DE102020115460B3 - Method for determining the time difference between the time at which an optical signal is transmitted by an object and the time at which the optical signal is received by another object - Google Patents
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Abstract
Bei dem Verfahren zur Ermittlung der Zeitdifferenz zwischen dem Sendezeitpunkt und dem Empfangszeitpunkt eines optischen Signals mit einem Modulationscode aus einer Sequenz von Symbolen wird in an sich bekannter Weise zunächst im Empfangsobjekt des optischen Signals eine Korrelationsfunktion maximiert. Dabei wird ein Referenzsignal mit zum Modulationscode identische Symbolsequenz generiert und zur Maximierung der Korrelation die Symbolsequenz symbolweise und sub-symbolweise verschoben. Die Empfangszeit wird anhand des Zeitstempels des zeitlich ersten Symbols der verschobenen Symbolsequenz des Referenzsignals und der Symbol-Teilzeitdauer ermittelt, und zwar bei der durch die zur Maximierung des Korrelationsgrades erfolgten Verschiebung der Symbolsequenz des Referenzsignals (18) um die ein oder mehrere Symbol-Zeitdauern und die Symbol-Teilzeitdauer.In the method for determining the time difference between the transmission time and the reception time of an optical signal with a modulation code from a sequence of symbols, a correlation function is first maximized in the received object of the optical signal in a manner known per se. A reference signal with a symbol sequence identical to the modulation code is generated and, in order to maximize the correlation, the symbol sequence is shifted symbol-by-symbol and sub-symbol-wise. The time of reception is determined on the basis of the time stamp of the temporally first symbol of the shifted symbol sequence of the reference signal and the partial symbol duration, namely when the symbol sequence of the reference signal (18) is shifted by one or more symbol durations and times to maximize the degree of correlation the symbol part-time.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zeitübertragung zwischen mindestens zwei optisch durch einen Laser verlinkten Standorten.The present invention relates to a method for transmitting time between at least two locations optically linked by a laser.
Frequenzreferenzen, die zum Erzeugen einer Zeit verwendet werden, haben eine große kurzfristige Frequenzstabilität in der Größenordnung von 10-15 [s/s] (Allan-Deviation) und mehr für Abtastzeiten zwischen 0,1 und einigen hundert Sekunden erreicht. Zeitintervalle können nun routinemäßig bei Sub-fs-Level mit geringem Rauschen gemessen werden. Dies stellt eine Herausforderung dar beim Vergleichen der durch entfernte Uhren erzeugten Zeit unter Verwendung von Kommunikationsvorrichtungen, da diese ein additives Messrauschen eintragen und die Kanalverzögerungen bei einem niedrigen Level unterhalb der Soll-Zeitübertragungsgenauigkeit berücksichtigt werden müssen. Mikrowellenbasierte Zeitübertragungstechniken sind für dem Stand der Technik entsprechende optische Uhren inadäquat, und es wird eine Übertragung über optische Verbindungen erforderlich.Frequency references used to generate a time have achieved great short term frequency stability on the order of 10 -15 [s / s] (Allan deviation) and more for sample times between 0.1 and a few hundred seconds. Time intervals can now be routinely measured at sub-fs levels with low noise. This presents a challenge when comparing the time generated by remote clocks using communication devices, since these introduce additive measurement noise and the channel delays must be taken into account at a low level below the target time transmission accuracy. Microwave-based timing techniques are inadequate for prior art optical clocks and transmission over optical links is required.
Zeitübertragungsverfahren sind in zwei Kategorien unterteilt: Einweg-Verfahren, bei dem nur Einweg-Messungen verwendet werden und die Kanalausbreitungsverzögerungen modelliert werden (z.B. GNSS); und Zweiweg-Verfahren, bei dem Messungen von beiden Seiten ausgetauscht werden und Kanalverzögerung aufgehoben (falls symmetrisch), abgemildert oder modelliert werden (z.B. das Netzwerk-Zeitprotokoll NTP oder Zweiweg-Zeitübertragung über Kommunikationssatellit).Time transmission methods are divided into two categories: one-way methods, in which only one-way measurements are used and the channel propagation delays are modeled (e.g. GNSS); and two-way methods, in which measurements are exchanged by both sides and channel delay is canceled (if symmetrical), mitigated or modeled (e.g. the network time protocol NTP or two-way time transmission via communication satellite).
Bei einer üblichen Einweg-Zeitübertragungs- (OWTT) Technik werden Global Navigation Satellit Systems (GNSSs) verwendet. Diese sind aus mehreren zehn Satelliten gebildet, die Navigationssignale in ein L-Band senden. Diese global und kontinuierlich zur Verfügung stehenden Signale werden von einem GNSS-Empfänger verarbeitet, um die Position im Raum zu bestimmen. Des Weiteren bieten nach dem Entfernen von Kanalverzögerungen, die auf die Signalausbreitung vom Satelliten zum Empfänger bezogen sind, störenden atmosphärischen (ionosphärischen und troposphärischen) Verzögerungen und gerätebezogenen Komponenten (Empfänger- und Satellitenantennen-Verzögerungen und Leitungsvorspannungen) ein GNSS-Pseudobereich (d.h. Code) und Trägerphasenmessungen den Offset zwischen einer lokalen Zeitreferenz und der ausgewählten GNSS-System-Zeit (z.B. GPS-System-Zeit oder Galileo-System-Zeit). Dies ermöglicht a) Übertragen von Zeit von einer GNSS-Zeitskala zu einer am Boden befindlichen Uhr und b) Abrufen des Zeit-Offsets zwischen der am Boden befindlichen Uhr an unterschiedlichen Standorten durch Weiterleiten jedes Uhr-Offsets zu der ausgewählten GNSS-System-Zeit und Unterscheiden zwischen den beiden. Diese Technik wird häufig bei Betrieb in einem sogenannten „Gleichtakt“ verbessert: zwei entfernte Stationen beobachten den gleichen (Satz von) Satelliten, und ihr Zeit-Offset relativ zu der ausgewählten GNSS-System-Zeit wird nur durch Verwenden des (der) Satelliten, den (die) sie gemeinsam in Blick haben, geschätzt, wodurch sämtliche Satelliten-Hardware-Verzögerungen und Satellitenuhrfehler eliminiert werden.A common one-way time transmission (OWTT) technique uses Global Navigation Satellite Systems (GNSSs). These are made up of tens of satellites that send navigation signals in an L-band. These globally and continuously available signals are processed by a GNSS receiver in order to determine the position in space. Furthermore, after removing channel delays related to signal propagation from the satellite to the receiver, disruptive atmospheric (ionospheric and tropospheric) delays and device-related components (receiver and satellite antenna delays and line biases) provide a GNSS pseudorange (i.e. code) and Carrier phase measurements the offset between a local time reference and the selected GNSS system time (e.g. GPS system time or Galileo system time). This enables a) transferring time from a GNSS timescale to a clock on the ground and b) retrieving the time offset between the clock on the ground at different locations by forwarding each clock offset to the selected GNSS system time and Distinguish between the two. This technique is often improved when operating in a so-called "common mode": two remote stations are observing the same (set of) satellites, and their time offset relative to the selected GNSS system time is determined only by using the satellite (s) that that they have in view together, thereby eliminating all satellite hardware delays and satellite clock errors.
Generell sind Einweg-Verfahren aufgrund der Fehlmodellierung von Kanalverzögerungen und Geräteabweichungen weniger präzise.In general, one-way methods are less precise due to the incorrect modeling of channel delays and device deviations.
Zweiweg-Zeitübertragungs- (TWTT) Verfahren basieren auf einer Zeitstempelung der Aussendezeit und der Empfangszeit von Signalen, die zwischen entfernten Einheiten in beide Richtungen laufen. Jede Seite berechnet die gemessene Differenz zwischen „Datenpaketen“, die in entgegengesetzte Richtungen gelaufen sind, und extrahiert den Zeit-Offset zwischen den an zwei Stationen befindlichen Uhren. TWTT-Verfahren ermöglichen eine höhere Zeitübertragungsgenauigkeit als Einweg-Verfahren aufgrund der Aufhebung (falls perfekt symmetrisch) oder Abmilderung der Kanalverzögerungen und Geräteverzögerungen auf jeder Seite. Ein weitverbreitetes TWTT-Verfahren ist das „Netzwerkzeitprotokoll“ (NTP) und seine Weiterentwicklung „präzises Zeitprotokoll“ (PTP), bei dem ein Client eine Mittteilung, die die Aussendezeit enthält, an einen Zeitserver aussendet, der wiederum eine Rückmeldung, die die Empfangszeit der Originalmitteilung beim Server und die Aussendezeit der Antwort enthält, aussendet. Der Client kann dann die Differenz zwischen der Server- und der Client-Uhr abrufen, wenn angenommen wird, dass die Laufzeit über das Internet bei den zwei Aussendungen symmetrisch ist. TWTT über einen Satellitenkommunikationskanal, wobei der Satellit als Relais zwischen zwei entfernten Stationen dient, wird üblicherweise auch zum Vergleichen von Uhren über große Bereiche, möglicherweise interkontinental, angewendet.Two-way time transmission (TWTT) methods are based on time stamping the time of transmission and time of reception of signals traveling between remote units in both directions. Each side calculates the measured difference between "data packets" traveling in opposite directions and extracts the time offset between the clocks at two stations. TWTT techniques allow for greater timing accuracy than one-way techniques due to the cancellation (if perfectly symmetrical) or mitigation of the channel delays and device delays on each side. A widespread TWTT method is the "Network Time Protocol" (NTP) and its further development "Precise Time Protocol" (PTP), in which a client sends a message containing the transmission time to a time server, which in turn sends a response indicating the time of receipt Contains the original message on the server and the time the response was sent. The client can then call up the difference between the server clock and the client clock if it is assumed that the transit time over the Internet is symmetrical for the two transmissions. TWTT over a satellite communication channel, with the satellite acting as a relay between two remote stations, is also commonly used to compare clocks over large areas, possibly intercontinental.
Sowohl die OWTT- als auch die TWTT-Technik können über eine physische Schicht (wie z.B. die Kabel oder Glasfasern, die den Internetverkehr transportieren) oder über Freiraumkommunikation angewendet werden. Erstere ermöglicht häufig eine bessere Zeitübertragungsgenauigkeit, z.B. wird das Uhrnetzwerk, das zwischen SYRTE in Paris und PTB in Braunschweig auf einer zweckbestimmten Glasfaser realisiert wird, auf einem 10-as-Level synchronisiert. Ihnen fehlt jedoch die Flexibilität, die von Freiraumverbindungen zwischen entfernten Uhren auf dynamischen Plattformen geboten wird.Both OWTT and TWTT technology can be applied over a physical layer (such as the cables or fibers that carry Internet traffic) or over open space communication. The former often enables better time transmission accuracy, for example the clock network that is implemented between SYRTE in Paris and PTB in Braunschweig on a dedicated glass fiber synchronized to a 10-as-level. However, they lack the flexibility offered by free space connections between distant clocks on dynamic platforms.
Die Möglichkeiten moderner TWTT-Techniken gegenüber Freiraum sind heutzutage durch den verwendeten Träger, typischerweise in der Mikrowellenregion, begrenzt, wodurch die Zeitübertragungsgenauigkeit auf 0,1-1 ns begrenzt wird, was nur auf 0,01 ns verbessert wird, wenn lange mittlere Zeitintervalle möglich sind. Optische Träger ermöglichen eine viel höhere Genauigkeit ohne lange Integrationszeiten. Die Techniken zum Übertragen von Zeit über einen optischen Träger mit einer Sollgenauigkeit von ps oder besser bei niedriger Latenz befinden sich jedoch noch in der Entwicklung. Ein Beispiel ist Optische-TWTT (OTWTT) im Freiraum, die bei NIST entwickelt wird, wobei die fs-Level-Genauigkeit bei einem Laboraufbau demonstriert wird (siehe [1]), jedoch zu Lasten der Verwendung mehrerer Frequenzkämme. Beschrieben wird hier die Realisierung einer kompakten Vorrichtung für einen TWTT gegenüber optischen Verbindungen mit einer Genauigkeit von 1 ps.The possibilities of modern TWTT techniques over free space are nowadays limited by the carrier used, typically in the microwave region, whereby the time transmission accuracy is limited to 0.1-1 ns, which is only improved to 0.01 ns if long mean time intervals are possible are. Optical carriers allow much higher accuracy without long integration times. However, the techniques for transmitting time over an optical carrier with a target accuracy of ps or better at low latency are still under development. An example is Optical TWTT (OTWTT) in free space, which is being developed at NIST, where the fs-level accuracy is demonstrated in a laboratory setup (see [1]), but at the expense of the use of multiple frequency combs. The implementation of a compact device for a TWTT compared to optical connections with an accuracy of 1 ps is described here.
Eine Zeitübertragung über das Internet mittels NTP-Protokoll wird durch asymmetrische Kanalverzögerungen begrenzt, und nur Genauigkeiten von bis zu 1 ms sind generell erreichbar. GNSS erlaubt nur OWTT-Techniken und ist somit durch die Genauigkeit der L-Band-Signale, Ausstattungsrauschen und fehlmodellierte Kanalverzögerungen begrenzt. Eine OWTT-Genauigkeit über GNSS liegt in der Größenordnung von 1 ns und steht mit diesem Präzisionslevel üblicherweise nicht online zur Verfügung (langwierige Nachbearbeitung erforderlich). Bei TWTT über einen Kommunikationssatelliten in Mikrowellenbändern wird typischerweise eine Genauigkeit von 0,1 ns (0,01 ns bei längeren Integrationszeiten) erreicht, es ist jedoch ein verfügbares Kommunikationsfester zum Satelliten erforderlich, das teuer und zeitbegrenzt ist.Time transmission over the Internet using the NTP protocol is limited by asymmetrical channel delays, and accuracies of up to 1 ms can generally only be achieved. GNSS only allows OWTT techniques and is therefore limited by the accuracy of the L-band signals, equipment noise and incorrectly modeled channel delays. An OWTT accuracy via GNSS is in the order of magnitude of 1 ns and is usually not available online with this level of precision (lengthy post-processing required). TWTT over a communications satellite in microwave bands typically achieves an accuracy of 0.1 ns (0.01 ns for longer integration times), but requires an available communications window to the satellite, which is expensive and time-limited.
Die präzisesten Zeitübertragungstechniken sind heutzutage TWTT-Laboraufbauten, die mit zweckbestimmten Glasfasern verbunden sind. Obwohl Zeitübertragungsgenauigkeiten von 0,1 fs oder besser möglich sind, fehlt ihnen die erforderliche Flexibilität für eine weitverbreitete Verwendung bei dynamischen Anwendungen, z.B. Verbindung zwischen Satelliten oder Boden-zu-Satellit-Verbindung, bei denen Freiraumkommunikationen verwendet werden müssen. OWTT im Freiraum mit einer fs-Level-Genauigkeit wird abgehandelt (siehe [1]), aber die dort vorgeschlagene Technik basiert auf mehreren Frequenzkämmen auf jeder Seite, um zu funktionieren.The most precise time transmission techniques today are TWTT laboratory setups connected with dedicated fiber optics. While possible timing accuracies of 0.1 fs or better, they lack the flexibility required for widespread use in dynamic applications such as inter-satellite or ground-to-satellite connections where free space communications must be used. OWTT in free space with fs level accuracy is covered (see [1]), but the technique proposed there relies on multiple frequency combs on each side in order to work.
Die sämtlichen Zeitübertragungsverfahren zugrundeliegende Idee ist das Zeitstempeln des Beginns einer Sequenz von Datenbits, die starr strukturiert sind (d.h. bekanntes Muster), so dass der Empfänger den Beginn der Sequenz identifizieren und die Ankunftszeit aufzeichnen kann. Dann kann aufgrund der Kenntnis der Differenz zwischen der aufgezeichneten Ankunftszeit und der Aussendezeit der Offset zwischen den zwei Uhren an unterschiedlichen Standorten abgerufen werden (Zeitübertragung), sobald sämtliche Ausbreitungsverzögerungen berücksichtigt worden sind, wie z.B. Laufzeit, atmosphärische Störungen und so weiter.The idea underlying all time transmission methods is to time stamp the start of a sequence of data bits that are rigidly structured (i.e. known pattern) so that the receiver can identify the start of the sequence and record the time of arrival. Then, based on the knowledge of the difference between the recorded arrival time and the transmission time, the offset between the two clocks at different locations can be called up (time transmission) as soon as all propagation delays have been taken into account, such as transit time, atmospheric disturbances and so on.
Aus [6] ist ein Entfernungsmessverfahren bekannt, welches zur Ermittlung der Entfernung zwischen zwei Satelliten geeignet ist. Dabei wird ein Hochfrequenzsignal, welches mit Daten moduliert ist, zusätzlich durch eine PN-Sequenz gespreizt. Durch Korrelation mit der PN-Sequenz und anschließender Sub-Chip-Pfadenbestimmung kann die Zeitdifferenz zwischen dem Aussenden der PN-Sequenz und dem Empfang der PN-Sequenz ermittelt, und somit auch die Entfernung zwischen den Satelliten bestimmt werden.A distance measuring method is known from [6] which is suitable for determining the distance between two satellites. A high-frequency signal, which is modulated with data, is additionally spread by a PN sequence. By correlation with the PN sequence and subsequent sub-chip path determination, the time difference between the transmission of the PN sequence and the reception of the PN sequence can be determined, and thus the distance between the satellites can also be determined.
In [7] ist ebenfalls die Verwendung eines Code-Spreizverfahrens beschrieben, und zwar für die Ermittlung einer Zeitdifferenz zwischen zwei Standorten mittels des Sendens und Empfangens von Signalen über einen Kommunikationssatelliten. Auch ist eine Verwendung optischer Trägerfrequenzen für die Satellitenpfade aufgezeigt.The use of a code spreading method is also described in [7], specifically for the determination of a time difference between two locations by means of the sending and receiving of signals via a communication satellite. The use of optical carrier frequencies for the satellite paths is also shown.
Aus
Schließlich ist aus
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Zeitübertragung zwischen mindestens zwei optisch verbundenen Objekten zu schaffen.The present invention is based on the object of creating an improved time transmission between at least two optically connected objects.
Das Zeitübertragungsprotokoll selbst ist nicht Gegenstand der Erfindung, sondern ein Verfahren zur physischen Realisierung desselben.The time transfer protocol itself is not the subject of the invention, but rather a method for its physical implementation.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung vorgeschlagen, ein Verfahren zur Ermittlung der Zeitdifferenz zwischen dem Aussendezeitpunkt, zu dem ein einen Absendezeitstempel aufweisendes, moduliertes, optisches Frequenzsignal von einem zweiten Objekt, das eine lokale Zeitbasis aufweist, insbesondere von einem Satelliten, ausgesendet wird, und dem Empfangszeitpunkt, zu dem das optische Frequenzsignal des zweiten Objekts von einem ersten Objekt, das eine lokale Zeitbasis aufweist, insbesondere von einem Satelliten, empfangen wird, und zwar zur Synchronisation der Zeitbasen beider Objekte mittels eines an sich bekannten Einweg- oder eines Zweiweg-Zeitübertragungsverfahrens, wobei bei dem Verfahren zur Ermittlung der Zeitdifferenz
- - ein erstes Objekt von einem zweiten Objekt ein mittels eines Codes moduliertes optisches Signal mit einer bekannten Trägerfrequenz als optisches erstes Empfangssignal empfängt, wobei der Modulationscode eine Sequenz von Symbolen aufweist, die jeweils gleich lange Intervalle einnehmen, und wobei das optische Signal einen ersten Absendezeitstempel aufweist, der angibt, zu welchem Zeitpunkt das zweite Objekt, basierend auf seiner Zeitbasis, das optische Signal an das erste Objekt gesendet hat,
- - in dem ersten Objekt
- - ein optisches Referenzsignal erzeugt wird, das als ein optisches Trägersignal mit der gleichen Frequenz wie diejenige des ersten Empfangssignals und mit einer aufmodulierten, der Symbolsequenz des ersten Empfangssignals gleichenden Symbolsequenz ausgebildet ist,
- - in einem Korrelator die Korrelation des ersten Empfangssignals mit dem Referenzsignal ermittelt wird,
- - zur Maximierung des Grades der Korrelation in einem Bit-Verschieber eine Verschiebung der Symbolsequenz des Referenzsignals um eine Symbol-Zeitdauer, die gleich dem Intervall eines Symbols oder gleich einem ganzzahligen Vielfachen des Intervalls ist, erfolgt,
- - zur weiteren Maximierung des Grades der Korrelation eine Verschiebung der Symbolsequenz des Referenzsignals um eine Symbol-Teilzeitdauer, die kleiner ist als das Intervall eines Symbols, durch Ansteuerung einer dem Korrelator vorgeschalteten und von diesem angesteuerten Analogverschiebung erfolgt und
- - die Empfangszeit des von dem ersten Objekt empfangenen, von dem zweiten Objekt ausgesendeten optischen Signals anhand des basierend auf der lokalen Zeitbasis des ersten Objekts vergebenen Zeitstempels des zeitlich ersten Symbols der Symbolsequenz des Referenzsignals und der Symbol-Teilzeitdauer ermittelt wird, und zwar bei der durch die Maximierung des Korrelationsgrades erfolgten Verschiebung der Symbolsequenz des Referenzsignals um die ein oder mehreren Symbol-Zeitdauern und um die Symbol-Teilzeitdauer.
- a first object receives from a second object an optical signal modulated by means of a code with a known carrier frequency as the optical first received signal, the modulation code having a sequence of symbols which each occupy equally long intervals, and the optical signal having a first transmission time stamp , which indicates at what point in time the second object, based on its time base, sent the optical signal to the first object,
- - in the first object
- - An optical reference signal is generated, which is designed as an optical carrier signal with the same frequency as that of the first received signal and with a symbol sequence modulated on that is the same as the symbol sequence of the first received signal,
- - the correlation of the first received signal with the reference signal is determined in a correlator,
- - To maximize the degree of correlation in a bit shifter, the symbol sequence of the reference signal is shifted by a symbol duration which is equal to the interval of a symbol or equal to an integral multiple of the interval,
- - To further maximize the degree of correlation, the symbol sequence of the reference signal is shifted by a partial symbol duration which is smaller than the interval of a symbol by controlling an analog shift connected upstream of the correlator and controlled by it, and
- - The time of receipt of the optical signal received by the first object and emitted by the second object is determined using the time stamp of the first symbol of the symbol sequence of the reference signal and the symbol part-time duration, which is assigned based on the local time base of the first object, namely during the the degree of correlation is maximized, the symbol sequence of the reference signal is shifted by the one or more symbol periods and by the partial symbol period.
Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt für die Maximierung der Synchronisation eines lokal erzeugten optischen Referenzsignals mit einer Symbolfolge, die gleich der Symbolfolge des Empfangssignals ist, eine symbolweise Verschiebung der Symbolsequenz des Referenzsignals als auch eine subsymbolweise Verschiebung der Symbolsequenz des Referenzsignals. Das wird gesteuert durch eine optische PLL, die bisher für die symbolweise Verschiebung der Symbolfrequenz des Referenzsignals eingesetzt wird. Erfindungsgemäß kommt also hier die subsymbolweise Verschiebung hinzu.To maximize the synchronization of a locally generated optical reference signal with a symbol sequence that is the same as the symbol sequence of the received signal, the inventive method uses a symbol-wise shift of the symbol sequence of the reference signal and a subsymbol-wise shift of the symbol sequence of the reference signal. This is controlled by an optical PLL, which was previously used for the symbol-by-symbol shift of the symbol frequency of the reference signal. According to the invention, the sub-symbol-wise shift is added here.
Diese Vorgehensweise wird nun erfindungsgemäß genutzt, um extrem exakt den Empfangszeitpunkt zu ermitteln, zu dem ein beispielsweiser Satellit ein optisches Signal von einem anderen Satelliten empfängt. Beide Satelliten weisen eine lokale Zeitbasis auf. Die Symbolsequenzen des Referenzsignals sind mit Zeitstempeln versehen, die mittels der lokalen Zeitbasis vergeben werden. Erfindungsgemäß wird die Empfangszeit des von dem ersten Objekt empfangenen, von dem zweiten Objekt ausgesendeten optischen Signals anhand des basierend auf der lokalen Zeitbasis des ersten Objekts vergebenen Zeitstempels des zeitlich ersten Symbols der Symbolsequenz des Referenzsignals und der Symbol-Teilzeitdauer ermittelt, und zwar bei der durch die Maximierung des Korrelationsgrades erfolgten Verschiebung der Symbolsequenz des Referenzsignals um die ein oder mehreren Symbol-Zeitdauern und um die Symbol-Teilzeitdauer.This procedure is now used according to the invention in order to determine extremely precisely the time of reception at which a satellite, for example, receives an optical signal from another satellite. Both satellites have a local time base. The symbol sequences of the reference signal are provided with time stamps that are assigned using the local time base. According to the invention, the time of reception of the optical signal received by the first object and transmitted by the second object is determined using the time stamp of the first symbol of the symbol sequence of the reference signal and the symbol part-time duration, which is assigned based on the local time base of the first object the degree of correlation is maximized, the symbol sequence of the reference signal is shifted by the one or more symbol periods and by the partial symbol period.
Durch Differenzbildung des Zeitstempels des empfangenen optischen Signals und der Empfangszeit kann dann die besagte Zeitdifferenz berechnet werden.The said time difference can then be calculated by calculating the difference between the time stamp of the received optical signal and the reception time.
Entsprechend schafft die vorliegende Erfindung generell ein Verfahren zur Zeitübertragung zwischen mindestens zwei Standorten, die mittels eines Lasers optisch miteinander verbunden sind, umfassend
- - Bereitstellen optischer Frequenzreferenzen für die optisch verbundenen Standorte,
- - Bereitstellen von optischen Frequenzkämmen für die optisch verbundenen Standorte,
- - Übertragen einer Datenstruktur mittels eines Laserstrahls von einem der optisch verbundenen Standorte zum anderen,
- - Verrasten in die Phase eines ankommenden Laserstrahls und Justieren der lokal reproduzierten Datenstrukturen auf die empfangene Datenstruktur,
- - Ermöglichen des Justierens der zwei Datensequenzen innerhalb eines Bits mittels eines ersten „Grob“justageprozesses,
- - Ermöglichen des Justierens der ansteigenden Flanken von zwei Referenzbits (lokal versus empfangen) mit verringertem Rauschen mittels eines zweiten Justageprozesses (nachstehend als Analogverschiebung bezeichnet), und
- - durch Bestimmen der bei der lokalen Nachbildung verwendeten Verzögerung Abrufen der Ankunftszeit auf einem Pikosekunden-Level.
- - Provision of optical frequency references for the optically connected locations,
- - Provision of optical frequency combs for the optically connected locations,
- - Transfer of a data structure by means of a laser beam from one of the optically connected locations to the other,
- - Locking into the phase of an incoming laser beam and adjusting the locally reproduced data structures to the received data structure,
- - Enabling the adjustment of the two data sequences within one bit by means of a first "coarse" adjustment process,
- - Enabling the adjustment of the rising edges of two reference bits (local versus received) with reduced noise by means of a second adjustment process (hereinafter referred to as analog shift), and
- - by determining the delay used in the local replication, retrieving the time of arrival on a picosecond level.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Realisieren der oben dargestellten Zeitübertragung mit sehr hoher Genauigkeit (1 ps genau) zwischen zwei verbundenen Standorten mittels eines Laserlinks, optischer Frequenzreferenzen, optischer Frequenzkämme und FPGAs. Die Datenstrukturen werden mit einer sehr hohen Bitrate realisiert; der Empfänger ist zum Verrasten in die Phase des ankommenden Lasers und Justieren der lokal reproduzierten Datenstrukturen auf die empfangene in der Lage. Eine erste „Grob“justage ermöglicht, die zwei Sequenzen in einem Bit zu justieren. Ein zweiter Justageprozess („Analogverschiebung) ermöglicht, die ansteigenden Flanken der zwei Referenzbits (lokal versus empfangen) mit minimalem Rauschen zu justieren. Durch Kenntnis der bei der lokalen Nachbildung angewendeten Verzögerung kann die Ankunftszeit bei einem 1-ps-Level abgerufen werden. Der zweischrittige Justagevorgang ist das Hauptmerkmal der Erfindung.The invention relates to a method for realizing the above-described time transmission with very high accuracy (1 ps accurate) between two connected locations by means of a laser link, optical frequency references, optical frequency combs and FPGAs. The data structures are implemented with a very high bit rate; the receiver is able to lock into the phase of the incoming laser and adjust the locally reproduced data structures to the received one. A first “rough” adjustment enables the two sequences to be adjusted in one bit. A second adjustment process ("analog shift") enables the rising edges of the two reference bits (local versus received) to be adjusted with minimal noise. Knowing the delay applied in the local replication, the time of arrival can be obtained at a 1 ps level. The two-step adjustment process is the main feature of the invention.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung wird ein den Grad der Korrelation beschreibender Korrelationswert als ein elektrisches Signal erzeugt, das eine niedrigere Frequenz als das erste Empfangssignal aufweist.In an advantageous development of the invention, a correlation value describing the degree of correlation is generated as an electrical signal which has a lower frequency than the first received signal.
Zweckmäßigerweise kann vorgesehen sein, dass die Symbolsequenz für das Referenzsignal mittels eines optischen Modulators zeitlich verschoben auf das Trägersignal moduliert wird, wobei die zeitliche Verschiebung anhand der Größe des Korrelationswerts bestimmt wird, so dass das Referenzsignal mit dem ersten Empfangssignal in Phase gelangt.It can expediently be provided that the symbol sequence for the reference signal is modulated onto the carrier signal with a time shift by means of an optical modulator, the time shift being determined on the basis of the magnitude of the correlation value so that the reference signal comes into phase with the first received signal.
Zweckmäßigerweise kann ferner vorgesehen sein, dass die Verschiebung der Symbolsequenz des Referenzsignals um ein oder mehrere Symbolzeitdauern durch entsprechende zeitverzögerte Modulation des Trägersignals mittels eines die Symbolsequenz des Referenzsignals aufweisenden, elektrischen Digitalsignals erfolgt.Expediently, provision can also be made for the symbol sequence of the reference signal to be shifted by one or more symbol periods by corresponding time-delayed modulation of the carrier signal by means of an electrical digital signal having the symbol sequence of the reference signal.
In weiterer vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Analogverschiebung, die die Symbolsequenz des Referenzsignals aufweisende, elektrische Digitalsignal empfängt und dieses Digitalsignal um die durch ein elektrisches Zeitverzögerungssteuersignal für die Analogverschiebung bestimmte Verzögerungszeit zeitverzögert an den Modulator weitergibt. In a further advantageous development of the invention it can be provided that the analog shift, which receives the symbol sequence of the reference signal, receives the electrical digital signal and passes this digital signal on to the modulator with a time delay by the delay time determined by an electrical time delay control signal for the analog shift.
Zweckmäßigerweise kann ferner vorgesehen sein, dass das Zeitverzögerungssteuersignal ein elektrisches Digitalsignal ist, das in einem Digital-Analog-Wandler in ein elektrisches Analogsignal umgewandelt wird, wobei das elektrische Analogsignal die Analogverschiebung steuert, oder dass das Zeitverzögerungssteuersignal ein elektrisches Digitalsignal ist und die Analogverschiebung eine Digital-Analogverschiebung ist, die von dem Digitalsignal angesteuert wird.It can expediently also be provided that the time delay control signal is an electrical digital signal that is converted in a digital-to-analog converter into an electrical analog signal, the electrical analog signal controlling the analog shift, or that the time delay control signal is an electrical digital signal and the analog shift is digital -Analog shift that is driven by the digital signal.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. Im Einzelnen zeigen dabei:
-
1 eine schematische Darstellung der Zeitsynchronisation zweier sich bewegender Objekte, wie beispielsweise zweier Satelliten, -
2 eine schematische Darstellung eines Datenpakets eines optischen Signals, wobei die übertragenen Daten zu Beginn eines Datenframes und an dessen Ende Synchronisationsbits aufweisen, -
3 eine Möglichkeit der Modulation eines optischen Trägersignals mit einer Frequenz im THz-Bereich durch eine an sich bekannte PRN-Sequenz (beispielsweise 20bis 30 Gigabits pro Sekunde (Gbps)), und zwar jeweils moduliert durch Datenbits (10bis 1000 Mbps), -
4 eine schematische Darstellung der Hauptfunktionskomponenten eines Satelliten, ausgelegt für ein Zeitübertragungsverfahren, -
5 ein Beispiel für eine Satelliten-Konstellation, bei der die Erfindung eingesetzt werden kann, -
6 ein Blockdiagramm der Hauptkomponenten eines Systems zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens und -
7 und8 Signalverläufe mit den korrespondierenden Korrelationswerten für verschiedene Verschiebungen der Symbolsequenz im Sub-Symbolintervall-Bereich.
-
1 a schematic representation of the time synchronization of two moving objects, such as two satellites, -
2 a schematic representation of a data packet of an optical signal, the transmitted data having synchronization bits at the beginning of a data frame and at its end, -
3 a possibility of modulating an optical carrier signal with a frequency in the THz range using a PRN sequence known per se (for example 20 to 30 gigabits per second (Gbps)), in each case modulated by data bits (10 to 1000 Mbps), -
4th a schematic representation of the main functional components of a satellite, designed for a time transmission method, -
5 an example of a satellite constellation in which the invention can be used, -
6th a block diagram of the main components of a system for implementing the method according to the invention and -
7th and8th Signal curves with the corresponding correlation values for various shifts in the symbol sequence in the sub-symbol interval area.
In
Einige Besonderheiten einer solchen Satelliten-Konstellation, die allerdings von untergeordneter Bedeutung sind, sind in
Für hochgenaue Anwendungen in z.B. der Geodäsie ist neben einer Zeitsynchronisierung der Satelliten auch die Kenntnis der exakten Entfernung benachbarter MEO-Satelliten
Plattform 1 unterzieht eine ausgehende Mitteilung (oder eine Unterseite von dieser) einer Zeitstempelung und sendet sie zu einer Zeit taulT zu Plattform 2. Die Mitteilung wird über eine PRN- (Pseudo-Random-Noise -pseudozufälliges Rauschen) Sequenz kodiert.Plattform 2 empfängt die Mitteilung durch Justieren einer lokalen Nachbildung der PRN-Sequenz und unterzieht den Empfangszeitraum der (Subseite der) Mitteilung einer Zeitstempelung bei tau2R. Nach einem kurzen Intervall antwortet Plattform 2 mit einer zeitgestempelten Mitteilung (mit ihrer eigenen PRN-Sequenz kodiert) und sendet sie zur Zeit tau2T.Plattform 1 empfängt die Antwort und stempelt sie zur Empfangszeit tau1R.
-
Platform 1 subjects an outgoing message (or a subpage of this) to a time stamp and sends it toplatform 2 at a time taulT. The message is encoded via a PRN (pseudo-random noise) sequence.Platform 2 receives the message by adjusting a local replica of the PRN sequence and subjects the reception period of the (sub-page of) the message to a time stamp at tau2R. After a short interval,platform 2 responds with a time stamped message (encoded with its own PRN sequence) and sends it at time tau2T.Platform 1 receives the response and stamps it at the time of reception tau1R.
Sämtliche Zeitstempel sind relativ zu der eigenen Zeitskala jeder Plattform. Das Ziel der Zeitübertragung ist das Bereitstellen eines Mittels zum Extrahieren des Zeit-Offsets zwischen den Referenzen zur Zeitsteuerung des Aussendens/Empfangens. Ein vereinfachtes Modell für den Zeitverlauf beim Erzeugen, Aussenden, Empfangen und Dekodieren der zwei ausgetauschten Mitteilungen wie in
Durch Mitteln der zwei oben an der Aussendeplattform gemessenen Verzögerungen erhält man:
Ein bemerkenswertes Beispiel des Zweiweg-Zeitübertragungs-Algorithmus ist das Network Time Protocol (NTP), das zum Verteilen der Zeit über das Worldwide Web verwendet wird. Die meisten Algorithmen (zum Beispiel NTPv4) funktionieren unter der Annahme von symmetrischen Verzögerungen; sämtliche Störterme werden aufgehoben, und der Zeit-Offset wird einfach durch Halten der ersten zwei Terme auf der rechten Seite der vorstehenden Gleichung geschätzt. Im Fall von sich schnell bewegenden Plattformen (z.B. die Übertragung zwischen zwei Satelliten) ist diese Vereinfachung nicht möglich: die Sichtlinie relativ zur Geschwindigkeit kann bei Nichtberücksichtigung zu große Zeitfehler übertragen. Es ist jedoch nicht erforderlich, diese Vereinfachung anzuwenden: die optische Abstandsmessung bietet eine Schätzung sowohl für d12 als auch d21. Die Differenzen zwischen Geräteverzögerungen ermöglichen es, ihren Einfluss in großem Maß abzumildern. Wenn die Hardware-Verzögerungen über eine kurze Zeit (z.B. das Wärmeansprechen der optischen Sendeempfänger und der Terminals ist ausreichend langsam) nahezu konstant sind, kann die Zeit mit der relativ einfachen Gleichung übertragen werden
Die Herausforderung des Synchronisierens von zwei Uhren mit einer Genauigkeit von 1 ps liegen in
- a) Erzeugen der Zeitstempel mit dem gleichen Genauigkeitslevel, und
- b) Entfernen der Wegverzögerung mit dem gleichen Genauigkeitslevel.
- a) Generating the timestamps with the same level of accuracy, and
- b) Removal of the path delay with the same level of accuracy.
Punkt b) erfordert die Kenntnis des von dem Licht zwischen zwei Uhren mit einer Genauigkeit von 1 ps zurückgelegten Distanz entsprechend 1 ps*c = 300 mm. Dies kann mit Laserabstandsmessfunktionen (Gegenstand eines anderen Patents) und genauen Ausbreitungsmodellen (z.B. relativistische und/oder atmosphärische Modelle) erreicht werden.Point b) requires the knowledge of the distance covered by the light between two clocks with an accuracy of 1 ps corresponding to 1 ps * c = 300 mm. This can be achieved with laser distance measurement functions (subject of another patent) and accurate propagation models (e.g. relativistic and / or atmospheric models).
Der Gegenstand der Erfindung ist Punkt a): wie der Zeit-Offset mit 1-ps-Genauigkeit erzeugt und, noch wichtiger, zurückgewonnen wird.The subject of the invention is point a): how the time offset is generated and, more importantly, recovered with 1 ps accuracy.
Zuerst wird eine Uhr aus zwei Komponenten gebildet: einem stabilen Oszillator und einem Zähler. Der Oszillator, der auch als „Frequenzreferenz“ bekannt ist (Beispiele: die Drehung der Erde, ein Pendel, eine Mikrowellenstrahlung, ein Laser) ist eine Vorrichtung, die ein stabiles zyklisches Signal (z.B. eine Sinuskurve) erzeugt. Ein Zähler registriert die Anzahl von Zyklen, die über die Zeit auftreten. Die Kombination der zwei ergibt eine Uhr, die den Ablauf der Zeit von einem willkürlichen Anfangsmoment durch kontinuierliches Nachverfolgen der Anzahl von auftretenden Zyklen misst. Heutzutage werden die stabilsten Zeitskalen mit Atom-Frequenzreferenzen erzeugt, die durch „Abstimmen“ auf eine feste Emissionsstrahlung einer vorgegebenen Substanz funktionieren: ein Beispiel ist der Wasserstoff-Maser, bei dem die 21-cm-Linie in dem Wasserstoffspektrum, die einer Frequenzemission von 1,42 GHz entspricht, den Aufbau von sehr stabilen Uhren ermöglicht.First, a clock is built from two components: a stable oscillator and a counter. The oscillator, also known as the “frequency reference” (examples: the rotation of the earth, a pendulum, microwave radiation, a laser) is a device that generates a stable cyclic signal (e.g. a sinusoidal wave). A counter registers the number of cycles that occur over time. The combination of the two results in a clock that measures the passage of time from an arbitrary starting moment by continuously tracking the number of cycles that occur. Nowadays the most stable time scales are made with atomic Generates frequency references that work by “tuning” to a fixed emission radiation of a given substance: an example is the hydrogen maser, in which the 21 cm line in the hydrogen spectrum, which corresponds to a frequency emission of 1.42 GHz, is the structure of very stable watches.
Seit einigen Jahren sind Laser für die Messung des Zeitablaufs immer interessanter geworden, insbesondere seit der Erfindung von Vermarktung der Frequenzkämme (siehe https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2005/summary/) in den frühen 2000-er Jahren, einer Vorrichtung, die in der Lage ist, optische Frequenzen (THz) zu messen und optische Frequenzen bis hinunter in den Mikrowellen- (GHz) Bereich aufzuteilen. Ein stabilisierter Laser kann dann als Frequenzreferenz verwendet werden, da man jetzt in der Lage ist, Zyklen auf der Basis seiner Frequenz über den Frequenzkamm zu zählen, der als eine Art von „Getriebe“ fungiert. Das Prinzip der Laserstabilisierung übersteigt den Umfang dieser kurzen Erläuterung: es reicht aus, zu sagen, dass ein Laser auf einen Level stabilisiert werden kann, der weit über dem liegt, was Mikrowellen-Atomuhren kurz- und mittelfristig erreichen können, und eine Uhr, die auf einem stabilisierten Laser basiert, ist in ihrer Leistung Atomuhren hinsichtlich der kurz- und mittelfristigen Stabilität (typischerweise zwischen 0,01 und 1000 s) überlegen.For some years now, lasers have become more and more interesting for measuring the passage of time, especially since the invention of marketing frequency combs (see https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2005/summary/) in the early 2000s , a device capable of measuring optical frequencies (THz) and dividing optical frequencies down to the microwave (GHz) range. A stabilized laser can then be used as a frequency reference as one is now able to count cycles based on its frequency over the frequency comb, which acts as a kind of "gear". The principle of laser stabilization is beyond the scope of this brief explanation: suffice it to say that a laser can be stabilized to a level well above what microwave atomic clocks can achieve in the short and medium term, and a clock that based on a stabilized laser, its performance is superior to atomic clocks in terms of short and medium-term stability (typically between 0.01 and 1000 s).
Unabhängig von der tatsächlich verwendeten Frequenzreferenz wird ein Frequenzkamm genutzt zum I) Erzeugen eines optischen Signals, das als „Träger“ in dem Zweiweg-Laserkommunikationssystem dient, und II) Erzeugen eines Mikrowellensignals, typischerweise bei 10 MHz, zum Ansteuern der Elektronik, d.h. zum Beispiel des FPGA, auf dem die elektrischen Sendeempfänger implementiert sind.Regardless of the frequency reference actually used, a frequency comb is used to I) generate an optical signal that serves as a "carrier" in the two-way laser communication system, and II) generate a microwave signal, typically at 10 MHz, to control the electronics, ie for example of the FPGA on which the electrical transceivers are implemented.
Der Zähler, der in dem FPGA implementiert ist, ist in der Lage, bei 400 MHz (über interne 40x Multiplizierer, die an den 10-MHz-Eingang angelegt sind) zu arbeiten, was zu einer Zeitauflösung von 1/(400 Hz) führt: die in dem FPGA erzeugte Zeitskala wird somit alle 2,5 ns inkrementiert.The counter implemented in the FPGA is able to operate at 400 MHz (via internal 40x multipliers applied to the 10 MHz input), resulting in a time resolution of 1 / (400 Hz) : the time scale generated in the FPGA is thus incremented every 2.5 ns.
In dem FPGA wird eine Pseudozufälligrauschen-(PRN-)Sequenz mit einer hohen Rate, z.B. 20 Gbps (Bits-pro-Sekunde, Anmerkung: sie kann höher sein) erzeugt. Diese Sequenz wird sowohl für die Abstandsmessung als auch die Zeitübertragung verwendet. Die Sequenz ist in einem internen Schnellzugriffsspeicher enthalten: beim Aussenden wird die Sequenz aus dem Speicher ausgelesen und zum Modulieren des optischen Trägers verwendet (die Laserübertragung zwischen zwei Einheiten findet bei Wellenlängen von 1550 nm oder 1064 nm statt, wobei diese die aktuellen Standards für optische Sendefrequenzen sind).In the FPGA, a pseudo random noise (PRN) sequence is generated at a high rate, e.g., 20 Gbps (bits-per-second, note: it can be higher). This sequence is used for both distance measurement and time transmission. The sequence is contained in an internal high-speed access memory: when it is sent, the sequence is read from the memory and used to modulate the optical carrier (the laser transmission between two units takes place at wavelengths of 1550 nm or 1064 nm, these being the current standards for optical transmission frequencies are).
Eine zusätzliche Datenschicht wird erzeugt und in die ausgesendeten Signale injiziert: diese Datenschicht ist aus Datenpaketen gebildet, die jeweils zu Beginn auf eine Anzahl von Synchronisationsbits begrenzt sind (siehe
Der Sender arbeitet wie folgt: der optische Träger (1550 nm oder 1064 nm) wird zunächst mittels einer PRN-Sequenz (z.B. bei 20 Gbps) moduliert, dann erneut durch einen Datenkanal (hier bei 50 Mbps angenommen) moduliert, siehe
Unter der Annahme, dass die Gesamtlänge der PRN-Sequenz (erzeugt mit 16 Bits) 216= 65536 Bits ist, wiederholt sich die PRN-Sequenz alle 3,28 ms und ist jedes Bit 50 ps lang. Jedes Datenbit ist stattdessen 1/50Mbps=20ns lang, somit werden 400 aufeinanderfolgende PRN-Bits von jedem Datenbit moduliert. Assuming that the total length of the PRN sequence (generated with 16 bits) is 2 16 = 65536 bits, the PRN sequence repeats every 3.28 ms and each bit is 50 ps long. Instead, each data bit is 1 / 50Mbps = 20ns long, so 400 consecutive PRN bits are modulated by each data bit.
Der Datenkanal befördert den Zeitstempel des ersten Synchronisationsbits, der dann beim Demodulieren des Signals von dem Empfänger abgerufen werden kann.The data channel carries the time stamp of the first synchronization bit, which can then be called up by the receiver when the signal is demodulated.
Auf der Empfängerseite wird eine optische Phasenregelschleife (OPLL) verwendet, um zunächst die ankommenden Lasersignale nachzuverfolgen. Es sei darauf hingewiesen, dass man nicht in der Lage ist, die empfangene PRN-Sequenz auf ps-Level direkt einer Zeitstempelung zu unterziehen, da die interne FPGA-Verarbeitungsgeschwindigkeit die Zeitauflösung auf 2,5 ns begrenzt. Daher wird der folgende Prozess angewendet.An optical phase-locked loop (OPLL) is used on the receiver side to initially track the incoming laser signals. It should be noted that it is not possible to directly time stamp the received PRN sequence at ps level, since the internal FPGA processing speed limits the time resolution to 2.5 ns. Therefore, the following process is used.
Bei auf das empfangene optische Signal verrasteter OPLL wird dasselbe bekannte PRN, das zum Senden des Signals verwendet wird (es muss dann dem Empfänger bekannt sein), entsprechend dem gleichen Prinzip wie oben lokal erzeugt und einer Zeitstempelung unterzogen: die erste ansteigende Flanke des ersten Bits der PRN-Sequenz, die empfangen wird, wird zum Aufzeichnen des Zeitstempels der lokal erzeugten Sequenz verwendet, und zwar bei einer Auflösung von 2,5 ns (unter der Annahme, dass das FPGA bei 400 MHz arbeitet).When the OPLL is locked to the received optical signal, the same known PRN that is used to send the signal (it must then be known to the receiver) is generated locally and time stamped according to the same principle as above: the first rising edge of the The first bit of the PRN sequence received is used to record the timestamp of the locally generated sequence at a resolution of 2.5 ns (assuming the FPGA is operating at 400 MHz).
Die lokale PRN-Nachbildung wird dann mittels eines Maximum-Korrelation-Prozesses auf die ankommende PRN-Sequenz justiert. Der Punkt des besten Justierens wird durch bitweises Verschieben (Bitverschiebung) der lokalen PRN-Nachbildung gesucht, bis die maximale Korrelation detektiert ist. Da jede Bitverschiebung gleich einer angewendeten Verzögerung von 50 ps (bei einer PRN-Sequenz bei 20 Gbps) ist, ist es möglich, die Empfangszeit der ansteigenden Flanke des ersten PRN-Bits innerhalb einer Genauigkeit von 50 ps grob zu bestimmen. Somit wird die grobe Empfangszeit angegeben durch
Der nächste Schritt ist das Justieren von zwei ansteigenden Flanken der empfangenen und lokal erzeugten PRN-Sequenzen. Dies wird über eine sogenannte Analogverschiebung realisiert, die eine Verschiebung der PRN-Sequenz um einen sehr kleinen Teil der PRN-Bit-Länge ermöglicht. Die Analogverschiebung wird angewendet, um die maximale Korrelation innerhalb der in dem vorhergehenden Schritt bestimmten Ein-Bit-Grobjustage zu finden, wie nachstehend beschrieben wird (siehe auch
Die Verbindung dieser Elemente durch Signalpfade sind, wenn es sich um optische Signale handelt, in
Es ist eine Anzahl von Technologien in den Prozess eingebunden:
- - Optische Sendeempfänger: sie werden zum Erzeugen und Empfangen der optischen Signale verwendet, wobei sie die elektrooptische Wandlung durchführen. Kohärente Kommunikationen, die auf einem Homodyn-Empfang basieren, ermöglichen eine Korrelation in der optischen Domäne, wodurch die Signalempfindlichkeit erhöht wird. Diese Technologie wird derzeit bei Satellitenkommunikationen in den EDRS-Systemen angewendet (siehe Airbus, 2019).
- - Hochleistungs-Verarbeitungssysteme, wie FPGAs: sie werden zum Aufnehmen, Auswerten und Erzeugen von elektrischen Signalen verwendet. Die derzeitige FPGA-Technologie umfasst Multi-Gigabit-Sendeempfänger (MGTs), die eine Hochgeschwindigkeits-Datenerfassung und -erzeugung im Bereich von mehreren zehn Gigabits pro Sekunde ermöglichen. Die interne Struktur ermöglicht z.B. das Implementieren von zeitdeterministischen Algorithmen und eine Parallelverarbeitung.
- Optical transceivers: they are used to generate and receive the optical signals, performing the electro-optical conversion. Coherent communications based on homodyne reception allow correlation in the optical domain, thereby increasing signal sensitivity. This technology is currently used in satellite communications in the EDRS systems (see Airbus, 2019).
- - High-performance processing systems such as FPGAs: they are used to record, evaluate and generate electrical signals. Current FPGA technology includes multi-gigabit transceivers (MGTs) that enable high-speed data acquisition and generation in the tens of gigabits per second range. The internal structure enables, for example, the implementation of time-deterministic algorithms and parallel processing.
Mit der Erfindung wird eine weiterentwickelte Zweiweg-Zeitübertragungs-Methode geschaffen, die dem bei einem optischen Link mit optischen Sendeempfängern an beiden Enden des Kanals angewendeten NTP im Wesentlichen gleich ist.The invention provides an advanced two-way timing method that is essentially the same as the NTP used in an optical link with optical transceivers at both ends of the channel.
Zwei Partner, zum Beispiel zwei Satelliten, weisen ein optisches Terminal auf, das bi-direktionale optische Links bereitstellt. Bei dem Laserlink werden eine PRN-Sequenz und die Kommunikationsdaten bei einer hohen Datenrate modulier. Das System kann wie folgt beschrieben werdenTwo partners, for example two satellites, have an optical terminal that provides bi-directional optical links. With the Laserlink, a PRN sequence and the communication data are modulated at a high data rate. The system can be described as follows
-
1. Satellit 1 weist einen lokalen Zähler auf, der über z.B. einen Frequenzkamm mit der Zeitreferenz synchronisiert wird.1.
Satellite 1 has a local counter which is synchronized with the time reference via a frequency comb, for example. -
2. Satellit 1 erzeugt eine PRN-Sequenz, die ebenfalls über den Frequenzkamm mit der Zeitreferenz synchronisiert wird.2.
Satellite 1 generates a PRN sequence, which is also synchronized with the time reference via the frequency comb. - 3. Der Beginn der PRN-Sequenz wird mit dem ersten Datenbitübergang synchronisiert.3. The beginning of the PRN sequence is synchronized with the first data bit transition.
- 4. Die PRN-Sequenz und die Daten werden von BPSK in dem Laserlink gemultiplext und moduliert. Die Daten enthalten den Zeitstempel des Sequenzstarts. Da sowohl die Sequenz als auch der Zähler durch den Frequenzkamm synchronisiert werden, kann die PRN-Sequenz bei einer Zähleraktualisierung initiiert werden.4. The PRN sequence and the data are multiplexed and modulated by BPSK in the laser link. The data contain the time stamp of the start of the sequence. Since both the sequence and the counter are synchronized by the frequency comb, the PRN sequence can be initiated when the counter is updated.
-
5. Das Gleiche gilt für Satellit 2.5. The same applies to
satellite 2. - 6. Beide Satelliten tauschen das Abstands- und Datensignal aus, das auf dem optischen Link moduliert worden ist.6. Both satellites exchange the range and data signal that has been modulated on the optical link.
-
7. Satellit 1 empfängt das Signal, verrastet OPLL und DLL. Zum Verrasten von DLL wird zunächst eine Bitverschiebung der Sequenz angewendet, dann werden eine Grobverschiebung und eine Analogverschiebung der Sequenz angewendet (siehe
EP 3 751 308 A1 Satellite 1 receives the signal, locks OPLL and DLL. To lock the DLL, a bit shift of the sequence is first applied, then a coarse shift and an analog shift of the sequence are applied (seeEP 3 751 308 A1 - 8. Der empfangene Zeitstempel kann durch Konkatenieren von drei Teilen, und zwar der lokalen Zeit, die sich auf den Start der PRN-Sequenz bezieht, der Bitverschiebung relativ zu der anfänglichen PRN-Position und der Analogverschiebung, erzeugt werden.8. The received timestamp can be generated by concatenating three parts, namely the local time related to the start of the PRN sequence, the bit shift relative to the initial PRN position, and the analog shift.
- 9. Sie Subtraktion des empfangenen und des gesendeten Zeitstempels enthält die Ausbreitungsverzögerung, die geschätzt werden muss, unter Berücksichtigung von relativistischen Effekten zum Erreichen einer ps-Genauigkeit.9. The subtraction of the received and the sent time stamp contains the propagation delay that has to be estimated, taking into account relativistic effects, in order to achieve a ps accuracy.
Mit der derzeitigen FPGA-Technologie können Systemtakte von nahezu 1 GHz und Sendeempfänger-Datenraten von mehr als 30 Gbits/s realisiert werden. Auf der Basis einer vorsichtigen Annahme, dass ein FPGA-Zähler bei einem Systemtakt von 400 MHz läuft, bedeutet dies, dass die Zeitauflösung des internen Zählers 1/(400 MHz) = 2,5 ns ist. Bei einer PRN-Bitrate von 20 Gbit/s ist die Länge eines Einzelbits 50 ps, was die Zeitauflösung der PRN-Bitverschiebung definiert. Schließlich ermöglicht die Analogverschiebung, die die empfangene PRN-Sequenz mit einer lokalen Nachbildung auf eine erwartete Genauigkeit von 1/50 der Bitlänge justiert, eine 1-ps-Auflösung in dem Zeitstempel der Empfangsdaten.With the current FPGA technology, system clocks of almost 1 GHz and transceiver data rates of more than 30 Gbits / s can be achieved. On the basis of a cautious assumption that an FPGA counter runs at a system clock of 400 MHz, this means that the time resolution of the internal counter is 1 / (400 MHz) = 2.5 ns. With a PRN bit rate of 20 Gbit / s, the length of a single bit is 50 ps, which defines the time resolution of the PRN bit shift. Finally, the analog shift, which adjusts the received PRN sequence with a local replica to an expected accuracy of 1/50 of the bit length, enables a 1 ps resolution in the time stamp of the received data.
Der Hauptvorteil: diese Technik kann bei der Einweg- und der Zweiweg-Zeitübertragung verwendet werden, und es werden nur optische Sendeempfänger und keine zweckbestimmten Fasern oder ein dritter Kamm (wie z.B. in [1]) verwendet. Sie ermöglicht ferner Momentaufnahmen- (keine Mittelung über lange Zeiträume) Messungen.The main advantage: this technique can be used in one-way and two-way time transmission, and only optical transceivers are used and no dedicated fibers or a third comb (as in [1]). It also enables snapshot (no averaging over long periods of time) measurements.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel für die Synchronisation der Zeitbasen zweier Objekte beschrieben.An exemplary embodiment for the synchronization of the time bases of two objects is described below.
Bei Objekt 1 (z.B. Satellit 1)
- - Sender erzeugt Daten- und Abstandssequenzen, die Chip-Phasen-justiert sind. Jede Datensequenz enthält einen Zeitstempel, der von dem Zähler erzeugt wird, welcher von einer lokalen
Frequenzreferenz von Objekt 1 betrieben wird. - - Das Signal wird optisch zu Objekt 2 übertragen.
- - Transmitter generates data and distance sequences that are chip-phase-adjusted. Each data sequence contains a time stamp that is generated by the counter, which is operated by a local frequency reference of
object 1. - - The signal is transmitted optically to
object 2.
Bei Objekt 2 (z.B. Satellit 2)
- 1. Der Empfänger verrastet sich auf die ankommende Abstandssequenz durch Maximieren der Korrelation zwischen der ankommenden Abstandssequenz und einer lokal erzeugten Abstandssequenz (wie z.B. in
DE 10 2019 120 700 B4 - 2. Die lokal erzeugte Abstandssequenz wird mit einem lokalen Zähler zeitlich synchronisiert.
- 3. Der erste Chip der lokalen Abstandssequenz wird einer Zeitstempelung unterzogen.
- 4. Der Verrastungsprozess wird in zwei Stufen unterteilt, wobei zuerst die Sequenzen auf einem Chip-Level und zweitens auf einem Sub-Chip-Level justiert werden.
- 5. Die erste Stufe justiert die empfangene und die lokal erzeugte Sequenz mit der Zeitgenauigkeit, die der Chipdauer entspricht.
- 6. Die zweite Stufe justiert die empfangene und die lokal erzeugte Sequenz mit der Sub-Chip-Zeitgenauigkeit, die der Auflösung des Digital-Analog-Wandlers entspricht, der die analoge Delay-Line ansteuert, wie z.B. definiert in
EP 3 751 308 A1 und DE .10 2019 120 700 B4 - 7. Die Ankunftszeit des Signals wird durch Kombinieren der Verzögerungen der ersten und der zweiten Stufe und Verwenden derselben bei dem Zeitstempel relativ zu dem ersten Chip der lokalen Abstandssequenz bestimmt (siehe Schritt 3).
- 8. Die Laufzeitinformation wird durch Subtrahieren der Ankunftszeit an
Objekt 2 und der Aussendezeit anObjekt 1 berechnet. - 9. Die Laufzeitinformation wird über den Datenkanal optisch zu Objekt 1 zurückgesendet. Zu diesem Zweck erzeugt der Sender an
Objekt 2 Daten- und Abstandssequenzen, die Chip-Phase-justiert sind. Jede Datensequenz enthält einen Zeitstempel, der von einem Zähler erzeugt wird, welcher von der lokalenFrequenzreferenz von Objekt 1 betrieben wird, und die gemessene Laufzeit (siehe Schritt 7). - 10. Das Signal wird optisch zu Objekt 1 übertragen.
- 1. The receiver locks onto the incoming distance sequence by maximizing the correlation between the incoming distance sequence and a locally generated distance sequence (such as in
DE 10 2019 120 700 B4 - 2. The locally generated distance sequence is time-synchronized with a local counter.
- 3. The first chip in the local distance sequence is time stamped.
- 4. The locking process is divided into two stages, with the sequences being adjusted first on a chip level and second on a sub-chip level.
- 5. The first stage adjusts the received and the locally generated sequence with the time accuracy that corresponds to the chip duration.
- 6. The second stage adjusts the received and the locally generated sequence with the sub-chip timing accuracy that corresponds to the resolution of the digital-to-analog converter that controls the analog delay line, as defined in, for example
EP 3 751 308 A1 DE 10 2019 120 700 B4 - 7. The time of arrival of the signal is determined by combining the first and second stage delays and using them in the time stamp relative to the first chip of the local distance sequence (see step 3).
- 8. The transit time information is calculated by subtracting the arrival time at
object 2 and the transmission time atobject 1. - 9. The runtime information is optically sent back to
object 1 via the data channel. For this purpose, the transmitter generates data and distance sequences onobject 2, which are chip-phase-adjusted. Each data sequence contains a time stamp, which is generated by a counter, which is operated by the local frequency reference ofobject 1, and the measured transit time (see step 7). - 10. The signal is transmitted optically to
object 1.
Bei Objekt 1
- -
Wiederholen von Schritten 1 bis 8, diefür Objekt 2 definiert sind. - - Die Zeitübertragung wird durch Berechnen der halben Differenz zwischen den Informationen über die zwei Laufzeiten ermittelt, wobei die erste an
Objekt 2 gemessen und über einen Datenkanal übertragen wird und die zweite anObjekt 1 gemessen wird (vorhergehender Schritt). - - Sobald die erste Synchronisation erfolgt ist, ist der absolute Abstand zwischen den zwei Objekten bekannt und können nachfolgende Zeitübertragungen in einer Richtung mittels Schritten 1 bis 8 an einem der Objekte durchgeführt werden.
- -
Repeat steps 1 to 8 that are defined forobject 2. - The time transmission is determined by calculating half the difference between the information about the two transit times, the first being measured on
object 2 and transmitted via a data channel and the second being measured on object 1 (previous step). - As soon as the first synchronization has taken place, the absolute distance between the two objects is known and subsequent time transfers can be carried out in one
direction using steps 1 to 8 on one of the objects.
Anhand eines Zahlenbeispiels soll nachfolgend kurz erläutert werden, dass es möglich ist, mit einer Genauigkeit von weniger als 1 ps (Pikosekunde) Genauigkeit zu synchronisieren.Using a numerical example, it will be briefly explained below that it is possible to synchronize with an accuracy of less than 1 ps (picosecond) accuracy.
Die Laufzeit wird durch Umwandeln des Offsets zwischen der lokalen PRN-Sequenz und der empfangenen PRN-Sequenz in einem entsprechenden Zeitintervall und Addieren der aktuellen Systemzeit ermittelt. Im Fall einer 20-Gcps-(20 Gigachips pro Sekunde) PRN-Sequenz ist die Chipdauer 50 ps, was auch die von dem Mechanismus zum symbolweisen Verschieben verwendete Zeitauflösung ist. Zum weiteren Erhöhen der Auflösung wird unter der Annahme z.B. eines Bereichs von 70 ps eine analoge Delay-Line, die beispielsweise von einem 10-Bit-DAC angesteuert wird, eingebracht. Dadurch wird eine Zeitauflösung im Bereich von weniger als 1 ps (<1-ps-Bereich) erreicht.The running time is determined by converting the offset between the local PRN sequence and the received PRN sequence in a corresponding time interval and adding the current system time. In the case of a 20 Gcps (20 Gigachips per second) PRN sequence, the chip duration is 50 ps, which is also that of is the time resolution used by the mechanism to move symbol by symbol. To further increase the resolution, assuming a range of 70 ps, for example, an analog delay line that is controlled by a 10-bit DAC, for example, is introduced. This achieves a time resolution in the range of less than 1 ps (<1 ps range).
Für die Synchronisation der lokalen Zeitbasen zweier Objekte, die durch einen optischen Kommunikationskanal miteinander in Kommunikationsverbindung stehen, ist es, wie sich aus dem Vorstehenden ergibt, unter anderem auch von Bedeutung, den Abstand der beiden Objekte zu kennen. Denn dadurch errechnet sich die Zeit, die für die Übertragung eines optischen Signals zwischen den beiden Objekten erforderlich ist.For the synchronization of the local time bases of two objects that are in communication with one another through an optical communication channel, it is important, as can be seen from the above, to know the distance between the two objects, among other things. This is because this calculates the time required for the transmission of an optical signal between the two objects.
Ein im Rahmen der Erfindung vorteilhafterweise einsetzbares Verfahren zur Ermittlung des Abstands zweier Objekte, insbesondere zweier durch optische Datenkommunikation in Verbindung stehende Satelliten, soll nachfolgend beschrieben werden.A method that can advantageously be used within the scope of the invention for determining the distance between two objects, in particular two satellites connected by optical data communication, will be described below.
Für verschiedene Anwendungsfälle kann es erforderlich sein, den Abstand zweier Objekte zu vermessen. Ein Beispiel ist die Abstandsmessung zwischen zwei Satelliten einer Satelliten-Konstellation mit mehreren Satelliten auf einem gemeinsamen Orbit. Eine Satelliten-Konstellation, bei der es auf die Abstandsermittlung benachbarter Satelliten ankommen kann, ist beispielsweise in
Insbesondere für die Anwendung in der Geodäsie ist es mitunter erforderlich, den Abstand zweier Satelliten millimetergenau zu ermitteln. Satellitensignale sind optische Signale, die mit einem Code versehen sind. Bei Satellitensignalen handelt es sich dabei typischerweise um sogenannte PRN-Codes, also Sequenzen von Symbolen, wobei ein Symbol eine Zeitdauer von lediglich 50 ps haben kann.For geodesy applications in particular, it is sometimes necessary to determine the distance between two satellites with millimeter precision. Satellite signals are optical signals that are provided with a code. Satellite signals are typically so-called PRN codes, that is, sequences of symbols, where a symbol can have a duration of only 50 ps.
Es besteht die Anforderung, den Abstand beispielsweise von Satelliten mit Genauigkeiten im Submillimeterbereich bestimmen zu können.There is a requirement to be able to determine the distance from satellites, for example, with accuracies in the sub-millimeter range.
In [5] ist ein möglicher Laboraufbau zum Test eines optischen Inter-Satellite-Links für bi-direktionale Übertragung von Zeit, Daten und zur Ermittlung der Entfernung zwischen den beiden Satelliten beschrieben. Zunächst werden die verschiedenen möglichen Szenarien zwischen einem LEO (Low Earth Orbit) und einem MEO (Medium Earth Orbit) beschrieben und die entstehenden optomechanischen Anforderungen erläutert. Für die Kommunikation werden ein Eingangslaser und ein Referenzlaser mit einer optischen Phasenregelschleife synchronisiert. Eine Verzögerungsregelschleife (DLL) wird verwendet, um das Eingangssignal mit dem Referenzsignal zu korrelieren. Es werden die Ergebnisse eines vereinfachten Systemtests zur Entfernungsmessung beschrieben. Schließlich wird das opto-mechanische Design näher erläutert und Hardwareentwicklungen kurz aufgezeigt.A possible laboratory setup for testing an optical inter-satellite link for bi-directional transmission of time and data and for determining the distance between the two satellites is described in [5]. First, the various possible scenarios between a LEO (Low Earth Orbit) and an MEO (Medium Earth Orbit) are described and the resulting optomechanical requirements are explained. An input laser and a reference laser are synchronized with an optical phase-locked loop for communication. A delay locked loop (DLL) is used to correlate the input signal with the reference signal. The results of a simplified system test for distance measurement are described. Finally, the opto-mechanical design is explained in more detail and hardware developments are briefly shown.
Bei dem beispielhaften Verfahren ist vorgesehen, dass
- - ein erstes Objekt von einem zweiten Objekt ein mittels eines Codes moduliertes optisches Signal mit einer bekannten Trägerfrequenz als Empfangssignal empfängt, wobei der Modulationscode eine Sequenz von Symbolen aufweist, die jeweils gleich lange Intervalle einnehmen, und
- - in dem ersten Objekt
- - ein optisches Referenzsignal erzeugt wird, das als ein optisches Trägersignal mit der gleichen Frequenz wie diejenige des Empfangssignals und mit einer aufmodulierten, der Symbolsequenz des Empfangssignals gleichenden Symbolsequenz ausgebildet ist,
- - die Korrelation des Empfangssignals mit dem Referenzsignal ermittelt wird,
- - ein den Grad der Korrelation beschreibender Korrelationswert als ein elektrisches Signal erzeugt wird, das eine niedrigere Frequenz als das Empfangssignal aufweist,
- - die Symbolsequenz für das Referenzsignal mittels eines optischen Modulators zeitlich verschoben auf das Trägersignal moduliert wird, wobei die zeitliche Verschiebung anhand der Größe des Korrelationswerts bestimmt wird, so dass das Referenzsignal mit dem Empfangssignal in Phase gelangt,
- - eine Verschiebung der Symbolsequenz des Referenzsignals um eine Zeitdauer, die gleich dem Intervall eines Symbols oder gleich einem ganzzahligen Vielfachen des Intervalls ist, durch entsprechende zeitverzögerte Modulation des Trägersignals mittels eines die Symbolsequenz des Referenzsignals aufweisenden, elektrischen Digitalsignals erfolgt,
- - eine Verschiebung der Symbolsequenz des Referenzsignals um eine Zeitdauer, die kleiner ist als das Intervall eines Symbols, durch Ansteuerung einer dem Modulator vorgeschalteten Analogverschiebung erfolgt, welche das die Symbolsequenz des Referenzsignals aufweisende, elektrische Digitalsignal empfängt und dieses Digitalsignal um die durch ein elektrisches Zeitverzögerungssteuersignal für die Analogverschiebung bestimmte Verzögerungszeit zeitverzögert an den Modulator weitergibt, und
- - der Grad der zeitlichen Verschiebung, mit der die Symbolsequenz für das Referenzsignal auf das Trägersignal moduliert wird, den Abstand beider Objekte repräsentiert und/oder der Abstand beider Objekte anhand des Grads der zeitlichen Verschiebung ermittelt wird.
- a first object receives from a second object an optical signal modulated by means of a code with a known carrier frequency as a received signal, the modulation code having a sequence of symbols which each occupy equally long intervals, and
- - in the first object
- - An optical reference signal is generated, which is designed as an optical carrier signal with the same frequency as that of the received signal and with a symbol sequence modulated on that is the same as the symbol sequence of the received signal,
- - the correlation of the received signal with the reference signal is determined,
- - A correlation value describing the degree of correlation is generated as an electrical signal which has a lower frequency than the received signal,
- the symbol sequence for the reference signal is modulated onto the carrier signal with a time shift by means of an optical modulator, the time shift being determined on the basis of the magnitude of the correlation value, so that the reference signal comes into phase with the received signal,
- - the symbol sequence of the reference signal is shifted by a period of time that is equal to the interval of a symbol or equal to an integral multiple of the interval by means of a corresponding time-delayed modulation of the carrier signal by means of an electrical digital signal having the symbol sequence of the reference signal,
- - The symbol sequence of the reference signal is shifted by a period of time that is shorter than the interval of a symbol by controlling an analog shift connected upstream of the modulator, which receives the electrical digital signal having the symbol sequence of the reference signal and this digital signal by the amount determined by an electrical time delay control signal for the analog shift forwards a certain delay time to the modulator with a time delay, and
- the degree of the time shift with which the symbol sequence for the reference signal is modulated onto the carrier signal, represents the distance between the two objects and / or the distance between the two objects is determined on the basis of the degree of the time shift.
Dieses Konzept basiert auf zunächst einmal bekannten Elementen. So wird zur Abstandsermittlung ein beispielsweise von dem zweiten Objekt an das erste Objekt gesendetes optisches Signal verwendet, das einen Modulationscode mit einer Sequenz von Symbolen aufweist. Bei diesem Modulationscode handelt es sich insbesondere um einen PRN-Code, also um eine Sequenz von PRN-Symbolen. Um das optische Empfangssignal aus dem Rauschen des Empfängers des ersten Objekts extrahieren zu können, wird ein im ersten Objekt erzeugtes optisches Referenzsignal mit dem optischen Empfangssignal korreliert. Als Beispiel für einen für diesen Zweck verwendbaren Korrelator sei auf einen optischen Kohärenz-Empfänger verwiesen.This concept is based on initially known elements. For example, an optical signal which is sent from the second object to the first object and has a modulation code with a sequence of symbols is used to determine the distance. This modulation code is in particular a PRN code, that is to say a sequence of PRN symbols. In order to be able to extract the optical received signal from the noise of the receiver of the first object, an optical reference signal generated in the first object is correlated with the optical received signal. As an example of a correlator that can be used for this purpose, reference is made to an optical coherence receiver.
Durch die Korrelation wird das extrem hochfrequente optische Signal, dessen Frequenz im Tera-Hertz-Bereich liegt, in ein elektrisches Signal gewandelt, das in einen um mindestens drei Größenordnungen niedrigeren Frequenzbereich verschoben ist. Damit lässt sich nun die weitere Signalverarbeitung mit herkömmlicher Hard- und Software realisieren.The correlation converts the extremely high-frequency optical signal, the frequency of which is in the tera-Hertz range, into an electrical signal that is shifted to a frequency range that is at least three orders of magnitude lower. This means that further signal processing can now be implemented with conventional hardware and software.
Das optische Referenzsignal, das im ersten Objekt mittels eines beispielsweise Laser erzeugt wird, weist ein optisches Trägersignal auf, das die gleiche Frequenz wie das optische Empfangssignal hat. Auf dieses Trägersignal wird nun die gleiche Sequenz von Symbolen wie im Empfangssignal, also der Modulationscode des Empfangssignals aufmoduliert. Die Symbolsequenz wird so lange in der Phase relativ zum Trägersignal verschoben, bis man anhand des Korrelationswerts erkennt, dass das Referenzsignal in Phase mit dem Empfangssignal liegt oder zumindest diesem Zustand recht nahe kommt.The optical reference signal, which is generated in the first object by means of a laser, for example, has an optical carrier signal which has the same frequency as the optical received signal. The same sequence of symbols as in the received signal, that is to say the modulation code of the received signal, is then modulated onto this carrier signal. The symbol sequence is shifted in phase relative to the carrier signal until one recognizes from the correlation value that the reference signal is in phase with the received signal or at least comes very close to this state.
Die Verschiebung der Symbolsequenz für das Referenzsignal, mit der die Symbolsequenz auf das Trägersignal moduliert wird, kann grundsätzlich lediglich symbolweise erfolgen. Damit ist der minimal mögliche Phasen-Shift auf die Dauer eines Symbol-Intervalls beschränkt. Dies kann aber für bestimmte Anwendungen zu ungenau sein. So könnte man beispielsweise durch eine Phasenverschiebung in der Größenordnung eines Symbol-Intervalls des Modulationscodes des Empfangssignals bereits zu groß sein, womit man kein verwertbares Korrelationssignal bzw. keinen verwertbaren Korrelationswert mehr erhalten würde.The shift of the symbol sequence for the reference signal, with which the symbol sequence is modulated onto the carrier signal, can in principle only take place symbol-by-symbol. The minimum possible phase shift is thus limited to the duration of a symbol interval. However, this can be too imprecise for certain applications. For example, due to a phase shift in the order of magnitude of a symbol interval of the modulation code of the received signal, one could already be too large, with which one would no longer obtain a usable correlation signal or a usable correlation value.
Bei diesem Verfahren wird daher vorgeschlagen, zusätzlich zu der vergleichsweise bereits groß aufgelösten Verschiebung der Symbolsequenz des Referenzsignals um ein Intervall eines Symbols oder um ein Vielfaches eines Intervalls eines Symbols auch noch eine Feinstverschiebung der Symbolsequenz zu ermöglichen. Diese Feinstverschiebung bewegt sich im Sub-Symbol-Bereich und ihr kleinster Shift kann beispielsweise weniger als 1/10, beispielsweise weniger als 1/20 der Dauer eines Symbol-Intervalls betragen, also weniger als z.B. 2,5 ps. Die Auflösung liegt sogar im Femtosekundenbereich und hängt unter anderem von der Auflösung des DACs ab, da die Verzögerungsstrecke wertkontinuierlich arbeitet. D.h., dass man bei einem 12 Bit DAC eine Auflösung bis zu 20 Femtosekunden erreichen kann, was einem Symbolanteil von 1/2500 entspricht. Statt einer analogen Delay-Line kann auch eine digital ansteuerbare Analogverschiebung eingesetzt werden, womit der DAC als dezidiertes Element entfallen würde. Die sehr hohe Auflösung wird erfindungsgemäß durch gesteuerte zeitliche Verzögerung der Symbolsequenz des Referenzsignals erzielt, indem diese als digitales Signal, also als binäres Signal in der analogen oder digitalen Domäne, eine Analogverschiebung passiert, die dem Modulator für das Trägersignal vorgeschaltet ist. Die Analogverschiebung wiederum ist mittels eines ebenfalls digitalen elektrischen Zeitverzögerungssteuer-Signals gesteuert, das gegebenenfalls einer Digital-Analog-Wandlung unterzogen wird, um dann als elektrisches Analog-Signal oder als elektrisches Digital-Signal die Analogverschiebung zu steuern.In this method it is therefore proposed, in addition to the comparatively already large-resolution shift of the symbol sequence of the reference signal by an interval of a symbol or by a multiple of an interval of a symbol, also to enable a very fine shift of the symbol sequence. This very fine shift is in the sub-symbol area and its smallest shift can be, for example, less than 1/10, for example less than 1/20 of the duration of a symbol interval, i.e. less than, for example, 2.5 ps. The resolution is even in the femtosecond range and depends, among other things, on the resolution of the DAC, since the delay line works continuously. This means that with a 12-bit DAC you can achieve a resolution of up to 20 femtoseconds, which corresponds to a symbol component of 1/2500. Instead of an analog delay line, a digitally controllable analog shift can also be used, which would eliminate the DAC as a dedicated element. The very high resolution is achieved according to the invention by a controlled time delay of the symbol sequence of the reference signal in that it passes an analog shift as a digital signal, i.e. as a binary signal in the analog or digital domain, which is connected upstream of the modulator for the carrier signal. The analog shift, in turn, is controlled by means of a likewise digital electrical time delay control signal, which is optionally subjected to a digital-to-analog conversion in order to then control the analog shift as an electrical analog signal or as an electrical digital signal.
Für die Signalverarbeitung wird typischerweise ein digitaler Signalprozessor, ein FPGA oder ein anderer Typ von Signalverarbeitungseinheit eingesetzt, dessen Eingangsgröße ein den Korrelationswert beschreibendes elektrisches Analog-Signal ist und der zwei elektrische Digital-Signale ausgibt, von denen das eine die Symbolsequenz für das Referenzsignal beschreibt und das andere für die Subsymbolverschiebung der Symbolsequenz für das Referenzsignal sorgt, wobei das derart zeitlich verschobene elektrische Digitalsignal der Symbolsequenz auf den Modulator gegeben wird, in dem die Symbolsequenz dann auf das optische Trägersignal aufmoduliert wird.A digital signal processor, an FPGA or another type of signal processing unit is typically used for signal processing, the input variable of which is an electrical analog signal describing the correlation value and which outputs two electrical digital signals, one of which describes the symbol sequence for the reference signal and the other ensures the sub-symbol shifting of the symbol sequence for the reference signal, the electrical digital signal shifted in time in this way the symbol sequence is given to the modulator, in which the symbol sequence is then modulated onto the optical carrier signal.
Mit dem Konzept lässt sich das optische Empfangssignal wesentlich genauer nachführen. Außerdem kann man durch Aufbringen einer bekannten kleinen „Störung“ (man spricht hier im Englischen auch von „dither“) auf das elektrische digitale Zeitverzögerungssteuersignal, d.h. auf das Feinstverschiebungssignal (die Richtung der Verschiebung - nämlich verzögernd oder vorauseilend - der Symbolsequenz ist bekannt) die Korrelation bewusst beeinflussen, und zwar aufgrund der extrem hohen Auflösung in einem so geringen Maße, dass das Tracking weiterhin funktioniert. Anhand der Veränderung des Korrelationswerts, also wenn man die Korrelation auswertet und in Relation zu dem bekannten Störsignal setzt, kann man herausfinden, auf welchem Ast (links oder rechts des Korrelationspeak) der Korrelationsfunktion man sich befindet. Diese Vorgehensweise ist deutlich schwieriger und komplizierter zu realisieren, wenn man entsprechend durch symbolweises Verschieben der Symbolsequenz für das Referenzsignal bei der Aufmodulation der Symbolsequenz auf das optische Trägersignal verfährt. Dies ermöglicht es mit Vorteil, die Symbolsequenz für das Referenzsignal im Zeitmultiplexverfahren zusätzlich feinst zu verschieben, um einen Early-Middle-Late-Algorithmus zu emulieren. Auf diese Art und Weise kann man auf Frequenzverschiebungen des optischen Empfangssignals und auf Phasenverschiebungen seines Codes (Symbolsequenz) reagieren und damit die Nachverfolgung des Empfangssignals bei Veränderungen des Abstandes der beiden Objekte zuverlässiger garantieren.With the concept, the optical received signal can be tracked much more precisely. In addition, by applying a known small "disturbance" (one also speaks of "dither" in English) to the electrical digital time delay control signal, ie to the fine displacement signal (the direction of the displacement - namely delaying or leading - the symbol sequence is known) Deliberately influencing the correlation, and because of the extremely high resolution to such a small extent that the tracking continues to work. On the basis of the change in the correlation value, i.e. if one evaluates the correlation and sets it in relation to the known interference signal, one can find out which branch (left or right of the correlation peak) of the correlation function one is on. This procedure is much more difficult and complicated to implement if one proceeds accordingly by shifting the symbol sequence for the reference signal symbol by symbol when modulating the symbol sequence onto the optical carrier signal. This advantageously makes it possible to additionally shift the symbol sequence for the reference signal in the time division multiplex method in order to emulate an early-middle-late algorithm. In this way one can react to frequency shifts of the optical received signal and to phase shifts of its code (symbol sequence) and thus guarantee the tracking of the received signal more reliably when the distance between the two objects changes.
Hierzu ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen,
- - dass die Symbolsequenz für das Referenzsignal zur Reduktion der Gefahr des Verlustes der Nachverfolgung des Empfangssignals durch das Trägersignal mit aufmoduliertem Referenzsignal bei einer Veränderung der Frequenz und/oder Phase des Empfangssignals zu höheren Werten in Folge einer Verringerung des Abstandes der beiden Objekte und zu niedrigeren Werten in Folge einer Vergrößerung des Abstandes der beiden Objekte durch Modulation mittels eines Zeitmultiplex-Signals um jeweils vorbestimmte Ausmaße d.h. Zeit-Offsets zwecks Emulation einer Frequenzänderung nacheilend oder vorauseilend verschoben wird, ohne dass der Korrelationswert einen vorbestimmten, einen Mindestgrad an Korrelation definierenden Schwellwert unterschreitet, wobei der Korrelationswert von einem ersten Wert, der ein Nacheilen der Symbolsequenz für das Referenzsignal gegenüber derjenigen des Empfangssignals repräsentiert (und damit sozusagen eine mit einer Verringerung des Abstandes der beiden Objekte einhergehenden Vergrößerung der Frequenz des Empfangssignals emuliert), auf einen Optimalwert, der im Wesentlichen die Synchronisation der Symbolsequenzen für das Referenzsignal und derjenigen des Empfangssignals repräsentiert (und damit sozusagen einen im Wesentlichen gleichbleibenden Abstand beider Objekte emuliert), und ferner von diesem Optimalwert auf einen zweiten Korrelationswert, der ein Vorauseilen der Symbolsequenz für das Referenzsignal gegenüber derjenigen des Empfangssignals repräsentiert (und mit anderen Worten damit eine mit einer Vergrößerung des Abstandes der beiden Objekte einhergehenden Verringerung der Frequenz des Empfangssignals emuliert) wechselt und zwischen diesen Werten umgekehrt oder zyklisch wechselt und
- - wobei im Falle einer Abstandsänderung der beiden Objekte die dann erfolgende Frequenz- und/oder Phasenverschiebung zu entweder einer höheren Frequenz oder einer niedrigeren Frequenz des Empfangssignals durch Wahl eines Nacheilens oder Vorauseilens der Symbolsequenz für das Referenzsignal gegenüber derjenigen des Empfangssignals kompensiert wird (und damit bei einer Vergrößerung oder Verringerung des Abstandes die Nachverfolgung des Empfangssignals vereinfacht ist und zuverlässiger erfolgt).
- - That the symbol sequence for the reference signal to reduce the risk of losing tracking of the received signal by the carrier signal with modulated reference signal in the event of a change in the frequency and / or phase of the received signal to higher values as a result of a reduction in the distance between the two objects and to lower values as a result of an increase in the distance between the two objects by modulation by means of a time-division multiplex signal by respectively predetermined amounts, i.e. time offsets for the purpose of emulating a frequency change are shifted lagging or leading, without the correlation value falling below a predetermined threshold value defining a minimum degree of correlation, whereby the correlation value of a first value which represents a lag of the symbol sequence for the reference signal compared to that of the received signal (and thus, so to speak, a magnification associated with a reduction in the distance between the two objects emulation of the frequency of the received signal), to an optimum value, which essentially represents the synchronization of the symbol sequences for the reference signal and that of the received signal (and thus, so to speak, emulates an essentially constant distance between the two objects), and further from this optimum value to a second correlation value , which represents an advance of the symbol sequence for the reference signal compared to that of the received signal (and in other words emulates a reduction in the frequency of the received signal associated with an increase in the distance between the two objects) and alternates between these values reversely or cyclically and
- - In the case of a change in the distance between the two objects, the then occurring frequency and / or phase shift to either a higher frequency or a lower frequency of the received signal is compensated for by selecting a lagging or leading of the symbol sequence for the reference signal compared to that of the received signal (and thus at an increase or decrease in the distance, the tracking of the received signal is simplified and takes place more reliably).
Diese zusätzliche Modulation des Feinstverschiebungssignals, d.h. des elektrischen Zeitverzögerungssignals erfolgt im Zeitmultiplexverfahren, d.h. in der Zeitebene und damit zeitlich hintereinander. Hierbei wird vom Prinzip her das an sich bekannte Early-Middle-Late-Verfahren zur Nachverfolgung von Navigationssatelliten-Trägersignalen eingesetzt, die sich hinsichtlich der Frequenz und der Phase von aufmodulierten Codes verschieben, und zwar aufgrund von Änderungen der Entfernung des Satelliten zum Empfänger. Allerdings wird bei der Erfindung vorteilhafterweise lediglich ein einziger optischer Empfänger (oder anders ausgedrückt ein einziger optischer Empfangskanal) benötigt, während die Hardware-Implementierungen des Early-Middle-Late-Verfahrens in seiner Anwendung im RF-Bereich, wie es bei Navigationssatellitensystemen der Fall ist, drei Empfänger bzw. drei Empfangskanäle benötigt, was sich nachteilig auf die Leistung auswirkt, die das Empfangssignal aufweisen muss, um nach Aufteilung auf die drei Empfangskanäle (mit den diesen zugeordneten elektrischen Schaltungen wie z. B. den Korrelatoren) noch ausreichend groß zu sein. Diese Einschränkung gilt für den erfindungsgemäßen Ansatz der Emulation des Early-Middle-Late-Verfahrens nicht, was ein wesentlicher Vorteil gegenüber den im Stand der Technik bekannten Realisierungen dieses Verfahrens ist.This additional modulation of the finest displacement signal, i.e. the electrical time delay signal, takes place in the time division multiplex process, i.e. in the time domain and thus one after the other. In principle, the early-middle-late method, known per se, is used here for tracking navigation satellite carrier signals that shift in terms of frequency and phase of modulated codes due to changes in the distance between the satellite and the receiver. However, the invention advantageously only requires a single optical receiver (or, in other words, a single optical receiving channel), while the hardware implementations of the early-middle-late method are used in the RF range, as is the case with navigation satellite systems , requires three receivers or three receiving channels, which has a detrimental effect on the power that the received signal must have in order to be sufficiently large after division into the three receiving channels (with the electrical circuits assigned to them such as the correlators) . This restriction does not apply to the approach according to the invention of emulating the early-middle-late method, which is a significant advantage over the realizations of this method known in the prior art.
In zweckmäßiger Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass das Zeitverzögerungssteuersignal ein elektrisches Digitalsignal ist, das in einem Digital-Analog-Wandler in ein elektrisches Analogsignal umgewandelt wird, wobei das elektrische Analogsignal die Analogverschiebung steuert.In an expedient development, it can be provided that the time delay control signal is an electrical digital signal that is converted into an electrical analog signal in a digital-to-analog converter, the electrical analog signal controlling the analog shift.
Wie bereits oben erwähnt, wird das Empfangssignal von dem ersten Objekt durch einen kohärenten Empfänger (optischer Kohärenz-Empfänger) empfangen, der die Korrelation und eine Umsetzung der Korrelation in ein elektrisches Analogsignal ausführt, das zur weiteren Verarbeitung und insbesondere zur Bildung des Korrelationswerts und zur Erzeugung der Verschiebung der Symbolsequenz des Referenzsignals relativ zur Phase des Trägersignals in ein Digitalsignal genutzt wird.As already mentioned above, the received signal from the first object is received by a coherent receiver (optical coherence receiver), which carries out the correlation and a conversion of the correlation into an electrical analog signal, which is used for further processing and in particular for the formation of the correlation value and for Generation of the shift of the symbol sequence of the reference signal relative to the phase of the carrier signal is used in a digital signal.
Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet betrifft den Fall, dass es sich bei den beiden Objekten um zwei Satelliten handelt und/oder dass der Modulationscode eine PRN-Sequenz von Symbolen oder einen Goldcode aufweist. Grundsätzlich gilt, dass der Modulationscode beliebig gewählt sein kann.A preferred field of application relates to the case that the two objects are two satellites and / or that the modulation code has a PRN sequence of symbols or a gold code. Basically, the modulation code can be chosen as desired.
Wie ebenfalls bereits oben beschrieben, können die beiden zuvor erwähnten Satelliten Teil einer Satelliten-Konstellation sein, bei der sich mehrere Satelliten auf einem gemeinsamen Orbit bewegen, wobei es sich bei dem Orbit insbesondere um einen sich in mittlerer Entfernung zur Erde befindenden MEO-Orbit handelt, und wobei die beiden Satelliten innerhalb des Orbit benachbart zueinander sind. Alternativ können die beiden oben genannten Satelliten Teil einer Satelliten-Konstellation sein, bei der sich mindestens ein erster Satellit auf einem ersten Orbit, z.B. einem in mittlerer Entfernung zur Erde befindenden MEO-Orbit, und mindestens ein zweiter Satellit auf einem von dem ersten Orbit verschiedenen zweiten Orbit, z.B. einem in geringer Entfernung zur Erde befindenden LEO-Orbit, befindet.As already described above, the two previously mentioned satellites can be part of a satellite constellation in which several satellites move on a common orbit, the orbit in particular being a MEO orbit located at a medium distance from Earth , and wherein the two satellites are adjacent to each other in orbit. Alternatively, the two satellites mentioned above can be part of a satellite constellation in which at least one first satellite is on a first orbit, for example a MEO orbit located at a medium distance from Earth, and at least one second satellite is on a different from the first orbit second orbit, e.g. a LEO orbit located a short distance from Earth.
Die für das hier vorgestellte beispielhafte Verfahren zur Entfernungsermittlung wesentlichen Merkmale sind wie folgt:
- - Die Korrelation von Referenzsignal und Empfangssignal findet in der optischen Domäne statt, die anders als die elektrische Domäne im Wesentlichen nicht bandbreitenlimitiert ist.
- - Die optische Korrelation reduziert die Bandbreitenanforderungen an den Empfänger und sämtliche diesem nachgeschalteten Komponenten. Somit kann eine höhere Auflösung erreicht werden, ohne die Komplexität des Empfängers zu vergrößern. Es erfolgt eine zweistufige Referenzsignalerzeugung, und zwar
- - eine symbolweise Verschiebung der digitalen Symbolsequenz (Grobverschiebung bzw. diskontinuierliche Verschiebung) und
- - Erzeugung eines Signals zur quasi analogen (auf die Zeitdomäne bezogen), d. h. quasi kontinuierlichen Feinstverschiebung der Symbolsequenz vor deren Aufmodulation auf das optischen Trägersignal.
- - Die in der elektrischen Domäne vorgenommene Verschiebung verändert nicht die optische Phase des Signals, was andernfalls den optischen PLL beeinträchtigen würde.
- - Das elektrische Signal für die Sub-Symbolintervall-Verschiebung der Phase der Symbolsequenz erhöht die maximal mögliche Auflösung bei der Entfernungsmessung in Schritten von weniger als einer Pikosekunde.
- - Die phasenmodulierte Datenübertragung über den optischen Kanal lässt
Datenraten von mindestens 50 Mbps zu. - - Das elektrische Signal für die Feinstverschiebung erlaubt die Modulation eines Zeitmultiplex-Signals (Time Division Multiplexed Signal) zur Vermeidung der Verwendung von drei Empfängern (für early, middle und late bei der Korrelation), was von Hochfrequenzempfängern an sich bekannt ist, aber sehr komplex bei optischen Datenübertragungssystemen ist. Nach der Erfindung bedarf es lediglich eines einzigen in diesen Fall optischen Empfängers mit einem einzigen Empfangskanal, so dass die Leistung des Empfangssignals den wegen Aufteilung auf mehrere Empfangskanäle gegebenen Einschränkungen an eine bestimmte Mindestgröße nicht unterliegt.
- - Eine hochauflösende Drift-Interpolation des Referenzsignals ist mit dem elektrischen Signal für die Sub-Symbolintervall-Verschiebung möglich. Anders ausgedrückt wird also bei dem Verfahren zur Ermittlung des Abstands zweier Objekte, insbesondere zweier Satelliten, unter Verwendung eines optischen Signals, das von dem einen Objekt an das andere Objekt gesendet wird, ein Referenzlaser mittels einer optischen Phasenregelschleife auf den Takt des optischen Eingangssignals synchronisiert. Eine Verzögerungsregelschleife wird verwendet, um das optische Eingangssignal mit dem auf Basis des Referenzlasers erzeugten Referenzsignals zu korrelieren. Dabei wird eine Grobjustage der Symbolsequenz im Referenzsignal durch symbolweises Verschieben dieser Sequenz realisiert. Vorzugsweise wird nun zusätzlich zu dieser Grobverschiebung eine Feinstverschiebung vorgenommen, indem ein Subsymbol-Verschiebungssignal (oben mit Zeitverzögerungssteuersignal bezeichnet) generiert wird, das für eine Verschiebung der Symbolsequenz um einen Bruchteil des Intervalls eines Symbols sorgt.
- The correlation of the reference signal and the received signal takes place in the optical domain, which, unlike the electrical domain, is essentially not bandwidth-limited.
- - The optical correlation reduces the bandwidth requirements on the receiver and all of the downstream components. Thus, a higher resolution can be achieved without increasing the complexity of the receiver. A two-stage reference signal generation takes place, namely
- - a symbol-by-symbol shift of the digital symbol sequence (coarse shift or discontinuous shift) and
- Generation of a signal for the quasi-analog (based on the time domain), ie quasi-continuous, very fine shifting of the symbol sequence before it is modulated onto the optical carrier signal.
- The shift made in the electrical domain does not change the optical phase of the signal, which would otherwise affect the optical PLL.
- The electrical signal for the sub-symbol interval shift of the phase of the symbol sequence increases the maximum possible resolution for the distance measurement in steps of less than one picosecond.
- - The phase-modulated data transmission over the optical channel allows data rates of at least 50 Mbps.
- - The electrical signal for the fine displacement allows the modulation of a time division multiplex signal (Time Division Multiplexed Signal) to avoid the use of three receivers (for early, middle and late in the correlation), which is known from high-frequency receivers, but is very complex in optical data transmission systems. According to the invention, only a single, in this case optical, receiver with a single receiving channel is required, so that the power of the received signal is not subject to the restrictions of a certain minimum size given due to the division into several receiving channels.
- - A high-resolution drift interpolation of the reference signal is possible with the electrical signal for the sub-symbol interval shift. In other words, in the method for determining the distance between two objects, in particular two satellites, using an optical signal that is sent from one object to the other object, a reference laser is synchronized to the clock of the optical input signal by means of an optical phase-locked loop. A delay locked loop is used to correlate the optical input signal with the reference signal generated on the basis of the reference laser. A rough adjustment of the symbol sequence in Reference signal realized by shifting this sequence symbol by symbol. In addition to this coarse shift, a very fine shift is preferably carried out by generating a sub-symbol shift signal (referred to above as time delay control signal), which shifts the symbol sequence by a fraction of the interval of a symbol.
Das Verfahren zur Entfernungsermittlung lässt sich grundsätzlich in sämtlichen Bereichen einsetzen, in denen die Entfernungsmessung mittels Laser eingesetzt wird. Im Besonderen lässt sich das Verfahren einsetzen für die Satellitennavigation (GNSS), für die Geodäsie und in der optischen Entfernungsmessung (siehe beispielsweise in [2] und [3]).The method for determining distance can basically be used in all areas in which distance measurement by means of lasers is used. In particular, the method can be used for satellite navigation (GNSS), for geodesy and in optical distance measurement (see for example in [2] and [3]).
Für die Entfernungsmessung wird das von einem ersten Satelliten empfangene optische (Empfangs-)Signal, das von einem zweiten Satelliten (ggf. auf Veranlassung eines zuvor vom ersten Satelliten an den zweiten Satelliten gesendeten optischen Signals) an den ersten Satelliten gesendet wird, verarbeitet und ausgewertet.For the distance measurement, the optical (received) signal received from a first satellite, which is sent to the first satellite by a second satellite (possibly at the instigation of an optical signal previously sent from the first satellite to the second satellite), is processed and evaluated .
Zunächst muss dabei der erste Satellit das von dem zweiten Satelliten kommende Empfangssignal
Gemäß
Ein z.B. Digitalsignalprozessor
Das elektrische Digitalsignal
Will man aber, wie nach der Erfindung vorgesehen, auch im Subsymbolintervall-Bereich verschieben können, so wird erfindungsgemäß das zweite elektrische Digitalsignal
Mit diesem Ansatz ist es nun möglich, dass die Symbolsequenz für das Referenzsignal
Es ist zu vermuten, dass sich der Abstand zweier beispielsweise MEO-Satelliten im Sub-Millimeter-Bereich bestimmen und sich eine Abstandsveränderung hochgenau nachverfolgen lässt.It can be assumed that the distance between two MEO satellites, for example, can be determined in the sub-millimeter range and a change in distance can be tracked with high accuracy.
Das Ausführungsbeispiel zeigt, dass sich das Verfahren zur Abstandsermittlung insbesondere durch ein oder mehrere der folgenden Merkmale auszeichnet:
- - Der Kohärenz-Empfänger empfängt eine PRN-Sequenz und Daten von weit entfernt und untersucht die Interferenz mit dem lokal erzeugten Referenzsignal in der optischen Domäne. Die Schleife ist eingerastet bei konstruktiver Interferenz durch Nachführung des Korrelationsmaximums.
- - Die Ausgänge des Kohärenz-Empfängers werden verwendet, um den Restphasenfehler zwischen dem Eingangssignal und dem Referenzsignal zu berechnen. Dieser Phasenfehler wird der optischen PLL zugeführt, um den Laser einzurasten.
- - Die Ausgangssignale des Kohärenz-Empfängers werden zur Wiedergewinnung der Daten abgetastet. Der ADC braucht lediglich so schnell zu sein, dass die Datengewinnung korrekt erfolgt. Er braucht nicht das gesamte Spektrum der PRN-Sequenz abzudecken.
- - Der Detektor demultiplext digital das Datensignal (Phase des Signals) und den Korrelationswert (Amplitude des Signals). Die Veränderungsrate des Korrelationssignals (ansteigend, abfallend oder 100%ige Korrelation) wird bestimmt entweder durch
- - einen early-late-Algorithmus gemäß z.B. [4], der durch Hinzufügung eines Zeit-Offset zum Signalgenerator emuliert wird (time Division Multiplexed Time Offset) oder
- - Schätzung der Dopplerzeitverschiebung aus der empfangenen Datenphase, da die Dopplerverschiebung (Phase) proportional ist zur Dopplerzeitverschiebung (siehe z.B. in [4]).
- - Zur Stabilisierung der „closed loop“-Antwort des DLL (Delay Locked Loop) dient ein Loop-Filter.
- - Der Signalgenerator erzeugt das die Referenz-PRN-Sequenz repräsentierende Signal. Die aktuelle Phase der erzeugten PRN-Sequenz (Maximierung der Korrelation durch die DLL) repräsentiert die Entfernungsinformation. Die PRN-Sequenz-Erzeugung wird durchgeführt in zwei Schritten:
- - digitale Erzeugung einer binären PRN-Sequenz (Grobauflösung)
- - Erzeugung eines analogen Signals zur Verschiebung der PRN-Sequenz im Subsymbolintervallbereich (Feinstverschiebung)
- - Das Signal für die Grobverschiebung (Digital Coarse PNN Sequence) passiert eine Analogverschiebung, dessen Zeitverzögerungsgröße gesteuert wird durch das analoge Signal für die Feinstverschiebung. Dies resultiert in einem elektrischen Signal, das die Auflösung im Zeitbereich wie das analoge Feinstverschiebungssignal hat. Der mit diesem Signal erzielbare Bereich der Zeitverschiebung ist größer als das Intervall eines Symbols, wodurch ein kontinuierliches Verschieben der Phase der PRN-Sequenz für das Referenzsignal erzielt werden kann. Drei verschiedene verschobene Signale sind in
7 gezeigt (siehe oben). Das Ergebnis der Korrelationsfunktion bei Verschiebung entsprechend den drei in6 gezeigten Zuständen „zu früh“, „Mitte“ und „zu spät“ ist in8 gezeigt. - - Das elektrische Signal wird phasenmoduliert auf das optische Signal des Lasers (optisches Trägerfrequenzsignal) moduliert und bildet das optische Referenzsignal.
- - The coherence receiver receives a PRN sequence and data from far away and examines the interference with the locally generated reference signal in the optical domain. The loop is locked in the event of constructive interference by tracking the correlation maximum.
- - The outputs of the coherence receiver are used to calculate the residual phase error between the input signal and the reference signal. This phase error is fed to the optical PLL to lock the laser into place.
- - The output signals of the coherence receiver are sampled to recover the data. The ADC only needs to be fast enough for the data to be obtained correctly. It does not need to cover the entire spectrum of the PRN sequence.
- - The detector digitally demultiplexes the data signal (phase of the signal) and the correlation value (amplitude of the signal). The rate of change of the correlation signal (rising, falling or 100% correlation) is determined by either
- - an early-late algorithm according to, for example, [4], which is emulated by adding a time offset to the signal generator (time division multiplexed time offset) or
- - Estimation of the Doppler time shift from the received data phase, since the Doppler shift (phase) is proportional to the Doppler time shift (see eg in [4]).
- - A loop filter is used to stabilize the "closed loop" response of the DLL (Delay Locked Loop).
- - The signal generator generates the signal representing the reference PRN sequence. The current phase of the generated PRN sequence (maximizing the correlation by the DLL) represents the distance information. The PRN sequence generation is carried out in two steps:
- - digital generation of a binary PRN sequence (coarse resolution)
- - Generation of an analog signal to shift the PRN sequence in the sub-symbol interval range (fine shift)
- - The signal for the coarse shift (Digital Coarse PNN Sequence) passes an analog shift, the time delay value of which is controlled by the analog signal for the fine shift. This results in an electrical signal that has the same resolution in the time domain as the analog fine displacement signal. The range of time shift that can be achieved with this signal is greater than the interval of a symbol, as a result of which a continuous shift of the phase of the PRN sequence for the reference signal can be achieved. Three different shifted signals are in
7th shown (see above). The result of the correlation function when shifted according to the three in6th The states "too early", "middle" and "too late" shown are in8th shown. - - The electrical signal is phase-modulated on the optical signal of the laser (optical carrier frequency signal) and forms the optical reference signal.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- MEO-SatellitenMEO satellites
- 1212th
- LEO-SatellitenLEO satellites
- 1414th
- VerarbeitungseinheitProcessing unit
- 1616
- optisches Empfangssignaloptical received signal
- 1818th
- optisches Referenzsignaloptical reference signal
- 2020th
- optisches Trägersignaloptical carrier signal
- 2222nd
- Laserlaser
- 2424
- optische PLLoptical PLL
- 2626th
- Kohärenz-EmpfängerCoherence receiver
- 2828
- elektrisches Ausgangssignalelectrical output signal
- 3030th
- elektrisches Ausgangssignalelectrical output signal
- 3232
- Analog-Digital-WandlerAnalog-to-digital converter
- 3434
- elektrisches Digitalsignalelectrical digital signal
- 3636
- optischer Modulatoroptical modulator
- 3838
- DigitalsignalprozessorDigital signal processor
- 4040
- Detektordetector
- 4242
- Loop-FilterLoop filter
- 4444
- SignalerzeugungseinheitSignal generation unit
- 4646
- elektrisches Digitalsignalelectrical digital signal
- 4848
- elektrisches Digitalsignal (Zeitverzögerungssteuersignal bzw. Sub-Symbol- Verschiebungssignal)electrical digital signal (time delay control signal or sub-symbol shift signal)
- 5050
- Digital-Analog-WandlerDigital-to-analog converter
- 5252
- AnalogverschiebungAnalog shift
- 6060
- anderen Objektother object
- 6868
- Terminalterminal
- 7070
- Objektobject
- 7272
- KommunikationskanalCommunication channel
- 7474
- Terminalterminal
- 7676
- ZeitbasisTime base
- 7878
- Zählercounter
- 8080
- PRN-SequenzgeneratorPRN sequence generator
- 8282
- KorrelatorCorrelator
- 8383
- SendesignalTransmission signal
- 8484
- Bit-VerschieberBit shifter
- 8686
- PRN-SequenzgeneratorPRN sequence generator
- 8888
- ReferenzsignalReference signal
- 9090
- AnalogverschiebungAnalog shift
- 9292
- ZeitstempelgeneratorTimestamp generator
AbkürzunasverzeichnisList of Abbreviations
Literaturverzeichnisbibliography
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