（微电子学与固体电子学专业论文）星间高精度测距系统的精度验证及精度优化.pdf

摘要 摘要 伪码测距和载波测距系统已经成为星问测距的重要组成部分，本文提及的伪 码测距和载波测距系统的精度分别可以达到c m 和g m 级。围绕伪码测距和载波 测距系统的精度验证及提高，本文设计了高精度测距系统精度验证系统，并利用 k a l m a n 滤波器对测距结果进行优化。 目前，我国航天领域中对星间高精度测距系统的精度验证措施主要包括地面 验证和在轨验证。其中地面验证需要选取一片开阔的空间，通过无线方式实现测 距系统精度的验证，这种方法操作复杂、人工成本高、选址困难，而且易受空间 信号干扰；在轨验证成本更高，不易实现。以上因素均使得星间高精度测距系统 的精度验证极为不便。 本文基于光纤通信原理，采用光纤替代空间远距离。利用光纤体积小、衰减 低、抗干扰性强等优点，在室内就可以方便地完成对测距系统的精度验证。该精 度验证系统主要由激光器、电光调制器、光强放大器、光电探测器及色散位移光 纤组成。在设计过程中，充分考虑了光纤系统的衰减、色散、非线性效应、光纤 传输时延的温度特性及典型的噪声影响。最后，通过对测试该系统的特性及其在 伪码和载波测距系统中的精度验证效果，说明了该方案的可行性。 另外，本文针对测距系统精度的提高设计了相应的k a l m a n 滤波器，k a l m a n 滤波实质上是一种最优估计，使得被处理数据的估计方差最小。估计的实质就是 从测量数据中尽可能地噪声滤除，分离出需要的信息。通过在m a t l a b 上对测距 系统进行建模仿真，分析影响k a l m a n 滤波精度的因素，并选取k a l m a n 滤波器 的最优参数。最后将k a l m a n 滤波器移植到测距系统的d s p 上，经测试，伪码测 距和载波测距系统精度均有一定程度的提高。 关键字：测雁系统，精度验证，光纤通信，k a l m a n ，d s p a b s t r a c t a b s t r a c t a st h ei m p o r t a n tp a r to ft h ei n t e r - s a t e l l i t er a n g i n g ，t h ep s e u d o - c o d er a n g i n ga n dc a r r i e r r a n g i n gc a nr e a c hc e n t i m e t r ea n dm i c r o nr a n g i n ga c c u r a c yr e s p e c t i v e l yi nt h i sp a p e r b a s e do n t h e s et w or a n g i n gs y s t e m s ，ih a v ed e s i g n e daf i b e r - o p t i cs y s t e ma n dt h ek a l m a nf i l t e rf o r v e r i f y i n ga n di m p r o v i n gt h ea c c u r a c yo f t h e s e t w or a n g i n gs y s t e m s a tp r e s e n t ，w ea r es t i l ls t a y i n gi ng r o u n dv a l i d a t i o na n di n - o r b i t v a l i d a t i o nw h e n m e a s u r i n gt h ea c c u r a c yo ft h eh i g hp r e c i s i o nr a n g i n gs y s t e mb e t w e e nt w os a t a l l i t e s i no u r c o u n t r y t h e s et w om e t h o d sa r eb o t hc o m p l i c a t e da n dh i g h - c o s t ，s oi t sd i f f i c u l tt ot a k et h e m i n t op r a c t i c ef o rm a n yi n s t i t u t e s t h i sp a p e ru t i l i z e st h ep r i n c i p l eo fo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n , r e p l a c i n gt h es p a c ew i t h o p t i c a lf i b e r w i t ht h ea d v a n t a g eo ft h ef i b e rs u c ha s s m a l ls i z e ，l o wa t t e n u a t i o na n ds t r o n g a n t i - i n t e r f e r e n c e ，w ec a l lm e a s u r et h ea c c u r a c yi n d o o r sc o n v e n i e n t l y d u r i n gt h ed e s i g np r o c e s s ， ih a v ea t t a c h e dg r e a ti m p o r t a n c et ot h ea t t e n u a t i o n , d i s p e r s i o n , n o n l i n e a re f f e c t s ，t e m p e r a t u r e c h a r a c t e r i s t i c so fd e l a ya n dt y p i c a ln o i s ei no p t i c a lf i b e r a tl a s t ，w i t ht h em e a s u r e m e n tr e s u l t si n t h ep s e u d o c o d er a n g i n ga n dc a r r i e rr a n g i n gs y s t e m , i td e m o n s t r a t e st h er e l i a b i l i t yo ft h e 胁c r s y s t e r n i na d d i t i o n , t h i sp a p e rh a sd e s i g n e dt h ek a l m a nf i l t e rt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h e r a n g i n gs y s t e m i t sa no p t i m a le s t i m a t i o ne s s e n t i a l l y , m a k i n g t h ed a t af o rs m a l l e s te s t i m a t e d v a r i a n c e w i t hs i m u l a t i n gt h em o d e lo f t h er a n g i n gs y s t e mo nm a t l a b ，a n dt h ea n a l y s i so ff a c t o r s a f f e c t i n gt h ea c c u r a c yo fk a l m a nf i l t e r i n g ，t h e nw es e l e c tt h eo p t i m a lp a r a m e t e r so ft h e k a l m a n f i l t e r f i n a l l y , ih a v et r a n s p l a n t e di tt ot h ed s p t oa p p l yt ot h er a n g i n gs y s t e m t h er a n g i n g r e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h ea c c u r a c yo fp s e u d o - c o d er a n g i n gh a sb e e ni m p r o v e db ys e v e r a l c e n t i m e t e r sa n dt h ec a r d e rr a n g i n gc a l lb ei m p r o v e db ys e v e r a lm i c r o m e t e r s k e y w o r d s ：r a n g i n gs y s t e m , v e r i f i c a t i o no f a c c u r a c y , o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n ， k a l m a n ，d s p 致谢 致谢 时光荏苒，不知不觉间，两年多的研究生生涯将要告一段落。在浙大的这几 年，我收获颇多，这必将成为我人生中重要的经历值此之际，谨向这段时间以 来帮助和关心我的人致以最诚挚的感谢! 衷心地感谢我的导师金仲和教授，金老师学识渊博、治学严谨、鼓励创新、 待人亲切随和，深深地感染和激励着我。在学习和生活中，金老师为人师表，言 传身教，关心学生的成长和进步，鼓励学生有自己的想法。当我在科研中遇到困 难的时候，金老师丰富的理论知识和卓有远见的指导总能使我豁然开朗，找到解 决问题的方法。 感谢王春晖老师在学术方面的悉心指导和生活上无微不至的关怀。在我攻读 硕士期间，王老师认真负责、诲人不倦，他在专业知识方面的造诣，给了我很多 建设性的指导，论文才得以完成。在此，表示深深地感谢! 感谢课题组的吴昌聚老师、郑阳明老师、金小军老师、张朝杰老师、王昊老 师、王慧泉老师、蒙涛老师、马慧莲老师，感谢你们在学术上给予的莫大帮助。 感谢徐兆斌师兄、赵明臣师兄、杨伟君师兄、俞旭辉师兄、向甜师姐在学术 和生活上的帮助和照顾。 感谢同届同学陈浩、袁铁山、娄延年、王俊、应鹏、陈江渝、马铭俊、汪宏 浩、王志远、郭振东，感谢大家陪我度过愉快的研究生生活，愿我们的友谊长存。 感谢师弟李承一、陆光威、李建字、师妹任晓欢、罗明玲、徐秀琴，感谢你 们对我工作的支持和帮助。 感谢康晓黎老师、丁纯老师、李剑丽工程师，徐诤轩工程师、罗丹霞工程师、 郭媛媛工程师、邱宇工程师对我的关心和帮助。 感谢父母这么多年来对我的养育之恩和关心支持。 郭学卫 2 0 1 3 1 1 5 图目录 图目录 图1 1 利用同步光纤网络实现远距离校频的原理图2 图1 2 用户通过末端铷钟获得n m i j 同步时钟的两种方法3 图1 3 光学补偿主动控制系统图3 图1 4 光学补偿控系统4 图2 1 精度验证系统的实现原理框图7 图2 2x x 型激光器输出光谱一8 图2 3e d f a 实现放大的能级结构图9 图2 4x x 型光电探测器电路原理图1 0 图2 5 多模光纤中，光的传输路径一1 1 图2 6 马赫曾德干涉构架1 2 图2 7 马赫曾德调制器的典型输出特性1 4 图2 8 偏置电压测试电路1 5 图2 9 直流偏压v = 0 8 5 v ，输出波形顶部失真1 5 图2 1 0 直流偏压v = i 2 4 v ，输出波形不失真1 5 图2 1 1 直流偏压v = i 5 5 v ，输出波形底部失真1 5 图2 1 2 直流偏压v = 1 1 1 v ，载波测距信号频谱1 6 图2 1 3 直流偏压v = i 5 4 v ，载波测距信号频谱1 6 图2 1 4 基于双边带调制的r o f 链路原理图1 7 图2 1 5 探测器输出的r f 信号功率衰减同传输距离的关系1 8 图2 1 6 射频信号信噪比恶化l d b 情况下，光传输距离和光纤色散系数的关系1 8 图2 1 7 射频信号信噪比恶化l d b 情况下，光传输距离和射频信号频率的关系1 9 图2 1 8x x 型光纤相对时延随温度变化曲线2 l 图2 1 9 光纤色散随温度变化曲线2 1 图2 2 0 机械部分构成图2 2 图3 1 随机线性离散系统k a l m a n 滤波器结构图2 5 图3 2k a l m a n 滤波算法方框图2 6 图3 3 星间距离、星间速度和星间加速度的测量原理2 9 图3 4g r a c e 系统星间距离观测值2 9 图3 5 标准k a l m a n 滤波器的滤波效果3 0 图3 6 观测噪声方差耻选取不同值情况下的滤波结果3 l 图3 7 系统噪声方差q k 选取不同值情况下的滤波结果3 l 图3 8 系统状态初值) ( 0 选取不同值情况下的滤波结果3 2 图3 9 系统状态初值协方差p o 选取不同值情况下的滤波结果3 3 图3 1 0 观测数据带有连续野值时，两种k a l m a n 滤波算法结果3 4 图3 1 1 观测数据带有非连续野值时，两种k a l m a n 滤波算法结果3 5 图3 1 2 星间距离观测值的k a l m a n 滤波仿真3 5 图3 1 3 星间距离值的k a l m a n 滤波仿真局部放大图3 6 图3 1 4k a l m a n 滤波器实现的硬件平台3 6 图3 1 5f p g a 和d s p 硬件接1 2 图3 7 浙江大学硕士学位论文 图3 1 6f p g a 和d s p 通信协议时序图3 7 图3 1 7 程序执行流程图3 9 图3 18k a l m a n 滤波函数时序剖析3 9 图3 1 9f p g a 输出信号仿真图一4 0 图3 2 0d s p 的接收数据4 l 图3 2 1 伪码测距的k a l m a n 滤波结果4 l 图3 2 2 载波测距的k a l m a n 滤波结果4 2 图4 1 光学部分连接示意图4 4 图4 2 光学部分实物连接图4 4 图4 3x x 型电光调制器的偏置电压和输出光强的关系4 5 图4 4 调制器的偏置电压和探测器输出r f 信号功率的关系4 6 图4 5 电光调制器光强输入输出特性曲线4 7 图4 6 光电探测器输入输出特性曲线4 8 图4 7 调制器输入光信号和探测器的输出关系4 8 图4 8 电光调制器输入r f 信号功率与探测器输出r f 信号功率的关系一4 9 图4 9 电光调制器r f 输入端信号频谱图5 0 图4 1 0 关闭放大电路，光电探测器输出r f 信号频谱图5 0 图4 1 l 开启放大电路，光电探测器输出r f 信号频谱图5 0 图4 1 2 再生伪码测距系统框图5 l 图4 1 3 再生伪码测距系统精度验证连接图5 2 图4 1 4p = 一6 9 d b m ，伪码测距结果5 3 图4 1 5p = 一6 2 d b m ，伪码测距结果5 3 图4 1 6p = 一5 5 d b m ，伪码测距结果5 3 图4 1 7p = 一5 1 d b m ，伪码测距结果5 3 图4 1 8p = 4 9 d b m ，伪码测距结果5 3 图4 1 9p = - 4 7 d b m ，伪码测距结果5 3 图4 2 0p 一7 6 1 6 d b m ，伪码测距结果5 5 图4 2 1p 一6 5 8 7 d b m ，伪码测距结果5 5 图4 2 2p 一6 1 9 2 d b m ，伪码测距结果一5 5 图4 2 3p 一5 7 7 4 d b m ，伪码测距结果一5 5 图4 2 4p 一5 4 7 4 d b m ，伪码测距结果5 5 图4 2 5p 一5 2 9 5 d b m ，伪码测距结果。5 5 图4 2 6 光纤长度为l k m 时，伪码测距结果5 6 图4 2 7 光纤长度为6 4 k i n 时，伪码测距结果5 6 图4 2 8 光纤长度为9 6 k i n 时，伪码测距结果5 6 图4 2 9 光纤长度为1 2 8 k m 时，伪码测距结果5 6 图4 3 0 光纤长度为1 9 2 k m 时，伪码测距结果5 6 图4 3 1 伪码测距系统的长期稳定度测试5 7 图4 3 25 0 - 4 0 降温过程中伪码测距结果5 8 图4 3 3 移动距离5 6 c m ，测距结果5 9 图4 3 4 移动距离2 0 c m ，测距结果5 9 图4 3 5 移动距离5 c m ，测距结果5 9 图4 3 6 移动距离5 6 c m ，测距结果5 9 图4 3 7 移动距离2 0 c m ，测距结果一5 9 图目录 图4 3 8 移动距离5 e r a ，测距结果5 9 图4 3 9 双程转发载波测距系统结构6 0 图4 4 0 精度验证系统在载波系统中的测试连接图6 2 图4 4 1 无光纤时，载波测距结果6 3 图4 4 2 光纤长度为1k m 时，载波测距结果6 3 图4 4 3 光纤长度为3 2k m 时，载波测距结果6 3 图4 4 4 光纤长度为6 4k m 时，载波测距结果6 3 图4 4 5 光纤长度为9 6k m 时，载波测距结果6 3 图4 4 6 光纤长度为1 2 8 k m 时，载波测距结果6 3 图4 4 7 光纤长度为1 6 k i n 时，载波测距结果6 3 图4 4 8 光纤长度为1 9 2 k m 时，载波测距结果6 3 图4 4 9 长度为5 k m 普通单模光纤的载波测距结果6 5 表目录 表目录 表2 1x x 型电光调制器的参数一9 表2 2x x 型e d f a 光学参数1 0 表2 3x x 型光电探测器光学参数表l l 表3 1g p i o 主要相关的寄存器3 8 表4 1 不同信噪比条件下，伪码测距情况5 3 表4 2 接入调制器和探测器条件下，伪码测距结果5 5 表4 3 接入不同长度光纤，伪码测距情况5 7 表4 4 伪码测距系统的长期稳定度测试结果5 8 表4 5 不同光纤长度下，载波测距结果6 4 绪论 1 绪论 1 1 星闻高精度测距系统研究背景及意义 本课题的工作主要基于星间高精度测距系统展开，所谓星间测距是指卫星之间相对距 离的测量。文中涉及到的伪码测距和载波测距系统尤其多用于微小卫星之间距离的测量。 通过星间自主定位技术可以使小卫星网在一定的时间内不再需要地面测控设备的支 持，仅依靠空间设备完成自身的定位、定轨任务，实现小卫星网的智能化，从而大大减轻 了地面测控设备的工作负担；空间卫星相对测量还可以有效避免大气层带来的测量误差， 有利于测量精度的提高【l 】。 地球重力场的精确测量对大地测量、地球物理、地球动力学和海洋学等学科的发展具 有极其重要的意义。利用卫星对地球重力场进行测量具有划时代的意义，是当今大地测量 领域的研究前沿和关注热点之一【2 】。2 0 0 2 年3 月德美合作成功发射的g r a c e ( g r a v i t y r e c o v e r ya n dc l i m a t ee x p e r i m e n t ) 卫星，可以测出地球表面重力场异常所引起的卫星间距 的变化2 】【3 】【4 1 。g r a c e 卫星一个月的数据所解算出的地球重力场模型比过去3 0 年的综合 重力场资料所得到的精度高一至两个数量级【5 1 。 1 2 测距精度验证系统的研究背景及意义 由以上分析可见，星间高精度测距系统在卫星的编队、组网以及重力场模型的恢复方 面具有重要作用。伪码测距和载波测距系统作为星间高精度测距两个重要的测距技术，在 地面上对其精度验证方面，国内还停留在短距离范围内的测距精度验证，还没有一种有效 的方法对测距系统精度进行远距离测试。 目前，为了验证高精度测距系统在长距离中的精度，主要呆取的措施包括有线长距离 验证和无线长距离验证。有线长距离可以通过安装在屏蔽室内的长距离射频电缆实现。这 种方法可以避免外界信号的干扰，克服信号传输过程中的多径效应，并且可以在实验室内 完成。但是，由于长距离的射频电缆价格比较高，而且射频电缆体积比较大，在有限室内 只能完成较长距离的验证。无线长距离可以通过寻找一片比较开阔的场地，由天线发送和 接收测距信号来实现。这种方法成本低，但是这种方法的抗干扰性和抗多径效应差，且不 1 浙江大学硕士学位论文 能在室内完成，实现起来比较麻烦。而且对于大部分的研究院所，很难找到一个开阔的几 百甚至几千公里的空间距离，利用无线的方式进行测距系统精度的验证。 针对这种现状，本文提出了一种新颖的方法用以解决上述问题。该方法包含光学和机 械两部分：光学部分利用光纤来模拟空间远距离；机械部分可以模拟两颗星的相对运动。 两者结合，就可以对两颗相距很远的卫星进行静态和动态模拟，进而验证星间高精度测距 系统的测距性能。本文设计的精度验证系统解决了测距系统中对空间远距离的需求，使得 高精度测距系统测距精度的验证在实验室内就可以完成，大大地缩短了测距系统研制周 期。 由于光波在光纤中的远距离传输可能存在光的色散以及光的非线性，另外光电相互转 换的调制和解调的线性度很难保证，可能会对测距精度的验证造成一定的影响，这些将成 为光学部分设计着重需要解决的问题。 1 3 测距精度验证系统的国内外研究现状 本文所设计的测距精度验证系统目的是实现信号在光路中的不失真传输。目前，国外 有些国家通过光纤通信系统已经实现了时间频率的传输，并且达到了很高的稳定度。 日本m a s a k ia m e m i y a 等人利用同步光纤网络实现了远距离校频6 1 ，原理如图1 1 所 示。 l 骊d t l j t e l e c o m m u n j c s t t o nn e t w o r k s 图1 1 利用同步光纤网络实现远距离校频的原理图 图1 1 中，铯钟作为主钟，与日本国家计量院( n m i j ) 时钟保持同步，通过光纤网 逐级控制节点上的铷钟，使其逐步同步于主钟，用户可以直接从节点终端通过方法1 和方 法2 实现同n m i j 时钟同步。 绪论 f v n e 1 ：d h e c ( d i s t r i b u t i o n a c c e s sc e a t 嚣 图1 2 用户通过末端铷钟获得n m u 同步时钟的两种方法 实验证明，利用图1 2 中方法2 传输时钟一天的频率稳定度( 阿伦方差) 可以达到 2 1 0 。1 3 ，是一种方便经济的校频方式。 针对远距离的光纤传输系统，外界温度的变化对光纤传输链路的影响很大，会引起传 输信号相位起伏，造成传输时间频率的稳定度下降。因此，需要采取有效的补偿措施，来 减小温度对光纤系统的影响。 美国t e c e l a n o 等人采取一种光学补偿主动控制系统【7 1 ，系统框图如图1 3 所示。 图1 3 光学补偿主动控制系统图 铯原子钟产生5 m i - i z 的信标信号，经分配放大，分成两路信号，分别由d d s 综合生 成6 4 8 m h z 频率信号，其中一路直接接入双混频测量装置，另外一路经倍频后由发射机 调制并分成两路进行发射，其中一路光信号由短光纤直接接入双混频测量装置，另外一路 光信号经过温度延时和机械延时模块后，进入光学系统。最终，在双混频测量装置中解算 出参考光纤信号和经过远距离光纤信号的时延差，经c p u 对数据进行处理后，通过c p u 输 出的反馈值来实现对温度延时和机械延时模块的控制。这种测量技术的测量精度可以达到 亚皮秒量级。 鲁 浙江大学硕士学位论文 2 0 0 3 年法国巴黎天文台l n e s y r t e 实验室研究了一种光学补偿系统引，如图1 4 所 图1 4 光学补偿控系统 系统中应用了两种光学延时补偿装置：对l k m 光纤采取了温度补偿；对1 5 m 光纤采 取了机械补偿。经测试，利用上述补偿系统传输1 g h z 信号的传输频率稳定度( 阿伦方差) 可以达到1 5 x 1 0 “s ，l x l 0 川d 。 1 4 卡尔曼滤波器的研究现状及研究意义 高精度测距系统中存在很多无用噪声，这些噪声会导致测距结果产生各种误差，通过 滤波处理可以有效地减小系统噪声对测距结果的影响，滤波技术是现代通讯和控制工程中 常用的信号处理方法，所谓滤波就是从混合在一起的诸多信号中提取有用的信息。这些信 号一般分为确定信号和随机信号：确定信号具有确定的频谱，变化规律是既定的，如调幅 广播中的载波信号、脉冲固定的矩形脉冲信号和阶跃信号等；随机信号没有确定的频谱， 即使在相同的初始条件和环境条件下，信号的每次变化规律都不一样，如陀螺的漂移、惯 导系统的导航输出误差等【9 1 。在星间测距系统中，由于卫星同卫星之间存在相对运动，它 们之间的距离值变化不定，属于随机信号。无法用常规滤波提取或抑制信号，由于随机信 号具有确定的功率谱，因此可以根据有用信号和干扰信号的功率谱设计滤波器。 目前，在滤波估计领域主要有三大滤波理论：最小二乘估计、维纳滤波和k a l m a n 滤 4 绪论 波。最小二乘估计最早是为了测定行星运动轨道，由高斯首次提出，尽管最i x - 乘法能使 得所有测量值的残余平方和最小，但是其定位结果通常显得既粗糙又杂乱m 】。由于最小二 乘估计法在应用中只需建立观测方程，简单易行，因此在很多方面仍得到应用。维纳滤波 充分利用了输入信号和量测信号的统计特性，是一种线性最小方差滤波方法。但是维纳滤 波法是一种频域方法，而且滤波器是非递推的，不便于实际应用 1 h 。 卡尔曼( k a l m a n ) 于1 9 6 0 年提出的卡尔曼滤波理论1 2 】【13 1 ，标志着现代滤波理论建立。 利用k a l m a n 滤波可以解决上述的问题，与最小二乘法相比，k a l m a n 滤波具有递推算法的 优越性。目前，卡尔曼滤依靠其突出的优点，已经在许多应用领域得到了极大的普及和推 广，特别是在导航、测轨定位、目标跟踪和拦截以及工业生产的最优控制和气象预报、地 震预报等方面得到了广泛的应用【1 4 】。 本文对k a l m a n 滤波在星间高精度测距中的应用进行了研究，它是一种时域方法，对 于高斯分布噪声的线性系统，可以得到系统状态的递推最小均方差估计，从而大大提高测 距系统的测距精度。 1 5 本论文的工作 论文主要围绕星间高精度测距系统( 再生伪码测距和双程转发载波测距) 进行了扩展 研究：基于光纤通信原理实现了测距系统在长距离中的精度验证；对卡尔曼滤波器的基本 原理进行了分析，并将其应用到测距系统中进行距离值估计，提高了测距系统的测距精度。 测距系统的精度验证系统包括了基本的光纤通信系统和电控平移台。光纤通信系统的 主要组成有：激光器、光纤、电光调制器、光放大器、光电探测器，用于实验调试的光学 器件包括光衰减器和光功率计。通过多次测试，结合对该验证系统的分析，确定了电光调 制器的最佳偏置电压值，分析了该验证系统可能对测距精度造成影响的因素，并采取一定 措施降低这些不利影响。 卡尔曼滤波理论作为一种最重要的估计理论被广泛地应用于各个领域，组合导航的系 统的设计是其应用较成功的一个方面。本文对星间高精度测距系统中的卡尔曼滤波应用进 行了研究，对标准卡尔曼方程中的参数进行了分析和仿真，确定了这些参数对滤波估计值 的影响。并结合g r a c e 系统进行了系统模型分析，建立了相应的卡尔曼滤波方程。最后， 将上述仿真验证成功的卡尔曼滤波器移植到测距系统的硬件平台上。 文章的具体结构如下： 5 浙江大学硕士学位论文 第1 章，绪论，阐述了对星间高精度测距系统的测距精度验证方法及卡尔曼滤波研究 必要性，分析了目前航天领域中对精度验证及卡尔曼滤波研究的现状。最后叙述了本论文 的主要工作及章节安排。 第2 章，测距精度验证系统的实现方案及理论分析，在光纤通信系统的基础上，巧妙 地利用了光纤代替了传统意义上的“空间距离”，通过对系统中涉及到的光学器件进行分 析、选材，实现了完整的测距精度验证系统，并对其中的光衰减、色散以及非线性效应等 可能会影响到测距系统测距精度的因素进行了分析。 第3 章，测距系统中卡尔曼滤波器的设计，对测距精度进行优化。首先对基本卡尔曼 原理进行了介绍，分析了滤波方程中各个参数的作用，并针对实际测距系统中的野值问题 设计了抗野值算法，结合g r a c e 系统模型建立卡尔曼滤波方程，然后，通过仿真验证了 上述三种情况的可行性，最后，将卡尔曼滤波在测距系统的硬件平台上实现。通过实际 调试，验证卡尔曼滤波器的滤波效果。 第4 章，测试结果及分析，本章是对第2 章的测距精度验证系统进行测试，通过测试 结果，分析精度验证系统对再生伪码和双程转发载波测距系统的影响，并提出减小这种影 响的一些具体措施，确定了该方案的可行性。 第5 章，总结，对本论文的工作进行总结，提出了测距精度验证系统和卡尔曼滤波器 设计当中的不足之处，并对下一步的工作提出一些展望。 星问高精度测距系统精度验证系统的设计及实现 2 星间高精度测距系统精度验证系统的设计及实现 2 1 精度验证系统方案设计 高精度测距系统的测量误差主要来自系统本身噪声，主要包括频率源噪声、接收机热 噪声、多径噪声【”】。作为精度验证系统，在测距信号传输过程中，不引入额外的噪声，完 整地恢复出测距信号成为了其基本要求。 本系统包括光学和机械两部分：光学部分实现了空间远距离的模拟，机械部分实现了 卫星间相对运动的模拟。可以针对静态和动态两种系统模型，进行高精度测距系统精度的 测量。其中，光学部分采用了r o f ( 光载射频链路) 技术，利用光纤代替大气或电缆作为 传输媒质来传输射频信号，具有体积小、传输损耗低、容量大、传输质量佳等多方面优良 特性。 实现原理如图2 1 所示，通过电光调制器将r f 信号( 测距信号) 调制到激光信号上， 光信号在光纤中传输数百公里后，由后端的光电探测器恢复出r f 信号，后接入固定在电 控平移台上的发射天线，发射电线和接收天线分别固定在电控平移台的移动台和固定台 上，两者之间的距离可以通过运动控制器精确调节，接收天线的输出端与信号处理电路的 输入端相连，最终由信号处理电路将测距信号经过的距离解算出来。 a 光学部分 图2 1 精度验证系统的实现原理框图 7 浙江大学硕士学位论文 2 2 系统设计原理 精度验证系统中涉及到的光学器件包括：激光器、光纤、电光调制器、光强放大器、 光电探测器。 影响激光在光纤中传输的因素主要包括光的衰减、色散及光的非线性效应。为了保证 光电探测器恢复出的测距信号不失真，在光学器件的选择过程中，要充分考虑由光学器件 导致的上述影响，尽量降低这三种因素的影响甚至将其消除。 ( 1 ) 激光器 激光器的一个重要指标就是线宽，它会直接影响到光纤系统传输信号的质量。本设计 中采用的x x 型激光器线宽小于o 6 n m ，噪声低。输出端串接4 0 d b 光学隔离器，以消除 背反射和频率抖动，并且采用了集成温度控制系统，能增加波长和功率的稳定性。在长距 离、大容量的光纤通信系统中，这种激光器可以降低色散的影响，使激光器工作在单纵模 状态下，以降低光谱宽度。 其工作波长为1 5 5 0 n m ，在此波长处，光纤衰减系数最小，而且后面选用的光强放大 器( e d f a ) 的工作波长在1 5 5 0 n m 附近。 图2 2 为x x 型激光器的输出光谱图。 ： l ； il i! i l；i i i 1 t 1 4 l 舯 j 呻5 j s 葛 只e s 覆 r 瞒i i w i , i 断 图2 2x x 型激光器输出光谱 ( 2 )电光调制器 r o f 链路根据调制方式的不同可以分为直接调制链路和间接( 外部) 调制链路。相比 于直接调制链路，外调制链路虽然结构复杂，不易控制，但是有更好的增益与噪声系数特 性【16 】，而且调制速率高，本系统即采用了外调制链路。 同时，为了有利于接收机的直接检波，本系统采用了强度调制，激光的功率随着调制 信号的幅度变化呈正比例变化，光接收机直接地响应其所接收的光强度变化，可以方便地 恢复出调制在光载波上的射频信号。 星间高精度测距系统精度验证系统的设计及实现 电光调制的基础是电光效应【1 7 l 。本系统中，在光源的输出通路上外加调制器，利用晶 体传输特性随电压变化来实现对光波的外调制。 本设计中选用的x x 型电光调制器是一种以钛扩散铌酸锂为衬底的高频率模拟强度调 制器，属于马赫一曾德干涉构架的单端驱动调制器，主要用于1 5 5 0 n m 窗1 ：3 ，而且驱动电 压低，可以支持2 0 g h z 的工作频率。具体参数如下图： 表2 1x x 型电光调制器的参数 参数最大值典型值最大值 工作波长 1 5 2 5 n m1 6 0 5 r i m 插入损耗5 5 d b v 。 2 0 g i - i z 3 5 v3 9 v v 。 d c 1 5 v2 0 v 消光比 2 0 d b 发射损耗 4 0 d b s 1 1 ( d c 2 0 g h z )1 2 d b1 0 d b 插入损耗变化量 0 5 d b ( 3 ) 光强放大器 光强放大器采用了掺铒光纤放大器( e d f a ) ，其在波长为1 5 5 0 r i m 处具有增益高、功 率高、带宽宽等特性。 在远距离光纤通信中，光信号需进行长距离传输，由于受光发送机输出功率，光接收 机接收灵敏度，光纤传输线路的衰耗和带宽( 或色散) 的限制，光发送机和光接收机之间 的最大传输距离是有限的。为了既能延长传输距离，又能保证信号传输质量，就需要在信 噪比稍有下降情况下就要进行损耗补偿，以往普遍使用的方法是将光信号接收后先进行 o e 变换，对变换后的电信号进行放大，再利用e o 转换器实现高电平输出光信号的目的。 这种方法结构复杂，有很多限制性。e d f a 可以对光信号直接放大，省去了o e 、e o 变 换，结构简单，方便实现。 e d f a 利用光纤中的掺铒离子作为增益介质来实现光强放大。其实现放大的能级结构 图如图2 - 3 所示。 e 3 激发态 ：子 、e 2 亚稳杰 i 收 ：泵 i 羹 泵浦，l 占譬 乒戢v 出 j 二) ：受激输出 嚣器誊 e l 基态 图2 3e d f a 实现放大的能级结构图 9 寻咎 浙江大学硕士学位论文 图2 3 中，掺铒光纤中处于基态的e r 3 + 离子在泵浦光的作用下跃迁至激发态，而后很 快地转移到亚稳态，e f 3 + 离子在亚稳态上的寿命比较长18 1 。在输入的弱光信号作用下，处 于亚稳态的e r 3 + 离子发生受激辐射，产生大量的与输入光相同的光子，从而实现光强放大。 因此，e d f a 工作波长位于光纤损耗最小的1 5 5 0 r i m 波长区，比其他光放大器更具有 优势。下表为本设计中x x 型e d f a 的光学参数。 表2 2 x x 型e d f a 光学参数 项目 最小值典型值最大值 单位 工作波长范围 1 5 5 0n m 输入功率范围 一1 5od b m 输出功率 51 5d b m 噪声系数 5 0 0 d b m 6 0d b 输入回波损耗 一4 5d b 输出回波损耗 一4 5d b ( 4 ) 光电探测器 光电解调器采用直接检波，从光纤中传输过来的已调光波信号入射到光电检波器的光 敏面上，通过光电效应，光电探测器将光信号恢复出光电流。由于光信号经过长距离的传 输，到达光电探测器的时候已经很微弱，为了有效地将光信号转换为电信号，要求光电检 波器有较高的响应度、较低的转换噪声、较快的响应速度，必要时还需要增加电信号放大 电路。 图2 4x x 型光电探测器电路原理图 图2 4 为本设计中选用的x x 型光电探测器的电路原理图，可以看出，该探测器主要 1 0 星间高精度测距系统精度验证系统的设计及实现 有两部分组成，光电二极管和光电流放大电路，该放大电路具有较高的增益和噪声抑制作 用。在最后一章会对该放大电路的性能进行测试。 表2 3x x 型光电探测器光学参数表 工作波长 8 0 0 1 6 3 0n n l 探测器材料 i n g a a s 最大转换增益1 5 删 探测面直径 0 0 1 2m i l l 噪声等效功率( n e p ) 3 0 p w n h z 输入光模式单模 响应度0 6 枷 3 d b 带宽2 0 g h z 低频截止 5 0 最大脉冲响应时间 1 9p s 输入接口 f c p c 输出接口 s m a 输出阻抗 5 0q 上表列出了所使用的光电探测器主要参数，其中，n e p 代表噪声等效功率，由于任何 探测器都有噪声，而只有自身功率大于噪声功率的信号才可以被检测出来，利用n e p 的 数值可以计算出探测器的最小灵敏度，n e p 值越小，表示探测器的探测性能越好。 ( 5 ) 光纤 光在光纤中传播是基于光的全反射原