一种星载时间系统的星地激光时差测量装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种星载时间系统的星地激光时差测量装置，属于卫星导航【技术领域】。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；测控指令接收处理模块设定固定的时间长度的门控信号发送给光电转换模块；光电转换模块依据门控信号接收地面测站每隔一秒发来的激光脉冲，并转换成电脉冲信号传送给电信号时间测量模块。电信号时间测量模块串联多个由时钟延迟单元整周测量单元覆盖时间闸门，测得时间闸门的时间即为时差测量值，其中时间闸门以星载时钟的每个秒脉冲为开始信号，在该秒脉冲与下一秒脉冲之间的电脉冲信号为结束信号；时差测量值由测量数据处理传输模块进行处理并下传至地面测站。
【专利说明】一种星载时间系统的星地激光时差测量装置
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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】
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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；
[0013]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；
[0014]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。
[0015]有益效果:
[0016]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。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]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。
[0018]图2为基于TDC的时间间隔计数测量原理图。
【具体实施方式】
[0019]本发明所提出的一种星载时间系统的星地激光时差测量仪器，可以完成高精度光电转换和时间测量及测量数据传递。即，将接收到的地面测站发射的激光脉冲信号快速、实时转换为电脉冲信号；同时，测量电脉冲信号与星载时钟的秒脉冲之间的时间间隔；并将测量数据按一定格式编排后通过一定信道，以导航电文或者遥测信息形式下传到地面测站。地面测站根据星载激光时差测量仪器的测量数据，精确计算出星地时间系统的钟差。
[0020]下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0021]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、测量数据处理和传输模块及电源模块。
[0022]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。
[0023]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通道与地面测站进行通信。
[0024]地面测站每隔一秒向星上设备发射一个激光脉冲信号。
[0025](I)、测控指令接收处理模块
[0026]该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每个激光脉冲的到达时间，以预计的激光脉冲的到达时间为起点设定固定的时间长度作为门控信号，触发光电转换模块的单光子探测器准备接收。
[0027](2)、光电转换模块
[0028]该模块采用单光子探测器接收入射的激光脉冲，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；所设定的固定的时间长度应该能够保证地面测站每隔一秒发射的所有激光脉冲信号都能够进入单光子探测器。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。
[0029]常用的单光子探测器有光电倍增管、单光子雪崩二极管等。
[0030]由于本发明所提供的装置是星载设备，而激光由地面发射，激光到达本装置时，可能已经衰减为单光子量级的光信号，因此本装置所设计的光电转换模块所使用的期间必须具有极高的灵敏度，可以检测到衰减到单光子量级的光信号；同时为能够达到一定的测量精度，需要极其快速的光电转换速度，将检测到的光信号转换为秒脉冲电信号的时间达到几十至百皮秒量级。
[0031]对于单光子探测器来说，其每探测到一个入射光子后，都需要一定的恢复时间才能够进行下一次测量，在这个恢复时间内，单光子探测器本身的热噪声以及其他干扰会产生虚假信号，因此本发明设定了固定的时间窗，该时间窗长度固定，可形成门控，保证单光子探测器在门控时间内探测到的入射光子可用，而在门控时间内探测到的入射光子则会在测量数据处理传输模块中作为野值进行剔除。
[0032]由于地面反照光的干扰，对于单光子探测器所感应到的光应当进行滤波处理，可以在光路行进的空间方向上进行杂光抑制，即在入射光路上叠加带通滤光片。
[0033](3)、电信号时间测量模块
[0034]该模块是本发明的核心模块，其功能是进行时间间隔计数，计数结果传送给测量数据处理和传输模块。该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。
[0035]本发明中，地面测站每隔一秒向星上设备发射一个激光脉冲信号，激光脉冲信号经光电转换之后同样获得每隔一秒一个电脉冲信号，每个电脉冲信号对应星上参考时钟的每一个秒脉冲。
[0036]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，在该秒脉冲之后下一个秒脉冲之前接收到的电脉冲信号的前沿记为结束信号，每个开始信号及其对应结束信号之间形成时间闸门；如图2所示，开始信号和结束信号构成的时间闸门为Tx。本模块的目的是测量Τχ。
[0037]本模块中所使用的时钟延迟单元可以量化测量时间，当使用多个时钟延迟单元串联获得整周测量单元时，所得到的整周测量单元的时间间隔为Λ Τ。
[0038]由于不能够精准地获知开始信号与结束信号的时刻，因此需要将多个整周测量单元进行串联以覆盖时间闸门，计算时间闸门内所包含的整周测量单元的个数，本实施例中可使用如下方法计算:由开始信号之后的第一个整周测量单元开始计数，至结束信号之后第一个整周测量单元结束计数，计数不包括结束信号之后的第一个整周测量单元，能够获得整周测量单元的个数为n，此时以整周测量单元获得的时间为Ttl=IiX Λ T，Ttl如图2所示。
[0039]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，计算获得时差测量值；对于不足整周部分，如图2中T1和T2，直接使用时钟延迟单元进行量化测量；其中，T1是开始信号到第一个整周开始的时间间隔；Τ2是结束信号到下一个整周开始的时间间隔。
[0040]由此获得
[0041]Tx=VT1-T2
[0042]所测得的时间闸门的时间即为时差测量值，根据上述方法可以测得每个秒脉冲对应的时差测量值，将所有时差测量值发送至测量数据处理传输模块。
[0043](4)、测量数据处理传输模块
[0044]测量数据处理传输模块接收电信号时间测量模块送来的测量值，处理获得符合下传格式的测量数据并下传。
[0045]本实施例中可设计该模块包含时差测量数据处理和时差测量数据传输两个子模块，分别完成时差测量数据的处理和传输两个功能。
[0046]401、时差测量数据处理子模块接收电信号时间测量模块送来的测量值，对于测量值进行如下处理:
[0047]a、剔野筛选:在本发明中，对于在所设定的固定的时间长度内进入单光子探测器的入射光子，认为可用，而由于单光子探测器本身的热噪声以及其他干扰信号，则可能在所设定的固定的时间长度之外也会有部分虚假信号，这类信号在进行光电转换后得到的值称为野值，本实施例中对于如果没有进入所设定的固定的时间长度内的数据直接剔除，即将野值剔除，以减少无效数据的下传量。
[0048]b、对于接收到的多个测量值进行位数统一处理，对于超过设定位数的测量值四舍五入去掉多余位，对于不足设定位数的测量值对小数点后的末位补零。
[0049]C、对于所获得的多个时差测量值进行统计，并进行分析，设定选择区间，仅选取处于选择区间内的时差测量值，所设定的选择区间应当容纳了半数以上的时差测量值并且将明显过高或者过低的时差测量值排除在外，这样做能够减少下传数据量。
[0050]d、差分编排是对于经过上述处理后的时差测量数据，按照时间进行排列，保留排列最前的时差测量值，同时将后一次时差测量值与前一次时差测量值取差值并保存，获得差分编排后的时差测量值。差分编排能够有效地减少测量数据下传量。
[0051]经过上述处理之后，获得可供下传的差分格式的测量值。
[0052]402、时差测量数据传输子模块可供下传的差分格式的测量值组包后下传。
[0053](5)、电源模块
[0054]本实例中还包括了电源模块，该模块为激光时差测量仪供电，接收测控指令接收处理模块的控制指令。由于电源纹波或抖动会影响测量精度，因此本实施例中采用了低纹波电源。
[0055]综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种星载时间系统的星地激光时差测量装置，其特征在于，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； 所述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；所述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； 所述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，在所述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； 所述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；在所述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； 所述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。
2.如权利要求1所述的一种星载时间系统的星地激光时差测量装置，其特征在于，所述光电转换模块中在入射光路上叠加带通滤光片。
3.如权利要求1所述的一种星载时间系统的星地激光时差测量装置，其特征在于，所述光电转换模块的光信号转换为秒脉冲电信号的时间达到几十至百皮秒量级。
4.如权利要求1所述的一种星载时间系统的星地激光时差测量装置，其特征在于，所述测量数据处理传输模块对于接收到的测量值进行剔野筛选处理，对于固定的时间长度之外的数据直接剔除。
5.如权利要求1所述的一种星载时间系统的星地激光时差测量装置，其特征在于，所述测量数据处理传输模块对于接收到的多个测量值进行位数统一处理，对于超过设定位数的测量值四舍五入去掉多余位，对于不足设定位数的测量值对小数点后的末位补零。
6.如权利要求1所述的一种星载时间系统的星地激光时差测量装置，其特征在于，所述测量数据处理传输模块对于所获得的时差测量值进行统计分析，设定选择区间，仅选取处于选择区间内的时差测量值。
7.如权利要求1所述的一种星载时间系统的星地激光时差测量装置，其特征在于，所述测量数据处理传输模块对于接收到的时差测量值进行差分编排处理:将时差测量值按照时间进行排列，保留排列最前的时差测量值，同时将后次时差测量值与前次时差测量值取差值并保存，获得差分编排后的时差测量值。
【文档编号】G04G7/00GK104181807SQ201310200426
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2013年5月27日 优先权日:2013年5月27日
【发明者】王劼, 张忠萍, 黄佩诚, 胡伟, 廖瑛, 叶扬, 孟文东, 张海峰, 陈婉珍 申请人:北京空间飞行器总体设计部