CN102759885A

CN102759885A - 一种高可靠性的脉冲星时间同步装置

Info

Publication number: CN102759885A
Application number: CN2012102431718A
Authority: CN
Inventors: 孙剑; 郭鹏斌
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2012-07-13
Filing date: 2012-07-13
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2032-07-13
Also published as: CN102759885B

Abstract

本发明公开一种高可靠性的脉冲星时间同步装置，包括X射线探测器、信号调理器、第一、二、三铷原子钟、故障诊断模块、切换开关、分频器、时间间隔测量模块、CPU；第一、二、三铷原子钟与故障诊断模块相连各铷原子钟分别与切换开关相连；故障诊断模由三组分频器和时间间隔测量模块组成并与CPU相连；切换开关一路与分频器相连，另一路作为其他星载设备的频率标准，分频器时间间隔测量模块一个输入端相连；X射线探测器与信号调理器相连，信号调理器连接时间间隔测量模块的另一个输入端；时间间隔测量模块连接至CPU；CPU与切换开关相和第一、二、三铷原子钟相连。该装置具有精度和可靠性高的优点，并且有自我诊断故障的功能，大大提高自主导航的能力。

Description

一种高可靠性的脉冲星时间同步装置

技术领域

本发明属于时间同步技术领域，涉及一种时间同步装置，尤其是一种高可靠性的脉冲星时间同步装置。

背景技术

脉冲星是高速自转的中子星，其自转周期稳定，不受人为干扰破坏，是天然的时间基准源。脉冲星距离太阳系遥远可见性好，覆盖范围广，对于各种低地轨道、中高轨道和深空探测轨道均使用。

自主导航卫星在执行任务的过程中，星载原子钟会随时间而产生频率漂移，而高精度的时间和频率信号是实现高精度定轨的前提，所以高精度的时间同步装置对于自主导航卫星的具有十分重要的作用。

目前基于X射线脉冲星的时间同步技术尚处于起步阶段，国内尚无成熟的技术方案，本发明针对这一问题设计了一种基于脉冲星的时间同步装置，其作用是利用星载X射线探测器探测到的周期性的脉冲信号对星载铷原子中进行修正，使星载原子钟保持较高的准确性。

与目前现有的时间同步装置的结构相比，比发明设计的故障诊断模块，使自主导航卫星的时频系统具备了自我故障诊断的功能，这一点对于没有地面测控支持的自主导航卫星来说非常重要。

发明内容

本发明的目的提出一种高可靠性的脉冲星时间同步装置，为基于脉冲星的自主导航卫星提供高精度的时间和频率基准。该装置采用三组铷钟和分频器，使用FPGA实现对铷原子钟的分频功能，在CPU中要完成对光子到达时间的延迟修正，脉冲轮廓提取，钟差滤波及对铷原子钟偏移量的修正，最终实现基于脉冲星的时间同步功能。其精度和可靠性高，并且具有自我诊断故障的功能，从而大大提高自主导航的能力。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

高可靠性的脉冲星时间同步装置，包括X射线探测器、信号调理器、第一铷原子钟、第二铷原子钟、第三铷原子钟、故障诊断模块、切换开关、分频器、时间间隔测量模块、CPU；所述的第一、二、三铷原子钟与故障诊断模块相连，所述第一、二、三铷原子钟还分别与所述的切换开关相连；所述的故障诊断模由三组分频器和时间间隔测量模块组成并与CPU相连；所述的切换开关与所述的分频器相连；所述的分频器与所述的时间间隔测量模块的一个输入端相连；所述X射线探测器与信号调理器相连，所述信号调理器连接至时间间隔测量模块的另一个输入端；所述时间间隔测量模块连接至CPU；所述CPU还与所述的切换开关相和所述的第一、二、三铷原子钟相连。

所述X射线探测器探测X射线脉冲星发射出来的光子，每探测到一个X射线光子就会生成一个信号，上述信号经信号调理器后生成脉冲信号，信号调理将脉冲信号输送到时间间隔测量模块的一个输入端；第一、二、三铷原子钟分别输出一个频率信号到故障诊断模块，第一、二、三原子钟还输出一路频率信号到切换开关；故障诊断模块将信号分频形成分频脉冲信号和测量分频后的信号的差值，然后将差值信息发送到CPU，CPU接收故障诊断模块发送的差值信息，根据故障诊断规则表，调整切换开关，使相应的铷原子钟的频率信号通过，而两外两路则不能通过；通过切换开关的铷原子钟的信号一路经分频器分频后到达时间间隔测量模块的另一个输入端，另一引出作为星载其他设备的频率标准；时间间隔测量模块测量X射线探测器探测到的脉冲信号与通过切换开关的铷原子钟的分频脉冲信号之间的时间差，进而能够得到脉冲光子到达探测器的时间；CPU通过SPI口（不限于SPI口）从时间间隔测量模块读取脉冲光子到达探测器的时间，并进行延迟修正，轮廓提取，钟差的滤波和对铷钟频率修正量的计算，最后将得到的对铷原子钟的修正量通过RS232接口返回给铷钟，进行修正，从而使铷钟工作在一个较高的精度上。

本发明具有以下有益效果：

本发明高可靠的脉冲星时间同步装置使用三只铷钟，其中一只是主钟，两外两只是副钟，通过比对△T₁,△T₂,△T₃（△T₁,△T₂,△T₃分别代表第一铷原子钟与第三铷原子钟经由分频器后的分频信号、第一铷原子钟和第二原子钟经由分频器后的分频信号以及第二铷原子钟和第三铷原子钟经由分频器后的信号的时间差）可以判断主钟是否正常工作，使时间同步装置具备了故障自我诊断的功能。故障诊断的规则表如下所示：

故障回路v	故障现象
		铷钟1回路	△T₁≈△T₂>>△T₃
铷钟2回路	△T₂≈△T₃>>△T₁
		铷钟3回路	△T₁≈△T₃>>△T₂
无故障	△T₁≈△T₃≈△T₂

附图说明

图1为本发明的原理图。

图2为故障诊断模块的结构图

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明的高可靠性的脉冲星时间同步装置，包括X射线探测器1、信号调理电器2、第一铷原子钟3、第二铷原子钟4、第三铷原子钟5故障诊断模块6、切换开关7、分频器8、时间间隔测量模块9、CPU10；第一、二、三铷原子钟3、4、5分别与故障诊断模块6相连，故障诊断模块6连接至CPU10；第一、二、三铷原子钟3、4、5还连接至切换开关7，切换开关7一路连接至分频器8，另一路引出给其他星载设备提供标准的频率信号；分频器8连接至时间间隔测量模块9一个输入端；X射线探测器1连接至信号调理器2，信号调理器2连接至时间间隔测量模块9的另一个输入端；时间间隔测量模块9连接至CPU10；CPU10还和切换开关7连接和第一、二、三铷原子钟3、4、5相连。

本发明的具体的实施过程如下：

X射线脉冲星发射出来的光子被1X射线探测器探测到，1X射线探测器每探测到一个光子就输出一个信号，信号经过信号调理器2生成脉冲信号TX，信号调理器2将该脉冲信号TX输送到时间间隔测量模块9的一个输入端；第一、二、三铷原子钟3、4、5发送一定频率的信号到故障诊断模块6，故障诊断模块6对第一、二、三铷原子钟的信号分频后得到分频信号T₁,T₂,T₃，分频信号T₁,T₂,T₃在故障诊断模块6中的时间间隔测量模块中比较得到时间差△T₁,△T₂,△T₃（△T₁,△T₂,△T₃分别代表T₁和T₃、T₁和T₂以及T₂和T₃的时间差），并发送给CPU10，CPU10根据故障诊断表，控制切换开关7，使得相应的那路铷原子钟信号通过，其余两路分频信号则不能通过；经过切换开关的铷原子钟分成两路，一路经由分频器8分频后得到分频信号T，另外一路信号引出为其他星载设备提供频率标准；分频信号T输送到时间间隔测量模块9的另一个输入端；时间间隔测量模块9测量分频信号T和T_X的时间差△T；CPU10通过SPI口（但不限于SPI口）读取时间测量模块9中的时间差△T，进而得到脉冲光子到达探测器的时间T_obs，CPU10对光子到达探测器的时间T_obs进行延迟修正，生成轮廓脉冲，对钟差滤波和对铷原子钟频率信号修正量计算，最后将铷原子钟的修正量通过RS232接口（但不限于RS232）返回给对第一、二、三铷原子钟3、4、5，并对一、二、三铷原子钟3、4、5进行修正。从而实现时间同步。

Claims

1.一种高可靠性的脉冲星时间同步装置，其特征在于，包括X射线探测器（1）、信号调理器（2）、第一铷原子钟（3）、第二铷原子钟（4）、第三铷原子钟（5）、故障诊断模块（6）、切换开关（7）、分频器（8）；时间间隔测量模块（9）、CPU（10）；所述第一、二、三铷原子钟（3、4、5）分别与所述故障诊断模块（6）连接，所述第一、二、三原子钟（3、4、5）还分别连接至切换开关（7）；所述的故障诊断模块（6）由三组分频器和时间间隔测量模块组成，并且与CPU（10）相连；所述的切换开关（7）一路连接至分频器（8），另一路引出为其他星载设备提供标准的频率信号；所述的分频器（8）连接至时间间隔测量模块（9）的一个输入端；所述X射线探测器（1）连接至信号调理电器（2），所述信号调理器（2）连接至时间间隔测量模块（9）的另一个输入端；所述时间间隔测量模块（9）连接至CPU（10）；所述CPU（10）还与切换开关（7）和第一、二、三铷原子钟相连。

2.根据权利要求1所述的高可靠的脉冲星时间同步装置，其特征在于，所述X射线探测器（1）探测X射线脉冲星发射出来的光子，每探测到一个X射线光子就会生成一个信号，将这个信号输出给信号调理器（2）生成可用于时间间隔测量的脉冲信号；第一、二、三铷原子钟（3、4、5）输出一个频率信号到故障诊断模块（6），故障诊断模块发送故障诊断信息到CPU（10），CPU（10）根据故障诊断规则表，控制切换开关（7），使相应的那路铷原子钟通过，其余两路则不能通过；经过切换开关（7）后的铷钟信号经由分频器（8）分频成分频脉冲信号；时间间隔测量模块（9）测量探测到的脉冲信号与铷原子钟的分频脉冲信号之间的时间差，进而得到脉冲光子到达探测器的时间；CPU（10）从时间间隔测量模块（9）读取脉冲光子的到达时间，并进行延迟修正，轮廓生成，钟差的滤波和对铷钟频率修正量的计算，最后将得到的对铷原子钟的修正量，返回给第一、二、三铷原子钟（3、4、5），并对第一、二、三铷原子钟（3、4、5）进行修正，从而实现时间同步。