CN109991837B - 一种利用激光共视进行两地时钟比对的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种利用激光共视进行两地时钟比对的系统和方法，星载设备提供激光共视时钟比对期间的精密定轨数据，向两个地面测站发射激光脉冲信号；地面测站接收激光脉冲信号并得到激光脉冲信号的到达时间数据，到达时间数据、精密定轨数据和气象信息组成测量数据；并接收另一个地面测站的测量数据，对两地面测站的测量数据进行处理，得到两地时钟对比结果。

Description

一种利用激光共视进行两地时钟比对的系统及方法

技术领域

本公开涉及一种利用激光共视进行两地时钟比对的系统及方法，用于两地的高精度时间比对、传递以及同步。

背景技术

时间(频率)是基本物理量之一，也是七个国际单位制之一，许多物理量与它相关，因此精确的时间获取与传递对基础物理以及测量科学具有非常重要的意义。而目前测得最精确的物理量正是时间(频率)。提供精确的时间标准或频率标准有原子钟，稳定度能达到10^-16级别，而更先进的光钟稳定度能到10^-18，在有了精确的时钟之后，如何将时间频率进行分发传递则十分关键，因为如果在分发和传递中引入其它不稳定因素将会影响我们能利用时钟的性能极限。

时频传递的方法从链路上可分为自由空间的时频传递以及光纤中的时频传递。光纤中的时频传递已经达到非常高的对比稳定度(10^-19)，但应用场景有一定的限制。更广泛的时频传递是在自由空间中进行，而目前主流的有基于GPS卫星的微波时频传递和基于激光脉冲往返式的时频传递。利用微波作为信号的主要方式有：卫星共视法(例如：GPSCV)，以及卫星双向时频传递(TWSTFT)，它们的时间传递精度在几ns到几百ps量级，日稳定度在10^-14～10^-15左右。而采用激光的方式，时间传递精度能到100ps左右，稳定度提高1～2个量级。

基于卫星共视法的时频传递是通过中高轨卫星向地面发射微波信号，地面两个不同地方的接收装置接收并测量微波信号，测量的数据通过修正电离层延时、对流层延时、卫星轨道延时等多项综合处理得到最终的对比钟差数据，从而实现时间比对，例如发明专利CN 104181550 A。在该方案中，中高轨卫星共视能够有效降低卫星位置和电离层、对流层等具有共模性质的误差的影响。

卫星双向时频传递(TWSTFT)则是两地通过卫星(一般是地球同步轨道卫星)中转，相互发射与接收微波信号来实现时频传递，是目前精度最高的微波时频传递方法，例如发明专利CN 102545993 A。该方法由于双向链路的共模性更好，能基本消除卫星位置误差以及电离层、对流层的影响。

激光脉冲往返式的时频传递是基于激光测距技术发展起来的一种时间比对方法。该方法通过地面发射激光脉冲，记录脉冲发射时间，以及脉冲经过星上角反器反射回来的时间，星上记录脉冲到达时间，通过三个时间计算钟差，可以用于对比星地时间，同时也可以通过共视或异步对比方式来比对两地时间，例如发明专利CN 103293947 A、CN103345145 A。该方式也是双向链路，卫星位置误差以及大气延时误差带来的影响很小。由于激光频率较微波频段高几个量级，电离层对激光的延时很小，激光的测量精度也更高，可达几十ps，该方式是目前最高精度的时间传递方式之一。但往返式的链路衰减很大，与距离成四次方关系，地面需要发射的高能量激光脉冲(每脉冲能量一般需要mJ以上)，以及采用大口径望远镜用来接收微弱的回波信号。由于激光能量的限制，该方式的采样率有限，目前在1～2000Hz左右，同时对时频比对的距离也有一定限制。

公开内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述技术问题，本公开提出了一种利用星载激光共视进行两地时钟比对的系统和方法，也就是激光共视法时频传递系统和方法。

(二)技术方案

本公开提供了一种利用激光共视进行两地时钟比对的系统，包括：星载设备和位于两地的两个地面测站；星载设备，用于提供激光共视时钟比对期间的精密定轨数据，向两个地面测站发射激光脉冲信号；地面测站，用于接收所述激光脉冲信号并得到激光脉冲信号的到达时间数据，所述到达时间数据、精密定轨数据和气象信息组成测量数据；并接收另一个地面测站的测量数据，对两地面测站的测量数据进行处理，得到两地时钟对比结果。

在本公开的一些实施例中，所述星载设备包括：星载激光器，用于产生高重复频率的、短脉宽的激光脉冲信号；第一激光发射天线和第二激光发射天线，分别用于向两个地面测站发射激光脉冲信号。

在本公开的一些实施例中，所述星载设备还包括：卫星精密定轨模块，用于向地面测站提供所述精密定轨数据。

在本公开的一些实施例中，所述地面测站包括：地面望远镜，用于接收所述激光脉冲信号；单光子探测器，用于探测所述激光脉冲信号而产生电信号；事件时间转换器，用于转换所述电信号而得到激光脉冲信号的到达时间数据；系统控制以及数据存储模块，用于集成控制地面望远镜、单光子探测器、事件时间转换器，接收另一个地面测站的测量数据，对两地面测站的测量数据进行处理。

在本公开的一些实施例中，所述地面测站还包括：卫星定轨导航数据接收模块，用于所述精密定轨数据。

本公开还提供了一种利用激光共视进行两地时钟比对的方法，利用上述系统进行两地时钟比对，包括：步骤S101：星载设备与两地面测站建立稳定的星地激光链路；步骤S201：两地面测站接收星载激光器发射的激光脉冲信号，得到激光脉冲信号的到达时间数据；步骤S301：存储并传输测量数据，测量数据包括激光脉冲信号的到达时间数据、精密定轨数据和气象信息；步骤S401：完成测量数据的初步匹配和去噪处理；步骤S501：对初步匹配成功的测量数据进行精确的延时修正，得到两地面测站时钟比对的钟差数据。

在本公开的一些实施例中，所述步骤S201包括：子步骤S201a：星载激光器发射高重复频率、短脉宽的激光脉冲信号，一路激光脉冲信号从第一激光发射天线发射到第一地面测站，另一路激光脉冲信号从第二激光发射天线发射到第二地面测站；子步骤S201b：两个地面测站的地面望远镜分别接收激光脉冲信号，单光子探测器探测所述激光脉冲信号而产生电信号，事件时间转换器由所述电信号得到激光脉冲信号的到达时间数据。

在本公开的一些实施例中，所述步骤S401包括：子步骤S401a：将两地面测站的测量数据进行分段，对于每段数据，通过初步修正距离延时以将两地面测站的该段数据进行匹配成对；子步骤S401b：判断初步匹配是否成功。对于每段数据，如果匹配失败，返回子步骤S401a继续对下一段数据进行上述处理；如果匹配成功，对测量数据进行下一步处理。

在本公开的一些实施例中，所述步骤S501包括：子步骤S501a：对初步匹配成功的测量数据进行精确的延时修正；子步骤S501b：将精确延时修正后的测量数据进行相减，得到两地面测站时钟比对的钟差数据。

在本公开的一些实施例中，所述步骤S101包括：卫星过境时，两个地面测站以及两个激光发射天线进行相互初步跟踪，并同时向对方发射信标光，地面测站和激光发射天线分别捕获对方发射的信标光，进行精跟踪闭环，建立两条稳定的星地激光链路。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开具有以下有益效果：

与传统微波共视法相比，激光具有更好的测量精度，信号不受电离层影响；与激光往返式时频比对相比，激光共视同样能到达100ps左右的比对精度，而比对链路的信号衰减大大减少，能够提高对比采样率，降低测量随机误差，积分稳定度能够短时间内迅速达到ps量级，同时该方法对激光脉冲能量的需求大大降低，减少对激光器和地面望远镜口径的要求。该方案还可以适应于更远距离的时频比对。

附图说明

图1是本公开实施例利用激光共视进行两地时钟比对的系统的结构示意图。

图2是本公开实施例利用激光共视进行两地时钟比对的方法流程图。

具体实施方式

本公开利用星载的激光脉冲光源作为共视信号，分别通过两套跟踪发射系统发送给两地，两地测量激光脉冲信号达到时间，并利用精密星历和大气延时模型等修正延时差，从而获得两地钟差对比数据。该方式既保留了激光的高精度测量，又结合现有的精密定轨技术和共视的特点，在达到与往返式的激光时频传递接近的对比精度的同时，极大降低了对比链路的衰减，因此对高能量激光脉冲和大口径望远镜的需求大大降低，提高了对比采样率，拓展了对比链路的距离和对比时间。

下面将结合实施例和实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

本公开实施例提供了一种利用激光共视进行两地时钟比对的系统，如图1所示，该系统包括星载设备和位于两地的两个地面测站。

星载设备包括：卫星精密定轨模块、星载激光器、激光发射天线1以及2组成。

卫星精密定轨模块，用于提供激光共视时频比对期间的卫星导航数据以及精密定轨数据，卫星导航数据以及精密定轨数据下传给两个地面测站，为后面的延时修正提供精确修正。该模块可以是双频GPS接收机之类的微波定轨装置或者是往返激光测距以及异步激光测距等光学定轨装置。

星载激光器能够产生高重复频率(＞10kHz)的短脉宽(例如：50ps)激光脉冲信号，该激光脉冲信号可以由自由空间光路或光纤光路一分为二，分别通过激光发射天线1、2发射给地面测站1、2。

激光发射天线1和2分别向地面测站1和2发射激光脉冲信号，其本质也是光学望远镜，并具有跟瞄系统，分别能够准确地跟踪地面测站1和2的地面望远镜，跟踪精度达urad量级，并且具有较小的发散角(10urad量级)。

此外，星载设备还包括信标光发射器，用于向地面测站发射信标光，以进行建立稳定的星地激光链路。

两个地面测站1和2的结构相同，以下以一个地面测站1为例进行说明。地面测站1包括：地面望远镜、单光子探测器、事件时间转换器(TDC)、卫星定轨导航数据接收模块、系统控制以及数据存储模块和时钟。

地面望远镜，用于接收星载设备激光发射天线1发射下来的激光脉冲信号，因此也具备跟瞄系统，能够对准星载设备所在的卫星，跟踪精度达urad量级。

地面望远镜接收的激光脉冲信号耦合进入光纤或者直接进入自由空间光路，传入单光子探测器进行探测。单光子探测器选用对目标激光波段具有高效率、低时间抖动的探测器。

单光子探测器探测的电信号输入事件时间转换器(TDC)，TDC将电信号转换为时间戳数据并记录，该时间戳数据表示激光脉冲信号的到达时间。TDC具有较好的探测精度(＜20ps)，其连接时钟，其参考频率由时钟来提供。

TDC转换的时间戳数据传给系统控制与数据存储模块，该模块用于集成控制地面望远镜、单光子探测器、TDC等模块，并与地面测站2的系统控制与数据存储模块通信，对两个地面测站的测量数据进行传输以及处理，该测量数据包括时间戳数据、精密定轨数据、气象信息等。

卫星定轨导航数据接收模块，用于接收卫星导航数据以及精密定轨数据，并传给系统控制与数据存储模块。

时钟模块是地面测站参与时频比对的时间频率系统，用于为TDC以及系统控制模块等提供时间和频率参考。

此外，地面测站1也还包括信标光发射器和滤波器。信标光发射器用于向星载设备的激光发射天线1发射信标光，以进行建立稳定的星地激光链路。滤波器设置于地面望远镜和单光子探测器之间，用于对激光脉冲信号进行滤波处理。

该系统还可以包括数据处理中心，用于接收两地面测站系统控制与数据存储模块传输的到达时间数据以及精密定轨数据、气象信息，并对上述数据进行处理。

本公开另一实施例提供了一种利用激光共视进行两地时钟比对的方法，利用上述实施例的系统进行两地时钟比对，如图2所示，该方法包括如下步骤：

步骤S101：星载设备与两地面测站建立稳定的星地激光链路。

该步骤具体包括：卫星过境时，两个地面测站根据卫星的星历预报，卫星的两个激光发射天线1和2根据测站坐标进行相互初步跟踪，并同时向对方发射信标光，地面测站和卫星的激光发射天线分别捕获对方发射的信标光，进行精跟踪闭环，建立两条稳定的星地激光链路：即星载设备与地面测站1、星载设备与地面测站2之间的星地激光链路。

步骤S201：两地面测站接收星载激光器发射的激光脉冲信号，得到激光脉冲信号的到达时间数据。

该步骤包括：

子步骤S201a：星载激光器发射激光脉冲信号至两地面测站。

该步骤具体包括：星载激光器根据卫星指令发射高重复频率、窄脉宽的激光脉冲信号，并通过光路(例如自由空间光路或光纤光路)将激光脉冲信号一分为二，一路激光脉冲信号从激光发射天线1发射到地面测站1，另一路激光脉冲信号从激光发射天线2发射到地面测站2。

子步骤S201b：两地面测站对激光脉冲信号进行探测，得到激光脉冲信号的到达时间数据。

该步骤具体包括：两个地面测站的地面望远镜分别接收激光脉冲信号，并通过后光路将激光脉冲信号输出至单光子探测器进行探测。

由于共视比对时中高轨卫星大部分时间处于太阳照射之下，背景噪声会比较大，地面测站还包括滤波器，激光脉冲信号进入单光子探测器之前有滤波器进行滤波处理，例如针对激光脉冲信号波段进行窄带滤波以及空间滤波等等。

单光子探测器的电信号输出给TDC，由TDC记录激光脉冲信号的到达时间数据。

步骤S301：存储并传输测量数据，测量数据包括激光脉冲信号的到达时间数据、精密定轨数据和气象信息。

该步骤具体包括：两地面测站的卫星定轨导航数据接收模块接收卫星导航数据以及精密定轨数据，获取过境的气象信息，到达时间数据以及精密定轨数据、气象信息组成测量数据，测量数据存储至系统控制与数据存储模块。系统控制与数据存储模块可以将测量数据传给数据处理中心，由数据处理中心对数据进行处理；也可以将本地面测站的测量数据发送给另一地面测站的系统控制与数据存储模块，两地面测站的系统控制与数据存储模块均进行数据处理。

步骤S401：完成测量数据的初步匹配和去噪处理。

该步骤包括：

子步骤S401a：对测量数据进行初步匹配和去噪处理。

在该步骤中，由于星载设备的激光脉冲信号是一分为二发往两地面测站，而卫星距离两地面测站的距离并不相同，当激光脉冲信号分别被两地面测站接收探测时，所经历的延时并不相同。本实施例将两地面测站的测量数据进行分段，并进行分段匹配。对于每段数据，根据卫星星历或者精密定轨数据计算激光脉冲信号到两地面测站的距离延时，通过初步修正距离延时以将两地面测站的该段数据进行匹配成对。由于激光脉冲信号是很好的周期信号，可以对测量数据进行频率滤波，剔除噪声影响。

子步骤S401b：判断初步匹配是否成功。对于每段数据，如果其匹配结果超过匹配阈值或匹配成功的测量数据太少，则认为该段数据匹配失败，返回子步骤S401a继续对下一段数据进行上述处理；否则，认为匹配成功，对测量数据进行下一步处理。

步骤S501：对初步匹配成功的测量数据进行精确的延时修正，得到两地面测站时钟比对的钟差数据。

该步骤包括：

子步骤S501a：对初步匹配成功的测量数据进行精确的延时修正。

在该步骤中，该延时包括：卫星位置到两地面测站的距离、大气对激光脉冲信号的延时、地面测站本地光路、地面测站电路的系统延时、激光发射天线的延时等等，上述各种延时会带来系统误差。目前厘米级的定密定轨在中高轨卫星共视的情况下带来的系统差不到毫米量级，大气延时修正精度也可到毫米量级，本地光路等各种系统差也能够在实验前得到很好的标校。

子步骤S501b：将精确延时修正后的测量数据进行相减，得到两地面测站时钟比对的钟差数据。

该步骤中，精确延时修正后的测量数据可以用来计算艾伦方差曲线，评估两地面测站时钟对比的结果，最终完成两地时钟比对。

其中，步骤S401、S501可以由数据处理中心执行，也可以由地面测站执行。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围；

(2)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用激光共视进行两地时钟比对的系统，包括：星载设备和位于两地的两个地面测站；

星载设备，用于提供激光共视时钟比对期间的精密定轨数据，向两个地面测站发射激光脉冲信号；

地面测站，用于接收所述激光脉冲信号并得到激光脉冲信号的到达时间数据，所述到达时间数据、精密定轨数据和气象信息组成测量数据；

另一地面测站，用于接收所述激光脉冲信号并得到激光脉冲信号的到达时间数据，所述到达时间数据、精密定轨数据和气象信息组成测量数据；

所述地面测站接收另一个地面测站的测量数据，对两地面测站的测量数据进行处理，得到两地时钟对比结果。

2.如权利要求1所述的系统，所述星载设备包括：

星载激光器，用于产生高重复频率的、短脉宽的激光脉冲信号；

第一激光发射天线和第二激光发射天线，分别用于向两个地面测站发射激光脉冲信号。

3.如权利要求2所述的系统，所述星载设备还包括：

卫星精密定轨模块，用于向地面测站提供所述精密定轨数据。

4.如权利要求1所述的系统，所述地面测站包括：

地面望远镜，用于接收所述激光脉冲信号；

单光子探测器，用于探测所述激光脉冲信号而产生电信号；

事件时间转换器，用于转换所述电信号而得到激光脉冲信号的到达时间数据；

系统控制以及数据存储模块，用于集成控制地面望远镜、单光子探测器、事件时间转换器，接收另一个地面测站的测量数据，对两地面测站的测量数据进行处理。

5.如权利要求4所述的系统，所述地面测站还包括：卫星定轨导航数据接收模块，用于接收所述精密定轨数据。

6.一种利用激光共视进行两地时钟比对的方法，利用权利要求1至5任一项所述的系统进行两地时钟比对，包括：

步骤S101：星载设备与两地面测站建立稳定的星地激光链路；

步骤S201：两地面测站接收星载激光器发射的激光脉冲信号，得到激光脉冲信号的到达时间数据；

步骤S301：存储并传输测量数据，测量数据包括激光脉冲信号的到达时间数据、精密定轨数据和气象信息；

步骤S401：完成测量数据的初步匹配和去噪处理；

步骤S501：对初步匹配成功的测量数据进行精确的延时修正，得到两地面测站时钟比对的钟差数据。

7.如权利要求6所述的方法，所述步骤S201包括：

子步骤S201a：星载激光器发射高重复频率、短脉宽的激光脉冲信号，一路激光脉冲信号从第一激光发射天线发射到第一地面测站，另一路激光脉冲信号从第二激光发射天线发射到第二地面测站；

子步骤S201b：两个地面测站的地面望远镜分别接收激光脉冲信号，单光子探测器探测所述激光脉冲信号而产生电信号，事件时间转换器由所述电信号得到激光脉冲信号的到达时间数据。

8.如权利要求6所述的方法，所述步骤S401包括：

子步骤S401a：将两地面测站的测量数据进行分段，对于每段数据，通过初步修正距离延时以将两地面测站的该段数据进行匹配成对；

子步骤S401b：判断初步匹配是否成功；对于每段数据，如果匹配失败，返回子步骤S401a继续对下一段数据进行上述处理；如果匹配成功，对测量数据进行下一步处理。

9.如权利要求6所述的方法，所述步骤S501包括：

子步骤S501a：对初步匹配成功的测量数据进行精确的延时修正；

子步骤S501b：将精确延时修正后的测量数据进行相减，得到两地面测站时钟比对的钟差数据。

10.如权利要求6所述的方法，所述步骤S101包括：卫星过境时，两个地面测站以及两个激光发射天线进行相互初步跟踪，并同时向对方发射信标光，地面测站和激光发射天线分别捕获对方发射的信标光，进行精跟踪闭环，建立两条稳定的星地激光链路。

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