星载计时器的研究与实现

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1、中国科学院上海天文台年刊２００７年总第２８期ＡＮＮＡＬＳＯＦＳＨＡＮＧＨＡＩＡＳＴＲＯＮＯＭＩＣＡＬＯＢＳＥＲＶＡＴＯＲＹ，ＣＡＳＮｏ．２８，２００７星载计时器的研究与实现１，２３１范颖赵!黄佩诚（１．中国科学院上海天文台，上海２０００３０；２．中国科学院研究生院，北京１０００４９；３．中国人民解放军６１０８１部队，北京１０００９４）提要星载计时器不但要求其适应空间环境（包括抗辐射性能、抗闩锁、抗翻转性能、电真空性能和很宽的工作温度范围），同时要保证测量精度。该文在介绍时间测量的常见方法后，给出了星载计时器的原理；对计时器工作的空间环境进行了分析，并提

2、出与其相应的适应空间工作环境的策略。主题词：星载计时器—抗辐射—抗热辐射—真空适应性分类号：ＴＨ７１４１引言星载计时技术是基于星地之间高精度时间比对而提出的时间测量技术。星地激光时间比对具有精度高、系统误差小等优点，因此利用星地激光时间比对，不但可以对无线电时间比对系统进行外部精度检验，而且可以检验并分离无线电测量的系统误差，分析检测设备时延的不稳定性和卫星钟的中长期性能指标，提高卫星钟的预报精度。星上激光时间比对设备由星载激光探测器、计时器和激光反射器组成。探测器接收地面发来的激光信号，计时器精确测量出此激光信号与卫星钟信号的时差，然后将此时差数据发

3、回地面站；地面站根据此时差和激光信号相对地面钟的时差、激光信号经反射器往返卫星之间的路径时延，可以精确计算出星、地间的系统钟差，从而实现高精度星地时间比对。作为星上激光时间比对设备的关键部件之一———星载计时器，一方面，要求其在空间环境下对时间信号提供精度和分辨率达到１００ｐｓ的时间间隔测量；另一方面，又受到有效载荷比的限制；同时，由于星载计时器工作环境的特殊性，要求其有适应空间环境的工作能力，其中包括抗辐射性能、抗闩锁、抗翻转性能、电真空性能和很宽的工作温度范围。在地面上，高精度、高分辨率的时间间隔测量已经有比较成熟的技术。而对于有效载荷比的问题，随

4、着集成电路的发展，不断有体积小，质量轻的芯片问世，因此，星载有效载荷比的限制并不难以满足。相对而言，适应空间工作环境要求以实现高精度时间比对是较为困难的。收稿日期：２００７０９０７；修回日期：２００７０９１２总第２８期星载计时器的研究与实现９７２星载计时器原理２．１时间间隔测量方法常见的方法主要有：直接计数法，游标法，模拟扩展法和时延法。其中，直接计数法的原理为用极高频率信号在被测时间间隔期间进行直接计数，测出时间间隔，其分辨率和精度为纳秒［１］量级；游标法的原理类似于游标卡尺，采用两个独立的锁相振荡器，高精度地测出时间间隔，此方法分辨率和精度

5、一般在１０～１００ｐｓ之间；模拟扩展法的原理为利用恒流源在被测时间间隔期间对电容器进行充电，利用Ａ／Ｄ（模／数）转换器测量此电压，由于恒流源对电容器充电在一定的范围内是线性的，因此测出电容上的电压值即可换算出时间间隔值，此方法分辨率和精度一般在１０～１００ｐｓ之间；时延法是利用集成电路内部时延来测量时间间隔的，目前有专门的芯片实现高精度时间测量，其测量分辨率和精度最高可达１０ｐｓ；也可利用ＦＰＧＡ内部的电路实现时延法测量，这就可以在航天等级的器件上实现高精度时间间隔测量，其测量分辨率最高可达２５ｐｓ。２．２计时器测时原理和数据传送２．２．１测时原理根据

6、前面的分析，要求星载计时器结构简单、可靠性高和有效载荷比高，其测量分辨率为１００ｐｓ，采用电路时延法来实现高精度时间测量方法是最为合适的；为兼顾时间测量的量程和精度，采用插值法来实现大量程、高精度的时间测量；在时间间隔测量中，插值法指的是把一个时间间隔分为两部分：时间基准信号周期的整数倍部分与分数倍部分，即把时间间隔分为整数倍部分ΔＴ和分数倍部分Δｔ１、Δｔ２，整数倍部分则利用普通数字计数器进行测量（即图１中的ＣＯＵＮＴＥＲ），分数倍部分是由两个输入的被测信号与时间基准信号最接近的脉冲间的相位差图１星载计时器原理图Ｆｉｇ．１ＳｃｈｅｍａｔｉｃＤｉａｇｒ

7、ａｍｏｆｏｎＢｏａｒｄＴｉｍｅｒ９８中国科学院上海天文台年刊２００７年所对应的时间，分别由图１中的两个ＴＤＣ（ＴｉｍｅＤｉｇｉｔａｌＣｏｎｖｅｒｔｅｒ）测量。从图１中可以看出，整数倍部分决定了计时器的量程，而分数倍部分决定了计时器的测时分辨率和精度，总的被测时延值为：ＴＩ＝ΔＴ＋（Δｔ１－Δｔ２）。２．２．２数据传送星载计时器的数据传送采用ＭＩＬＳＴＤ１５５３Ｂ通讯接口。ＭＩＬＳＴＤ１５５３Ｂ总线被用来为各种系统之间的数据和信息的交换提供媒介，它类似“局域网或者ＬＡＮ”，以其优异的性能在航空、航天和航海电子设备上得到广泛的应用。此总线传输速度

8、为每秒１Ｍ比特，字的长度为２０比特，数据有效长度为１６比特，信息量最大长度为３２个字，传输方式