趙 江， 楊文革， 程艷合

(裝備學(xué)院 北京 101416)

異地對接測距方法研究

趙 江， 楊文革， 程艷合

(裝備學(xué)院 北京 101416)

為滿足飛行器測控對接試驗(yàn)需求，在擴(kuò)頻非相干測量體制的基礎(chǔ)上，提出一種異地對接測距方法。針對異地對接系統(tǒng)引入的信號時(shí)延不確定問題，研究異地對接的同步方法，采用時(shí)鐘同步、觸發(fā)同步，以及地面測控設(shè)備兩次發(fā)射上行外測信號的方法。分析異地對接測距方法及其誤差精度，確保異地對接達(dá)到預(yù)期目的。

測控系統(tǒng)； 對接試驗(yàn)； 異地； 非相干； 同步

引 言

由于飛行器試驗(yàn)具有不可逆性，并且代價(jià)高昂，為了確保飛行器試驗(yàn)過程可控可管，萬無一失，在實(shí)際試驗(yàn)前，需要對飛行器應(yīng)答機(jī)和地面測控設(shè)備之間的兼容協(xié)調(diào)性和匹配性進(jìn)行全面的實(shí)際對接測試[1，2]。目前，飛行器測控對接試驗(yàn)一般根據(jù)任務(wù)需要，采用關(guān)鍵站點(diǎn)重點(diǎn)對接模式，即用戶需要攜帶應(yīng)答機(jī)至地面測控設(shè)備布設(shè)站點(diǎn)，按照事先約定的對接規(guī)范實(shí)施對接測試[3]，對接工作花費(fèi)周期長，效率低，并且由于運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)一般只使用測試樣品。近年來，隨著測控站管理的在軌飛行器數(shù)量大幅增加，以及各種新型飛行器試驗(yàn)任務(wù)強(qiáng)度不斷加大，飛行器測控對接任務(wù)和測控管理任務(wù)安排的矛盾逐漸顯現(xiàn)，原有對接方法已逐漸不能適應(yīng)高強(qiáng)度飛行試驗(yàn)任務(wù)的需求。

針對擴(kuò)頻非相干測量體制，提出一種異地對接方法。該方法通過異地對接系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，對接時(shí)間靈活，并且由于無需搬運(yùn)應(yīng)答機(jī)，可以使用真實(shí)的上天產(chǎn)品，提高了對接試驗(yàn)的真實(shí)度。本文在分析異地對接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，研究了異地對接測距方法，對于其引入的信號時(shí)延不確定問題，提出了相應(yīng)的同步方法，保證了異地對接的質(zhì)量。

1 異地對接概述

1.1 異地對接方式

目前的對接試驗(yàn)中，測控設(shè)備與應(yīng)答機(jī)是通過射頻鏈路直接聯(lián)接的[4]，如圖1所示，由于必須將應(yīng)答機(jī)攜帶至測控站點(diǎn)，對接試驗(yàn)費(fèi)事費(fèi)力，十分不便。異地對接方法克服了這一缺點(diǎn)，它是一種基于網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪h(yuǎn)程對接方法，應(yīng)答機(jī)安置在研制單位的測試廠房，而不必搬運(yùn)至測控站，通過在處于兩地的地面測控設(shè)備和應(yīng)答機(jī)兩端分別布設(shè)異地對接系統(tǒng)，并經(jīng)由IP通信網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，構(gòu)建測控信號傳輸鏈路，完成對接測試。異地對接方式示意圖如圖2所示。

圖1 現(xiàn)有對接方法示意圖

圖2 異地對接方式示意圖

1.2 異地對接系統(tǒng)

異地對接時(shí)，地面測控設(shè)備和應(yīng)答機(jī)分處兩地，經(jīng)由異地對接系統(tǒng)聯(lián)接在一起。異地對接系統(tǒng)由三個(gè)部分組成：位于測控設(shè)備一端的異地對接設(shè)備、傳輸網(wǎng)絡(luò)、位于應(yīng)答機(jī)一端的異地對接設(shè)備。其中，地面測控設(shè)備端異地對接設(shè)備由下變頻器1、上行鏈路記錄單元1、下行鏈路回放單元4、上變頻器4等組成；同樣的，應(yīng)答機(jī)端異地對接設(shè)備由上行鏈路回放單元2、上變頻器2、下行鏈路記錄單元3、下變頻器3等組成。異地對接系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，其顯著特點(diǎn)是分別配置了回放單元和記錄單元，利用它們解決了異地對接中存在的時(shí)延不確定性導(dǎo)致的同步問題。

圖3 異地對接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 擴(kuò)頻非相干測量方法

由于本文重點(diǎn)討論的是信號時(shí)延的影響，現(xiàn)就測距原理進(jìn)行說明。擴(kuò)頻非相干測量體制中，上、下行信號均采用測量幀結(jié)構(gòu)。地面站測量幀編幀擴(kuò)頻后，利用上行鏈路發(fā)送到應(yīng)答機(jī)；應(yīng)答機(jī)接收到上行信號后，進(jìn)行解擴(kuò)、解調(diào)、幀同步，再利用自身形成的下行測量幀對上行信號采樣，得到碼相位Φup1，同時(shí)采樣上行多普勒等測量信息，并將這些采樣信息實(shí)時(shí)放入下行測量幀送至地面站。地面站接收到下行信號后進(jìn)行解擴(kuò)、解調(diào)、幀同步，利用下行幀同步信號對自身形成的上行信號采樣，得到碼相位Φup2，并采樣下行多普勒等信息。地面測控設(shè)備通過對應(yīng)答機(jī)測量值和地面站測量值進(jìn)行綜合計(jì)算完成測量[5]。假設(shè)擴(kuò)頻偽碼速率為RPN，則有時(shí)延

在對接中測出的時(shí)延對應(yīng)的是距離零值：

擴(kuò)頻非相干偽碼測距時(shí)序圖如圖4所示。

圖4 擴(kuò)頻非相干偽碼測距時(shí)序圖

3 異地對接的同步

測控系統(tǒng)正確接收、解調(diào)和測量信號，需要應(yīng)答機(jī)和地面測控設(shè)備的協(xié)同工作，然而，根據(jù)圖3，我們發(fā)現(xiàn)，由于異地對接系統(tǒng)工作異地異時(shí)，測試信號經(jīng)過異地對接系統(tǒng)存在模擬信號和數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換過程，并且數(shù)字信號通過IP通信網(wǎng)傳輸，傳輸時(shí)延無法準(zhǔn)確控制、預(yù)測和獲得，這個(gè)時(shí)延可能會長達(dá)數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天，此外為了靈活安排試驗(yàn)時(shí)間，應(yīng)答機(jī)和測控設(shè)備的工作時(shí)間也并不一定能保證協(xié)調(diào)一致。結(jié)合圖4可知，對于擴(kuò)頻非相干測量體制而言，由于異地對接系統(tǒng)無法按照常規(guī)方法直接建立實(shí)時(shí)上、下行鏈路，因而信號往返時(shí)延不能直接采樣獲得。針對異地對接系統(tǒng)引入的信號時(shí)延不確定的問題，我們研究了在測量距離零值時(shí)獲得異地對接同步的方法，以確保異地對接的有效性。

異地對接同步包括應(yīng)答機(jī)端記錄和回放的同步，以及測控設(shè)備端記錄和回放的同步，下面分別進(jìn)行論述。

3.1 應(yīng)答機(jī)端記錄和回放的同步

在異地對接過程中，處于應(yīng)答機(jī)一端的異地對接系統(tǒng)需要回放從測控設(shè)備端傳來的上行信號，并同時(shí)記錄應(yīng)答機(jī)發(fā)射的下行信號。為了準(zhǔn)確記錄測試信號在模擬傳輸過程中的時(shí)延，我們研究了上行信號回放時(shí)刻和下行信號采樣時(shí)刻的同步方法。

3.1.1 時(shí)鐘同步

由于存在數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換過程，因此回放單元和記錄單元的采樣時(shí)鐘不同步，將引起回放和記錄信號的不同步[6]。為此，回放單元和記錄單元的時(shí)鐘由同一頻率合成器和時(shí)鐘分配器提供[7]，從而保證回放和記錄的采樣時(shí)刻同步，如圖5所示。

圖5 時(shí)鐘同步設(shè)計(jì)框圖

3.1.2 觸發(fā)同步

我們知道，數(shù)字通信是以數(shù)據(jù)塊的形式傳遞和處理的，D/A轉(zhuǎn)換和A/D采樣的觸發(fā)時(shí)刻不同，會引起數(shù)據(jù)塊在時(shí)間上不能嚴(yán)格對齊，帶來時(shí)延測量誤差[8]。為此，需要通過同步觸發(fā)信號發(fā)生器產(chǎn)生兩路同步觸發(fā)信號，同步使能D/A和A/D轉(zhuǎn)換過程。

同步觸發(fā)信號發(fā)生器包括單片機(jī)和FPGA等器件[9]，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。單片機(jī)是觸發(fā)信號發(fā)生器的控制核心，可根據(jù)用戶要求選擇不同的觸發(fā)方式；FPGA根據(jù)控制邏輯，生成多路同步觸發(fā)信號，使能回放單元和記錄單元，完成觸發(fā)同步。

圖6 同步觸發(fā)信號發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖

在這個(gè)過程中，雖然ADC和DAC的采樣時(shí)鐘由同一頻綜提供，但由于模數(shù)轉(zhuǎn)換速率和數(shù)模轉(zhuǎn)換速率的不一致(假設(shè)fADC＝56MHz，fDAC＝224MHz，同步觸發(fā)信號仍會引起回放和采樣時(shí)刻的不一致，如圖7所示。因此，生成同步觸發(fā)信號的邏輯控制中還需要考慮采樣時(shí)鐘，以保證回放單元和采樣單元的同步觸發(fā)工作時(shí)刻準(zhǔn)確對齊[10，11]。

綜上，應(yīng)答機(jī)端異地對接系統(tǒng)的回放單元和采樣單元的同步，可以保證回放信號時(shí)刻與記錄信號時(shí)刻對齊，從而準(zhǔn)確記錄測試信號在應(yīng)答機(jī)端模擬傳輸時(shí)的時(shí)延。同步原理如圖8所示。

圖7 觸發(fā)信號與時(shí)鐘的關(guān)系示意圖

圖8 應(yīng)答機(jī)端異地對接系統(tǒng)記錄和回放單元同步原理示意圖

3.2 測控設(shè)備端記錄和回放的同步

在異地對接過程中，測控設(shè)備發(fā)射上行信號和接收下行信號之間可能存在一個(gè)長達(dá)數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天的不確定時(shí)延，導(dǎo)致無法實(shí)時(shí)進(jìn)行上行外測信號與下行外測信號的比對和處理。為此，本文設(shè)計(jì)了測控設(shè)備發(fā)射兩次上行外測信號的方法，具體過程如下：

①測控設(shè)備第一次發(fā)射上行外測信號，由同步單元根據(jù)指定的同步幀脈沖產(chǎn)生觸發(fā)信號，觸發(fā)測控設(shè)備端異地對接系統(tǒng)上行鏈路的記錄單元，記錄上行外測信號；

②數(shù)據(jù)經(jīng)過異地對接系統(tǒng)上、下行鏈路，在一個(gè)不確定的時(shí)延后，傳回測控設(shè)備端異地對接系統(tǒng)下行鏈路的回放單元；

③測控設(shè)備第二次發(fā)射上行外測信號，同步設(shè)備獲取同一個(gè)指定的同步幀脈沖，觸發(fā)啟動測控設(shè)備端異地對接系統(tǒng)下行鏈路的回放單元，回放下行外測信號。

可見，這里利用測控設(shè)備與測控設(shè)備端異地對接系統(tǒng)距離很近、鏈路穩(wěn)定的特點(diǎn)，采用地面測控設(shè)備兩次發(fā)射上行信號的方法消除了信號往返傳輸時(shí)延不確定帶來的影響，如圖9所示。

圖9 測控設(shè)備端異地對接系統(tǒng)記錄和回放同步原理示意圖

為保證異地外測對接的可行性，測控設(shè)備兩次發(fā)射的上行外測信號應(yīng)完全相同，包括信號結(jié)構(gòu)、頻率、內(nèi)容等的一致。至于信號記錄和回放單元的模數(shù)轉(zhuǎn)換速率和數(shù)模轉(zhuǎn)換速率不一致的問題，解決方法與應(yīng)答機(jī)端記錄和回放同步相一致，這里不再重復(fù)敘述。

4 異地對接測距方法及分析

4.1 測距方法

根據(jù)前文敘述的擴(kuò)頻非相干測量體制和異地對接同步方法，我們可以在異地對接中消除信號往返傳輸時(shí)延的不確定性。異地對接測量時(shí)序圖如圖10所示，測距方法如下：

圖10 異地對接測量時(shí)序示意圖

①測控設(shè)備第一次發(fā)射上行外測信號，由同步單元根據(jù)指定的同步幀脈沖產(chǎn)生觸發(fā)信號，觸發(fā)啟動測控設(shè)備端異地對接系統(tǒng)上行鏈路的記錄單元，開始記錄上行信號；

②上行信號經(jīng)過異地對接系統(tǒng)上行鏈路，傳輸?shù)綉?yīng)答機(jī)端異地對接系統(tǒng)；

③同步觸發(fā)信號發(fā)生器產(chǎn)生同步觸發(fā)脈沖，使能應(yīng)答機(jī)端異地對接系統(tǒng)的回放單元和記錄單元，同步回放上行信號、記錄下行信號；

④應(yīng)答機(jī)接收上行信號后，進(jìn)行擴(kuò)頻非相干測量，并發(fā)送下行信號；

⑤下行信號經(jīng)過異地對接系統(tǒng)下行鏈路，傳回測控設(shè)備端異地對接系統(tǒng)；

⑥測控設(shè)備第二次發(fā)射和第一次完全一樣的上行外測信號，同步單元獲取同一個(gè)指定的同步幀脈沖，觸發(fā)啟動測控設(shè)備端異地對接系統(tǒng)下行鏈路的回放單元，回放下行外測信號；

⑦測控設(shè)備獲得下行信號，進(jìn)行擴(kuò)頻非相干測量，通過對應(yīng)答機(jī)測量值和地面站測量值進(jìn)行綜合計(jì)算，完成測量距離零值的過程。

可見，異地對接同步后，在地面站測控設(shè)備第二次發(fā)射上行信號時(shí)，測控設(shè)備端異地對接設(shè)備下行鏈路回放單元回放的下行信號，只包含信號在應(yīng)答機(jī)端為模擬狀態(tài)時(shí)的傳輸時(shí)延，并且回放時(shí)刻與地面站測控設(shè)備第一次發(fā)射時(shí)的記錄時(shí)刻保持相對同步，有Φ′up1＝Φup1，則有信號時(shí)延

它所對應(yīng)的距離零值為

將其與第2節(jié)中擴(kuò)頻非相干測量的測距公式相比，顯然，異地對接沒有影響到擴(kuò)頻非相干測量體制的解算過程，保證了異地對接的有效性。

4.2 測距誤差

對比圖4和圖10可以看出，異地對接過程中應(yīng)答機(jī)端記錄和回放的同步，以及測控設(shè)備端記錄和回放的同步，都會引入信號同步時(shí)延誤差。這個(gè)同步誤差主要包括產(chǎn)生多路同步觸發(fā)脈沖的同步誤差Δt1和地面測控設(shè)備兩次發(fā)射上行信號記錄和回放觸發(fā)脈沖的同步誤差Δt2。此時(shí)，信號時(shí)延

距離零值

由于同步誤差主要是由硬件電路引入的處理時(shí)延，因此其精度可以達(dá)到亞納秒量級[9]。假設(shè)擴(kuò)頻偽碼速率RPN＝10MHz，同步時(shí)延Δt1＝Δt2＝1ns，則有測距誤差

可見，異地對接測量方法完全可以滿足現(xiàn)有對接測試要求。

5 結(jié)束語

本文提出一種能夠有效提高對接試驗(yàn)效率的異地對接方法。針對擴(kuò)頻非相干測量體制，研究了異地對接同步方法，消除了信號往返鏈路傳輸時(shí)延不確定性對距離零值測量的影響，保證了異地對接的有效性。關(guān)于信號通過異地對接系統(tǒng)后引入的噪聲及其影響等問題，將在后續(xù)工作中進(jìn)行詳細(xì)探討。

[1] 萬永倫.應(yīng)答機(jī)技術(shù)研究與展望[J].電訊技術(shù)，2009，49(6)：102～106.

[2] 李 鐵.基于模擬器的測控系統(tǒng)聯(lián)調(diào)方法研究[J].海上靶場學(xué)術(shù)，2010，(9)：17～25.

[3] 曹志宇，季 剛，李 贊，等.螢火一號火星探測器星地測控對接試驗(yàn)技術(shù)[J].上海航天，2013，30(4)：220～225. [4] 許曉冬，陳 曉，吳繼峰，等.星地測控對接手段探析[J].航天器工程，2008，17(2)：48～52.

[5] 劉云飛，章 銳，劉 彬，等.衛(wèi)星擴(kuò)頻測控相干與非相干測量機(jī)制研究[J].無線電工程，2007，37(7)：28～34.

[6] 譚 震，蔣洪明.數(shù)據(jù)采集中觸發(fā)同步和精確定時(shí)的實(shí)現(xiàn)[J].自動化儀表，1998，19(5)：8～9.

[7] Analog Device.AD9518-0：6-Output Clock Generator with Integrated 2.8 GHz VCO Data Sheet.[EB/OL].(2012-01) [2014-05-12].http：//www.analog.com/zh/clock-and-timing/clock-generation-and-distribution/ad9518-0/products/ product.html.

[8] 張成遷.高速數(shù)據(jù)采集回放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都：國防科技大學(xué)，2009.

[9] 馮元偉，馮宗明.基于FPGA和單片機(jī)的多通道同步觸發(fā)信號發(fā)生器[J].信息與電子工程，2012，10(1)：110～113.

[10] Analog Device.AD9238：12-Bit，20/40/65 MSPSDual A/D Converter Data Sheet.[EB/OL].(2010-11)[2014-05-12].http：//www.analog.com/zh/analog-to-digital-converters/ad-converters/ad9238/prod-ucts/product.html.

[11] Analog Device.AD9776/AD9778/AD9779：Dual 12-/14-/16-Bit，1 GSPS，Digital-to-Analog Converters Data Sheet. [EB/OL].(2007-03)[2014-05-12].http：//www.analog.com/zh/digital-to-analog-converters/high-speed-daconverters/ad9779/products/product.html.

Research on Ranging Method of Off-Site Compatibility Test for TT＆C System

Zhao Jiang， YangWenge， Cheng Yanhe

Tomeet the needs of TT＆C system compatibility test，based on the non-coherentmodes of spread-spectrum TT＆C system，a rangingmethod of off-site compatibility test is proposed.For the problem of the uncertainty of signal delay，a newmethod of synchronization of the off-site compatibility test system is studied in this paper，including the clock synchronization，hardware triggers，and themethod of twice transmitting uplink signal from the ground TT＆C station.The rangingmethod and its accuracy of off-site compatibility test are analyzed，in order to achieve the desired purpose.

TT＆C system； Compatibility test； Off-site； Non-coherent； Synchronization

TN79；V526

A

CN11-1780(2014)05-0067-07

趙 江 1989年生，碩士，主要研究方向?yàn)楹教鞙y控和數(shù)字信號處理。

2014-04-02 收修改稿日期：2014-05-27

楊文革 1966年生，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楹教鞙y控和現(xiàn)代數(shù)字信號處理。

程艷合 1987年生，博士，主要研究方向?yàn)楹教鞙y控技術(shù)、空間飛行器測控與通信系統(tǒng)。