CN116953715A - 一种基于非平衡双bpsk的激光测距通信一体化实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于非平衡双BPSK的激光测距通信一体化实现方法，包括：在A星，发射激光器产生的激光通过1:n分束器后分别进入伪码测距支路和通信支路；伪码测距支路和通信支路各自经过BPSK调制器调制后，通过合束器合路进入光放模块，并经光学天线A发射出去；在B星，本振激光器产生的激光与经光学天线B接收的信号光经相干接收模块混频后，产生I、Q两路正交的中频信号并进入信号处理模块；通过信号处理模块对I、Q两路正交中频信号进行处理后，输出伪码测距值和通信数据。本发明能够在实现精密测距的同时，保证较高的通信速率，并且对通信链路的功率影响较小。相比传统的QPSK方案，能够分配更高比例的功率用于激光通信。

Description

一种基于非平衡双BPSK的激光测距通信一体化实现方法
技术领域
本发明属于卫星导航技术领域，尤其涉及一种基于非平衡双BPSK的激光测距通信一体化实现方法。
背景技术
在星间激光测量领域，光载射频体制测量精度高，技术可靠性强，并已在北斗三号完成在轨验证。由于光载射频体制兼具精密测量和高速通信的功能，是未来空间时频传递技术发展的主要方向。
当前，基于光载射频体制的测距方案主要有数据帧方案、高速伪码方案、兼具高速伪码与高速通信的QPSK方案。
在数据帧测距方案中，发射方将数据帧帧头与星上秒脉冲对齐后发射数据帧，接收方在完成载波同步和数据解调后，恢复数据帧帧头，通过测量本星秒脉冲与恢复帧头之间的码元相位差，完成伪距测量。通过双向的测量，实现星间测距与钟差测量。数据帧测距方案能够实现测距与通信的一体化，然而由于环路相干积分时间不超过码速率，接收机环路带宽较宽，难以提升测量精度。
在高速伪码方案中，由于接收机环路相干积分时间较长，因此在相同的接收机参数下，相较于数据帧测距方案，能够实现更高的测距精度。然而，该方案能够支持的星间通信速率远低于数据帧测距方案。
兼具高速伪码与高速通信的QPSK方案通过测量支路和通信支路的等功率分配，实现了伪码精密测量和高速通信的一体化。在同等激光发射功率下，与数据帧方案相比，代价是用于通信的功率下降了3dB，对误码率产生较大的影响。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于非平衡双BPSK的激光测距通信一体化实现方法，能够在实现精密测距的同时，保证较高的通信速率，并且对通信链路的功率影响较小。相比传统的QPSK方案，能够分配更高比例的功率用于激光通信。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于非平衡双BPSK的激光测距通信一体化实现方法，包括：
在A星，发射激光器产生的激光通过1:n分束器后分别进入伪码测距支路和通信支路；伪码测距支路和通信支路各自经过BPSK调制器调制后，通过合束器合路进入光放模块，并经光学天线A发射出去；
在B星，本振激光器产生的激光与经光学天线B接收的信号光经相干接收模块混频后，产生I、Q两路正交的中频信号并进入信号处理模块；
通过信号处理模块对I、Q两路正交中频信号进行载波同步、数据解调和伪码跟踪处理后，输出伪码测距值和通信数据，实现精密测距和高速通信一体化的目标。
在上述基于非平衡双BPSK的激光测距通信一体化实现方法中，A星发射激光场Es表达式为：
其中，x(t)D(t)表示伪码测距支路调制信号，y(t)表示通信支路调制信号，D(t)表示搭载在伪码测距支路的低速数据信号，x(t)表示直接序列扩频调制的伪码信号，Asx表示伪码测距支路光场强度，Asy表示通信支路光场强度，wS表示激光频率，表示激光相噪，t表示时间。
在上述基于非平衡双BPSK的激光测距通信一体化实现方法中，Asx大于Asy，x(t)与y(t)的调制速率相同。
在上述基于非平衡双BPSK的激光测距通信一体化实现方法中，I、Q两路正交中频信号可以共同表示为一个复信号S1：
其中，R表示相干接收模块中光电探测器的效率，Plo表示本振光功率，Psx表示接收到的伪码测距支路的光功率，Psy表示接收到的通信支路的光功率，θN表示两端激光器引入的相位噪声，wc表示相干混频后的中频频率。
在上述基于非平衡双BPSK的激光测距通信一体化实现方法中，取将式(2)写作：
其中，表示伪码测距支路信号对应的调制相位，/>表示通信支路信号对应的调制相位。
在上述基于非平衡双BPSK的激光测距通信一体化实现方法中，信号处理模块对I、Q两路正交中频信号进行载波同步、数据解调和伪码跟踪处理后，输出伪码测距值和通信数据，包括：
对I、Q两路正交中频信号进行载波同步，得到基带信号；
将产生的基带信号分别送入通信解调单元和伪码跟踪单元，经通信解调单元和伪码跟踪单元后，分别输出通信数据和伪码测距值。
在上述基于非平衡双BPSK的激光测距通信一体化实现方法中，基带信号S3表示如下：
在上述基于非平衡双BPSK的激光测距通信一体化实现方法中，在伪码跟踪单元中，通信支路信号成为跟踪过程中的背景噪声，利用通信支路的解调结果辅助伪码跟踪，具体的：
在完成通信支路解调后，对式(4)乘以得到信号S4：
经过去直流处理后，得到信号S5：
对式(6)乘以剥离出伪码测距支路基带信号S6：
将剥离出的伪码测距支路基带信号S6送入伪码跟踪环实现对伪码的跟踪测量。
在上述基于非平衡双BPSK的激光测距通信一体化实现方法中，n≥9。
在上述基于非平衡双BPSK的激光测距通信一体化实现方法中，相干接收模块包括：90°混频器和光电探测器。
本发明具有以下优点：
本发明公开了一种基于非平衡双BPSK的激光测距通信一体化实现方法，能够在实现精密测距的同时，保证较高的通信速率，并且对通信链路的功率影响较小。相比传统的QPSK方案，能够分配更高比例的功率用于激光通信。满足下一代卫星导航系统发展高精度激光测距与时频传递的需求。
附图说明
图1是本发明实施例中一种基于非平衡双BPSK的激光测距通信一体化实现方法的原理框图；
图2是本发明实施例中一种基于信号处理模块进行数字信号处理的原理框图；
图3是本发明实施例中一种经过载波同步后的星座仿真图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
在激光测距与通信一体化方案中，在保证较高通信速率的前提下实现精密测距是一个关键问题。传统方法无法很好地兼顾高速通信与精密测距。数据帧测距方案精度有限，伪码方案难以保证较高的通信速率，QPSK测距通信一体化方法对通信链路会有3dB的功率下降影响。本发明提出的方法能够在实现精密测距的同时，保证较高的通信速率，并且对通信链路的功率影响较小。相比传统的QPSK方案，能够分配更高比例的功率用于激光通信。
如图1，在本实施例中，该基于非平衡双BPSK的激光测距通信一体化实现方法，包括：
步骤1，在A星，发射激光器产生的激光通过1:n分束器后分别进入伪码测距支路和通信支路；伪码测距支路和通信支路各自经过BPSK调制器调制后，通过合束器合路进入光放模块，并经光学天线A发射出去。
在本实施例中，A星发射激光场Es表达式为：
其中，x(t)D(t)表示伪码测距支路调制信号，y(t)表示通信支路调制信号，D(t)表示搭载在伪码测距支路的低速数据信号，x(t)表示直接序列扩频调制的伪码信号，Asx表示伪码测距支路光场强度，Asy表示通信支路光场强度，wS表示激光频率，表示激光相噪，t表示时间；Asx大于Asy，x(t)与y(t)的调制速率相同；n≥9。
步骤2，在B星，本振激光器产生的激光与经光学天线B接收的信号光经相干接收模块混频后，产生I、Q两路正交的中频信号并进入信号处理模块。
在本实施例中，I、Q两路正交中频信号可以共同表示为一个复信号S1：
其中，R表示相干接收模块中光电探测器的效率，Plo表示本振光功率，Psx表示接收到的伪码测距支路的光功率，Psy表示接收到的通信支路的光功率，θN表示两端激光器引入的相位噪声，wc表示相干混频后的中频频率。
进一步的，取则可将式(2)写作：
其中，表示伪码测距支路信号对应的调制相位，/>表示通信支路信号对应的调制相位。
优选的，相干接收模块由90°混频器和光电探测器组成。
步骤3，通过信号处理模块对I、Q两路正交中频信号进行载波同步、数据解调和伪码跟踪处理后，输出伪码测距值和通信数据，实现精密测距和高速通信一体化的目标。
在本实施例中，通过信号处理模块对I、Q两路正交中频信号进行载波同步、数据解调和伪码跟踪等一系列处理，处理流程如图2所示。首先进行载波同步，剥离载波获得基带信号。由于通信支路功率占比较大，可利用传统的开环BPSK频偏估计算法和相噪补偿算法进行载波同步。频偏估计算法可采用相位增量算法，相噪补偿算法可采用Viterbi-Viterbi算法。由于在发射端(A星)，伪码测距支路信号和通信支路是经过BPSK独立调制，因此在接收端(B星)采用开环BPSK载波同步会产生一定误差。在伪码测距支路和通信支路的功率比为1:9时，伪码测距支路成为载波同步过程中的背景噪声，图3是经过载波同步后的星座仿真图。仿真表明载波同步后的频偏和相噪基本被消除，不影响通信数据解调。
优选的，信号处理模块的处理方式如下：对I、Q两路正交中频信号进行载波同步，得到基带信号；然后，将产生的基带信号分别送入通信解调单元和伪码跟踪单元，经通信解调单元和伪码跟踪单元后，分别输出通信数据和伪码测距值。具体的：
基带信号S3表示如下：
在伪码跟踪单元中，通信支路信号成为跟踪过程中的背景噪声，利用通信支路的解调结果辅助伪码跟踪，具体的：
在完成通信支路解调后，对式(4)乘以得到信号S4：
经过去直流处理后，得到信号S5：
对式(6)乘以剥离出伪码测距支路基带信号S6：
将剥离出的伪码测距支路基带信号S6送入伪码跟踪环实现对伪码的跟踪测量。
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专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种基于非平衡双BPSK的激光测距通信一体化实现方法，其特征在于，包括：
在A星，发射激光器产生的激光通过1:n分束器后分别进入伪码测距支路和通信支路；伪码测距支路和通信支路各自经过BPSK调制器调制后，通过合束器合路进入光放模块，并经光学天线A发射出去；
在B星，本振激光器产生的激光与经光学天线B接收的信号光经相干接收模块混频后，产生I、Q两路正交的中频信号并进入信号处理模块；
通过信号处理模块对I、Q两路正交中频信号进行载波同步、数据解调和伪码跟踪处理后，输出伪码测距值和通信数据，实现精密测距和高速通信一体化的目标。
2.根据权利要求1所述的基于非平衡双BPSK的激光测距通信一体化实现方法，其特征在于，A星发射激光场Es表达式为：
其中，x(t)D(t)表示伪码测距支路调制信号，y(t)表示通信支路调制信号，D(t)表示搭载在伪码测距支路的低速数据信号，x(t)表示直接序列扩频调制的伪码信号，Asx表示伪码测距支路光场强度，Asy表示通信支路光场强度，wS表示激光频率，表示激光相噪，t表示时间。
3.根据权利要求2所述的基于非平衡双BPSK的激光测距通信一体化实现方法，其特征在于，Asx大于Asy，x(t)与y(t)的调制速率相同。
4.根据权利要求2所述的基于非平衡双BPSK的激光测距通信一体化实现方法，其特征在于，I、Q两路正交中频信号可以共同表示为一个复信号S1：
其中，R表示相干接收模块中光电探测器的效率，Plo表示本振光功率，Psx表示接收到的伪码测距支路的光功率，Psy表示接收到的通信支路的光功率，θN表示两端激光器引入的相位噪声，wc表示相干混频后的中频频率。
5.根据权利要求4所述的基于非平衡双BPSK的激光测距通信一体化实现方法，其特征在于，取将式(2)写作：
其中，表示伪码测距支路信号对应的调制相位，/>表示通信支路信号对应的调制相位。
6.根据权利要求5所述的基于非平衡双BPSK的激光测距通信一体化实现方法，其特征在于，信号处理模块对I、Q两路正交中频信号进行载波同步、数据解调和伪码跟踪处理后，输出伪码测距值和通信数据，包括：
对I、Q两路正交中频信号进行载波同步，得到基带信号；
将产生的基带信号分别送入通信解调单元和伪码跟踪单元，经通信解调单元和伪码跟踪单元后，分别输出通信数据和伪码测距值。
7.根据权利要求6所述的基于非平衡双BPSK的激光测距通信一体化实现方法，其特征在于，基带信号S3表示如下：
8.根据权利要求7所述的基于非平衡双BPSK的激光测距通信一体化实现方法，其特征在于，在伪码跟踪单元中，通信支路信号成为跟踪过程中的背景噪声，利用通信支路的解调结果辅助伪码跟踪，具体的：
在完成通信支路解调后，对式(4)乘以得到信号S4：
经过去直流处理后，得到信号S5：
对式(6)乘以剥离出伪码测距支路基带信号S6：
将剥离出的伪码测距支路基带信号S6送入伪码跟踪环实现对伪码的跟踪测量。
9.根据权利要求1所述的基于非平衡双BPSK的激光测距通信一体化实现方法，其特征在于，n≥9。
10.根据权利要求1所述的基于非平衡双BPSK的激光测距通信一体化实现方法，其特征在于，相干接收模块包括：90°混频器和光电探测器。
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