[发明专利]一种星载时间系统的星地激光时差测量装置

说明书

技术领域

本发明属于卫星导航技术领域，具体涉及一种星载时间系统的星地激光时差测量装置，用于卫星导航系统星地时间系统的精密测量。

背景技术

在卫星导航系统中，星载时钟与地面测站的基准时钟之间的时间频率变化及稳定性关系到整个卫星导航系统的精度和准确度。对于导航卫星的星载时间测量，其精度需要达到纳秒(ns)量级或者更高。

为达到上述精度，一般国际上采用的测量方法为无线电测量方法，这也是国际卫星导航系统，包括美国GPS系统、俄罗斯Glonass系统和欧洲Galileo系统等均普遍采用的方法，我国的北斗卫星导航系统也采用了这一方法。

在无线电测量方法中，由于无线电的波长较长，其精度能够达到纳秒量级，一般情况下大约为3纳秒，这种测量精度虽然能够满足卫星导航的精度要求，但现有的卫星导航技术正朝向更高精度的时间测量发展。

而激光的波长远小于一般的无线电，并且大气对于激光脉冲传递时延的影响较小，因此采用激光对导航卫星的星载时间系统进行测定，则可以获得精度更高的测量数据，从而大大提高卫星导航的准确度。现今卫星导航系统星地时间系统的精密测量领域中，使用激光时间比对技术已经成为更主流的研究方向。

激光时间比对技术是一种以激光脉冲作为媒介实现地面上两个时钟或卫星时钟与地面时钟之间时间频率比较的方法，激光时间传递利用光脉冲在空间的传播实现远距离两地间时钟的同步，是目前精度最高的时间传递方法之一。

目前激光用于测量星地时差仅处于理论阶段，并没有一种装置使用激光来对星载导航系统的时间进行测定。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种星载时间系统的星地激光时差测量装置，使用该装置来完成星地精密激光双向时间比对时，精度极高达到亚纳秒量级。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：该装置包括光电转换模块、电信号时间测量模块、测控指令接收处理模块、测量数据处理传输模块及电源模块；其中各模块之间的连接关系为：光电转换模块连接电信号时间测量模块，测控指令接收处理模块和测量数据处理及传输模块分别与电信号时间测量模块相连，电源模块为整个装置提供电源。

电信号测量模块连接星上参考时钟，测量数据处理传输模块以及测控指令接收处理模块通过遥测遥控通道与地面测站进行通信。

测控指令接收处理模块接收地面测站发送的激光发射时刻，通过星地激光传播路径以及激光传播速度计算得到预计的激光到达时间，以预计的激光到达时间为起点设定固定的时间长度作为门控信号，门控信号发送给光电转换模块。

光电转换模块采用单光子探测器接收地面测站发射的激光脉冲，其中地面测站每隔一秒向本星载装置发射一次激光脉冲。光电转换模块接收门控信号，触发单光子探测器准备接收，单光子探测器依据门控信号，在固定的时间长度内接收入射的激光脉冲，当该固定的时间长度超时，则关闭单光子探测器并等待下次触发；单光子探测器将接收的每个激光脉冲均进行光电转换形成激光脉冲的电信号，记为电脉冲信号，并传送给电信号时间测量模块；

电信号时间测量模块包括整周测量单元；其中整周测量单元由多个时钟延迟单元串联组成；对于星载时钟产生的每个秒脉冲，以该秒脉冲的前沿记为开始信号，在该秒脉冲与下一个秒脉冲之间接收到的电脉冲信号的前沿记为结束信号，开始信号及其对应结束信号之间形成时间闸门；串联多个整周测量单元覆盖时间闸门，计算时间闸门内所包含的整周测量单元的个数，同时计算时间闸门内不足整周部分所包含的时钟延迟单元的个数，获得时间闸门的时间测量值即为时差测量值；在固定的时间长度内获得每个秒脉冲对应的时差测量值，所有时差测量值均发送至测量数据处理传输模块；

测量数据处理传输模块接收电信号时间测量模块发送的时差测量值，对时差测量值进行处理获得符合下传格式的数据并下传至地面测站。

有益效果：

本发明使用激光脉冲信号实现导航卫星与地面测站之间的时间传递和比对，具有单光子检测功能，灵敏度极高；同时，测时精度极高，可以达到亚纳秒量级，可以达到几百皮秒。

附图说明

图1为本发明一种星载时间系统的星地激光时差测量仪器的系统组成图。

图2为基于TDC的时间间隔计数测量原理图。

具体实施方式