CN113691299A - 一种星间对称收发双向处理的与通信一体化的时频传递系统 - Google Patents

Abstract

一种星间对称收发双向处理的与通信一体化的时频传递系统，包括光梳频综单元、星间激光通信终端、星间时频传递处理单元，采用对称收发处理的技术体制，通过与激光通信系统复用激光终端，使用激光通信信号来进行时间传递，使用激光载波信号来进行频率传递，可以与现有的激光通信单元复用，实现高精度时频频传递与通信的深度融合，有应用于下一代卫星导航系统的空间工程应用前景，具有广泛空间应用的潜力。

Description

一种星间对称收发双向处理的与通信一体化的时频传递系统

技术领域

本发明涉及一种星间对称收发双向处理的与通信一体化的时频传递系统，属于时间频率传递领域。

背景技术

高精度时间、频率的传递，是协调世界时UTC建立保持的必备条件，也是GNSS系统时建立保持、系统节点间高精度时间同步的必备技术。同时随着光学时频技术的发展，原子钟的精度不断提高，最新的实验室高精度光钟稳定度已经达到E-18量级，下一代的秒定义也是基于光钟定义，这些都对星间时频传递与比对精度提出了更高要求。

目前，基于GNSS的传统微波时频传递方法时间同步精度到达ns量级，频率传递稳定度到达10-15量级，已经成为目前远距离时频传递所依赖的主要技术，但其已经不能满足未来高精度的星间时频传递比对精度要求。

目前常用的激光时频传递技术主要有基于脉冲激光体制的技术路线，基于光纤的主动相位噪声时频传递技术、基于光梳的双向时频传递技术和本专利提出的与通信一体化的光载射频时间频率传递技术。

基于脉冲激光体制的激光时间传递技术通过测量到达脉冲信号的飞行时间来计算钟差，基于此技术路线的ACES-ELT项目预期达到星地时间比对精确度50ps。但脉冲激光体制无法与目前较为成熟的连续波星间激光通信进行融合使用。同时ACES-ELT项目中由于脉冲激光受到反射器的影响，链路衰减较大，使得其时频传递距离难以进一步增大。

基于光纤的主动相位噪声补偿技术基于往返相位噪声补偿原理，可以在数百公里的距离上实现(E-18-E-19)/d量级的频率传递稳定度。但是受限于光纤传播介质，目前主要在地面使用，不能用于洲际间时间比对及卫星间时频传递应用。

基于光梳的双向时频传递技术基于双光梳的线性光采样技术，可以在km量级的自由空间环境下实现fs量级的时间同步精度，E-19量级/天的频率传递稳定度，但是其目前仍在实验室验证阶段，且系统较为复杂，不能和现有的激光通信终端相融合，不适用于未来应用型卫星系统低代价的星间时频传递应用。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，传统时频传递技术存在的链路衰减较大、使用领域受限、不能和现有的激光通信终端相融合的问题，提出了一种星间对称收发双向处理的与通信一体化的时频传递系统。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种星间对称收发双向处理的与通信一体化的时频传递系统，包括光梳频综单元、星间激光通信终端、星间时频传递处理单元，其中：

光梳频综单元：用于产生与原子钟相位相干的激光载波频率传递信号、与原子钟相位相干的微波时钟信号；所述微波时钟信号用于产生基带调制所需时间传递信号；

星间激光通信终端：基于星间时频传递处理单元生成的基带信号，对光梳频综单元生产的激光载波频率传递信号进行相位调制、光学放大处理，通过光学天线进行发射，并对光学天线接收到得弱光信号进行放大、光学混频、光电探测处理；

星间时频传递处理单元：基于光梳频综单元产生的微波时钟信号，生成并处理用于时间传递的基带信号，接收固定变频处理后的基带信号进行时差及频差测量。

所述光梳频综单元中：

光疏频综单元对光梳重复频率fr、载波包络偏移频率fCeo、原子钟通过锁相环路进行反馈锁定控制，将光梳锁定于外参考原子钟上，原子钟稳定度传递至光梳后完成光梳梳齿信号的相位锁定；

光疏频综单元以完成相位锁定后的光梳梳齿信号为参考，通过两个激光器锁定至光梳梳齿信号以保证激光器稳定度于光梳相同，激光器生成用于激光载波频率传递的载波信号，将载波信号发送至星间激光通信单元以作为激光发射与接收的本振载波信号；

光疏频综单元通过光梳自身的重复频率、高次谐波频率通过频综生成用于光载射频时间传递的微波时钟信号，为星间时频处理单元提供微波时钟。

所述外参考原子钟为微波钟或离子光钟、原子光钟等。

所述星间激光通信终端中：

通过光梳频综单元产生的通信载波激光信号对星间时频传递处理单元生成的基带信号以相位调制器进行相位调制，并进行光学功率放大处理，通过光学天线将处理后的基带信号发送至星间链路；

光梳频综单元产生的本振载波激光信号对光学天线接收到的调制信号进行光学混频及光电探测处理，将解调所得时频传递基带信号发送至星间时频传递处理单元进行相应的数字信号接收处理。

所述星间时频传递处理单元中：

光梳频综单元产生的微波时钟信号通过卫星的频综模块生成用于星间时频传递处理单元中的数字信号处理板的时钟及用于模数转换的时钟，数字信号处理板包含通信基带信号生成模块、通信基带信号处理模块；

通信信号基带生成模块用于生成通信基带信号并将所得信号与通信激光载波信号进行相位调制，相位调制后通信基带信号与本地脉冲时标信号相位对齐，相位调制后通信基带信号带有时标信息；

通信基带信号处理模块用于对星间激光通信单元解调的时频传递基带信号进行相应的数字信号接收处理，通过载波频偏估计测量出通信载波激光信号与本地载波激光信号的频差，进行频差数据解算；对通信载波激光信号进行载波同步后通过伪码或通信符号时钟同模块实现时钟同步，并再生基带信号，通过系带信号恢复发送端时标信息，将发送端时标信息于本地时标信息比对解算时差数据，实现光载射频时间传递及光载波频率传递。

所述通信基带信号通过信号扩频接收处理后以提升测量精度。

所述扩频接收处理后通信基带信号测量精度提升至激光载波波长范围内后，通过扩频伪码的测量值与载波相位测量值结合以提高测量精度并实现光载波时间传递。

所述载波相位测量值包括发射时刻初始相位、相位变化量，所述相位变化量通过双向对消体制消除激光源初始相位及相位噪声，并通过联合伪码测量整周模糊度以提高测量精度。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提供的一种星间对称收发双向处理的与通信一体化的时频传递系统，采用对称收发处理的技术体制，通过与激光通信系统复用激光终端，使用激光通信信号来进行时间传递，使用激光载波信号来进行频率传递。该方法可以与现有的激光通信单元复用，实现高精度时频频传递与通信的深度融合，有应用于下一代卫星导航系统的空间工程应用前景，具有广泛空间应用的潜力；

(2)本发明采用双向处理的时频比对系统，该方法能够复用星间激光通信链路，通过光梳实现激光载波信号与微波时钟信号的相干生成，利用通信信号作为测量信号，实现星间激光时频传递测量比对，同时实现星间高速通信功能。该方法同时具有高精度时频比对测量与高速通信功能，具备星间高精度的时间同步与频差测量比对能力。该方法有效地提升系统性能，降低系统复杂度；

(3)本发明使用光载波进行频率传递的时频传递体制，可以同时进行高精度的时间传递和频率传递功能，适用于未来星间高精度的时频传递应用，可以采取数控可变本振的变频方法，区别于传统的模拟域反馈，通过数字域反馈控制调整量可以知道反馈调整量值的大小，同时可以采取在宽带通信基础上再次进行扩频处理，实现扩频信号测量精度进入光载波的波长范围内，使用扩频信号来解决光载波相位测量的模糊度问题，实现无模糊的光载波时间传递。

附图说明

图1为发明提供的通信一体化的星间时频传递链路系统原理框图；

图2为发明提供的空间光梳频综单元原理框图；

图3为发明提供的空间激光通信终端原理框图；

图4为发明提供的空间时频传递处理单元原理框图；

具体实施方式

一种星间对称收发双向处理的与通信一体化的时频传递系统，如图1所示，采用对称收发处理的技术体制，通过与激光通信系统复用激光终端，使用激光通信信号来进行时间传递，使用激光载波信号来进行频率传递，可以与现有的激光通信单元复用，实现高精度时频频传递与通信的深度融合，有应用于下一代卫星导航系统的空间工程应用前景，具有广泛空间应用的潜力。

时频传递系统主要包括光梳频综单元、星间激光通信终端、星间时频传递处理单元，其中：

光梳频综单元：用于产生与原子钟相位相干的激光载波频率传递信号、与原子钟相位相干的微波时钟信号；所述微波时钟信号用于产生基带调制所需时间传递信号；

如图2所示，光梳频综单元中：

光疏频综单元对光梳重复频率fr、载波包络偏移频率fCeo、原子钟通过锁相环路进行反馈锁定控制，将光梳锁定于外参考原子钟上，原子钟稳定度传递至光梳后完成光梳梳齿信号的相位锁定；

光疏频综单元以完成相位锁定后的光梳梳齿信号为参考，通过两个激光器锁定至光梳梳齿信号以保证激光器稳定度于光梳相同，激光器生成用于激光载波频率传递的载波信号，将载波信号发送至星间激光通信单元以作为激光发射与接收的本振载波信号；

光疏频综单元通过光梳自身的重复频率、高次谐波频率通过频综生成用于光载射频时间传递的微波时钟信号，为星间时频处理单元提供微波时钟；

外参考原子钟为微波钟或离子光钟或原子光钟。

如图3所示，星间激光通信终端：基于星间时频传递处理单元生成的基带信号，对光梳频综单元生产的激光载波频率传递信号进行相位调制、光学放大处理，通过光学天线进行发射，并对光学天线接收到得弱光信号进行放大、光学混频、光电探测处理；

如图4所示，星间激光通信终端中：

通过光梳频综单元产生的通信载波激光信号对星间时频传递处理单元生成的基带信号以相位调制器进行相位调制，并进行光学功率放大处理，通过光学天线将处理后的基带信号发送至星间链路；

光梳频综单元生成的本振载波激光信号对需昂学天线接收到的调制信号进行光学混频及光电探测处理，将解调所得时频传递基带信号发送至星间时频传递处理单元进行相应的数字信号接收处理；

星间时频传递处理单元：基于光梳频综单元产生的微波时钟信号，生成并处理用于时间传递的基带信号，接收固定变频处理后的基带信号进行时差及频差测量；

星间时频传递处理单元中：

光梳频综单元产生的微波时钟信号通过卫星的频综模块生成用于星间时频传递处理单元中的数字信号处理板的时钟及用于模数转换的时钟，数字信号处理板包含通信基带信号生成模块、通信基带信号处理模块；

通信信号基带生成模块用于生成通信基带信号并将所得信号与通信激光载波信号进行相位调制，相位调制后通信基带信号与本地脉冲时标信号相位对齐，相位调制后通信基带信号带有时标信息；

通信基带信号处理模块用于对星间激光通信单元解调的时频传递基带信号进行相应的数字信号接收处理，通过载波频偏估计测量出通信载波激光信号与本地载波激光信号的频差，进行频差数据解算；对通信载波激光信号进行载波同步后通过伪码或通信符号时钟同模块实现时钟同步，并再生基带信号，通过系带信号恢复发送端时标信息，将发送端时标信息于本地时标信息比对解算时差数据，实现光载射频时间传递及光载波频率传递；

通信基带信号通过信号扩频接收处理后以提升测量精度；

扩频接收处理后通信基带信号测量精度提升至激光载波波长范围内后，通过扩频伪码的测量值与载波相位测量值结合以提高测量精度并实现光载波时间传递；

载波相位测量值包括发射时刻初始相位、相位变化量，所述相位变化量通过双向对消体制消除激光源初始相位及相位噪声，并通过联合伪码测量整周模糊度以提高测量精度。

下面结合具体实施例进行进一步说明：

在当前实施例中，本发明公开的与通信一体化的星间时频传递链路方法，具体为：

星间对称收发双向处理的与通信一体化的时频传递系统包括：

星间对称收发双向处理的与通信一体化的时频传递系统包括光梳频综单元，光梳频综单元用于产生与原子钟相位相干的光载波频率传递信号和与原子钟相位相干的微波时钟信号，该微波时钟信号用于产生基带调制的时间传递信号；

星间对称收发双向处理的与通信一体化的时频传递系统包括星间激光通信终端，星间时频传递处理单元基于光梳频综单元产生的微波时钟信号生成和处理用于时间传递的基带信号，接收处理固定变频处理后的基带信号，进行时差和频差的测量；

星间对称收发双向处理的与通信一体化的时频传递系统包括星间时频传递处理单元，星间激光通信单元基于星间时频传递处理单元产生的基带信号对光梳频综单元产生的激光载波信号进行相位调制、光学放大、光学天线发射及并对光学天线接收到的弱光信号进行放大、光学混频、光电探测等。

其中，光梳频综单元中，光梳频综单元通过对光梳的重复频率fr和载波包络偏移频率fCeo与原子钟使用锁相环路进行反馈锁定控制，实现将光梳锁定到外参考原子钟上，此处原子钟可以是(铷钟、氢钟、铯钟等微波钟或离子光钟、原子光钟等光钟)，将原子钟的稳定度传递到光梳上，完成光梳梳齿信号的相位锁定；

以已经完成相位锁定的光梳梳齿信号为参考，将两个激光器锁定到光梳梳齿信号上，使得激光器的稳定度与光梳保持相当，产生用于激光载波频率传递的载波信号，fa作为通信激光载波信号，fb作为本振激光载波信号(接收端则是fb作为通信激光载波信号，fa作为本振激光载波信号)，送至星间激光通信单元作为激光发射与接收本振的载波信号；

同时光梳通过自身的重复频率或者其高次谐波频率通过频综产生用于光载射频时间传递的微波时钟信号，给星间时频处理单元提供微波时钟信号。

星间时频传递处理单元中，光梳频综单元产生的通信载波激光信号对星间时频传递处理单元生成的基带信号通过相位调制器进行相位调制，然后进行光学功率放大，通过光学天线发送到星间链路；

光梳频综单元产生的本振载波激光信号对光学天线接收到的调制信号进行光学混频、光电探测，解调出时频传递基带信号送至星间时频传递处理单元进行相应的数字信号接收处理；

光学混频可以是基于固定本振的变频，也就是本振激光器频率不受调谐，也可以是基于数字域反馈控制的可变本振的变频。基于数字域反馈控制的可变本振的变频区别于目前常用的模拟域光锁相环路，模拟域光锁相环路通过模拟环路滤波器反馈控制激光器，而数字域控制反馈环路可以实时知道调整量值大小，有利于后续的相应处理。

星间激光通信单元中，光梳频综单元产生的微波时钟信号通过频综模块产生用于数字信号处理板的时钟和用于模数转换的时钟。数字信号处理板包含通信基带信号生成模块和通信基带信号处理模块；

通信信号基带生成模块用于生成的通信基带信号，将生成的通信基带信号与通信激光载波信号进行相位调制。生成的通信基带信号需要与本地的脉冲时标信号严格相位对齐，保证调制后的信号携带有发射端的时标信息；

通信基带信号处理模块用于对星间激光通信单元解调的时频传递基带信号进行相应的数字信号接收处理，通过载波频偏估计测量出通信载波激光信号与本地载波激光信号的频差，解算出频差数据；载波同步之后的信号通过伪码或通信符号时钟同模块实现时钟同步，再生基带信号。通过基带信号恢复出发送端时标信息，将发送端时标信息与本地时标信息比对解算出时差数据；最终实现光载射频时间传递和光载波频率传递；

通信基带信号还可以对其进行扩频处理，使用更高速率的信号扩频接收处理后便可以获得更高的测量精度。如果将扩频接收处理后的测量精度提升到激光载波的波长范围内，利用扩频伪码的测量值与载波相位测量值进行结合，便可以解决光载波相位测量中的整周模糊度问题，接下来便可以进行更高精度的无模糊的激光载波信号的相位测量，大幅度提高测量精度，实现光载波时间传递。

载波相位测量值中包含有发射时刻的初始相位和星间距离引起的相位变化量，采用双向对消体制可消除激光源的初始相位以及相位噪声，保留星间距离引起的相位变化量，联合伪码测量解整周模糊度，从而能够利用光载波相位测量提高测量精度。

与通信一体化的星间时频传递链路方法，具体实施步骤如下：

(1)光梳相位锁定。将光梳输出信号通过高速光电探测器，探测器探测到的重复频率与原子钟产生的射频信号通过鉴相器进行鉴相，鉴相器输出的误差信号滤除高频噪声后，经过环路滤波器伺服控制后，反馈调节压电陶瓷长度，进而改变激光器腔长，最终实现fr信号的锁定。空间光梳信号通过1f-2f自参考，通过高速光电探测器探测到载波包络偏移频率，并与原子钟参考的射频信号混频鉴相得到误差信号，该误差信号送往伺服系统，通过控制光梳的泵浦功率实现对载波包络偏移频率fceo的精密控制。将原子钟的稳定度传递到光梳上，完成光梳梳齿信号的相位锁定。

(2)激光载波信号与微波时钟信号产生。光梳精密锁定控制后，光梳梳齿的稳定度与原子钟的稳定度保持一致，通过将光梳信号与频率为fa和fb的激光器进行拍频，拍频信号通过环路滤波反馈控制激光器fa和fb的频率，使得激光器的稳定度与光梳的稳定度一致。同时光梳通过自身的重复频率或者其高次谐波频率通过频综产生用于光载射频时间传递的微波时钟信号。

(3)时频传递基带信号调制与解调。通过星间激光通信单元实现将时频传递基带信号相位调制到光梳产生的发射激光载波信号上，进行光学功率放大，通过光学天线发送到星间链路；同时通过光学天线接收另一端发射的激光信号，进行光学混频、光电探测，解调出时频传递基带信号送至星间时频传递处理单元进行相应的数字信号接收处理。

(4)时频传递基带信号生成与接收处理。光梳频综单元产生的微波时钟信号通过频综模块产生用于数字信号处理板的时钟和用于模数转换的时钟。数字信号处理板包含通信基带信号生成模块和通信基带信号处理模块。

通信信号基带生成模块用于生成的通信基带信号，将生成的通信基带信号与通信激光载波信号进行相位调制。生成的通信基带信号需要与本地的脉冲时标信号严格相位对齐，保证调制后的信号携带有发射端的时标信息。

通信基带信号处理模块用于对星间激光通信单元解调的时频传递基带信号进行相应的数字信号接收处理，通过载波频偏估计测量出通信载波激光信号与本地载波激光信号的频差，解算出频差数据；载波同步之后的信号通过伪码或通信符号时钟同模块实现时钟同步，再生基带信号。通过基带信号恢复出发送端时标信息，将发送端时标信息与本地时标信息比对解算出时差数据；最终实现光载射频时间传递和光载波频率传递。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种星间对称收发双向处理的与通信一体化的时频传递系统，其特征在于：

包括光梳频综单元、星间激光通信终端、星间时频传递处理单元，其中：

光梳频综单元：用于产生与原子钟相位相干的激光载波频率传递信号、与原子钟相位相干的微波时钟信号；所述微波时钟信号用于产生基带调制所需时间传递信号；

星间激光通信终端：基于星间时频传递处理单元生成的基带信号，对光梳频综单元生产的激光载波频率传递信号进行相位调制、光学放大处理，通过光学天线进行发射，并对光学天线接收到得弱光信号进行放大、光学混频、光电探测处理；

星间时频传递处理单元：基于光梳频综单元产生的微波时钟信号，生成并处理用于时间传递的基带信号，接收固定变频处理后的基带信号进行时差及频差测量。

2.根据权利要求1所述的一种星间对称收发双向处理的与通信一体化的时频传递系统，其特征在于：

所述光梳频综单元中：

光疏频综单元对光梳重复频率fr、载波包络偏移频率fceo、原子钟通过锁相环路进行反馈锁定控制，将光梳锁定于外参考原子钟上，原子钟稳定度传递至光梳后完成光梳梳齿信号的相位锁定；

光疏频综单元以完成相位锁定后的光梳梳齿信号为参考，通过两个激光器锁定至光梳梳齿信号以保证激光器稳定度于光梳相同，激光器生成用于激光载波频率传递的载波信号，将载波信号发送至星间激光通信单元以作为激光发射与接收的本振载波信号；

光疏频综单元通过光梳自身的重复频率、高次谐波频率通过频综生成用于光载射频时间传递的微波时钟信号，为星间时频处理单元提供微波时钟。

3.根据权利要求2所述的一种星间对称收发双向处理的与通信一体化的时频传递系统，其特征在于：

所述外参考原子钟为微波钟或离子光钟、原子光钟等。

4.根据权利要求1所述的一种星间对称收发双向处理的与通信一体化的时频传递系统，其特征在于：

所述星间激光通信终端中：

通过光梳频综单元产生的通信载波激光信号对星间时频传递处理单元生成的基带信号以相位调制器进行相位调制，并进行光学功率放大处理，通过光学天线将处理后的基带信号发送至星间链路；

光梳频综单元产生的本振载波激光信号对光学天线接收到的调制信号进行光学混频及光电探测处理，将解调所得时频传递基带信号发送至星间时频传递处理单元进行相应的数字信号接收处理。

5.根据权利要求1所述的一种星间对称收发双向处理的与通信一体化的时频传递系统，其特征在于：

所述星间时频传递处理单元中：

光梳频综单元产生的微波时钟信号通过卫星的频综模块生成用于星间时频传递处理单元中的数字信号处理板的时钟及用于模数转换的时钟，数字信号处理板包含通信基带信号生成模块、通信基带信号处理模块；

通信信号基带生成模块用于生成通信基带信号并将所得信号与通信激光载波信号进行相位调制，相位调制后通信基带信号与本地脉冲时标信号相位对齐，相位调制后通信基带信号带有时标信息；

通信基带信号处理模块用于对星间激光通信单元解调的时频传递基带信号进行相应的数字信号接收处理，通过载波频偏估计测量出通信载波激光信号与本地载波激光信号的频差，进行频差数据解算；对通信载波激光信号进行载波同步后通过伪码或通信符号时钟同模块实现时钟同步，并再生基带信号，通过系带信号恢复发送端时标信息，将发送端时标信息于本地时标信息比对解算时差数据，实现光载射频时间传递及光载波频率传递。

6.根据权利要求5所述的一种星间对称收发双向处理的与通信一体化的时频传递系统，其特征在于：

所述通信基带信号通过信号扩频接收处理后以提升测量精度。

7.根据权利要求6所述的一种星间对称收发双向处理的与通信一体化的时频传递系统，其特征在于：

所述扩频接收处理后通信基带信号测量精度提升至激光载波波长范围内后，通过扩频伪码的测量值与载波相位测量值结合以提高测量精度并实现光载波时间传递。

8.根据权利要求7所述的一种星间对称收发双向处理的与通信一体化的时频传递系统，其特征在于：

所述载波相位测量值包括发射时刻初始相位、相位变化量，所述相位变化量通过双向对消体制消除激光源初始相位及相位噪声，并通过联合伪码测量整周模糊度以提高测量精度。

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