星地激光时间比对中地面激光发射时刻的精确控制

在高精度星地激光时间比对中,为了降低星载设备的研制难度,采用了无门控星载激光探测器。根据星地先验钟差、卫星距离和系统延迟量,精确计算地面激光发射时刻,使得激光信号能在星载计时器星钟开门信号之后短时间内到达星载探测器,使星载计时器关门,这样可以大大降低背景噪声影响,获得有效数据。该文研究了精确控制地面激光发射时刻的方法,包括激光发射时刻计算和激光控制器硬件的实现,该方法已在星地激光时间比对在轨试验中得到了成功应用,控制精度在20ns以内,满足了试验的要求。

飞秒稳定度事件计时器设计及激光时间比对应用

事件计时器可实现输入事件时刻的高精度、高稳定测量,且工作频率不受测量间隔限制,是星地激光时间比对中不可或缺的设备.为满足飞速发展星载原子钟的评估要求,对星地激光时间比技术中激光发射、到达和返回时刻的测量提出亚飞秒稳定度和皮秒精度需求.采用FPGA配合计时芯片THS788开发了高精度事件计时器,测量精度约8 ps,非线性误差皮秒级,测量频率大于10 kHz;将基准时钟分频后作为校准信号,实现时延漂移的实时标校,时刻测量稳定性提升5倍以上.将该计时器应用在星地激光时间比对载荷,载荷测量稳定性(Time DEViation,TDEV)优于0.07 ps@300 s和0.84 ps@1 day.计时器达到国际主流产品A033-ET水平,既满足10-18量级准确度原子钟的时频传递需求,又可用于毫米级精度卫星激光测距,具有较好的推广应用价值.

高重复率激光时间比对激光发射时序精确控制

我国空间站即将首次开展高重复率(~kHz)星地激光时间比对,搭载的星载探测器拟采用固定门控开启模式,对地面激光发射时序的控制提出了高实时、高重复率和高精度等要求。基于卫星激光测距(SLR)的距离门控原理,提出高重复率激光时间比对地面激光点火信号精确产生方法,以使上行激光脉冲能在门控信号之后短时间内到达星载探测器,极大减少噪声干扰。该方法可在单片可编程门阵列FPGA中实现,具有重复率大于10 kHz、控制精度5 ns以及软件交互简单等优势,结合方法计算精度和半导体泵浦激光器的纳秒级触发抖动,预计地面激光发射时刻精度最终控制在10 ns以内,满足空间站激光时间比对激光发射时序的控制需求,并可为其他激光时间比对工程的实施提供技术支持。

星地激光时间比对在卫星导航系统中的应用

星地精密激光时间比对具有精度高、系统误差少等优点,因此利用星地精密激光时间比对,不但可以对无线电时间比对进行外部精度检验,而且可以检验并分离无线电伪距测量的系统误差,分析检测设备时延的不稳定性和卫星钟的中短期性能指标,提高卫星钟差的预报精度。

星地激光时间比对原理样机及地面模拟比对试验

介绍了中国科学院上海天文台为开展星地激光时间比对研制的激光时差测量仪原理样机的性能,以及采用此原理样机进行地面模拟比对试验的结果,时差测量平均精度达到196ps,相对频率差的测量精度达到1.2×10-13/2800s.

地月空间激光时间比对仿真模型研究

为解决中国科学院计划于2023年发射的绕月飞行器激光测距时差载荷星地时间比对问题,本文提出并建立了地月空间激光时间比对高精度测量模型。为达到ns级地月空间激光时间比对精度,采用准确度为0.1 ns量级的数值地球时间星历模型,建立了ns量级的时间尺度转换模型,推导了精度为10 ps量级的激光脉冲单程和往返飞行时间模型,建立了精度优于10 ps的Shapiro时延模型,建立了质心修正模型、几何位置修正模型以及系统时延模型等。使用基于飞行器可观测性、回波率设置等工程实际得到的仿真数据对时间比对模型精度进行验证,时间比对标准差为ns级,表明仿真模型精度可达ns级。星载时钟的频率准确度估算结果和正确值误差约为15%。所建模型可用于后续地月空间高精度激光时间比对任务。

激光时间传递技术的进展

激光时间传递技术是通过激光脉冲在空间的传播来实现地面与卫星时钟或地球上远距离两地时钟的同步,它具有很高的准确度和稳定度。一些国家已经成功进行了激光时间传递的试验,结果证明利用激光进行时钟之间的同步是有效可行的。介绍国内外已有的激光时间传递试验的情况和结果,重点介绍美国地面与机载原子钟之间的激光时间比对,以及法国的LASSO(LAser Syn-chronization from Stationary Orbit)和T2L2(Time Transfer by Laser Link)计划。

卫星激光测距系统皮秒准确度时延标定研究及应用

卫星激光测距(Satellite Laser Ranging,SLR)以脉冲激光为媒介获取卫星的精确距离,是空间大地测量技术中准确度最高的手段。在传统卫星激光测距系统中,通过测量已知距离的固定靶目标实现系统总时延的标定,对获取单向发射或接收时延的研究较少,这制约了卫星激光测距在激光时间比对、多台站协同测距及行星际激光测距等方面的应用。文中开展皮秒准确度时延标定方法的研究,首先,分析了卫星激光测距系统的时延组成及影响因素;其次,以中国科学院上海天文台卫星激光测距系统为平台,开展电学、光学和光电转换等时延的高精度测量,并将各部分时延组合完成收发时延的标定;最后,分析发射和接收时延标定的准确度,并将时延标定方法应用于地靶距离偏差的校验,验证时延标定方法的可行性。结果表明,发射和接收时延标定的准确度分别优于11 ps和13 ps,地靶距离偏差与国际激光测距组织(ILRS)反馈值相差仅11 ps。

卫星激光时差测量仪探测方法研究

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。