激光測距通信一體化技術(shù)研究及深空應(yīng)用探索

劉向南，李英飛，向程勇，諶明，李曉亮

（北京遙測技術(shù)研究所，北京 100076）

0 引 言

深空探測是對月球及以遠(yuǎn)的天體或空間開展的探測活動，是人類了解地球、太陽系以及宇宙，揭示其起源、演變，拓展生存空間的必然選擇。我國的深空探測隨著探月工程的立項實施而掀開序幕，并著手啟動了首次火星探測任務(wù)[1-3]。

深空探測活動與方式的多樣化和復(fù)雜化，對深空測控通信提出了新的挑戰(zhàn)。為了解決深空測控通信的超遠(yuǎn)距離與高速數(shù)傳之間的矛盾，深空測控通信已經(jīng)從S、X擴展到Ka頻段，但仍難以滿足未來深空探測的任務(wù)需求[2]。激光測距通信一體化技術(shù)以激光光束為載體，將測距和通信信息共用同一束激光和硬件平臺，實現(xiàn)同一套設(shè)備完成測距和通信雙重功能，可適應(yīng)未來深空探測活動對高速率通信、高精度測距的任務(wù)需求，是深空測控通信的重要發(fā)展方向。目前，美國已經(jīng)成功實施月地高速激光通信與高精度測距的在軌演示驗證[4]，為我國未來深空測控通信系統(tǒng)的建設(shè)提供了參考和借鑒。

1 研究現(xiàn)狀

國外自20世紀(jì)60年代中期開始實施空間激光通信技術(shù)研究計劃以來，經(jīng)過50多年的發(fā)展，在星間、星地激光鏈路領(lǐng)域取得了顯著的成就[5-10]。隨著激光通信和測距一體化需求的不斷提高，目前，國外空間激光鏈路中已經(jīng)呈現(xiàn)出激光測距與通信一體化的發(fā)展趨勢。其中，較為典型的系統(tǒng)是美國的X2000系統(tǒng)、俄羅斯GLONASS（Global Navigation Satellite System）導(dǎo)航系統(tǒng)和美國的月球激光通信驗證（Lunar Laser Communication Demonstration，LLCD）系統(tǒng)。

1）美國X2000系統(tǒng)

X2000系統(tǒng)于1997年10月開始研制，原計劃于2001年4月完成。X2000終端具備激光通信和激光測距功能。在飛行終端結(jié)構(gòu)設(shè)計中，測距和通信共用信號光，采用應(yīng)答測距體制，實現(xiàn)激光通信與激光測距的復(fù)用，數(shù)據(jù)傳輸速率為100～400 kbit/s。由于X2000項目最終預(yù)算不足，只完成了飛行終端的結(jié)構(gòu)設(shè)計，其飛行終端框圖如圖 1所示[11-12]。

2）俄羅斯GLONASS導(dǎo)航系統(tǒng)

2005年，俄羅斯計劃在GLONASS-K衛(wèi)星裝載星間激光導(dǎo)航通信系統(tǒng)并開展在軌試驗，該衛(wèi)星搭載2套星間激光導(dǎo)航通信系統(tǒng)，以保證其具備與GLONASS導(dǎo)航星座中任意2顆衛(wèi)星進(jìn)行獨立協(xié)同的能力。GLONASS-K衛(wèi)星建立了國際首個星間激光鏈路，采用脈沖激光體制實現(xiàn)星間高精度測距（測距精度10 cm）和中等速率數(shù)據(jù)交換（通信速率50 kbit/s），通信誤碼率優(yōu)于10–4，鏈路建立最快時間小于10 s。GLONASS系統(tǒng)衛(wèi)星激光鏈路構(gòu)型如圖 2所示[13]。受脈沖激光的重復(fù)頻率和峰值功率限制，使得脈沖激光測距通信體制很難進(jìn)一步提升通信速率，因此該種體制不適用于對通信速率要求較高的激光鏈路。

圖1 X2000飛行終端結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖Fig.1 Illustration of the X2000 flight terminal

圖2 GLONASS激光鏈路構(gòu)型Fig.2 Configuration of GLONASS laser link

3）美國LLCD系統(tǒng)

2013年9月，月球激光通信星載終端（Lunar LasercomSpace Terminal，LLST）搭載于月球大氣和塵埃環(huán)境探測航天器（Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer，LADEE）發(fā)射升空。2013年10月—11月之間完成了為期1個月的月地激光通信在軌試驗，下行速率622 Mbit/s和上行速率20 Mbit/s，上行信號采用4PPM調(diào)制、下行信號采用16PPM調(diào)制，工作波長為1.55 μm波段。LLCD系統(tǒng)組成如圖 3所示[14]。其中，地面站采用5 GHz高精度時鐘對下行鏈路激光脈沖邊沿進(jìn)行采樣，單次采樣的測距精度為6 cm（200 ps），通過多次測量取平均可實現(xiàn)優(yōu)于1 cm的測距精度[4，14]，充分驗證了激光鏈路在深空高速數(shù)傳和高精度測距方面的巨大潛力，為深空激光測距通信一體化設(shè)計提供了參考。

圖3 LLCD系統(tǒng)的組成Fig.3 Composition of LLCD system

4）國內(nèi)現(xiàn)狀

國內(nèi)在激光測量通信一體化技術(shù)方面也開展了相關(guān)研究，主要集中在星地和星間激光鏈路應(yīng)用，未涉及深空應(yīng)用場景。其中，北京跟蹤與通信技術(shù)研究所在國內(nèi)率先提出了激光統(tǒng)一測控系統(tǒng)的概念[15]；電子科技大學(xué)、長春理工大學(xué)先后對星地和星間激光測距通信一體化技術(shù)進(jìn)行了理論研究[16-17]；北京遙測技術(shù)研究所于2014年率先完成了基于相干激光通信的測距與高速通信一體化實驗驗證。

2 激光測距通信一體化設(shè)計

2.1 激光通信體制選取

為充分發(fā)揮激光鏈路在高速通信和精密測距方面的優(yōu)勢，激光測距通信一體化設(shè)計原則是以高速通信為主適度兼顧精密測距。俄羅斯GLONASS導(dǎo)航系統(tǒng)采用的脈沖激光測距通信體制受脈沖激光重復(fù)頻率的限制，很難進(jìn)一步提升通信速率。美國LLCD系統(tǒng)采用的基于PPM（Pulse Position Modulation）通信體制的測距技術(shù)，因其在地面站使用了需要在3 K超低溫條件下工作的超導(dǎo)納米線單光子探測陣列進(jìn)行接收[18]，使得該測距通信一體化技術(shù)適用于月地及月地以遠(yuǎn)的對地激光鏈路，難以應(yīng)用到星際之間及深空星間的激光鏈路。

目前，空間激光通信的主用體制主要包括OOK（On-Off Keying）調(diào)制/直接探測、PPM調(diào)制/直接探測兩種非相干探測體制，DPSK（Differential Phase Shift Keying）調(diào)制/自差相干接收體制、BPSK（Binary Phase Shift Keying）調(diào)制/相干接收體制兩種相干探測體制。其中，OOK調(diào)制/直接探測體制接收解調(diào)技術(shù)簡單，但探測靈敏度較低；PPM調(diào)制/直接探測體制帶寬利用率低，不利于星間高速率、高靈敏度通信；BPSK調(diào)制/相干探測體制具有較高的接收靈敏度和抗背景干擾能力，是星間高碼率激光通信鏈路的首選；DPSK調(diào)制/自差相干探測體制的探測靈敏度介于OOK調(diào)制/直接探測體制和PSK（Phase-Shift-Keying）調(diào)制/相干探測體制之間，可自動補償大氣湍流的影響，適于星地高速激光通信。

綜合比較上述通信體制在碼率擴展、探測靈敏度、抗背景光干擾能力等方面的特點，本文選取BPSK調(diào)制/外差相干接收的通信體制通過在傳輸信息中插入測距幀實現(xiàn)測距通信一體化，并利用雙向單程測距方法實現(xiàn)雙端的精密測距。

BPSK調(diào)相激光信號表達(dá)式為

其中：Ac表示激光載波的振幅；表示調(diào)制信號；表示激光載波頻率；c表示光速；表示激光載波初相。

2.2 雙向單程測距原理

以星間激光鏈路為例，衛(wèi)星A和衛(wèi)星B之間雙向單程測距（Dual One-Way Ranging，DOWR）原理描述如圖 4所示[19]。A、B衛(wèi)星在各自星鐘秒脈沖下產(chǎn)生采樣標(biāo)志M時開始計時，并通過距離為R的激光鏈路發(fā)送給對方衛(wèi)星。當(dāng)衛(wèi)星收到對方采樣標(biāo)志后，計時結(jié)束。綜合2個計時TA和TB可推算出A、B兩星之間的距離。需注意的是，在實際測距中，兩星星鐘存在時差Δt、發(fā)送時延τt、接收時延τr。

圖4 雙向單程測距原理圖Fig.4 Schematic diagram of DOWR

假設(shè)時差則實際計時可表示為

可得DOWR體制測距值為

測得兩星星鐘時差為

其中：和可通過系統(tǒng)零值標(biāo)定的方法消除。因此，可以認(rèn)為距離R、時差Δt的測量精度由TA和TB的測量精度所決定。

本文激光測距方案采用碼元相位同步測距，其工作原理如圖 5所示，具體可描述為：激光終端發(fā)射端采用MZM（Mach-Zehnder Modulator）調(diào)制器和自動偏置控制實現(xiàn)BPSK激光調(diào)制，基于衛(wèi)星平臺的星鐘倍頻產(chǎn)生工作時鐘，調(diào)制端在同步脈沖（整秒時刻）下，由測距編碼模塊產(chǎn)生基帶數(shù)據(jù)；調(diào)制的基帶數(shù)據(jù)幀幀頭后沿與同步脈沖對齊，作為測距標(biāo)識；數(shù)據(jù)幀中插入解調(diào)到的“計時”信息，作為合作衛(wèi)星的距離解算輸入；基帶數(shù)據(jù)經(jīng)電光調(diào)制后準(zhǔn)直成空間光進(jìn)行傳輸。接收端對空間光進(jìn)行探測完成光電轉(zhuǎn)換，并對同步后的電信號進(jìn)行采樣、碼同步、幀同步等一系列處理，由碼同步產(chǎn)生的碼元相位提供解調(diào)數(shù)據(jù)的幀頭后沿（測距標(biāo)識），并在NCO（Numerically Controlled Oscillator）時標(biāo)模塊中進(jìn)行比對，完成高精度“計時”。幀同步模塊解調(diào)出合作衛(wèi)星的“計時”信息輸出到距離解算模塊，距離解算模塊再結(jié)合本地“計時”信息根據(jù)DOWR公式計算出測距值。

碼元相位測距的核心是碼同步環(huán)，由碼同步環(huán)對輸入基帶信號跟蹤，確定精確的測距脈沖時刻。碼元相位測距利用數(shù)據(jù)幀頭作為采樣標(biāo)志，該標(biāo)志的產(chǎn)生和星鐘整秒時刻（1PPS）對齊。由此，測量計時T的計算公式為

其中：FrCnt是數(shù)據(jù)幀幀計數(shù)，用于長距離解模糊；FrLength是幀長；BitCnt是位計數(shù)；ChipNCO是碼片相位；NCOword是碼環(huán)NCO的相位寄存器位數(shù)；VRate為碼片速率。

3 激光測距通信系統(tǒng)實驗及結(jié)果分析

3.1 激光測距通信系統(tǒng)實驗方案

根據(jù)前文設(shè)計的激光測距通信一體化方案，在實驗室內(nèi)構(gòu)建了星間激光測距通信驗證系統(tǒng)，其組成框圖如圖 6所示，實驗現(xiàn)場如圖 7所示。該實驗系統(tǒng)由2套激光測距通信設(shè)備組成，主要包括激光通信發(fā)射模塊、激光通信接收模塊、數(shù)字解調(diào)模塊、光學(xué)天線、GPS馴服時鐘、電控一維運動平臺、誤碼測試儀。

圖6 星間激光測距通信一體化實驗驗證系統(tǒng)組成框圖Fig.6 Block diagram of integrated inter-satellite laser ranging and communication experimental verification system

圖7 激光測距通信一體化實驗驗證系統(tǒng)實驗現(xiàn)場圖片F(xiàn)ig.7 Integrated laser ranging and communication experimental verification system

實驗系統(tǒng)采用BPSK調(diào)制/外差相干接收體制，通信波長選用1 550 nm。實驗過程中，在GPS馴服時鐘的驅(qū)動下，由電信號調(diào)制單元產(chǎn)生帶LDPC（Low-Density Parity-Check）編碼的測距幀數(shù)據(jù)，經(jīng)MZM電光調(diào)制器對1 550 nm發(fā)射激光進(jìn)行BPSK相位調(diào)制。由光學(xué)天線把調(diào)制光信號發(fā)射到自由空間。1 550 nm信號光經(jīng)過一段距離的自由空間傳輸后，入射至光學(xué)接收天線，與本振光在180 °光纖光混頻器中相干混頻，并由180 °平衡探測器探測，產(chǎn)生中頻電信號。該中頻電信號經(jīng)過放大、濾波處理后，由高速ADC（Analog to Digital Converter）采樣后在FPGA（Field Programmable Gate Array）內(nèi)完成載波同步、碼元同步、幀同步和譯碼，并進(jìn)行誤碼率測試。與此同時，通過解調(diào)獲取對方激光終端的測量標(biāo)識時刻，并對本地發(fā)射編碼器的相位進(jìn)行采樣，從而提取測距值。該相位采樣信息和其他測量信息組成測距信息，將其插入傳輸數(shù)據(jù)幀中。待測距幀編碼完成后通過DAC（Digital to Analog Converter）轉(zhuǎn)換成基帶信號對發(fā)射激光載波進(jìn)行調(diào)制。

3.2 實驗結(jié)果及分析

利用圖 7所示的實驗系統(tǒng)對BPSK調(diào)制/外差相干體制1 Gbit/s通信速率的接收靈敏度進(jìn)行了測試。實驗結(jié)果表明，未采用編譯碼時該激光通信系統(tǒng)在10–8誤碼率條件下，接收靈敏度為44 光子/bit，而外差接收散彈噪聲量子限為16 光子/bit，外差相干接收實測靈敏度與量子限相差近4.4 dB。采用編譯碼技術(shù)后，接收靈敏度獲得提高，實測結(jié)果如圖 8所示。測試結(jié)果表明在傳輸碼率為1 Gbit/s的條件下，采用7/8LDPC編碼后，10–8誤碼率對應(yīng)的接收靈敏度為11 光子/bit，獲得編碼增益6.02 dB。

圖8 相干激光通信接收靈敏度測試曲線Fig.8 Reception sensitivity curve of coherent laser communication

本實驗系統(tǒng)的參考時鐘采用的是GPS馴服的恒溫晶振，開機10 min后，馴服準(zhǔn)確精度可以達(dá)到10–10量級。在相對距離不變的條件下，采用雙向單程測距體制時，測量兩端的單向測距值變化情況如圖 9（a）所示。圖 9（a）中兩條測試曲線的距離值隨測量時間發(fā)生改變。其中，終端A的測距值逐漸減小，而終端B的測距值卻逐漸增大。經(jīng)分析，上述距離值的變化是由于測量兩端的參考時鐘存在頻差引起的。

根據(jù)雙向單程測距原理，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后得到雙向單程測距值和測距均值的變化曲線，如圖 9（b）所示，測量值的均方根值為0.85 mm，與恒溫晶振的秒穩(wěn)指標(biāo)一致。

圖9 基于BPSK外差相干激光通信的測距曲線Fig.9 Laser ranging results of BPSK heterodyne laser communication

在距離不變的情況下，雙端的頻差可以表示為

其中：fA為終端A的參考頻率；fB為終端B的參考頻率；R1A為A端當(dāng)前時刻測得的單向測量值；R0A為A端前一時刻測得的單向測量值；L為空間光在本時間段內(nèi)傳輸?shù)木嚯x。

圖9（c）為雙向單程測量得到的頻差變化曲線。圖中在680 s附近出現(xiàn)了頻率跳變。經(jīng)分析這是由于GPS馴服時鐘控制環(huán)路進(jìn)行頻率調(diào)整而引起的。

本實驗完成了BPSK調(diào)制/外差相干激光通信與測距一體化的測試驗證，基于雙向單程測距，在傳輸碼速率為1 Gbit/s的同等條件下，采用7/8LDPC編碼后，對應(yīng)10–8誤碼率的通信接收靈敏度達(dá)到11 光子/bit，測距精度達(dá)到0.85 mm。

4 深空應(yīng)用探索

在實際深空應(yīng)用中，因鏈路兩端的相對運動引起的光載波多普勒頻移量高達(dá)0.1 nm，這就要求基于BPSK調(diào)制/外差相干探測的激光測距通信一體化技術(shù)對光載波多普勒頻移進(jìn)行有效補償。此外，盡管BPSK調(diào)制/外差相干探測的靈敏度較高，但仍低于單光子探測靈敏度。因此，在月地及以遠(yuǎn)深空激光鏈路中應(yīng)慎用相干探測體制。對于地球中繼或月球中繼激光通信鏈路，BPSK調(diào)制/外差相干激光通信技術(shù)將更能發(fā)揮高靈敏度接收和抗背景光干擾等優(yōu)勢。

根據(jù)月地一體化空間信息傳輸系統(tǒng)的組成（如圖 10所示）及約束條件，結(jié)合基于BPSK調(diào)制/外差相干通信的激光測距通信一體化特點，該技術(shù)可應(yīng)用于如下任務(wù)場景。

圖10 地月一體化空間信息系統(tǒng)組成Fig.10 Composition of integrated of the Earth and the Moon space information system

1）月球中繼衛(wèi)星系統(tǒng)：為月球基地或月面著陸器等提供數(shù)據(jù)傳輸中繼服務(wù)。應(yīng)用場景包括月地系統(tǒng)的第1拉格朗日點（L1點）與月面著陸器或月球基地的高速中繼通信、第2拉格朗日點（L2點）與月背著陸器或月球基地的高速中繼通信[20-21]。

2）月球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)：為月球基地、月面著陸器或環(huán)月飛行器等提供空間導(dǎo)航服務(wù)[22]。應(yīng)用場景包括月球?qū)Ш叫l(wèi)星與第1拉格朗日點（L1點）中繼衛(wèi)星、第2拉格朗日點（L2點）中繼衛(wèi)星之間的測距通信，以及月球?qū)Ш叫l(wèi)星與月面陸器或月球基地之間的測距通信。

5 結(jié)束語

激光測距通信一體化技術(shù)是未來深空測控通信的重要發(fā)展方向，國外已經(jīng)完成在軌演示驗證，而我國還沒有對月球及深空探測器實施激光測距通信一體化的成功先例。

本文提出的基于BPSK外差相干通信的測距通信一體化技術(shù)通過了地面實驗系統(tǒng)的測試，驗證了激光測距通信一體化技術(shù)的可行性，并對該技術(shù)在月球中繼衛(wèi)星系統(tǒng)和月球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了初步探討，相關(guān)研究工作仍需進(jìn)一步深入推進(jìn)。

基于BPSK外差相干通信的測距通信一體化技術(shù)的實施和應(yīng)用有望大幅提升我國深空探測傳輸系統(tǒng)的通信能力和測距能力。結(jié)合我國探月及深空探測任務(wù)，建議我國科技工作者應(yīng)當(dāng)把握國家探月工程快速發(fā)展的契機，盡快將相關(guān)技術(shù)推廣到月地一體化空間信息傳輸系統(tǒng)的建設(shè)中，早日發(fā)揮激光測距通信一體化技術(shù)的重要作用。

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