CN103293947A - 一种星地激光时间比对系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种星地激光时间比对系统，其包括：地面设备，其向卫星发射激光脉冲信号，并记录地面发射激光脉冲信号时的地面钟的时刻值T_G，同时记录地面接收到从卫星上反射回的所述激光脉冲信号时的地面钟的时刻值T_B，并接收所述激光脉冲信号到达卫星时的卫星钟的时刻值T_S，根据上述三个时刻值，计算得到卫星钟和地面钟的钟差ΔT；以及星载设备，其接收所述激光脉冲信号，并将该激光脉冲信号按原路反射回地面，同时测量所述激光脉冲信号到达卫星时的卫星钟的时刻值T_S，并将该激光脉冲信号到达卫星时的卫星钟的时刻值T_S下传至所述地面设备。本发明采用激光时间比对技术，可高精度地测量星地钟差，实现激光时间比对，进而实现星地时间同步。

Description

一种星地激光时间比对系统

技术领域

本发明涉及激光时间同步技术，尤其涉及一种用于实现星地激光时间同步的星地激光时间比对系统。

背景技术

众所周知，卫星或空间站上的原子钟（铷原子钟、氢原子钟、冷原子钟等）与地面原子钟的比对和精确同步是十分重要的。

常用的卫星和地面时间同步是由无线电实现的，其工作原理为：卫星和地面站分别在自己的钟面时刻通过无线电发射机产生并发播时标信号，然后通过无线电接收机记录发射时标经过一段传播延时后地面和卫星分别观测到对方时标相对本地钟的时刻或时差（下行伪距值和上行伪距值），卫星将自己的记录结果（上行伪距值）通过通信链路发给地面站，地面站通过以上观测数据（上行伪距值和下行伪距值）就能解算出星地钟差，进而实现卫星和地面时间同步。

上述这种无线电双向时间比对方法的主要误差包括：无线电接收机量化和噪声误差、设备零值漂移误差和大气附加延迟残差、自由空间传输时延推定误差等，其中，噪声误差、设备零值漂移误差和大气延迟残差对无线电时间比对影响最大；具体来说：

1、噪声误差指热噪声引起无线电接收机提取数据基准序列时钟的相位误差，这和接收机的信号设计以及接收端的信号处理方式有关，一般在1纳秒左右；

2、设备零值指向上下行信道的系统差，如果上下行信道设计极其对称，该项误差可以被有效抑制，但一般星载和地面无线电接收机设计均不完全对称，因此该项误差需进行零值标定，由于设备的零值漂移与信道带宽和温度变化相关，一般该项误差可控制在5纳秒以下；

3、大气附加延迟残差主要是指在电离层折射引起的信号延迟，该延迟与地方时和季节有关，峰值在地方时下午2点，电离层延迟误差最大，波动也最大，而夜晚误差小，波动也较小，电离层引起的时间同步误差约为0.5纳秒。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种星地激光时间比对系统，以高精度地测量星地钟差，实现激光时间比对，进而实现星地时间同步。

本发明所述的一种星地激光时间比对系统，其包括：

地面设备，其向卫星发射激光脉冲信号，并记录地面发射激光脉冲信号时的地面钟的时刻值T_G，同时记录地面接收到从卫星上反射回的所述激光脉冲信号时的地面钟的时刻值T_B，并接收所述激光脉冲信号到达卫星时的卫星钟的时刻值T_S，根据式（1）-（5）计算得到卫星钟和地面钟的钟差ΔT，

ΔT=T_G+t_上行-T_S          （1），

t_上行=（t-Δ）/2         （2），

t=T_B-T_G                 （3），

Δ=V_Φt/2·cosH·sinA   （4），

V_Φ=ωa·cosΦ          （5），

其中，t_上行为所述激光脉冲信号从地面到达卫星所需的时间，t为所述激光脉冲信号在卫星和地面之间往返的飞行时间，Δ为由地球自转引起的Sagnac效应的修正值，V_Φ为大地纬度为Φ处的地球自转线速度，a为地球半径，ω为地球自转速度，H和A分别为卫星相对于地面的高度和方位角度；以及

星载设备，其接收所述激光脉冲信号，并将该激光脉冲信号按原路反射回地面，同时测量所述激光脉冲信号到达卫星时的卫星钟的时刻值T_S，并将该激光脉冲信号到达卫星时的卫星钟的时刻值T_S下传至所述地面设备。

在上述的星地激光时间比对系统中，所述地面设备包括：

产生所述激光脉冲信号的激光器；

与所述激光器连接的激光测距望远镜，其一方面将所述激光脉冲信号发射至卫星，另一方面接收从卫星上反射回的所述激光脉冲信号；

与所述激光测距望远镜连接的光子探测系统，其将所述从卫星上反射回的所述激光脉冲信号转换为电信号后输出；

与所述光子探测系统连接的地面计时器，其接收一地面时间频率系统输出的地面时间频率基准信号，并且一方面根据该地面时间频率基准信号以及所述激光脉冲信号，记录所述地面发射激光脉冲信号时的地面钟的时刻值T_G，另一方面根据所述地面时间频率基准信号以及所述光子探测系统输出的电信号，记录所述地面接收到从卫星上反射回的所述激光脉冲信号时的地面钟的时刻值T_B；

地面数据传输系统，其接收所述激光脉冲信号到达卫星时的卫星钟的时刻值T_S；以及

与所述地面计时器以及地面数据传输系统连接的地面控制系统，其计算得到所述卫星钟和地面钟的钟差ΔT。

在上述的星地激光时间比对系统中，所述星载设备包括：

激光反射器，其接收所述激光脉冲信号，并将该激光脉冲信号按原路反射回地面；

激光时差测量仪，其探测所述激光脉冲信号，并根据一星载时间频率系统输出的卫星时间频率基准信号，测量所述激光脉冲信号到达卫星时的卫星钟的时刻值T_S；以及

与所述激光时差测量仪连接的星载数据传输系统，其接收并将所述激光脉冲信号到达卫星时的卫星钟的时刻值T_S下传至所述地面设备。

在上述的星地激光时间比对系统中，所述激光时差测量仪包括：

激光探测器，其探测所述激光脉冲信号，并将该激光脉冲信号转化为电信号后输出；以及

与所述激光探测器连接的激光计时器，其一方面测量所述激光探测器输出的电信号与所述卫星时间频率基准信号中包含的基准脉冲信号的时间间隔TI，并根据该时间间隔TI，测量并向所述星载数据传输系统输出所述激光脉冲信号到达卫星时的卫星钟的时刻值T_S；另一方面根据所述星载数据传输系统输出的由所述地面设备发出的控制指令，向所述激光探测器输出门控信号。

在上述的星地激光时间比对系统中，所述激光探测器包括：

雪崩二极管，其输入端接收一反偏电压，其输出端通过一输出电阻接地，该输出端还接收所述门控信号；以及

具有两个输入端的高速比较器，其一个输入端与所述雪崩二极管的输出端连接，其另一个输入端接收一参考电平，其输出端一方面与所述激光计时器连接，另一方面连接至所述雪崩二极管的输出端。

在上述的星地激光时间比对系统中，所述激光计时器包括：

与所述星载数据传输系统通信连接的数据处理板，其一方面向所述星载数据传输系统输出所述激光脉冲信号到达卫星时的卫星钟的时刻值T_S，另一方面接收所述星载数据传输系统输出的由所述地面设备发出的控制指令；

与所述数据处理板连接的时差测量板，其一方面测量并向所述数据处理板输出所述激光脉冲信号到达卫星时的卫星钟的时刻值T_S，另一方面根据所述数据处理板接收到的由所述地面设备发出的控制指令，向所述激光探测器输出门控信号。

在上述的星地激光时间比对系统中，所述数据处理板包括相互连接的中央处理单元和通信数据处理模块。

在上述的星地激光时间比对系统中，所述时差测量板包括相互连接的现场可编程门阵列和时间数字转换器。

在上述的星地激光时间比对系统中，所述激光计时器还包括向所述数据处理板和时差测量板供电的电源模块。

由于采用了上述的技术解决方案，本发明采用激光时间比对技术，即通过采用激光脉冲信号的传递进行星地时间比对；在激光脉冲信号的传递过程中，由于其脉冲宽度窄，因此激光探测的精度高，又由于激光波长短频率高，因此受大气电离层的影响小，从而可以精确修正星地时间，使其同步；而且激光设备时延的不确定度以及时延漂移都比较小，因此通过将本发明的激光双向时间比对结果（即卫星钟和地面钟的钟差ΔT）与现有的星地无线电双向时间比对结果比较，可以检验无线电双向时间比对系统中存在的系统误差及无线电收发设备时延的稳定性。

附图说明

图1是本发明的星地激光时间比对技术的原理图；

图2是本发明的一种星地激光时间比对系统的结构框图；

图3是本发明中激光时差测量仪的结构框图；

图4是本发明的激光时差测量仪中激光探测器的原理框图；

图5是本发明的激光时差测量仪中激光计时器的原理框图；

图6是本发明的激光时差测量仪中激光计时器的测时原理图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

首先根据图1，对本发明的星地激光时间比对技术的原理进行说明。

星地激光双向时间比对技术的基本原理是：地面向卫星发射激光脉冲信号，该激光脉冲信号到达卫星后，星载设备记录下该激光脉冲信号到达卫星时的卫星钟的时刻值；同时，星载设备将该激光脉冲信号反射回地面，地面设备分别记录下发射该激光脉冲信号和接收到返回的激光脉冲信号时的地面钟的时刻值；并且，地面设备还接收从卫星传送下来的激光脉冲信号到达卫星时的卫星钟的时刻值，根据该卫星钟的时刻值以及两个地面钟的时刻值即可得到卫星钟与地面钟之间的钟差，从而完成星地之间的时间比对。

如图1所示，当地面时（地面钟的时刻值）为T_CG时，卫星时（卫星钟的时刻值）为T_CS，设卫星时和地面时的时差为ΔT，因此，当卫星时T_CS经过ΔT后，将和地面时T_CG相同，也就是说，T_CS+ΔT=T_CG，即，当地面时为T_CG时，卫星时T_CS=T_CG-ΔT。

假设地面发射激光脉冲信号的时刻值为T_G，该激光脉冲信号经过一段时间后到达卫星，此时的卫星钟的时刻值为T_S，同时，该激光脉冲信号被反射回地面，该激光脉冲信号到达地面时的地面钟的时刻值为T_B。根据卫星激光测距原理，可以由激光脉冲信号在卫星和地面之间往返的飞行时间t（即t=T_B-T_G）计算出该激光脉冲信号从地面到达卫星所需的时间t_上行，具体来说，由于激光脉冲信号在卫星和地面之间往返的飞行时间t由激光脉冲信号从地面到达卫星所需的时间t_上行和激光脉冲信号从卫星返回到地面所需的时间t_下行组成，因此，t_上行=t-t_下行；又由于地球自转所引起的Sagnac效应（萨格纳克效应）使得t_上行和t_下行不相等，且两者相差一个量记为Δ，即，t_下行=t_上行-Δ，因此t_上行=（t-Δ）/2，其中，由地球自转引起的Sagnac效应的修正值Δ=V_Φt/2·cosH·sinA，V_Φ为大地纬度为Φ处的地球自转线速度，且V_Φ=ωa·cosΦ，a为地球半径，ω为地球自转速度，H和A分别为卫星相对于地面的高度和方位角度。因此，当卫星钟的时刻值为T_S时，地面钟的时刻值为T_G+t_上行，即，T_S=T_G+t_上行-ΔT；由此可以得到卫星钟和地面钟的时差ΔT=T_G+t_上行-T_S。

基于上述原理，本发明，即一种星地激光时间比对系统，包括地面设备和星载设备，其中：

地面设备主要用于向卫星发射激光脉冲信号，并记录发射激光脉冲信号时的地面钟的时刻值T_G，同时记录地面接收到从卫星上反射回的激光脉冲信号时的地面钟的时刻值T_B，并接收从卫星设备下传的数据，即该激光脉冲信号到达卫星时的卫星钟的时刻值T_S，最后根据上述三个数据计算得到卫星钟和地面钟的钟差ΔT，从而完成星地时钟的比对工作，利用该钟差即可实现星地激光时间同步；

星载设备主要用于接收地面设备发射的激光脉冲信号，并将该激光脉冲信号按原路反射回地面，同时测量该激光脉冲信号到达卫星时的卫星钟的时刻值T_S，最后将该卫星钟的时刻值T_S下传至地面设备。

如图2所示，地面设备包括设置在地面激光测距站的激光器1、激光测距望远镜2、地面时间频率系统3、光子探测系统4、地面计时器5、地面数据传输系统6和地面控制系统7；具体来说：

激光器1产生激光脉冲信号；

激光测距望远镜2一方面将激光器1产生的激光脉冲信号通过发射镜发射至卫星，另一方面接收从卫星上反射回的激光脉冲信号；

光子探测系统4将激光测距望远镜2接收到的返回的激光脉冲信号转换为电信号后输出；

地面计时器5在接收地面时间频率系统3输出的地面时间频率基准信号的基础上，一方面根据激光器1输出的激光脉冲信号，记录地面发射激光脉冲信号时的地面钟的时刻值T_G，另一方面根据光子探测系统4输出的电信号，记录地面接收到从卫星上反射回的激光脉冲信号时的地面钟的时刻值T_B；

地面数据传输系统6接收从卫星设备下传的激光脉冲信号到达卫星时的卫星钟的时刻值T_S；该地面数据传输系统6还可以向卫星设备输出地面控制系统7的控制指令；

地面控制系统7根据地面计时器5输出的地面发射激光脉冲信号时的地面钟的时刻值T_G和地面接收到从卫星上反射回的激光脉冲信号时的地面钟的时刻值T_B，以及地面数据传输系统6输出的激光脉冲信号到达卫星时的卫星钟的时刻值T_S，计算得到激光脉冲信号从地面到达卫星所需的时间t_上行，并最终计算得出卫星钟和地面钟的钟差ΔT，从而完成星地时间的比对，以实现星地激光时间的同步；地面控制系统7还可控制激光测距望远镜2根据卫星预报信息对卫星进行跟踪和监视。

如图2所示，星载设备包括设置在卫星上的激光反射器8、激光时差测量仪9、星载时间频率系统10和星载数据传输系统11；具体来说：

激光反射器8接收激光测距望远镜2发射的激光脉冲信号，并将该激光脉冲信号按原路反射回激光测距望远镜2；

激光时差测量仪9探测激光测距望远镜2发射的激光脉冲信号，并根据星载时间频率系统10输出的卫星时间频率基准信号，测量激光脉冲信号到达卫星时的卫星钟的时刻值T_S；

星载数据传输系统11接收激光时差测量仪9输出的激光脉冲信号到达卫星时的卫星钟的时刻值T_S，并根据卫星的资源情况选择合适的方式将该卫星钟的时刻值下传至地面数据传输系统6；星载数据传输系统11还可以根据地面数据传输系统6输出的地面控制系统7的控制指令，对激光时差测量仪9及其他星载设备进行指令控制和模式切换等操作。

在本实施例中，激光反射器8是由一组熔石英材料角锥组成的反射器阵列，每个角锥是具有三个直角面相互垂直的四面体棱镜，其光学特性如下：一束激光从四面体棱镜的底面（即三个直角面以外的第四面）入射，依次经过三个直角面的反射后，从底面射出。此出射光束与入射激光束平行，但方向相反。因此，安装在卫星上的激光反射器8能使地面设备接收到较强的反射的激光脉冲信号，从而便于地面设备实现高精度激光测距和其它有关的测量，例如，在本发明中，地面设备利用激光反射器8反射回地面的激光脉冲信号可以计算出激光脉冲信号从地面到达卫星所需的时间t_上行。

如图3所示，本发明中的激光时差测量仪9具体包括激光探测器91和高精度的激光计时器92，其中：

激光探测器91主要用于探测激光测距望远镜2发射的激光脉冲信号，并将该激光脉冲信号转化为电信号后输出；

激光计时器92主要用于测量激光探测器91输出的电信号与星载时间频率系统10输出的卫星时间频率基准信号中包含的基准脉冲信号（即秒脉冲信号）的时间间隔TI，从而获得激光脉冲信号到达卫星时的卫星钟的时刻值T_S，并向星载数据传输系统11输出该卫星钟的时刻值T_S，另外还可以接收星载数据传输系统11输出的地面的控制指令，以执行相应的控制操作，例如激光计时器92可以根据地面的控制指令向激光探测器91输出门控信号，以控制激光探测器91的灵敏时间；激光计时器92通过电缆与星载时间频率系统10以及星载数据传输系统11通信连接。

如图4所示，本发明中激光探测器91采用的核心部件为雪崩二极管（Single Photon Avalanche Diode，SPAD），本发明中的雪崩二极管需使用通过辐照试验并经验证适合应用于航天领域的产品。

激光探测器91利用雪崩二极管的雪崩特性，在雪崩二极管两端加上反偏电压，当该反偏电压大于等于其雪崩电压时，雪崩二极管处于不稳定态，此时一旦有光照入则雪崩二极管马上雪崩导通，从而将光信号（即地面发射的激光脉冲信号）转换为电信号输出。

由于这种雪崩二极管对光敏感度达到单光子水平，因此又称为单光子雪崩二极管；由于雪崩二极管雪崩后自动恢复很慢或不能自动恢复，因此必须控制其两端电压使其停止雪崩状态，否则很容易损坏雪崩二极管。鉴于上述原因，原理上需要将雪崩二极管的输出反馈到其雪崩电压上，从而当雪崩二极管雪崩时，通过其反馈电路使雪崩电压降低，进而使雪崩二极管的雪崩停止。

基于上述情况，本实施例中激光探测器91的电路结构具体包括雪崩二极管911和高速比较器912，其中：

雪崩二极管911的输入端（阳极）接收一反偏电压，其输出端（阴极）通过输出电阻R_a接地，该输出端还接收激光计时器92输出的门控信号；

高速比较器912的一个输入端与雪崩二极管911的输出端连接，其另一个输入端接收一参考电平U_ref，其输出端一方面与激光计时器92连接，另一方面连接至雪崩二极管911的输出端，从而形成反馈电路。

上述电路结构的工作原理如下：

雪崩二极管911接反偏电压，即雪崩二极管911的阳极接低电平，而阴极接高电平，从而使雪崩二极管911处于工作状态；当雪崩二极管911由于感光产生雪崩后，将在输出电阻R_a一端产生输出电压U_a，该输出电压U_a被输入高速比较器912的一个输入端，高速比较器912的另一个输入端接参考电平U_ref（该参考电平U_ref通常在雪崩二极管911没有雪崩时的输出电压的值和雪崩后的输出电压U_a的值之间的范围内取值），高速比较器912对输出电压U_a和参考电平U_ref进行比较后，即向激光计时器92输出电信号，从而实现光信号和电信号之间的转化。

由于雪崩二极管911雪崩后产生的雪崩电流大小不是固定值，因此，当参考电平U_ref选取的值接近雪崩二极管911没有雪崩时的输出电压的值时，雪崩二极管911的任何微弱的雪崩电流都可能被高速比较器912探测到并输出相应的电信号，此时可认为激光探测器91的灵敏度比较高。但由于雪崩二极管911本身存在反向暗电流，因此，其高灵敏度将使其暗电流产生的输出被高速比较器912探测到，从而增加激光探测器91的暗噪声。

雪崩二极管911雪崩后恢复到灵敏的等待雪崩状态所需要的时间称为死区时间。受死区时间的影响，如果在激光脉冲信号到达前，雪崩二极管911已经由于噪声而发生雪崩，且尚未恢复到灵敏的待雪崩状态，则该激光脉冲信号就无法被激光探测器91探测到。因此，在本发明中，通过激光计时器92以固定的频率向激光探测器91发送门控信号，以控制激光探测器91的灵敏时间，使其在有效的激光脉冲信号发射出来之前不工作，而在有效的激光脉冲信号即将到来前才处于灵敏状态，同时，通过地面设备控制激光脉冲信号的发射时刻，使激光脉冲信号到达激光探测器91的时刻正好位于门控信号发出之后，这样就避免了噪声引起雪崩而对有效探测的影响。

另外，由于雪崩二极管911从雪崩状态结束雪崩恢复到高灵敏状态的时间较长，因此，将高速比较器912的输出信号反馈到雪崩二极管911的输出端，从而促使雪崩二极管911在雪崩输出后能够尽快结束雪崩，并恢复到高灵敏状态等待下一次雪崩。

在本实施例中，通过采用单光子灵敏度的雪崩二极管911和高速比较器912可以使激光探测器91的时间测量精度达到100ps。

如图5所示，本发明中激光计时器92包括电源模块921、数据处理板922和时差测量板923，其中：

电源模块921通过总线分别与数据处理板922和时差测量板923连接，以向数据处理板922和时差测量板923供电；

数据处理板922与星载数据传输系统11通信连接，一方面向星载数据传输系统11输出激光脉冲信号到达卫星时的卫星钟的时刻值T_S，另一方面接收星载数据传输系统11输出的地面的控制指令，其中包括控制时差测量板923向激光探测器91输出门控信号；数据处理板922具体包括相互连接的中央处理单元9221（Central Processing Unit，CPU）和通信数据处理模块9222，其中，中央处理单元9221包含地址总线和数据总线，并通过这两种总线与通信数据处理模块9222、时差测量板923以及电源模块921进行通信，且该中央处理单元9221通过通信数据处理模块9222接收星载数据传输系统11的指令数据、系统时刻信息，并在经过识别后向时差测量板923发送测量、停止、时间同步、模式控制、发送激光探测器91门控输出等指令；时差测量板923接收指令执行相应的操作，并返回相应的状态字，并根据协议将激光脉冲信号到达卫星时的卫星钟的时刻值T_S通过总线发送给通信数据处理模块9222，通过该通信数据处理模块9222即可发送给星载数据传输系统11进行数据下传；

时差测量板923通过总线和内部通信协议与数据处理板922连接，其接收激光探测器91输出的电信号以及星载时间频率系统10输出的卫星时间频率基准信号，并测量该电信号和卫星时间频率基准信号中包含的基准脉冲信号的时间间隔TI，进而得到激光脉冲信号到达卫星时的卫星钟的时刻值T_S，并将该卫星钟的时刻值T_S传输至数据处理板922；时差测量板923具体包括相互连接的现场可编程门阵列9231（Field-Programmable Gate Array，FPGA）和时间数字转换器9232（Time to Digital Convertor，TDC），并由此实现上述功能。

由此可见，时差测量板923作为激光计时器92的关键部件，实现了高精度测时；请参阅图6，时差测量板923的工作原理如下：

时差测量板923采用内插测时方法，以外部输入的时间频率基准信号作为参考时基，把需计时的两个输入脉冲（例如上文中所述的激光探测器91输出的电信号以及卫星时间频率基准信号中所含的基准脉冲信号）所对应的参考时基上的时间间隔划分为大数部分Δt和精细部分Δt₁、Δt₂；大数部分Δt可利用普通计数器对外部输入的时间频率基准信号的脉冲（也称为时基脉冲）进行计数获得，精细部分Δt₁和Δt₂是指需计时的两个输入脉冲分别与其后最近的时基脉冲之间的微小时间间隔；由此，如图6所示，需计时的两个输入脉冲的时间间隔TI=Δt+Δt₁-Δt₂。

基于上述原理，时差测量板923中各部件的原理如下：

星载时间频率系统10将卫星时间频率基准信号送入时差测量板923，经过信号处理后，该卫星时间频率基准信号进入现场可编程门阵列9231，作为参考时基，同时将卫星时间频率基准信号中所含的基准脉冲信号（秒脉冲信号）作为开始信号，并将激光探测器91输出的电信号（对应激光探测器91探测到的激光脉冲信号）作为结束信号也送入现场可编程门阵列9231中；当现场可编程门阵列9231接收到开始信号后，将该开始信号送入时间数字转换器9232，同时通过其内部计数器对开始信号之后的时基脉冲进行粗计数，当现场可编程门阵列9231接收到结束信号后，同样将该结束信号送入时间数字转换器9232，同时停止对时基脉冲的计数，至此即可得到Δt；当时间数字转换器9232接收到开始信号后，记录下该开始信号与其后最近的时基脉冲之间的精密时间间隔Δt₁，当时间数字转换器9232接收到结束信号后，记录下该结束信号与其后最近的时基脉冲之间的精密时间间隔Δt₂；至此即可得到秒脉冲信号和电信号之间的时间间隔TI。在现场可编程门阵列9231的内部计数器对秒脉冲进行计数的同时，可以获得每个秒脉冲的时刻信息，根据该时刻信息、秒脉冲信号本身以及时间间隔TI通过已知的方法即可获得激光脉冲信号到达卫星时的卫星钟的时刻值T_S。

一般而言，星载时间频率系统10可以向激光计时器92提供10MHz的卫星时间频率基准信号和包含在该卫星时间频率基准信号内的标准1pps（pulseper second）的秒脉冲信号，以及秒信号的时刻值。如果激光计时器92直接测量1pps的秒脉冲信号和收到的激光脉冲信号之间的时间间隔，则每秒钟只有一个测量数据，数据量会很小。因此实际上可由激光计时器92内部的现场可编程门阵列9231根据10MHz的卫星时间频率基准信号产生20pps、100pps或其他频率的脉冲信号（通常根据与激光器1的输出频率的匹配原则确定该脉冲信号的频率），测量该脉冲信号与激光脉冲信号的时间间隔，从而可在每秒获得若干个的测量数据。

综上所述，本发明通过在卫星上装载采用单光子激光脉冲探测方法的激光时差测量仪，有效提高了激光测距的精度（实践证明，本发明的测量精度比现有的无线电时间比对系统的测量精度高一个数量级），同时减小了激光测距时延的不确定度以及漂移；通过将本发明的激光双向时间比对结果与现有的星地无线电双向时间比对结果比较，可以检验无线电双向时间比对系统中存在的系统误差及无线电收发设备时延的稳定性；根据本发明的激光双向时间比对结果也可以实时对星上或不同测量站的时间系统进行同步标校和比对，在多站配备时间比对地面设备的条件下，进行各站间的时间同步打下基础。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (9)

1.一种星地激光时间比对系统，其特征在于，该系统包括：

地面设备，其向卫星发射激光脉冲信号，并记录地面发射激光脉冲信号时的地面钟的时刻值T_G，同时记录地面接收到从卫星上反射回的所述激光脉冲信号时的地面钟的时刻值T_B，并接收所述激光脉冲信号到达卫星时的卫星钟的时刻值T_S，根据式（1）-（5）计算得到卫星钟和地面钟的钟差ΔT，

ΔT=T_G+t_上行-T_S         （1），

t_上行=（t-Δ）/2        （2），

t=T_B-T_G                （3），

Δ=V_Φt/2·cosH·sinA  （4），

V_Φ=ωa·cosΦ         （5），

其中，t_上行为所述激光脉冲信号从地面到达卫星所需的时间，t为所述激光脉冲信号在卫星和地面之间往返的飞行时间，Δ为由地球自转引起的Sagnac效应的修正值，V_Φ为大地纬度为Φ处的地球自转线速度，a为地球半径，ω为地球自转速度，H和A分别为卫星相对于地面的高度和方位角度；以及

星载设备，其接收所述激光脉冲信号，并将该激光脉冲信号按原路反射回地面，同时测量所述激光脉冲信号到达卫星时的卫星钟的时刻值T_S，并将该激光脉冲信号到达卫星时的卫星钟的时刻值T_S下传至所述地面设备。

2.根据权利要求1所述的星地激光时间比对系统，其特征在于，所述地面设备包括：

产生所述激光脉冲信号的激光器；

与所述激光器连接的激光测距望远镜，其一方面将所述激光脉冲信号发射至卫星，另一方面接收从卫星上反射回的所述激光脉冲信号；

与所述激光测距望远镜连接的光子探测系统，其将所述从卫星上反射回的所述激光脉冲信号转换为电信号后输出；

与所述光子探测系统连接的地面计时器，其接收一地面时间频率系统输出的地面时间频率基准信号，并且一方面根据该地面时间频率基准信号以及所述激光脉冲信号，记录所述地面发射激光脉冲信号时的地面钟的时刻值T_G，另一方面根据所述地面时间频率基准信号以及所述光子探测系统输出的电信号，记录所述地面接收到从卫星上反射回的所述激光脉冲信号时的地面钟的时刻值T_B；

地面数据传输系统，其接收所述激光脉冲信号到达卫星时的卫星钟的时刻值T_S；以及

与所述地面计时器以及地面数据传输系统连接的地面控制系统，其计算得到所述卫星钟和地面钟的钟差ΔT。

3.根据权利要求1或2所述的星地激光时间比对系统，其特征在于，所述星载设备包括：

激光反射器，其接收所述激光脉冲信号，并将该激光脉冲信号按原路反射回地面；

激光时差测量仪，其探测所述激光脉冲信号，并根据一星载时间频率系统输出的卫星时间频率基准信号，测量所述激光脉冲信号到达卫星时的卫星钟的时刻值T_S；以及

与所述激光时差测量仪连接的星载数据传输系统，其接收并将所述激光脉冲信号到达卫星时的卫星钟的时刻值T_S下传至所述地面设备。

4.根据权利要求3所述的星地激光时间比对系统，其特征在于，所述激光时差测量仪包括：

激光探测器，其探测所述激光脉冲信号，并将该激光脉冲信号转化为电信号后输出；以及

与所述激光探测器连接的激光计时器，其一方面测量所述激光探测器输出的电信号与所述卫星时间频率基准信号中包含的基准脉冲信号的时间间隔TI，并根据该时间间隔TI，测量并向所述星载数据传输系统输出所述激光脉冲信号到达卫星时的卫星钟的时刻值T_S；另一方面根据所述星载数据传输系统输出的由所述地面设备发出的控制指令，向所述激光探测器输出门控信号。

5.根据权利要求4所述的星地激光时间比对系统，其特征在于，所述激光探测器包括：

雪崩二极管，其输入端接收一反偏电压，其输出端通过一输出电阻接地，该输出端还接收所述门控信号；以及

具有两个输入端的高速比较器，其一个输入端与所述雪崩二极管的输出端连接，其另一个输入端接收一参考电平，其输出端一方面与所述激光计时器连接，另一方面连接至所述雪崩二极管的输出端。

6.根据权利要求4或5所述的星地激光时间比对系统，其特征在于，所述激光计时器包括：

与所述星载数据传输系统通信连接的数据处理板，其一方面向所述星载数据传输系统输出所述激光脉冲信号到达卫星时的卫星钟的时刻值T_S，另一方面接收所述星载数据传输系统输出的由所述地面设备发出的控制指令；

与所述数据处理板连接的时差测量板，其一方面测量并向所述数据处理板输出所述激光脉冲信号到达卫星时的卫星钟的时刻值T_S，另一方面根据所述数据处理板接收到的由所述地面设备发出的控制指令，向所述激光探测器输出门控信号。

7.根据权利要求6所述的星地激光时间比对系统，其特征在于，所述数据处理板包括相互连接的中央处理单元和通信数据处理模块。

8.根据权利要求6所述的星地激光时间比对系统，其特征在于，所述时差测量板包括相互连接的现场可编程门阵列和时间数字转换器。

9.根据权利要求7或8所述的星地激光时间比对系统，其特征在于，所述激光计时器还包括向所述数据处理板和时差测量板供电的电源模块。

Images