北斗三号授时系统设计分析
摘  要
近日，中国科学院国家授时中心时间频率基准实验室研究人员利用北斗三号卫星，采用双频共视法，实现了我国时间基准UTC(NTSC)与捷克国家时间基准UTC(TP) 的亚欧长基线国际时间比对。在当前北斗三号共视可视卫星比北斗二号数少一半的情况下，达到共视比对精度1.2ns，提升幅度约19%。目前，北斗三号已经成功发射了19颗全球组网卫星，包括18颗正常服务的MEO卫星和一颗在轨测试的GEO卫星，其基本系统现已建成并开始提供全球服务。北斗三号卫星上搭载了更高性能的铷原子钟和氢原子钟，铷原子钟天稳定度为E-14量级，氢原子钟天稳为E-15量级，比北斗二号星载钟的稳定度提高了一个数量级。
关键词：北斗三号；原子钟；授时精度
第1章  绪论
1.1  研制背景
从建立一个现代化国家的大系统工程总体考虑，导航定位和授时系统应该说是基础中的基础，它对整体社会的支撑几乎是全方位的，星基导航和授时是未来发展的必然趋势。美国投入巨资建成了全球定位系统（GPS），俄罗斯也使自己的全球导航卫星系统（GLONASS）投入了运行。欧盟一些国家也正在联合开展伽利略（Galileo）卫星导航系统的研制。
北斗手机号定位孙家栋院士这样评价北斗：“卫星导航，只有想不到，没有做不到。未来，北斗将为我国提供统一的时空基准服务，在我国国家安全和国民经济社会各领域得到广泛应用，保障国家国家经济社会安全，转变国民经济发展方式，成为战略性新兴产业，促进信息化建设的跨越式发展。”一方面，我们“不能把登山的保险绳交到别人手里”，发展北斗是保障我国国家安全的重要举措，另一方面，我们“不愿自己家的钥匙掌握在别人手里”，发展北斗有利于促进社会经济的发展，人民生活水平的提高。
第2章 北斗卫星的授时系统
2.1 授时原理
    授时是指接收机通过某种方式获得本地时间与北斗标准时间的钟差，然后调整本地时钟使
时差控制在一定的精度范围内。卫星导航系统通常由三部分组成：导航授时卫星、地面检测校正维护系统和用户接收机。对于北斗一号局域卫星系统，地面检测中心要帮助用户一起完成定位授时同步。
2.1.1单向授时
北斗时间为中心控制站精确保持的标准北斗时间，用户钟时间为用户钟的钟面时间，若两者不同步存在钟差 ，则北斗时间和用户钟时间虽然读数相同其出现时刻却是不同的。地面中心站在出站广播信号的每一超帧单向授时就是用户机通过接收北斗通播电文信息，由用户机自主计算出钟差并修正本地时间，使本地时间和北斗时间同步。周期内的第一帧数据段发送标准北斗时间（天、时、分信号与时间修正数据）和卫星的位置信息，同时把时标信息通过一种特殊的方式调制在出站信号中，经过中心站到卫星的传输延迟、卫星到用户机的延迟以及其它各种延迟 （如对流层、电离层等）之后传送到用户机，也就是说用户机在本地钟面时间为观测到卫星的时间， 由用户机测量接收信号和本地信号的时标之间的时延获得，后则根据导航电文中的卫星位置信息、延迟修正信息以及接收机事先获取的自身位置信息计算。
一般来说，对已知精密坐标的固定用户，观测1颗卫星，就可以实现精密的时间测量或者同
步。若观测2颗卫星或者更多卫星，则提供了更多的观测量，提高了定时的稳健性。
2.1.2双向授时
双向授时的所有信息处理都在中心控制站进行，用户机只需把接收的时标信号返回即可。为了说明方便，给出简化模型：中心站系统在T0时刻发送时标信号ST0，该时标信号经过延迟后到达卫星，经卫星转发器转发后经到达授时用户机，用户机对接收到的信号进行的处理也可看做信号转发，经过空间的传播时延到达卫星，卫星把接收的信号转发，经过空间的传播时延传送回中心站系统。也即表示时间T0的时标信号ST0，最终在T0 + + + + 时刻重新回到中心站系统。中心站系统把接收时标信号的时间与发射时刻相差，得到双向传播时延 + + + ，除以2得到从中心站到用户机的单向传播时延。中心站把这个单向传播时延发送给用户机，定时用户机接收到的时标信号及单向传播时延计算出本地钟与中心控制系统时间的差值修正本地钟，使之与中心控制系统的时间同步。
2.1.3 双向授时和单向授时的对比
从双向授时和单向授时的原理介绍中可以看出，双向授时和单向授时的主要差别在于从中心
站系统到用户机传播时延的获取方式：单向授时用系统广播的卫星位置信息按照一定的计算模型由用户机自主计算单向传播时延，卫星位置误差、建模误差（对流层模型、电离层模型等）都会影响该时延的估计精度，从而影响最终的定时精度；双向授时无需知道用户机位置和卫星位置，通过来回双向传播时间除以2的方式获取，更精确的反映了各种延迟信息，因此其估计精度较高。在北斗系统中单向授时精度的系统设计值为100ns，双向授时为20ns，实际授时用户机的性能通常优于该指标。
单向授时需要事先计算用户机的位置，若位置未知，则需先发送定位请求来获得位置信息。双向授时无需知道用户机的位置，所有处理都由中心站系统完成。
单向授时由于采用被动方式进行，不占用系统容量（需要获取定位位置信息）。而双向授时是通过与中心站交互的方式来进行定时，因此会占用系统容量，受到一定的限制。
2.4原子钟原理
原子钟是利用原子跃迁频率稳定的特性来获取精准时间频率信号的设备，其研发涉及量子物理学、电学、结构力学等众多学科，目前国际上仅中、美、俄等少数国家具有独立研制能力。
星载原子钟主要应用于导航系统，分为氢原子钟、铷原子钟和铯原子钟3种。美国的GPS导航系统、欧洲的伽利略导航系统及俄罗斯的格洛纳斯导航系统，均采用了铷原子钟搭配铯原子钟，或者铷原子钟搭配氢原子钟的方案，充分发挥了铷原子钟体积小、重量轻及铯原子钟、氢原子钟长期性能优异的特点。
铯原子钟
它利用铯原子内部的电子在两个能级间跳跃时辐射出来的电磁波作为标准，去控制校准电子振荡器，进而控制钟的走动。这种钟的稳定程度很高，目前，最好的铯原子钟达到2000万年才相差 1 秒。现在国际上， 普遍采用铯原子钟的跃迁频率作为时间频率的标准，广泛使用在天文、大地测量和国防建设等各个领域中。 [1]
氢原子钟
氢原子钟一种精密的计时器具。氢原子钟是在现代的许多科学实验室和生产部门广泛使用一种精密的时钟，它是利用原子能级跳跃时辐射出来的电磁波去控制校准石英钟，但它用的是氢原子。这种钟的稳定程度相当高，每天变化只有十亿分之一秒。氢原子钟亦是常用的时间
频率标准，被广泛用于射电天文观测、高精度时间计量、火箭和导弹的发射、核潜艇导航等方面。氢原子钟首先在1960年为美国科学家拉姆齐研制成功。氢原子钟是种高精度的时间和频率标准，在国防、空间技术和现代科学试验中有着重要的应用。
铷原子钟
是所有原子钟中最简便、最紧凑的一种。这种时钟使用一玻璃室的铷气，当周围的微波频率刚好合适时，就会按光学铷频率改变其光吸收率。 三种原子钟――铯原子钟、氢微波激射器和铷原子钟，都已成功的应用于太空、卫星以及地面控制。现今为止，在这三类中最精确的原子钟是铯原子钟，GPS卫星系统最终采用的就是铯原子钟。此外，还可以通过使用激光束来防止铯原子前后高速移动，从而可以减少因多普勒效应而产生的轻微频率变化。
作为导航卫星的“心脏”之一，高性能的星载原子钟对导航精度起到决定性作用。相比北斗一期、二期工程中单纯采用铷原子钟，本次发射的北斗三号卫星上搭载了更高性能的铷原子钟和氢原子钟，铷原子钟天稳定度为E-14量级，氢原子钟天稳为E-15量级，比北斗二号星载钟的稳定度提高了一个数量级。[2]
第3章 北斗系统的意义
3.1 军事上的重大意义
现代信息化战争，脱离了精确的卫星导航定位，一切都是空谈。如果我军使用GPS系统进行指挥调度、导弹制导、舰艇导航，那么一旦战争爆发，后果可想而知。降低导航定位精度都是小事，可怕的是你的一举一动尽在他人掌握之中，甚至人为的对信号进行修改，后果不堪设想。而使用我们自己的北斗系统，不仅确保了定位精度，同时也解决了一系列安全问题。
3.2 民生上的重大意义
2008年汶川地震，北斗系统就起到了关键性的作用。北斗分队通过手持北斗终端将灾区信息及时上传。目前每天有约2万架无人机通过北斗高端定位系统执行农药喷洒任务以及电网巡查工作。城市管理者可以通过北斗系统对车辆进行监管，确保了城市交通安全有序的开展。2019年台风“利马”来袭，通过北斗系统实现了对危旧房屋毫米级移动变化的检测。此外北斗个人导航定位服务也在不断走进人们的生活，未来汽车导航、手机导航都将升级为定位精度更高的北斗导航服务。 空气中，行踪不定的污染物被纳入环境监测信息系统，从此将逃不过北斗的“慧眼”田地间，通过北斗系统与农业器械的配合，可实时掌握耕种深度、行距等信息，令作业效率提高50%，产量提高5%-8%。还有国境线上，山高、林密、谷深的恶劣环境
导致通讯设施无法全部覆盖，而边防官兵们凭借北斗系统，依然可以及时、稳定地传递信息。[3]
第4章 对北斗系统的展望
1994年，北斗卫星导航系统启动建设。20多年间，我国在西昌卫星发射中心共组织了44次北斗发射任务，利用长征三号甲系列运载火箭，先后将４颗北斗一号试验卫星、55颗北斗二号和北斗三号组网卫星送入预定轨道，任务成功率100%。特别是2017年开启全球组网以来，两年半时间高密度执行18次发射任务。今年在抗击新冠肺炎疫情的特殊环境下，北斗工程全线坚持组网发射和疫情防控“双线作战”，有力推进了北斗三号全球组网圆满收官。在测控、地面运控、星间链路运管、应用验证等系统的强有力支撑下，此前发射的所有在轨卫星都已入网。
发展之路，建成了我国迄今为止规模最大、覆盖范围最广、服务性能最高、与百姓生活关联最紧密的巨型复杂航天系统，成为我国第一个面向全球提供公共服务的重大空间基础设施，为世界卫星导航事业发展做出了重要贡献、为全球民众共享更优质的时空精准服务提供了更多选择、为我国重大科技工程管理现代化积累了宝贵经验。
目前，全世界一半以上的国家都开始使用北斗系统。后续，中国北斗将持续参与国际卫星导航事务，推进多系统兼容共用，开展国际交流合作，根据世界民众需求推动北斗海外应用，共享北斗最新发展成果。
中国北斗，服务全球，造福人类。人类梦想追逐到哪里，就希望时空定位到哪里；人类脚步迈进到哪里，就希望导航指引到哪里。2035年，我国将建设完善更加泛在、更加融合、更加智能的综合时空体系，进一步提升时空信息服务能力,为人类走得更深更远做出中国贡献。
主要参考文献：
[1]常宏,张首刚,王心亮,田晓. 基准原子钟的发展及国家授时中心光学原子钟的研制进展[J]. 中国科学:物理学 力学 天文学,2010,05:616-622.
[2]海峰，袁家虎，毛羽国.    天文学在卫星技术中的应用． 《 光电工程 》 ， 1999.
[3]袁树友. 下安物望-北斗应用100例[M]. 解放军出版社, 2017