ES2962848T3 - Procedimiento para determinar la distancia entre dos objetos, en particular dos satélites - Google Patents

Abstract

En el método para determinar la distancia entre dos objetos, en particular dos satélites, utilizando una señal óptica que se envía de un objeto al otro objeto, se sincroniza un láser de referencia (22) con el reloj de la señal óptica de entrada mediante un bucle óptico de fase bloqueada. Se utiliza un bucle de control de retardo para correlacionar la señal de entrada óptica (16) con la señal de referencia (18) generada en base al láser de referencia (22). Según la invención se consigue un ajuste aproximado de la secuencia de símbolos en la señal de referencia (18) desplazando esta secuencia símbolo por símbolo. Según la invención, además de este desplazamiento aproximado, ahora se realiza un desplazamiento fino generando una señal de desplazamiento de subsímbolo (48), que garantiza un desplazamiento en la secuencia de símbolos en una fracción del intervalo de un símbolo. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento para determinar la distancia entre dos objetos, en particular dos satélites

La presente solicitud de patente reivindica la prioridad de la solicitud de patente alemana 10 2019 115 977.6, presentada el 12 de junio de 2019.

La invención se refiere a un procedimiento para determinar la distancia entre dos objetos usando una señal óptica que se envía de un objeto al otro objeto. Los dos objetos son en particular dos satélites que se mueven uno detrás del otro en una órbita común o que se mueven en órbitas diferentes.

Para diversas casos de aplicaciones puede ser necesario medir la distancia entre dos objetos. Un ejemplo es la medición de la distancia entre dos satélites en una constelación de satélites con varios satélites en una órbita común. Una constelación de satélites en la que puede ser importante la determinación de la distancia entre satélites adyacentes se describe, por ejemplo, en el documento WO 2019/01191 A1. En círculos profesionales, la determinación de la distancia mediante una señal óptica se denomina también "optical ranging". En particular, para la aplicación en la geodesia, a veces es necesario

determinar la distancia entre dos satélites con precisión milimétrica. Las señales de satélite son señales ópticas que están provistas de un código. Las señales de satélite son a este respecto normalmente los llamados códigos PRN, es decir, secuencias de símbolos, pudiendo tener un símbolo una duración de tan solo 50 ps.

Es necesario poder determinar la distancia, por ejemplo, entre satélites con una precisión submilimétrica.

En [1] se describe un posible montaje de laboratorio para probar un enlace óptico entre satélites para la transmisión bidireccional de tiempo y datos y para determinar la distancia entre los dos satélites. En primer lugar, se describen los diferentes escenarios posibles entre una LEO (Low Earth Orbit, en español órbita terrestre baja) y una MEO (Medium Earth Orbit, en español órbita terrestre media) y se explican los requisitos optomecánicos resultantes. Para la comunicación, se sincronizan un láser de entrada y un

láser de referencia con un lazo de enganche de fase óptico. Se usa un lazo de enganche de retardo (DLL) para correlacionar la señal de entrada con la señal de referencia. Se describen los resultados de una prueba simplificada del sistema para la medición de distancias. Finalmente, se explica con más detalle el diseño optomecánico y se muestran brevemente los desarrollos del hardware.

El objetivo de la invención es proporcionar un procedimiento para determinar la distancia entre dos objetos, con el que pueda determinarse con mucha precisión la distancia entre los dos objetos usándose software y hardware comparativamente económicos.

Para conseguir este objetivo, se propone un procedimiento según la reivindicación 1, que define la invención, que se propone para determinar la distancia entre dos objetos, en particular dos satélites, usándose una señal óptica que se envía de un objeto al otro objeto, recibiendo en este procedimiento

- un primer objeto de un segundo objeto una señal óptica modulada mediante un código con una frecuencia portadora conocida como señal de recepción, presentando el código de modulación una secuencia de símbolos que ocupan respectivamente unos intervalos de la misma duración, y

- generándose en el primer objeto

- una señal óptica de referencia, que está configurada como señal portadora óptica con la misma frecuencia que la señal de recepción y en la que se ha modulado una secuencia de símbolos que es similar a la secuencia de símbolos de la señal de recepción,

- determinándose la correlación de la señal de recepción con la señal de referencia,

- generándose un valor de correlación que describe el grado de correlación como una señal eléctrica que presenta una frecuencia más baja que la señal de recepción,

- modulándose la secuencia de símbolos para la señal de referencia con un desplazamiento en el tiempo mediante un modulador óptico en la señal portadora, determinándose el desplazamiento en el tiempo con ayuda de la magnitud del valor de correlación, de modo que la señal de referencia entra en fase con la señal de recepción,

- realizándose un desplazamiento de la secuencia de símbolos de la señal de referencia lo que corresponde a un período de tiempo igual al intervalo de un símbolo o igual a un múltiplo de número entero del intervalo mediante una modulación correspondiente retardada en el tiempo de la señal portadora mediante una señal eléctrica digital que presenta la secuencia de símbolos de la señal de referencia,

- realizándose un desplazamiento de la secuencia de símbolos de la señal de referencia durante un período de tiempo menor que el intervalo de un símbolo mediante el control de un elemento de retardo de tiempo montado delante del modulador, que recibe la señal eléctrica digital que presenta la secuencia de símbolos de la señal de referencia y transfiriéndose esta señal digital con un retardo de tiempo determinado por una señal eléctrica de control de retardo de tiempo para el elemento de retardo de tiempo al modulador, y

- representando el grado del desplazamiento temporal con el que se modula la secuencia de símbolos para la señal de referencia en la señal portadora la distancia entre los dos objetos y/o determinándose la distancia entre los dos objetos con ayuda del grado de desplazamiento en el tiempo.

El concepto de acuerdo con la invención se basa en elementos inicialmente conocidos. Así, para determinar la distancia se usa, por ejemplo, una señal óptica enviada desde el segundo objeto al primer objeto, que presenta un código de modulación con una secuencia de símbolos. Este código de modulación es en particular un código PRN, es decir, una secuencia de símbolos PRN. Para poder extraer la señal óptica de recepción del ruido del receptor del primer objeto, se correlaciona una señal óptica de referencia generada en el primer objeto con la señal óptica de recepción. Como ejemplo de correlador que puede usarse para este fin, se hace referencia a un receptor de coherencia óptica.

Mediante la correlación se convierte la señal óptica de frecuencia extremadamente alta, cuya frecuencia se encuentra en el rango de los terahercios, en una señal eléctrica que se ha desplazado a un rango de frecuencia que es al menos tres órdenes de magnitud menor. De esta manera, ahora puede realizarse el procesamiento posterior de señales con hardware y software convencionales.

La señal óptica de referencia, que se genera en el primer objeto, por ejemplo, mediante un láser, presenta una señal portadora óptica que tiene la misma frecuencia que la señal óptica de recepción. La misma secuencia de símbolos que en la señal de recepción, es decir, el código de modulación de la señal de recepción, se modula ahora en esta señal portadora. La secuencia de símbolos se desfasa con respecto a la señal portadora hasta que se detecte con ayuda del valor de correlación que la señal de referencia está en fase con la señal de recepción o al menos se aproxima bastante a este estado.

El desplazamiento de la secuencia de símbolos para la señal de referencia con el que la secuencia de símbolos se modula en la señal portadora, en principio puede realizarse solo símbolo por símbolo. Por lo tanto, el desplazamiento de fase mínimo posible está limitado a la duración de un intervalo de símbolo. No obstante, esto puede resultar demasiado impreciso para determinadas aplicaciones. Por ejemplo, un desplazamiento de fase del orden de magnitud de un intervalo de símbolo del código de modulación de la señal de recepción podría ser ya demasiado grande, por lo que ya no se obtendría una señal de correlación aceptable o un valor de correlación aceptable.

Por lo tanto, de acuerdo con la invención se propone que, adicionalmente al desplazamiento de resolución ya comparativamente grande de la secuencia de símbolos de la señal de referencia en lo que corresponde a un intervalo de un símbolo o en un múltiplo de un intervalo de un símbolo, también pueda realizarse un desplazamiento muy fino de la secuencia de símbolos. Este desplazamiento muy fino está en el rango de subsímbolos y su desplazamiento más pequeño puede ser, por ejemplo, inferior a 1/10, por ejemplo inferior a 1/20, de la duración de un intervalo de símbolo, es decir, inferior a, por ejemplo, 2,5 ps. La resolución está situada incluso en el rango de femtosegundos y depende, entre otras cosas, de la resolución del DAC, ya que la línea de retardo funciona con valores continuos. Es decir, con un DAC de 12 bits puede alcanzarse una resolución de hasta 20 femtosegundos, lo que corresponde a una parte de símbolo de 1/2500. En lugar de una línea de retardo analógica, puede usarse un elemento de retardo de tiempo controlable digitalmente, por lo que ya no sería necesario el DAC como elemento dedicado. La muy alta resolución se consigue de acuerdo con la invención mediante un retardo de tiempo controlado de la secuencia de símbolos para la señal de referencia, pasando la misma como señal digital, es decir, como una señal binaria en el dominio analógico o digital, por un elemento de retardo de tiempo que está montado delante del modulador para la señal portadora. El elemento de retardo de tiempo se controla a su vez mediante una señal eléctrica de control de retardo de tiempo también digital, que se somete dado el caso a una conversión digital-analógica, para controlar a continuación el elemento de retardo de tiempo como señal eléctrica analógica o como señal digital.

Para el procesamiento de señales se usa normalmente un procesador de señales digital, una FPGA u otro tipo de unidad de procesamiento de señales, cuya magnitud de entrada es una señal eléctrica analógica que describe el valor de correlación y que emite dos señales eléctricas digitales, de las que una describe la secuencia de símbolos para la señal de referencia y la otra se encarga del desplazamiento de subsímbolos de la secuencia de símbolos para la señal de referencia, enviándose la señal eléctrica digital de la secuencia de símbolos desplazada en el tiempo de esta manera al modulador, en el que a continuación se modula la secuencia de símbolos en la señal portadora óptica.

Con el concepto de acuerdo con la invención puede realizarse un seguimiento esencialmente más preciso de la señal óptica de recepción. Además, mediante la aplicación de una pequeña perturbación conocida (en este contexto se habla en inglés también de "dither") a la señal eléctrica de control de retardo de tiempo digital, es decir, a la señal de desplazamiento fino (se conoce la dirección del desplazamiento de la secuencia de símbolos - retardo o avance), puede influirse conscientemente en la correlación, y concretamente gracias a la resolución extremadamente alta, en un grado tan reducido que el seguimiento sigue funcionando. Con ayuda del cambio del valor de correlación, es decir, si se evalúa la correlación y se pone en relación con la señal parásita conocida, puede averiguarse en qué rama (izquierda o derecha del pico de correlación) de la función de correlación se encuentra. Este procedimiento es significativamente más difícil y complicado de realizar si se procede correspondientemente mediante desplazamiento de símbolo por símbolo de la secuencia de símbolos para la señal de referencia al modularse la secuencia de símbolos en la señal portadora óptica. Esto permite ventajosamente desplazar adicionalmente finamente la secuencia de símbolos para la señal de referencia en el procedimiento de multiplexación en el tiempo para emular un algoritmo temprano-medio-tardío (en inglés algorithm Early-Middle-Late). De esta manera puede reaccionarse a los desplazamientos de frecuencia de la señal óptica de recepción y a los desplazamientos de fase de su código (secuencia de símbolos) y garantizar de esta manera un seguimiento más fiable de la señal de recepción al cambiar la distancia entre los dos objetos.

Para este propósito, según la reivindicación 1, está previsto, además,

- que la secuencia de símbolos de la señal de referencia para reducir el riesgo de la pérdida del seguimiento de la señal de recepción por la señal portadora con señal de referencia modulada en la misma, en caso de un cambio de la frecuencia y/o fase de la señal de recepción a valores más altos como resultado de una reducción de la distancia entre los dos objetos y a valores más bajos como resultado de un aumento de la distancia entre los dos objetos, se desplaza por medio de modulación mediante una señal de multiplexación en el tiempo con retardo o avance en grados respectivamente predeterminados, es decir, un desfase de tiempo, con el fin de emular un cambio de frecuencia, sin que el valor de correlación caiga por debajo de un valor umbral predeterminado que define un grado mínimo de correlación, cambiando el valor de correlación de un primer valor, que representa un retardo de la secuencia de símbolos para la señal de referencia en comparación con la de la señal de recepción (y por lo tanto, por así decirlo, emula un aumento de la frecuencia de la señal de recepción que va unido a una reducción de la distancia entre los dos objetos) a un valor óptimo, que representa esencialmente la sincronización de las secuencias de símbolos para la señal de referencia y la de la señal de recepción (y por lo tanto, por así decirlo, emula una distancia esencialmente constante entre los dos objetos), y cambiando además de este valor óptimo a un segundo valor de correlación, que representa un avance de la secuencia de símbolos para la señal de referencia en comparación con la de la señal de recepción (y en otras palabras, emula de esta manera una reducción de la frecuencia de la señal de recepción que va unida a un aumento de la distancia entre los dos objetos) y cambiando entre estos valores de forma inversa o cíclica para realizar adicionalmente un desplazamiento fino de la secuencia de símbolos para la señal de referencia en el procedimiento de multiplexación en el tiempo para emular un algoritmo temprano-medio-tardío y

- compensándose en el caso de un cambio de la distancia entre los dos objetos el desplazamiento de frecuencia y/o fase que se produce en este caso o bien a una frecuencia más alta o bien a una frecuencia más baja de la señal de recepción por elegir un retardo o avance de la secuencia de símbolos para la señal de referencia en comparación con la de la señal de recepción (y, por lo tanto, se simplifica el seguimiento de la señal de recepción en caso de un aumento o una reducción de la distancia, además de realizarse de manera más fiable).

Esta modulación adicional de la señal de desplazamiento fino, es decir, de la señal eléctrica de retardo de tiempo, se realiza en el procedimiento de multiplexación en el tiempo, es decir, en el dominio del tiempo y, por lo tanto, sucesivamente. En este sentido, se usa en principio el procedimiento temprano-medio-tardío de por sí conocido para el seguimiento de señales portadoras de satélites de navegación, que son desplazadas en frecuencia y fase por códigos modulados en las mismas, concretamente debido a cambios en la distancia entre el satélite y el receptor. No obstante, en la invención se necesita ventajosamente solo un único receptor óptico (o en otras palabras, un único canal óptico de recepción), mientras que las implementaciones de hardware del procedimiento temprano-medio-tardío requiere en caso de ser aplicado en el rango de RF, como es el caso en sistemas de satélites de navegación, tres receptores o tres canales de recepción, lo que repercute negativamente en la potencia que debe presentar la señal de recepción para seguir siendo suficientemente grande después de dividirse entre los tres canales de recepción (con los circuitos eléctricos asociados a ellos, como por ejemplo los correladores). Esta limitación no se aplica al enfoque de acuerdo con la invención de emular el procedimiento temprano-medio-tardío, lo que es una ventaja esencial en comparación con las realizaciones de este procedimiento conocidas en el estado de la técnica.

En un perfeccionamiento conveniente de la invención puede estar previsto que la señal de control del retardo de tiempo sea una señal eléctrica digital que se convierte en un convertidor digital-analógico en una señal eléctrica analógica, controlando la señal eléctrica analógica el elemento de retardo de tiempo, o que la señal de control de retardo de tiempo sea una señal eléctrica digital y que el elemento de retardo de tiempo funcione digitalmente y esté controlado por la señal digital.

Como ya se ha mencionado anteriormente, la señal de recepción se recibe del primer objeto mediante un receptor coherente (receptor de coherencia óptica), que lleva a cabo la correlación y una conversión de la correlación en una señal eléctrica analógica, que se usa para el procesamiento posterior y, en particular, para formar el valor de correlación y para generar el desplazamiento de la secuencia de símbolos de la señal de referencia con respecto a la fase de la señal portadora en una señal digital.

Un campo de aplicación preferente de la invención se refiere al caso en el que los dos objetos son dos satélites y/o que el código de modulación presenta una secuencia PRN de símbolos o un código dorado. En principio se cumple que el código de modulación puede elegirse arbitrariamente.

Como también se ha descrito ya anteriormente, los dos satélites anteriormente mencionados pueden formar parte de una constelación de satélites en la que varios satélites se mueven en una órbita común, siendo la órbita en particular una órbita MEO situada a una distancia media de la Tierra, y estando dispuestos los dos satélites de forma adyacente entre sí dentro de la órbita. Alternativamente, los dos satélites anteriormente mencionados pueden formar parte de una constelación de satélites en la que al menos un primer satélite se encuentra en una primera órbita, por ejemplo una órbita MEO situada a una distancia media de la Tierra, y al menos un segundo satélite se encuentra en una segunda órbita diferente de la primera órbita, por ejemplo, en una órbita LEO, situada a poca distancia de la Tierra.

Las características esenciales de la invención son las siguientes:

- La correlación entre la señal de referencia y la señal de recepción tiene lugar en el dominio óptico que, a diferencia del dominio eléctrico, esencialmente no está limitado en cuanto al ancho de banda.

- La correlación óptica reduce los requisitos de ancho de banda para el receptor y todos los componentes montados a continuación. Por lo tanto, puede conseguirse una resolución más alta, sin aumentar la complejidad del receptor. Tiene lugar una generación de señal de referencia en dos etapas, concretamente

- un desplazamiento símbolo por símbolo de la secuencia de símbolos digital (desplazamiento aproximado o desplazamiento discontinuo) y

- generación de una señal para el desplazamiento fino cuasi analógico (con respecto al dominio del tiempo), es decir, cuasi continuo de la secuencia de símbolos antes de su modulación en la señal portadora óptica. - El desplazamiento realizado en el dominio eléctrico no cambia la fase óptica de la señal, lo que de otro modo afectaría al PLL óptico.

- La señal eléctrica para el desplazamiento del intervalo de subsímbolos de la fase de la secuencia de símbolos aumenta la resolución máxima posible al medir la distancia en pasos de menos de un picosegundo.

- La transmisión de datos modulada en fase mediante el canal óptico permite velocidades de datos de al menos 50 Mbps.

- La señal eléctrica para el desplazamiento fino permite la modulación de una señal de multiplexación en el tiempo (Time Division Multiplexed Signal) para evitar el uso de tres receptores (para temprano, medio y tardío en la correlación), lo cual es conocido por los receptores de alta frecuencia, pero es muy complejo en sistemas ópticos de transmisión de datos. De acuerdo con la invención, basta con un único receptor óptico con un único canal de recepción, de modo que la potencia de la señal de recepción no está sujeta a las limitaciones de una determinada magnitud mínima por la división entre varios canales de recepción.

- Una interpolación de deriva de alta resolución de la señal de referencia es posible con la señal eléctrica para el desplazamiento del intervalo del subsímbolos.

En otras palabras, en el procedimiento para determinar la distancia entre dos objetos, en particular dos satélites, usándose una señal óptica que es enviada de un objeto al otro objeto, se sincroniza un láser de referencia al ritmo de la señal óptica de entrada mediante un lazo de enganche de fase óptico. Se usa un lazo de enganche de retardo para correlacionar la señal óptica de entrada con la señal de referencia generada sobre la base del láser de referencia. De acuerdo con la invención se consigue a este respecto un ajuste aproximado de la secuencia de símbolos en la señal de referencia mediante desplazamiento símbolo por símbolo de esta secuencia. Preferentemente, además de este desplazamiento aproximado, ahora se lleva a cabo adicionalmente un desplazamiento fino, generándose una señal de desplazamiento de subsímbolos (denominada anteriormente señal de control de retardo de tiempo), que se encarga de un desplazamiento de la secuencia de símbolos lo que corresponde a una fracción del intervalo de un símbolo.

El procedimiento de acuerdo con la invención puede usarse en principio en todos los ámbitos en los que se usa la medición de distancias mediante láser. En particular, la invención puede usarse para la navegación por satélite (GNSS), la geodesia y la tecnología 'optical ranging' (véase, por ejemplo, en [2] y [3]).

La invención se explica a continuación en detalle con referencia al dibujo. Concretamente muestran a este respecto:

la figura 1 un ejemplo de una constelación de satélites en la que puede usarse la invención,

la figura 2 un diagrama de bloques de los componentes principales de un sistema para realizar el procedimiento de acuerdo con la invención y

las figuras 3 y 4 evoluciones de señales con los valores de correlación correspondientes para diferentes desplazamientos de la secuencia de símbolos en el rango de intervalo de subsímbolos.

La figura 1 muestra una constelación de satélites en la que varios satélites 10 se mueven en una órbita MEO. Los satélites MEO 10 respectivamente adyacentes están conectados entre sí mediante comunicación óptica de datos. En una órbita LEO más cercana a la Tierra hay otros satélites (LEO) 12, que también están conectados con los satélites MEO 10 mediante comunicación óptica de datos y que comunican con estaciones terrestres en la Tierra mediante enlaces descendentes y ascendentes.

Algunas particularidades de una constelación de satélites de este tipo, aunque debido a la invención tengan una importancia menor, se describen en el documento WO2019/011919 A1.

Para aplicaciones de alta precisión, por ejemplo de la geodesia, además de la sincronización de tiempo de los satélites, también es de gran importancia conocer la distancia exacta entre los satélites MEO 10 adyacentes o entre un satélite MEO 10 y un satélite LEO 12, y seguir los cambios de la misma. Para ello puede usarse, por ejemplo, el procedimiento "optical ranging".

Para la medición de distancias se procesa y evalúa la señal óptica (de recepción) recibida de un primer satélite, que es enviada por un segundo satélite (dado el caso a instancias de una señal óptica previamente enviada por el primer satélite al segundo satélite).

En primer lugar, el primer satélite debe extraer a este respecto del ruido la señal de recepción 16 procedente del segundo satélite. Según el ejemplo de una unidad de procesamiento 14 mostrado en la figura 2, esto se hace de una manera de por sí conocida mediante la formación de la correlación de una señal óptica de referencia 18 generada en el primer satélite con la señal de recepción 16. Las dos señales presentan la misma frecuencia portadora (normalmente en el rango de THz) y son moduladas de la misma manera. La modulación es (también normalmente) una secuencia de símbolos (por ejemplo, secuencia PRN). Mediante desplazamiento de fase de la secuencia de símbolos necesaria para modular la señal de referencia, se busca ahora el máximo de la función de correlación (véanse también las figuras 3 y 4). Una característica esencial de la invención es el desplazamiento en el tiempo de una resolución especialmente alta de la secuencia de símbolos, con el que se modula la misma en la señal portadora 20, que forma la señal de referencia 18 después de la modulación con la secuencia de símbolos.

En la figura 2, en la que las señales o los caminos de señales ópticas se indican con líneas discontinuas y las señales o caminos de señales eléctricas se indican con líneas continuas, la señal portadora óptica 20 se genera mediante un láser 22. El láser 22 está controlado eléctricamente por un PLL óptico 24, que recibe de un receptor de coherencia 26 las señales de salida I y Q 28, 30, que también son señales eléctricas y presentan una frecuencia esencialmente más baja (normalmente en el rango de MHz). Las dos señales de salida 28, 30 son señales analógicas y se convierten en un convertidor analógico-digital (ADC) 32 en una señal eléctrica digital, es decir, en una señal binaria 34 en el dominio del tiempo continuo (dominio analógico). En función del valor actual de la correlación (valor de correlación), se procede a un desplazamiento de fase de la señal portadora óptica 20 y la misma se modula en un modulador óptico 36. El control del modulador 36 se describe a continuación.

Por ejemplo, un procesador de señales digitales 38 (controlador) recibe la señal 34 y un detector 40 evalúa la función de correlación. Después del filtrado, por ejemplo, mediante un filtro de lazo 42, se generan dos señales digitales 46, 48 en la unidad 44, que se usan para controlar el desplazamiento de fase con el que se modula ópticamente la secuencia de símbolos de la señal de referencia 18 con un desplazamiento en el tiempo en su señal portadora óptica 20. Este desplazamiento en el tiempo representa la distancia entre los dos satélites. La unidad 44 emite una señal correspondiente.

La señal eléctrica digital 46 representa la secuencia de símbolos. Esta señal digital 46 es emitida con un retardo de tiempo correspondiente por el bloque 44 o el bloque 44 controla un generador de secuencia de símbolos, que a continuación emite la señal digital 46. La señal digital 46 se emite con el retardo de tiempo correspondiente, aunque esto solo puede realizarse con una resolución comparativamente baja, puesto que en este caso solo pueden producirse desplazamientos con la unidad de tiempo más pequeña, que es igual a la duración de un intervalo de un símbolo.

No obstante, si, tal y como está previsto de acuerdo con la invención, también se pretende realizar desplazamientos en el rango del intervalo de subsímbolos, de acuerdo con la invención se genera la segunda señal eléctrica digital 48, con la que puede retardarse la transmisión de la primera señal digital 46 al modulador óptico 36. Para ello, la segunda señal digital 48 se convierte en un convertidor digital-analógico 50 en una señal eléctrica analógica, con la que puede controlarse un elemento de retardo de tiempo 52, que emite la primera señal digital 46 con un retardo de tiempo especificado por la señal analógica anteriormente mencionada y se transmite al modulador 36. Este proceso también puede tener lugar en el dominio digital, controlándose el elemento de retardo de tiempo 52 digitalmente, por lo que se prescinde del convertidor digital- analógico 50.

Con este enfoque, ahora es posible desplazar la secuencia de símbolos para la primera señal digital 46 que representa la señal de referencia 18 en el rango de subsímbolos, como se muestra en la figura 3. En la figura 4 se muestra con ayuda de la evolución de la correlación que, debido a este ajuste fino en el rango del intervalo de subsímbolos, el valor de correlación permanece en la zona del pico de correlación, de modo que el seguimiento puede realizarse de forma fiable incluso con los cambios más pequeños de la distancia entre los dos satélites, lo que no es posible en el caso de un desplazamiento de fase con intervalos de símbolo como unidad de tiempo más pequeña. De acuerdo con la invención, el desplazamiento en el tiempo de la secuencia de símbolos para la señal de referencia 18, que se modula en la señal portadora 20, puede elegirse y ajustarse de tal modo que el valor de correlación de la función de correlación se maximiza y/o está maximizado y/o permanece maximizado.

Es de suponer que con el concepto de acuerdo con la invención puede determinarse, por ejemplo, la distancia entre dos satélites MEO con una precisión submilimétrica y puede seguirse un cambio de distancia con gran precisión.

El ejemplo de realización muestra que la invención está caracterizada en particular por una o varias de las siguientes características:

- El receptor de coherencia recibe una secuencia PRN y datos desde lejos y examina la interferencia con la señal de referencia generada localmente en el dominio óptico. El lazo queda enganchado en caso de una interferencia constructiva por el seguimiento del máximo de correlación.

- Las salidas del receptor de coherencia se usan para calcular el error de fase residual entre la señal de entrada y la señal de referencia. Este error de fase se envía al PLL óptico para "bloquear" el láser.

- Se muestrean las señales de salida del receptor de coherencia para recuperar los datos. El ADC solo necesita ser lo suficientemente rápido para que los datos se adquieran correctamente. No es necesario que cubra todo el espectro de la secuencia PRN.

- El detector demultiplexa digitalmente la señal de datos (fase de la señal) y el valor de correlación (amplitud de la señal). La tasa de cambio de la señal de correlación (ascendente, descendente o correlación al 100%) se determina mediante

- un algoritmo temprano-medio-tardío según, por ejemplo, [4], que se emula añadiéndose un desplazamiento de tiempo al generador de señales (time Division Multiplexed Time Offset) o

- estimación del desplazamiento de tiempo Doppler a partir de la fase de datos recibida, puesto que el desplazamiento de tiempo Doppler (fase) es proporcional al desplazamiento de tiempo Doppler (véase, por ejemplo, en [4]).

- Un filtro de lazo sirve para estabilizar la respuesta de "lazo cerrado" del DLL (lazo de enganche de retardo, en inglés Delay Locked Loop).

- El generador de señales genera la señal que representa la secuencia PRN de referencia. La fase actual de la secuencia PRN generada (maximización de la correlación por el DLL) representa la información de distancia. La generación de la secuencia PRN se realiza en dos etapas:

- generación digital de una secuencia PRN binaria (resolución aproximada)

- generación de una señal analógica para el desplazamiento de la secuencia PRN en el rango del intervalo de subsímbolos (desplazamiento fino)

- La señal para el desplazamiento aproximado (Digital Coarse PNN Sequence) pasa por un elemento de retardo de tiempo analógico, cuya magnitud de retardo de tiempo está controlada por la señal analógica para el desplazamiento fino. Esto da como resultado una señal eléctrica, que tiene la misma resolución en el dominio del tiempo que la señal analógica de desplazamiento fino. El rango del desplazamiento de tiempo que puede conseguirse con esta señal es mayor que el intervalo de un símbolo, por lo que puede conseguirse un desplazamiento continuo de la fase de la secuencia PRN para la señal de referencia. En la figura 3 se muestran tres señales desplazadas de manera diferente (véase arriba). El resultado de la función de correlación en caso de un desplazamiento correspondiente a los tres estados "temprano", "medio" y "tardío" mostrados en la figura 2 se muestra en la figura 4.

- La señal eléctrica se modula de manera modulada en fase en la señal óptica del láser (señal de frecuencia portadora óptica) y forma la señal óptica de referencia.

Lista de referencias

10 Satélites MEO

12 Satélites LEO

14 Unidad de procesamiento

16 Señal óptica de recepción

18 Señal óptica de referencia

20 Señal portadora óptica

22 Láser

24 PLL óptico

26 Receptor de coherencia

28 Señal eléctrica de salida

30 Señal eléctrica de salida

32 Conversor analógico-digital

34 Señal eléctrica digital

36 Modulador óptico

38 Procesador de señales digitales

40 Detector

42 Filtro de lazo

44 Unidad de generación de señales

46 Señal eléctrica digital

48 Señal eléctrica digital (señal de control de retardo de tiempo o señal de desplazamiento de subsímbolos) 50 Convertidor digital-analógico

52 Elemento de retardo de tiempo

BIBLIOGRAFÍA

[1] Poliak, J., Calvo, R.M., Surof, J., Richerzhagen y Mathias, R. Wolf 2018.Laboratory Demonstrator of Optical Intersatellite Links for the Kepler System.

[2] Sheard, B., Heinzei, G., Danzmann, K., Shaddock, D., Klipstein, W. y Folkner, W. 2012. Intersatellite laser ranging instrument for the GRACE follow-on mission.Journal of Geodesy.86, 12 (2012), 1083-1095.

[3] Sutton, A., McKenzie, K., Ware, B. y Shaddock, D.A. 2010. Laser ranging and Communications for LISA.Opticsexpress.18, 20 (2010), 20759-20773.

[4] Kaplan, E. y Hegarty, C. 2005.Understanding GPS: principies and applications.Artech house. WO 2019/011919 A1

Claims (8)

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento para determinar la distancia entre dos objetos, en particular dos satélites, usándose una señal óptica que se envía de un objeto al otro objeto, recibiendo en el procedimiento

- un primer objeto de un segundo objeto una señal óptica modulada mediante un código con una frecuencia portadora conocida como señal óptica de recepción (16), presentando el código de modulación una secuencia de símbolos que ocupan respectivamente unos intervalos de la misma duración, y

- generándose en el primer objeto

- una señal óptica de referencia (18), que está configurada como señal portadora óptica (20) con la misma frecuencia que la señal de recepción (16) y en la que se ha modulado una secuencia de símbolos que es similar a la secuencia de símbolos de la señal de recepción (16),

- determinándose la correlación de la señal de recepción (16) con la señal de referencia (18),

- generándose un valor de correlación que describe el grado de correlación como una señal eléctrica que presenta una frecuencia más baja que la señal de recepción (16),

- modulándose la secuencia de símbolos para la señal de referencia (18) con un desplazamiento en el tiempo mediante un modulador óptico (36) en la señal portadora (20), determinándose el desplazamiento en el tiempo con ayuda de la magnitud del valor de correlación, de modo que la señal de referencia (18) entra en fase con la señal de recepción (16),

- realizándose un desplazamiento de la secuencia de símbolos de la señal de referencia (18) lo que corresponde a un período de tiempo igual al intervalo de un símbolo o igual a un múltiplo de número entero del intervalo mediante una modulación correspondiente retardada en el tiempo de la señal portadora (20) mediante una señal eléctrica digital (46) que presenta la secuencia de símbolos de la señal de referencia (18),

- realizándose un desplazamiento de la secuencia de símbolos de la señal de referencia (18) durante un período de tiempo menor que el intervalo de un símbolo mediante el control de un elemento de retardo de tiempo (52) montado delante del modulador (36), que recibe la señal eléctrica digital (46) que presenta la secuencia de símbolos de la señal de referencia (18) y transfiriéndose esta señal digital (46) con un retardo de tiempo determinado por una señal eléctrica de control de retardo de tiempo (48) para el elemento de retardo de tiempo (52) al modulador (36),

- representando el grado del desplazamiento temporal con el que se modula la secuencia de símbolos para la señal de referencia (18) en la señal portadora (20) la distancia entre los dos objetos y/o determinándose la distancia entre los dos objetos con ayuda del grado de desplazamiento en el tiempo, caracterizado por que - la secuencia de símbolos de la señal de referencia (18) para reducir el riesgo de la pérdida del seguimiento de la señal de recepción (16) por la señal portadora (20) con señal de referencia (18) modulada en la misma, en caso de un cambio de la frecuencia y/o fase de la señal de recepción (16) a valores más altos como resultado de una reducción de la distancia entre los dos objetos y a valores más bajos como resultado de un aumento de la distancia entre los dos objetos se desplaza por medio de modulación mediante una señal de multiplexación en el tiempo con retardo o avance en grados respectivamente predeterminados, es decir, un desfase de tiempo, sin que el valor de correlación caiga por debajo de un valor umbral predeterminado que define un grado mínimo de correlación, cambiando el valor de correlación de un primer valor, que representa un retardo de la secuencia de símbolos para la señal de referencia (18) en comparación con la de la señal de recepción (16) a un valor óptimo, que representa esencialmente la sincronización de las secuencias de símbolos para la señal de referencia (18) y la de la señal de recepción (16) y cambiando además de este valor óptimo a un segundo valor de correlación, que representa un avance de la secuencia de símbolos para la señal de referencia (18) en comparación con la de la señal de recepción (16) y cambiando entre estos valores de forma inversa o cíclica para realizar adicionalmente un desplazamiento fino de la secuencia de símbolos para la señal de referencia en el procedimiento de multiplexación en el tiempo para emular un algoritmo temprano-medio-tardío y - en caso de un cambio de la distancia entre los dos objetos, se compensa el desplazamiento de frecuencia que se produce en este caso a una frecuencia más alta o una frecuencia más baja de la señal de recepción (16) y/o el desplazamiento de fase por elegirse un retardo o avance de la secuencia de símbolos para la señal de referencia (18) en comparación con la de la señal de recepción (16).

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que la señal de control de retardo de tiempo (48) se modula mediante la señal de multiplexación en el tiempo.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que la señal de control de retardo de tiempo (48) es una señal eléctrica digital, que se convierte en un convertidor digital-analógico (50) en una señal eléctrica analógica, controlando la señal eléctrica analógica el elemento de retardo de tiempo (52), o por que la señal de control de retardo de tiempo (48) es una señal eléctrica digital y por que el elemento de retardo de tiempo (52) funciona digitalmente y está controlado por la señal digital.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que la señal de recepción (16) se recibe del primer objeto mediante un receptor coherente (26), que lleva a cabo la correlación y una conversión de la correlación en una señal eléctrica analógica, que se convierte para el procesamiento posterior y, en particular, para formar el valor de correlación y para generar el desplazamiento en el tiempo de la secuencia de símbolos para la señal de referencia (18) en una señal eléctrica digital (34).

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que los dos objetos son dos satélites (10, 12).

6. Procedimiento según la reivindicación 5, caracterizado por que los dos satélites (10, 12) forman parte de una constelación de satélites en la que varios satélites se mueven en una órbita común, siendo la órbita en particular una órbita MEO situada a una distancia media de la Tierra, y estando dispuestos los dos satélites de forma adyacente entre sí dentro de la órbita.

7. Procedimiento según la reivindicación 5, caracterizado por que los dos satélites (10, 12) forman parte de una constelación de satélites en la que al menos un primer satélite se encuentra en una primera órbita, por ejemplo una órbita MEO situada a una distancia media de la Tierra, y al menos un segundo satélite se encuentra en una segunda órbita diferente de la primera órbita, por ejemplo, en una órbita LEO, situada a poca distancia de la Tierra.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por que el código de modulación presenta una secuencia PRN de símbolos o un código dorado.