朱宏權(quán)，邢強(qiáng)林，傅一文，韓航程

(1. 北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094；2.北京理工大學(xué) 信息與電子學(xué)院，北京 100081)

近年來，空間激光鏈路在海量數(shù)據(jù)高速傳輸中得到廣泛應(yīng)用. 由于激光的載波頻率比微波高3個(gè)數(shù)量級以上，激光鏈路可實(shí)現(xiàn)更高的通信速率，同時(shí)激光終端還具有更小的體積、重量和功耗[1-2].

2013年，美國開展了繞月衛(wèi)星與地面的激光通信演示驗(yàn)證試驗(yàn)[3]，衛(wèi)星激光終端質(zhì)量30 kg，功耗90 W，鏈路距離為38萬km，下行通信速率高達(dá)622 Mbit/s. 2009年，邢強(qiáng)林等[4]提出了激光統(tǒng)一測控系統(tǒng)構(gòu)想，該系統(tǒng)利用調(diào)制數(shù)據(jù)的激光信號作為信息載體,實(shí)現(xiàn)星間或星地的測量通信一體化. 基于開關(guān)鍵控(on-off keying,OOK)調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低、速率快，適用于高速光纖通信系統(tǒng)的特點(diǎn)，本文采用異步應(yīng)答測距方法[5-6]，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于OOK體制的激光統(tǒng)一測控系統(tǒng)原理樣機(jī)，用來驗(yàn)證在通信碼率為2.5 Gbit/s的條件下距離、鐘差和頻差的測量性能. 樣機(jī)包含的兩個(gè)激光終端采用CCSDS AOS協(xié)議的虛擬信道業(yè)務(wù)，對測量數(shù)據(jù)幀與通信數(shù)據(jù)幀進(jìn)行時(shí)分復(fù)用和調(diào)制發(fā)送，測量并記錄測量數(shù)據(jù)幀出發(fā)時(shí)刻與到達(dá)時(shí)刻的精確時(shí)間，然后通過異步應(yīng)答測距方法計(jì)算得到距離、鐘差和頻差的測量結(jié)果.

1 異步應(yīng)答測距方法

異步應(yīng)答測距方法的測量原理如圖1所示.

設(shè)被測端徑向速度為v，則t時(shí)刻被測端與主測端之間的相對距離值可表示為

R(t)=R0+vt.

(1)

式中R0為起始時(shí)刻的徑向距離值.

(2)

根據(jù)激光信號A、B、C、D的傳輸過程，則有

(3)

(4)

(5)

(6)

根據(jù)式(3)～(6)，可得

(7)

(8)

(9)

根據(jù)式(2)(8)(9)，可求得被測端和主測端的鐘差Δt和相對頻差Δf/f如下：

(10)

Δf/f=ψ-1.

(11)

由以上分析可知，采用異步應(yīng)答測量方式，可同時(shí)完成距離、鐘差和相對頻差的測量.

2 系統(tǒng)原理樣機(jī)方案

激光統(tǒng)一測控系統(tǒng)原理樣機(jī)包含主測端和被測端兩部分，其組成原理框圖如圖2所示.

主測端和被測端均由綜合信息處理終端、時(shí)統(tǒng)終端、激光發(fā)射接收機(jī)等組成. 時(shí)統(tǒng)終端用于為系統(tǒng)提供高精度頻標(biāo)信號和時(shí)間基準(zhǔn)信號. 主測端綜合信息處理終端用于產(chǎn)生測量數(shù)據(jù)和通信數(shù)據(jù)的傳輸幀，采用CCSDS AOS協(xié)議的虛擬信道業(yè)務(wù)進(jìn)行調(diào)度和復(fù)用后，生成上行數(shù)字基帶信號，發(fā)送給激光發(fā)射接收機(jī)，并在本地記錄上行測量數(shù)據(jù)幀的發(fā)送時(shí)刻tE1；激光發(fā)射接收機(jī)對上行數(shù)字基帶信號進(jìn)行OOK強(qiáng)度調(diào)制后，發(fā)送上行激光調(diào)制信號給被測端激光發(fā)射接收機(jī).

3 樣機(jī)測試結(jié)果及分析

根據(jù)系統(tǒng)原理樣機(jī)方案，研制了OOK體制的激光統(tǒng)一測控系統(tǒng)原理樣機(jī)，并開展了有線對接測試，測試連接框圖如圖3所示.

主測端和被測端之間采用約22 km的單模光纖進(jìn)行有線連接，用于傳輸上行激光調(diào)制信號和下行激光調(diào)制信號. 為了避免光纖長度隨溫度變化帶來的測量誤差，實(shí)驗(yàn)過程中將光纖放置在高低溫試驗(yàn)箱中，并保持恒定溫度. 系統(tǒng)具體參數(shù)如表1所示.

表1 樣機(jī)系統(tǒng)參數(shù)

系統(tǒng)鐘差采用示波器測試，兩端秒脈沖信號的時(shí)間差為144 ns，由于兩端時(shí)統(tǒng)終端采用相同的10 MHz高精度外頻標(biāo)源，相對頻差真值應(yīng)為0. 在碼率為2.5 Gbit/s的雙向通信速率下，得到測量的距離值、鐘差、頻差隨時(shí)間變化的曲線如圖4所示，圖中直線表示真值.

經(jīng)統(tǒng)計(jì)得到，距離、鐘差、相對頻差的測量隨機(jī)誤差分別為6.2 mm,27 ps,2.7×10-13.

為了標(biāo)定測距值的系統(tǒng)誤差，采用光纖延時(shí)器設(shè)置的距離變化值作為基準(zhǔn)值. 光纖延時(shí)器的延時(shí)動態(tài)范圍為0～330 ps，延時(shí)精度為0.01 ps，將光纖延時(shí)器接入上行激光鏈路，通過調(diào)整光纖延時(shí)器的時(shí)延，可以等效在上行激光鏈路上施加了距離偏置，考慮到異步應(yīng)答為雙向測量，實(shí)際等效的距離偏置設(shè)置值為光纖延時(shí)器的時(shí)延調(diào)整量的1/2. 在不同的距離偏置設(shè)置條件下，采用異步應(yīng)答測距方法，測量得到的距離偏置值和距離測量誤差如圖5所示.

由圖5可以看出，測距值的系統(tǒng)誤差為1.3 mm.

4 結(jié) 論

根據(jù)異步應(yīng)答測量原理，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于OOK體制的激光統(tǒng)一測控系統(tǒng)原理樣機(jī)，樣機(jī)有線對接測試結(jié)果表明，在碼率為2.5 Gbit/s的雙向激光通信條件下，測距隨機(jī)誤差為6.2 mm，測距系統(tǒng)誤差為1.3 mm，鐘差測量隨機(jī)誤差為27 ps，頻差測量隨機(jī)誤差為2.7×10-13.

激光統(tǒng)一測控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高速通信和高精度測量的一體化，高速通信可用于空間信息網(wǎng)絡(luò)骨干網(wǎng)的海量數(shù)據(jù)傳輸；高精度測距可用于衛(wèi)星或航天器的軌道測量；鐘差和頻差的高精度測量可以用于衛(wèi)星之間的時(shí)間頻率傳遞，也可以用于地面高精度時(shí)鐘對衛(wèi)星時(shí)鐘的“馴服”. 為了實(shí)現(xiàn)激光統(tǒng)一測控技術(shù)在航天領(lǐng)域的工程應(yīng)用，下一步將研制可用于航天器搭載的激光統(tǒng)一測控小型化終端，通過開展搭載試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證其測量通信性能.

總之，本文設(shè)計(jì)的基于OOK體制的激光統(tǒng)一測控系統(tǒng)原理樣機(jī)具有測距精度高、保密性好、抗干擾能力強(qiáng)、作用距離遠(yuǎn)以及終端重量輕功耗低等優(yōu)勢，對星地距離、鐘差、頻差的測量性能處于國內(nèi)領(lǐng)先水平. 相比現(xiàn)有的通信測量系統(tǒng)，本系統(tǒng)提高了通信容量及測量精度，促進(jìn)了通信測量一體化進(jìn)展，推動了空間載荷小型化、低功耗的發(fā)展，工程上有效推動了空間通信測距技術(shù)的發(fā)展.