衛(wèi)星激光時(shí)差測(cè)量?jī)x探測(cè)方法研究.pdf

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1、第4O卷第2期全球定位系統(tǒng)Vo1．40，No．22015年4月GNSSWorldofChinnApril，2015衛(wèi)星激光時(shí)差測(cè)量?jī)x探測(cè)方法研究史豐豐，程夢(mèng)飛，李博，王磊(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京100094)摘要：星載時(shí)差測(cè)量?jī)x是實(shí)現(xiàn)激光星地精密時(shí)差測(cè)量的關(guān)鍵設(shè)備，其采集數(shù)據(jù)總有效率的高低決定激光星地時(shí)間同步精度。但由于激光技術(shù)的數(shù)據(jù)采集率受天氣及背景噪聲影響較大，為提高時(shí)差測(cè)量?jī)x的探測(cè)能力，降低大背景噪聲對(duì)數(shù)據(jù)總有效率的影響，分別應(yīng)用門(mén)控技術(shù)和調(diào)整下傳速率兩種策略針對(duì)激光時(shí)差測(cè)量?jī)x進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在大背景噪聲條件下可以提高時(shí)差測(cè)量?jī)x數(shù)據(jù)總有效率20以上

2、。關(guān)鍵詞：激光時(shí)間比對(duì)；時(shí)差測(cè)量?jī)x；門(mén)控；下傳速率中圖分類(lèi)號(hào)：TP391．41文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008—9268(2015)02—0088—04星上，地面設(shè)備記錄發(fā)射時(shí)刻，經(jīng)星載激光反射器0引言將激光脈沖原路返回到地面站，地面設(shè)備記錄激光隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高精度時(shí)間同步在國(guó)民返回時(shí)刻，同時(shí)衛(wèi)星記錄激光到達(dá)衛(wèi)星的時(shí)刻并將經(jīng)濟(jì)建設(shè)諸如通信、電力、交通等領(lǐng)域有著廣泛的此時(shí)刻通過(guò)廣播電文信息傳回地面站]。如圖l所應(yīng)用，在衛(wèi)星導(dǎo)航、太空探索等領(lǐng)域時(shí)間同步精度示，衛(wèi)星時(shí)T和T。地面時(shí)的時(shí)差為△T，r為地面要求甚至達(dá)到納秒或亞納秒量級(jí)]。目前時(shí)間同站測(cè)得的激光往

3、返時(shí)間，將激光反射器反射激光的步精度主要采用單向和雙向兩種方法，激光時(shí)間傳過(guò)程時(shí)延忽略不計(jì)，則可以認(rèn)為激光從地面到衛(wèi)星遞作為雙向法的一種，該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是有效的抵消和衛(wèi)星到地面的時(shí)延相同，均為，地面站發(fā)射激厶衛(wèi)星位置或地面位置不準(zhǔn)確而造成的測(cè)量誤差，以光脈沖與秒脈沖的時(shí)差、衛(wèi)星上的秒脈沖與收到激及路徑中的反常電離層、對(duì)流層的干擾所引起的時(shí)延誤差，同步精度可以優(yōu)于1ns[3]．然而，激光技術(shù)光脈沖的時(shí)差已知，因此星地時(shí)間系統(tǒng)的鐘差△T的數(shù)據(jù)采集率受天氣及背景噪聲影響較大]，星載為時(shí)差測(cè)量?jī)x是實(shí)現(xiàn)激光數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵設(shè)備，為解AT一一TG—Ts．(1)決大背景噪聲條

4、件下數(shù)據(jù)總有效率低的問(wèn)題，本文首先介紹了激光星地時(shí)間比對(duì)及星載時(shí)差測(cè)量?jī)x的基本原理，而后介紹了門(mén)控技術(shù)及下傳速率調(diào)整兩種策略在星載時(shí)差測(cè)量?jī)x上的應(yīng)用，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可／瓠／玲以看出應(yīng)用這兩種策略能夠在大背景噪聲條件下發(fā)射／脈／＼大幅提高數(shù)據(jù)采集總有效率，對(duì)激光星地時(shí)間同步脈沖／沖渡I面時(shí)，幾脈具有現(xiàn)實(shí)意義。r0lAT一f／2—f／2一1激光星地時(shí)差測(cè)量原理圖1激光星地時(shí)差測(cè)量原理圖1．1激光星地時(shí)間比對(duì)基本原理激光星地時(shí)間比對(duì)是指通過(guò)激光測(cè)量地面站1．2激光星地時(shí)差測(cè)量?jī)x原理與衛(wèi)星之間的時(shí)差，地面站發(fā)射激光脈沖到指定衛(wèi)激光時(shí)差測(cè)量?jī)x原理樣機(jī)主要包括激光探測(cè)收稿日期

5、：2015-02—10聯(lián)系人：李博E—mail54041212@qq．com第2期史豐豐，等：衛(wèi)星激光時(shí)差測(cè)量?jī)x探測(cè)方法研究89器和計(jì)時(shí)器，激光探測(cè)器的核心器件是捷克技術(shù)的門(mén)控信號(hào)和SR620的開(kāi)門(mén)信號(hào)，另一路通過(guò)反大學(xué)提供的40tLm單光子雪崩二極管芯片，特點(diǎn)是光鏡經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的光路后送至激光探測(cè)器，激光探測(cè)靈敏度高(單光子)，對(duì)綠光(Nd：YAG倍頻激光波器輸出作為SR620的關(guān)門(mén)信號(hào)。SR62O得到數(shù)據(jù)長(zhǎng))量子效率高(20Ao)，不需要放大器，時(shí)間游動(dòng)為T(mén)s，通過(guò)串口送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。測(cè)試過(guò)程小(<150ps)【7]。高精度計(jì)時(shí)器采用內(nèi)插測(cè)時(shí)方使激光探測(cè)

6、器在此門(mén)控信號(hào)期間處于單光子靈敏法，把時(shí)間間隔分為大數(shù)部分為△T和精細(xì)部分度接收狀態(tài)，其余時(shí)間處于低靈敏度狀態(tài)?！鱐和△T。，采用較低頻率作為參考時(shí)基，大數(shù)部在無(wú)燈光照射(模擬低背景噪聲)和不同強(qiáng)度分△T可利用普通數(shù)字計(jì)數(shù)器對(duì)參考時(shí)基進(jìn)行計(jì)的燈光照射(模擬不同背景噪聲)情況下，分別測(cè)試數(shù)，精細(xì)部分△T1和△T，是由兩個(gè)輸入的脈沖與有無(wú)門(mén)控狀態(tài)下的時(shí)差測(cè)量的精度和探測(cè)概率。參考時(shí)基最接近的脈沖間的相位差，由高精度時(shí)間激光探測(cè)器門(mén)控試驗(yàn)框圖如圖3所示。數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC測(cè)量。時(shí)間間隔T=△T+△T白熾fr一△丁z．激光時(shí)差測(cè)量?jī)x原理框圖如圖2所示。計(jì)時(shí)器巢圖2激

7、光時(shí)差測(cè)量?jī)x原理框圖圖3激光探測(cè)器門(mén)控試驗(yàn)框圖2門(mén)控技術(shù)2．2數(shù)據(jù)分析2．1實(shí)驗(yàn)方法表1示出了不同噪聲下激光探測(cè)器有無(wú)門(mén)控利用20Hz時(shí)頻信號(hào)作為門(mén)控信號(hào)，通過(guò)分光測(cè)量結(jié)果。鏡送一路給PIN管以產(chǎn)生每秒20次脈寬為1．8bts表1不同噪聲下探測(cè)器有無(wú)門(mén)控測(cè)量結(jié)果比對(duì)表90全球定位系統(tǒng)第40卷圖4是不同噪聲下探測(cè)器有無(wú)門(mén)控的探測(cè)概輸入頻率大于20Hz時(shí)則數(shù)據(jù)溢出，測(cè)量?jī)x仍以率對(duì)比圖。可以看出在大噪聲情況下，有門(mén)控的探20Hz速率記錄數(shù)據(jù)。因此模擬環(huán)境采用20Hz測(cè)成功率明顯高于無(wú)門(mén)控的情況。在噪聲大于13激光脈沖輸入，時(shí)差測(cè)量?jī)x在不同背景噪聲的情況MHz時(shí)，無(wú)

8、門(mén)控狀態(tài)下無(wú)有效信號(hào)。采用門(mén)控技術(shù)下，分別采用1Hz