葉 蓓，王春暉，張朝杰，金仲和

(浙江大學(xué)微小衛(wèi)星研究中心，杭州 310027)

高精度測(cè)距驗(yàn)證系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

葉 蓓，王春暉，張朝杰，金仲和

(浙江大學(xué)微小衛(wèi)星研究中心，杭州 310027)

針對(duì)星間高精度測(cè)距系統(tǒng)地面遠(yuǎn)距離驗(yàn)證困難的問(wèn)題，提出一種新的地面驗(yàn)證系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用100 km光纖模擬地面長(zhǎng)距離，通過(guò)測(cè)量載波相位波動(dòng)并反饋控制光延時(shí)線的延時(shí)量，使光纖與光延時(shí)線總的傳輸延時(shí)保持穩(wěn)定。本文對(duì)系統(tǒng)的相位傳遞關(guān)系及系統(tǒng)中存在的主要噪聲進(jìn)行理論分析并建立相應(yīng)的模型，通過(guò)仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)能夠達(dá)到的精度。仿真及試驗(yàn)結(jié)果均表明，該系統(tǒng)能夠抑制光纖傳輸延時(shí)的低頻漂移，其精度能夠滿足高精度測(cè)距系統(tǒng)地面遠(yuǎn)距離驗(yàn)證的要求。

高精度測(cè)距；地面驗(yàn)證；遠(yuǎn)距離；延時(shí)漂移

0 引 言

星間高精度測(cè)距系統(tǒng)能夠用于衛(wèi)星之間相對(duì)距離的精確測(cè)量，這使得它在衛(wèi)星編隊(duì)、組網(wǎng)和地球重力場(chǎng)模型恢復(fù)方面具有重要的作用[1-4]。通常，在實(shí)際應(yīng)用之前測(cè)距系統(tǒng)需要進(jìn)行地面遠(yuǎn)距離的驗(yàn)證，以降低相關(guān)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。然而，目前還沒(méi)有一種有效的用于遠(yuǎn)距離驗(yàn)證高精度測(cè)距系統(tǒng)精度的方法。研制這種地面遠(yuǎn)距離驗(yàn)證系統(tǒng)主要存在兩個(gè)困難：1)實(shí)際應(yīng)用的星間測(cè)距系統(tǒng)精度很高，目前難以用其他的測(cè)距系統(tǒng)作為參考。2)缺少合適的傳輸媒介，若以空氣作為傳輸媒介，當(dāng)距離相隔數(shù)十千米時(shí)，很難選出合適的測(cè)試地點(diǎn)，且會(huì)存在多徑干擾問(wèn)題，而射頻線纜體積大，衰減大，也不適合用作傳輸媒介。文獻(xiàn)[5]提出用光纖模擬長(zhǎng)距離，光纖本身具有抗干擾能力強(qiáng)、體積小、衰減小的特點(diǎn)，克服了空氣和射頻電纜的缺陷。傳輸信號(hào)對(duì)光載波進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制后在光鏈路中傳輸，傳輸延時(shí)的大小會(huì)反映到該傳輸信號(hào)的相位中，在光鏈路的末端光電檢測(cè)器檢測(cè)出該電信號(hào)，進(jìn)而通過(guò)測(cè)量相位變化解算出傳輸時(shí)延的變化。傳輸信號(hào)在無(wú)線鏈路和光纖中的傳輸時(shí)延最終都反映到了傳輸信號(hào)的相位變化上，因此能夠用光纖模擬真實(shí)太空環(huán)境中的星間鏈路。但光纖的傳輸延時(shí)會(huì)受到溫度和光纖鏈路上分布應(yīng)力等因素的影響而波動(dòng)，對(duì)于長(zhǎng)距離光纖，由溫度變化引起的距離測(cè)量值漂移遠(yuǎn)大于測(cè)距系統(tǒng)的精度。若將光纖用于長(zhǎng)距離的測(cè)距精度驗(yàn)證，必須采取一定的措施抑制光纖的延時(shí)變化，使其延時(shí)變化的穩(wěn)定度達(dá)到亞皮秒量級(jí)。

時(shí)頻傳輸領(lǐng)域中已有一些文獻(xiàn)闡述了利用光延時(shí)線或電延時(shí)器、相位共軛器來(lái)穩(wěn)定光纖傳輸延時(shí)的方法[6-12]，其目的是將標(biāo)準(zhǔn)時(shí)頻信號(hào)不失真地進(jìn)行傳輸。本文將光延時(shí)線擴(kuò)展應(yīng)用到測(cè)距驗(yàn)證系統(tǒng)中，與時(shí)頻信號(hào)傳輸不同的是，測(cè)距驗(yàn)證系統(tǒng)的目的是提供一段穩(wěn)定的傳輸媒介作為衡量其他測(cè)距系統(tǒng)的標(biāo)尺。該系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量載波信號(hào)相位波動(dòng)進(jìn)而反饋控制光延時(shí)線的延時(shí)，抑制了光鏈路傳輸延時(shí)的漂移。同時(shí)，該測(cè)距驗(yàn)證系統(tǒng)的測(cè)量信號(hào)與參考信號(hào)由同一時(shí)鐘頻率源驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生，系統(tǒng)中兩者做差比較，能夠消除時(shí)鐘頻率源中長(zhǎng)期噪聲的影響，進(jìn)一步提高了測(cè)距驗(yàn)證系統(tǒng)的精度[13]。本文通過(guò)對(duì)系統(tǒng)及系統(tǒng)中的主要噪聲進(jìn)行理論分析及建模，仿真分析了系統(tǒng)能夠達(dá)到的精度，最后通過(guò)試驗(yàn)加以驗(yàn)證。仿真及試驗(yàn)結(jié)果均表明，該系統(tǒng)能夠抑制光鏈路傳輸延時(shí)的低頻漂移，且系統(tǒng)精度能夠滿足高精度測(cè)距系統(tǒng)地面遠(yuǎn)距離測(cè)距驗(yàn)證的要求。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

圖1為高精度測(cè)距驗(yàn)證系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。該系統(tǒng)用高穩(wěn)石英頻標(biāo)作為整個(gè)系統(tǒng)的頻率源，其輸出的10 MHz信號(hào)作為參考信號(hào)輸入頻率綜合器1中，產(chǎn)生2250 MHz的射頻信號(hào)。激光器產(chǎn)生光波長(zhǎng)為1550 nm的光信號(hào)。電光調(diào)制器將頻率綜合器1輸出的射頻信號(hào)與待驗(yàn)證的測(cè)距系統(tǒng)信號(hào)調(diào)制到光鏈路上。光信號(hào)通過(guò)100 km光纖及光延時(shí)線，摻鉺光纖放大器使光信號(hào)到達(dá)光電探測(cè)器輸入端時(shí)保持足夠的信號(hào)功率，光電檢測(cè)器解調(diào)出調(diào)制在光信號(hào)上的電信號(hào)。頻率綜合器2產(chǎn)生另外一路射頻信號(hào)，頻率為2180 MHz，參考信號(hào)同樣由高穩(wěn)石英頻標(biāo)提供。分路器和濾波器將測(cè)距系統(tǒng)信號(hào)分離出來(lái)，分路器的另一路輸出信號(hào)與2180 MHz信號(hào)在混頻器中進(jìn)行混頻，生成的70 MHz中頻信號(hào)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸入相位測(cè)量模塊。測(cè)量得到的信號(hào)相位與一個(gè)參考相位值比較得到相位差。該相位差信號(hào)輸入PI控制器，輸出的控制信號(hào)反饋控制光延時(shí)線的延時(shí)量，最終使光纖與光延時(shí)線總的傳輸延時(shí)保持穩(wěn)定。相位測(cè)量及光延時(shí)線反饋控制功能均由現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field programmable gate array,FPGA)完成。

2 系統(tǒng)建模

2.1系統(tǒng)相位傳遞模型

高穩(wěn)石英頻標(biāo)輸出信號(hào)相位表示為

φ0(t)=ω0t+φ0

(1)

式中：ω0為高穩(wěn)石英頻標(biāo)的標(biāo)稱角頻率，φ0為初相。

光電探測(cè)器輸出信號(hào)相位為

φ1(t)= 225ω0(t-τfiber(t)-τODL(t))+

225φ0+φd

(2)

式中：τfiber(t)，τODL(t)分別為光纖、光延時(shí)線的傳輸延時(shí)，φd為光電調(diào)制器、光電探測(cè)器及摻鉺光纖放大器引入的固定相位偏差。

同時(shí)頻率綜合器2輸出信號(hào)相位為

φ2(t)=218ω0t+218φ0

(3)

由此得到混頻器輸出的中頻信號(hào)相位為

φ3(t)= 7ω0t+7φ0-225ω0(τfiber(t)+

τODL(t))+φd

(4)

中頻信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-to-digital converter,ADC)采樣后進(jìn)行數(shù)字正交下混頻處理，得到基帶信號(hào)，基帶信號(hào)的相位表示為

φ4(t)= 7φ0-225ω0(τfiber(t)+τODL(t))+

φd+φm

(5)

式中：φm表示正交下混頻引入的固定相位偏差。

全數(shù)字鎖相環(huán)跟蹤基帶信號(hào)的相位變化，其環(huán)路傳遞函數(shù)為H(s)，其輸出的相位信號(hào)為φout(t)，得到

(6)

式中：φc=7φ0+φd+φm，φout(s)，τfiber(s)，τODL(s)分別是φout(t)，τfiber(t)，τODL(t)的拉氏變換。

理想情況下，光延時(shí)線引入的延時(shí)變化能夠抵消環(huán)境變化引起的光纖傳輸延時(shí)變化，輸出相位φout(t)為一個(gè)固定的常數(shù)φref。參考相位φref與輸出相位φout(t)作差得到誤差信號(hào)，輸入到傳遞函數(shù)為F(s)的PI控制器，得到光延時(shí)線的控制信號(hào)，調(diào)整光延時(shí)線的延時(shí)量，即

(7)

將式(6)代入式(7)，得到

(8)

式中：等號(hào)右邊第1項(xiàng)是由系統(tǒng)引入的固定延時(shí)補(bǔ)償量，第2項(xiàng)是由光纖延時(shí)變化引入的補(bǔ)償量，此補(bǔ)償量隨光纖延時(shí)變化而相應(yīng)變化。

將式(7)代入式(6)，得到

(9)

當(dāng)忽略常數(shù)項(xiàng)影響時(shí)，可以得到φout(s)關(guān)于光纖延時(shí)τfiber(s)的傳遞函數(shù)

(10)

根據(jù)系統(tǒng)相位傳遞模型的推導(dǎo)，得到簡(jiǎn)化的系統(tǒng)模型框圖(見(jiàn)圖2)。該系統(tǒng)是嵌套環(huán)結(jié)構(gòu)，內(nèi)部的小環(huán)是全數(shù)字鎖相環(huán)，用于捕獲并跟蹤輸入信號(hào)的相位，外部的大環(huán)是延時(shí)反饋環(huán)路，用于反饋控制光延時(shí)線的延時(shí)量。

實(shí)際系統(tǒng)中采用電動(dòng)可調(diào)光延時(shí)線，其原理是用機(jī)械馬達(dá)調(diào)整光通量中的空氣間隙的長(zhǎng)度，可調(diào)范圍為600 ps，分辨率為0.05 ps。該款光延時(shí)線具有30種不同的執(zhí)行速度。光延時(shí)線依靠機(jī)械馬達(dá)來(lái)改變光程，每次調(diào)整要消耗一定的時(shí)間，包括指令發(fā)送時(shí)間、馬達(dá)執(zhí)行時(shí)間、執(zhí)行完畢所需的穩(wěn)定時(shí)間。因此光延時(shí)線的PI控制器工作頻率最大不會(huì)超過(guò)10 Hz。

2.2系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

全數(shù)字鎖相環(huán)的傳遞函數(shù)為

(11)

式中：Kp1、Ki1是全數(shù)字鎖相環(huán)中環(huán)路濾波器的參數(shù)。

延時(shí)反饋環(huán)路中PI控制器的傳遞函數(shù)為

(12)

式中：Kp2、Ki2是PI控制器的參數(shù)。

將式(11)、式(12)代入式(10)，整理得到

(13)

式中：G=225ω0。

其特征方程式為

s3+ (Kp1-GKp1Kp2)s2+

(Ki1-GKp1Ki 2-GKp2Ki1)s-GKi1Ki2=0

(14)

根據(jù)勞斯穩(wěn)定判據(jù)[14]，為使圖2中嵌套環(huán)內(nèi)的全數(shù)字鎖相環(huán)保持穩(wěn)定，Kp1、Ki1需大于0，若要使整個(gè)嵌套環(huán)保持穩(wěn)定狀態(tài)，參數(shù)Kp2、Ki2的選擇還需要滿足以下條件：

或

(15)

工程上常取鎖相環(huán)的阻尼系數(shù)為0.707，這里將全數(shù)字鎖相環(huán)環(huán)路的等效噪聲帶寬設(shè)置為1 Hz，得到Kp1、Ki1的值分別為13.33、18.86。將Kp1、Ki1的值代入式(15)，可以得到整個(gè)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)PI控制器系數(shù)Kp2、Ki2的取值范圍。

3 系統(tǒng)噪聲分析

該測(cè)距驗(yàn)證系統(tǒng)中，影響測(cè)距值精度的除了光纖引入的相位噪聲以外，其他噪聲主要還包括：時(shí)鐘頻率源噪聲、頻率合成器噪聲。下面將對(duì)這些噪聲進(jìn)行分析。

3.1光纖引入的相位噪聲

光纖引入的相位噪聲主要來(lái)自于由溫度和機(jī)械應(yīng)力變化引起的光纖長(zhǎng)度的變化，長(zhǎng)度變化影響光鏈路的傳輸延時(shí)，從而導(dǎo)致光纖中傳輸信號(hào)的相位出現(xiàn)隨機(jī)抖動(dòng)。光纖互聯(lián)點(diǎn)處的內(nèi)反射、受激布里淵散射、偏振模色散波動(dòng)等其他噪聲都來(lái)自于機(jī)械應(yīng)力的擾動(dòng)[15]。

溫度變化是一個(gè)比較緩慢的過(guò)程，它對(duì)光纖的影響主要體現(xiàn)在長(zhǎng)期穩(wěn)定性。機(jī)械應(yīng)力對(duì)光纖的影響主要表現(xiàn)為短期穩(wěn)定性的變化[12]。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，光纖鏈路的特點(diǎn)是：光纖裸露，對(duì)環(huán)境溫度變化的響應(yīng)快，在空調(diào)打開(kāi)的情況下，室內(nèi)溫度變化范圍不會(huì)太大；振動(dòng)較少，短期穩(wěn)定性相對(duì)比較好。

當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)工作時(shí)，即光延時(shí)線不對(duì)光鏈路傳輸延時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償，系統(tǒng)輸出相位φout(t)中包含了光纖引入的相位噪聲以及其他噪聲源的影響。由于目前不具備單獨(dú)測(cè)量光纖延時(shí)變化的設(shè)備，這里我們對(duì)比了不接入光纖、接入100 km光纖兩種情況下開(kāi)環(huán)系統(tǒng)輸出信號(hào)相位φout(t)的阿倫方差，如圖3所示。

由圖3可知，當(dāng)平均時(shí)間小于40 s，兩種情況下的阿倫方差幾乎一致，說(shuō)明接入光鏈路并沒(méi)有顯著影響輸出結(jié)果的高頻噪聲。當(dāng)平均時(shí)間大于40 s，接入100 km光纖的曲線逐漸偏移不接入光纖的曲線，此時(shí)100 km光纖引入的低頻噪聲占主體。假設(shè)光纖僅引入低頻的相位噪聲，對(duì)接入100 km光纖的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)輸出相位進(jìn)行平滑濾波，濾除高頻噪聲的同時(shí)保留相位的低頻漂移趨勢(shì)。平滑函數(shù)采用MATLAB提供的smooth函數(shù)。濾波后的相位值作為光纖傳輸延時(shí)的相位漂移模型。

3.2時(shí)鐘頻率源噪聲

時(shí)鐘的相位噪聲是各種因素相互作用的復(fù)雜結(jié)果，影響因素可以從原子組成到物理環(huán)境變化。頻率源的頻率穩(wěn)定度可以從時(shí)域阿倫方差和頻域相對(duì)頻偏的譜密度兩個(gè)方面來(lái)描述和測(cè)量[16]。

由于系統(tǒng)中使用的高穩(wěn)石英頻標(biāo)的性能優(yōu)于普通相噪儀頻率源的性能，無(wú)法用普通相噪儀測(cè)量高穩(wěn)石英頻標(biāo)的相位噪聲。器件手冊(cè)上列出了頻偏為1 Hz，10 Hz，100 Hz，1 kHz，10 kHz，100 kHz時(shí)的相位噪聲功率譜密度值，將這幾個(gè)點(diǎn)的值在MATLAB中進(jìn)行插值運(yùn)算，得到插值后的相位噪聲功率譜密度曲線如圖4所示。插值后的數(shù)據(jù)作為時(shí)鐘頻率源噪聲的仿真模型。

3.3頻率綜合器噪聲

該系統(tǒng)中運(yùn)用了集成的頻率綜合器芯片完成倍頻功能，因此必須考慮頻率綜合器的內(nèi)部噪聲。芯片內(nèi)部的各個(gè)噪聲源通過(guò)鎖相環(huán)環(huán)路的傳遞后，都將轉(zhuǎn)變成頻率綜合器輸出端的噪聲信號(hào)。下面根據(jù)文獻(xiàn)[17-18]提出的噪聲仿真分析方法，建立系統(tǒng)中的頻率綜合器噪聲仿真模型。頻率綜合器內(nèi)部的噪聲源主要包括：

1)鑒相器噪聲。頻率綜合器芯片屬于電荷泵鎖相環(huán)(Phase locked loop,PLL)，其噪聲與鑒相頻率有關(guān)。鑒相器引入的噪聲功率譜密度為

Npd(f)=Npd_ref+10lg(fcomp)

(16)

式中：Npd_ref是鑒相器基底噪聲，fcomp為鑒相頻率。

2)環(huán)路濾波器的電阻熱噪聲。實(shí)際采用的3階環(huán)路濾波器結(jié)構(gòu)如圖5所示。由于采用了無(wú)源濾波器作為環(huán)路濾波器，因此需要考慮電阻熱噪聲。這個(gè)噪聲是白噪聲，噪聲功率表示為

Pr_noise=4K·T·B·R

(17)

式中：K為普朗克常數(shù)，T為溫度，B為帶寬，R為電阻值。大多數(shù)情況下，采用1 Hz的帶寬。

3)壓控振蕩器(Voltage controlled oscillator,VCO)相位噪聲。VCO的相位噪聲功率與距離載波的頻偏成反比，大多數(shù)情況下可以用1/f噪聲來(lái)近似[19]

Nvco(f)=Nvco_ref-20lg(f/fref)

(18)

式中：fref是參考頻率，Nvco_ref是在參考頻率點(diǎn)的相位噪聲大小。

各個(gè)噪聲按照傳遞函數(shù)作用在頻率綜合器的輸出端，不同噪聲源對(duì)頻率綜合器輸出端的傳遞函數(shù)在很多關(guān)于鎖相環(huán)的文獻(xiàn)中均有論述，這里不再贅述。實(shí)際系統(tǒng)中使用的頻率綜合器芯片為ADF4360-2，噪聲本底Npd_ref是-216 dBc/Hz，鑒相頻率fcomp為100 kHz；鑒相器增益Kp為5 mA；VCO在100 kHz頻偏處的噪聲是-110 dBc/Hz，VCO靈敏度為57 MHz/V。圖5中環(huán)路濾波器的元件C1的值為180 pF，C2為2.2 nF，C3為82 pF，R2為8.2 kΩ，R3為16 kΩ。頻率綜合器1的R分頻器系數(shù)RPLL1為100，N分頻器系數(shù)NPLL1為22500，頻率綜合器2的R分頻器系數(shù)RPLL2為100，N分頻器系數(shù)NPLL2為21800。以頻率綜合器1為例，畫(huà)出頻率綜合器的噪聲功率譜密度曲線如圖6所示。

4 系統(tǒng)仿真

輸入到頻率綜合器的時(shí)鐘頻率源噪聲按照環(huán)路傳遞函數(shù)同樣作用于頻率綜合器的輸出端。以頻率綜合器1為例，最后到達(dá)VCO輸出端的時(shí)鐘頻率源噪聲為

(19)

式中：Suso(f)是時(shí)鐘頻率源的相位噪聲譜密度。

用SPLL1(f)、SPLL2(f)分別表示頻率綜合器1、頻率綜合器2的相位噪聲譜密度，Suso_pll2(f)表示到達(dá)頻率綜合器2的VCO輸出端的時(shí)鐘頻率源噪聲。分別將SPLL1(f)、SPLL2(f)、Suso_pll1(f)、Suso_pll2(f)開(kāi)平方并做反快速傅里葉變換(Inverse fast Fourier transform,IFFT)后，得到相應(yīng)的相位噪聲序列，同光纖傳輸延時(shí)的相位漂移模型一起輸入到系統(tǒng)的仿真模型中。第2.1節(jié)提到由于光延時(shí)線工作頻率的限制，其PI控制器工作頻率較低，最大不超過(guò)10 Hz。系統(tǒng)的Simulink仿真模型是根據(jù)圖2的簡(jiǎn)化系統(tǒng)模型搭建的z域模型，考慮到PI控制器控制頻率的限制，需要在PI控制器的前一級(jí)加一個(gè)零階保持器，以改變PI控制器的工作頻率。系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖7所示。

為了得到系統(tǒng)的性能和PI控制器控制頻率的關(guān)系，分別仿真PI控制器的工作頻率為1 Hz、10 Hz和100 Hz時(shí)系統(tǒng)能夠達(dá)到的性能。仿真結(jié)果如表1所示。相位值與測(cè)距值轉(zhuǎn)換關(guān)系為

(20)

式中：ρ是測(cè)距值，c是真空中的光速，f是光纖中傳輸?shù)纳漕l信號(hào)的頻率，f=2250 MHz，φout(t)是系統(tǒng)輸出相位值。

表1 系統(tǒng)在不同控制頻率下能夠達(dá)到的最佳性能Table 1 Optimal performance under different control frequency

圖7的仿真結(jié)果表明，測(cè)距驗(yàn)證系統(tǒng)能夠較好地抑制光鏈路傳輸延時(shí)的低頻漂移，使光鏈路的傳輸延時(shí)保持穩(wěn)定。同時(shí)從表1的仿真結(jié)果可以看出，PI控制器的工作頻率越高，系統(tǒng)能夠達(dá)到的精度越高。由此可以推斷系統(tǒng)精度可能受限于光延時(shí)線的工作頻率。由于光纖傳輸延時(shí)變化的頻率較低，光延時(shí)線能夠?qū)ζ溥M(jìn)行補(bǔ)償，系統(tǒng)中存在的高頻噪聲影響了系統(tǒng)能夠達(dá)到的精度。

5 試驗(yàn)校驗(yàn)

實(shí)際的測(cè)距驗(yàn)證系統(tǒng)如圖8所示。圖中標(biāo)示出了石英頻標(biāo)、光纖、電光調(diào)制器、光電探測(cè)器和光延時(shí)線；圖中未標(biāo)出的器件如頻率合成器、混頻器均集成在電路板上，相位測(cè)量模塊、延時(shí)反饋模塊均在現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA。

根據(jù)前面的仿真結(jié)果，實(shí)際系統(tǒng)中的光延時(shí)線工作頻率設(shè)置為10 Hz。實(shí)測(cè)測(cè)距值曲線如圖9所示。在測(cè)距值曲線的前半段，曲線近似為一條水平的直線，此時(shí)系統(tǒng)為閉環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)能夠補(bǔ)償光纖傳輸延時(shí)造成的測(cè)試輸出結(jié)果的漂移。當(dāng)斷開(kāi)對(duì)光延時(shí)線的控制后(見(jiàn)圖中開(kāi)環(huán)點(diǎn))，輸出結(jié)果發(fā)生漂移。圖10為系統(tǒng)閉環(huán)工作時(shí)，輸出結(jié)果的局部放大波形。系統(tǒng)閉環(huán)工作時(shí)，計(jì)算得到系統(tǒng)實(shí)測(cè)精度能夠達(dá)到92.2 μm。試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。

6 結(jié) 論

針對(duì)高精度測(cè)距系統(tǒng)地面遠(yuǎn)距離驗(yàn)證困難的問(wèn)題，本文提出了一種新的驗(yàn)證方法。該方法用100 km的光纖模擬空間遠(yuǎn)距離，光纖容易受外界溫度、振動(dòng)等因素的影響，導(dǎo)致傳輸延時(shí)發(fā)生漂移，造成驗(yàn)證系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差超過(guò)了測(cè)距系統(tǒng)的精度。本文將光延時(shí)線作為可控延時(shí)單元擴(kuò)展應(yīng)用到該驗(yàn)證系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了延時(shí)反饋環(huán)路，仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證該方法能夠顯著抑制光鏈路的低頻漂移，使光纖與光延時(shí)線的總傳輸延時(shí)保持穩(wěn)定。本文介紹了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，詳細(xì)分析了系統(tǒng)的相位傳遞模型和系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件以及系統(tǒng)中存在的影響測(cè)距精度的其他噪聲，并在Simulink中進(jìn)行了仿真分析。考慮到PI控制器控制速率的影響，分別仿真了不同PI控制器控制速率條件下的系統(tǒng)性能。結(jié)果表明，控制速率越高，系統(tǒng)能夠達(dá)到的精度越高，仿真得到的系統(tǒng)精度為70.3 μm。最后在實(shí)際搭建的系統(tǒng)上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)際測(cè)量得到系統(tǒng)的精度是92.2 μm，能夠滿足高精度測(cè)距系統(tǒng)的遠(yuǎn)距離地面驗(yàn)證要求。

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DesignandImplementationofHigh-PrecisionRangingValidationSystem

YE Bei, WANG Chun-hui, ZHANG Chao-jie, JIN Zhong-he

(Micro-Satellite Research Center, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

A new method of long-distance ground-based validation for high-precision inter-satellite ranging system is proposed. A piece of optical fiber with a length of 100 km is used as the long-distance signal path. The drift of the optical fiber transmission delay is suppressed substantially by measuring the carrier phase and then feedback controlling the optical delay line. In this way, the total transmission delay of the optical path remains stable. The phase transfer relationship of the system and the main noise in the system are analyzed meanwhile the corresponding models are established in this paper. Simulation and system experiments are performed to demonstrate that the actual accuracy meets the requirements of the system which can be used in the long-distance validation of a high-precision ranging system.

High-precision ranging; Ground-based validation; Long-distance; Delay drift

V566

A

1000-1328(2017)10- 1097- 08

10.3873/j.issn.1000-1328.2017.10.010

2017- 05- 05;

2017- 08- 23

國(guó)家自然科學(xué)基金(61401389)

葉蓓(1992-)，女，博士生，主要從事星間高精度測(cè)距系統(tǒng)研究。

通信地址：浙江省杭州市浙江大學(xué)玉泉校區(qū)智泉大樓C402(310027)

電話：13738149357

E-mail: yebei@zju.edu.cn

王春暉(1983-)，男，博士，副教授，主要從事皮衛(wèi)星測(cè)控應(yīng)答機(jī)設(shè)計(jì)、射頻集成通訊系統(tǒng)研究。本文通信作者。

通信地址：浙江省杭州市浙江大學(xué)玉泉校區(qū)智泉大樓C402(310027)

電話：(0571)87953857

E-mail: hytgwch@zju.edu.cn