CN103345145A - 一种利用激光进行星载时钟测量的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用激光进行星载时钟测量的方法，地面测站在一定时间按照一定频率向卫星发射一定波长和脉宽的激光脉冲信号，通过星载激光反射器沿入射方向将激光脉冲信号反射，激光脉冲信号返回地面并通过地面大口径天文望远镜接收，记录激光脉冲信号发射与接收的时刻，解算完成星地精密测距和轨道确定；同时星载激光时差测量设备以相同频率或倍频完成地面激光脉冲信号的接收，记录接收到激光脉冲信号的时刻相对于星载时钟的钟差，再将记录的钟差信息通过一定信道，以导航电文或遥测信息的形式下传到地面测站，经综合解算测定星载时钟相对于地面测站基准时钟钟差。本发明测量解算出星载时钟相对于地面测站基准时钟的变化规律，具有精度高、系统误差小等优点。

Description

一种利用激光进行星载时钟测量的方法

技术领域

本发明涉及一种用于导航卫星精密星地时间比对的测量方法，用于卫星导航系统高精度星地时间比对、传递及同步。

背景技术

随着科学技术的发展，时间测量的精度不断提高，尤其采用原子频标后，时间频率测量的精度和稳定度得到显著改善，已达到10_-13量级。而时间测量精度及稳定性的不断提高涉及到高精度时间比对技术的发展，即通过时间比对手段来获得不同时钟之间的时间频率差，进而实现不同时钟系统之间的时间同步。随着卫星技术和通讯技术的发展，已发展形成了多种时间比对的手段，比对精度也在不断的提高，由以前的毫秒(ms)量级、微秒(μs)量级发展到现在的纳秒(ns)量级甚至更高的水平。

卫星导航系统中，星载时钟与地面测站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。导航卫星需要精确测量星载时间系统，精度需要达到ns量级或者更高。一般国际上采用的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。

卫星双向时间比对技术（Two Way Satellite Time Transfer，TWSTT）是利用卫星进行双向时间传递的技术，是当今最精密的远距离时间传递方法之一。该技术从1962年开始应用，当时采用的是无线电手段，精度为0.1μs～20μs，现在能达到300ps水平。卫星双向时间比对技术最大的优点之一是由于在上下行各自的两条路径上大气和其潜在的扰动几乎相同，当采用TWSTT的潜力得以充分发挥时，预计其精度可达到80ps。由于参与TWSTT比对的一对地面测站（或同一地面测站）同时向同一卫星发送时频信号，并接收对方发送经卫星转发的信号，发送和接收的无线电信号采用相同的路径和相反的方向，因此该技术的优点是有效地抵消了卫星位置或地面测站位置不准确而造成的测量误差以及路径中的电离层、对流层等干扰引起的时延误差。另外由于无线电信号一般有较宽的信号带宽，有利于信号的设计，而且受环境温度影响较小。

随着高精度原子频标性能的不断提高，迫切要求远距离时间频率比对技术与之相适应。激光的波长远小于一般的无线电，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的比较，由于大气对激光脉冲传递时延的影响较小，故该技术是一种高精度时间比对技术。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。由于激光是双向传递的，即卫星和地面测站不仅发送信号而且接收信号，因此卫星位置不确定和大气延迟带来的时延误差很小，测量精度很高，精度可以达到50ps，它是未来发展全球范围时间传递以及星际间时间传递技术的重要保证之一。

但是时间传递技术在许多时间工作领域要求是全天候的，例如TAI计算或导航卫星与地面测站之间、地面测站与地面测站之间的时间比对，需要24小时连续进行。激光时间传递受天气条件的影响不能作为常规的比对手段，但其高精度可以作为无线电微波手段的标校，同时在进行一些必要的远程钟的比对中有重要作用。

本发明提出了一种利用激光进行星载时钟测量的方法，也就是星地激光双向时间传递技术。利用传统的星载激光反射器配合地面测站的激光测距技术，同时在卫星上安装专用的星载激光时差测量仪器，以实现对星载时钟与地面测站时钟之间时间频率差及其变化率的测量，进而实现星地时间系统间的双向时间同步。其中，星载激光反射器通过反射地面测站的激光脉冲信号，实现地面测站对卫星的精密测距，并完成导航卫星精密定轨。星载激光时差测量仪器主要实现对星地时间系统的钟差和频率差比对；同时验证星载激光时差测量仪器的星地信息传输接口的正确性；进一步完成激光测量星地钟差结果与无线电测量星地钟差结果的比较和分析。

发明内容

本发明的技术解决问题是：本发明提出了一种星地双向激光时间比对方法，通过激光手段实现导航卫星与地面测站之间的时间传递和比对。本发明克服现有技术的不足，实现星地时间系统的钟差和频率差比对，并可作为星地无线电时间比对方法的校核手段。

本发明的技术解决方案是：一种利用激光进行星载时钟测量的方法，是指利用激光实现导航卫星星载时钟相对于地面测站基准时钟的钟差测量方法，地面测站向卫星发射激光脉冲信号，通过卫星上的激光反射器将激光脉冲信号反射，激光脉冲信号返回地面测站并通过地面测站的大口径天文望远镜接收，地面测站记录激光脉冲信号发射与接收的时刻，完成星地精密测距；同时星载激光时差测量设备以相同频率或倍频完成地面激光脉冲信号的接收，比对并记录收到激光脉冲信号的时刻相对于星载时钟的时差，再将记录的钟差信息通过导航电文或遥测信息下传到地面测站，地面测站能够接收导航卫星下传的导航电文或遥测信息，提取星载激光时差测量设备测量得到的相关时差信息，并经综合解算测定星载时钟相对于地面测站基准时钟的钟差。

所述星载激光时差测量设备包括：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；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载时钟，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激光到达时间，以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定时间发射一个激光脉冲；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。

所述地面测站能够通过无线电方式测定卫星初始轨道位置和初始星地钟差。

所述地面测站按照测站的基准时钟，根据已知的地面测站位置和预估的卫星轨道位置，并参考初始星地钟差，按照1Hz～1000Hz频率向卫星发射波长532nm的激光脉冲信号，并接收星载激光反射器反射的激光脉冲信号，同时记录激光脉冲信号发射与到接收的时刻，完成星地精密测距。

所述地面测站包括输出脉冲能量达到250mJ以上的大功率激光发射装置、精度高于50ps、频率大于1000Hz的高精度高频率激光脉冲测量装置、大于1m以上口径的大口径天文望远镜、采用主动氢钟组的高精度时间综合装置和导航卫星下传信息接收处理装置；大功率激光发射装置向卫星发射激光脉冲信号；导航卫星下传信息接收处理装置接收星载设备下传的时差测量信息，解算得到卫星的卫星初始轨道位置和初始星地钟差，由高精度时间综合装置提供时间信号，通过高精度高频率激光脉冲测量装置向卫星发射激光脉冲信号，并使用大口径天文望远镜接收激光反射器的微弱回波。

所述的星载激光反射器为无源设备，可以按入射方向精密反射激光光束，具有很好的准直特性。

所述星载激光时差测量设备能够由测控指令接收处理模块完成开关机操作和工作模式切换在轨操作功能。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明星地精密激光双向时间比对具有精度高、系统误差小等优点。因此，利用星地精密激光双向时间比对，不但可以对无线电双向时间比对进行外部精度检验，而且可以检验并分离无线电伪距测量的系统误差，分析检测设备时延的不稳定性和星载时钟的中短期性能指标，提高星载时钟差的预报精度。

附图说明

图1为本发明利用激光进行星载时钟测量方法的原理框图；

图2为本发明利用激光进行星载时钟测量方法的实现流程图；

图3为基于TDC的时间间隔计数测量原理图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种利用激光进行星载时钟测量的方法，包括地面测站向卫星发射激光脉冲信号并记录发射时刻，通过星载激光反射器将激光脉冲信号沿入射方向返回，地面测站接收反射的激光脉冲信号并记录接收时刻，完成卫星激光精密测距。同时，星载激光时差测量设备中的高精度光电转换模块将接收到的激光脉冲信号转换为电脉冲传送给高精度电信号时间测量模块。在电信号时间测量模块高精度测量电脉冲与星载时钟的秒脉冲之间的时间间隔之后，将时差测量信息传送通过一定信道下传给地面测站。地面测站根据星载激光时差测量仪器的测量数据和卫星激光精密测距数据，精确计算出星地时间系统的钟差。

如图1所示，本发明中的星载激光时差测量设备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。

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载时钟，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。

地面测站每隔一秒向星上设备发射一个激光脉冲信号。

(1)测控指令接收处理模块

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。

(2)光电转换模块

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。

常用的单光子探测器有光电倍增管、单光子雪崩二极管等。

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。

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。

由于地面反照的干扰，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。

(3)电信号时间测量模块

该模块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。

本发明实施例中，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载时钟的每一个秒脉冲。

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3所示，开始信号和结束信号构成的时间闸门为T_x。本模块的目的是测量T_x。

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△T。

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，本发明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T₀=n×△T，T₀如图3所示。

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3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；T₂是结束信号到下一个整周开始的时间间隔。

由此获得

T_x=T₀+T₁-T₂

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。

(4)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送来的测量值，处理获得符合下传格式的测量数据并下传。

本发明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。

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：

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，本发明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。

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。

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。

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。

经过上述处理之后，获得可供下传的差分格式的测量值。

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。

(5)电源模块

本发明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。

如图1、2所示，本发明测量方法具体实现为：

第一步，地面测站通过无线电双向时间比对方式测定卫星初始轨道位置和星地钟差，并进行预报，轨道位置和星地钟差预报是整个星地时间系统比对和同步的基础。只有准确预报卫星位置和星载时钟的时间频率，才可能准确实现发射激光准确“击中”卫星，同时缩小星载激光时差测量设备的光电转换模块的门控大小和间隔，有效防止来自地球等的背景噪声的干扰。

无线电双向时间比对技术的时间同步精度取决于无线电伪距测量精度和双向链路的一致性。伪距测量精度由系统误差和随机误差组成，系统误差可以标校在测距零值中，随机误差为影响测距误差的主要因素，无线电双向链路时延特性的一致性则关系到星地时间误差估计精度。

星地双向链路包括测距伪码发射设备、传播通道、伪距测量接收设备，在整个无线电信号传播途径中包含了多项时延误差环节，包括发射设备时延标定误差、传输时延误差、伪距测量接收时延误差等。以现有技术，发射设备时延标定误差和伪距测量接收时延误差可达到1ns以内；在无线电双向链路频率相近的情况下，可以保证双向链路传播时延较为一致，传输时延误差估计可精确到1ns以内；无线电双向时间比对技术可实现的时间同步误差能够达到3ns以内。

第二步，地面测站在高精度时间综合装置中生成基准时钟信号，并根据基准时间信号产生稳定的激光脉冲驱动信号。

地面测站高精度时间综合装置一般采用原子钟组作为地面测站的时间基准。作为地面时间的基本单位，原子钟组产生的稳定时间频率信号（一般为10Mhz），经过分频后形成秒脉冲信号作为同步秒信号。秒脉冲经倍频后形成驱动激光发射的信号，倍增的频率就是激光发射的频率。

第三步，按照地面测站的基准时钟，在特定时刻按照一定频率向卫星发射一定波长和脉宽的激光脉冲信号，并精确测量激光的发射时刻。

大功率激光发射装置是将大型激光器安装在具有高精度伺服系统的转台上，能够实现快速准确地跟踪瞄准卫星并发射激光脉冲信号，通过高分辨率编码的码盘进行转台转角的测量，确保转动角度测量误差很小。

以激光脉冲驱动信号驱动激光器发射激光脉冲信号，为了准确产生、发射激光脉冲，需要发射的激光脉冲尽量窄。同时由于脉冲太窄有可能造成接收器件响应跟不上，一般目前的激光脉冲宽度为几个ns到几十个ns。激光脉冲光源的上升时间和测量精度密切相关，上升时间越短，上升沿就越陡，也就越有利于提高测量精度。另外，激光脉冲的峰值功率与测量距离密切相关，峰值功率越大，越有利于增加测量距离。激光脉冲发射的设计必须考虑到激光脉冲发射频率与激光发射功率之间的制约关系，由于激光发射功率一般是一定的，随着激光频率的增加，单次发射的激光功率就会有所减小。因此，产生合适频度、准确有效的驱动脉冲是整个系统关键的环节之一。

高精度高频率激光脉冲测量装置一般由光路衰减设备、光学传感器和时间计数器构成。

激光的直接照射会造成光学传感器饱和，光学传感器接收的光功率不能超过正常工作范围，严重时甚至会使探测器损坏。激光需要经过光路衰减设备衰减后才可用光学传感器进行测量。

一般光学传感器的核心器件是雪崩光电二极管，这是一种内部具有放大功能的光学传感器，能检测极其微弱的光信号。记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。以探测到激光发射时刻脉冲作为地面测站的“开门”信号，将返回的微弱信号作为地面测站的“关门”信号，就可以精确计算出激光沿星地往返一周的时间。

为了更加精确地测量时间脉冲信号，可以带有时间游动补偿和外壳恒温控制的单光子雪崩二极管(C-SPAD)作为光电探测部件。通过时间计时器获取激光脉冲与地面秒脉冲之间的时间间隔，精确测量确定激光的发射时刻。

第四步，星载激光反射器反射激光。

星载激光反射器是由单个角反射器组合而成，为无源器件。角反射器亦称角锥棱镜，是具有三个直角面相互垂直的四面体棱镜。当激光从四面体棱镜的底面（即三个直角面以外的第四个面）入射，依次经过三个直角面的反射后从底面射出。激光反射器的特性是出射光束与入射光束平行，但方向相反。

第五步，地面测站的大口径天文望远镜接收反射的激光回波信号，高精度高频率激光脉冲测量装置记录星载激光反射器反射的激光脉冲信号到达地面测站的时刻，完成星地测距。如果激光测距没有成功，则调整地面测站的各类参数，并返回第一步。

由于经过卫星上星载激光发射器反射的激光回波已经非常微弱，并且经常伴有各类杂光干扰。最有效的接收的手段就是通过大口径天文望远镜和单光子探测器完成激光回波信号的捕获。

为了实现对经星载激光反射器反射后沿原路返回的激光回波的接收，一般应确保大口径天文望远镜与发射激光器同轴。

第六步，地面测站调整激光发射时刻，通过定步长搜索算法，将激光打入星载激光时差测量仪器的“窗口”内。

由于星载时差测量设备受到地球反照光的背景噪声的干扰，以及第一步中测量、计算星地钟差预报值所需的各种时延值不够准确以及无线电和激光两种测量方法系统差估算不准等原因，地面测站发射的激光不一定能够准确打入星载激光时差测量仪器的“窗口”内，因此需要通过调整激光发射时刻捕获“窗口”。

调整包括前向搜索和后向搜索两种可能。为了确保搜索的有效性，搜索的步长一般不超过星载激光时差测量设备光电转换模块的设定“窗口”宽度。如果进一步放大激光搜索步长，可以降低对星地钟差预报精度的需求，但有可能会造成错失。在此操作过程中，不允许对星载时钟进行切换、关闭和调相等操作。

第七步，星载激光时差测量设备完成激光脉冲信号在轨测量、统计计算，并通过一定通道下传地面测站。

星载激光时差测量仪器中，为了实现对激光入射时刻的精确测量，高精度光电转换模块采用单光子探测器。一般以光电倍增管（Photo Multiplier Tube，PMT）或单光子雪崩二极管（Single-Photon Avalanche Diodes，SPAD，也被称之为雪崩型光电二极管Avalanche Photodiodes，APDs）作为单光子探测器的核心产品，目前单光子雪崩二极管更为常见。在光子计数过程中，单光子探测器的特性决定了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，所以，高精度光电转换模块中的单光子探测器往往只能以门控的工作方式对入射光子进行采样。

星载时差测量仪器通过高精度电信号时间测量模块获得探测到的激光脉冲与卫星秒脉冲的时间差并下传。

一般，如果没有打入“窗口”，下传数据一般为“关门”时刻数据为主，可以确定此状态下未能完成激光测距。

第八步，地面测站接收并综合解算。如果激光测距没有成功，则调整地面测站的各类参数，并返回第六步。

高精度高频率激光脉冲测量装置中的时间计数器通过测量两路的脉冲获取时间差。地面测站的激光器产生激光脉冲，激光发射装置向卫星发射激光脉冲，该脉冲到达卫星后被卫星上装载的激光时差测量设备的探测器探测到。卫星通过星上计时器获得探测到的激光脉冲与卫星秒脉冲的时间差并下传。同时，卫星反射器反射的激光脉冲被地面测站接收。地面测站分别测得发射的激光脉冲和反射回地面的激光脉冲相对地面钟的两个时间差。

如图1所示，地面测站包括输出脉冲能量达到250mJ以上的大功率激光发射装置、精度高于50ps、频率大于1000Hz的高精度高频率激光脉冲测量装置、大于1m以上口径的大口径天文望远镜、采用主动氢钟组的高精度时间综合装置和导航卫星下传信息接收处理装置；大功率激光发射装置向卫星发射激光脉冲信号；导航卫星下传信息接收处理装置接收星载设备下传的时差测量信息，解算得到卫星的卫星初始轨道位置和初始星地钟差，由高精度时间综合装置提供时间信号，通过高精度高频率激光脉冲测量装置向卫星发射激光脉冲信号，并使用大口径天文望远镜接收激光反射器的微弱回波。

总之，本发明与传统的无线电手段进行在轨时差信号测量、标定的方法相比，通过激光手段完成双向时间比对的方法可以测量解算出星载时钟相对于地面测站基准时钟的变化规律，并对无线电星地时差测量方法进行标定，具有精度高、系统误差小等优点。

本发明未详细说明的部分属于本领域技术人员的公知技术。

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。

Claims (7)

1.一种利用激光进行星载时钟测量的方法，是指利用激光实现导航卫星星载时钟相对于地面测站基准时钟的钟差测量方法，其特征在于：地面测站向卫星发射激光脉冲信号，通过卫星上的激光反射器将激光脉冲信号反射，激光脉冲信号返回地面测站并通过地面测站接收，地面测站记录激光脉冲信号发射与接收的时刻，完成星地精密测距；同时星载激光时差测量设备以相同频率或倍频完成地面激光脉冲信号的接收，比对并记录收到激光脉冲信号的时刻相对于星载时钟的时差，再将记录的钟差信息通过导航电文或遥测信息下传到地面测站，地面测站能够接收导航卫星下传的导航电文或遥测信息，提取星载激光时差测量设备测量得到的相关时差信息，并经综合解算测定星载时钟相对于地面测站基准时钟的钟差。

2.根据权利要求1所述的利用激光进行星载时钟测量的方法，其特征在于：

所述星载激光时差测量设备包括：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；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载时钟，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激光到达时间，以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定时间发射一个激光脉冲；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。

3.根据权利要求1所述的利用激光进行星载时钟测量的方法，其特征在于：

所述地面测站能够通过无线电方式测定卫星初始轨道位置和初始星地钟差。

4.根据权利要求1所述的利用激光进行星载时钟测量的方法，其特征在于：

所述地面测站按照测站的基准时钟，根据已知的地面测站位置和预估的卫星轨道位置，并参考初始星地钟差，按照1Hz～1000Hz频率向卫星发射波长532nm的激光脉冲信号，并接收星载激光反射器反射的激光脉冲信号，同时记录激光脉冲信号发射与到接收的时刻，完成星地精密测距。

5.根据权利要求1所述的利用激光进行星载时钟测量的方法，其特征在于：

所述地面测站包括输出脉冲能量达到250mJ以上的大功率激光发射装置、精度高于50ps、频率大于1000Hz的高精度高频率激光脉冲测量装置、大于1m以上口径的大口径天文望远镜、采用主动氢钟组的高精度时间综合装置和导航卫星下传信息接收处理装置；大功率激光发射装置向卫星发射激光脉冲信号；导航卫星下传信息接收处理装置接收星载设备下传的时差测量信息，解算得到卫星的卫星初始轨道位置和初始星地钟差，由高精度时间综合装置提供时间信号，通过高精度高频率激光脉冲测量装置向卫星发射激光脉冲信号，并使用大口径天文望远镜接收激光反射器的微弱回波。

6.根据权利要求1所述的利用激光进行星载时钟测量的方法，其特征在于：

所述的星载激光反射器为无源设备，可以按入射方向精密反射激光光束，具有很好的准直特性。

7.根据权利要求1所述的利用激光进行星载时钟测量的方法，其特征在于：

所述星载激光时差测量设备能够由测控指令接收处理模块完成开关机操作和工作模式切换在轨操作功能。

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