卫星激光时差测量仪探测方法研究

史丰丰,程梦飞,李　博,王　磊

(北京卫星导航中心,北京 100094)

卫星激光时差测量仪探测方法研究

史丰丰,程梦飞,李博,王磊

(北京卫星导航中心,北京 100094)

摘要：星载时差测量仪是实现激光星地精密时差测量的关键设备,其采集数据总有效率的高低决定激光星地时间同步精度。但由于激光技术的数据采集率受天气及背景噪声影响较大,为提高时差测量仪的探测能力,降低大背景噪声对数据总有效率的影响,分别应用门控技术[1]和调整下传速率两种策略针对激光时差测量仪进行实验。实验结果：在大背景噪声条件下可以提高时差测量仪数据总有效率20%以上。

关键词：激光时间比对;时差测量仪;门控;下传速率

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.02.019

中图分类号：TP391.41

文献标志码：A

文章编号：： 1008-9268(2015)02-0088-04

收稿日期：2015-02-10

作者简介

Abstract:Onboard time difference measurer is the key equipment to realize the precise time measurement between satellite and the earth by laser, and its efficiency determines the precision of time synchronization. However, due to the efficiency of data acquisition by laser was affected by the weather and the background noise, the two methods of threshold control and transmission rate adjustment have been experimented in order to improve the detection ability and reduces the influence of background noise. The results show that they can improvement the efficiency of 20% above in the condition of large background noise.

0引言

随着科学技术的发展,高精度时间同步在国民经济建设诸如通信、电力、交通等领域有着广泛的应用,在卫星导航、太空探索等领域时间同步精度要求甚至达到纳秒或亚纳秒量级[2]。目前时间同步精度主要采用单向和双向两种方法,激光时间传递作为双向法的一种,该技术的优点是有效的抵消卫星位置或地面位置不准确而造成的测量误差,以及路径中的反常电离层、对流层的干扰所引起的时延误差,同步精度可以优于1 ns[3].然而,激光技术的数据采集率受天气及背景噪声影响较大[4],星载时差测量仪是实现激光数据采集的关键设备,为解决大背景噪声条件下数据总有效率低的问题,本文首先介绍了激光星地时间比对及星载时差测量仪的基本原理,而后介绍了门控技术及下传速率调整两种策略在星载时差测量仪上的应用,通过实验可以看出应用这两种策略能够在大背景噪声条件下大幅提高数据采集总有效率,对激光星地时间同步具有现实意义。

1激光星地时差测量原理

1.1　激光星地时间比对基本原理

(1)

图1　激光星地时差测量原理图

1.2　激光星地时差测量仪原理

联系人： 李 博E-mail54041212@qq.com

激光时差测量仪原理样机主要包括激光探测器和计时器, 激光探测器的核心器件是捷克技术大学提供的40μm单光子雪崩二极管芯片,特点是灵敏度高(单光子),对绿光(Nd:YAG倍频激光波长) 量子效率高(20%),不需要放大器,时间游动小(<150ps)[7]。高精度计时器采用内插测时方法,把时间间隔分为大数部分为ΔT和精细部分ΔT1和ΔT2,采用较低频率作为参考时基,大数部分ΔT可利用普通数字计数器对参考时基进行计数,精细部分ΔT1和ΔT2,是由两个输入的脉冲与参考时基最接近的脉冲间的相位差,由高精度时间数字转换芯片TDC测量。时间间隔Ti=ΔT+ΔT1-ΔT2.激光时差测量仪原理框图如图2所示。

图2　激光时差测量仪原理框图

2门控技术

2.1　实验方法

利用20 Hz时频信号作为门控信号,通过分光镜送一路给PIN管以产生每秒20次脉宽为1.8 μs的门控信号和SR620的开门信号,另一路通过反光镜经过较长的光路后送至激光探测器,激光探测器输出作为SR620的关门信号。 SR620得到数据为TS,通过串口送至计算机进行分析。测试过程使激光探测器在此门控信号期间处于单光子灵敏度接收状态,其余时间处于低灵敏度状态。

在无灯光照射(模拟低背景噪声)和不同强度的灯光照射(模拟不同背景噪声)情况下,分别测试有无门控状态下的时差测量的精度和探测概率。激光探测器门控试验框图如图3所示。

图3　激光探测器门控试验框图

2.2　数据分析

表1示出了不同噪声下激光探测器有无门控测量结果。

表1　不同噪声下探测器有无门控测量结果比对表

图4是不同噪声下探测器有无门控的探测概率对比图。可以看出在大噪声情况下,有门控的探测成功率明显高于无门控的情况。在噪声大于13 MHz时,无门控状态下无有效信号。采用门控技术可以大幅提高噪声条件下的有效探测率。

图4　不同噪声下测量仪有无门控的探测概率对比图

3测量数据下传速率调整

3.1　实验方法

激光时差测量仪工作模式为20 Hz,激光脉冲输入频率大于20 Hz时则数据溢出,测量仪仍以20 Hz速率记录数据。因此模拟环境采用20 Hz激光脉冲输入,时差测量仪在不同背景噪声的情况下,分别采用1 Hz和20 Hz两种速率记录数据并下传。经过分析分别得出不同背景噪声情况下,两种下传速率的测量精度和探测概率。

搭建地面模拟环境,由激光器提供20 Hz的激光脉冲,激光经分光镜一路送给事件计时器记录激光发射时刻TS,另一路送给激光时差测量仪,由激光计时器电性件提供给激光探测器门控信号。激光时差测量仪将20 Hz数据以及1 Hz(在采集到的20组数据中机选1组)的激光探测信号TS下传至工控机。激光时差测量仪下传框图如图5所示。

3.2　数据分析

表2示出了在不同噪声情况下,将探测到的20 Hz全部数据下传和1 Hz数据下传结果。在噪声>15 MHz时,表中的“无有效信号”表示测量数据中检测不出有效信号。

图5　下传速率调整实验框图

表2　20 Hz与1 Hz速率数据下传结果对比

从表2可以看出,相等的探测时间内,采用20 Hz速率下传的有效信号的个数比1 Hz速率下传要多10倍以上。在大噪声的情况下,20 Hz数据下传明显有利于信号检测。在不同背景噪声下测量仪分别采用20 Hz和1 Hz速率下传方式的探测概率对照如图6所示。

图6　不同噪声下测量仪不同速率下传 方式的探测概率对照图

4结束语

激光时差测量仪经过门控实验及下传速率调整实验表明,激光探测器增加门控措施,对于在大噪声状态下提高激光信号探测概率22%。时差测量仪采用20 Hz速率全部数据下传提高了激光探测效率18%,两种策略在实际应用中可同时采用,更有利于激光时差测量仪在大噪声状态下探测有效信号。因此,上述两项实验策略能够显著改善时差测量仪在大噪声状态下的探测能力。

参考文献

[1] 王元明,杨福民,黄佩诚,等.星地激光时间比对原理样机及地面模拟比对试验[J].中国科学G辑, 2008(2)：217-224.

[2] SAMAIN E, FRIDELANCE P. Time transfer by laser link (T2L2) experiment Mir [J]. Metrologia, 1998(32):151-159.

[3] 李鑫, 杨福民, 激光时间传递技术进展[J].天文学进展,2004: 50-52.

[4] 王晓晗,杨旭海.卫星双向法时间频率传递中Sagnac效应的计算分析[J].仪器仪表学报, 2006, 27(6): 628-630.

[5] 杨福民,庄奇祥,苏锦源.利用激光脉冲进行时间传递实验[J].科学通报, 1983，28(12)：738.

[6] 李博,李博宇,吕京龙.激光星地时差测量技术研究[C]//2013全国时间学术会议,2013:29-30.

[7] 孙宏伟,李志刚,李焕信.卫星双向时间比对原理及比对误差估算[J].宇航计测技术, 2001, 21(2): 55-58.

史丰丰(1976-),男,高级工程师,主要从事卫星导航专业。

程梦飞(1987-),女,助理工程师,主要从事卫星导航专业。

李博(1981-),男,助理工程师,主要从事卫星导航专业。

王磊(1983-),男,助理工程师,主要从事卫星导航专业。

Study on Measure Methods of Satellite Laser Time

Difference Measuring Instrument

SHI Fengfeng,CHENG Mengfei,LI Bo,WANG Lei

(BeijingSatelliteNavigationCenter,Beijing100094,China)

Key words: Laser time comparison; time difference measuring instrument; gate control technology; data passing-down rate