高速率激光通信方法和高精度激光测距一体化方法与流程

本发明涉及自由空间的激光通信和测距领域，特别是一种高速率激光通信和高精度激光测距一体化的方法。

背景技术：

激光通信具有容量大、抗干扰性强、保密性好、功耗低、体积小等优点，能够解决微波通信的高速率瓶颈，已被公认是星间、轨道间、同步卫星与深空探测器之间以及星地之间海量、超高速数据传送的有效方式。采用激光通信测距一体化技术可以使飞行器在相同载荷下完成多种任务，从而降低对体积、功耗的要求，并提高系统的性价比。

现有技术[1](成都航天通信设备有限公司.基于MSK扩频调制模式的相参伪码测距方法：中国，CN103533651[A].2014.1.22.)现有技术[2](王琦，吴斌.光航天测控系统中伪码测距精度分析[J].无线电工程，2009,39(1)：39～44.)中的测距方法将伪随机码(测距码)作为通信信息的载波，通过扩频通信增加信号带宽进而提高码元速率的方法来提高测距的精度，即测距码的速率要远远大于通信信号的速率才可以实现高精度测距，但是这样会导致通信速率过低，不能满足卫星通信的要求，而且采用连续的测距码在测量数万公里的卫星距离时，需要很长的测距码，这会增加码捕获的时间。除此之外，传统的伪码测距需要高采样率的A/D芯片来缓存数据，这会增加硬件成本且在卫星站上不易实现。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高速率激光通信和高精度激光测距一体化方法，结合激光通信容量大、功耗低的特性和伪码具有良好的自相关和互相关以及低截获特性等优点，针对传统伪码测距不能实现高速率通信和要求处理芯片的采样率过高等缺点，提出将测距码嵌入到通信数据中，使测距码和通信数据串行传输，从而实现高速率的通信；在接收端采用恢复时钟信号与本地时钟信号的相位比对可以实现一个测距码元内的精测量。而且接收端只需要解调、时钟恢复、抽样判决、解码，不需要高速A/D转换可以实现高精度测距。本发明可同时实现高速率激光通信和高精度激光测距，即实现了高速率激光通信和高精度激光测距的一体化。

本发明技术解决方案如下：

一种高速率激光通信和高精度测距一体化的方法，包括多个测距通信站，其特征在于：包括以下几个步骤：

步骤一：将待实施高速率激光通信和高精度测距一体化的方法两个测距通信站，以下简称为A、B两站的发射端和接收端进行对准，在A、B两站将具有唯一性、良好的自相关和互相关特性的测距码及其时钟信号缓存到本地，分别作为本地测距码和本地时钟信号，然后将该测距码嵌入到通信数据中，经编码后组成通信测距帧，测距码作为通信测距帧的帧头，通信测距帧包括帧头、通信数据、帧尾；

步骤二：A、B两站采用双向单程的通信方式，A站的通信测距帧作为激光光源的载波经光相位调制器调制，同理，B站与A站的工作相同，两站约定在t0时刻相互发射，由于两地时钟的差异，A站的发射时间为tA0，B站的发射时刻为tB0；

步骤三：A站接收到B站发射的信号，B站接收到A站发射的信号，将A、B两站接收后的信号进行解调、时钟恢复，抽样判决、解码得到测距码和通信数据。

步骤四：在A站将恢复的时钟信号与步骤一中缓存的本地的时钟信号进行相位比对，得到两个时钟信号在一个时钟周期内的相位差进而求得A站的一个测距码码元宽度内的精测时间值其中，T是时钟信号的周期，它等于测距码的码元宽度，同理可得到B站的一个测距码码元宽度内的精测时间值ΔTB，在A站将解码后得到的测距码与步骤一中缓存的本地测距码进行相关运算，得到整数倍码元宽度即为粗测时间值(nT)A，其中，T为测距码的码元宽度，n为整数，同理可得到B站的粗测时间值(nT)B；

步骤五:计算A、B的距离：TA表示A站从发送信号到接收到B站的信号的时间，TB表示B站从发送信号到接收到A站的信号的时间，TA＝(nT)A+ΔTA，TB＝(nT)B+ΔTB，A、B两站的传输延时按下列公式计算A、B间距离s和两地的时钟差Δtclk：

其中，c为光速。

本发明的技术效果和特点：

1、本发明将测距码作为通信数据的帧头，测距码和通信数据串行传输，通信数据的码元速率与测距码的码元速率相等，而传统的扩频通信的测距方法要求测距码的码元速率远远大于通信数据的码元速率才能实现高精度测距，所以本发明能够实现高速率的通信；

2、采用双向单程的通信方式在测距的同时还可以求得两地的时钟差从而完成时钟的时频传输。

3、本发明通过恢复时钟信号与本地时钟信号的相对比可以实现一个测距码码元内的精测；所以本发明可以实现高精度的测距。

4、与传统伪码测距技术相比，本发明在接收信号后只需要解调、时钟恢复、抽样判决、解码，不需要高速A/D转换可以实现高精度测距。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明的实施例的结构图。

图3为通信测距帧的组成示意图。

图4为双向单程通信示意图。

图5为本发明中A站的测距的示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1为本发明的流程图，由图可见，本发明高速率激光通信和高精度测距一体化的方法，包括五个步骤：

步骤一：将待实施高速率激光通信和高精度测距一体化的方法两个测距通信站，以下简称为A、B两站的发射端和接收端进行对准，在A、B两站将具有唯一性、良好的自相关和互相关特性的测距码及其时钟信号缓存到本地，分别作为本地测距码和本地时钟信号，然后将该测距码嵌入到通信数据中，经编码后组成通信测距帧，测距码作为通信测距帧的帧头，通信测距帧包括帧头、通信数据、帧尾，如图3所示；

步骤二：A、B两站采用双向单程的通信方式如图4所示，A站的通信测距帧作为激光光源的载波经光相位调制器调制，同理，B站与A站的工作相同，两站约定在t0时刻相互发射，由于两地时钟的差异，A站的发射时间为tA0，B站的发射时刻为tB0；

步骤三：A站接收到B站发射的信号，B站接收到A站发射的信号，将A、B两站接收后的信号进行解调、时钟恢复，抽样判决、解码得到测距码和通信数据。

步骤四：在A站将恢复的时钟信号与步骤一中缓存的本地的时钟信号进行相位比对，得到两个时钟信号在一个时钟周期内的相位差进而求得A站的一个测距码码元宽度内的精测时间值其中，T是时钟信号的周期，它等于测距码的码元宽度，同理可得到B站的一个测距码码元宽度内的精测时间值ΔTB，在A站将解码后得到的测距码与步骤一中缓存的本地测距码进行相关运算，得到整数倍码元宽度即为粗测时间值(nT)A，如图5所示，其中，T为测距码的码元宽度，n为整数，同理可得到B站的粗测时间值(nT)B；

步骤五:TA表示A站从发送信号到接收到B站的信号的时间，TB表示B站从发送信号到接收到A站的信号的时间，TA＝(nT)A+ΔTA，TB＝(nT)B+ΔTB，A、B两站的传输延时根据其中，c为光速，可求出A、B间距离s。

图2为本发明的一个实施例的结构图，由图可见，卫星站包括第一单频单模激光器1、第一光纤分束器2、第一伪码产生器3、第一信号发生器4、第一编码器5、第一光相位调制器6、第一光纤环形器7、第一光纤准直器8、第一2*2定向耦合器9、第一光电平衡探测器10、第一时钟恢复电路11、第一码型变换电路12、第一抽样判决器13、第一解码器14、第一相位比较器15、第一模拟相关器16；

地面站包括第二单频单模激光器17、第二光纤分束器18、第二伪码产生器19、第二信号发生器20、第二编码器21、第二光相位调制器22、第二光纤环形器23、第二光纤准直器24、第二2*2定向耦合器25、第二光电平衡探测器26、第二时钟恢复电路27、第二码型变换电路28、第二抽样判决器29、第二解码器30、第二相位比较器31、第二模拟相关器32；在卫星站，第一单频单模激光器1发射的激光经过第一光纤分束器2分成两束光强相等的光，第一编码器6产生的通信测距帧作为其中一束光的载波，经过第一光相位调制器7，进入第一光纤环形器8的发射端即端口1，再由第一环形器的端口2进入第一光纤准直器9发射到地面站，另一束光作为卫星站的本振光，完成卫星站的发射过程，地面站的发射与卫星站相同，经过时间τ，地面站发射的信号被第一光纤准直器9接收，它通过第一光纤环形器的端口2进入到第一光纤环形器的接收端即端口3作为接收信号，接收信号与本振光信号通过第一定向环形耦合器被第一光电平衡探测器探测接收，然后再依次通过第一时钟恢复电路12、第一码型变换电路13、第一抽样判决器14、第一解码器15；将恢复的时钟信号和通信测距帧的本地时钟信号通过第一相位比较器，解码后的测距码和本地的测距码通过第一模拟相关器，完成卫星站的接受过程，地面站的接受过程与卫星站相同。

具体实施包括以下几个步骤：

步骤一：编码：在卫星站和地面站将第一伪码产生器3和第二伪码产生器19产生的测距码a(t)分别嵌入到由第一信号发生器4和第二信号发生器20产生的通信数据中，经第一编码器5和第二编码器21编码成通信测距帧d(t)；

由第一伪码产生器3和第二伪码产生器19产生的测距码a(t)表示为：

其中，T为测距码的码元宽度，an为伪随机码码元，以等概率随机取±1；

由第一信号发生器4和第二信号发生器20产生的通信数据b(t)：

分别经第一编码器5和第二编码器21后的通信测距帧d(t)表示为：

其中，l为通信测距帧的长度；

测距码的时钟信号作为本地时钟信号，它表示为：

其中，T是时钟信号的周期，它等于测距码的码元宽度。

步骤二：卫星站和地面站采用双向单程的通信方式传输，如图4所示，两站的通信测距帧分别作为第一单频单模激光器1和第二单频单模激光器17的载波在第一光相位调制器6和第二光相位调制器22下进行二进制相移键控调制(简称为BPSK)，两站约定在t0时刻发射，由于两地时钟的差异，卫星站的发射时间为tA0，地面站的发射时刻为tB0；

卫星站的第一单频单模激光器1输出的激光的光场表达式为：

其中，A1表示光场振幅，ω1代表光波频率，表示光场的初相位。第一单频单模激光器1输出的光经过第一光纤分束器2分为两路强度相等、偏振态相同的两束光，一路作为卫星站的本振光，其光场表达式为：

另一路作为信号光，它经第一光相位调制器6进行BPSK调制后，通过第一光纤环形器7和第一光纤准直器8并在tA0时刻发送到地面站，其发射信号的光场表达式为：

此时的卫星站本地时钟信号表示为：

地面站的第二单频单模激光器17输出的激光的光场表达式为

其中，A2表示光场振幅，ω2代表光波频率，表示光场的初相位。第二单频单模激光器17输出的光经过第二分束器18分为两路强度相等、偏振态相同的两束光，一路作为地面站的本振光另一路作为信号光，它经第二光相位调制器22进行BPSK调制后，通过第二光纤环形器23和第二光纤准直器24并在tB0时刻的作为发射信号发送到卫星站，其信号表达式为：

步骤三：地面站的发射信号经过大气的传播距离s0到达卫星站，依次通过卫星站的第一准直器8、第一光纤环形器7的端口2，第一光纤环形器7的端口3，并和卫星站的本振光信号通过第一2*2定向耦合器9被第一光电探测器10接收，接收后的信号经过第一时钟恢复电路11、第一码型变换电路12、第一抽样判决器13、第一解码器14得到测距码和通信数据；

不考虑多普勒频移，则卫星站的第一光电探测器10接收解调后的信号的表达式为：

接收后的信号经过第一时钟恢复电路11后得到的tA时刻的时钟信号为：

通过第一码型变换电路12可得到tA时刻的通信测距信号为：

用恢复的时钟信号cr(trA)在时刻(时钟的上升沿)对所得通信测距信号d(trA)抽样得到：

判决后的信号即通过第一抽样判决器13的信号为：

再通过第一解码器14后得到的测距码为：

解码后的测距码与本地测距码(延迟)通过第一模拟相关器16进行相关运算得到：

相关器在经过时间TA后出现峰值，因为TA＝tA-tA0＝(nT)A++ΔTA，(nT)A是整数倍的码元周期，n为整数，T是测距码的码元宽度，ΔTA是一个码元内的时间值。这里只取整数倍的码元周期(nT)A，它作为卫星站从发送信号到接收信号的时间TA的粗测时间值。

恢复的时钟信号与本地的时钟信号通过第一相位比较器15进行相位比对，得到一个时钟周期内的相位差进而可求得一个测距码码元内的精测时间值其中，T是时钟周期，它等于测距码码元宽度；

卫星站的发射信号经过大气传播距离s0到达地面站，依此通过第二光纤准直器24、第二光纤环形器23的端口2、第二光纤环形器23的端口3，并和地面站的本振光信号通过第二2*2定向耦合器25被第二光电探测器26在tB时刻接收，接收后的信号经过第二时钟恢复电路27、第二码型变换电路28、第二抽样判决器29、第二解码器30得到测距码和通信数据。

与卫星站的工作过程相同，在地面站可用同样的方法得到地面站从发送信号到接收信号的时间TB的粗测时间值(nT)B和精测时间值ΔTB。

步骤四：用TA表示卫星站从发送信号到接收到地面站信号时的测量时间，用TB表示地面站从发送信号到接收到卫星站信号时的时间，τ为A、B两站的传输延迟，Δtclk是两站的时钟差，则：

TA＝τ+ΔtclkTB＝τ-Δtclk，

其中，TA＝(nT)A+ΔTA，TB＝(nT)B+ΔTB

所以A、B两站间距离为

其中c为光速。

在本实施例中采用快速离散傅里叶变换(FFT)的方法求时钟信号相位差，对本地时钟信号做nT的抽样，点数为N的样本做FFT，在FFT法求相位差时，由于A/D量化和高斯白噪声引起的相位差测量误差的方差为：

其中，q＝2^-b为量化宽度，b是A/D量化的位数，N是采样点数，A是信号的幅度，SNR是信号的信噪比。

所以测量距离的精度为：

假设测距码和通信数据的码元周期T＝1us，则可以实现1GHZ的通信速率，经下变频时钟信号频率f0＝100MHZ，取采样频率fs＝500MHZ，A＝1，采样点数N＝2048，A/D为11位，SNR＝25dB，则测量距离的精度可达到2.98mm。

假设测距码长度是N，通信数据长度和帧尾长度为M,且通信数据连续发送，不考虑误码率时，由于测距码和通信数据是串行传输，所以测距码可测的最大距离：

smax＝c(M+N)T

其中c为光速，T为码元的宽度。而传统的测距方法是将通信数据作为测距码的载波，测距码可测得最大距离为：

smax＝cNT

假设采用10位的m序列作为测距码，码元的宽度为1us，则传统的测距方法可测得最大距离为smax＝3×10⁸×(2¹⁰-1)×10^-6＝30.69×10⁴m，而采用本发明的方法，采用5位的测距码和5位的通信数据即可测得相同的距离，减少了所需要的测距码的位数。