光纖時(shí)頻傳輸及其在航天探測(cè)中的應(yīng)用

張安旭，孫亨利，戴一堂，任天鵬，黃寧博，呂　強(qiáng)，徐　坤，唐歌實(shí)

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 航天信息應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；3.北京郵電大學(xué) 信息光子學(xué)與光通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100876；4.北京航天飛行控制中心 航天飛行動(dòng)力學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100094)

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光纖時(shí)頻傳輸及其在航天探測(cè)中的應(yīng)用

張安旭1,2，孫亨利1,2，戴一堂3，任天鵬4，黃寧博1,2，呂強(qiáng)1,2，徐坤3，唐歌實(shí)4

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 航天信息應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；3.北京郵電大學(xué) 信息光子學(xué)與光通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100876；4.北京航天飛行控制中心 航天飛行動(dòng)力學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100094)

面向航天探測(cè)等應(yīng)用中對(duì)時(shí)頻同步的需求，針對(duì)傳統(tǒng)時(shí)頻傳輸方法精度不足的問(wèn)題，提出了一種基于光纖色散時(shí)延調(diào)控的時(shí)頻傳遞系統(tǒng)。分析了利用不同光載波波長(zhǎng)產(chǎn)生不同色散時(shí)延的方法，來(lái)補(bǔ)償光纖信道由于環(huán)境因素的變化產(chǎn)生的時(shí)延隨機(jī)抖動(dòng)的原理。設(shè)計(jì)了多個(gè)頻率傳輸實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以獲得6.5×10-14@1 s和2.1×10-17@104s的頻率穩(wěn)定度。該時(shí)頻傳遞技術(shù)已成功應(yīng)用于“嫦娥三號(hào)”精密測(cè)定軌試驗(yàn)和北斗導(dǎo)航衛(wèi)星連線干涉測(cè)量系統(tǒng)。

時(shí)間頻率傳輸；色散時(shí)延；航天探測(cè)；連線干涉

0　引言

高穩(wěn)定原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)推動(dòng)了通信[1]、導(dǎo)航[2]、電力[3]、交通[4]、天文觀測(cè)[5]、航天測(cè)控[6]和基礎(chǔ)科學(xué)研究[7]等諸多領(lǐng)域的發(fā)展，這些應(yīng)用都需要時(shí)間和頻率標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的高精度傳遞[8]。比如在現(xiàn)代天文觀測(cè)中，為了獲得較高的測(cè)量分辨率，往往使用天線陣列來(lái)合成大等效口徑的方式，避免單個(gè)天線口徑過(guò)大帶來(lái)的技術(shù)難度的成本的快速增加。以阿塔卡瑪大型毫米波天線陣列(ALMA)為例，它由66個(gè)天線組成，天線間的最長(zhǎng)距離可達(dá)18 km。多天線陣列協(xié)同工作，關(guān)鍵之處在于保證天線組陣中各個(gè)天線單元接收到的信號(hào)間相位關(guān)系的一致性。所以ALMA處理中心的原子鐘合成的頻率參考信號(hào)需要被傳輸至各個(gè)天線[9]。

傳統(tǒng)的時(shí)頻傳遞方案主要包括衛(wèi)星雙向時(shí)間傳遞、無(wú)線傳輸和直接電纜傳輸?shù)龋@些傳遞方法的穩(wěn)定度與頻率源相比往往下降幾個(gè)數(shù)量級(jí)，難以滿足天線組陣系統(tǒng)對(duì)高精度時(shí)頻信號(hào)的需求[10]。相比而言，通過(guò)光纖的時(shí)頻傳遞具有低噪聲、低損耗和高可靠性等優(yōu)勢(shì)，可以獲得很好的短期頻率穩(wěn)定度。雖然光纖會(huì)受周圍環(huán)境變化的影響，導(dǎo)致在其中傳輸?shù)臅r(shí)頻信號(hào)的長(zhǎng)期穩(wěn)定度出現(xiàn)惡化，但是對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)控制后還是可以實(shí)現(xiàn)很好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性[11]。所以基于光纖的時(shí)頻傳遞已經(jīng)成為未來(lái)高穩(wěn)定時(shí)頻傳輸與分布的首選方案。

本文通過(guò)對(duì)時(shí)頻信號(hào)在光纖信道中傳輸機(jī)理的分析研究，提出了基于光纖色散時(shí)延調(diào)控的時(shí)頻傳遞技術(shù)[12]。該技術(shù)具有寬帶、大范圍補(bǔ)償與快速調(diào)節(jié)等優(yōu)勢(shì)，相關(guān)研究成果已應(yīng)用于航天探測(cè)等領(lǐng)域。

1　基于光纖色散時(shí)延調(diào)控的時(shí)頻傳遞原理

光信號(hào)在光纖中傳輸時(shí)會(huì)與光纖介質(zhì)的束縛電子相互作用，使光纖介質(zhì)的響應(yīng)與光信號(hào)的頻率相關(guān)，這就是光纖的色散特性。由于色散的存在，不同波長(zhǎng)的光載波會(huì)以不同的群速度傳輸。射頻信號(hào)加載到不同的光載波上傳輸，其在光纖中經(jīng)歷的時(shí)延也不一樣。通過(guò)色散作用產(chǎn)生的時(shí)延變化，可以用來(lái)補(bǔ)償光纖由于溫度變化和震動(dòng)等環(huán)境因素引起的傳輸時(shí)延和信號(hào)相位抖動(dòng)，這種方法就是基于光纖色散時(shí)延調(diào)控的時(shí)頻傳遞技術(shù)，其基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　基于光纖色散時(shí)延調(diào)控的時(shí)頻傳遞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光纖時(shí)頻傳遞的目標(biāo)是將位于中心站的頻率信號(hào)和時(shí)間信號(hào)通過(guò)長(zhǎng)距離的光纖傳輸?shù)竭h(yuǎn)端，在此過(guò)程中保持時(shí)間和頻率信號(hào)的高穩(wěn)定性。高穩(wěn)定的時(shí)間和頻率信號(hào)一般由原子頻率標(biāo)準(zhǔn)合成，它們通過(guò)電光轉(zhuǎn)換加載到可調(diào)諧激光源產(chǎn)生光載波上。光載時(shí)頻信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖傳輸?shù)竭h(yuǎn)端后分成2部分，其中一部分經(jīng)光電轉(zhuǎn)換恢復(fù)成射頻時(shí)頻信號(hào)。由于光纖容易受環(huán)境溫度變化和震動(dòng)的影響，其傳輸時(shí)延會(huì)發(fā)生變化，時(shí)延的變化會(huì)導(dǎo)致在其中傳輸?shù)臅r(shí)頻信號(hào)的時(shí)延和相位發(fā)生抖動(dòng)，進(jìn)而影響遠(yuǎn)端恢復(fù)的時(shí)頻信號(hào)的穩(wěn)定性。遠(yuǎn)端光載時(shí)頻信號(hào)的另一部分則通過(guò)原來(lái)的光纖鏈路返回到中心站。返回到中心站的頻率參考信號(hào)被提取出來(lái)，與頻率參考源進(jìn)行相位誤差檢測(cè)。頻率參考信號(hào)的相位誤差反映了光纖鏈路的時(shí)延變化，使用它控制可調(diào)諧激光源產(chǎn)生的光載波的波長(zhǎng)，進(jìn)而補(bǔ)償光纖時(shí)延的抖動(dòng)。

1.1頻率參考信號(hào)的相位抖動(dòng)補(bǔ)償

頻率參考信號(hào)ωrf經(jīng)過(guò)一個(gè)正交偏置的推挽馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器來(lái)調(diào)制光載波ωop，調(diào)制深度為m=Vrf/Vπ，調(diào)制后的光信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)度可以表示為：

(1)

這里考慮的是頻率參考ωrf的頻率和相位，所以略去了與幅度相關(guān)的內(nèi)容，下面也進(jìn)行同樣的處理。

假設(shè)調(diào)制后的光信號(hào)經(jīng)過(guò)一段長(zhǎng)度為z的普通單模光纖傳輸，光纖的模式傳輸常量為β(ω)，那么傳輸后光信號(hào)會(huì)出現(xiàn)大小為χ(ω)=β(ω)z的相移。除了傳輸引入的相移，信號(hào)在光纖鏈路中傳輸還會(huì)經(jīng)歷一個(gè)隨環(huán)境變化而隨機(jī)變化的時(shí)延Δτlk，所以傳輸后的光場(chǎng)可表示為：

(2)

從式(2)可以得出在遠(yuǎn)端恢復(fù)出的射頻信號(hào)：

(3)

式(3)中，

(4)

是與色散導(dǎo)致的射頻信號(hào)的功率衰落相關(guān)的一個(gè)量，它對(duì)ωrf的相位沒(méi)有影響。

在光纖中反向傳輸?shù)墓庑盘?hào)經(jīng)歷相同的延時(shí)Δτlk，往返傳輸?shù)街行恼竞蟮摩豶f可以表示為：

Ert∝cos(ωrft+2ωrfΔτlk-χ(ωop+ωrf)+χ(ωop-ωrf))。

(5)

通過(guò)比較往返傳輸后的信號(hào)Ert和頻率參考源信號(hào)的相位，可以得到一個(gè)相位差：

Δφ=2ωrfΔτlk-(χ(ωop+ωrf)-χ(ωop-ωrf))。

(6)

該相位差是光載波頻率ωop的函數(shù)。

這個(gè)相位差被用來(lái)反饋控制光載波頻率ωop，光載波的頻率發(fā)生變化，相位差Δφ也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的變化。比較式(3)和式(6)可以發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)端信號(hào)的相位為Δφ的一半，所以只要中心站通過(guò)調(diào)整光載波的頻率，使得往返傳遞后信號(hào)與源信號(hào)的相位差Δφ被穩(wěn)定，那么遠(yuǎn)端頻率參考信號(hào)ωrf的相位也會(huì)保持穩(wěn)定，不受光纖的隨機(jī)時(shí)延抖動(dòng)Δτlk的影響。

1.2時(shí)間和本振信號(hào)的傳輸時(shí)延抖動(dòng)補(bǔ)償

除了頻率參考信號(hào)，通過(guò)光纖也可以傳遞寬帶的時(shí)間信號(hào)和多個(gè)本振信號(hào)。在傳輸多個(gè)射頻信號(hào)時(shí)，所有信號(hào)調(diào)制同一光載波后，得到的信號(hào)的邊帶在光譜上也是有著不同頻率的。雖然這種頻率差值(射頻頻率差值)相對(duì)于光載波的頻率來(lái)說(shuō)非常小，不過(guò)由于高階色散的作用，它們還是有傳輸速率的不同。

通過(guò)式(3)可以得出頻率參考信號(hào)ωrf經(jīng)過(guò)單向傳輸后的相位變化為：

(7)

那么其經(jīng)歷的傳輸時(shí)延為：

(8)

將其中的χ(ω)在頻率ωop附近展開(kāi)成泰勒級(jí)數(shù)的形式：

(9)

通過(guò)式(8)和式(9)可以得到：

(10)

也就是說(shuō)，這個(gè)時(shí)延既和射頻信號(hào)的頻率ωrf有關(guān)，又和光載波的頻率ωop有關(guān)。

考慮角頻率為ωlo的本振信號(hào)和ωrf一起調(diào)制到同一光載波ωop傳輸?shù)那樾?時(shí)間信號(hào)是寬帶的，但是其可以看作多個(gè)正弦信號(hào)的疊加，所以這里只分析單個(gè)本振信號(hào))。這時(shí)ωlo和ωrf經(jīng)歷的延時(shí)會(huì)不一樣，它們的差值可以表示為：

Δrfτ(ωop)=τ(ωlo,ωop)-τ(ωrf,ωop)=

(11)

式(11)說(shuō)明，由于ωlo和ωrf的頻率不一樣，當(dāng)ωrf的相位或者說(shuō)傳輸時(shí)延穩(wěn)定下來(lái)后，ωlo和ωrf經(jīng)歷的時(shí)延不一樣。如果這里的光載波頻率ωop不發(fā)生變化，這個(gè)時(shí)延差會(huì)是一個(gè)常量，2個(gè)信號(hào)經(jīng)歷的時(shí)延雖然不一樣，不過(guò)都是穩(wěn)定的，所以2個(gè)信號(hào)的相位也將是穩(wěn)定的。

但是這里需要調(diào)節(jié)光載波的頻率ωop來(lái)穩(wěn)定ωrf的相位。當(dāng)光載波的頻率從ωop1變?yōu)棣豲p2時(shí)，這個(gè)時(shí)延差會(huì)發(fā)生變化。這個(gè)變化可以表示為：

ΔopΔrfτ=Δrfτ(ωop2)-Δrfτ(ωop1)=

(12)

所以這個(gè)延時(shí)差的變化和射頻頻率以及光頻率都相關(guān)。當(dāng)ωrf的相位穩(wěn)定后，ωlo的傳輸時(shí)延會(huì)有一點(diǎn)不穩(wěn)定。

為了知道這個(gè)延時(shí)不穩(wěn)定的大小，可以忽略式(12)中的高階項(xiàng)，只考慮其第一個(gè)非零項(xiàng)：

(13)

也就是說(shuō)，這個(gè)殘留的時(shí)延不穩(wěn)定，主要是由光纖的4階色散引起的。由于光纖的高階色散數(shù)值非常小，通過(guò)實(shí)際的測(cè)量和計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中，這個(gè)時(shí)延差的變化可以忽略[13]。可以認(rèn)為，一旦頻率參考信號(hào)ωrf的相位穩(wěn)定了，和它一起傳遞的其他信號(hào)的相位和時(shí)延也就穩(wěn)定了。

2　頻率傳輸實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1多頻率標(biāo)準(zhǔn)傳輸實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證上述基于光纖色散時(shí)延調(diào)控的時(shí)頻傳遞原理，進(jìn)行了如圖2所示的實(shí)驗(yàn)[13]。實(shí)驗(yàn)傳輸了2個(gè)射頻頻率信號(hào)ωrf1和ωrf2，頻率分別為2.46 GHz和8.00 GHz。ωrf1和ωrf2通過(guò)2個(gè)微波信號(hào)源產(chǎn)生，為了保證它們之間有一個(gè)穩(wěn)定的初始相位差，這2個(gè)微波信號(hào)源經(jīng)一個(gè)10 MHz的參考信號(hào)同步起來(lái)。ωrf1和ωrf2耦合在一起后通過(guò)電光調(diào)制器調(diào)制到光載波上。這里使用的電光調(diào)制器為鈮酸鋰馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器，它的傳輸曲線是非線性的正弦曲線。為了減小調(diào)制過(guò)程中的非線性，實(shí)驗(yàn)中使用偏置控制器保證調(diào)制器始終工作在正交偏置點(diǎn)，也就是其傳輸曲線中線性度最好的區(qū)域。

圖2　基于光纖色散時(shí)延調(diào)控的時(shí)頻傳遞實(shí)驗(yàn)

被調(diào)制后的光信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)光環(huán)行器，然后進(jìn)入光纖鏈路。實(shí)驗(yàn)中的光纖鏈路由2卷長(zhǎng)度分別為10 km和20 km的普通單模光纖組成，在2段光纖中間加入了一個(gè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的可調(diào)光延時(shí)線來(lái)模擬鏈路的快速時(shí)延抖動(dòng)。這個(gè)可調(diào)光延時(shí)線通過(guò)一臺(tái)獨(dú)立的電腦來(lái)控制，實(shí)驗(yàn)中時(shí)延變化的速度為1 ps/s，調(diào)節(jié)范圍為500 ps。除了可調(diào)光延時(shí)線引入的快速的時(shí)延抖動(dòng)，光纖周圍環(huán)境的變化也給鏈路時(shí)延帶來(lái)很大的變化，特別是溫度的起伏，每攝氏度的溫度變化引起的光纖的時(shí)延變化約為1.05 ns。經(jīng)過(guò)光纖后的光信號(hào)被部分反射回來(lái)，在中心站被恢復(fù)成射頻信號(hào)。其中2.46 GHz的信號(hào)被帶通濾波器濾出來(lái)和源信號(hào)進(jìn)行相位比較，也就是說(shuō)這個(gè)2.46 GHz的信號(hào)也被用作頻率參考信號(hào)。

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

實(shí)驗(yàn)中記錄并比較了在補(bǔ)償和不補(bǔ)償鏈路時(shí)延抖動(dòng)的情況下，2.46 GHz和8.00 GHz的信號(hào)傳輸后相位時(shí)間的變化[13]。在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中，可調(diào)光延時(shí)線一直在進(jìn)行往返的時(shí)延調(diào)節(jié)，單程的時(shí)延調(diào)節(jié)大小為500 ps。在不對(duì)光纖鏈路的時(shí)延變化進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那闆r下，2.46 GHz信號(hào)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端后的相位時(shí)間抖動(dòng)如圖3所示。

圖3　信號(hào)相位時(shí)間的變化

在圖3中可以看到，相位時(shí)間有著明顯的鋸齒形變化，其峰峰值約為500 ps，這部分變化是由可調(diào)光延時(shí)線往返調(diào)節(jié)導(dǎo)致的。同時(shí)，光纖周圍環(huán)境的變化，尤其是溫度的變化，也給鏈路帶來(lái)了大約650 ps的時(shí)延變化。所以2.46 GHz的信號(hào)在104s的測(cè)試時(shí)間中，整個(gè)相位時(shí)間抖動(dòng)為1182.5 ps。實(shí)驗(yàn)中，光纖周圍環(huán)境溫度的變化也被記錄下來(lái)，在104s的時(shí)間范圍內(nèi)，溫度的變化約為0.6 ℃。考慮到光纖時(shí)延變化與溫度變化的關(guān)系為35 ps/km/℃，在給定的30 km的光纖長(zhǎng)度下，這個(gè)溫度變化引起的光纖時(shí)延變化為630 ps，與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的650 ps的時(shí)延變化非常接近。

在鏈路延時(shí)被穩(wěn)定后，同樣長(zhǎng)的測(cè)試時(shí)間間隔中，2.46 GHz信號(hào)的相位時(shí)間抖動(dòng)的峰峰值只有3.15 ps，如圖3所示。這里的相位時(shí)間抖動(dòng)是在可調(diào)光延時(shí)線持續(xù)工作的情況下測(cè)得的，同時(shí)這段測(cè)量時(shí)間內(nèi)光纖周圍的溫度也發(fā)生了變化，但是鏈路的時(shí)延被很好地穩(wěn)定下來(lái)。

同樣地，8.00 GHz信號(hào)的相位時(shí)間抖動(dòng)也使用采樣示波器記錄下來(lái)。在不穩(wěn)定鏈路時(shí)延的情況下，8.00 GHz信號(hào)在104s時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷的相位時(shí)間抖動(dòng)峰峰值為1034.6 ps。當(dāng)鏈路的延時(shí)被穩(wěn)定下來(lái)后，這一相位時(shí)間抖動(dòng)的峰峰值被限制在2.08 ps。

在另一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，2.48 GHz的頻率信號(hào)經(jīng)過(guò)60 km光纖的傳輸，在遠(yuǎn)端恢復(fù)出射頻信號(hào)，測(cè)量了其單邊帶相位噪聲，如圖4(a)所示[14]。穩(wěn)定了光纖鏈路的時(shí)延后，頻率信號(hào)在3 Hz偏移頻率處的相位噪聲為-77.3 dBc/Hz，與不穩(wěn)定鏈路時(shí)延的情況相比較，這里的相位噪聲大約減小了10 dB。當(dāng)偏移頻率超過(guò)10 Hz后，補(bǔ)償鏈路時(shí)延后信號(hào)的相位噪聲和自由傳輸時(shí)基本一樣。在實(shí)驗(yàn)中也測(cè)試了頻率信號(hào)傳輸后的頻率穩(wěn)定度，其結(jié)果表示為圖4(b)所示的阿倫方差。經(jīng)自由運(yùn)行的鏈路傳輸，也就是沒(méi)進(jìn)行任何時(shí)延抖動(dòng)補(bǔ)償?shù)那闆r下，信號(hào)的短期穩(wěn)定度為2.3×10-13(1 s平均時(shí)間)。補(bǔ)償鏈路時(shí)延抖動(dòng)后，信號(hào)傳輸后頻率的短期穩(wěn)定度被提高到6.5×10-14(1 s平均時(shí)間)，長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度則為2.1×10-17(104s平均時(shí)間)。同時(shí)，在圖4中，也給出了測(cè)量系統(tǒng)的噪底，其秒穩(wěn)定度約為2.9×10-14。

圖4　單邊帶相位噪聲和頻率穩(wěn)定性

3　基于光纖色散時(shí)延調(diào)控的頻率傳遞應(yīng)用

從2013年12月“嫦娥三號(hào)”探月航天器成功在月球軟著陸至今，持續(xù)對(duì)航天器上搭載的X頻段信標(biāo)信號(hào)其進(jìn)行跟蹤測(cè)量，提取高精度的頻率信息，形成開(kāi)環(huán)測(cè)速、三向測(cè)速處理結(jié)果，開(kāi)展航天器精密測(cè)定軌試驗(yàn)。為完成試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，必須精確測(cè)量“嫦娥三號(hào)”轉(zhuǎn)發(fā)回地面的信標(biāo)信號(hào)，測(cè)量天線處需要高穩(wěn)定的多個(gè)本振信號(hào)，來(lái)保證接收到的信標(biāo)信號(hào)的相位信息不被干擾。從中心機(jī)房到天線有近百米距離，射頻本振信號(hào)的相位在倍頻與傳遞過(guò)程中易受環(huán)境溫度變化、天線伺服電機(jī)振動(dòng)等因素的影響產(chǎn)生隨機(jī)抖動(dòng)，必須加以抑制。利用基于光纖色散時(shí)延調(diào)控的時(shí)頻傳遞系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)X-L混頻本振、L-中頻混頻本振的同纜、同時(shí)穩(wěn)相傳輸，如圖5所示。實(shí)際得到小于0.01 rad的本振相位漂移，確保系統(tǒng)總體達(dá)到9.8 mHz的頻率估計(jì)精度和0.384 mm/s的測(cè)速精度，圓滿達(dá)到了航天器精密測(cè)定軌試驗(yàn)的目的[15]。

圖5　“嫦娥三號(hào)”無(wú)線電測(cè)月系統(tǒng)

干涉測(cè)量的被動(dòng)式測(cè)量特征對(duì)實(shí)現(xiàn)在軌航天器的軌道監(jiān)測(cè)具有重要意義。利用分別位于北京飛行控制中心和衛(wèi)星通信地面站的天線，進(jìn)行了在軌航天器被動(dòng)式的高精度連線干涉測(cè)量。2個(gè)天線站點(diǎn)之間的直線距離為5.5 km，通過(guò)長(zhǎng)度為15 km的光纖連接，形成連線干涉測(cè)量系統(tǒng)，如圖6所示。

圖6　北斗導(dǎo)航衛(wèi)星連線干涉測(cè)量系統(tǒng)

通過(guò)基于光纖的多本振穩(wěn)相傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)頻率同步，為提升在軌航天器軌道監(jiān)測(cè)精度做關(guān)鍵技術(shù)支撐。測(cè)試中，2個(gè)連線天線單元共同跟蹤待測(cè)衛(wèi)星和一顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，其中北斗導(dǎo)航衛(wèi)星作為標(biāo)校衛(wèi)星，根據(jù)干涉測(cè)量數(shù)據(jù)處理方法得到待測(cè)衛(wèi)星的干涉時(shí)延與角位置。系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于0.4 ns的干涉時(shí)延測(cè)量精度，在5.5 km基線上實(shí)現(xiàn)約千分之一度的測(cè)角精度，且測(cè)角精度有望通過(guò)增加基線長(zhǎng)度獲得進(jìn)一步的提高[16]。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文提出了基于光纖色散時(shí)延調(diào)控的時(shí)頻傳遞技術(shù)，分析了利用不同光載波波長(zhǎng)產(chǎn)生不同色散時(shí)延的方法來(lái)補(bǔ)償光纖信道由于環(huán)境因素的變化產(chǎn)生的時(shí)延隨機(jī)抖動(dòng)的原理，進(jìn)行了多個(gè)實(shí)驗(yàn)研究時(shí)頻傳遞系統(tǒng)的性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以獲得6.5×10-14@1 s和2.1×10-17@104s的頻率穩(wěn)定度。該時(shí)頻傳遞技術(shù)已成功應(yīng)用于“嫦娥三號(hào)”精密測(cè)定軌試驗(yàn)和北斗導(dǎo)航衛(wèi)星連線干涉測(cè)量系統(tǒng)，并有望在未來(lái)的深空探測(cè)、導(dǎo)航定位和天文觀測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮作用。

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張安旭男，(1985—)，博士，工程師。主要研究方向：微波光子學(xué)和自由空間光通信。

孫亨利男，(1986—)，碩士，工程師。主要研究方向：微波光子學(xué)和自由空間光通信。

Time and Frequency Transmission over Optical Fiber and Its Applications in Aerospace Measurement

ZHANG An-xu1,2,SUN Heng-li1,2,DAI Yi-tang3,REN Tian-peng4,HUANG Ning-bo1,2,LV Qiang1,2,XU Kun3,TANG Ge-shi4

(1.Key Laboratory of Aerospace Information Applications,CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China;2.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China;3.StateKeyLaboratoryofInformationPhotonicsandOpticalCommunications,BUPT,Beijing100876,China;4.NationalKeyLaboratoryofScienceandTechnologyonAerospaceFlightDynamics,BACC,Beijing100094,China)

A time and frequency transmission technique based on dispersion induced delay of optical fiber link has been proposed to meet the strict synchronization requirements in applications such as aerospace measurement.The principle of the transmission system has been analyzed.Several experiments have been carried out with frequency stability of 6.5×10-14at 1 s and 2.1×10-17at 104s,respectively.The transmission system has been used in a lunar radio measurement of the Chang’E-3 spacecraft and a connected element interferometry system.

time and frequency transmission;dispersion delay;aerospace measurement;connected element interferometry

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.09.04

2016-05-07

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(61401411)。

TN29

A

1003-3106(2016)09-0015-05

引用格式：張安旭,孫亨利,戴一堂,等.光纖時(shí)頻傳輸及其在航天探測(cè)中的應(yīng)用[J].無(wú)線電工程,2016,46(9):15-19,23.