CN111708059A - 一种激光时间传递处理方法、系统、存储介质、装置及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于激光时间传递技术领域，公开了一种激光时间传递处理方法、系统、存储介质、装置及应用，构建地面测站和空间飞行器各自的本地时间系统，以本地时间系统基准为参考，控制激光脉冲发射链路和接收链路；在发射链路，对发出的第一个脉冲进行事件时刻测量，将测量时刻进行编码，对后续脉冲进行脉冲位置编码调制，产生编码激光脉冲序列；在空间飞行器接收链路端，接收到发送过来的包含时间信息的编码激光脉冲序列，编码激光脉冲序列转换为电信号；测量每个脉冲的时刻，通过对比解码时刻和测量的脉冲时刻，获得空间飞行器之与地面测站之间的系统时间偏差。本发明实现距离更远的深空飞行器之间的时间传递与同步，提高了深空飞行器控制精度。

Description

一种激光时间传递处理方法、系统、存储介质、装置及应用
技术领域
本发明属于激光时间传递技术领域，尤其涉及一种激光时间传递处理方法、系统、存储介质、装置及应用。
背景技术
目前，在日常生产生活中，常需要在两个系统之间进行时间信息的传递。例如为了保持两个系统之间时间的统一，即对时，就需要将本地系统的时间信息传递给其他系统。传统的时间传递方法有很多，例如采用广播报时、人工手动对时等方式来传递时间。但传统的时间传递方式由于其传递过程产生的时间延迟导致最终时间传递结果的精确度并不高。
随着现代科学技术的发展，在实际应用中对于时间信息传递的准确精度的要求越来越高。例如基础科学研究、天文观测、航空航天探测、通信和导航等很多领域都需要用到高精度的时间传递。因此在现代科学技术和实际应用需求的推动下高精度的时间传递技术被越来越广泛的使用。目前用于地面对卫星的时间传递系统多以无线电为载体，例如GNSS授时系统，高精度的时间同步已经成为各个GNSS卫星定位导航系统中的关键技术，是定位导航精度的重要保证，时间传递精度仅能达到1-5ns，随着深空飞行器精密测控、引力波探测等各种应用对时间传递精度要求的不断提高，1-5ns的时间传递精度越来越不能满足需求。而且，基于GNSS的时间传递方法需要庞大的导航系统提供支持，针对深空应用，目前广大的星际空间还没有这样的导航系统。
激光时间传递技术是一种新兴的时间比对传递技术。激光在深空应用中有这天然的优势，无线电信号发散大，距离越远信号损失越大。而激光的发散角要远远小于无线电，衍射损失更小，能量更为集中，传递信号的效率更高。例如，在火星距离上的探测器发射的射频波束传输到地球，由于衍射，射频波束直径将会扩大到100个地球直径宽度的面积上。而对于激光光束来说，尺寸仅为0.1个地球直径宽度，这表明激光测控在水平和垂直方向上的接受能量集中程度提高了1000倍，相当于功率密度提高了106倍。这意味着同样的传输效率下，激光链路在发射功率更低和尺寸更小，传输速率更大，传输距离可以更远。另外，无线电信号易受环境电磁干扰影响，空间传输过程还要经过太阳等离子区，容易受太阳风暴冲击。而激光基本不受空间复杂电磁环境的影响。
现有技术一激光链路时间传递系统Time transfer by laser link(T2L2)，T2L2是一种基于地面激光测距网络和地球临近空间段的时间传输技术。该项目由CNES和OCA共同开发，于2008年在Jason-2卫星上发射，进行为期5年的实验。T2L2是连接到激光站的地面时钟和空间时钟之间的空间到地面时间传输系统。地面上的几个远程时钟之间的地对地时间转移是通过这种单独的空对地时间转移来实现的。激光站包括望远镜、脉冲激光器、CCD相机和两个连接到地面时钟的事件计时器，一个用于标记时间开始事件，另一个用于返回。对于激光站发射的给定激光脉冲，可以得到地面的开始时间，根据精密轨道预报得到激光脉冲到达卫星的时间，从这三个时间(称为三元组)中可以提取地面时钟和空间时钟之间的时间延迟。通过对比同一个激光脉冲往返飞行时间与卫星测得的单程地面到卫星站传输时间，可以计算出传输时延差，同时通过下行通信信道，使用无线电作为载体将时间信息发送至地面测站，从而完成时间传递。现有技术还需要卫星搭载角反射器，做双向距离测量以获得卫星至地面测站的距离信息。这种双向测距一方面极大的限制了激光时间传递的应用距离。双向激光测量距离回波信号强度与距离的四次方成反比，随着距离的增加回波信号强度急剧衰减，基于该方法仅能实现地球临近空间的激光时间传递。另一方面，目前的单次双向测距精度还很难达到毫米量级，这也限制了T2L2技术本身所能达到的时间传递精度。另外，该时间传递系统需要使用无线电作为载体将时间传递的同步信息发送至地面测站，这个过程中需要占用一个下行的无线电通信信道，地面和卫星完成时间传递需增加无线电通信设备。时间传递过程受到无线电数据传输影响，制约了深空激光时间传递应用的开展。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)现有激光链路时间传递系统需要卫星搭载角反射器，做双向距离测量以获得卫星至地面测站的距离信息，双向测距极大的限制了激光时间传递的应用距离。
(2)现有激光链路时间传递系统仅能实现地球临近空间的激光时间传递。
(3)时间传递过程中激光飞行时间修正依赖于传统卫星激光测距技术对测站和卫星距离的同步测量，传递效率受到影响，时间传递精度受到激光测距技术的限制，测距时延修正还会受大气模型精度等因素影响。
(4)现有激光链路时间传递系统使用无线电作为载体将时间传递的同步信息发送至地面测站，需要占用一个下行的无线电通信信道，地面和卫星完成时间传递需增加无线电通信设备。
(5)时间传递过程受到无线电数据传输影响，制约了深空激光时间传递应用的开展，随着传输距离的显著增加，无线电通信设备的质量和体积也会大幅度增加。
解决以上问题及缺陷的意义为：设计思想完全不同，本发明方法通过以地面站和空间飞行器等价的事件计时系统，不依赖于基于角反射器的双向测距的辅助；地面站和空间飞行器之间的同步激光脉冲事件计时测量有效消除了激光传输路径带来的延迟误差，特别是地球大气环境对给激光传输带来的不确定性，可以进一步提高时间传递精度；简化系统硬件结构，独立完成工作，减少辅助系统，系统集成度更高。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种激光时间传递处理方法、系统、存储介质、装置及应用。
本发明是这样实现的，一种激光时间传递处理方法，所述激光时间传递处理方法包括：
第一步，构建地面测站和空间飞行器各自的本地时间系统，以本地时间系统基准为参考，控制激光脉冲发射链路和接收链路；
第二步，在发射链路，对发出的第一个脉冲进行事件时刻测量，将测量时刻进行编码，对后续脉冲进行脉冲位置编码调制，产生包含时间信息的编码激光脉冲序列；
第三步，在空间飞行器的接收链路端，接收到发送过来的包含时间信息的编码激光脉冲序列，编码激光脉冲序列转换为电信号；
第四步，测量每个脉冲的时刻，通过对比解码时刻和测量的脉冲时刻，获得空间飞行器之与地面测站之间的系统时间偏差。
进一步，所述激光时间传递处理方法对激光脉冲时间测量采用事件计时方法，根据系统时间测量激光脉冲发出或到达时刻。
进一步，所述激光时间传递处理方法的脉冲位置编码调制方法，包括利用脉冲位置调制编码控制器产生调制编码、利用激光器脉冲延迟触发产生调制编码、利用机械转镜产生调制编码。
进一步，所述激光时间传递处理方法对于初期没有精密轨道参数的空间飞行器，先采用直接单向授时方法进行粗同步，地面测站将调制好的激光脉冲序列发射至空间飞行器，脉冲包含一个起始码以及发射起始码的时刻信息，当空间飞行器接收到该脉冲时，检查其编码序列，当检测到起始码时，进行起始码的时刻测量。根据飞行器轨道数据，将所接收到的激光脉冲中包含的时间信息减去光飞行的路径时延后，与空间飞行器搭载的时钟进行对比，获得偏差并修正。同时，空间飞行器接收到的起始码时刻测量值，按照同样的编码方式发送至地面站，用于检测空间飞行器时钟偏差修正值。粗同步时钟偏差修正优于1秒即可；
进一步，所述激光时间传递处理方法对于完成地面测站和空间飞行器之间完成粗同步以后，使用同步双向时间传递方法实现精密时间同步和钟差测量。地面站和空间飞行器在整秒互相发送起始码和起始码时刻信息，测量对方发送的起始码时刻接收对方发送的起始码时刻信息。根据时码信息，地面站和空间飞行器均可测得相互间的时间偏差，完成精密双向时间传递。
本发明的另一目的在于提供一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行权利要求任意一项所述包括下列步骤：
第一步，构建地面测站和空间飞行器各自的本地时间系统，以本地时间系统基准为参考，控制激光脉冲发射链路和接收链路；
第二步，在发射链路，对发出的第一个脉冲进行事件时刻测量，将测量时刻进行编码，对后续脉冲进行脉冲位置编码调制，产生包含时间信息的编码激光脉冲序列；
第三步，在空间飞行器的接收链路端，接收到发送过来的包含时间信息的编码激光脉冲序列，编码激光脉冲序列转换为电信号；
第四步，测量每个脉冲的时刻，通过对比解码时刻和测量的脉冲时刻，获得空间飞行器之与地面测站之间的系统时间偏差。
本发明的另一目的在于提供一种实施所述激光时间传递处理方法的激光时间传递处理系统，所述激光时间传递处理系统包括：
本地时间系统构建模块，用于构建地面测站和空间飞行器各自的本地时间系统，以本地时间系统基准为参考，控制激光脉冲发射链路和接收链路；
编码激光脉冲序列产生模块，用于在发射链路，对发出的第一个脉冲进行事件时刻测量，将测量时刻进行编码，对后续脉冲进行脉冲位置编码调制，产生包含时间信息的编码激光脉冲序列；
编码激光脉冲序列转换模块，用于在空间飞行器的接收链路端，接收到发送过来的包含时间信息的编码激光脉冲序列，编码激光脉冲序列转换为电信号；
系统时间偏差获得模块，用于测量每个脉冲的时刻，通过对比解码时刻和测量的脉冲时刻，获得空间飞行器之与地面测站之间的系统时间偏差。
本发明的另一目的在于提供一种搭载所述激光时间传递处理系统的激光时间传递处理装置，所述激光时间传递处理装置包括：地面测站、空间飞行器；地面测站通过自由空间连接所述空间飞行器。
地面测站包括：第一激光器、第一激光编码控制器、第一发射望远镜、第一原子时钟、第一事件计时及控制系统、第一接收望远镜；
第一激光器与第一激光编码控制器和第一事件计时及控制系统连接，第一激光编码控制器与第一发射望远镜和第一事件计时及控制系统连接，第一原子时钟与第一事件计时及控制系统连接，第一事件计时及控制系统与第一接收望远镜连接；
空间飞行器包括：第二激光器、第二激光编码控制器、第二发射望远镜、第二原子时钟、第二事件计时及控制系统、第二接收望远镜；
第二激光器与第二激光编码控制器和第二事件计时及控制系统连接，第二激光编码控制器与第二发射望远镜和第二事件计时及控制系统连接，第二原子时钟和第二接收望远镜与第二事件计时及控制系统连接。
本发明的另一目的在于提供一种运行所述激光时间传递处理装置的控制方法，所述控制方法包括：
(1)采用第一原子时钟为基准构建地面测站和空间飞行器各自的本地时间系统，以该时间基准为参考，控制系统控制分别控制激光脉冲发射链路和接收链路；
(2)在发射链路，第一事件计时控制系统先对发出的第一个脉冲进行事件时刻测量，然后将测量时刻进行编码，通过第一激光编码控制器，对后续脉冲进行脉冲位置编码调制，产生包含时间信息的编码激光脉冲序列；
(3)通过第一发射望远镜由自由空间发射到空间飞行器；
(4)在空间飞行器的接收链路端，第二接收望远镜接收到空间飞行器发送过来的包含时间信息的编码激光脉冲序列；
(5)通过单光子探测器转换为电信号，解码控制器和事件计时器测量每个脉冲的时刻，通过对比解码时刻和测量的脉冲时刻，空间飞行器获得与地面测站之间的系统时间偏差；反之，地面测站也可以获得与空间飞行器之间的系统时间偏差。
本发明的另一目的在于提供一种所述激光时间传递处理方法在深空飞行器中的应用。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明使用激光脉冲作为载波实现空间与地面间，或者空间与空间的精密时间传递。本发明解决了行星际遥远距离地面测站和空间飞行器之间、或者空间飞行器与其他空间飞行器之间的精密时间传递问题，有助于提高深空飞行器的测控精度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的激光时间传递处理方法流程图。
图2是本发明实施例提供的激光时间传递处理系统结构示意图。
图3是本发明实施例提供的激光时间传递处理装置结构示意图。
图中：1、本地时间系统构建模块；2、编码激光脉冲序列产生模块；3、编码激光脉冲序列转换模块；4、系统时间偏差获得模块；5、地面测站；5-1、第一激光器；5-2、第一激光编码控制器；5-3、第一发射望远镜；5-4、第一原子时钟；5-5、第一事件计时控制系统；5-6、第一接收望远镜；6、空间飞行器；6-1、第二激光器；6-2、第二激光编码控制器；6-3、第二发射望远镜；6-4、第二原子时钟；6-5、第二事件计时控制系统；6-6、第二接收望远镜。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种激光时间传递处理方法、系统、存储介质、装置及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明提供的激光时间传递处理方法包括以下步骤：
S101：构建地面测站和空间飞行器各自的本地时间系统，以本地时间系统基准为参考，控制激光脉冲发射链路和接收链路；
S102：在发射链路，对发出的第一个脉冲进行事件时刻测量，将测量时刻进行编码，对后续脉冲进行脉冲位置编码调制，产生包含时间信息的编码激光脉冲序列；
S103：在空间飞行器的接收链路端，接收到发送过来的包含时间信息的编码激光脉冲序列，编码激光脉冲序列转换为电信号；
S104：测量每个脉冲的时刻，通过对比解码时刻和测量的脉冲时刻，获得空间飞行器之与地面测站之间的系统时间偏差。
如图2所示，本发明提供的激光时间传递处理系统包括：
本地时间系统构建模块1，用于构建地面测站和空间飞行器各自的本地时间系统，以本地时间系统基准为参考，控制激光脉冲发射链路和接收链路。
编码激光脉冲序列产生模块2，用于在发射链路，对发出的第一个脉冲进行事件时刻测量，将测量时刻进行编码，对后续脉冲进行脉冲位置编码调制，产生包含时间信息的编码激光脉冲序列。
编码激光脉冲序列转换模块3，用于在空间飞行器的接收链路端，接收到发送过来的包含时间信息的编码激光脉冲序列，编码激光脉冲序列转换为电信号。
系统时间偏差获得模块4，用于测量每个脉冲的时刻，通过对比解码时刻和测量的脉冲时刻，获得空间飞行器之与地面测站之间的系统时间偏差。
如图3所示，本发明提供的激光时间传递处理装置包括：地面测站5、空间飞行器6。
地面测站5包括：第一激光器5-1、第一激光编码控制器5-2、第一发射望远镜5-3、第一原子时钟5-4、第一事件计时及控制系统5-5、第一接收望远镜5-6。
第一激光器5-1与第一激光编码控制器5-2和第一事件计时及控制系统5-5连接，第一激光编码控制器5-2与第一发射望远镜5-3和第一事件计时控制系统5-5连接，第一原子时钟5-4与第一事件计时及控制系统5-5连接，第一事件计时及控制系统5-5与第一接收望远镜5-6连接。
空间飞行器6包括：第二激光器6-1、第二激光编码控制器6-2、第二发射望远镜6-3、第二原子时钟6-4、第二事件计时及控制系统6-5、第二接收望远镜6-6。
第二激光器6-1与第二激光编码控制器6-2和第二事件计时及控制系统6-5连接，第二激光编码控制器6-2与第二发射望远镜6-3和第二事件计时及控制系统6-5连接，第二原子时钟6-4和第二接收望远镜6-6与第二事件计时控制系统6-5连接。
地面测站5和空间飞行器6采用同样的硬件配置，具有同样的功能。首先采用第一原子时钟5-4为基准构建地面测站5和空间飞行器6各自的本地时间系统，以该时间基准为参考，控制系统(控制系统5-5和第二事件计时控制系统6-5集成在一起)控制分别控制激光脉冲发射链路和接收链路。在发射链路，第一事件计时控制系统5-5先对发出的第一个脉冲进行事件时刻测量，然后将测量时刻进行编码，通过第一激光编码控制器5-2，对后续脉冲进行脉冲位置编码调制，产生包含时间信息的编码激光脉冲序列，通过第一发射望远镜5-3由自由空间发射到空间飞行器6。在空间飞行器6的接收链路端，第二接收望远镜6-6接收到空间飞行器6发送过来的包含时间信息的编码激光脉冲序列，通过光子探测器转换为电信号，解码控制器和事件计时器测量每个脉冲的时刻，通过对比解码时刻和测量的脉冲时刻，空间飞行器6即可获得与地面测站5之间的系统时间偏差。反之，地面测站5也可以获得与空间飞行器6之间的系统时间偏差。光子探测器是集成在接收望远镜里的，在望远镜的主焦点位置，事件计时及控制系统5-5和6-5里包括解码控制器，这个解码控制器可以是硬件解码也可以是软件解码。
本发明的深空距离指的是地球临近空间至太阳系火星和水星的距离，从300千米卫星轨道高度至4×109千米。
本发明的原子时钟为高精度主动型氢原子钟、被动型氢原子钟、高性能铯原子钟和高性能铷原子钟，原子钟输出频率稳定性优于1×10-14(1小时)，输出频率为1PPS(秒脉冲)、5MHz和10MHz信号，原子时钟通过GPS共视法接收机进行校准和同步，原子钟同步精度优于5纳秒。
本发明的激光器包括皮秒脉冲激光器、纳秒脉冲激光器、飞秒脉冲激光器，脉冲宽度为10ns-100fs。
本发明的对激光脉冲时间测量采用事件计时方法，根据系统时间测量激光脉冲发出或到达时刻。
本发明的精密时间传递可以在地面测站和空间飞行器之间实现，也可以在空间飞行器和空间飞行器之间实现。
本发明的激光脉冲编码控制器(第一激光编码控制器5-2和第二激光编码控制器6-2)，采用脉冲位置编码调制方法。
本发明的脉冲位置编码调制方法，包括利用脉冲位置调制编码控制器产生调制编码、利用激光器脉冲延迟触发产生调制编码、利用机械转镜产生调制编码。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。
实施例1：
对于初期没有精密轨道参数的空间飞行器，采用直接单向授时方法进行粗同步，地面测站将调制好的激光脉冲序列发射至空间飞行器，脉冲包含一个起始码以及发射起始码的时刻信息，当空间飞行器接收到该脉冲时，检查其编码序列，当检测到起始码时，进行起始码的时刻测量。根据飞行器轨道数据，将所接收到的激光脉冲中包含的时间信息减去光飞行的路径时延后，与空间飞行器搭载的时钟进行对比，获得偏差并修正。同时，空间飞行器接收到的起始码时刻测量值，按照同样的编码方式发送至地面站，用于检测空间飞行器时钟偏差修正值。
实施例2：
地面测站和空间飞行器之间完成粗同步以后，使用同步双向时间传递方法实现精密时间同步和钟差测量。地面站和空间飞行器在整秒互相发送起始码和起始码时刻信息，测量对方发送的起始码时刻接收对方发送的起始码时刻信息。根据时码信息，地面站和空间飞行器均可测得相互间的时间偏差，完成精密双向时间传递。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光时间传递处理方法，其特征在于，所述激光时间传递处理方法包括：
第一步，构建地面测站和空间飞行器各自的本地时间系统，以本地时间系统基准为参考，控制激光脉冲发射链路和接收链路；
第二步，在发射链路，对发出的第一个脉冲进行事件时刻测量，将测量时刻进行编码，对后续脉冲进行脉冲位置编码调制，产生包含时间信息的编码激光脉冲序列；
第三步，在空间飞行器的接收链路端，接收到发送过来的包含时间信息的编码激光脉冲序列，编码激光脉冲序列转换为电信号；
第四步，测量每个脉冲的时刻，通过对比解码时刻和测量的脉冲时刻，获得空间飞行器之与地面测站之间的系统时间偏差。
2.如权利要求1所述的激光时间传递处理方法，其特征在于，所述激光时间传递处理方法对激光脉冲时间测量采用事件计时方法，根据系统时间测量激光脉冲发出或到达时刻。
3.如权利要求1所述的激光时间传递处理方法，其特征在于，所述激光时间传递处理方法的脉冲位置编码调制方法，包括利用脉冲位置调制编码控制器产生调制编码、利用激光器脉冲延迟触发产生调制编码、利用机械转镜产生调制编码。
4.如权利要求1所述的激光时间传递处理方法，其特征在于，所述激光时间传递处理方法对于初期没有精密轨道参数的空间飞行器，先采用直接单向授时方法进行粗同步，地面测站将调制好的激光脉冲序列发射至空间飞行器，脉冲包含一个起始码以及发射起始码的时刻信息，当空间飞行器接收到该脉冲时，检查其编码序列，当检测到起始码时，进行起始码的时刻测量；根据飞行器轨道数据，将所接收到的激光脉冲中包含的时间信息减去光飞行的路径时延后，与空间飞行器搭载的时钟进行对比，获得偏差并修正；同时，空间飞行器接收到的起始码时刻测量值，按照同样的编码方式发送至地面站，用于检测空间飞行器时钟偏差修正值，粗同步时钟偏差修正优于1秒即可。
5.如权利要求1所述的激光时间传递处理方法，其特征在于，所述激光时间传递处理方法在完成地面测站和空间飞行器之间完成粗同步以后，使用双向时间传递方法实现精密时间同步和钟差测量，地面站和空间飞行器在整秒互相发送起始码和起始码时刻信息，测量对方发送的起始码时刻接收对方发送的起始码时刻信息，根据时码信息，地面站和空间飞行器均可测得相互间的时间偏差，完成精密双向时间传递。
6.一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行权利要求任意一项所述包括下列步骤：
第一步，构建地面测站和空间飞行器各自的本地时间系统，以本地时间系统基准为参考，控制激光脉冲发射链路和接收链路；
第二步，在发射链路，对发出的第一个脉冲进行事件时刻测量，将测量时刻进行编码，对后续脉冲进行脉冲位置编码调制，产生包含时间信息的编码激光脉冲序列；
第三步，在空间飞行器的接收链路端，接收到发送过来的包含时间信息的编码激光脉冲序列，编码激光脉冲序列转换为电信号；
第四步，测量每个脉冲的时刻，通过对比解码时刻和测量的脉冲时刻，获得空间飞行器之与地面测站之间的系统时间偏差。
7.一种实施权利要求1～5任意一项所述激光时间传递处理方法的激光时间传递处理系统，其特征在于，所述激光时间传递处理系统包括：
本地时间系统构建模块，用于构建地面测站和空间飞行器各自的本地时间系统，以本地时间系统基准为参考，控制激光脉冲发射链路和接收链路；
编码激光脉冲序列产生模块，用于在发射链路，对发出的第一个脉冲进行事件时刻测量，将测量时刻进行编码，对后续脉冲进行脉冲位置编码调制，产生包含时间信息的编码激光脉冲序列；
编码激光脉冲序列转换模块，用于在空间飞行器的接收链路端，接收到发送过来的包含时间信息的编码激光脉冲序列，编码激光脉冲序列转换为电信号；
系统时间偏差获得模块，用于测量每个脉冲的时刻，通过对比解码时刻和测量的脉冲时刻，获得空间飞行器之与地面测站之间的系统时间偏差。
8.一种搭载权利要求7所述激光时间传递处理系统的激光时间传递处理装置，其特征在于，所述激光时间传递处理装置包括：地面测站、空间飞行器；地面测站通过自由空间连接所述空间飞行器；
地面测站包括：第一激光器、第一激光编码控制器、第一发射望远镜、第一原子时钟、第一事件计时控制系统、第一接收望远镜；
第一激光器与第一激光编码控制器和第一事件计时控制系统连接，第一激光编码控制器与第一发射望远镜和第一事件计时控制系统连接，第一原子时钟与第一事件计时控制系统连接，第一事件计时控制系统与第一接收望远镜连接；
空间飞行器包括：第二激光器、第二激光编码控制器、第二发射望远镜、第二原子时钟、第二事件计时控制系统、第二接收望远镜；
第二激光器与第二激光编码控制器和第二事件计时控制系统连接，第二激光编码控制器与第二发射望远镜和第二事件计时控制系统连接，第二原子时钟和第二接收望远镜与第二事件计时控制系统连接。
9.一种运行权利要求8所述激光时间传递处理装置的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
(1)采用第一原子时钟为基准构建地面测站和空间飞行器各自的本地时间系统，以该时间基准为参考，控制系统控制分别控制激光脉冲发射链路和接收链路；
(2)在发射链路，第一事件计时控制系统先对发出的第一个脉冲进行事件时刻测量，然后将测量时刻进行编码，通过第一激光编码控制器，对后续脉冲进行脉冲位置编码调制，产生包含时间信息的编码激光脉冲序列；
(3)通过第一发射望远镜由自由空间发射到空间飞行器；
(4)在空间飞行器的接收链路端，第二接收望远镜接收到空间飞行器发送过来的包含时间信息的编码激光脉冲序列；
(5)通过光子探测器转换为电信号，解码控制器和事件计时器测量每个脉冲的时刻，通过对比解码时刻和测量的脉冲时刻，空间飞行器获得与地面测站之间的系统时间偏差；反之，地面测站也可以获得与空间飞行器6之间的系统时间偏差。
10.一种如权利要求1～5任意一项所述激光时间传递处理方法在深空飞行器中的应用，包括地面测站与空间飞行器，不同空间飞行器之间进行精密时间传递和钟差测量。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112444800A (zh) * 2020-10-19 2021-03-05 中科传启（苏州）科技有限公司 一种超声测距装置的校正方法
CN113655509A (zh) * 2021-08-13 2021-11-16 中国科学院国家天文台长春人造卫星观测站 一种高重复率卫星激光测距实时控制系统

Citations (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NL6912654A (zh) * 1968-08-20 1970-02-24
JPS5033320B1 (zh) * 1968-03-06 1975-10-29
AU2031895A (en) * 1994-05-27 1995-12-07 Thyer, James Robert William Method and apparatus for timing events
CA2169792A1 (en) * 1995-02-22 1996-08-23 Thierry Potier Apparatus and method for measuring very accurately the time of an event
CN103293947A (zh) * 2013-05-16 2013-09-11 中国科学院上海天文台 一种星地激光时间比对系统
CN103345145A (zh) * 2013-05-27 2013-10-09 北京空间飞行器总体设计部 一种利用激光进行星载时钟测量的方法
CN103383539A (zh) * 2013-06-28 2013-11-06 中国航天科技集团公司第五研究院第五一三研究所 一种基于双时钟系统的时间测量方法
CN103763052A (zh) * 2014-02-18 2014-04-30 中国科学院国家天文台长春人造卫星观测站 转发式测轨系统时间偏差测量方法及装置
CN104535992A (zh) * 2014-12-16 2015-04-22 中国测绘科学研究院 人造卫星激光测距系统
WO2015128682A1 (en) * 2014-02-28 2015-09-03 Marko Borosak Laser transponder system and method for disrupting advanced speed measuring lidars
CN105656617A (zh) * 2016-01-06 2016-06-08 中国洛阳电子装备试验中心 时间控制脉冲间隔激光编码与识码方法
US20170142672A1 (en) * 2015-11-13 2017-05-18 Pyrotechnics Management, Inc. Time code controlled logic device
CN107508649A (zh) * 2017-07-06 2017-12-22 桂林电子科技大学 一种基于北斗的水下激光授时系统及方法
WO2018050906A2 (de) * 2016-09-19 2018-03-22 Blickfeld GmbH Codierte laserlicht-pulssequenzen für lidar
CN109991837A (zh) * 2019-03-22 2019-07-09 中国科学技术大学 一种利用激光共视进行两地时钟比对的系统及方法

Patent Citations (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5033320B1 (zh) * 1968-03-06 1975-10-29
NL6912654A (zh) * 1968-08-20 1970-02-24
AU2031895A (en) * 1994-05-27 1995-12-07 Thyer, James Robert William Method and apparatus for timing events
CA2169792A1 (en) * 1995-02-22 1996-08-23 Thierry Potier Apparatus and method for measuring very accurately the time of an event
CN103293947A (zh) * 2013-05-16 2013-09-11 中国科学院上海天文台 一种星地激光时间比对系统
CN103345145A (zh) * 2013-05-27 2013-10-09 北京空间飞行器总体设计部 一种利用激光进行星载时钟测量的方法
CN103383539A (zh) * 2013-06-28 2013-11-06 中国航天科技集团公司第五研究院第五一三研究所 一种基于双时钟系统的时间测量方法
CN103763052A (zh) * 2014-02-18 2014-04-30 中国科学院国家天文台长春人造卫星观测站 转发式测轨系统时间偏差测量方法及装置
WO2015128682A1 (en) * 2014-02-28 2015-09-03 Marko Borosak Laser transponder system and method for disrupting advanced speed measuring lidars
CN104535992A (zh) * 2014-12-16 2015-04-22 中国测绘科学研究院 人造卫星激光测距系统
US20170142672A1 (en) * 2015-11-13 2017-05-18 Pyrotechnics Management, Inc. Time code controlled logic device
CN105656617A (zh) * 2016-01-06 2016-06-08 中国洛阳电子装备试验中心 时间控制脉冲间隔激光编码与识码方法
WO2018050906A2 (de) * 2016-09-19 2018-03-22 Blickfeld GmbH Codierte laserlicht-pulssequenzen für lidar
CN107508649A (zh) * 2017-07-06 2017-12-22 桂林电子科技大学 一种基于北斗的水下激光授时系统及方法
CN109991837A (zh) * 2019-03-22 2019-07-09 中国科学技术大学 一种利用激光共视进行两地时钟比对的系统及方法

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KODET, J: "Local Ties Control in Application of Laser Time Transfer", 《2013 JOINT EUROPEAN FREQUENCY AND TIME FORUM & INTERNATIONAL FREQUENCY CONTROL SYMPOSIUM (EFTF/IFC)》 *
MATTISON, EM: "A TIME TRANSFER TECHNIQUE USING A SPACE-BORNE HYDROGEN MASER AND LASER PULSE TIMING", 《PROCEEDINGS OF THE 1994 IEEE INTERNATIONAL FREQUENCY CONTROL SYMPOSIUM (THE 48TH ANNUAL SYMPOSIUM)》 *
张伦: "星地时间同步技术的研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 基础科学辑》 *
张先武: "大气激光通信脉冲位置编码技术研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》 *
陈东隅: "多测站激光测距中的时间同步方法研究", 《时间频率学报》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112444800A (zh) * 2020-10-19 2021-03-05 中科传启（苏州）科技有限公司 一种超声测距装置的校正方法
CN113655509A (zh) * 2021-08-13 2021-11-16 中国科学院国家天文台长春人造卫星观测站 一种高重复率卫星激光测距实时控制系统
CN113655509B (zh) * 2021-08-13 2023-07-21 中国科学院国家天文台长春人造卫星观测站 一种高重复率卫星激光测距实时控制系统

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