高精度光纤时频传递天线组阵技术与航天测控应用
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子频标（原子钟）在20世纪中期的出现推动人类进入了精确计时的新时代，为基础科学研究、通信、导航、天文观测及航天测控等诸多科技领域注入了新的发展动力，相关应用涉及到频标信号高精度的传输。
在天文观测及航天测控中，为了获得高的分辨率，需要大孔径的望远镜——特别是射电天文望远镜，其接收射电信号的波长较长，接收天线需要更大的孔径，然而单个天线的最大孔径受技术条件所限无法过大；同时，为了降低成本、提高系统灵活性，很多射电天文望远镜都采用了天线组阵的方式——即通过位于不同位置的两个或多个天线相位相干地接收信号，便可合成为一个具有很大等效孔径的天线，其关键之处在于必须保证天线组阵中各个天线单元接收到的信号间相位关系的一致性。
以阿塔卡玛大型毫米波/亚毫米波天线阵列（ALMA）为例，它由66个天线组成，天线间的最长距离可达18公里，本振参考信号通过处理中心的高稳定原子钟获得并传输至各个天线。另一个典型的应用场景是卫星导航系统。尽管导航系统中原子钟的输出频率非常稳定，但随着使用时间的推移，需要定时与主钟同步，否则会带来不可忽略的定位和授时不确定度。同时，在导航系统的地面观测站之间，时钟的同步同样不可或缺，否则将造成卫星轨道参数的误差，同样会引起定位和授时不确定度。
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传统的时频传递方案主要包括全球定位系统（GPS）、卫星双向时间传递、无线传输、直接电缆传输等方案，这些传递方法的短期稳定度与长期稳定度较频率源相比往往下降数个数量级，难以满足天线组阵系统对于高精度时频信号的需求。相比较而言，基于光纤的时频传递具有低噪声、低损耗、高可靠性与宽带的优势，可以更有效地避免外界环境因素变化的干扰，天然实现很好的短期频率稳定度，对光纤进行适当控制后还可实现很好的长期稳定度。所以基于光纤的时频传递技术已经成为未来高稳定度时间频率传输与分布的首选方案。
当前光纤时频传递存在的问题主要表现在以下3个方面：
首先，延时补偿范围不够大、精度不够高。现有系统的延时补偿范围和补偿精度受延时补偿器件的制约，而对同一器件来说很难同时实现大范围和高精度补偿；
其次，授时精度远低于守时精度。现有的方案往往把授时和守时分成两个独立的系统，两套系统共用光纤链路，导致授时精度往往只有纳秒量级，远低于皮秒量级的守时精度；
最后，如何更为有效地实现一点对多点的时频传递，以满足未来天线组阵等多节点分布式系统的需求，也是需要解决的难题。
研究团队通过对时频信号在光纤信道中传输机理与瓶颈的分析研究，提出了基于“光纤色散时延”调控的时频传递技术和整套解决方案（图1）。该技术具有宽带、大范围补偿与快速调节等优势。相关研究成果包括稳相频率传递、宽带时间频率同传、宽带稳相回传以及任意点时间频率传递等技术。
研究团队首先提出了一种基于可调色散延时的链路时延抖动补偿方法。利用光纤使色散介质这一特性可以进行时延补偿（而不仅是相位补偿），同时获得了大范围（和光纤传输距离成正比的动态补偿范围）、高精度的补偿能力。另外，研究团队在改进的系统中加入了压电陶瓷光纤延迟线，可以获得更为精细的调节能力。这解决了当前时延补偿范围和补偿精度难以同时提升的矛盾。在60 公里光纤上传递可以实现优异的短期（6.5 × 10-14@1 秒）和长期（2.1 ×10-17@1万秒）频率稳定度。
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基于上述稳相传输技术，研究团队提出了宽带、多载波的稳相传输方法，可通过单个标校频率稳定整个光纤链路的延时，从而保证同传信号（频率本振、时间信号等）的稳相传输，并使得这些信息共享参考频率的高稳相精度。这解决了当前授时精度远低于守时精度的矛盾。
为了解决多天线阵列接收信号时在天线处变频容易引入额外相位抖动而影响系统性能的问题，研究团队设计了宽带射频信号的稳相回传系统，它可以将天线接收到的射频信号直接相位稳定地传回处理中心。这一方案带来了许多优势：
远端天线处结构简化，引入额外抖动的机率小；
不再需要传输中频信号的线路和设备；
变频等操作集中到中心端，便于操作、维护和升级，如接收频段变化，只需改变处理中心的配置即可。
研究团队还提出了一种基于环网拓扑结构的多点时频传递技术(图2)，可以在环形光纤网络上任一点下载时间与频率信息，这是对当前和未来航天测控与卫星导航系统中天线节点数目增加而提出的创新解决思路。与传统的点对点时频传递方式相比，该技术从传递路径入手进行创新，复杂性与成本显著降低，系统更高效灵活。在45公里光纤环路任意下载点上，实现了2×10-13的1秒频率稳定度和1.7×10-16 的1万秒频率稳定度；时间恢复精度达40皮秒，时间偏差达20皮秒（1秒稳定度）和 0.9皮秒（1千秒稳定度）。
研究团队与北京航天飞行控制中心合作，对光纤时频传递方案和系统进行了一系列研究与应用。2013年至2016年之间，利用多本振稳相传递系统对“嫦娥三号”探月航天器进行了持续跟踪测量，提取了高精度的频率信息，形成了开环测速、三向测速处理结果，开展了航天器精密测定轨试验。为完成试验目标，必须精确测量“嫦娥三号”转发回地面的信标信号。从机房到天线有近百米距离，射频本振信号相位在倍频与传递过程中相位受环境温度变化、天线伺服电机振动等原因产生抖动，必须加以抑制。研究团队开发了多射频本振光纤稳相传递系统(图3)，实现了X-L混频本振、L-中频混频本振的同缆、同时稳相传输，实际得到小于0.01 弧度的本振相位漂移，确保系统总体达到9.8毫赫兹频率的估计精度和0.384毫米/秒的测速精度，圆满达到了航天器精密测定轨试验目的。
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干涉测量的被动式测量特征对实现在轨航天器的轨道监测具有重要意义。研究团队与北京航天飞行控制中心合作进行了在轨航天器被动式的高精度连线干涉测量。分别位于北京航天飞控中心与5.5 公里外的卫星地面通信站形成连线干涉测量系统(图4)，通过研究团队研制的光纤多本振稳相传输系统实现频率同步，从而为提升在轨航天器轨道监测精度提供关键技术支撑。测试中，两个连线天线单元共同跟踪待测卫星和一颗北斗导航卫星，其中北斗导航卫星作为标校卫星，根据干涉测量数据处理方法得到待测卫星的干涉时延与角位置。系统最终实现了优于0.4纳秒的干涉时延测量精度，在5.5 公里基线上实现约千分之一度的测角精度，且测角精度还可以通过增加基线长度获得进一步的提高。
目前，中国正在加紧建设自己的深空探测网络。这些试验将为提高中国航天器轨道测量精度提供有力支持。随着包括空间碎片在内的在轨航天器数量的急剧增加，对在轨航天器轨道进行高精度监测也将变得十分迫切。研究团队相关高精度光纤时频传递技术及解决方案，有能力为航天测控系统地面站及其天线组阵系统提供更高精度的时频同步，并有望未来在国家深空探测、在轨航天器轨道监测以及天文观测等领域获得进一步的推广应用。
徐坤、戴一堂、尹飞飞、江中泽、张安旭：北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室。
唐歌实、任天鹏：北京航天飞行控制中心航天飞行动力学技术重点实验室。
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