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 测距地面电子学验证

邓汝杰,张艺斌,刘河山,罗子人

downloadPDF
邓汝杰, 张艺斌, 刘河山, 罗子人. 太极计划中的星间 测距地面电子学验证[J]. , 2023, 16(4): 765-776. 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 测距地面电子学验证[J]. , 2023, 16(4): 765-776.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, 2023, 16(4): 765-776. 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, 2023, 16(4): 765-776.doi:10.37188/CO.2022-0041

太极计划中的星间 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,硕士研究生,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 测距方面的研究。E-mail:dengrujie20@mails.ucas.ac.cn

    张艺斌(2000—),男,甘肃天水人,硕士研究生,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 通信方面的研究。E-mail:zhangyibin201@mails.ucas.ac.cn

    刘河山(1988—),男,安徽阜阳人,博士,副研究员,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 干涉测距、高精度相位测量、精密指向控制、 锁相等。E-mail:liuheshan@imech.ac.cn

    罗子人(1980—),男,湖南长沙人,博士,研究员,2010年于中国科学院数学与系统科学研究院获得理学博士学位,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 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, 干涉测距系统是获取引力波信号的直接手段,为了消除 频率不稳定性对其的影响,需利用时间延迟干涉技术降低噪声的干扰。时间延迟干涉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,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并验证系统性能。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。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.Schematic diagram 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.Schematic diagram of the acquisition structure

    图 6跟踪结构示意图

    Figure 6.Schematic 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 delay and ahead signals

    图 8不完全对称的相关峰

    Figure 8.Asymmetric correlation peak

    图 9实验流程

    Figure 9.Experiment flow chat

    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 m;(b)12 m;(c)20 m;(d)30 m;(e)50 m;(f)60 m

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

    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) 1023 0.000977 −120.39
    遍历插1或0 1024 0.0469 −86.782
    gold序列(本原多项式系数2011、
    2157)
    1023 0.06354 −84.136
    遍历插1 1024 0.082 −81.929
    遍历插0 1024 0.0859 −81.526
    Weil码 1031 0.0611 −84.544
    遍历截取7位 1024 0.0625 −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
    10 9.03 0.86
    12 11.13 1.21
    20 19.24 1.24
    30 30.18 1.59
    50 50.14 1.35
    60 61.23 1.26
    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.Distances 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/m 70%光速对应距离/m
    1 6 4.2
    2 12 8.4
    3 18 12.6
    4 24 16.8
    5 30 21.0
    6 36 25.2
    7 42 29.4
    12 72 50.4
    14 84 58.8
    下载: 导出CSV
  • [1] 罗子人, 白姗, 边星, 等. 空间 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. 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 测距雷达[J]. 红外与 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 测距技术研究[J]. 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:740
  • HTML全文浏览量:378
  • PDF下载量:387
  • 被引次数:0
出版历程
  • 收稿日期:2022-03-10
  • 修回日期:2022-04-06
  • 网络出版日期:2022-06-20

目录

    /

      返回文章
      返回
        Baidu
        map