[发明专利]一种星地激光时间比对系统

说明书

技术领域

本发明涉及激光时间同步技术，尤其涉及一种用于实现星地激光时间同步的星地激光时间比对系统。

背景技术

众所周知，卫星或空间站上的原子钟（铷原子钟、氢原子钟、冷原子钟等）与地面原子钟的比对和精确同步是十分重要的。

常用的卫星和地面时间同步是由无线电实现的，其工作原理为：卫星和地面站分别在自己的钟面时刻通过无线电发射机产生并发播时标信号，然后通过无线电接收机记录发射时标经过一段传播延时后地面和卫星分别观测到对方时标相对本地钟的时刻或时差（下行伪距值和上行伪距值），卫星将自己的记录结果（上行伪距值）通过通信链路发给地面站，地面站通过以上观测数据（上行伪距值和下行伪距值）就能解算出星地钟差，进而实现卫星和地面时间同步。

上述这种无线电双向时间比对方法的主要误差包括：无线电接收机量化和噪声误差、设备零值漂移误差和大气附加延迟残差、自由空间传输时延推定误差等，其中，噪声误差、设备零值漂移误差和大气延迟残差对无线电时间比对影响最大；具体来说：

1、噪声误差指热噪声引起无线电接收机提取数据基准序列时钟的相位误差，这和接收机的信号设计以及接收端的信号处理方式有关，一般在1纳秒左右；

2、设备零值指向上下行信道的系统差，如果上下行信道设计极其对称，该项误差可以被有效抑制，但一般星载和地面无线电接收机设计均不完全对称，因此该项误差需进行零值标定，由于设备的零值漂移与信道带宽和温度变化相关，一般该项误差可控制在5纳秒以下；

3、大气附加延迟残差主要是指在电离层折射引起的信号延迟，该延迟与地方时和季节有关，峰值在地方时下午2点，电离层延迟误差最大，波动也最大，而夜晚误差小，波动也较小，电离层引起的时间同步误差约为0.5纳秒。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种星地激光时间比对系统，以高精度地测量星地钟差，实现激光时间比对，进而实现星地时间同步。

本发明所述的一种星地激光时间比对系统，其包括：

地面设备，其向卫星发射激光脉冲信号，并记录地面发射激光脉冲信号时的地面钟的时刻值T_G，同时记录地面接收到从卫星上反射回的所述激光脉冲信号时的地面钟的时刻值T_B，并接收所述激光脉冲信号到达卫星时的卫星钟的时刻值T_S，根据式（1）-（5）计算得到卫星钟和地面钟的钟差ΔT，

ΔT=T_G+t_上行-T_S          （1），

t_上行=（t-Δ）/2         （2），

t=T_B-T_G                 （3），

Δ=V_Φt/2·cosH·sinA   （4），

V_Φ=ωa·cosΦ          （5），

其中，t_上行为所述激光脉冲信号从地面到达卫星所需的时间，t为所述激光脉冲信号在卫星和地面之间往返的飞行时间，Δ为由地球自转引起的Sagnac效应的修正值，V_Φ为大地纬度为Φ处的地球自转线速度，a为地球半径，ω为地球自转速度，H和A分别为卫星相对于地面的高度和方位角度；以及

星载设备，其接收所述激光脉冲信号，并将该激光脉冲信号按原路反射回地面，同时测量所述激光脉冲信号到达卫星时的卫星钟的时刻值T_S，并将该激光脉冲信号到达卫星时的卫星钟的时刻值T_S下传至所述地面设备。

在上述的星地激光时间比对系统中，所述地面设备包括：

产生所述激光脉冲信号的激光器；

与所述激光器连接的激光测距望远镜，其一方面将所述激光脉冲信号发射至卫星，另一方面接收从卫星上反射回的所述激光脉冲信号；

与所述激光测距望远镜连接的光子探测系统，其将所述从卫星上反射回的所述激光脉冲信号转换为电信号后输出；