基于OOK体制的激光统一测控系统设计与实现

朱宏权，邢强林，傅一文，韩航程

(1. 北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094；2.北京理工大学 信息与电子学院，北京 100081)

近年来，空间激光链路在海量数据高速传输中得到广泛应用. 由于激光的载波频率比微波高3个数量级以上，激光链路可实现更高的通信速率，同时激光终端还具有更小的体积、重量和功耗[1-2].

2013年，美国开展了绕月卫星与地面的激光通信演示验证试验[3]，卫星激光终端质量30 kg，功耗90 W，链路距离为38万km，下行通信速率高达622 Mbit/s. 2009年，邢强林等[4]提出了激光统一测控系统构想，该系统利用调制数据的激光信号作为信息载体,实现星间或星地的测量通信一体化. 基于开关键控(on-off keying,OOK)调制方式实现复杂度低、速率快，适用于高速光纤通信系统的特点，本文采用异步应答测距方法[5-6]，设计和实现了基于OOK体制的激光统一测控系统原理样机，用来验证在通信码率为2.5 Gbit/s的条件下距离、钟差和频差的测量性能. 样机包含的两个激光终端采用CCSDS AOS协议的虚拟信道业务，对测量数据帧与通信数据帧进行时分复用和调制发送，测量并记录测量数据帧出发时刻与到达时刻的精确时间，然后通过异步应答测距方法计算得到距离、钟差和频差的测量结果.

1 异步应答测距方法

异步应答测距方法的测量原理如图1所示.

设被测端径向速度为v，则t时刻被测端与主测端之间的相对距离值可表示为

R(t)=R0+vt.

(1)

式中R0为起始时刻的径向距离值.

(2)

根据激光信号A、B、C、D的传输过程，则有

(3)

(4)

(5)

(6)

根据式(3)～(6)，可得

(7)

(8)

(9)

根据式(2)(8)(9)，可求得被测端和主测端的钟差Δt和相对频差Δf/f如下：

(10)

Δf/f=ψ-1.

(11)

由以上分析可知，采用异步应答测量方式，可同时完成距离、钟差和相对频差的测量.

2 系统原理样机方案

激光统一测控系统原理样机包含主测端和被测端两部分，其组成原理框图如图2所示.

主测端和被测端均由综合信息处理终端、时统终端、激光发射接收机等组成. 时统终端用于为系统提供高精度频标信号和时间基准信号. 主测端综合信息处理终端用于产生测量数据和通信数据的传输帧，采用CCSDS AOS协议的虚拟信道业务进行调度和复用后，生成上行数字基带信号，发送给激光发射接收机，并在本地记录上行测量数据帧的发送时刻tE1；激光发射接收机对上行数字基带信号进行OOK强度调制后，发送上行激光调制信号给被测端激光发射接收机.

3 样机测试结果及分析

根据系统原理样机方案，研制了OOK体制的激光统一测控系统原理样机，并开展了有线对接测试，测试连接框图如图3所示.

主测端和被测端之间采用约22 km的单模光纤进行有线连接，用于传输上行激光调制信号和下行激光调制信号. 为了避免光纤长度随温度变化带来的测量误差，实验过程中将光纤放置在高低温试验箱中，并保持恒定温度. 系统具体参数如表1所示.

表1 样机系统参数

系统钟差采用示波器测试，两端秒脉冲信号的时间差为144 ns，由于两端时统终端采用相同的10 MHz高精度外频标源，相对频差真值应为0. 在码率为2.5 Gbit/s的双向通信速率下，得到测量的距离值、钟差、频差随时间变化的曲线如图4所示，图中直线表示真值.

经统计得到，距离、钟差、相对频差的测量随机误差分别为6.2 mm,27 ps,2.7×10-13.

为了标定测距值的系统误差，采用光纤延时器设置的距离变化值作为基准值. 光纤延时器的延时动态范围为0～330 ps，延时精度为0.01 ps，将光纤延时器接入上行激光链路，通过调整光纤延时器的时延，可以等效在上行激光链路上施加了距离偏置，考虑到异步应答为双向测量，实际等效的距离偏置设置值为光纤延时器的时延调整量的1/2. 在不同的距离偏置设置条件下，采用异步应答测距方法，测量得到的距离偏置值和距离测量误差如图5所示.

由图5可以看出，测距值的系统误差为1.3 mm.

4 结 论

根据异步应答测量原理，设计和实现了基于OOK体制的激光统一测控系统原理样机，样机有线对接测试结果表明，在码率为2.5 Gbit/s的双向激光通信条件下，测距随机误差为6.2 mm，测距系统误差为1.3 mm，钟差测量随机误差为27 ps，频差测量随机误差为2.7×10-13.

激光统一测控系统实现了高速通信和高精度测量的一体化，高速通信可用于空间信息网络骨干网的海量数据传输；高精度测距可用于卫星或航天器的轨道测量；钟差和频差的高精度测量可以用于卫星之间的时间频率传递，也可以用于地面高精度时钟对卫星时钟的“驯服”. 为了实现激光统一测控技术在航天领域的工程应用，下一步将研制可用于航天器搭载的激光统一测控小型化终端，通过开展搭载试验进一步验证其测量通信性能.

总之，本文设计的基于OOK体制的激光统一测控系统原理样机具有测距精度高、保密性好、抗干扰能力强、作用距离远以及终端重量轻功耗低等优势，对星地距离、钟差、频差的测量性能处于国内领先水平. 相比现有的通信测量系统，本系统提高了通信容量及测量精度，促进了通信测量一体化进展，推动了空间载荷小型化、低功耗的发展，工程上有效推动了空间通信测距技术的发展.