郭肅麗

(1.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；

2.CETC航天信息應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081)

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厘米級(jí)擴(kuò)頻測(cè)距系統(tǒng)自校準(zhǔn)鏈路分析

郭肅麗1，2

(1.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；

2.CETC航天信息應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081)

摘要針對(duì)未來遙感、導(dǎo)航等衛(wèi)星對(duì)地面測(cè)控設(shè)備的距離測(cè)量精度由米級(jí)提高到厘米級(jí)這一問題，簡(jiǎn)要介紹了航天測(cè)控常用的距離零值標(biāo)校方案，并量化分析了天線和模擬信道設(shè)備引入的距離零值變化，認(rèn)為必須引入與工作鏈路同時(shí)工作的距離零值自校準(zhǔn)鏈路。針對(duì)擴(kuò)頻測(cè)距系統(tǒng)對(duì)自校準(zhǔn)鏈路的信號(hào)形式進(jìn)行了討論，并對(duì)工作信號(hào)電平與自校準(zhǔn)鏈路信號(hào)電平之間的相互影響進(jìn)行了理論分析及仿真，認(rèn)為自校準(zhǔn)鏈路信號(hào)電平低于工作信號(hào)電平10 dB是一個(gè)較優(yōu)的選擇。

關(guān)鍵詞擴(kuò)頻測(cè)控；自校準(zhǔn)鏈路；厘米級(jí)測(cè)距；距離零值

Analysis on Self-calibration Links of DSSS Centimeter-level Ranging Systems

GUO Su-li1,2

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China；2.CETCKeyLabratoryofSpaceInformationApplicationTechnology，ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractWith the performance development of remote sensing satellite systems and navigation satellite systems,the demand on TT&C ranging precision is improved from meter-level to centimeter-level.The range zero value calibration methods usually used in TT&C are introduced briefly,and the variation of range zero value introduced by antenna and analog channel equipment is analyzed quantitatively.And it is concluded that real-time self-calibration links should be introduced.For DSSS ranging systems,the signal form and signal level of self-calibration links are discussed.The conclusion is that a self-calibration signal level 10 dB lower than the working signal is a better choice.

Key wordsDSSS TT&C;self-calibration link;centimeter-level ranging precision;range zero value

0引言

目前，地面測(cè)控設(shè)備的測(cè)距精度一般為米量級(jí)，隨著遙感衛(wèi)星對(duì)地面觀測(cè)精度的提高，對(duì)地面測(cè)控設(shè)備的測(cè)距精度可能需要提高到厘米量級(jí)。

將地面測(cè)控設(shè)備測(cè)距精度提高到厘米量級(jí)，需要從隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差2個(gè)方面進(jìn)行考慮。降低測(cè)距隨機(jī)誤差可以采取提高處理信號(hào)信噪比、減小輸出帶寬和增加測(cè)量信號(hào)帶寬等手段，本文暫不做進(jìn)一步討論。單就系統(tǒng)誤差來說，目前的測(cè)距系統(tǒng)一般是在工作前對(duì)設(shè)備距離零值進(jìn)行標(biāo)定，工作期間不再做實(shí)時(shí)標(biāo)定，這樣，距離零值測(cè)量誤差及距離零值在工作期間的漂移成為測(cè)距系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差。

擴(kuò)頻系統(tǒng)由于具有一定的抗干擾抗截獲能力、碼分多址能力、兼顧較高測(cè)距精度與較大的無模糊距離的能力等優(yōu)點(diǎn)[1,2]，目前被較多地應(yīng)用于航天測(cè)控系統(tǒng)。本文針對(duì)擴(kuò)頻測(cè)控系統(tǒng)中的系統(tǒng)誤差，首先介紹了距離零值標(biāo)校方案，具體分析了地面測(cè)控系統(tǒng)中信道設(shè)備引入的測(cè)距系統(tǒng)誤差，并提出利用自校準(zhǔn)鏈路完成信道設(shè)備距離零值的實(shí)時(shí)標(biāo)校；探討了自校準(zhǔn)鏈路設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的一些問題，并對(duì)自校準(zhǔn)設(shè)備引入的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差做了較為深入的分析。

1距離零值標(biāo)定及自校準(zhǔn)鏈路構(gòu)成

無線電測(cè)距系統(tǒng)中，距離零值的標(biāo)定精度直接影響著最終的測(cè)距精度，因此是一項(xiàng)很重要的工作。

常用的距離零值標(biāo)定方案有：標(biāo)校塔距離零值標(biāo)定、偏饋天線距離零值標(biāo)定[3,4]和射頻有線距離零值標(biāo)定。

標(biāo)校塔距離零值標(biāo)定只能在系統(tǒng)對(duì)星工作前進(jìn)行，無法實(shí)時(shí)監(jiān)視設(shè)備鏈路帶來的距離零值的變化。

偏饋天線距離零值標(biāo)定方案和射頻有線距離零值標(biāo)定方案則可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地面測(cè)控設(shè)備鏈路時(shí)延的變化，均可以看做是測(cè)控系統(tǒng)引入了距離零值自校準(zhǔn)鏈路，在設(shè)備對(duì)星工作的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備零值的實(shí)時(shí)標(biāo)定。圖1中二選一選擇開關(guān)如果選擇虛線輸出，則為射頻有線距離零值標(biāo)定，否則為偏饋天線距離零值標(biāo)定。

圖1　距離零值自校準(zhǔn)鏈路構(gòu)成

偏饋天線距離零值標(biāo)定[3]可以實(shí)現(xiàn)包括“測(cè)距終端→發(fā)射分系統(tǒng)→天線→高頻接收分系統(tǒng)→測(cè)距終端”整個(gè)地面測(cè)控設(shè)備環(huán)路的標(biāo)校，但是由于電磁波傳播的近場(chǎng)影響，測(cè)量結(jié)果有一定偏差，目前得到的精度一般在米量級(jí)。

射頻有線距離零值標(biāo)定無法完成高功放耦合口→天線→低噪放耦合口路徑信號(hào)時(shí)延的標(biāo)校，只能實(shí)現(xiàn)包含“測(cè)距終端→發(fā)射分系統(tǒng)→高頻接收分系統(tǒng)→測(cè)距終端”在內(nèi)鏈路的有線射頻部分零值的標(biāo)校，但是可以實(shí)現(xiàn)較高精度的零值測(cè)量。

在高精度測(cè)距系統(tǒng)中，3種零值標(biāo)校方案可以互相補(bǔ)充，互相驗(yàn)證。

2設(shè)備鏈路對(duì)測(cè)距精度的影響

2.1天線引入的距離零值變化

天線部分對(duì)系統(tǒng)測(cè)距精度的影響主要包括2個(gè)方面：① 天線相位中心相對(duì)于大地參考點(diǎn)的偏差；② 溫度變化對(duì)饋源網(wǎng)絡(luò)的影響。第①項(xiàng)指由于環(huán)境溫度變化、基礎(chǔ)形變、風(fēng)載荷影響、自身重力載荷影響、結(jié)構(gòu)件老化形變和天線俯仰角變化等因素導(dǎo)致天線相位中心的變化，進(jìn)而使得天線相位中心參照于大地參考點(diǎn)產(chǎn)生偏差。第②項(xiàng)指由于環(huán)境溫度變化，使饋源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其器件發(fā)生形變而導(dǎo)致的饋源網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的變化。

饋源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，電磁波在其中傳輸會(huì)遇到各種反射和耦合作用。當(dāng)溫度變化時(shí)，饋源網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)形變很難進(jìn)行定量分析計(jì)算?？刹捎脺刈?cè)囼?yàn)的方法進(jìn)行分析。將待測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)放置在溫箱內(nèi)，調(diào)節(jié)溫箱溫度，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀實(shí)時(shí)測(cè)量不同頻率饋源網(wǎng)絡(luò)隨溫度變化的時(shí)延值或相位值。

根據(jù)某實(shí)測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)溫度由-40～60 ℃變化時(shí)，饋源網(wǎng)絡(luò)中有/無濾波器是的群時(shí)延變化分別為0.04 ns/0.09 ns，分別對(duì)應(yīng)距離值1.2 m/2.7 m。可見，濾波器是造成饋源網(wǎng)絡(luò)時(shí)延變化幅度較大的主要因素。在工程應(yīng)用中，一方面采取措施使濾波器工作環(huán)境溫度相對(duì)恒定，一方面可以通過自校準(zhǔn)鏈路完成饋源網(wǎng)絡(luò)距離零值的實(shí)時(shí)標(biāo)校。

2.2模擬信道設(shè)備引入的距離零值變化

把模擬信道設(shè)備定義為測(cè)距信號(hào)經(jīng)過的(除天線外的)模擬設(shè)備通道，包括發(fā)射信道、高頻接收信道以及數(shù)字基帶測(cè)距終端的模擬收發(fā)電路部分。模擬信道的群時(shí)延會(huì)由于環(huán)境溫度變化、接收信號(hào)的多普勒頻移、信號(hào)電平變化以及元器件老化等原因發(fā)生變化。模擬信道設(shè)備引入距離零值變化的主要因素有：濾波器群時(shí)延變化[5,6]、放大器非線性、電纜長(zhǎng)度隨溫度的變化特性。

2.2.1濾波器

濾波器群時(shí)延的變化分為2種:① 群時(shí)延曲線形狀的變化：對(duì)于擴(kuò)頻測(cè)控系統(tǒng)而言，影響測(cè)距零值的是信號(hào)帶寬內(nèi)群時(shí)延曲線的綜合反映，群時(shí)延曲線的非線性將降低接收信號(hào)的載噪比，進(jìn)而加大測(cè)距隨機(jī)誤差。器件群時(shí)延曲線形狀的變化特性難以預(yù)知,與外部環(huán)境和元件老化有直接關(guān)系。② 群時(shí)延大小的變化。在某工程[1]中曾經(jīng)做過長(zhǎng)時(shí)間的系統(tǒng)距離穩(wěn)定性考核，在24 h內(nèi)，環(huán)境溫度從5 ℃變到45 ℃，距離均值變化達(dá)到1.187 m。

2.2.2放大器

放大器包括模擬信道中的中頻放大器和射頻放大器。在高精度測(cè)距系統(tǒng)中，放大器的非線性也是引入測(cè)距誤差的主要因素之一。

帶通飽和放大器可以用一個(gè)無記憶非線性器件后接一個(gè)帶通濾波器來進(jìn)行建模。若輸入信號(hào)為[7]：

x(t)=a(t)cos[ωt+φ(t)]，

非線性放大輸出后為：

y(t)=f[a(t)]cos {ωt+φ(t)+g[a(t)]}。

式中，f(·)和g(·)分別表示非線性器件的幅度-幅度(AM-AM)和幅度-相位(AM-PM)的傳遞特性，也可以認(rèn)為是幅度和相位畸變。信號(hào)經(jīng)過非線性功放后，信號(hào)功率譜會(huì)發(fā)生明顯擴(kuò)展，產(chǎn)生碼間干擾，使接收測(cè)距偽碼的相關(guān)峰值降低，從而加大測(cè)距隨機(jī)誤差。一方面，保證信號(hào)工作在放大器的線性區(qū)是減小放大器引入測(cè)距誤差的根本途徑；另一方面，自校準(zhǔn)鏈路也可以監(jiān)視包含放大器引入的距離零值的變化。

2.2.3電纜

以工程中常用ANDREW電纜為例。在-40～20 ℃電纜電長(zhǎng)度變化與溫度近似為線性關(guān)系，近似可以認(rèn)為溫度變化1 ℃，電纜的電長(zhǎng)度變化為6 ppm。假設(shè)電纜的電長(zhǎng)度為1 km，溫度變化范圍為10 ℃，則由于溫度變化引入的電纜電長(zhǎng)度變化為6 cm。因此，一方面考慮采取電纜深埋方式，減小電纜溫度變化；另一方面，亦可采用自校準(zhǔn)鏈路對(duì)電纜時(shí)延變化進(jìn)行實(shí)時(shí)標(biāo)校。

綜上，天線及模擬信道設(shè)備直接影響測(cè)距系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差。為了降低誤差，應(yīng)盡量做到：① 增加信道帶寬，減小群時(shí)延及其變化；② 設(shè)計(jì)信號(hào)大小使系統(tǒng)工作在線性范圍；③ 采取溫度控制措施。在采取以上各項(xiàng)措施的基礎(chǔ)上，仍舊需要采用自校準(zhǔn)鏈路，完成系統(tǒng)距離零值的實(shí)時(shí)標(biāo)定。

3自校準(zhǔn)鏈路設(shè)計(jì)及性能分析

3.1標(biāo)校信號(hào)的選擇

標(biāo)校信號(hào)的選擇考慮2個(gè)方面：信號(hào)形式和信號(hào)帶寬。對(duì)于擴(kuò)頻測(cè)距系統(tǒng)，標(biāo)校信號(hào)形式初步考慮以下2種方案：

① 直接利用發(fā)射偽碼信號(hào)作為標(biāo)校信號(hào)，這樣標(biāo)校信號(hào)與測(cè)量信號(hào)同帶寬，標(biāo)校信號(hào)的時(shí)延波動(dòng)直接反映測(cè)量信號(hào)設(shè)備零值的時(shí)延波動(dòng)，但是必須注意發(fā)射偽碼與接收偽碼之間的碼間干擾對(duì)測(cè)距零值的影響。該方案由于信號(hào)帶寬受限于測(cè)量信號(hào)帶寬，所以要想獲得較高的測(cè)量精度，可能需要較長(zhǎng)的檢測(cè)時(shí)間，同時(shí)或多或少會(huì)對(duì)測(cè)量信號(hào)造成干擾。

② 利用較測(cè)量偽碼帶寬寬得多的頻率梳信號(hào)，對(duì)測(cè)量信號(hào)設(shè)備零值的群時(shí)延特性進(jìn)行擬合。該方案由于信號(hào)帶寬較寬，更容易獲得很高的測(cè)量精度。但是，該方案要求改造原設(shè)備使之增加信道帶寬，而且，由于標(biāo)校信號(hào)帶寬和測(cè)量信號(hào)帶寬不一致，必須要求信道內(nèi)群時(shí)延一致性良好，而且需要考察帶寬不一致情況下信道群時(shí)延測(cè)量結(jié)果的一致性。

3.2標(biāo)校信號(hào)電平的確定

針對(duì)第1種方案，標(biāo)校信號(hào)與設(shè)備實(shí)際接收信號(hào)相互之間的多址干擾經(jīng)干擾抑制算法后，其相互影響可以通過等效載噪比來衡量[8,9]。設(shè)Cs為系統(tǒng)接收到的衛(wèi)星返回的測(cè)距信號(hào)功率(簡(jiǎn)稱衛(wèi)星信號(hào))，Cc為自校準(zhǔn)鏈路標(biāo)校信號(hào)功率(簡(jiǎn)稱標(biāo)校信號(hào))，N0為噪聲功率譜密度，Q為抗干擾因子(對(duì)于BPSK信號(hào)，Q=1.5)，Rpn為偽碼速率，則衛(wèi)星接收信號(hào)的等效載噪比可以計(jì)算為：

在本項(xiàng)目中偽碼速率Rpn=10.23 Mcps，可以計(jì)算出不同衛(wèi)星信號(hào)功率與標(biāo)校信號(hào)功率之比情況下，標(biāo)校信號(hào)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)載噪比的影響以及衛(wèi)星信號(hào)對(duì)標(biāo)校信號(hào)載噪比的影響，如圖2所示。

圖2　標(biāo)校信號(hào)與衛(wèi)星信號(hào)之間的相互影響

通過圖2可以看出：同樣的衛(wèi)星信號(hào)與標(biāo)校信號(hào)功率之比，信號(hào)功率越高，相互影響越大。采用標(biāo)校信號(hào)功率較衛(wèi)星信號(hào)功率低10 dB是一個(gè)較好的選擇。例如，衛(wèi)星信號(hào)和干擾信號(hào)的載噪比分別為55 dBHz和45 dBHz，衛(wèi)星信號(hào)載噪比損失約為0.01 dB，標(biāo)校信號(hào)信噪比損失約為0.1 dB。

3.3標(biāo)校信號(hào)高精度時(shí)延測(cè)量

標(biāo)校信號(hào)較衛(wèi)星信號(hào)信噪比更加微弱，但標(biāo)校信號(hào)處理精度要求更高，同時(shí)標(biāo)校信號(hào)動(dòng)態(tài)很小，所以可以采用開環(huán)信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)標(biāo)校信號(hào)的距離測(cè)量。

利用開環(huán)方法實(shí)現(xiàn)測(cè)距的隨機(jī)誤差理論計(jì)算公式為[1]：

圖3　不同情況下的標(biāo)校信號(hào)的距離測(cè)量精度

3.4自校準(zhǔn)鏈路與工作信道不一致帶來的誤差

此外，還應(yīng)該注意自校準(zhǔn)鏈路與工作信道狀態(tài)不一致帶來的標(biāo)校誤差，該誤差為系統(tǒng)誤差。

在鏈路設(shè)計(jì)時(shí),首先應(yīng)減少標(biāo)校時(shí)引入的射頻部件,必須引入時(shí),需要考核引入部件的指標(biāo)，引入的射頻部件盡量采用寬帶設(shè)計(jì)。具體措施包括：

① 采用寬帶校零變頻器、耦合器；

② 將校零變頻器和電纜放置于恒溫裝置中，減小環(huán)境溫度變化引起的校零設(shè)備時(shí)延波動(dòng)；

③ 定期進(jìn)行校零變頻器和電纜時(shí)延的測(cè)量，減小由于器件老化引入的時(shí)延變化。

4結(jié)束語

在擴(kuò)頻測(cè)距系統(tǒng)中，將發(fā)射偽碼經(jīng)自校準(zhǔn)鏈路環(huán)回，完成設(shè)備零值的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)距的一種必要手段。通過采用多址對(duì)消、干擾功率控制及高精度開環(huán)距離測(cè)量技術(shù)，可以將校零方法引入的誤差限制在1cm以內(nèi)。

此外，還應(yīng)該采用措施盡量使自校準(zhǔn)鏈路與工作信道一致，不一致部分需要采取恒溫等措施使其保持時(shí)延穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)

[1]耿虎軍.系統(tǒng)群時(shí)延特性對(duì)偽碼測(cè)距影響的研究[J].無線電工程，2004，34(11)：27-29.

[2]楊萬君，伍濱，王旭寧.一種擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].無線電通信技術(shù)，2013，39(3)：17-19,49.

[3]吳偉仁，董光亮，李海濤.深空測(cè)控通信系統(tǒng)工程與技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2013.

[4]張晏旭.車載測(cè)控設(shè)備距離零值無塔標(biāo)校[J].電子世界，2012(9)：48-49.

[5]錢世杰,帥濤,李國(guó)通.濾波器群時(shí)延特性對(duì)偽距測(cè)量的影響[J].遙測(cè)遙控,2012，33(5)：41-46.

[6]朱峰，李孝輝，王國(guó)永.濾波器群時(shí)延分析及其對(duì)導(dǎo)航信號(hào)的影響[J].電子測(cè)量技術(shù),2013，36(5)：54-57.

[7]袁剛，邵晶.非線性功放對(duì)數(shù)字通信影響的仿真分析[J].電子工程師,2008,34(9)：7-10.

[8]WARDPW.GPSReceiverRFinterfer-enceMonitoring,Mitigation,andAnalysisTechniques[J].NAVIGATION,JournaloftheInstitudeofNavigation,1994,41(4):367-391.

[9]張?chǎng)?，李垣陵，肖志斌，?信道模擬系統(tǒng)動(dòng)態(tài)零值在線標(biāo)校方法[J].中國(guó)空間科學(xué)技術(shù),2013(3)：57-63.

郭肅麗女，(1972—)，高級(jí)工程師。主要研究方向：航天測(cè)控新技術(shù)研究及應(yīng)用。

作者簡(jiǎn)介

中圖分類號(hào)TN923

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1003-3106(2016)02-0044-04

收稿日期：2015-11-12

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.02.11

引用格式：郭肅麗.厘米級(jí)擴(kuò)頻測(cè)距系統(tǒng)自校準(zhǔn)鏈路分析[J].無線電工程，2016，46(2)：44-47.