫星模拟器正常工

作,但是它使得70MHz信号在收发天线之间的路径

不对称,且所得的最终信号有较大的混频损耗。为

此,deong改进了模拟器的设计,采用一功率合

过混频器后同样可以产生所要求的信号,而且能够

第1期 卫星双向时间频率传递校准技术综述

保证卫星模拟器信号传输路径的对称性。延迟测量

设备的室外单元主要包含一本地振荡器和多个射频 来产生70MHz的正弦信号,还有两个射频开关以辅

切换开关,本振用于给卫星模拟器提供( -70)MHz

正弦信号,射频开关则用于在不同电缆接口之间进 显示与控制模块,实现对链路测量模式、射频开关、

行切换,形成各种测量环路,以便于解算各段路径的 信号频率的控制与显示。

信号传输延迟。室内单元包含一个本地振荡器,用

助路径切换,室内单元还包含整个延迟钡0量设备的

b)

图1 卫星模拟器频率变换部件框图

、—一

表1 SATSIM工作模式

RX12.50IIz

频与放大设备

—、-l40GI

【天线与变频] 一一

D t:

△_

B。

阱 。

●10MI4 R TX-

__L振荡器J 25dB…+1dB 功率合成器

: 墅L ::: —=:=

27BmJ

塑巴●

 ̄-

早兀

7-10dB

表1中, 一 为发射电缆传输延迟; … 。

示与

.. x时间传递 R

调制解调器

为接收电缆传输延迟; … 。为参考电缆传输延

迟; 为一由延迟测量室外单元输出至测量

天线电缆的延迟; FmmA卅为由测量天线输出至延

图2 SATSIM卫星模拟器校准框图

迟测量室外单元电缆的延迟;TR 为由测量天

依据G deng的方案设计,TimeTech公司开

线至TⅣ接收机前端的延迟,包括空间传输延迟、

发出了哪STFT地面站延迟测量的商业化设备

线与馈线延迟; 为由Tw发射天线至延迟

迟;7地面站下变频单元的传输延迟;

。 。

SATSIM,sTFr链路中应用广泛。该设备内部

结构框图与连线如图2所示,共有7种测量模式,

测量天线的延迟,包括天线馈线延迟与空间传输延

为Tw地面站上变频单元的传输延迟。

通过各个射频开关之间的切换,实现对地球站各组

件传输延迟的联合解算,7种工作模式及其开关状 根据不同模式下的测量结果,可以计算出参考

态见表1。

电缆延迟为

第1期 卫星双向时间频率传递校准技术综述 ・19・

x— Rx:TT—TR+△f (9) 2.4 OP延迟测量设备

式中:△f——发射校准通道与接收校准通道的延

P.Merck与J.Achkar_n1 3开发了一套TwsT.

迟差。

Ff地球站延迟的校准设备,该设备也是基于卫星卫

星模拟器的原理,通过接收地球站发射的测距信号

来测量地球站发射通道延迟,通过发射测距信号馈

入至地球站接收通道来测量接收通道延迟,其延迟

测量原理如图6所示,设备包含双极化收发天线、

地频率综合器与混频器等设备。地球站延迟测量分

两步完成,首先测量发射通道的延迟,此时,信号由

调制解调器的输出端口发出,经地球站发送通道,测

量系统天线接收到上行的测距信号后,将信号下变

频至中频70MHz,并接人至调制解调器的接收端

口,进而测量出整个环路的延迟量,其信号的传输路

径如图6(a)中的粗线所示,外部时间间隔计数器给

出延迟测量值为

=f Tx+CalTx (10)

式中:fh——地球站发射通道延迟;Calh——射校

准通道延迟。

其中

TTx=d肿dTx+di1+do4+d 。+dc2+ds

图5 NICT地球站延迟测量设备原理框图

CALTI=dtl+d。 +dRl+d l+d。5+di4+

dmi +di3+d +di2+dm。mR

图6 巴黎天文台Tw地球站延迟校准设备工作原理图

20・ 宇航计测技术

其次,是进行地球站接收通道延迟的测量,此时

信号传输路径如图6(b)粗线所示,此时Modem发

出的70MHz中频信号将输入至测量设备,并经上变

频至12.07GHz后,由双极化天线发射,馈入至地球

站的接收通道,经Modem解调后测量出路径的延迟

AtR = rRx+CalRx (11)

校准通道延迟。

下变频器

上/下

变频器

上变频器

二匠

TxCal

调制

解调器 调制解调器

RxCal

式中:fnx——地球站接收通道延迟;Calm——接收

其中

I'Rx=d 。 。R +d 1+dd。w +d 3+di2+dm。d。mR

CALRx=dmoaemh+di1+dc6+d t3+dmi也+di 4+

dn+da2+d +d 。 Tx+dt

调制解调器

——厂

时间间隔 时间间隔 时间间隔

计数器 计数器 计数器

地球站

—]一

原子钟

因此,可得地球站的发射通道与接收通道的延

迟之差为

f_x—TRx CalRx=AtT 一△fR 一(Calh—Cal

(12)

图7 NIST地球站延迟测量设备框图

7)温度控制系统。

式中:Cal ,Cal融可以用时间间隔计数器与矢量网

络分析仪精确地测量。为了保证Calh,Cal 量值

的稳定,整个延迟测量设备被放置在恒温箱中。

2.5 NIST校准设备

NIT为最早开展TwsTFT及其校准技术研究

的机构之一,F.G.Ascaunz_m 等人开发了一个 延迟测量时,Modem RxCal产生70MHz信号,由接

TwSTF’T地球站校准的设备,它可以完成地球站发

射与接收通道的延迟的实时校准,该校准系统共包

在进行发射通道延迟测量时,在发射通道的天

线馈线端口,用定向耦合器将发射信号引出,进入校

准设备的发射延迟测量单元,下变频至70MHz后输

入至TxCa Modem对定时信息进行解调,恢复出的

1PPS信号用来停止计数器计数。在进行接收通道

收延迟校准单元上变频至12GHz,并由定向耦合器

馈入至地面站的接收端,地面站接收通道将信号变

含七个部分,其工作信号流程如图7所示。

1)校准单元(上、下变频器);

2)两个NIST Modems;

至70MHz后,信号进入Modem Rx。整个延迟校准

设备的核心为校准单元(上、下变频器),如图8所

3)测量发射延迟的计数器Tx ountr;

4)测量接收延迟的计数器Rx counter;

5)波导耦合器;

6)发射接收通道的70MHz中频电缆;

示,在进行上/下变频器设计时,采用宽频带器件与

温度不敏感的介质基片以降低电路的群时延抖动与

温度敏感性,校准单元的接收、发射通道的延迟之和

约为(351±1)ns,在25℃~65℃范围内,设备的温度

敏感系数约为10ps/ ̄,它比NIST的TwsTFT地球

发射

综合器

Ku波段

综合器

接收

综合器

GHz[滤波器

图8 NIST地球站校准设备中的校准单元(J=/下变频器)框图

22・ 宇航计测技术 2013焦

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