留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

太极计划中的星间激光测距地面电子学验证

邓汝杰 张艺斌 刘河山 罗子人

邓汝杰, 张艺斌, 刘河山, 罗子人. 太极计划中的星间激光测距地面电子学验证[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2022-0041
引用本文: 邓汝杰, 张艺斌, 刘河山, 罗子人. 太极计划中的星间激光测距地面电子学验证[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2022-0041
DENG Ru-jie, ZHANG Yi-bin, LIU He-shan, LUO Zi-ren. Ground electronics verification of inter-satellites laser ranging in the taiji program[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2022-0041
Citation: DENG Ru-jie, ZHANG Yi-bin, LIU He-shan, LUO Zi-ren. Ground electronics verification of inter-satellites laser ranging in the taiji program[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2022-0041

太极计划中的星间激光测距地面电子学验证

doi: 10.37188/CO.2022-0041
基金项目: 国家重点研发计划资助:“引力波探测”重点专项(No. 2020YFC2200104)
详细信息
    作者简介:

    邓汝杰(1998—),男,广东东莞人,硕士,现就读于国科大杭州高等研究院,主要从事引力波探测星间激光测距方面的研究。E-mail: dengrujie20@mails.ucas.ac.cn

    张艺斌(2000—),男,甘肃天水人,硕士,现就读于国科大杭州高等研究院,主要从事引力波探测星间激光通信方面的研究。E-mail:zhangyibin201@mail.ucas.ac.cn

    刘河山(1988—),男,安徽阜阳人,2015年于中国科学院大学获得博士学位,现为中国科学院力学研究所副研究员。研究领域涉及激光干涉测距、高精度相位测量、精密指向控制、激光锁相等。E-mail:liuheshan@imech.ac.cn

    罗子人(1980—),男,湖南长沙人,2010年于中国科学院数学与系统科学研究院获得理学博士,现为中国科学院力学研究所研究员。太极计划首席科学家助理,主要从事引力波探测的空间激光干涉测距技术的理论分析和方案设计方面的研究。E-mail:luoziren@imech.ac.cn

  • 中图分类号: P228.5

Ground electronics verification of inter-satellites laser ranging in the taiji program

Funds: Supported by the National Key Research and Development Program (No. 2020YFC2200104)
More Information
  • 摘要: 在空间引力波探测太极计划中,激光干涉测距系统是获取引力波信号的直接手段,为了消除激光频率不稳定性对其的影响,需利用时间延迟干涉技术进行噪声压制。时间延迟干涉技术是一种数据后处理方法,要实现该技术的数据构型,需对卫星臂长实现精确的绝对距离测量。本文从太极计划的需求分析出发,分别从信源编码设计、延迟环设计以及数据处理算法等方面介绍测距系统的设计方案。在信源编码中,文章通过分析m序列、gold序列、Weil码三种伪随机码的自、互相关性优劣以及长度选取上的灵活性,最终选择了Weil码并筛选出其自相关性最优的移位-截取组合,将其作为测距系统所用的伪随机码。同时,基于该测距系统的设计,搭建了一套地面电子学验证实验装置,以模拟信号传输的物理过程以及验证系统性能。实验主体装置采用一块基于Xilinx公司K7芯片的自研FPGA板卡用以模拟卫星通信测距的过程以及实现锁相环、延迟环等功能。实验将24.4 kbps的16位信息码与1.5625 Mbps的1024位Weil码进行BPSK调制,采样频率为50 MHz,通过10~60 m的射频同轴电缆进行传输后,使用质心法对采集数据进行优化,随后测定该距离。实验结果表明,在60 m范围内,测距精度优于1.6 m。因此,实验证明了测距系统原理及设计的可行性,为下一步的光学系统验证奠定了技术基础。

     

  • 图 1  星间绝对距离测量与通信原理图

    Figure 1.  Principle diagram of the inter-satellites absolute ranging and laser communication system

    图 2  测距通信系统结构示意图

    Figure 2.  Diagram of the structure of the ranging and communication system

    图 3  信号结构设计

    Figure 3.  Design of the signal structure

    图 4  最优移位-截取点的Weil码自相关图像

    Figure 4.  The autocorrelation figure of Weil codes in the optimal shift-cutoff combination

    图 5  捕获结构示意图

    Figure 5.  Diagram of the acquisition structure

    图 6  跟踪结构示意图

    Figure 6.  Diagram of the tracking structure

    图 7  延迟、超前路的相关值对比

    Figure 7.  The comparison of the correlation value between late and early signals

    图 8  不完全对称的相关峰

    Figure 8.  Figure of the asymmetric correlation peak

    图 9  实验流程

    Figure 9.  Experiment process

    图 10  实验装置

    Figure 10.  Experimental equipment

    图 11  不同长度射频线的实验结果。(a)10米;(b)12米;(c)20米;(d)30米;(e)50米;(f)60米

    Figure 11.  Experiment results with different length cables (a) 10m; (b) 12m; (c) 20m; (d) 30m; (e) 50m; (f) 60m

    表  1  伪随机码自相关性对比

    Table  1.   Autocorrelation comparison of Pseudorandom Codes

    伪随机码处理(取最优)码长最大自相关旁瓣绝对值dB值
    m序列(本原多项式系数2011)10230.000977−120.39
    遍历插1或010240.0469−86.782
    gold序列(本原多项式系数2011、
    2157)
    10230.06354−84.136
    遍历插110240.082−81.929
    遍历插010240.0859−81.526
    Weil码10310.0611−84.544
    遍历截取7位10240.0625−84.288
    下载: 导出CSV

    表  2  实验结果附表

    Table  2.   Attached table of experimental results

    真实值/m实验平均值/m均方差(测距精度)/m
    109.030.86
    1211.131.21
    2019.241.24
    3030.181.59
    5050.141.35
    6061.231.26
    下载: 导出CSV

    表  3  相关峰移动点数在50 MHz采样频率下对应的距离

    Table  3.   Distance corresponding to the number of shifts of the correlation peak at the 50 MHz sampling frequency

    相关峰移动点数光速时对应距离/m70%光速对应距离/m
    164.2
    2128.4
    31812.6
    42416.8
    53021.0
    63625.2
    74229.4
    127250.4
    148458.8
    下载: 导出CSV
  • [1] 罗子人, 白姗, 边星, 等. 空间激光干涉引力波探测[J]. 力学进展,2013,43(4):415-447. doi: 10.6052/1000-0992-13-044

    LUO Z R, BAI SH, BIAN X, et al. Gravitational wave detection by space laser interferometry[J]. Advances in Mechanics, 2013, 43(4): 415-447. (in Chinese) doi: 10.6052/1000-0992-13-044
    [2] 罗子人, 张敏, 靳刚. 激光干涉引力波空间阵列核心问题的综合讨论[J]. 科学通报,2019,64(24):2468-2474. doi: 10.1360/TB-2019-0055

    LUO Z R, ZHANG M, JIN G. Overall discussion on the key problems of a space-borne laser interferometer gravitational wave antenna[J]. Chinese Science Bulletin, 2019, 64(24): 2468-2474. (in Chinese) doi: 10.1360/TB-2019-0055
    [3] 罗子人, 张敏, 靳刚, 等. 中国空间引力波探测“太极计划”及“太极1号”在轨测试[J]. 深空探测学报,2020,7(1):3-10. doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2020.20191230001

    LUO Z R, ZHANG M, JIN G, et al. Introduction of Chinese space-borne gravitational wave detection program "Taiji" and "Taiji-1" satellite mission[J]. Journal of Deep Space Exploration, 2020, 7(1): 3-10. (in Chinese) doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2020.20191230001
    [4] 刘河山, 高瑞弘, 罗子人, 等. 空间引力波探测中的绝对距离测量及通信技术[J]. 中国光学,2019,12(3):486-492. doi: 10.3788/co.20191203.0486

    LIU H SH, GAO R H, LUO Z R, et al. Laser ranging and data communication for space gravitational wave detection[J]. Chinese Optics, 2019, 12(3): 486-492. (in Chinese) doi: 10.3788/co.20191203.0486
    [5] 王登峰, 姚鑫, 焦仲科, 等. 面向天基引力波探测的时间延迟干涉技术[J]. 中国光学,2021,14(2):275-288. doi: 10.37188/CO.2020-0098

    WANG D F, YAO X, JIAO ZH K, et al. Time-delay interferometry for space-based gravitational wave detection[J]. Chinese Optics, 2021, 14(2): 275-288. (in Chinese) doi: 10.37188/CO.2020-0098
    [6] DELGADO E, JOSÉ J. Laser Ranging and Data Communication for the Laser Interferometer Space Antenna[M]. Granada: Universidad de Granada, 2012.
    [7] HEINZEL G, ESTEBAN J J, BARKE S, et al. Auxiliary functions of the LISA laser link: ranging, clock noise transfer and data communication[J]. Classical and Quantum Gravity, 2011, 28(9): 094008. doi: 10.1088/0264-9381/28/9/094008
    [8] 韩旭, 李志, 吴耀军, 等. 伪随机码调制的高精度星载激光测距雷达[J]. 红外与激光工程,2022,51(3):20210250.

    HAN X, LI ZH, WU Y J, et al. High precision ranging lidar based on pseudorandom code modulation[J]. Infrared and Laser Engineering, 2022, 51(3): 20210250. (in Chinese)
    [9] BAYLE J B, HARTWIG O, STAAB M. Adapting time-delay interferometry for LISA data in frequency[J]. Physical Review D, 2021, 104(2): 023006. doi: 10.1103/PhysRevD.104.023006
    [10] 樊昌信, 曹丽娜. 通信原理[M]. 7版. 北京: 国防工业出版社, 2012.

    FAN CH X, CAO L N. Principles of Communications[M]. 7th ed. Beijing: National Defense Industry Press, 2012. (in Chinese)
    [11] ABOUZAID S H, AHMAD W A, EIBERT T F, et al. Vital signs monitoring using pseudo-random noise coded Doppler radar with Delta-Sigma modulation[J]. IET Radar,Sonar &Navigation, 2020, 14(11): 1778-1787.
    [12] 谢钢. GPS原理与接收机设计[M]. 北京: 电子工业出版社, 2009.

    XIE G. Principles of GPS and Receiver Design[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2009. (in Chinese)
    [13] 贝斯特. 锁相环: 设计、仿真与应用[M]. 李永明, 译. 5版. 北京: 清华大学出版社, 2007.

    BEST R E. Phase-Locked Loops: Design, Simulation, and Applications[M]. LI Y M, trans. 5th ed. Beijing: Tsinghua University Press, 2007. (in Chinese)
    [14] ESTEBAN J J, BYKOV I, MARÍN A F G, et al. Optical ranging and data transfer development for LISA[J]. Journal of Physics:Conference Series, 2009, 154: 012025. doi: 10.1088/1742-6596/154/1/012025
    [15] SWEENEY D. Laser communications for LISA and the University of Florida LISA interferometry simulator[D]. Gainesville: University of Florida, 2012.
    [16] 张岩奇. 扩频测距技术的研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨理工大学, 2008.

    ZHANG Y Q. Research on spread spectrum ranging system[D]. Harbin: Harbin University of Science and Technology, 2008. (in Chinese)
    [17] 马旭辉. 卫星导航信号扩频码设计与性能评估[D]. 西安: 中国科学院大学(中国科学院国家授时中心), 2020.

    MA X H. Design and performance evaluation of spread spectrum code for satellite navigation signal[D]. Xi’an: National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, 2020. (in Chinese)
    [18] 张瀚青, 何在民, 叶旅洋, 等. 北斗三号等长Weil码和Gold码性能分析与比较[J]. 计算机仿真,2019,36(8):71-76. doi: 10.3969/j.issn.1006-9348.2019.08.015

    ZHANG H Q, HE Z M, YE L Y, et al. The analysis and comparison of the performance of the Equi-length Weil and gold codes[J]. Computer Simulation, 2019, 36(8): 71-76. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1006-9348.2019.08.015
    [19] 叶旅洋. 北斗三号B1C信号模拟产生与性能分析[D]. 西安: 中国科学院大学(中国科学院国家授时中心), 2019.

    YE L Y. Simulation generate and performance analyse on BDS-3 B1C signal[D]. Xi’an: National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, 2019. (in Chinese)
    [20] 陈诚. 高动态直接序列扩频通信系统关键算法研究与实现[D]. 成都: 电子科技大学, 2021.

    CHEN CH. Research and implementation of key algorithms for high dynamic direct sequence spread spectrum communication system[D]. Chengdu: University of Electronic Science and Technology of China, 2021. (in Chinese)
    [21] 邱子胜, 杨馥, 叶星辰, 等. 基于伪随机码相位调制和相干探测的激光测距技术研究[J]. 激光与光电子学进展,2018,55(5):052801.

    QIU Z SH, YANG F, YE X CH, et al. Research on laser ranging technology based on pseudo-random code phase modulation and coherent detection[J]. Laser &Optoelectronics Progress, 2018, 55(5): 052801. (in Chinese)
    [22] 张杏兴, 谢光荣. 同轴电缆及电缆组件装配工艺介绍[J]. 机电元件,2013,33(4):23-27,35. doi: 10.3969/j.issn.1000-6133.2013.04.005

    ZHANG X X, XIE G R. The process introduction to coaxial cable and cable assembly[J]. Electromechanical Components, 2013, 33(4): 23-27,35. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1000-6133.2013.04.005
  • 加载中
图(11) / 表(3)
计量
  • 文章访问数:  151
  • HTML全文浏览量:  63
  • PDF下载量:  28
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 网络出版日期:  2022-06-20

目录

    /

    返回文章
    返回