基于IM/DD體制的星間激光通信測距技術

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距技術

（1 上海無線電設備研究所 上海 201109 2 華中科技大學 武漢 150001 3 上海航天技術研究院 201109）

隨著當前低軌衛(wèi)星組網(wǎng)星座計劃的日益增加，對衛(wèi)星間高精度校時、測距需求也越來越迫切。提出基于直調(diào)直檢IM/DD（Intensity Modulation with Direct Detection）的測距技術的實現(xiàn)方法，使其能同時兼顧測距精度及系統(tǒng)成本?；贗M/DD的測距是利用高精度的秒脈沖到達時間來測量距離。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距信息，無需中斷正常的通信模式，也無需網(wǎng)絡時鐘頻率同步，數(shù)據(jù)幀的發(fā)送周期也無需與秒脈沖保持同步關系，即可使用雙向單程測距方法進行測距。使用秒脈沖對本地時鐘進行頻率測量，對測距過程參數(shù)進行修正，只需要采用普通晶體振蕩器作為本地時鐘源，不需要使用高精度測距通常所需的全網(wǎng)絡同步時鐘信號或者高穩(wěn)定度時鐘源，便可以達到IM/DD通信碼元時間量級的測距準確度和精確度，同時降低了時頻同步系統(tǒng)的復雜度、對元器件的要求以及整個通信測距系統(tǒng)的成本，解決了現(xiàn)有技術中測距精度及系統(tǒng)成本不易同時兼顧的問題。

IM/DD；秒脈沖；高精度測距；激光通信

引 言

在5G通信技術中，通信對象集中在陸地地表上10 km以內(nèi)高度的有限空間范圍，還無法實現(xiàn)“空天海地”無縫覆蓋的通信愿景[1]。但隨著移動通信技術的發(fā)展，現(xiàn)今對第六代移動通信技術（6G）的研究正在持續(xù)開展。6G網(wǎng)絡將是一個把地面無線通信以及衛(wèi)星通信相集成的全連接網(wǎng)絡，通過將衛(wèi)星通信整合到6G移動通信，實現(xiàn)全球無縫覆蓋[2]。6G核心技術已被列入多國創(chuàng)新戰(zhàn)略，成為大國科技博弈和全球搶占的高精尖領域戰(zhàn)略制高點[3]。在衛(wèi)星通信領域中，可選的兩種通信方式為無線通信和光通信，兩者比較而言，光通信的傳輸容量比無線通信高幾個量級以上，并且安全性和可靠性更好[4]。對于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路線[5]。由于衛(wèi)星運行軌道的環(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)勢顯著[6]，對于以低軌衛(wèi)星作為主要部署方式且需要大容量通信的應用場景，IM/DD光通信是首選技術體制。

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

1 基于IM/DD直接調(diào)制方式測距原理

1.1 測距原理

針對當前衛(wèi)星組網(wǎng)中對星座內(nèi)衛(wèi)星之間的測距定位所需解決的問題，本文提供一種基于IM/DD的測距技術，其能同時兼顧測距精度及系統(tǒng)成本。美國曾在2011年實施了月-地激光通信任務，實現(xiàn)了從月球到地球之間的高速激光通信，并且通過該測距技術對月地距離實現(xiàn)了精確測量[12,13]。

基于IM/DD的測距是利用高精度的秒脈沖到達時間來測量距離。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距信息，無需中斷正常的通信模式，也無需網(wǎng)絡時鐘頻率同步，數(shù)據(jù)幀的發(fā)送周期也無需與秒脈沖保持同步關系，即可使用雙向單程測距方法進行測距。

此外，使用秒脈沖對本地時鐘進行頻率測量，對測距過程參數(shù)進行修正，只需要采用普通晶體振蕩器作為本地時鐘源，取消使用高精度測距通常所需的全網(wǎng)絡同步時鐘信號或者高穩(wěn)定度時鐘源，便可以達到IM/DD通信碼元時間量級的測距準確度和精確度，同時降低了時頻同步系統(tǒng)的復雜度、對元器件的要求以及整個通信測距系統(tǒng)的成本，解決了現(xiàn)有技術中測距精度及系統(tǒng)成本不易同時兼顧的問題[14]。

基于IM/DD的測距技術的原理較為簡單，即兩臺雙向傳輸?shù)慕K端通過相互交換測距信息，來完成星間測距[15]。如果星間激光鏈路是對稱的或者近似對稱的，那么雙向信號傳輸?shù)难舆t將會抵消。測距原理如圖1所示。圖中大寫字母表示時間段，小寫字母表示時刻，陰影表示物理幀幀頭。

圖1 測距原理示意圖

激光終端B測量獲得的“本地測距值”為：

激光終端A測量獲得的“本地測距值”為：

2 基于IM/DD激光測距算法

2.1 測量過程

基于IM/DD的測距技術具體測距過程如圖2所示。

圖2 測距流程示意圖

S2：發(fā)送時鐘使用秒脈沖到達標志FLAG_1PPS_S，并輸出時鐘頻率測量值。其中，每當一個秒脈沖到達標志有效時，結束上一次的頻率計數(shù)，并輸出結束計數(shù)時的計數(shù)值作為發(fā)送時鐘的時鐘頻率測量值，同時重置該計數(shù)器，重新開始計數(shù)。

以上就是基于IM/DD的測距技術在一般情況下的測距過程，在實際應用中，需要根據(jù)具體情況對測距過程進行靈活調(diào)整。

2.2 測試實驗搭建

本文所進行的實驗都是通過將客戶側數(shù)據(jù)分別發(fā)送給設備a和設備b，兩臺設備分別對客戶側數(shù)據(jù)進行一定的處理，然后將處理好的數(shù)據(jù)分別傳輸給對方，由對方經(jīng)過還原后傳輸回客戶側。實驗示意圖如圖3所示。

通過設備之間的相互傳輸，確保整個通信鏈路形成回環(huán)，這樣既能保證兩臺通信設備均可計算出測距結果，又能夠通過觀察客戶側結果來判斷通信鏈路是否正常，以保證設備所計算出的結果是真實可靠的。通信設備實物如圖4所示。

圖3 實驗裝置連接示意圖

圖4 通信測試設備實物圖

2.3 測試結果分析

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

在傳輸速率分別為10 Gbps、5 Gbps和2.5 Gbps的情況下，對每種速率分別進行三組測距實驗。先測量出設備間初始的距離，并以此時的距離作為基準，在此基礎上分別移動0.36 m、1.10 m和2.07 m，通過三組不同距離的實驗來檢驗測距算法的合理性，每組實驗進行10次，計算出10次測距的平均值，并與基準距離相減，得到差值。每一組實驗的差值與所移動的距離進行對比。實驗得到的數(shù)據(jù)見表1。

表1 實驗數(shù)據(jù)

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

3 結束語

本文對基于IM/DD激光通信的測距技術進行了研究，闡述了其基本原理及其實際的測距流程。通過多組實驗數(shù)據(jù)分析，可以看出基于IM/DD的測距技術具備有較高的測距精度。在現(xiàn)有的衛(wèi)星平臺中，本技術的測距精度有望保持在1 ns之內(nèi)，并且其測距精度不會隨著時間的推移而降低，可以很好地實現(xiàn)衛(wèi)星長期的在軌自主測距，以保證編隊星座的長期正常運行。

[1] 賽迪智庫無線電管理研究所. 6G概念及愿景白皮書[R]. (2020-03-01)[2022-05-23]. https://wenku.baidu.com/view/ 58e3efe988d63186bceb19e8b8f67c1cfad6ee02.html.

[2] 吳曉文, 焦偵豐, 凌翔, 等. 面向6G的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡架構展望[J]. 電信科學, 2021, 37(7): 1–14.

WU Xiaowen, JIAO Zhenfeng, LING Xiang, et al. Outlook on satellite communications network architecture for 6G[J]. Telecommunications Science, 2021, 37(7): 1–14.

[3] 吳勇毅. 6G: 未來國之重器全球搶占的戰(zhàn)略制高點[J]. 通信世界, 2019(31): 39–40.

[4] 趙永利, 馬壯壯, 井音吉, 等.高動態(tài)衛(wèi)星激光組網(wǎng)關鍵技術研究[J]. 光通信技術, 2021, 45(8): 8–13.

ZHAO Yongli, MA Zhuangzhuang, JING Yinji, et al. Research on key technologies of high dynamic satellite laser networking[J]. Optical Communication Technology, 2021, 45(8): 8–13.

[5] FUCHS C, MOLL F. Ground station network optimization for space-to-ground optical communication links[J]. IEEE/OSA Journal of Optical Communications & Networking, 2015, 7(12):1148–1159.

[6] 楊超. 直接檢測光通信技術的理論與實驗研究[D]. 武漢: 華中科技大學, 2019.

[7] 孟慶喆. 激光通信測距發(fā)展及應用研究[J]. 中國新通信, 2018, 20(5): 31.

[8] ROBINSON B S, BOROSON D M, BURIANEK D A, et al. The lunar laser communications demonstration[C]// 2011 International Conference on Space Optical Systems and Applications(ICSOS), 2011.

[9] 胡瑋, 蔣大鋼, 鄧科,等. 無線激光通信與測距一體機的測距精度分析[J]. 紅外與激光工程, 2008, (S3): 245–248.

HU Wei, JIANG Dagang, DENG Ke, et al. Accuracy analysis on a prototype which combined with optical wireless communication and laser rangefinding[J]. Infrared and Laser Engineering, 2008, (S3): 245–248.

[10] 趙馨, 牛俊坡, 劉云清, 等. 導航衛(wèi)星中激光通信/測距一體化技術及鏈路特性分析[J]. 激光與光電子學進展, 2015, 52(6): 81–87.

ZHAO Xin, NIU Junpo, LIU Yunqing, et al. Laser communication/ranging integrated technology and link characteristics in navigation satellite system[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2015, 52(6): 81–87.

[11] APPLEBY G, NOLL C, PAVLIS E, et al. Current trends and challenges in satellite laser ranging[C]// IVS 2016 General Meeting Proceedings, 2016.

[12] KAM A, PLICE L, GALAL K, et al. LADEE flight dynamics: Overview of mission design and operations[C]// 2015 AAS-AIAA Space Flight Mechanics Meeting, 2015.

[13] 楊紅宇, 鄧科, 幺周石, 等. 星間激光通信兼測距新技術研究[J]. 光通信技術, 2006, 30(11): 50–52.

YANG Hongyu, DENG Ke, YAO Zhoushi, et al. Study on new technology of inter-statellite laser communications and laser range finding, Optical Communication Technology, 2006, 30(11): 50–52.

[14] 劉向南, 李英飛, 向程勇, 等. 激光測距通信一體化技術研究及深空應用探索[J]. 深空探測學報, 2018, 5(2): 147–153, 167.

LIU Xiangnan, LI Yingfei, XIANG Chengyong, et al. Study on integrated technique of laser ranging and communication and its applications in deep space[J]. Journal of Deep Space Exploration, 2018, 5(2): 147–153, 167.

[15] 盛均峰. 基于IM/DD光通信系統(tǒng)的同步技術[D]. 桂林: 桂林電子科技大學, 2018.

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距技術[J]. 遙測遙控, 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，主要研究方向為激光雷達、激光通信。

付 森 1980年生，博士，高級工程師，主要研究方向為衛(wèi)星激光通信。

楊 奇 1981年生，博士，教授，主要研究方向為激光通信。

曹哲瑋 1988年生，博士，工程師，主要研究方向為激光通信、微波光子。

沈 勤 1971年生，博士，主要研究方向為衛(wèi)星通信。

王元祥 1983年生，博士，主要研究方向為激光通信。

(本文編輯：傅 杰)