陶坤宇，付 森，楊 奇，曹哲瑋，沈 勤，王元祥

基于IM/DD體制的星間激光通信測(cè)距技術(shù)

（1 上海無(wú)線電設(shè)備研究所 上海 201109 2 華中科技大學(xué) 武漢 150001 3 上海航天技術(shù)研究院 201109）

隨著當(dāng)前低軌衛(wèi)星組網(wǎng)星座計(jì)劃的日益增加，對(duì)衛(wèi)星間高精度校時(shí)、測(cè)距需求也越來(lái)越迫切。提出基于直調(diào)直檢IM/DD（Intensity Modulation with Direct Detection）的測(cè)距技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法，使其能同時(shí)兼顧測(cè)距精度及系統(tǒng)成本?；贗M/DD的測(cè)距是利用高精度的秒脈沖到達(dá)時(shí)間來(lái)測(cè)量距離。使用IM/DD光通信的數(shù)據(jù)傳輸方式，在正常的數(shù)據(jù)幀傳輸中插入少量的測(cè)距信息，無(wú)需中斷正常的通信模式，也無(wú)需網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘頻率同步，數(shù)據(jù)幀的發(fā)送周期也無(wú)需與秒脈沖保持同步關(guān)系，即可使用雙向單程測(cè)距方法進(jìn)行測(cè)距。使用秒脈沖對(duì)本地時(shí)鐘進(jìn)行頻率測(cè)量，對(duì)測(cè)距過(guò)程參數(shù)進(jìn)行修正，只需要采用普通晶體振蕩器作為本地時(shí)鐘源，不需要使用高精度測(cè)距通常所需的全網(wǎng)絡(luò)同步時(shí)鐘信號(hào)或者高穩(wěn)定度時(shí)鐘源，便可以達(dá)到IM/DD通信碼元時(shí)間量級(jí)的測(cè)距準(zhǔn)確度和精確度，同時(shí)降低了時(shí)頻同步系統(tǒng)的復(fù)雜度、對(duì)元器件的要求以及整個(gè)通信測(cè)距系統(tǒng)的成本，解決了現(xiàn)有技術(shù)中測(cè)距精度及系統(tǒng)成本不易同時(shí)兼顧的問(wèn)題。

IM/DD；秒脈沖；高精度測(cè)距；激光通信

引 言

在5G通信技術(shù)中，通信對(duì)象集中在陸地地表上10 km以內(nèi)高度的有限空間范圍，還無(wú)法實(shí)現(xiàn)“空天海地”無(wú)縫覆蓋的通信愿景[1]。但隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)今對(duì)第六代移動(dòng)通信技術(shù)（6G）的研究正在持續(xù)開(kāi)展。6G網(wǎng)絡(luò)將是一個(gè)把地面無(wú)線通信以及衛(wèi)星通信相集成的全連接網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)將衛(wèi)星通信整合到6G移動(dòng)通信，實(shí)現(xiàn)全球無(wú)縫覆蓋[2]。6G核心技術(shù)已被列入多國(guó)創(chuàng)新戰(zhàn)略，成為大國(guó)科技博弈和全球搶占的高精尖領(lǐng)域戰(zhàn)略制高點(diǎn)[3]。在衛(wèi)星通信領(lǐng)域中，可選的兩種通信方式為無(wú)線通信和光通信，兩者比較而言，光通信的傳輸容量比無(wú)線通信高幾個(gè)量級(jí)以上，并且安全性和可靠性更好[4]。對(duì)于6G等需要大容量衛(wèi)星通信的需求而言，衛(wèi)星與衛(wèi)星之間、衛(wèi)星與地面之間的骨干通信方式首選光通信技術(shù)路線[5]。由于衛(wèi)星運(yùn)行軌道的環(huán)境惡劣，衛(wèi)星上的元器件的品類受限，元器件選型比較困難，并且由于商業(yè)化的需求，對(duì)成本、使用壽命等方面有著迫切的要求。由于IM/DD光通信在成本、可靠性等方面優(yōu)勢(shì)顯著[6]，對(duì)于以低軌衛(wèi)星作為主要部署方式且需要大容量通信的應(yīng)用場(chǎng)景，IM/DD光通信是首選技術(shù)體制。

衛(wèi)星之間相對(duì)位置信息的獲取是保證編隊(duì)星座正常運(yùn)行的前提，因此衛(wèi)星需要自行完成星間和星地精密測(cè)距，以確定編隊(duì)星座中的星間相對(duì)狀態(tài)或星地狀態(tài)。將光通信技術(shù)與測(cè)距技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)星間、星地之間互相通信，并準(zhǔn)確測(cè)量衛(wèi)星軌跡的系統(tǒng)[7,8]，具有巨大的潛在效益和廣闊的應(yīng)用前景，但是如何兼顧測(cè)距精度和系統(tǒng)成本，是一個(gè)需要解決的問(wèn)題[9-11]。

1 基于IM/DD直接調(diào)制方式測(cè)距原理

1.1 測(cè)距原理

針對(duì)當(dāng)前衛(wèi)星組網(wǎng)中對(duì)星座內(nèi)衛(wèi)星之間的測(cè)距定位所需解決的問(wèn)題，本文提供一種基于IM/DD的測(cè)距技術(shù)，其能同時(shí)兼顧測(cè)距精度及系統(tǒng)成本。美國(guó)曾在2011年實(shí)施了月-地激光通信任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了從月球到地球之間的高速激光通信，并且通過(guò)該測(cè)距技術(shù)對(duì)月地距離實(shí)現(xiàn)了精確測(cè)量[12,13]。

基于IM/DD的測(cè)距是利用高精度的秒脈沖到達(dá)時(shí)間來(lái)測(cè)量距離。使用IM/DD光通信的數(shù)據(jù)傳輸方式，在正常的數(shù)據(jù)幀傳輸中插入少量的測(cè)距信息，無(wú)需中斷正常的通信模式，也無(wú)需網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘頻率同步，數(shù)據(jù)幀的發(fā)送周期也無(wú)需與秒脈沖保持同步關(guān)系，即可使用雙向單程測(cè)距方法進(jìn)行測(cè)距。

此外，使用秒脈沖對(duì)本地時(shí)鐘進(jìn)行頻率測(cè)量，對(duì)測(cè)距過(guò)程參數(shù)進(jìn)行修正，只需要采用普通晶體振蕩器作為本地時(shí)鐘源，取消使用高精度測(cè)距通常所需的全網(wǎng)絡(luò)同步時(shí)鐘信號(hào)或者高穩(wěn)定度時(shí)鐘源，便可以達(dá)到IM/DD通信碼元時(shí)間量級(jí)的測(cè)距準(zhǔn)確度和精確度，同時(shí)降低了時(shí)頻同步系統(tǒng)的復(fù)雜度、對(duì)元器件的要求以及整個(gè)通信測(cè)距系統(tǒng)的成本，解決了現(xiàn)有技術(shù)中測(cè)距精度及系統(tǒng)成本不易同時(shí)兼顧的問(wèn)題[14]。

基于IM/DD的測(cè)距技術(shù)的原理較為簡(jiǎn)單，即兩臺(tái)雙向傳輸?shù)慕K端通過(guò)相互交換測(cè)距信息，來(lái)完成星間測(cè)距[15]。如果星間激光鏈路是對(duì)稱的或者近似對(duì)稱的，那么雙向信號(hào)傳輸?shù)难舆t將會(huì)抵消。測(cè)距原理如圖1所示。圖中大寫(xiě)字母表示時(shí)間段，小寫(xiě)字母表示時(shí)刻，陰影表示物理幀幀頭。

圖1 測(cè)距原理示意圖

激光終端B測(cè)量獲得的“本地測(cè)距值”為：

激光終端A測(cè)量獲得的“本地測(cè)距值”為：

2 基于IM/DD激光測(cè)距算法

2.1 測(cè)量過(guò)程

基于IM/DD的測(cè)距技術(shù)具體測(cè)距過(guò)程如圖2所示。

圖2 測(cè)距流程示意圖

S2：發(fā)送時(shí)鐘使用秒脈沖到達(dá)標(biāo)志FLAG_1PPS_S，并輸出時(shí)鐘頻率測(cè)量值。其中，每當(dāng)一個(gè)秒脈沖到達(dá)標(biāo)志有效時(shí)，結(jié)束上一次的頻率計(jì)數(shù)，并輸出結(jié)束計(jì)數(shù)時(shí)的計(jì)數(shù)值作為發(fā)送時(shí)鐘的時(shí)鐘頻率測(cè)量值，同時(shí)重置該計(jì)數(shù)器，重新開(kāi)始計(jì)數(shù)。

以上就是基于IM/DD的測(cè)距技術(shù)在一般情況下的測(cè)距過(guò)程，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體情況對(duì)測(cè)距過(guò)程進(jìn)行靈活調(diào)整。

2.2 測(cè)試實(shí)驗(yàn)搭建

本文所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)都是通過(guò)將客戶側(cè)數(shù)據(jù)分別發(fā)送給設(shè)備a和設(shè)備b，兩臺(tái)設(shè)備分別對(duì)客戶側(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，然后將處理好的數(shù)據(jù)分別傳輸給對(duì)方，由對(duì)方經(jīng)過(guò)還原后傳輸回客戶側(cè)。實(shí)驗(yàn)示意圖如圖3所示。

通過(guò)設(shè)備之間的相互傳輸，確保整個(gè)通信鏈路形成回環(huán)，這樣既能保證兩臺(tái)通信設(shè)備均可計(jì)算出測(cè)距結(jié)果，又能夠通過(guò)觀察客戶側(cè)結(jié)果來(lái)判斷通信鏈路是否正常，以保證設(shè)備所計(jì)算出的結(jié)果是真實(shí)可靠的。通信設(shè)備實(shí)物如圖4所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置連接示意圖

圖4 通信測(cè)試設(shè)備實(shí)物圖

2.3 測(cè)試結(jié)果分析

為了更好地驗(yàn)證測(cè)距的精度，本文分別在不同的傳輸速率情況下測(cè)量了不同距離下的測(cè)距值及其誤差。

在傳輸速率分別為10 Gbps、5 Gbps和2.5 Gbps的情況下，對(duì)每種速率分別進(jìn)行三組測(cè)距實(shí)驗(yàn)。先測(cè)量出設(shè)備間初始的距離，并以此時(shí)的距離作為基準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上分別移動(dòng)0.36 m、1.10 m和2.07 m，通過(guò)三組不同距離的實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)測(cè)距算法的合理性，每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行10次，計(jì)算出10次測(cè)距的平均值，并與基準(zhǔn)距離相減，得到差值。每一組實(shí)驗(yàn)的差值與所移動(dòng)的距離進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1中數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)處于10 Gbps速率時(shí)，三組測(cè)距實(shí)驗(yàn)的誤差值在±0.1 ns之內(nèi)。當(dāng)處于5 Gbps速率時(shí)，三組測(cè)距實(shí)驗(yàn)的誤差值在±0.2 ns之內(nèi)。當(dāng)處于2.5 Gbps速率時(shí)，三組測(cè)距實(shí)驗(yàn)的誤差值在±0.4 ns之內(nèi)。雖然不同的速率下測(cè)距誤差有所不同，但測(cè)距誤差范圍均小于1 ns。通過(guò)表中數(shù)據(jù)可以得到結(jié)論：基于IM/DD激光通信的測(cè)距技術(shù)具備較高的測(cè)距精度，能夠滿足當(dāng)前衛(wèi)星測(cè)距相關(guān)性能要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)基于IM/DD激光通信的測(cè)距技術(shù)進(jìn)行了研究，闡述了其基本原理及其實(shí)際的測(cè)距流程。通過(guò)多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可以看出基于IM/DD的測(cè)距技術(shù)具備有較高的測(cè)距精度。在現(xiàn)有的衛(wèi)星平臺(tái)中，本技術(shù)的測(cè)距精度有望保持在1 ns之內(nèi)，并且其測(cè)距精度不會(huì)隨著時(shí)間的推移而降低，可以很好地實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星長(zhǎng)期的在軌自主測(cè)距，以保證編隊(duì)星座的長(zhǎng)期正常運(yùn)行。

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Research on laser communication and ranging based on IM/DD mode

TAO Kunyu1, FU Sen1, YANG Qi2, CAO Zhewei1, SHEN Qin3, WANG Yuanxiang2

（1. Shanghai Radio Equipment Research Institute, Shanghai 201109, China;2. Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 150001, China;3. Shanghai Research Institute of Aerospace Technology 201109, China）

With the increasing constellation plan of low-orbit satellite networking, the demand for high-precision time calibration and ranging between satellites is becoming more and more urgent. This paper proposes the implementation of IM/DD to balance the ranging accuracy and system cost. Distance measurement of high precision pulse of time based onIM/DD is used to measure the distance. It employs the data transmission method of direct modulation and direct detection optical communication, inserts a small amount of ranging information into the normal data frame transmission, without interrupting the normal communication mode, and without the need to synchronize the frequency of the network clock, and the transmission period of the data frame has no need to be related to the second pulse. Keeping the synchronization relationship, the two-way one-way ranging method can be used for ranging. It uses the second pulse to measure the frequency of the local clock and correct the parameters of the ranging process. It only needs to use the ordinary crystal oscillator as the local clock source, and does not need to use the full network synchronization clock signal or high stability usually required for high-precision ranging. The clock source can achieve the ranging accuracy and precision of the time level of the direct adjustment and direct detection of the communication symbol, and at the same time reduce the complexity of the time-frequency synchronization system, the requirements for components and the cost of the entire communication ranging system. The problem in the prior part that ranging accuracy and system cost are not easy to be taken into account at the same time is solved.

IM/DD; PPS; High-precision ranging;Laser communication

TN929.1

A

CN11-1780(2022)04-0113-06

10.12347/j.ycyk.20220523001

陶坤宇, 付森, 楊奇, 等.基于IM/DD體制的星間激光通信測(cè)距技術(shù)[J]. 遙測(cè)遙控, 2022, 43(4): 113–118.

10.12347/j.ycyk.20220523001

: TAO Kunyu, FU Sen, YANG Qi, et al. Research on laser communication and ranging based on IM/DD mode[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command, 2022, 43(4): 113–118.

2022-05-23

2022-06-23

Website: ycyk.brit.com.cn Email: ycyk704@163.com

陶坤宇 1967年生，博士，研究員，主要研究方向?yàn)榧す饫走_(dá)、激光通信。

付 森 1980年生，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星激光通信。

楊 奇 1981年生，博士，教授，主要研究方向?yàn)榧す馔ㄐ拧?/p>

曹哲瑋 1988年生，博士，工程師，主要研究方向?yàn)榧す馔ㄐ?、微波光子?/p>

沈 勤 1971年生，博士，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信。

王元祥 1983年生，博士，主要研究方向?yàn)榧す馔ㄐ拧?/p>

(本文編輯：傅 杰)