星間高精度測距系統(tǒng)精度測量方法的研究

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

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

大地測量學(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,是為人類的活動提供地球空間信息的學(xué)科[2]。地球重力場是地球物質(zhì)分布和旋轉(zhuǎn)運動信息的綜合反應(yīng)，是地球科學(xué)、大地測量學(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波段微波測距系統(tǒng)，測距精度優(yōu)于10 μm，測速精度可達到1 μm/s，足以測出地球表面重力場異常所引起的衛(wèi)星間距的變化[4-5]。

高精度測距也能推動正在蓬勃發(fā)展的微小衛(wèi)星編隊的發(fā)展，編隊飛行是空間技術(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、微機械等當代高新技術(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，高精度測距在航天和軍事領(lǐng)域已經(jīng)越來越重要。這些測距系統(tǒng)的研究最終需要一個長度長、精度高的距離來進行驗證和校準，常用的方法包括有線和無線兩種方式。有線即以長距離射頻電纜為測量對象，這種方式成本高，占用空間大；無線即利用收發(fā)天線，在開闊的空間中進行測量，這種方法易引入較多空間噪聲。對于很多科研院所，以上兩種方法實現(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。本文設(shè)計了一種適合高精度測距系統(tǒng)的精度驗證系統(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、抗干擾性強等優(yōu)點，滿足了高精度測距系統(tǒng)中對長度長、精度高的距離需求，使得高精度測距系統(tǒng)的精度驗證方便快捷化。

二、設(shè)計原理

高精度測距系統(tǒng)的測量誤差主要來自系統(tǒng)本身噪聲，主要包括頻率源噪聲、接收機熱噪聲、多徑噪聲[10]。因此在設(shè)計精度驗證系統(tǒng)時，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，實現(xiàn)了對空間長距離的模擬，通過外部光調(diào)制器將高頻信號調(diào)制到激光信號上，該激光信號在光纖中傳輸后，由光探測器解調(diào)出高頻信號，該信號接入到信號處理電路，從而將高頻信號飛行的距離解算出來。實現(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、光探測器。為了保證光探測器解調(diào)出來的微波信號不失真，在光信號傳輸過程中，需要注意光學(xué)器件引入的色散及非線性效應(yīng)。

圖1 測量裝置實現(xiàn)原理框圖

激光器選用的是分布反饋(DFB)激光器，在長距離、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)的工作波長都在1550 nm附近，因此選用的激光器的波長為常用的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，即光纖的長度代表了激光實際傳播的距離。

光電調(diào)制器采用了強度調(diào)制器，強度調(diào)制是指激光的功率隨著調(diào)制信號的幅度變化呈正比例變化，光接收器一般都是直接響應(yīng)其所接收的光強度變化，因此這種調(diào)制方式有利于接收機的直接檢波。這種調(diào)制方式可將調(diào)制速率至少提高一個數(shù)量級，而且不會影響光源的穩(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。在干線或遠距離光纖通信中，光信號需進行長距離傳輸，由于受光發(fā)送機輸出功率、光接收機接收靈敏度、光纖傳輸線路的衰耗和帶寬(或色散)的限制，光發(fā)送機和光接收機之間的最大傳輸距離是有限的。若傳輸距離超過這個限度，信號傳輸質(zhì)量就會下降，甚至中斷。為了既能延長傳輸距離，又能保證信號傳輸質(zhì)量，必須在傳輸信號尚未劣化前就進行處理，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)光波信號入射到光電檢波器的光敏面上，光電檢波器將光信號解調(diào)成電信號，然后進行電信號放大處理。光纖輸出的光信號很微弱，因此為了有效地將光信號轉(zhuǎn)換成為電信號，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)中采用了肖特基勢壘雪崩光電二極管，響應(yīng)度為0.6 A/W，響應(yīng)時間為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)實現(xiàn)測距信號的遠距離傳輸，信號在系統(tǒng)中的飛行距離即為光纖的長度(未考慮光學(xué)儀器中對信號引入的延時)，因此可以通過加長光纖的長度來延長微波信號的飛行距離。

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，則可基本實現(xiàn)線性調(diào)制，因此需要選擇合適的調(diào)制工作點，否則輸出光強波形將發(fā)生畸變。

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

圖3 偏置電壓測試電路

查閱該調(diào)制器的資料手冊可知，Vπ<3.9 V。設(shè)置信號源輸出100 kHz的正弦信號，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，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)制信號對應(yīng)不同的最佳直流偏置電壓，采用此方法可以得出調(diào)制信號頻率更高時的最佳直流偏壓值。

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

四、色散及非線性效應(yīng)分析

色散是由于光纖中所傳信號的不同頻率成分，或信號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，會引起傳輸信號波形失真，脈沖展寬。從機理上說，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不是單一頻率所引起的，后一種色散是由于信號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。

載波測距和偽碼測距系統(tǒng)分別通過載波的相位和碼元相關(guān)來實現(xiàn)測距，色散帶來的波形失真和脈沖展寬會導(dǎo)致最后的距離解算錯誤。系統(tǒng)中使用了色散位移光纖，這種光纖工作波長在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顯示了偽碼測距系統(tǒng)在普通單模單模光纖光纖和色散位移光纖的測試結(jié)果。可以看出，應(yīng)用色散位移光纖的測距精度要高于普通光纖。

另外，光信號在傳輸過程中產(chǎn)生的非線性效應(yīng)同樣會造成波形失真和誤碼。在單波長、低速率的通信系統(tǒng)中，為了保證整個系統(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，不會發(fā)生擾動。如果光強過大，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，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，當輸入光纖的功率達到10 dBm以上，就能在系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)很強的受激拉曼散射效應(yīng)，但是該閾值會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，目前實際使用的通道數(shù)遠遠小于該效應(yīng)能發(fā)生作用的閾值范圍，可以不考慮其負面影響[12]。因此，要保證在光纖和輸入各光纖器件的光強小于10 dBm。

圖4 偽碼測距在兩種不同光纖中的測試結(jié)果

五、驗證結(jié)果及分析

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

圖5 驗證裝置在偽碼測距系統(tǒng)中連接圖

上述連接圖中，驗證裝置完成了電—光—電信號轉(zhuǎn)換，光纖長度為5 km，移動控制臺處于靜止狀態(tài)，通過后端信號處理電路解算出測距信號飛行的距離，圖6為偽碼測距在驗證裝置中的驗證結(jié)果。

圖6 加入驗證裝置前后，偽碼測距系統(tǒng)驗證結(jié)果

圖6的測試波形代表了偽碼測距中非整周期的信號延時值。整周期的信號延時未標出，測量距離的總長度為整周期和非整周期的信號延時之和，通過計算，得出驗證裝置加入偽碼測距系統(tǒng)后，距離變化量約等于光纖的長度，可以看出該裝置實現(xiàn)了對測距信號的延時功能。

六、結(jié)束語

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

參考文獻：

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

[2] 程鵬飛，楊元喜. 我國大地測量及衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的新進展[J]. 測繪通報，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. 對地觀測微小衛(wèi)星的發(fā)展現(xiàn)狀及其應(yīng)用[J]. 測繪通報，1999(12): 1.

[10] 趙翔宇. 星間高精度雙程轉(zhuǎn)發(fā)載波測距系統(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, 2009, 24(2):84-85.

[12] 張樹強， 劉德明. 新型非零色散位移光纖設(shè)計與實驗研究[D]. 武漢：華中科技大學(xué), 2010.