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调整时间框架以澄清信号

时间统一系统

时间统一系统是为测控系统提供统一标准时间信号和标准频率信号的系统。航天测控设备种类多、数量大、分布广,如果没有统一的时间长度,根本无法完成任务。发射起飞时间(L)、各级火箭发动机的点火与关机时间、分离时间、数据注入时间、星(船)箭分离时间、航天器人轨时间等关键事件特征点都需要时统系统提供准确的时刻。时间统一系统连续可靠、稳定的运行是测控系统正常工作的前提,其性能优劣直接影响航天测控系统的测量精度和测量体制。典型的时间统一系统组成如图 1所示。它由时间频率基准及发播系统、定时校频信号接收系统、本地频率标准、时间码产生器、分配放大器和用户设备等组成。 [1]

时间统一系统 基准

时间统一系统 时间基准

时间统一系统 频率标准

第一类是铯原子频标和氢原子频标。铯原子频标的长期频率准确度极高,常用的是商业型铯原子频标,频率稳定度在10 -11 s量级,准确度在10 -14 s量级。氢原子频标的特点是既具有很高的频率准确度,又有很高的频率稳定度(小于1×10 -12 s),而且已实现国产化。氢原子频标按工作原理分为被动型和主动型。被动型氢原子频标体积小,频率准确度在10 -12 s量级;主动型氢原子频标体积大,频率准确度在10 -13 s量级,甚至更高。

第二类是铷原子频标。按工作原理分为抽运型和激射型,后者较前者短期频率稳定度高。常用的是较为经济的抽运型铷原子频标,频率准确度在10 -10 s量级,频率稳定度在10 -11 s量级。铷原子频标由于技术成熟,性能价格比高、小型化及工程化程度高等特点,已大量应用于航天测控系统,成为标准化时统设备的重要组成部分。

第三类是石英晶体频标。它是以石英晶体压电效应产生的稳定振荡信号为频率标准。普通石英晶体振荡器的频率准确度为10 -5 ~10 -6 s,温度补偿石英晶体振荡器的频率准确度为10 -6 ~10 -7 s,恒温型石英晶体振荡器的频率准确度为10 -8 ~10 -9 s。石英晶体振荡器的频率稳定度为10 -10 ~10 -12 s。石英晶体频标体积小、频率稳定度较高,但开机需要预热,达到指标需要几十分钟甚至几十小时,受环境温度影响大,频率准确度需要定期校准。 [1]

时间统一系统 标准时统

时间统一系统 时频信号发播

利用卫星传递或发播定时信号是一种覆盖面宽、精度高的定时手段。其中典型的为美国GPS(定时系统),利用它的精码可达10 ns量级的定时精度,粗码亦可达100 ns量级的定时精度。北斗定位系统是我国建立的区域卫星定位试验系统,仅地面设有原子钟组,定时性能低于GPS,应用普及程度较低。长波授时系统和短波授时系统的电波传输主要依靠电离层的反射进行,是一种服务面宽而价格又低廉的手段,但由于电离层的不稳定性,其信号质量相对GPS较差。我国的短波授时、长波授时系统由陕西临潼的国家授时中心维持和发播。 [1]

时间统一系统 定时校频方法

定时方法分为卫星单向定时、长短波定时、双向定时等。卫星单向定时是从接收的导航定位卫星信号中提取时频信号,补偿电离层、传播路径等各种延迟,完成本地时间信号的输出。常用技术有GPS单向定时、北斗单向定时、GPS/GLONASS组合单向定时、GPS/北斗组合单向定时、GPS/GIDNASS/北斗组合单向定时。定时精度范围在10 -6 ~10 -8 s。长短波定时是接收我国授时中心或其他授时台发播的长波、短波信号,补偿电离层、传播路径等各种延迟,完成本地时间信号的输出。常用技术有短波授时系统单向定时,定时精度在10 -3 s量级;长波授时系统单向定时,定时精度在10 -6 s量级。双向定时是两地的时统设备通过专用信道(卫星、光纤等)互相发送接收时频信号,彼此交换测量数据,修正本地时间基准,从而实现两地间的时间统一。双向定时精度较高,一般在10 -8 ~10 -10 s范围。

时间统一系统 具体应用

在航天活动中,各测控站所获取、记录的测量数据和事件都必须有严格统一的同一时间标准才能对它们进行分析和处理,才具有使用价值。时间信号还用于控制程序仪器,完成火箭、导弹的点火和使仪器按程序工作。航天器发射场、航天测控站中都配有时间统一系统,用以使各种测量设备同步工作,保证航天活动正常进行,现代航天时间同步精度已从毫秒量级达到纳秒(毫微秒)量级。时间统一系统由时统中心和若干时统分中心组成,其设备有无线电接收机、原子频率标准、标准信号发生器和放大分配设备组成。接收机接收国家天文台播发的标准时间和标准频率信号,使各时统系统与标准时间和标准频率保持同步。频率标准源产生准确而稳定的基准信号,送至信号和时间发生器,经分频和综合形成各种频率的标准信号、采样信号、控制信号和时间码等信号,由分配设备放大后,经有线电缆或无线电线路送给用户设备。航天工程中常用高稳定恒温晶体振荡器和原子频率标准作为标准频率源。用户设备与时统中心的距离不同,时统信号到达各设备的时间延迟也有差异,当要求精确同步时,必须测出这些信号的传输时延,在数据处理过程中加以修正。航天活动中常用的标准时间有3种:①世界时(UT):以地球自转为基础的时间计量系统,由于地球自转速度变化的影响,这种时间的刻度是不均匀的。②原子时(AT):以原子共振现象所产生的恒定频率为基准而建立的时间计量系统,它的时间刻度十分均匀。③协调世界时(UTC):以原子时秒长为基础,时刻尽量接近于世界时的一种时间计量系统。协调世界时秒长严格等于原子时秒长,起点与世界时基本一致,用跳秒办法使其与世界时的刻度差总小于 0.9秒。这样既能保持时间刻度的高度均匀,又能使它与地球自转密切相关。 [2]