大气折射对双波长空间激光授时偏差的影响 下载: 880次
1 引言
空间激光高精度授时对于提升时频体系的服务精度、增强时频体系的有效性和完好性具有重要意义,因此已成为世界各国研究的热点[1-4]。空间激光授时可依托于星地激光通信链路进行。星地光通信系统主要由星上终端和地面终端组成。星上终端一般采用收发一体的设计方案,天线多采用卡塞格伦式望远镜[5],例如日本的LCE(Laser Communications Equipment)终端、LUCE(Laser Utilizing Communications Equipment)终端,以及欧洲的OPALE终端、PASTEL终端等,此时上行链路和下行链路通常采用不同波长的光。空间激光授时通常采用与地面光纤授时类似的方案,主要包括环回法[6]和双向比对法[7],其中授时偏差是衡量授时系统性能的重要指标[8-10]。但由于大气密度不均匀分布和大气色散,在上行链路和下行链路中使用不同波长的光会引起授时偏差,其原因主要包含两个因素:一是双向信号在传输中产生不对称时延差;二是终端收发位置偏差导致时延偏差。因此需进行大气折射率分布建模,研究双波长激光信号实际传播路径和时延,从而对双向链路不对称时延差和位置偏差进行补偿。
本文针对双波长条件下空间激光授时偏差问题,依托地面站高空气象实测数据建立了授时偏差的计算模型,利用该模型对星上终端捕获模式和地面终端捕获模式下不对称时延差和位置偏差进行了仿真分析。
2 大气折射率分布对授时偏差的影响模型
利用光线追踪法建立授时偏差的仿真模型。假设大气层是围绕地球均匀分布的同心球层,每一层具有相同的折射率系数;假设进入大气的光线只有在同心球层的分界处发生折射[11];假设在32 km外的大气为真空。激光在大气中传播的群折射率公式[12]为
式中:
式中:
同时需将气象数据中等压面的位势高度转换成等压面的海拔高度,转换的公式为
式中:
对于星地激光通信可采取地面终端捕获模式或星上终端捕获模式建立激光链路。
式中:
式中:
收发终端位置偏差
式中:地球半径
当采用星上终端捕获模式建立激光链路时,如
图 1. 双波长空间激光授时原理图。(a) 地面终端捕获模式; (b) 星上终端捕获模式
Fig. 1. Schematic diagram of time transfer by space laser link at double wavelengths. (a) Ground terminal capturing mode; (b) satellite terminal capturing mode
式中:
收发终端位置偏差
由于∠
3 计算结果与分析
假设卫星轨道为1000 km,选取800 nm典型波段,上行链路波长为815 nm,下行链路波长为847 nm[16-18]。利用哈尔滨站、海口站、武汉站和酒泉站实测气象数据,主要包括温度、压强、水汽压、位势高度等数值(参见中国气象数据网),通过(1)~(4)式建立大气折射率分布模型。星上终端捕获模式下给定地面站发送天顶角
3.1 星上终端捕获模式下不对称时延差和位置偏差分析
图 2. 星上终端捕获模式下不同站点1月份授时偏差随天顶角变化。 (a)不对称时延差; (b) 位置偏差
Fig. 2. Variation of timing deviation with zenith angle under satellite terminal capturing mode for different stations in January. (a) Asymmetric delay deviation; (b) position deviation
图 3. 当天顶角为60°时,星上终端捕获模式下不同站点各月份授时偏差。(a)不对称时延差; (b) 位置偏差
Fig. 3. Timing deviation of different stations under satellite terminal capturing mode in different months when zenith angle is 60°. (a) Asymmetric delay deviation; (b) position deviation
3.2 地面终端捕获模式下不对称时延差和位置偏差分析
从数值上相比,地面终端捕获模式下不对称时延差为几纳秒,而星上终端捕获模式下不对称时延
图 4. 地面终端捕获模式下不同站点1月份授时偏差随天顶角的变化。(a)不对称时延差; (b) 位置偏差
Fig. 4. Variation of timing deviation with zenith angle under ground terminal capturing mode for different stations in January. (a) Asymmetric delay deviation; (b) position deviation
差为几十皮秒,差别1个数量级。本质原因在于对色散起重要作用的是近地端十几千米的稠密大气层区。地面终端捕获模式等效于在地面站以相同天顶角发射两束不同波长的激光,两束光先受到大气层相对剧烈的色散影响再进入980多千米的自由空间长距离传输,导致在自由空间中路径差异不断加大。然而,在星上捕获模式下,从卫星传播到地面的过程中只在近地的稠密大气层受色散剧烈影响。因此两种模式下的不对称时延差相差较大。
3.3 精密对准条件下不对称时延差和位置偏差分析
在实际星地激光通信应用中,为满足通信误码率需求,设计捕获跟踪链路时要求双向链路高精度对准。故大气色散引起的位置偏差在工程应用中已被捕获跟踪系统部分校对和消除。
在地面终端捕获模式下,给定地面站接收角度
图 5. 当天顶角为60°时,地面终端捕获模式下不同站点各月份授时偏差。 (a)不对称时延差; (b) 位置偏差
Fig. 5. Timing deviation of different stations under ground terminal capturing mode in different months when zenith angle is 60°. (a) Asymmetric delay deviation; (b) position deviation
为授时偏差最大条件下的60°,上行链路发射角度在59°~60°范围内进行遍历,步长为0.1 μrad,可得出各地面站在不同季度下最小位置偏差以及该位置偏差下的不对称时延差和大气色散修正角度,如
表 1. 地面终端捕获模式下最小位置偏差和不对称时延差
Table 1. Minimum position deviation and asymmetric delay deviation under ground terminal capturing mode
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4 结论
针对不对称时延差和位置偏差进行仿真研究,假设卫星轨道高度为1000 km,上行链路波长为815 nm,下行链路波长为847 nm,得出如下结论:
1)同一地面站在不同月份,大气温度越高,不对称时延差和位置偏差越小。
2)不同地面站海拔高度不同,大气压强越低,不对称时延差和位置偏差越小。
3)采用星上终端捕获方式,不对称时延差在地面站天顶角约为45°时最小,位置偏差随天顶角的增大而增大,各地面站的不对称时延差在几十皮秒量级内变化,最大约为-33.6 ps,位置偏差在厘米量级内变化,对应约171.8 ps的授时偏差。
4)采用地面终端捕获方式,不对称时延差和位置偏差随天顶角的增大而增大,各地面站的不对称时延差在纳秒量级内变化,最大约为3.36 ns,位置偏差在几百厘米量级内变化,对应约13.11 ns的授时偏差。
5)进一步双向精密对准后各地面站不对称时延差在几十皮秒量级内变化,位置偏差约对应十皮秒的授时偏差。
因此,双波长条件下进行高精度空间激光授时,应针对大气折射率分布模型和链路波长实时校对并消除不对称时延差和位置偏差,授时偏差有望被控制在皮秒量级。
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