星間高精度測(cè)距系統(tǒng)精度測(cè)量方法的研究

郭學(xué)衛(wèi)，王春暉，金仲和

(浙江大學(xué) 微小衛(wèi)星研究中心，浙江 杭州 310027)

一、引 言

近年來隨著重力場(chǎng)測(cè)量和編隊(duì)飛行衛(wèi)星等應(yīng)用的不斷深入，對(duì)星間測(cè)距提出了越來越高的要求，從而推動(dòng)了高精度星間測(cè)距技術(shù)的發(fā)展[1]。

大地測(cè)量學(xué)是以研究地球形狀與大小為基本目的的地學(xué)領(lǐng)域中的基礎(chǔ)性學(xué)科,是為人類的活動(dòng)提供地球空間信息的學(xué)科[2]。地球重力場(chǎng)是地球物質(zhì)分布和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)信息的綜合反應(yīng)，是地球科學(xué)、大地測(cè)量學(xué)、固體地球物理學(xué)和海洋學(xué)研究不可缺少的重要信息源[3]。2002年3月德美合作成功發(fā)射的GRACE(gravity recovery and climate experiment)衛(wèi)星，其最核心的有效載荷為高精度K波段微波測(cè)距系統(tǒng)，測(cè)距精度優(yōu)于10 μm，測(cè)速精度可達(dá)到1 μm/s，足以測(cè)出地球表面重力場(chǎng)異常所引起的衛(wèi)星間距的變化[4-5]。

高精度測(cè)距也能推動(dòng)正在蓬勃發(fā)展的微小衛(wèi)星編隊(duì)的發(fā)展，編隊(duì)飛行是空間技術(shù)發(fā)展過程中的一次完全嶄新和開拓性的研究課題[6-8]。以微電子、微機(jī)械等當(dāng)代高新技術(shù)為依托的現(xiàn)代小衛(wèi)星與衛(wèi)星研制初期的小衛(wèi)星有著截然不同的本質(zhì)區(qū)別[9]。美國航空航天局和歐空局都視航天器編隊(duì)飛行及其相關(guān)技術(shù)為下一代可用的空間關(guān)鍵技術(shù)。

可見，高精度測(cè)距在航天和軍事領(lǐng)域已經(jīng)越來越重要。這些測(cè)距系統(tǒng)的研究最終需要一個(gè)長(zhǎng)度長(zhǎng)、精度高的距離來進(jìn)行驗(yàn)證和校準(zhǔn)，常用的方法包括有線和無線兩種方式。有線即以長(zhǎng)距離射頻電纜為測(cè)量對(duì)象，這種方式成本高，占用空間大；無線即利用收發(fā)天線，在開闊的空間中進(jìn)行測(cè)量，這種方法易引入較多空間噪聲。對(duì)于很多科研院所，以上兩種方法實(shí)現(xiàn)起來困難性較大。

隨著光學(xué)器件的不斷成熟和光纖通信技術(shù)的飛速發(fā)展，可以考慮用光纖代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電纜來傳輸信號(hào)。本文設(shè)計(jì)了一種適合高精度測(cè)距系統(tǒng)的精度驗(yàn)證系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要基于光纖通信原理，充分利用了光纖的損耗低、體積小、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，滿足了高精度測(cè)距系統(tǒng)中對(duì)長(zhǎng)度長(zhǎng)、精度高的距離需求，使得高精度測(cè)距系統(tǒng)的精度驗(yàn)證方便快捷化。

二、設(shè)計(jì)原理

高精度測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)量誤差主要來自系統(tǒng)本身噪聲，主要包括頻率源噪聲、接收機(jī)熱噪聲、多徑噪聲[10]。因此在設(shè)計(jì)精度驗(yàn)證系統(tǒng)時(shí)，需要盡量避免引入更多的外界噪聲。

本系統(tǒng)利用光纖通信原理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空間長(zhǎng)距離的模擬，通過外部光調(diào)制器將高頻信號(hào)調(diào)制到激光信號(hào)上，該激光信號(hào)在光纖中傳輸后，由光探測(cè)器解調(diào)出高頻信號(hào)，該信號(hào)接入到信號(hào)處理電路，從而將高頻信號(hào)飛行的距離解算出來。實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。

光學(xué)器件包括：激光器、光纖、光電調(diào)制器、光放大器、光探測(cè)器。為了保證光探測(cè)器解調(diào)出來的微波信號(hào)不失真，在光信號(hào)傳輸過程中，需要注意光學(xué)器件引入的色散及非線性效應(yīng)。

圖1 測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)原理框圖

激光器選用的是分布反饋(DFB)激光器，在長(zhǎng)距離、大容量的光纖通信系統(tǒng)中，分布反饋激光器可以降低色散的影響，使激光器工作在單縱模狀態(tài)下，以降低光譜寬度。另外，由于石英光纖材料的最小衰減區(qū)間和摻鉺光纖放大器(EDFA)的工作波長(zhǎng)都在1550 nm附近，因此選用的激光器的波長(zhǎng)為常用的1550 nm。

光纖采用了色散位移光纖(DSF)，屬于單模光纖，色散位移光纖在1550 nm處色散為零，激光在單模光纖中的傳播軌跡是以平行于光纖軸線的形式以直線方式傳播的，即光纖的長(zhǎng)度代表了激光實(shí)際傳播的距離。

光電調(diào)制器采用了強(qiáng)度調(diào)制器，強(qiáng)度調(diào)制是指激光的功率隨著調(diào)制信號(hào)的幅度變化呈正比例變化，光接收器一般都是直接響應(yīng)其所接收的光強(qiáng)度變化，因此這種調(diào)制方式有利于接收機(jī)的直接檢波。這種調(diào)制方式可將調(diào)制速率至少提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，而且不會(huì)影響光源的穩(wěn)定工作。

光放大器采用了摻鉺光纖放大器，在1550 nm處具有增益高、功率高、帶寬寬等特性。在干線或遠(yuǎn)距離光纖通信中，光信號(hào)需進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸，由于受光發(fā)送機(jī)輸出功率、光接收機(jī)接收靈敏度、光纖傳輸線路的衰耗和帶寬(或色散)的限制，光發(fā)送機(jī)和光接收機(jī)之間的最大傳輸距離是有限的。若傳輸距離超過這個(gè)限度，信號(hào)傳輸質(zhì)量就會(huì)下降，甚至中斷。為了既能延長(zhǎng)傳輸距離，又能保證信號(hào)傳輸質(zhì)量，必須在傳輸信號(hào)尚未劣化前就進(jìn)行處理，處理后再繼續(xù)傳輸。

光電解調(diào)器采用直接檢波，從光纖中傳輸過來的已調(diào)光波信號(hào)入射到光電檢波器的光敏面上，光電檢波器將光信號(hào)解調(diào)成電信號(hào)，然后進(jìn)行電信號(hào)放大處理。光纖輸出的光信號(hào)很微弱，因此為了有效地將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)，要求光電檢波器響應(yīng)度高、噪聲低、響應(yīng)速度快。本系統(tǒng)中采用了肖特基勢(shì)壘雪崩光電二極管，響應(yīng)度為0.6 A/W，響應(yīng)時(shí)間為18.5 ps，具有良好的檢波性能。

基于光纖通信原理，將上述光學(xué)器件連接，如圖1所示的光學(xué)部分。它有利于在室內(nèi)實(shí)現(xiàn)測(cè)距信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，信號(hào)在系統(tǒng)中的飛行距離即為光纖的長(zhǎng)度(未考慮光學(xué)儀器中對(duì)信號(hào)引入的延時(shí))，因此可以通過加長(zhǎng)光纖的長(zhǎng)度來延長(zhǎng)微波信號(hào)的飛行距離。

三、調(diào)制器直流偏置特性分析

M-Z外調(diào)制器的傳輸函數(shù)為非線性函數(shù)，一般為周期函數(shù)，為了避免輸出信號(hào)的失真，必須使調(diào)制器工作在近線性調(diào)制部分，而直流偏置的變化將直接影響調(diào)制器輸出的光功率，進(jìn)而影響調(diào)制器的正常工作。

經(jīng)過理論推導(dǎo)[11]，得出歸一化輸出光功率P和偏置電壓V的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 理想的P-V特性曲線圖

由圖2可見，P-V曲線是非線性放大余弦關(guān)系，但在Vπ/2附近為近似線性關(guān)系，若外加電壓在Vπ/2附近，則可基本實(shí)現(xiàn)線性調(diào)制，因此需要選擇合適的調(diào)制工作點(diǎn)，否則輸出光強(qiáng)波形將發(fā)生畸變。

為了尋找最佳直流偏置電壓，利用信號(hào)源和直流電壓源分別為光電調(diào)制器提供正弦信號(hào)和直流偏置電壓，用示波器觀察探測(cè)器輸出的電信號(hào)。連接如圖3所示。

圖3 偏置電壓測(cè)試電路

查閱該調(diào)制器的資料手冊(cè)可知，Vπ<3.9 V。設(shè)置信號(hào)源輸出100 kHz的正弦信號(hào)，從0～3.9 V調(diào)節(jié)直流電壓源，示波器輸出波形見表1。

表1 直流偏置在不同電壓下，示波器輸出波形情況

從上述波形圖可以看出在1.2 V處，輸出波形無失真。故得出頻率為100 kHz時(shí)，調(diào)制器偏置電壓最優(yōu)值為1.2 V。由于不同頻率的調(diào)制信號(hào)對(duì)應(yīng)不同的最佳直流偏置電壓，采用此方法可以得出調(diào)制信號(hào)頻率更高時(shí)的最佳直流偏壓值。

波形失真在頻域方面的表現(xiàn)為雜波在信號(hào)中占的比重增多，相應(yīng)的測(cè)距信號(hào)的載噪比會(huì)有所下降，載噪比的大小直接影響著測(cè)距的精度。

四、色散及非線性效應(yīng)分析

色散是由于光纖中所傳信號(hào)的不同頻率成分，或信號(hào)能量的各種模式成分，在傳輸過程中，因群速度不同互相散開，會(huì)引起傳輸信號(hào)波形失真，脈沖展寬。從機(jī)理上說，光纖色散主要分為材料色散、波導(dǎo)色散和模式色散。前兩種色散是由于信號(hào)不是單一頻率所引起的，后一種色散是由于信號(hào)不是單一模式所引起的。單模光纖只傳輸基模，總色散由材料色散和波導(dǎo)色散組成。

載波測(cè)距和偽碼測(cè)距系統(tǒng)分別通過載波的相位和碼元相關(guān)來實(shí)現(xiàn)測(cè)距，色散帶來的波形失真和脈沖展寬會(huì)導(dǎo)致最后的距離解算錯(cuò)誤。系統(tǒng)中使用了色散位移光纖，這種光纖工作波長(zhǎng)在1550 nm區(qū)域，在1550 nm處的衰減最低，并且色散為零，解決了信號(hào)在光纖中傳輸過程中出現(xiàn)的色散現(xiàn)象。

圖4顯示了偽碼測(cè)距系統(tǒng)在普通單模單模光纖光纖和色散位移光纖的測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯?，應(yīng)用色散位移光纖的測(cè)距精度要高于普通光纖。

另外，光信號(hào)在傳輸過程中產(chǎn)生的非線性效應(yīng)同樣會(huì)造成波形失真和誤碼。在單波長(zhǎng)、低速率的通信系統(tǒng)中，為了保證整個(gè)系統(tǒng)的通信穩(wěn)定性，在光纖中輸入的功率小于1 dBm，在這種條件下，石英玻璃光纖的折射率是保持穩(wěn)定的，不會(huì)發(fā)生擾動(dòng)。如果光強(qiáng)過大，原來穩(wěn)定的石英玻璃光纖的折射率函數(shù)中二階部分將發(fā)生擾動(dòng)，即非線性效應(yīng)。非線性效應(yīng)主要有與散射效應(yīng)相關(guān)的受激布里淵散射效應(yīng)、受激拉曼散射效應(yīng)等。在所有非線性效應(yīng)中，受激布里淵散射效應(yīng)發(fā)生的閾值最低，當(dāng)輸入光纖的功率達(dá)到10 dBm以上，就能在系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)很強(qiáng)的受激拉曼散射效應(yīng)，但是該閾值會(huì)隨著光源的線寬變化而變化，因此它可以通過系統(tǒng)中的器件設(shè)計(jì)而克服。散射效應(yīng)中的受激拉曼散射效應(yīng)的閾值很高，一般情況下大于1 W，目前實(shí)際使用的通道數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于該效應(yīng)能發(fā)生作用的閾值范圍，可以不考慮其負(fù)面影響[12]。因此，要保證在光纖和輸入各光纖器件的光強(qiáng)小于10 dBm。

圖4 偽碼測(cè)距在兩種不同光纖中的測(cè)試結(jié)果

五、驗(yàn)證結(jié)果及分析

將該裝置分別連入偽碼測(cè)距系統(tǒng)，按照設(shè)計(jì)要求設(shè)置激光器輸出光強(qiáng)、調(diào)制器的直流偏壓和測(cè)距信號(hào)強(qiáng)度。如圖5所示。

圖5 驗(yàn)證裝置在偽碼測(cè)距系統(tǒng)中連接圖

上述連接圖中，驗(yàn)證裝置完成了電—光—電信號(hào)轉(zhuǎn)換，光纖長(zhǎng)度為5 km，移動(dòng)控制臺(tái)處于靜止?fàn)顟B(tài)，通過后端信號(hào)處理電路解算出測(cè)距信號(hào)飛行的距離，圖6為偽碼測(cè)距在驗(yàn)證裝置中的驗(yàn)證結(jié)果。

圖6 加入驗(yàn)證裝置前后，偽碼測(cè)距系統(tǒng)驗(yàn)證結(jié)果

圖6的測(cè)試波形代表了偽碼測(cè)距中非整周期的信號(hào)延時(shí)值。整周期的信號(hào)延時(shí)未標(biāo)出，測(cè)量距離的總長(zhǎng)度為整周期和非整周期的信號(hào)延時(shí)之和，通過計(jì)算，得出驗(yàn)證裝置加入偽碼測(cè)距系統(tǒng)后，距離變化量約等于光纖的長(zhǎng)度，可以看出該裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)測(cè)距信號(hào)的延時(shí)功能。

六、結(jié)束語

本文提出了一種適用于星間高精度測(cè)距系統(tǒng)精度驗(yàn)證的方法，巧妙地利用光纖代替了傳統(tǒng)意義上的“距離”，運(yùn)用了一種尋找M-Z強(qiáng)度調(diào)制器最佳直流偏壓的方法，并對(duì)調(diào)制器的直流偏置電壓的取值對(duì)測(cè)距精度的影響進(jìn)行了分析。通過對(duì)光學(xué)器件引入的色散及非線性效應(yīng)的分析，確保了測(cè)距信號(hào)在傳輸?shù)倪^程中不會(huì)出現(xiàn)波形失真和波形展寬現(xiàn)象，進(jìn)而恢復(fù)出原始的測(cè)距信號(hào)。最后，通過驗(yàn)證裝置在偽碼測(cè)距系統(tǒng)中的測(cè)試結(jié)果，可以看出該方法滿足了高精度測(cè)距系統(tǒng)中對(duì)長(zhǎng)遠(yuǎn)距離的需求，且對(duì)測(cè)距精度的影響很小，在一定精度范圍內(nèi)，這種影響可以忽略不計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 金小軍. 再生偽碼測(cè)距技術(shù)及實(shí)現(xiàn)研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2007: 1.

[2] 程鵬飛，楊元喜. 我國大地測(cè)量及衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的新進(jìn)展[J]. 測(cè)繪通報(bào)，2007(2): 1.

[3] KIM J. Simulation Study of a Low-low Satellite-to-satellite Tracking Mission [M]. Austin: The University of Texas at Austin, 2000.

[4] KIM J, ROESSET P L, BETTADPUR S V, et a1. Simulations of the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) Mission [C]∥Proceedings of the AAS/AIAA Space Flight Mechanics Meeting. Breckenridge：[s.n.]，1999.

[5] SHARMA J. Precise Determination of the Geopotential with a Low-low Satellite-to-satellite Tracking Mission [D]. Austin: The University of Texas at Austin, l995.

[6] FOLTA D, HAWKINS A. EO-1 Technology Validation Report Enhanced Flying Formation [J]. NASA/GSFC, 2001, 25(7): 1-16.

[7] TICKER R L, MCLENNAN D. NASA's New Millennium Space Technology 5 (ST5) Project[C]∥Proceedings of IEEE 2000 Aerospace Conference. Washington D.C., USA:[s.n.], 2000.

[8] BLAHUT K, BIBYK I. The Space Technology 5 (ST-5) Mission Constellation Control System and Operations Approach [C]∥Proceedings fo IEEE 2003 Aerospace Conference. Washington D.C., USA:[s.n.], 2003.

[9] 王任享，尹明. 對(duì)地觀測(cè)微小衛(wèi)星的發(fā)展現(xiàn)狀及其應(yīng)用[J]. 測(cè)繪通報(bào)，1999(12): 1.

[10] 趙翔宇. 星間高精度雙程轉(zhuǎn)發(fā)載波測(cè)距系統(tǒng)研究[D]. 杭州：浙江大學(xué), 2010: 19.

[11] 陳亦男， 張曉青， 李東. 外調(diào)制器直流偏壓與輸出光功率特性分析[J]. 北京信息科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 24(2):84-85.

[12] 張樹強(qiáng)， 劉德明. 新型非零色散位移光纖設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[D]. 武漢：華中科技大學(xué), 2010.