陳勇，陳菊，李廣慶

（1.宇航動力學國家重點實驗室，西安710043；2.西安衛(wèi)星測控中心，西安710043）

基于通信轉(zhuǎn)發(fā)器的擴頻測距技術(shù)?

陳勇1，2，??，陳菊1，2，李廣慶1，2

（1.宇航動力學國家重點實驗室，西安710043；2.西安衛(wèi)星測控中心，西安710043）

針對航天器測控中利用衛(wèi)星通信轉(zhuǎn)發(fā)器實現(xiàn)多站測距進行可行性分析，在擴頻測距幀測距原理的基礎上，研究利用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器對上行測距信號變頻轉(zhuǎn)發(fā)來實現(xiàn)對星測距，同時對衛(wèi)星工程測控與應用系統(tǒng)之間上下行鏈路功率分配、標校方法、地面測量設備組成原理等關(guān)鍵技術(shù)進行分析論述。該測距方案突破了傳統(tǒng)多站測距時受衛(wèi)星應答機配置數(shù)量的限制條件，實現(xiàn)多站同時測距后，可以提高測距精度和定軌精度，降低對設備測角精度的要求，減少測軌時間，有效緩解測控設備資源緊張的狀況，同時該測距方式還可作為應答方式側(cè)音測距的有效技術(shù)備份手段。

衛(wèi)星測控；通信轉(zhuǎn)發(fā)器；擴頻測距；定軌

1 引言

衛(wèi)星在軌運行過程中，除了受到地球的引力外，還受到各種攝動力的作用，包括月球和太陽引力、地球非均勻球體引力勢、太陽輻射壓力等，攝動力使衛(wèi)星軌道的半長軸、傾角、偏心率等產(chǎn)生了線性或非線性漂移［1］。為了維持衛(wèi)星軌道，需要定期對衛(wèi)星進行精確控制，而軌道控制的前提是地面測控設備對衛(wèi)星進行外彈道測量以獲得準確的軌道根數(shù)。

軌道測量是利用無線電測量設備跟蹤衛(wèi)星，測量瞬時位置矢量和速度矢量，解算出衛(wèi)星的軌道根數(shù)。不同的測軌方案對測量設備的測量時間和測量元素要求也不同。當采用單站測軌時，要求測站連續(xù)跟蹤衛(wèi)星的一個軌道周期，測量元素必須同時包含距離和角度信息；當采用雙站測軌時，可以在一個軌道周期內(nèi)選擇幾個弧段分時測量，每次幾十分鐘就可以滿足測軌時間要求，測量元素僅需要測距信息即可滿足定軌條件，無測角數(shù)據(jù)要求，這將大大降低測控天線的研制成本；當采用三站測軌時，仍然在一個軌道周期內(nèi)選擇幾個弧段分時測量，但每個弧段測量時間可以由幾十分鐘降到幾分鐘，且只要有測距信息就可以完成衛(wèi)星定軌。

傳統(tǒng)的側(cè)音測距體制受到星載應答機配置數(shù)量的限制，一般只能采用單站或雙站測軌方案，測軌會占用大量的測控設備資源，尤其在衛(wèi)星壽命末期，一旦應答機出現(xiàn)故障后，將無法完成對衛(wèi)星的軌道測量，進而影響應用系統(tǒng)的正常業(yè)務。擴頻測距具有抗干擾、精度高等優(yōu)點，航天測控中利用衛(wèi)星的通信轉(zhuǎn)發(fā)器，采用頻分復采用技術(shù)，在不影響衛(wèi)星正常通信業(yè)務的前提下，可以實現(xiàn)對衛(wèi)星的距離測量，采用多站測距可以實現(xiàn)對衛(wèi)星的軌道確定。

2 擴頻測距原理

系統(tǒng)采用非相干偽碼擴頻測距方式，上、下行信號采用測距幀結(jié)構(gòu)，上行測距幀調(diào)制上行偽距信息，由基帶自身形成的上行測距幀同步信息對上行測距幀和擴頻偽碼進行采樣，將測量幀位計數(shù)、擴頻偽碼計數(shù)、碼相位等信息調(diào)制在上行測距幀上，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器收到上行信號后只進行變頻和功率放大，不對測距幀處理，故上下行測距幀完全相同。多站測距時，各站之間上下行信號和測距幀完全獨立，相互之間不受影響。測距原理圖如圖1所示。測距信號流程如下：

圖1 擴頻測距原理圖Fig.1 Schematic diagram of spread spectrum ranging

基帶生成上行測距幀PCM流，采用2n－1位短碼擴頻后對載波進行BPSK調(diào)制輸出70 MHz中頻載波，上行信道對中頻信號進行上變頻、功率放大后經(jīng)天饋系統(tǒng)輻射到衛(wèi)星；

衛(wèi)星天線收到上行信號后，經(jīng)接收天線饋送到轉(zhuǎn)發(fā)器入口，經(jīng)過輸入預選器濾除掉無用帶外信號，有用信號輸入到接收機進行低噪聲放大、變頻和高增益放大，下行信號經(jīng)發(fā)射天線傳回地面［2］；

地面設備接收到下行測距鏈路信號后進行解擴、解調(diào)、幀同步，利用收到的下行測距信息幀同步信息對上行測距幀采樣，得到測距幀計數(shù)、位計數(shù)、擴頻偽碼計數(shù)、碼相位，與下行測距幀獲取的測距信息進行比較計算得到星地空間距離。

式中，c為光速（單位m／s）；ΔT為測距幀星地傳輸時延（單位s）；Φup為上行測距幀頭產(chǎn)生時刻擴頻碼相位；Φr為下行測距幀同步碼解調(diào)時刻上行擴頻碼相位；Rpn為PN碼碼率（單位MHz）；RT為衛(wèi)星零值（單位m）；R0g為地面設備距離零值（單位m）。

3 測量精度比較

測量精度主要受隨機的和系統(tǒng)時間測量誤差所限制，這些誤差在測量測距信號往返時以隨機誤差和系統(tǒng)誤差形式表示。

3.1 測距隨機誤差

測距隨機誤差主要由地面熱噪聲、測距量化誤差、主振器短穩(wěn)、主振器長穩(wěn)引入。

3.1.1 地面熱噪聲引入的隨機誤差（σR1）

非相干偽碼測距通過測偽碼整周數(shù)和偽碼相位的方式得到距離信息，應答式側(cè)音測距通過測量測距音相位得到距離信息，地面熱噪聲會對偽碼碼環(huán)相位或側(cè)音環(huán)相位提取產(chǎn)生影響，從而導致距離誤差。跟蹤誤差為

式中，D為擴頻碼元寬度或測距主音波長，Bn為碼環(huán)寬度，T為預檢測積分時間，T≤1／Rb，Rb為信息速率，C／N0為載噪比。

對于非相干偽碼測距，熱噪聲引起的誤差約為0.45 m；對于應答式側(cè)音測距，熱噪聲引起的誤差約為13.6 m。

3.1.2 測距量化誤差（σR2）

相位提取是通過測量收發(fā)碼鐘DCO相位差，相位分辨率與DCO位數(shù)有關(guān)。如果DCO的相位為32

位二進制碼時，測距量化精度引起的量化誤差可忽略不計。

3.1.3 主振短穩(wěn)引入的隨機誤差（σR3）

主振采用直接倍頻方式，其短穩(wěn)與10 MHz頻標短穩(wěn)（2×10－11／20 ms）在同一數(shù)量級上，引起的測距隨機誤差可以忽略。

3.1.4 主振長穩(wěn)引入的隨機誤差（σR4）

主振長穩(wěn)同短穩(wěn)一樣，其長穩(wěn)與10 MHz頻標長穩(wěn)（2×10－11／日）在同一數(shù)量級上，引起的測距隨機誤差非常小。

總的測距隨機誤差

根據(jù)以上計算結(jié)果，非相干偽碼測距的系統(tǒng)隨機差約為0.45 m，應答式側(cè)音測距的系統(tǒng)隨機差約為13.6 m。

3.2 測距系統(tǒng)誤差

測距系統(tǒng)誤差主要由基帶中頻濾波器時延變化、碼環(huán)跟蹤誤差、AGC放大器時延變化、信道時延變化和校零殘差引入。

3.2.1 發(fā)射、接收中頻濾波器隨溫度和時間變化而引入的時延變化（ΔR1、ΔR2）

基帶中頻濾波器帶寬為20 MHz，濾波器帶內(nèi)最大時延不超過100 ns，隨溫度和時間的相對變化率為10－3，在45℃溫度變化范圍引入時延變化

相應距離誤差ΔR1＝ΔR2＝0.68 m。

3.2.2 目標動態(tài)滯后碼環(huán)跟蹤誤差（ΔR3）

擴頻碼跟蹤環(huán)或側(cè)音跟蹤環(huán)一般采用二階碼環(huán)，目標加速度引起的動態(tài)誤差可用下式計算：

式中，a為目標加速度，Bn為環(huán)路帶寬。同步衛(wèi)星在軌運行時，載波多普勒變化率按6.25 kHz／s計算，目標加速度a＝469 m／s2。對于非相干偽碼測距，ΔR3＝0.07 m；對于應答式側(cè)音測距，ΔR3＝8.12 m。

3.2.3 AGC放大器時延變化（ΔR4）

接收信號電平變化引起AGC放大器時延變化取5 ns，對應測距誤差ΔR4＝0.8 m。

3.2.4 校零殘差（ΔR5）

校零殘差包括設備零值變化、校零變頻器時延測試誤差及校零時空間測量誤差等，非相干偽碼測距方式下，校零殘差約為1.0 m；應答式側(cè)音測距方式下，校零殘差約為6 m。

收發(fā)信道引起系統(tǒng)誤差ΔR6＝0.7 m；總的測距系統(tǒng)誤差

根據(jù)以上計算結(jié)果，非相干偽碼測距的系統(tǒng)隨機差約為1.75 m，應答式側(cè)音測距的系統(tǒng)隨機差約為10.2 m。

經(jīng)比較分析，采用非相干偽碼測距，系統(tǒng)差和隨機差均提高了一個數(shù)量級。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 電平分配設計

通信轉(zhuǎn)發(fā)器工作時，上行電平已達到飽和處于轉(zhuǎn)發(fā)態(tài)，工程測距鏈路電平設計時，主要考慮地面測站上行功率不會影響轉(zhuǎn)發(fā)器安全和用戶間的正常通信，同時接收到的下行測距信號功率滿足測距門限。

地面設備天線口面有效輻射功率按照使轉(zhuǎn)發(fā)器達到飽和電平的十分之一發(fā)射上行信號，三站同時測距使轉(zhuǎn)發(fā)器接收到的信號功率增加約1.14 dB，不會損害轉(zhuǎn)發(fā)器及衛(wèi)星用戶的正常通信。上行鏈路電平計算如下式所示：

式中，EIRPE為地面設備天線輻射功率（dBW）；Es為轉(zhuǎn)發(fā)器飽和通量密度（dBW／m2）；Le為發(fā)散損耗（dB·m2）；BI為轉(zhuǎn)發(fā)器輸入回退，取6 dB；BC＝10lg（BWxpd／BWc）為載波回退；LO為指向誤差、雨衰引起信號衰減，取2 dB。

地面設備收到的下行信號與衛(wèi)星EIRP值、空間損耗和地面設備G／T值有關(guān)，轉(zhuǎn)發(fā)器工作在多載波情況下，還需考慮轉(zhuǎn)發(fā)器回退和載波回退［3］。下行鏈路電平如下式所示：

式中，EIRPs為衛(wèi)星天線等效輻射功率（dBW）；BO為轉(zhuǎn)發(fā)器輸出回退；BC為載波回退；Lsp為空間損耗；G／T為地面設備品質(zhì)因素；LO為指向誤差、雨衰引起信號衰減，取2 dB；K為波爾茲曼常數(shù)，?。?28.6 dBW／Hz。

以赤道上空110°E位置通信衛(wèi)星為例，假設衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器飽和通量密度為－90 dBW／m2，轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬為36 MHz，功放額定功率20 W，天線發(fā)射增益按23 dB估算，對于不同口徑天線的地面站上行功率設置和下行信噪比分別如表1所示。

表1 地面設備上下行鏈路電平Table 1 The uplink and downlink power level of gr ound equipment

由計算結(jié)果可知，以上3種不同口徑天線上下行電平均能滿足測距要求。

4.2 擴頻碼選擇

擴頻測距系統(tǒng)采用非相干偽碼測距，具有碼分多址的特點。擴頻碼選擇要求偽隨機序列的隨機性好、周期長，有良好的自相關(guān)性、互相關(guān)性和部分相關(guān)性，同時具有足夠數(shù)量的地址碼可供選擇，平衡Gold碼是作為地址碼的一種良好的碼型［4］。

如果衛(wèi)星通信轉(zhuǎn)發(fā)器的帶寬為B，為充分利用其帶寬以提高系統(tǒng)測距精度，選用擴頻碼率為chip／s，碼長為2n－1位，由于衛(wèi)星只對上行信號進行變頻轉(zhuǎn)發(fā)，不進行解擴處理，故同一測站上下行采用相同擴頻碼，且擴頻碼的選擇靈活，不受星上狀態(tài)的限制。

4.3 地面設備傳輸時延標定

地面設備傳輸時延標定采用偏饋振子無線校零方法，將偏饋振子安裝在天線主反射面上，校零變頻器的輸入、輸出端通過兩根射頻電纜連接到偏饋振子上。系統(tǒng)校零的信號流程是：測距信號經(jīng)擴頻、調(diào)制、上變頻、功率放大后，通過饋源喇叭輻射到天線副面，反射進入天線主面，被偏饋振子接收，經(jīng)校零變頻器將上行信號變?yōu)橄滦行盘?；下行信號?jīng)偏饋振子輻射到主天線副面后被反射進入饋源喇叭，通過地面設備下行鏈路被接收解調(diào)，構(gòu)成無線射頻閉環(huán)［5］。

組成標校環(huán)路的偏饋振子、射頻電纜、校零變頻器的傳輸時延可以準確標定，標校環(huán)路與對星測量環(huán)路的測量原理完全相同，標校環(huán)路測得的距離值扣除標校部分傳輸時延即可得到地面設備傳輸時延。

5 擴頻測距系統(tǒng)組成

擴頻測距利用星上轉(zhuǎn)發(fā)器變頻轉(zhuǎn)發(fā)方式實現(xiàn)，測距上行信號為fu，下行信號為fd，地面設備組成原理框圖如圖2所示。由測距單元產(chǎn)生的上行測距幀信息流a（t）與上行偽隨機序列c（t）進行模2加運算，產(chǎn)生一速率與偽隨機序列速率相同的擴頻序列d（t），然后再用擴頻序列對載波進行調(diào)制得到已調(diào)中頻載波信號，經(jīng)上變頻和功率放大后向衛(wèi)星輻射。

圖2 地面設備原理框圖Fig.2 The schematic diagram of ground equipment system composition

在接收端，接收到的擴頻信號經(jīng)低噪聲放大和混頻后，用與上行偽隨機序列一致的偽隨機序列對擴頻信號進行相關(guān)處理，使有用的信號由寬帶信號恢復為窄帶信號。再對解擴后的載波信號進行解調(diào)，得到測距信息流，經(jīng)搜索、校核、鎖定后得到同步的測距數(shù)據(jù)幀，并用幀同步信息對上行擴頻序列d（t）采樣，得到下行幀同步時刻對應上行擴頻碼相位Φr，同時根據(jù)下行測距幀調(diào)制信息內(nèi)容可以得到上行測距幀頭產(chǎn)生時刻擴頻碼相位Φup，從而計算得到星地距離。

6 結(jié)束語

擴頻測距技術(shù)是一種具有優(yōu)異性能的測距方式，自誕生之日就受到了廣泛關(guān)注。本文對擴頻測距原理、地面設備組成進行了詳細闡述，分析比較了兩種測距體制下的測量精度，并對基于通信轉(zhuǎn)發(fā)器測距的關(guān)鍵技術(shù)進行了論述。

基于通信轉(zhuǎn)發(fā)器的擴頻測距技術(shù)的應用，將不再借助星載測控應答機就可實現(xiàn)對衛(wèi)星的測距定軌，簡化了星上設備。在不受星上應答機配置的限制的情況下，可輕松實現(xiàn)地面多站對衛(wèi)星的測距，進而提高地面測控設備資源利用率，因此具有重要的現(xiàn)實意義。

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CHEN YongwasborninLinyi，Shanxi Province，in 1975.He received the B.S.degree from Beijing Institute of Light Industry in 1997.He is now an engineer.His research concerns operation and management of aerospace TT＆C equipment.

Email：chenyong-xa＠hotmail.com

陳菊（1960—），女，福建福安人，高級工程師，主要研究方向為航天測控設備系統(tǒng)設計；

CHEN Ju was born in Fuan，F(xiàn)ujian Province，in 1960.She is now a senior engineer.Her research concerns aerospace TT＆C equipment design.

Email：juchen＠126.com

李廣慶（1967—），男，陜西銅川人，高級工程師，主要研究方向為航天測控設備系統(tǒng)設計。

LI Guang-qing was born in Tongchuan，Shaanxi Province，in 1967.He is now a senior engineer.His research concerns aerospace TT＆C equipment design.

Email：guangqingli＠hotmail.com

Spread Spectrum Ranging Technique Based on Communication Translator

CHEN Yong1，2，CHEN Ju1，2，LI Guang-qing1，2
（1.State Key Laboratory of Astronautic Dynamics，Xi′an 710043，China；2.China Xi′an Satellite Control Center，Xi′an 710043，China）

The feasibility of using satellite translator to realize multiple-station ranging in TT＆C of spacecraft is analyzed.On basis of spread spectrum ranging principle，using communication translator that translates uplink ranging signals to downlink ranging signals to achieve distance-measuring for satellite is studied.Meanwhile，the key technology including communication link power allocation between engineering TT＆C and application system of satellite，calibration method and the principle of satellite ground measuring equipment is described.The ranging scheme can break through traditional multiple-station ranging method that is limited by the number of satellite transponders.The achievement of new multiple-station ranging technique can improve ranging precision of equipment and orbit precision of satellite，reduce the requirement of equipment′goniometer precision and measuring time，and control equipment resources tension situation，while the ranging method is a backup means for side tone ranging using satellite transponder.

satellite TT＆C；communication translator；spread spectrum ranging；orbit determination

date：2013－04－18；Revised date：2013－06－09

??通訊作者：chenyong-xa＠hotmail.comCorresponding author：chenyong-xa＠hotmail.com

V556

A

1001－893X（2013）09－1197－05

陳勇（1975—），男，山西臨猗人，1997年于北京輕工業(yè)學院機電工程系獲學士學位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向為航天測控設備運行與管理；

10.3969／j.issn.1001－893x.2013.09.015

2013－04－18；

2013－06－09