中国卫星导航星载原子钟与同步技术 [转帖]

会议号： 181  批准日期： 2002年2月8日  
关键字： 航天控制  
建议执行主席： 宋 健、陆建勋、童 铠、王义遒  
召开日期： 2002年4月23日   结束日期： 2002年4月25日   
申请人： 童 铠  申请日期：   
会议类别： 国内   会议类型： 个人申请   
所属学科：    召开地点： 香山饭店   
申请理由：

     我国已经研制成功第一代导航卫星系统”北斗一号”，其定位方法采用双程测距；现正在研究发展第二代导航卫星系统，其定位方法改用单程测距，用户机直接接接收卫星辐射的单程测距信号自己定位，测距精度要由星载高稳定度的原子钟来保证。所有用户机可使用稳定度较低的石英钟，其对钟误 差作为未知数和用户的三维未位置参数一起由四个以上的卫星测距方程来求解。由此可见，保障第二代导航卫星系统定位精度的最主要关键在于突破星载的高精度时间频率基准技术，其寿命要和我国卫星在轨寿命相匹配，至少8年，总重量不超过10－20公斤。

    星载时钟频率稳定度表达式可近似为σy(τ)=σsτ-1/2+σd,其中σs为秒稳定度，σd为日稳定度，τ为测量间隔（单位：秒），由其引起的星钟时间偏移方差σ2(t)还决定于星地时钟（地面时钟采用氢钟作系统基准）同步校准的时间间隔和校准方法，σ2(t)=σs2×(t-tk)+σd2×(t-tk)2,其中t为当前时刻，tk为校准时刻。

    由星钟频率稳定度引起的测距误差要求控制在一米，或3.33ns左右。各卫星与地面系统钟同步方法误差则应控制在1ns之内。对于星钟有规律的频率漂移，原则上可以预报修正，但不可太大，此外，还必须校准好对论效应和地球重力异常效应。

    系统建设初期同步校准时间间隔暂可取24小时，但今后为了提高系统抗敌方摧毁地面站能力，同步样准时间间隔应可以拉长到1－3个月而不显著降低定位精度，下表列出了所需σs和σd对应用于同步校准时间间隔的计算结果：

    t-tk            σ s            σd  

    1天              8×10-12/秒  2.7×10-14/日

    7天              3×10-12/秒  4.0×10-15/日

    30天             3×10-12/秒  4.0×10-15/日

    180天            3×10-12/秒  1.5×10-15/日

    σ（t）             相应测距误差

    3.3ns                  0.99m

    3.36ns                 1.0m

    11.4ns                 3.43m

    26.2ns                 7.85m

    对星载原子钟美国GPS卫星早期采用铷钟，指标不高（σs=1×10-11/秒，σd=1×10-12/日，日漂移＝5×10-12),后期指标有明显提高（σs=3×10－12/秒，σd=5×10-14/日,日漂移＝5×10-14,重量5.44公斤，功耗＝39瓦，寿命>3年〕；也曾试用氢钟，但并未实用。近来新型频标研究取得重大进展，其中离子阱频标尤为突出（σd=3×10-16/日，日漂移＝2×10-16/日，预期重10公斤〕。GPSⅡA型卫星每天由地面监控系统更新星历和星钟修正系数，用最新数据可以提供5.3米的总测距精度，ⅡR型卫星采用新型的铷原子钟，频率稳定性能比ⅡA型高一个量级，并采用星间相互无线电链路定轨，卫星能够自主运行180天，总测距精度仍可达到7.4米，如果每隔30天由地面监控系统作210天数据集的星历和星钟修正系数更新，总测距精度可达5.3米。俄罗斯GLONASS系统采用每星3台铯钟）俄罗斯无线电导航与时间研究所产品，σs=2×10-11/秒，σd=5×10-13/日，钟组重量55公斤，寿命3－5年〕，每12小时地面对星载钟校准一次：未来的M型卫星σs=2×10-11/秒，σd=1×10-13/日，重量30公斤，寿命>7年。欧共体GALILEO系统则计划采用铷钟（S－RAFS产品，σd=3×10-14/日，重量1.3公斤），并发展了一种每小时地面对星载钟校准一次的方法。其二期工程准备上氢钟。

    国内对地面用的铷、铯和氢钟都有研制，而星载高精度时间频率基准刚开始发。“北斗一号”星上是引进的精度不高（秒稳5×10-10，年稳5×10-10)的美国产品。目前正式开展星载铷钟研制的有北京大学（与203所合作），武汉物理所（与五院504所合作），主要技术难度是日稳和寿命偏低。氢钟小型化有上海天文台（和五院539厂合作）和航天机电集团203所，氢钟的主要技术难度是重量和体积需要显著缩小。北京大学，203所及电子12所正在开展光抽运小铯钟，地面时间基准大铯钟有中国计量院，其开展的铯 原子喷泉泉装置精度很高，但目前离工程实用尚远。总的说来，对于星载原子频标的研究我国缺乏统一的长远规划，对其今后发展方向的设想也不尽一致。在研的星载铷钟指标不完全满足导航要求，尤其不能适应长期不经校准而保持测距精度的要求。星载氢钟的实用性有待攻关，国外广为实有的星载铯钟的研制国内尚未开展，离子阱频标也正在研究探讨之中。

    对于星地时间同步，可以有多种方法，用激光跟踪测距进行同步校整有很高的精度，国内虽有多个运转良好的激光跟踪站，只是刚开展这方面的理论探讨工作。

    针对上述情况，对于星载原子频率基准 的今后发展途径，急需通过本次会议，发挥全国科学家的聪明才智，从各个不同角度提出见解，展开深入讨论和争辩，以深化发展中存在实质问题的认识，争取尽早明确发展方向，将有助于防止研制工作走弯路，还可进一步发动全国科学技术力量共同攻克难关。  
中心议题： 1、为了满足我国卫星导航事业近期与长远发展需求，星载原子频标应发展那种技术途径？单项发展星载铷钟是否可行？发展分两步走是否可行？第二步优先发展氢钟，还是铯钟？或是另辟新的技术途径（例如离子阱频标或新的标校方法）？

    2、发展我国卫星导航系统星地时间同步校准技术的优选途径是什么？

    3、我国卫星导航系统如何进行相对论与地球重力异常校准？  
总评述报告： 童 铠：我国“北斗一号”及第二代卫星导航系统发展概况，系统对星载原子频率基准，星地时间同步及校准的要求

    王义遒：国内外星载原子频率基准发展概况及今后发展途径评述  




会议号： 181  批准日期： 2002年2月8日  
关键字： 航天控制  
建议执行主席： 宋 健、陆建勋、童 铠、王义遒  
召开日期： 2002年4月23日   结束日期： 2002年4月25日   
申请人： 童 铠  申请日期：   
会议类别： 国内   会议类型： 个人申请   
所属学科：    召开地点： 香山饭店   
申请理由：

     我国已经研制成功第一代导航卫星系统”北斗一号”，其定位方法采用双程测距；现正在研究发展第二代导航卫星系统，其定位方法改用单程测距，用户机直接接接收卫星辐射的单程测距信号自己定位，测距精度要由星载高稳定度的原子钟来保证。所有用户机可使用稳定度较低的石英钟，其对钟误 差作为未知数和用户的三维未位置参数一起由四个以上的卫星测距方程来求解。由此可见，保障第二代导航卫星系统定位精度的最主要关键在于突破星载的高精度时间频率基准技术，其寿命要和我国卫星在轨寿命相匹配，至少8年，总重量不超过10－20公斤。

    星载时钟频率稳定度表达式可近似为σy(τ)=σsτ-1/2+σd,其中σs为秒稳定度，σd为日稳定度，τ为测量间隔（单位：秒），由其引起的星钟时间偏移方差σ2(t)还决定于星地时钟（地面时钟采用氢钟作系统基准）同步校准的时间间隔和校准方法，σ2(t)=σs2×(t-tk)+σd2×(t-tk)2,其中t为当前时刻，tk为校准时刻。

    由星钟频率稳定度引起的测距误差要求控制在一米，或3.33ns左右。各卫星与地面系统钟同步方法误差则应控制在1ns之内。对于星钟有规律的频率漂移，原则上可以预报修正，但不可太大，此外，还必须校准好对论效应和地球重力异常效应。

    系统建设初期同步校准时间间隔暂可取24小时，但今后为了提高系统抗敌方摧毁地面站能力，同步样准时间间隔应可以拉长到1－3个月而不显著降低定位精度，下表列出了所需σs和σd对应用于同步校准时间间隔的计算结果：

    t-tk            σ s            σd  

    1天              8×10-12/秒  2.7×10-14/日

    7天              3×10-12/秒  4.0×10-15/日

    30天             3×10-12/秒  4.0×10-15/日

    180天            3×10-12/秒  1.5×10-15/日

    σ（t）             相应测距误差

    3.3ns                  0.99m

    3.36ns                 1.0m

    11.4ns                 3.43m

    26.2ns                 7.85m

    对星载原子钟美国GPS卫星早期采用铷钟，指标不高（σs=1×10-11/秒，σd=1×10-12/日，日漂移＝5×10-12),后期指标有明显提高（σs=3×10－12/秒，σd=5×10-14/日,日漂移＝5×10-14,重量5.44公斤，功耗＝39瓦，寿命>3年〕；也曾试用氢钟，但并未实用。近来新型频标研究取得重大进展，其中离子阱频标尤为突出（σd=3×10-16/日，日漂移＝2×10-16/日，预期重10公斤〕。GPSⅡA型卫星每天由地面监控系统更新星历和星钟修正系数，用最新数据可以提供5.3米的总测距精度，ⅡR型卫星采用新型的铷原子钟，频率稳定性能比ⅡA型高一个量级，并采用星间相互无线电链路定轨，卫星能够自主运行180天，总测距精度仍可达到7.4米，如果每隔30天由地面监控系统作210天数据集的星历和星钟修正系数更新，总测距精度可达5.3米。俄罗斯GLONASS系统采用每星3台铯钟）俄罗斯无线电导航与时间研究所产品，σs=2×10-11/秒，σd=5×10-13/日，钟组重量55公斤，寿命3－5年〕，每12小时地面对星载钟校准一次：未来的M型卫星σs=2×10-11/秒，σd=1×10-13/日，重量30公斤，寿命>7年。欧共体GALILEO系统则计划采用铷钟（S－RAFS产品，σd=3×10-14/日，重量1.3公斤），并发展了一种每小时地面对星载钟校准一次的方法。其二期工程准备上氢钟。

    国内对地面用的铷、铯和氢钟都有研制，而星载高精度时间频率基准刚开始发。“北斗一号”星上是引进的精度不高（秒稳5×10-10，年稳5×10-10)的美国产品。目前正式开展星载铷钟研制的有北京大学（与203所合作），武汉物理所（与五院504所合作），主要技术难度是日稳和寿命偏低。氢钟小型化有上海天文台（和五院539厂合作）和航天机电集团203所，氢钟的主要技术难度是重量和体积需要显著缩小。北京大学，203所及电子12所正在开展光抽运小铯钟，地面时间基准大铯钟有中国计量院，其开展的铯 原子喷泉泉装置精度很高，但目前离工程实用尚远。总的说来，对于星载原子频标的研究我国缺乏统一的长远规划，对其今后发展方向的设想也不尽一致。在研的星载铷钟指标不完全满足导航要求，尤其不能适应长期不经校准而保持测距精度的要求。星载氢钟的实用性有待攻关，国外广为实有的星载铯钟的研制国内尚未开展，离子阱频标也正在研究探讨之中。

    对于星地时间同步，可以有多种方法，用激光跟踪测距进行同步校整有很高的精度，国内虽有多个运转良好的激光跟踪站，只是刚开展这方面的理论探讨工作。

    针对上述情况，对于星载原子频率基准 的今后发展途径，急需通过本次会议，发挥全国科学家的聪明才智，从各个不同角度提出见解，展开深入讨论和争辩，以深化发展中存在实质问题的认识，争取尽早明确发展方向，将有助于防止研制工作走弯路，还可进一步发动全国科学技术力量共同攻克难关。  
中心议题： 1、为了满足我国卫星导航事业近期与长远发展需求，星载原子频标应发展那种技术途径？单项发展星载铷钟是否可行？发展分两步走是否可行？第二步优先发展氢钟，还是铯钟？或是另辟新的技术途径（例如离子阱频标或新的标校方法）？

    2、发展我国卫星导航系统星地时间同步校准技术的优选途径是什么？

    3、我国卫星导航系统如何进行相对论与地球重力异常校准？  
总评述报告： 童 铠：我国“北斗一号”及第二代卫星导航系统发展概况，系统对星载原子频率基准，星地时间同步及校准的要求

    王义遒：国内外星载原子频率基准发展概况及今后发展途径评述  




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