王俊峰， 張金榮

(北京跟蹤與通信技術(shù)研究所 北京 100094)

基于PCM-FM遙測信號的多站時差定位技術(shù)應(yīng)用研究?

王俊峰， 張金榮

(北京跟蹤與通信技術(shù)研究所 北京 100094)

針對飛行目標(biāo)回收測量問題，首先介紹基于PCM-FM遙測信號的多站時差定位原理，設(shè)計一種采用“單星共視授時、遙測幀同步信號采樣本地時間、多站時差(距離差)定位解算”技術(shù)的定位系統(tǒng)；然后闡述其關(guān)鍵技術(shù)，并對距離差測量精度進(jìn)行分析和估算；最后結(jié)合工程實踐，給出試驗測試數(shù)據(jù)。

PCM-FM遙測信號； 單星共視授時； 多站時差定位； 測量精度

引 言

目前，在航天試驗任務(wù)中，目標(biāo)的飛行軌跡測量主要依靠雷達(dá)和光學(xué)設(shè)備。雷達(dá)規(guī)模較大，研制經(jīng)費較高，且機(jī)動性較差，布站要求高，難以靈活布設(shè)；而光學(xué)設(shè)備易受云、沙塵等氣候條件影響，且視場范圍相對較小，目標(biāo)丟失重捕困難。因此，對于試驗場落區(qū)目標(biāo)末端測量，以雷達(dá)和光學(xué)設(shè)備為主的傳統(tǒng)測量手段受到不同程度制約，需要一套具有覆蓋范圍廣、捕獲信號快、定位簡單、布置快捷等特點的新型測量系統(tǒng)。

多站時差定位系統(tǒng)利用目標(biāo)發(fā)射信號到達(dá)不同地面站的時間差解算出目標(biāo)位置。目前，關(guān)于多站時差定位技術(shù)，已有大量的研究成果[1，2]，基于擴(kuò)頻信號的多站時差定位技術(shù)已經(jīng)得到實際應(yīng)用[3，4]?？紤]到試驗過程中目標(biāo)一般都發(fā)射PCM-FM遙測信號，本文設(shè)計一種基于PCM-FM遙測信號的多站時差定位系統(tǒng)，利用遙測幀同步信號對本地時間進(jìn)行采樣，得到同一幀遙測信號到達(dá)不同地面站的時間差，從而解算出目標(biāo)位置，實現(xiàn)對目標(biāo)的外測功能。該系統(tǒng)可進(jìn)一步增強(qiáng)目標(biāo)回收測量能力，提高目標(biāo)返回段跟蹤測量精度，提升我國試驗場測控水平。

1 時差定位測量基本原理

利用目標(biāo)下行遙測信號實現(xiàn)時差定位測量需多套(4套以上)地面接收站，且各站位置已知。利用各站接收到目標(biāo)遙測信號的同一幀數(shù)據(jù)的幀同步到達(dá)時間，以其中一站收到的時間為基準(zhǔn)，比較其余各站與基準(zhǔn)站的到達(dá)時間差來進(jìn)行目標(biāo)定位，具體定位原理如下。

無線電信號到達(dá)時差定位又稱為雙曲線定位。它是通過處理多個測量站采集到的同一信號到達(dá)時間差來對目標(biāo)進(jìn)行定位的。具體實現(xiàn)過程中，可以通過測量目標(biāo)發(fā)射遙測信號的某一標(biāo)識(如幀同步信號)到達(dá)各站的時間差來進(jìn)行定位，通過單向測時，可得到如下一組單程到達(dá)時間與距離ri(i＝1，2，3，…N)的關(guān)系方程組

式中，ti為信號到達(dá)各測量站的時間，T0為目標(biāo)發(fā)射信號的時間，ri為目標(biāo)與第i個測量站之間的距離，c為信號傳播速度(即光速)。

設(shè)第i個測量站位置(xi，yi，zi)已知，目標(biāo)位置為(xt，yt，zt)，則可得出

為了消去共同分量T0，可以用距離差列出一組時間差測量方程。假設(shè)第一套站為測量基準(zhǔn)站，可得

將式(2)代入式(3)，可得

在各測量站位置(xi，yi，zi)已知，并且至少測得3個時間差的情況下，通過解上述方程組可得目標(biāo)位置(xt，yt，zt)。

利用測量得到的多個目標(biāo)位置信息(xt，yt，zt)，進(jìn)行相應(yīng)的曲線擬合，可得到目標(biāo)飛行軌跡，直至遙測信號消失。在對返回目標(biāo)進(jìn)行測量過程中，可在信號消失后，根據(jù)目標(biāo)飛行軌跡進(jìn)行一定時間的外推，進(jìn)而預(yù)報返回目標(biāo)的落點。

2 實現(xiàn)方案

時差定位測量系統(tǒng)是利用時間差來實現(xiàn)對飛行目標(biāo)的定位測量。系統(tǒng)需要4個以上(含4個)測量站和1個數(shù)據(jù)處理終端。根據(jù)試驗場地形條件、目標(biāo)飛行軌道特點和目標(biāo)天線的不同，可適當(dāng)?shù)卦黾訙y量站，以提高系統(tǒng)的可靠性和測量精度。每個測量站接收目標(biāo)發(fā)出的PCM-FM遙測信號，經(jīng)過接收解調(diào)后，得到遙測幀(子幀)同步信號，并測量幀(子幀)同步信號到達(dá)時間，再將測得的時間數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)處理終端；數(shù)據(jù)處理終端利用各站送來的遙測幀(子幀)同步到達(dá)時間，以某一測量站為基準(zhǔn)，求出同一遙測幀(子幀)同步信號到達(dá)其它各站與基準(zhǔn)站的時間差，從而算出目標(biāo)到達(dá)各站的距離差，再利用該距離差解算出目標(biāo)位置。系統(tǒng)組成原理如圖1所示。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 時間同步

為了精確測量同一幀(子幀)遙測數(shù)據(jù)到達(dá)各測量站的時間差，各測量站之間必須高精度時間同步，否則，各測量站之間的時間同步誤差會對測量精度帶來較大影響。為保證各測量站時間同步，各測量站需配備高精度授時分系統(tǒng)，在測量站布站基線小于150km時，可采用“單星共視授時技術(shù)”，利用授時型GPS接收機(jī)送出的時間信息作為各站的時間基準(zhǔn)，使各站的秒以上數(shù)字鐘同步到GPS時間上，同時利用GPS接收機(jī)送出的1PPS秒脈沖信號作為同步信號，同步本地秒以下數(shù)字鐘，使各測量站的時鐘都同步到GPS時間上，保證各站時間同步。當(dāng)測量站布站基線較長時，可采用雙向時間比對授時法，其站間授時誤差可達(dá)納秒級[5]。本文主要討論布站基線長度小于150km的情況，而對于基線長度大于150km的情況，請參考相關(guān)資料。

3.2 采樣信號同步

飛行目標(biāo)下行遙測幀(子幀)同步信號具有周期性，為精確完成時差定位解算，數(shù)據(jù)處理終端處理的多個時間信息必須是同一個遙測幀(子幀)同步信號的采樣時間，否則會產(chǎn)生時間模糊問題，導(dǎo)致計算得出的定位結(jié)果偏差較大。為解決該問題，可采用如下兩種方法：

①在下行遙測數(shù)據(jù)中有幀(子幀)計數(shù)的情況下，在測量站獲取幀(子幀)同步信號到達(dá)時間的同時提取遙測幀(子幀)計數(shù)，兩類信息同時送給數(shù)據(jù)處理終端，由數(shù)據(jù)處理終端查找同一幀(子幀)計數(shù)的時間測量信息進(jìn)行計算。

②在下行遙測數(shù)據(jù)中沒有幀計數(shù)的情況下，可根據(jù)遙測碼速率和幀(子幀)長，計算出一個遙測幀(子幀)傳輸時間和該時間段內(nèi)信號傳輸距離，并布設(shè)測量站間距小于該距離，在數(shù)據(jù)處理時對于超過一個遙測幀(子幀)傳輸時間的時間差值予以剔除，從而避免時間模糊問題。例如，某下行遙測碼速率為2Mb/s，遙測子幀長為1kb，可得一個子幀傳輸時間為0.5ms，該時間內(nèi)遙測信號傳輸距離為150km，布設(shè)測量站間距小于150km，即兩站之間的信號傳輸時間差不大于0.5ms(一個遙測子幀傳輸時間)。在數(shù)據(jù)處理時對于兩站時間差大于0.5ms的值予以剔除，即可避免同時處理到不同遙測子幀的同步時間信息。

3.3 幀同步

多站時差定位技術(shù)測量的是目標(biāo)發(fā)射的遙測幀(子幀)同步信號到達(dá)各站的時間差，各測量站必須有相對一致的幀(子幀)同步延時；如果各測量站的幀(子幀)同步延時誤差較大，會導(dǎo)致各站采樣時間信號的延時誤差較大，從而影響到系統(tǒng)測量精度。目前，常用的幀同步信號是幀(子幀)同步碼組最后一個碼元后沿的時刻，亦即幀(子幀)同步誤差為幀(子幀)同步碼組的最后一個碼元的位同步誤差。對于各測量站解調(diào)恢復(fù)幀(子幀)的設(shè)備延時差異，可以在事前通過系統(tǒng)校正用軟件加以消除。所余隨機(jī)的位同步誤差也會對系統(tǒng)的測量精度造成較大影響，將在下節(jié)中予以分析。

圖1 多站時差定位系統(tǒng)組成原理

4 測量精度分析

4.1 距離差測量隨機(jī)誤差

距離差測量隨機(jī)誤差包括位同步誤差、站間時間同步誤差等。各項誤差估算如下。

①位同步誤差

碼同步器的位同步誤差主要是接收機(jī)熱噪聲引起的隨機(jī)誤差，計算公式如下。

由于采用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換跟蹤環(huán)提取定時誤差，可得位同步誤差為[6]

經(jīng)計算，對于PCM-FM體制，在Pe＝1×10-2時可滿足遙測幀(子幀)同步要求，此時所需Eb/N0為 6.6dB，即上式中的為1/4.6，為保證環(huán)路的鎖定時間和跟蹤性能，取為1/1000，可得到＝，則有

其中，T為符號周期。即熱噪聲隨機(jī)誤差約為符號周期的(1/69)。

經(jīng)計算，在門檻信噪比條件下，對于200kb/s碼速率，其位同步誤差約為73ns，對應(yīng)的測量誤差為21.9m；對于1Mb/s碼速率，其位同步誤差約為14.5ns，對應(yīng)的測量誤差為4.35m；對于2Mb/s碼速率，其位同步誤差約為7.3ns，對應(yīng)的測量誤差為2.19m。

②站間時間同步隨機(jī)誤差

各站采用GPS單星共視技術(shù)，站間時間同步隨機(jī)誤差主要為GPS接收機(jī)熱噪聲引入的誤差，約為3ns，對應(yīng)的測量誤差為

綜上所述，碼速率為1Mb/s時，距離差測量隨機(jī)誤差為

4.2 距離差測量系統(tǒng)誤差

距離差測量系統(tǒng)誤差主要包括站間時間同步誤差、接收機(jī)通道偏差、電平動態(tài)誤差、群時延引入的誤差、測量站位置誤差等。各誤差項估算如下：

①站間時間同步系統(tǒng)誤差

各站采用GPS單星共視技術(shù)，站間時間同步很多公共誤差源(如星歷誤差、鐘差、信號傳播誤差等)的影響大部分可相互抵消，其系統(tǒng)誤差主要包括多徑效應(yīng)引入的誤差、站址誤差、GPS接收機(jī)校零殘差和信號傳播延遲不能抵消的殘差。其中，多徑效應(yīng)引入的誤差約為5ns，站址誤差(1m)引入的定時誤差約為3ns，GPS接收機(jī)校零殘差約為8ns，信號傳播延遲不能抵消的殘差約為8ns。因此，站間時間同步總誤差約為，對應(yīng)的測量誤差為

②接收機(jī)通道偏差(校零殘差)

接收機(jī)通道的固定時延(包括天線、電纜的延遲)，可通過校零得到，在軟件中予以消除，但校零后仍然存在通道間偏差，根據(jù)工程經(jīng)驗，一般為8ns左右，對應(yīng)的測量誤差為

③電平動態(tài)誤差

接收電平動態(tài)范圍60dB，對AGC放大器的時延變化有影響，會引入測距系統(tǒng)誤差。根據(jù)工程經(jīng)驗，AGC放大器的時延變化一般為6ns，則電平動態(tài)引起的測量誤差約為

④群時延引入的誤差

由于溫度、電壓等因素的變化，引起接收信道中濾波器濾波特性、信道增益、輸出功率等變化，使群時延發(fā)生變化。信道設(shè)備24小時帶內(nèi)群時延變化約4ns，對應(yīng)的測量誤差為

⑤測量站位置誤差

由于目標(biāo)定位解算是以測量站位置坐標(biāo)為已知條件的，所以測量站位置坐標(biāo)誤差將直接導(dǎo)致定位測量誤差。各測量站接收GPS信號進(jìn)行站址自定位，其定位精度可達(dá)

綜上所述，距離差測量系統(tǒng)誤差為

4.3 定位精度

在工程應(yīng)用中，距離差測量精度是通過對目標(biāo)的定位精度體現(xiàn)出來的，常用距離差測量精度與幾何精度因子GDOP的乘積來表征定位精度。

幾何精度因子GDOP取決于測量站的分布情況、飛行目標(biāo)相對各測量站的位置等條件，所以在目標(biāo)飛行過程中，難以給出固定的GDOP值。關(guān)于GDOP值的分析計算請參考相關(guān)文獻(xiàn)[7，8]，此處不再贅述。但是，應(yīng)當(dāng)充分重視根據(jù)預(yù)定軌道布置測量站的問題。

在幾次試驗中，該系統(tǒng)對目標(biāo)的定位精度為70m左右，結(jié)合當(dāng)時的目標(biāo)飛行情況、目標(biāo)遙測信號特性、測量站情況看，通過事后數(shù)據(jù)分析，距離差測量精度與理論分析結(jié)果相符。

5 結(jié)束語

本文簡述了基于PCM-FM遙測信號的多站時差定位技術(shù)的基本原理，提出了采用該技術(shù)的時差定位測量系統(tǒng)設(shè)計方案，對其測量精度進(jìn)行了分析，并給出了試驗測量結(jié)果。理論分析與工程實踐結(jié)果表明，該技術(shù)在不改變目標(biāo)下行遙測信號狀態(tài)下，可完成對目標(biāo)的定位測量。該技術(shù)合理可行，并且實現(xiàn)方法簡單，布站靈活，可廣泛應(yīng)用于對目標(biāo)的定位測量中。

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M ulti-site Time Difference of Arrival Localization Technique Based on PCM-FM Telemetry Signal

Wang Junfeng， Zhang Jinrong

Aiming at the orbitmeasurementof re-entry objects，amulti-site time difference of arrival localization system based on PCM-FM telemetry signal is developed.In this system the ground stations are timed by employing a single satellite common-view technique，the local time of every station is sampled by the frame synchronization signal and the location of the object is finally calculated based on the time difference.This paper provides the principle and implementation of the system and declares several key techniques and solutions.Themeasurement accuracy of the range difference is analyzed in theory and the test results demonstrate that the proposed system can acquire promising performance which is coincidentwith the theoretical analysis.

PCM-FM telemetry signal； Single satellite common-view； Multi-site time difference of arrival localization；Measurement accuracy

TN95

A

CN11-1780(2014)06-0056-05

王俊峰 1976年生，碩士研究生，主要研究方向為遙測遙控。

?國家項目支持

2014-02-19 收修改稿日期：2014-04-22

張金榮 1984年生，碩士研究生，主要研究方向為遙測遙控。