一種利用激光共視進行兩地時鐘比對的系統及方法與流程

文檔序號:18139588發布日期:2019-07-10 10:57
一種利用激光共視進行兩地時鐘比對的系統及方法與流程

本公開涉及一種利用激光共視進行兩地時鐘比對的系統及方法,用于兩地的高精度時間比對、傳遞以及同步。



背景技術:

時間(頻率)是基本物理量之一,也是七個國際單位制之一,許多物理量與它相關,因此精確的時間獲取與傳遞對基礎物理以及測量科學具有非常重要的意義。而目前測得最精確的物理量正是時間(頻率)。提供精確的時間標準或頻率標準有原子鐘,穩定度能達到10^-16級別,而更先進的光鐘穩定度能到10^-18,在有了精確的時鐘之后,如何將時間頻率進行分發傳遞則十分關鍵,因為如果在分發和傳遞中引入其它不穩定因素將會影響我們能利用時鐘的性能極限。

時頻傳遞的方法從鏈路上可分為自由空間的時頻傳遞以及光纖中的時頻傳遞。光纖中的時頻傳遞已經達到非常高的對比穩定度(10^-19),但應用場景有一定的限制。更廣泛的時頻傳遞是在自由空間中進行,而目前主流的有基于GPS衛星的微波時頻傳遞和基于激光脈沖往返式的時頻傳遞。利用微波作為信號的主要方式有:衛星共視法(例如:GPS CV),以及衛星雙向時頻傳遞(TWSTFT),它們的時間傳遞精度在幾ns到幾百ps量級,日穩定度在10^-14~10^-15左右。而采用激光的方式,時間傳遞精度能到100ps左右,穩定度提高1~2個量級。

基于衛星共視法的時頻傳遞是通過中高軌衛星向地面發射微波信號,地面兩個不同地方的接收裝置接收并測量微波信號,測量的數據通過修正電離層延時、對流層延時、衛星軌道延時等多項綜合處理得到最終的對比鐘差數據,從而實現時間比對,例如發明專利CN 104181550 A。在該方案中,中高軌衛星共視能夠有效降低衛星位置和電離層、對流層等具有共模性質的誤差的影響。

衛星雙向時頻傳遞(TWSTFT)則是兩地通過衛星(一般是地球同步軌道衛星)中轉,相互發射與接收微波信號來實現時頻傳遞,是目前精度最高的微波時頻傳遞方法,例如發明專利CN 102545993 A。該方法由于雙向鏈路的共模性更好,能基本消除衛星位置誤差以及電離層、對流層的影響。

激光脈沖往返式的時頻傳遞是基于激光測距技術發展起來的一種時間比對方法。該方法通過地面發射激光脈沖,記錄脈沖發射時間,以及脈沖經過星上角反器反射回來的時間,星上記錄脈沖到達時間,通過三個時間計算鐘差,可以用于對比星地時間,同時也可以通過共視或異步對比方式來比對兩地時間,例如發明專利CN 103293947 A、CN 103345145 A。該方式也是雙向鏈路,衛星位置誤差以及大氣延時誤差帶來的影響很小。由于激光頻率較微波頻段高幾個量級,電離層對激光的延時很小,激光的測量精度也更高,可達幾十ps,該方式是目前最高精度的時間傳遞方式之一。但往返式的鏈路衰減很大,與距離成四次方關系,地面需要發射的高能量激光脈沖(每脈沖能量一般需要mJ以上),以及采用大口徑望遠鏡用來接收微弱的回波信號。由于激光能量的限制,該方式的采樣率有限,目前在1~2000Hz左右,同時對時頻比對的距離也有一定限制。

公開內容

(一)要解決的技術問題

為解決上述技術問題,本公開提出了一種利用星載激光共視進行兩地時鐘比對的系統和方法,也就是激光共視法時頻傳遞系統和方法。

(二)技術方案

本公開提供了一種利用激光共視進行兩地時鐘比對的系統,包括:星載設備和位于兩地的兩個地面測站;星載設備,用于提供激光共視時鐘比對期間的精密定軌數據,向兩個地面測站發射激光脈沖信號;地面測站,用于接收所述激光脈沖信號并得到激光脈沖信號的到達時間數據,所述到達時間數據、精密定軌數據和氣象信息組成測量數據;并接收另一個地面測站的測量數據,對兩地面測站的測量數據進行處理,得到兩地時鐘對比結果。

在本公開的一些實施例中,所述星載設備包括:星載激光器,用于產生高重復頻率的、短脈寬的激光脈沖信號;第一激光發射天線和第二激光發射天線,分別用于向兩個地面測站發射激光脈沖信號。

在本公開的一些實施例中,所述星載設備還包括:衛星精密定軌模塊,用于向地面測站提供所述精密定軌數據。

在本公開的一些實施例中,所述地面測站包括:地面望遠鏡,用于接收所述激光脈沖信號;單光子探測器,用于探測所述激光脈沖信號而產生電信號;事件時間轉換器,用于轉換所述電信號而得到激光脈沖信號的到達時間數據;系統控制以及數據存儲模塊,用于集成控制地面望遠鏡、單光子探測器、事件時間轉換器,接收另一個地面測站的測量數據,對兩地面測站的測量數據進行處理。

在本公開的一些實施例中,所述地面測站還包括:衛星定軌導航數據接收模塊,用于所述精密定軌數據。

本公開還提供了一種利用激光共視進行兩地時鐘比對的方法,利用上述系統進行兩地時鐘比對,包括:步驟S101:星載設備與兩地面測站建立穩定的星地激光鏈路;步驟S201:兩地面測站接收星載激光器發射的激光脈沖信號,得到激光脈沖信號的到達時間數據;步驟S301:存儲并傳輸測量數據,測量數據包括激光脈沖信號的到達時間數據、精密定軌數據和氣象信息;步驟S401:完成測量數據的初步匹配和去噪處理;步驟S501:對初步匹配成功的測量數據進行精確的延時修正,得到兩地面測站時鐘比對的鐘差數據。

在本公開的一些實施例中,所述步驟S201包括:子步驟S201a:星載激光器發射高重復頻率、短脈寬的激光脈沖信號,一路激光脈沖信號從第一激光發射天線發射到第一地面測站,另一路激光脈沖信號從第二激光發射天線發射到第二地面測站;子步驟S201b:兩個地面測站的地面望遠鏡分別接收激光脈沖信號,單光子探測器探測所述激光脈沖信號而產生電信號,事件時間轉換器由所述電信號得到激光脈沖信號的到達時間數據。

在本公開的一些實施例中,所述步驟S401包括:子步驟S401a:將兩地面測站的測量數據進行分段,對于每段數據,通過初步修正距離延時以將兩地面測站的該段數據進行匹配成對;子步驟S401b:判斷初步匹配是否成功。對于每段數據,如果匹配失敗,返回子步驟S401a繼續對下一段數據進行上述處理;如果匹配成功,對測量數據進行下一步處理。

在本公開的一些實施例中,所述步驟S501包括:子步驟S501a:對初步匹配成功的測量數據進行精確的延時修正;子步驟S501b:將精確延時修正后的測量數據進行相減,得到兩地面測站時鐘比對的鐘差數據。

在本公開的一些實施例中,所述步驟S101包括:衛星過境時,兩個地面測站以及兩個激光發射天線進行相互初步跟蹤,并同時向對方發射信標光,地面測站和激光發射天線分別捕獲對方發射的信標光,進行精跟蹤閉環,建立兩條穩定的星地激光鏈路。

(三)有益效果

從上述技術方案可以看出,本公開具有以下有益效果:

與傳統微波共視法相比,激光具有更好的測量精度,信號不受電離層影響;與激光往返式時頻比對相比,激光共視同樣能到達100ps左右的比對精度,而比對鏈路的信號衰減大大減少,能夠提高對比采樣率,降低測量隨機誤差,積分穩定度能夠短時間內迅速達到ps量級,同時該方法對激光脈沖能量的需求大大降低,減少對激光器和地面望遠鏡口徑的要求。該方案還可以適應于更遠距離的時頻比對。

附圖說明

圖1是本公開實施例利用激光共視進行兩地時鐘比對的系統的結構示意圖。

圖2是本公開實施例利用激光共視進行兩地時鐘比對的方法流程圖。

具體實施方式

本公開利用星載的激光脈沖光源作為共視信號,分別通過兩套跟蹤發射系統發送給兩地,兩地測量激光脈沖信號達到時間,并利用精密星歷和大氣延時模型等修正延時差,從而獲得兩地鐘差對比數據。該方式既保留了激光的高精度測量,又結合現有的精密定軌技術和共視的特點,在達到與往返式的激光時頻傳遞接近的對比精度的同時,極大降低了對比鏈路的衰減,因此對高能量激光脈沖和大口徑望遠鏡的需求大大降低,提高了對比采樣率,拓展了對比鏈路的距離和對比時間。

下面將結合實施例和實施例中的附圖,對本公開實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述。顯然,所描述的實施例僅僅是本公開一部分實施例,而不是全部的實施例?;诒竟_中的實施例,本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例,都屬于本公開保護的范圍。

本公開實施例提供了一種利用激光共視進行兩地時鐘比對的系統,如圖1所示,該系統包括星載設備和位于兩地的兩個地面測站。

星載設備包括:衛星精密定軌模塊、星載激光器、激光發射天線1以及2組成。

衛星精密定軌模塊,用于提供激光共視時頻比對期間的衛星導航數據以及精密定軌數據,衛星導航數據以及精密定軌數據下傳給兩個地面測站,為后面的延時修正提供精確修正。該模塊可以是雙頻GPS接收機之類的微波定軌裝置或者是往返激光測距以及異步激光測距等光學定軌裝置。

星載激光器能夠產生高重復頻率(>10kHz)的短脈寬(例如:50ps)激光脈沖信號,該激光脈沖信號可以由自由空間光路或光纖光路一分為二,分別通過激光發射天線1、2發射給地面測站1、2。

激光發射天線1和2分別向地面測站1和2發射激光脈沖信號,其本質也是光學望遠鏡,并具有跟瞄系統,分別能夠準確地跟蹤地面測站1和2的地面望遠鏡,跟蹤精度達urad量級,并且具有較小的發散角(10urad量級)。

此外,星載設備還包括信標光發射器,用于向地面測站發射信標光,以進行建立穩定的星地激光鏈路。

兩個地面測站1和2的結構相同,以下以一個地面測站1為例進行說明。地面測站1包括:地面望遠鏡、單光子探測器、事件時間轉換器(TDC)、衛星定軌導航數據接收模塊、系統控制以及數據存儲模塊和時鐘。

地面望遠鏡,用于接收星載設備激光發射天線1發射下來的激光脈沖信號,因此也具備跟瞄系統,能夠對準星載設備所在的衛星,跟蹤精度達urad量級。

地面望遠鏡接收的激光脈沖信號耦合進入光纖或者直接進入自由空間光路,傳入單光子探測器進行探測。單光子探測器選用對目標激光波段具有高效率、低時間抖動的探測器。

單光子探測器探測的電信號輸入事件時間轉換器(TDC),TDC將電信號轉換為時間戳數據并記錄,該時間戳數據表示激光脈沖信號的到達時間。TDC具有較好的探測精度(<20ps),其連接時鐘,其參考頻率由時鐘來提供。

TDC轉換的時間戳數據傳給系統控制與數據存儲模塊,該模塊用于集成控制地面望遠鏡、單光子探測器、TDC等模塊,并與地面測站2的系統控制與數據存儲模塊通信,對兩個地面測站的測量數據進行傳輸以及處理,該測量數據包括時間戳數據、精密定軌數據、氣象信息等。

衛星定軌導航數據接收模塊,用于接收衛星導航數據以及精密定軌數據,并傳給系統控制與數據存儲模塊。

時鐘模塊是地面測站參與時頻比對的時間頻率系統,用于為TDC以及系統控制模塊等提供時間和頻率參考。

此外,地面測站1也還包括信標光發射器和濾波器。信標光發射器用于向星載設備的激光發射天線1發射信標光,以進行建立穩定的星地激光鏈路。濾波器設置于地面望遠鏡和單光子探測器之間,用于對激光脈沖信號進行濾波處理。

該系統還可以包括數據處理中心,用于接收兩地面測站系統控制與數據存儲模塊傳輸的到達時間數據以及精密定軌數據、氣象信息,并對上述數據進行處理。

本公開另一實施例提供了一種利用激光共視進行兩地時鐘比對的方法,利用上述實施例的系統進行兩地時鐘比對,如圖2所示,該方法包括如下步驟:

步驟S101:星載設備與兩地面測站建立穩定的星地激光鏈路。

該步驟具體包括:衛星過境時,兩個地面測站根據衛星的星歷預報,衛星的兩個激光發射天線1和2根據測站坐標進行相互初步跟蹤,并同時向對方發射信標光,地面測站和衛星的激光發射天線分別捕獲對方發射的信標光,進行精跟蹤閉環,建立兩條穩定的星地激光鏈路:即星載設備與地面測站1、星載設備與地面測站2之間的星地激光鏈路。

步驟S201:兩地面測站接收星載激光器發射的激光脈沖信號,得到激光脈沖信號的到達時間數據。

該步驟包括:

子步驟S201a:星載激光器發射激光脈沖信號至兩地面測站。

該步驟具體包括:星載激光器根據衛星指令發射高重復頻率、窄脈寬的激光脈沖信號,并通過光路(例如自由空間光路或光纖光路)將激光脈沖信號一分為二,一路激光脈沖信號從激光發射天線1發射到地面測站1,另一路激光脈沖信號從激光發射天線2發射到地面測站2。

子步驟S201b:兩地面測站對激光脈沖信號進行探測,得到激光脈沖信號的到達時間數據。

該步驟具體包括:兩個地面測站的地面望遠鏡分別接收激光脈沖信號,并通過后光路將激光脈沖信號輸出至單光子探測器進行探測。

由于共視比對時中高軌衛星大部分時間處于太陽照射之下,背景噪聲會比較大,地面測站還包括濾波器,激光脈沖信號進入單光子探測器之前有濾波器進行濾波處理,例如針對激光脈沖信號波段進行窄帶濾波以及空間濾波等等。

單光子探測器的電信號輸出給TDC,由TDC記錄激光脈沖信號的到達時間數據。

步驟S301:存儲并傳輸測量數據,測量數據包括激光脈沖信號的到達時間數據、精密定軌數據和氣象信息。

該步驟具體包括:兩地面測站的衛星定軌導航數據接收模塊接收衛星導航數據以及精密定軌數據,獲取過境的氣象信息,到達時間數據以及精密定軌數據、氣象信息組成測量數據,測量數據存儲至系統控制與數據存儲模塊。系統控制與數據存儲模塊可以將測量數據傳給數據處理中心,由數據處理中心對數據進行處理;也可以將本地面測站的測量數據發送給另一地面測站的系統控制與數據存儲模塊,兩地面測站的系統控制與數據存儲模塊均進行數據處理。

步驟S401:完成測量數據的初步匹配和去噪處理。

該步驟包括:

子步驟S401a:對測量數據進行初步匹配和去噪處理。

在該步驟中,由于星載設備的激光脈沖信號是一分為二發往兩地面測站,而衛星距離兩地面測站的距離并不相同,當激光脈沖信號分別被兩地面測站接收探測時,所經歷的延時并不相同。本實施例將兩地面測站的測量數據進行分段,并進行分段匹配。對于每段數據,根據衛星星歷或者精密定軌數據計算激光脈沖信號到兩地面測站的距離延時,通過初步修正距離延時以將兩地面測站的該段數據進行匹配成對。由于激光脈沖信號是很好的周期信號,可以對測量數據進行頻率濾波,剔除噪聲影響。

子步驟S401b:判斷初步匹配是否成功。對于每段數據,如果其匹配結果超過匹配閾值或匹配成功的測量數據太少,則認為該段數據匹配失敗,返回子步驟S401a繼續對下一段數據進行上述處理;否則,認為匹配成功,對測量數據進行下一步處理。

步驟S501:對初步匹配成功的測量數據進行精確的延時修正,得到兩地面測站時鐘比對的鐘差數據。

該步驟包括:

子步驟S501a:對初步匹配成功的測量數據進行精確的延時修正。

在該步驟中,該延時包括:衛星位置到兩地面測站的距離、大氣對激光脈沖信號的延時、地面測站本地光路、地面測站電路的系統延時、激光發射天線的延時等等,上述各種延時會帶來系統誤差。目前厘米級的定密定軌在中高軌衛星共視的情況下帶來的系統差不到毫米量級,大氣延時修正精度也可到毫米量級,本地光路等各種系統差也能夠在實驗前得到很好的標校。

子步驟S501b:將精確延時修正后的測量數據進行相減,得到兩地面測站時鐘比對的鐘差數據。

該步驟中,精確延時修正后的測量數據可以用來計算艾倫方差曲線,評估兩地面測站時鐘對比的結果,最終完成兩地時鐘比對。

其中,步驟S401、S501可以由數據處理中心執行,也可以由地面測站執行。

至此,已經結合附圖對本實施例進行了詳細描述。依據以上描述,本領域技術人員應當對本公開有了清楚的認識。

需要說明的是,在附圖或說明書正文中,未繪示或描述的實現方式,均為所屬技術領域中普通技術人員所知的形式,并未進行詳細說明。此外,上述對各元件的定義并不僅限于實施例中提到的各種具體結構、形狀或方式,本領域普通技術人員可對其進行簡單地更改或替換,例如:

(1)實施例中提到的方向用語,例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等,僅是參考附圖的方向,并非用來限制本公開的保護范圍;

(2)上述實施例可基于設計及可靠度的考慮,彼此混合搭配使用或與其他實施例混合搭配使用,即不同實施例中的技術特征可以自由組合形成更多的實施例。

以上所述的具體實施例,對本公開的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明,所應理解的是,以上所述僅為本公開的具體實施例而已,并不用于限制本公開,凡在本公開的精神和原則之內,所做的任何修改、等同替換、改進等,均應包含在本公開的保護范圍之內。

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