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太极计划星间激光通信测距的伪随机码选取

陈沛权 邓汝杰 张艺斌 李磐 齐克奇 刘河山 罗子人

陈沛权, 邓汝杰, 张艺斌, 李磐, 齐克奇, 刘河山, 罗子人. 太极计划星间激光通信测距的伪随机码选取[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2024-0033
引用本文: 陈沛权, 邓汝杰, 张艺斌, 李磐, 齐克奇, 刘河山, 罗子人. 太极计划星间激光通信测距的伪随机码选取[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2024-0033
CHEN Pei-quan, DENG Ru-jie, ZHANG Yi-bin, LI Pan, QI Ke-qi, LIU He-shan, LUO Zi-ren. Pseudo-random code selection for inter-satellite laser ranging and data communication in the Taiji program[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2024-0033
Citation: CHEN Pei-quan, DENG Ru-jie, ZHANG Yi-bin, LI Pan, QI Ke-qi, LIU He-shan, LUO Zi-ren. Pseudo-random code selection for inter-satellite laser ranging and data communication in the Taiji program[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2024-0033

太极计划星间激光通信测距的伪随机码选取

cstr: 32171.14.CO.2024-0033
基金项目: 国家重点研发计划资助(No. 2021YFC2202902,No. 2020YFC2200104)
详细信息
    作者简介:

    陈沛权(1998—),男,广东汕头人,硕士,现就读于国科大杭州高等研究院,主要从事引力波探测星间激光通信及测距方面的研究。E-mail:chenpeiquan21@mails.ucas.ac.cn

    邓汝杰(1998—),男,广东东莞人,硕士,2023年毕业于国科大杭州高等研究院,主要从事引力波探测星间激光测距方面的研究。E-mail:dengrujie20@mails.ucas.ac.cn

    张艺斌(2000—),男,甘肃天水人,硕士,2023年毕业于国科大杭州高等研究院,主要从事引力波探测星间激光通信方面的研究。E-mail:zhangyibin201@mails.ucas.ac.cn

    李 磐(1986—),男,湖南桃江人,博士,副研究员,硕士生导师,研究方向为窄线宽激光技术及放大、激光非线性变频、高功率激光技术及应用等。E-mail:lipan@imech.ac.cn

    齐克奇(1985—),男,内蒙古锡林郭勒人,博士,副研究员,硕士生导师,主要研究方向为惯性传感器件,弱力测量,振动抑制等。E-mail:qikeqi@imech.ac.cn

    刘河山(1988—),男,安徽阜阳人,2015年于中国科学院大学获得博士学位,现为中国科学院力学研究所副研究员,硕士生导师,研究领域涉及激光干涉测距、高精度相位测量、精密指向控制、激光锁相等。E-mail:liuheshan@imech.ac.cn

    罗子人(1980—),男,湖南长沙人,2010年于中国科学院数学与系统科学研究院获得理学博士,现为中国科学院力学研究所研究员,博士生导师,太极计划首席科学家助理,主要从事引力波探测的空间激光干涉测距技术的理论分析和方案设计方面的研究。E-mail:luoziren@imech.ac.cn

  • 中图分类号: O439;P171.3

Pseudo-random code selection for inter-satellite laser ranging and data communication in the Taiji program

Funds: Supported by the National Key Research and Development Program (No. 2021YFC2202902, No. 2020YFC2200104);
More Information
  • 摘要:

    太极计划拟通过扩频通信技术,在干涉链路的基础上,实现星间的激光通信和绝对距离测量。伪随机码的选取是设计实现通信测距系统的第一步,需对不同的伪随机码实现原理、相关性、测距误差函数等方面进行研究对比。本文首先介绍了m序列、Gold序列与Weil序列的生成原理,并采用不同的硬件结构和方法生成相应的伪随机序列,采用GPS的C/A码作为Gold序列与Weil序列进行比较分析选取。在FPGA开发平台实现生成Gold序列和Weil序列的硬件电路,分析不同硬件实现方法的优劣与资源消耗情况。后分别计算Gold序列与Weil序列的相关值及其均方根误差,比较Gold序列与Weil序列的伪随机噪声性能。最后,基于测距的原理和激光干涉后的码间串扰现象,构建用于测距的误差函数,与理想的误差函数作对比,分析用不同伪随机码测距的优劣。数据表明:Weil序列的相关值的旁瓣值范围为−60.27 dB至−24.01 dB、自相关rms为0.303、互相关rms为0.307,指标均优于Gold序列,消耗的硬件资源为Gold序列的30%,误差函数的偏差值更小。Weil序列更适合于太极计划的星间通信测距需求。

     

  • 图 1  太极计划中单个干涉臂的框图

    Figure 1.  Block diagram of an interferometric arm in Taiji program

    图 2  DLL原理图

    Figure 2.  Principle diagram of DLL

    图 3  Fibonacci型LFSR原理图

    Figure 3.  Principle diagram of Fibonacci LFSR

    图 4  Galois型LFSR原理图

    Figure 4.  Principle diagram of Galois LFSR

    图 5  GPS的C/A码原理图

    Figure 5.  Principle diagram of C/A code for GPS

    图 6  硬件消耗比较

    Figure 6.  Comparison of hardware consumption

    图 7  自相关结果

    Figure 7.  Results of auto-correlation

    图 8  互相关结果

    Figure 8.  Results of cross-correlation

    图 9  码间串扰示意图

    Figure 9.  Schematic diagram of intersymbol interference

    图 10  测距误差函数

    Figure 10.  Ranging discriminator function

    表  1  相关值与均方根

    Table  1.   Correlation value and rms

    码型 自相关值(dB) 自相关rms 互相关值(dB) 互相关rms
    Gold −60.20~−23.94 0.323 −60.20~−23.94 0.312
    Weil −60.27~−24.01 0.303 −60.27~−24.01 0.307
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-02-06
  • 录用日期:  2024-04-15
  • 网络出版日期:  2025-01-22

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