時間統一系統

時間統一系統是為測控系統提供統一標準時間信號和標準頻率信號的系統。航天測控設備種類多、數量大、分佈廣，如果沒有統一的時間長度，根本無法完成任務。發射起飛時間(L)、各級火箭發動機的點火與關機時間、分離時間、數據注入時間、星(船)箭分離時間、航天器人軌時間等關鍵事件特徵點都需要時統系統提供準確的時刻。時間統一系統連續可靠、穩定的運行是測控系統正常工作的前提，其性能優劣直接影響航天測控系統的測量精度和測量體制。典型的時間統一系統組成如圖 1所示。它由時間頻率基準及發播系統、定時校頻信號接收系統、本地頻率標準、時間碼產生器、分配放大器和用户設備等組成。 ^[1] 

世界各國以性能優異的原子鐘建立並保持着本國的時間體系。GPS時間是美國的一種時間基準，GLONASS是俄羅斯的一種時間基準，北京時是我國的主要時間基準。各國的時間基準通過協調世界時(UTC)可以互相比較，因而誤差很小，對航天測控系統的測量精度影響可以忽略，因此時間統一系統廣泛採用多個時間基準互為備份，擇優使用。 ^[1] 

時間統一系統應用的頻率標準有3類。

第一類是銫原子頻標和氫原子頻標。銫原子頻標的長期頻率準確度極高，常用的是商業型銫原子頻標，頻率穩定度在10^-11 s量級，準確度在10^-14 s量級。氫原子頻標的特點是既具有很高的頻率準確度，又有很高的頻率穩定度(小於1×10^-12 s)，而且已實現國產化。氫原子頻標按工作原理分為被動型和主動型。被動型氫原子頻標體積小，頻率準確度在10^-12 s量級；主動型氫原子頻標體積大，頻率準確度在10^-13 s量級，甚至更高。

第二類是銣原子頻標。按工作原理分為抽運型和激射型，後者較前者短期頻率穩定度高。常用的是較為經濟的抽運型銣原子頻標，頻率準確度在10^-10 s量級，頻率穩定度在10^-11 s量級。銣原子頻標由於技術成熟，性能價格比高、小型化及工程化程度高等特點，已大量應用於航天測控系統，成為標準化時統設備的重要組成部分。

第三類是石英晶體頻標。它是以石英晶體壓電效應產生的穩定振盪信號為頻率標準。普通石英晶體振盪器的頻率準確度為10^-5～10^-6s，温度補償石英晶體振盪器的頻率準確度為10^-6～10^-7 s，恆温型石英晶體振盪器的頻率準確度為10^-8～10^-9 s。石英晶體振盪器的頻率穩定度為10^-10～10^-12 s。石英晶體頻標體積小、頻率穩定度較高，但開機需要預熱，達到指標需要幾十分鐘甚至幾十小時，受環境温度影響大，頻率準確度需要定期校準。 ^[1] 

標準化的時統設備由定時校頻單元、頻標單元、時碼產生單元、時碼區分單元、監控計算機等組成。定時校頻單元一般具有GPS和長短波授時系統定時校頻手段；頻標單元由銣原子頻標和通用石英頻標組成本地冗餘的頻率標準；時碼產生單元通過3個以上的冗餘模塊形成標準格式的B時間碼，經過時碼區分單元分配傳輸給附近的用户設備；監控微機直觀顯示各單元參數、狀態，向上級網管報告設備運行情況。

標準化時統設備具有時差測量、延遲修正、閏秒、閏年、時間設置、故障告警等功能，可靠性與穩定性較高，分佈於各大型測控站，為測控設備提供統一標準的時頻信號格式。 ^[1] 

時頻信號發播系統將時間基準傳遞或傳輸到遠距離的用户，解決覆蓋範圍和同步精度問題，多采用無線電波傳送方式。航天測控系統應用的時頻信號發播系統有美國GPS、俄羅斯GLONASS、我國北斗定位系統以及長波授時系統和短波授時系統(BPM)等。

利用衞星傳遞或發播定時信號是一種覆蓋面寬、精度高的定時手段。其中典型的為美國GPS(定時系統)，利用它的精碼可達10 ns量級的定時精度，粗碼亦可達100 ns量級的定時精度。北斗定位系統是我國建立的區域衞星定位試驗系統，僅地面設有原子鐘組，定時性能低於GPS，應用普及程度較低。長波授時系統和短波授時系統的電波傳輸主要依靠電離層的反射進行，是一種服務面寬而價格又低廉的手段，但由於電離層的不穩定性，其信號質量相對GPS較差。我國的短波授時、長波授時系統由陝西臨潼的國家授時中心維持和發播。 ^[1] 

通過時頻發播系統(或其他信道)完成本地時統設備與上級時間基準的時間同步和頻率校準，簡稱定時與校頻，是時統設備一項關鍵性工作。定時校頻方法一般根據工程任務需要、現有技術設備條件和應用環境條件來綜合確定。

定時方法分為衞星單向定時、長短波定時、雙向定時等。衞星單向定時是從接收的導航定位衞星信號中提取時頻信號，補償電離層、傳播路徑等各種延遲，完成本地時間信號的輸出。常用技術有GPS單向定時、北斗單向定時、GPS/GLONASS組合單向定時、GPS/北斗組合單向定時、GPS/GIDNASS/北斗組合單向定時。定時精度範圍在10^-6～10^-8 s。長短波定時是接收我國授時中心或其他授時台發播的長波、短波信號，補償電離層、傳播路徑等各種延遲，完成本地時間信號的輸出。常用技術有短波授時系統單向定時，定時精度在10^-3 s量級；長波授時系統單向定時，定時精度在10^-6 s量級。雙向定時是兩地的時統設備通過專用信道(衞星、光纖等)互相發送接收時頻信號，彼此交換測量數據，修正本地時間基準，從而實現兩地間的時間統一。雙向定時精度較高，一般在10^-8～10^-10 s範圍。

校頻方法與定時方法密不可分，校頻的主要工作是測量頻率標準與被測設備的頻差等參數，然後予以調整。頻差往往通過測量週期時間內二者的相位變化量來獲取。 ^[1] 

在航天活動中，各測控站所獲取、記錄的測量數據和事件都必須有嚴格統一的同一時間標準才能對它們進行分析和處理，才具有使用價值。時間信號還用於控制程序儀器，完成火箭、導彈的點火和使儀器按程序工作。航天器發射場、航天測控站中都配有時間統一系統，用以使各種測量設備同步工作，保證航天活動正常進行，現代航天時間同步精度已從毫秒量級達到納秒（毫微秒）量級。時間統一系統由時統中心和若干時統分中心組成，其設備有無線電接收機、原子頻率標準、標準信號發生器和放大分配設備組成。接收機接收國家天文台播發的標準時間和標準頻率信號，使各時統系統與標準時間和標準頻率保持同步。頻率標準源產生準確而穩定的基準信號，送至信號和時間發生器，經分頻和綜合形成各種頻率的標準信號、採樣信號、控制信號和時間碼等信號，由分配設備放大後，經有線電纜或無線電線路送給用户設備。航天工程中常用高穩定恆温晶體振盪器和原子頻率標準作為標準頻率源。用户設備與時統中心的距離不同，時統信號到達各設備的時間延遲也有差異，當要求精確同步時，必須測出這些信號的傳輸時延，在數據處理過程中加以修正。航天活動中常用的標準時間有3種:①世界時(UT)：以地球自轉為基礎的時間計量系統，由於地球自轉速度變化的影響，這種時間的刻度是不均勻的。②原子時(AT)：以原子共振現象所產生的恆定頻率為基準而建立的時間計量系統，它的時間刻度十分均勻。③協調世界時(UTC):以原子時秒長為基礎，時刻儘量接近於世界時的一種時間計量系統。協調世界時秒長嚴格等於原子時秒長，起點與世界時基本一致，用跳秒辦法使其與世界時的刻度差總小於 0.9秒。這樣既能保持時間刻度的高度均勻，又能使它與地球自轉密切相關。 ^[2] 

以往的時統設備無論是固定站使用的還是車載或船載的，在使用時都是靜態的。因此這些車載或船載時統設備只是屬於可搬動式的設備，它們的工作狀態與固定台站使用的設備差別不大，所需注意的僅是防止運動過程對設備的損壞。隨着導彈機動作戰能力的提高，對這類飛行器測量的機動要求必然會隨之提出。因此需要時統設備能適應動態工作條件，如能在車載或機載的工作環境下可靠地工作。對航天器的測量正在由陸基向天基發展，如用跟蹤與數據中繼衞星實現對中、低軌道航天器的測控，因此這類衞星上的時統設備就應能適應在星載條件下工作。

動態條件下工作的時統設備主要需解決下述2方面的問題。

(1)設備不僅應能經得住惡劣的運輸環境的考驗，還需在動態的環境下工作。諸如環境温度的劇烈變化、振動、衝擊、過載和輻射等環境條件都會對時統設備的工作造成影響，其中頻率標準對工作環境的變化最為敏感。因此在動態條件下工作的時統設備在研製時要注意解決惡劣環境對設備工作的影響。此外在使用中應為時統設備創造儘可能好的工作環境，如採取恆温、減震等措施以減輕環境條件變化對設備工作的影響。

(2)由於時統設備處於動態的工作環境，其空間位置在不斷變化，給需要精確空間位置來計算電波傳播時延的定時設備的工作帶來困難。因為空間位置的不斷變化意味着從授時台到定時設備的電波時延也在不斷變化。對此需根據對時間同步誤差的要求和空間位置變化的速率，選用或研製相應的高動態定時設備以滿足時統設備時間同步工作的需要。

一種新的測量體制要求相距幾十千米的站間時間同步誤差達到納秒量級。如果站間的時間同步能達到納妙量級，幾個站同時接收來自飛行器的信號就可精確測量其位置。這種測量體制會使原本較難實現的多目標跟蹤測量迎刃而解，因為只需在每個目標內裝有可區分的信標就可解決對多目標的測量。如果測量站是可移動的，還可很方便地用於不同地方的無線電測量設備的精度鑑定工作。這將使通常用精密的光學測量系統靠校飛的方法來進行的精度鑑定工作大為簡化。

納秒量級時間同步的實現首先要解決的是高精度定時手段。激光可以用來傳遞高精度的時間信號，但由於測量站均在地面，要實現幾十千米激光的傳輸需要建高塔，而且激光的傳輸受氣候條件如雨、雪等的影響很大。 ^[3]