摘 要

針對超遠距離多功能交會對接激光雷達需求，開展基于非相干測距技術的遠距離激光測距通信一體化模塊研制，在不改變原有雷達主機架構和信號體制下，實現(xiàn)對遠距離高動態(tài)合作目標的通信測距功能。推導出測距原理，對動態(tài)、時鐘性能等因素產(chǎn)生的測距誤差進行理論分析，給出速度、時鐘性能對測距誤差的影響公式。得出在高動態(tài)環(huán)境下，相對速度與測距周期、雙方鐘差共同作用產(chǎn)生測距系統(tǒng)誤差，且速度越大系統(tǒng)誤差越大的結論。設計測距通信一體化演示驗證平臺，完成測距通信算法的軟硬件評估，實測結果與理論推導相符，為后續(xù)新體制激光雷達原理樣機研制奠定技術基礎。

引 言

掌握航天器交會對接技術是一個國家建立長期無人在軌運行、短期有人照料的載人空間試驗平臺的首要任務。空間交會對接中，測量手段通常有微波雷達、GPS導航定位技術、光學成像敏感器和激光雷達。其中，激光雷達具有波束窄、分辨率高、體積小、質量輕、精度高等優(yōu)點，空間交會對接激光雷達由主機、信息處理機及合作目標組成。合作目標由多個角錐棱鏡所組成的反射器陣列。由于體積功耗的限制，基于反射器合作目標體制的交會對接雷達作用距離受限，在需要超遠距離進行激光交會對接場合必須尋求新激光雷達體制。

激光通信測距一體化技術已發(fā)展的較為成熟，在激光通信的同時實現(xiàn)雙終端間距離和時鐘之間的時差測量。2009年，俄羅斯在GLONASS-K導航衛(wèi)星上搭載了測距通信激光通信終端，實現(xiàn)了5.5萬千米雙星間的測距通信，測距精度達到了3cm。2013年9月，美國宇航局完成月地之間激光鏈路建立，實現(xiàn)下行622 Mbit/s、上行20Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸，測距精度為3cm。當前，常用的測距方案有基于雙向單程測量技術和基于多普勒技術兩種。在我國北斗三號衛(wèi)星激光通信終端及其他編隊飛行器設計中采用了雙向單程的星間測距方案。

傳統(tǒng)激光交會對接雷達工作原理是雷達通過計算發(fā)射脈沖與從合作目標反射的回波脈沖之間時間差反算距離，由于信號反射與空間傳輸損耗較大，所以當前交會對接激光雷達的最遠距離約20km。若要在更遠的距離上實現(xiàn)交會對接功能，則必須借鑒雙向單程的星間測距原理，在目標航天器上安裝合作目標雷達，完成雙向測距。由于兩對接航天器處于高速相對運動狀態(tài)，這就給激光捕獲跟蹤和高精度測距帶來挑戰(zhàn)。

重點研究將激光通信測距一體化技術應用于激光交會對接雷達中，在不改變原有雷達主機架構和信號體制下，實現(xiàn)對遠距離高動態(tài)合作目標的通信測距功能。將分析測距原理，給出速度、時鐘性能等因素對測距誤差的影響。搭建測試環(huán)境，給出仿真分析。

1、理論分析與推導

2、算法建模與仿真

3、算法實現(xiàn)與測試

測距通信算法測試平臺由算法開發(fā)環(huán)境、模擬終端、測試電纜、示波器和高穩(wěn)晶振組成，如下圖9所示。

算法開發(fā)環(huán)境采用MATLAB/ Dspbuiler，通過自頂向下模塊化設計，快速將算法轉化為硬件實現(xiàn)代碼，如圖10所示。

收發(fā)兩端算法實現(xiàn)模型組成相同，都是由時鐘模塊、發(fā)送模塊和接收模塊組成。時鐘模塊為兩個獨立的5MHz高穩(wěn)晶振。時鐘模塊產(chǎn)生測距通信系統(tǒng)所需的采樣時鐘、處理時鐘、數(shù)據(jù)時鐘、字節(jié)時鐘、幀時鐘等。

發(fā)送模塊實現(xiàn)業(yè)務數(shù)據(jù)讀取、測距計數(shù)讀取、數(shù)據(jù)加擾、成幀、并串轉換、占空比脈沖調制（模擬激光調制）。接收模塊實現(xiàn)接收數(shù)據(jù)的位同步、幀同步檢測、測距脈沖計數(shù)、距離解算、恢復業(yè)務數(shù)據(jù)。算法實現(xiàn)模型中各功能模塊連接關系如下圖所示。

幀頭選用CCSDS（空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會）推薦的32位信道幀頭1ACFFC1D，它具有較好的自相關和互相關性能。激光脈沖持續(xù)時間5ns，經(jīng)過前端接收放大展寬，脈沖持續(xù)時間達到10ns，以400MHz采樣頻率（采樣周期2.5ns）對幀頭采樣并進行自相關運算，終端在本地幀時鐘到來時刻啟動計數(shù)，接收幀同步相關峰超過閾值時終止計數(shù)，即可得到測距計數(shù)T。

位同步完成后即可通過滑動相關實現(xiàn)幀頭的相關捕獲。收端幀同步脈沖相對發(fā)端幀脈沖的延遲即為兩端鐘差，它是隨機（每次開機不同）且相對固定（變化很慢）。圖13給出了幀同步實測圖，可見由位同步精度決定幀同步精度。位同步精度決定于對數(shù)據(jù)位的采樣頻率，本測試平臺為400MHz，已屬硬件支持下的最高頻率，因此幀同步精度為±2.5ns，測距精度為±0.75m?？紤]到噪聲對幀同步沿造成的抖動，實測測距精度為±1m。

4、結束語

針對超遠距離激光雷達測距通信一體化的技術，對原理和系統(tǒng)誤差進行了分析。對于雙向單程測距方式，在高動態(tài)環(huán)境下，相對速度將與測距周期T、雙方鐘差共同作用產(chǎn)生測距系統(tǒng)誤差，且速度越大系統(tǒng)誤差越大。此外，還要考慮兩次測距間隔產(chǎn)生的距離變化對測距誤差的影響。在實際應用中，若產(chǎn)生誤差較小，可以直接采用式（13）簡單計算，若誤差較大則需采用式（15）計算，并合理選擇測距周期，以免兩次測距間隔產(chǎn)生的距離變化過大。

原文刊發(fā)于《宇航計測技術》2024年第3期,公眾號《河南省光電產(chǎn)業(yè)協(xié)會》

作者信息：魏龍超 中國電科二十七所；王鵬宇 中國電科二十七所

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