基于软件接收机的卫星双向时间频率传递

武文俊，姜萌，王翔，张继海，广伟，董绍武

基于软件接收机的卫星双向时间频率传递

武文俊1,2,3，姜萌1,2,3，王翔1,2，张继海1,2，广伟1,2,3，董绍武1,2,3

（1. 中国科学院 国家授时中心，西安 710600；2. 中国科学院 时间频率基准重点实验室，西安 710600；3. 中国科学院大学 天文与空间科学学院，北京 101048）

卫星双向时间频率传递是目前最准确的远距离时间比对方式之一。多年以来，卫星双向一直是利用硬件调制解调器来开展工作。在国际时间频率咨询委员会卫星双向工作组的组织下，全球主要时间实验室于2016年发起了基于软件接收机的卫星双向时间比对试验。2016年8月，中国科学院国家授时中心与德国物理技术研究院开通了第一条欧亚间基于软件接收机的卫星双向时间比对链路。通过对基于软件接收机的卫星双向时间比对进行测试与标定，结果表明：该时间比对方式的频率相对稳定度和时间稳定度分别可以达到1×10-15/d和1 ns，其链路总不确定优于1.6 ns。最后将该链路与基于硬件调制解调器的卫星双向时间比对进行比较验证，二者结果互为一致。

协调世界时；时间比对；卫星双向；软件接收机

0 引言

当前，国际标准时间是协调世界时（coordinated universal time，UTC），而远距离时间比对是协调世界时产生过程中的重要环节[1]。在协调世界时的归算中，卫星双向时间频率传递（two-way satellite time and frequency transfer，TWSTFT）和GNSS（global navigation satellite system）时间频率传递是现阶段远距离时间传递的两种主要技术手段，世界主要时频实验室都具备这两种时间比对的能力[2]。自1999年TWSTFT正式应用于UTC的计算以来，它在国际标准时间的产生中就一直发挥着极其重要的作用，现它已成为国际权度局（BIPM）计算协调世界时的首要时间比对方法。中国科学院国家授时中心（NTSC）于1998年与日本国家信息与通信技术研究所（NICT）开通了国内第一条TWSTFT链路，并于2002年1月将其数据成功应用于UTC的计算。传统的卫星双向时间频率传递一直主要利用德国Timetech公司的卫星时间和距离测量设备（satellite time and ranging equipment，SATRE）来完成信号的编码和解调[3]。为改善卫星双向时间比对性能，2016年1月，国际时间频率咨询委员会卫星双向时间频率传递工作组发起了基于软件接收机（software defined receiver，SDR）的全球性TWSTFT试验，该试验成功地利用软件接收机的方法对TWSTFT伪码扩频信号进行了解扩解调[4-5]。与SATRE硬件接收机卫星双向时间比对相比，SDR操作简单、增加了数据采样率、降低了成本，并且在某些卫星双向时间比对链路上还提高了时间比对结果的精度[6]。中国科学院国家授时中心积极参与该试验，2016年8月与德国物理技术研究院（PTB）开通了第一条欧亚间基于软件接收机的TWSTFT，并取得了良好的试验结果。

1 基本原理

卫星双向时间比对过程中由于信号路径上的高度对称性使得其各类误差大部分被抵消，从而获得了高精度的两地时间差。基于SDR的卫星双向时间比对过程与基于SATRE的卫星双向时间比对相似，笔者将详细描述前者的原理及系统组成。

1.1 原理

卫星双向时间频率传递基本原理是在地面站使用发射机将本地原子钟的时间信号经伪随机码调制，通过甚小口径终端天线（VSAT）将调制的扩频信号发射给卫星，经卫星转发器把站的时间信号转发至地面，地面站接收经卫星转发的站的时间信号，解调信号后并与站的原子钟信号相比较，从而测量站传到站信号的传递时延。在站发射信号的同时，站以同样方式发射信号被站接收[7]。通过两站数据交换，去除各种误差项后即可获得两地原子钟间的高精度钟差。

1.2 系统组成

在不改变基于SATRE的卫星双向比对工作的基础上，加入SDR，与SATRE共用发射机，天线系统接收到的信号由下变器处理后分两路输入SATRE接收通道和SDR。每个地面站都配备有原子钟、VSAT、SATRE、软件接收机和时间间隔计数器等设备，具体组成如图1所示。原子钟将产生的1 PPS信号送至发射机后首先与伪随机码进行BPSK调制，然后再将调制好的信号调制到载波上，最后生成70 MHz的中频信号并作为发射机的输出信号。将70 MHz的中频信号输入上变频器进行变频，然后对上变频后的调制信号通过固态功率放大器（SSPA）进行功率放大后，通过VSAT终端发射向卫星。卫星接收到来自地面站的信号后，通过透明转发器对信号实现上行频率到下行频率的转换并转发向地面。TWSTFT对方站收到卫星转发的信号后，由VSAT终端接收，通过低噪声放大器（LNA）处理，信号输入下变频器，将信号还原为70 MHz的中频信号。然后将还原的70 MHz的中频信号分别输入SATRE接收通道和SDR，二者分别对1 PPS中频信号实现解扩解调，从而实现发射站到接收站的时延测定。

注：VAST为甚小口径终端天线，TIC为时间间隔计数器，SATRE为卫星时间和距离测量设备，SDR为软件接收机

1.3 算法

卫星双向时间频率传递过程中站时延测量的读数为

站时延测量的读数为

根据式（1）和（2）整理得到站和站钟差，如下式所示：

目前，国际上主要使用Ku频段的电磁波来进行卫星双向时间频率传递。由于当前卫星双向时间比对的精度为0.5 ns，无线电波在Ku波段工作时，式（3）中的时间比对两站几何路径时延、对流层时延和电离层时延在几十皮秒甚至几皮秒的量级，数据处理时完全可以忽略，而Sagnac效应对于固定的两地面站，它有准确的计算公式可以求解。当时间比对双方同用一个卫星转发器时，卫星转发器时延也可以相互抵消。当两站使用不同转发器时，该项需要考虑，属于卫星硬件时延。TWSTFT互相比对两站的硬件时延需要准确标定[8]。

2 基于SDR的TWSTFT试验结果

中国科学院国家授时中心和德国物理技术研究院分别负责中国和德国国家标准时间的产生和发播[9-10]。经过积极协调，中国NTSC和德国PTB分别在2016-07-20/07-30和2016-08-01/08-19期间完成了软件接收机的安装与调试。

2.1 NTSC与PTB设备配置

NTSC和PTB都是国际原子时的重要参与单位，二者时间比对链路的基线长度约为7800 km，如图2所示，其SDR部分主要硬件设备配置情况见表1。

图2 NTSC-PTB时间比对链路

表1 NTSC和PTB设备配置表

2.2 测试结果

自2016年8月20日开始，NTSC和PTB之间利用俄罗斯的AM22通信卫星成功实现了基于SDR的TWSTFT时间比对。在试验中，地面观测站和卫星之间的上下行频率分别采用Ku波段的14.26 GHz和10.96 GHz，基带部分的伪随机码的码速率为2.5兆码片/s。

图3是从约化儒略日57 650（2016-09-19）~57 659（2016-09-28）期间的中德SDR卫星双向时间比对的结果，其中纵坐标UTC（PTB）- UTC（NTSC）为中德时间差。从图3可以看出，NTSC-PTB之间基于SDR的卫星双向时间比对结果是连续稳定的，但它具有明显的周日变化的特点，这与传统的SATRE卫星双向时间比对特征一致。图4给出了NTSC-PTB链路基于SDR卫星双向时间比对的修正Allan方差（MVAR）和时间偏差（TDEV）。从图4可以看出，该链路的频率相对稳定度和时间稳定度分别可以达到1×10-15/1 d和1 ns。

图3 基于SDR的TWSTFT试验结果

图4 基于SDR卫星双向的修正Allan方差和时间偏差

2.3 基于SDR的TWSTFT标定及其不确定度分析

图5 SATRE双向对SDR双向标定结果

本次标定的不确定度采用全球SDR卫星双向试验中的不确定度处理方法[6]，其中SDR卫星双向A类不确定度为0.2 ns，SATRE卫星双向的总不确定度为SDR卫星双向链路的B类不确定度，见表2所示。基于SDR的卫星双向比对链路不确定度优于1.6 ns，表2中A、B和分别为A类、B类和总不确定度。

表2 基于SDR的TWSTFT不确定度预算表

3 与SATRE卫星双向比对链路的比较验证

基于SATRE的卫星双向时间比对链路一直是BIPM计算UTC的首选国际时间比对方式。自2016年9月开始，通过SATRE进行NTSC与PTB之间的TWSTFT已经正式成为UTC计算中的一条正式链路。因此，以SATRE卫星双向链路为参考，将基于SDR的卫星双向与其进行比较验证，其结果见图6和图7。图6是SATRE和SDR的时间比对结果，图7为两种时间比对结果之差。由图6和图7可以看出，基于SATRE和SDR的两条卫星双向时间比对链路的结果几乎是完全一致的。

图6 基于SATRE和SDR的TWSTFT比较

图7 SATRE和SDR的TWSTFT的结果之差

4 结语

时间比对是国际标准时间产生过程中必不可少的环节之一。在国际时间频率委员会卫星双向工作组的组织与协调下，中国科学院国家授时中心与德国物理技术研究院利用AM22卫星开通了欧亚间首条基于软件接收机的卫星双向时间比对链路，并于2016年8月开始成功获得了试验的结果。通过实验表明，基于AM22卫星的时间比对链路的频率相对稳定度和时间稳定度分别可以达到1×10-15/1d和1 ns。利用硬件调制解调器卫星双向链路对基于软件接收机的卫星双向时间比对链路进行了标定和验证，其总不确定度优于1.6 ns，二者结果相互一致。基于软件接收机卫星双向时间比对链路的实现，为国际时间比对工作开拓了一种可靠的新方式。在一些几百到二三千千米距离较短的其他国际试验中，它还提高了时间比对的短期稳定度。利用其他卫星开展中德之间SDR卫星双向时间比对的性能还有待进一步验证评估。2020年2月，国际权度局已经将基于软件接收机的卫星双向时间频率传递正式纳入了国际标准时间的归算。

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Two-way satellite time and frequency transfer based on software defined receiver

WU Wen-jun1,2, JIANG Meng1,2,3, WANG Xiang1,2, ZHANG Ji-hai1,2,GUANG Wei1,2,3, DONG Shao-wu1,2,3

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;2. Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;3. School of Astronomy and Space Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 101048, China)

The two-way satellite time and frequency transfer (TWSTFT) is one of the most accurate and precise methods for remote clocks. The traditional TWSTFT is operated on hardware modem. In 2016, all the major time laboratories in the world launched the TWSTFT study based on software defined receiver (SDR) under the organization of Consultative Committee for Time and Frequency Work Group on TWSTFT (WGTWSTFT). The first Euro-Asia SDR TWSTFT link was built up between the National Time Service Center (NTSC), Chinese Academy of Sciences and Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB). Test and calibration were implemented on the NTSC-PTB SDR link. It is shown that the relative frequency instability and time instability can reach to 1×10-15(1day) and 1ns, respectively; its total uncertainty is less than 1.6 ns. The traditional and SDR TWSTFT links were compared with each other and it’s found that they are consistent with each other.

coordinated universal time (UTC); time comparison; two-way satellite time and frequency transfer (TWSTFT); software defined receiver

10.13875/j.issn.1674-0637.2020-02-0094-07

2019-10-29；

2020-01-21

国家自然科学基金资助项目（11703030；11473029）

武文俊，男，副研究员，主要从事时间与频率研究。