卫星激光时差测量仪探测方法研究.pdf

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1、第4O卷第2期全球定位系统Vo1．40，No．22015年4月GNSSWorldofChinnApril，2015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

2、。关键词：激光时间比对；时差测量仪；门控；下传速率中图分类号：TP391．41文献标志码：A文章编号：1008—9268(2015)02—0088—04星上，地面设备记录发射时刻，经星载激光反射器0引言将激光脉冲原路返回到地面站，地面设备记录激光随着科学技术的发展，高精度时间同步在国民返回时刻，同时卫星记录激光到达卫星的时刻并将经济建设诸如通信、电力、交通等领域有着广泛的此时刻通过广播电文信息传回地面站]。如图l所应用，在卫星导航、太空探索等领域时间同步精度示，卫星时T和T。地面时的时差为△T，r为地面要求甚至达到纳秒或亚纳秒量级]。目前时间同站测得的激光往

3、返时间，将激光反射器反射激光的步精度主要采用单向和双向两种方法，激光时间传过程时延忽略不计，则可以认为激光从地面到卫星递作为双向法的一种，该技术的优点是有效的抵消和卫星到地面的时延相同，均为，地面站发射激厶卫星位置或地面位置不准确而造成的测量误差，以光脉冲与秒脉冲的时差、卫星上的秒脉冲与收到激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1ns[3]．然而，激光技术光脉冲的时差已知，因此星地时间系统的钟差△T的数据采集率受天气及背景噪声影响较大]，星载为时差测量仪是实现激光数据采集的关键设备，为解AT一一TG—Ts．(1)决大背景噪声条

4、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／瓠／玲以看出应用这两种策略能够在大背景噪声条件下发射／脉／＼大幅提高数据采集总有效率，对激光星地时间同步脉冲／冲渡I面时，几脉具有现实意义。r0lAT一f／2—f／2一1激光星地时差测量原理图1激光星地时差测量原理图1．1激光星地时间比对基本原理激光星地时间比对是指通过激光测量地面站1．2激光星地时差测量仪原理与卫星之间的时差，地面站发射激光脉冲到指定卫激光时差测量仪原理样机主要包括激光探测收稿日期

5、：2015-02—10联系人：李博E—mail54041212@qq．com第2期史丰丰，等：卫星激光时差测量仪探测方法研究89器和计时器，激光探测器的核心器件是捷克技术的门控信号和SR620的开门信号，另一路通过反大学提供的40tLm单光子雪崩二极管芯片，特点是光镜经过较长的光路后送至激光探测器，激光探测灵敏度高(单光子)，对绿光(Nd：YAG倍频激光波器输出作为SR620的关门信号。SR62O得到数据长)量子效率高(20Ao)，不需要放大器，时间游动为Ts，通过串口送至计算机进行分析。测试过程小(<150ps)【7]。高精度计时器采用内插测时方使激光探测

6、器在此门控信号期间处于单光子灵敏法，把时间间隔分为大数部分为△T和精细部分度接收状态，其余时间处于低灵敏度状态。△T和△T。，采用较低频率作为参考时基，大数部在无灯光照射(模拟低背景噪声)和不同强度分△T可利用普通数字计数器对参考时基进行计的灯光照射(模拟不同背景噪声)情况下，分别测试数，精细部分△T1和△T，是由两个输入的脉冲与有无门控状态下的时差测量的精度和探测概率。参考时基最接近的脉冲间的相位差，由高精度时间激光探测器门控试验框图如图3所示。数字转换芯片TDC测量。时间间隔T=△T+△T白炽fr一△丁z．激光时差测量仪原理框图如图2所示。计时器巢图2激

7、光时差测量仪原理框图图3激光探测器门控试验框图2门控技术2．2数据分析2．1实验方法表1示出了不同噪声下激光探测器有无门控利用20Hz时频信号作为门控信号，通过分光测量结果。镜送一路给PIN管以产生每秒20次脉宽为1．8bts表1不同噪声下探测器有无门控测量结果比对表90全球定位系统第40卷图4是不同噪声下探测器有无门控的探测概输入频率大于20Hz时则数据溢出，测量仪仍以率对比图。可以看出在大噪声情况下，有门控的探20Hz速率记录数据。因此模拟环境采用20Hz测成功率明显高于无门控的情况。在噪声大于13激光脉冲输入，时差测量仪在不同背景噪声的情况MHz时，无

8、门控状态下无有效信号。采用门控技术下，分别采用1Hz