李 強(qiáng), 陶華堂

(中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部, 江蘇 江陰 214400)

音碼混合測(cè)距在深空探測(cè)中的應(yīng)用研究

李 強(qiáng), 陶華堂

(中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部, 江蘇 江陰 214400)

深空探測(cè)具有目標(biāo)距離遠(yuǎn)、信號(hào)往返時(shí)延大和信號(hào)微弱等特點(diǎn), 純側(cè)音測(cè)距和偽碼測(cè)距無(wú)法滿足深空測(cè)距的需求；提出了一種適用于深空探測(cè)的音碼混合測(cè)距方法，詳細(xì)分析了測(cè)距信號(hào)發(fā)送、接收時(shí)序，對(duì)由于超遠(yuǎn)距離、超大時(shí)延引起的測(cè)距信號(hào)返回時(shí)間預(yù)報(bào)偏差較大，采取有效的保護(hù)措施，減小測(cè)距信號(hào)返回時(shí)間預(yù)報(bào)偏差，避免距離匹配出錯(cuò)；闡述了距離捕獲、解模糊和跟蹤的過(guò)程，充分考慮了音碼相位進(jìn)周問(wèn)題，提出了改進(jìn)措施，提高了距離測(cè)量值的準(zhǔn)確性；分析估算了測(cè)距精度和距離捕獲時(shí)間，分析結(jié)果表明文章提出的音碼混合測(cè)距方案具有較高的測(cè)距精度，較短的距離捕獲時(shí)間；最后在由DSP和FPGA構(gòu)建的全數(shù)字化控制平臺(tái)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，與純側(cè)音測(cè)距相比，音碼混合測(cè)距精度更高，測(cè)距值更穩(wěn)定。

音碼測(cè)距；深空探測(cè)；距離捕獲；距離跟蹤

0 引言

為充分利用空間資源、探索宇宙的起源和演化，尋求社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，人類積極開(kāi)展深空探測(cè)活動(dòng)。國(guó)家將“探月工程”列為中長(zhǎng)期科技發(fā)展重大專項(xiàng)，成功發(fā)射了“嫦娥號(hào)”系列探測(cè)衛(wèi)星，進(jìn)行月球探測(cè)活動(dòng)，并將陸續(xù)展開(kāi)其他行星的探測(cè)活動(dòng)。目標(biāo)器的跟蹤、測(cè)量、遙測(cè)、遙控、通信主要由地面測(cè)控系統(tǒng)完成，而距離測(cè)量是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)器遙測(cè)遙控、通信的基礎(chǔ)。目前用于深空測(cè)距的方法有脈沖雷達(dá)測(cè)距和統(tǒng)一載波測(cè)距。脈沖雷達(dá)由于峰值功率受限，作用距離受到限制，且測(cè)速精度不高，也不能同時(shí)傳輸其他數(shù)據(jù)，在深空探測(cè)時(shí)應(yīng)用較少。統(tǒng)一載波測(cè)距是將一定形式的測(cè)距信號(hào)調(diào)制在連續(xù)載波上，比較接收測(cè)距信號(hào)與發(fā)射測(cè)距信號(hào)時(shí)延求得距離，其突出特點(diǎn)是存在相位模糊，所以距離解模糊是連續(xù)波測(cè)距的一個(gè)更為特殊的問(wèn)題。目前統(tǒng)一載波測(cè)距主要有純側(cè)音測(cè)距、擴(kuò)頻偽碼測(cè)距和音碼混合測(cè)距。純側(cè)音測(cè)距和偽碼測(cè)距各有優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)于純側(cè)音測(cè)距，提高側(cè)音頻率可獲得高精度的測(cè)距，且所占用的帶寬窄，捕獲快，但解相位模糊復(fù)雜；而偽碼測(cè)距無(wú)模糊距離長(zhǎng)，但要提高精度必須減小碼元寬度，使得占用帶寬增加，捕獲更加復(fù)雜，占用時(shí)間長(zhǎng)。

深空探測(cè)的突出特點(diǎn)是目標(biāo)器距離遠(yuǎn)、信號(hào)往返傳輸時(shí)延大、信號(hào)微弱。單純的側(cè)音測(cè)距和偽碼測(cè)距不能滿足測(cè)控要求。本文提出一種音碼混合測(cè)距方法，該方法對(duì)由于超遠(yuǎn)距離、超大時(shí)延引起的測(cè)距信號(hào)返回時(shí)間預(yù)報(bào)偏差較大，采取有效的保護(hù)措施，減小測(cè)距信號(hào)返回時(shí)間預(yù)報(bào)偏差，避免距離匹配出錯(cuò)。最后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，音碼混合測(cè)距精度更高。

1 深空探測(cè)特點(diǎn)分析

深空探測(cè)具有目標(biāo)距離遠(yuǎn)、信號(hào)強(qiáng)度衰減大、信號(hào)傳輸時(shí)延大、信號(hào)頻率變化范圍小等特點(diǎn)。

1.1 超遠(yuǎn)距離

與常規(guī)近地飛行器相比，深空探測(cè)目標(biāo)距離超遠(yuǎn)，例如探月的目標(biāo)飛行器飛行距離約為3 540萬(wàn)km，導(dǎo)致信號(hào)在傳輸過(guò)程中衰減量較大，地面接收到的信號(hào)信噪比較低。假設(shè)近地飛行器距離為1 000 km，探月飛行器由于距離變遠(yuǎn)產(chǎn)生的路徑損失大約為50 dB，因此地面設(shè)備必須具有對(duì)低信噪比信號(hào)捕獲跟蹤的功能。

1.2 信號(hào)往返時(shí)延大

2 音碼混合測(cè)距方案

音碼混合測(cè)距和純側(cè)音測(cè)距相比，有兩個(gè)明顯特點(diǎn)：一是音碼測(cè)距只有一個(gè)側(cè)音頻率；二是解模糊序列碼調(diào)制在側(cè)音上，距捕過(guò)程中用來(lái)解距離模糊。音碼測(cè)距分為距離捕獲、解模糊、測(cè)量3個(gè)階段，捕獲階段是完成單音的接收解調(diào)；解模糊階段是按照一定發(fā)送間隔順序發(fā)送解模糊碼，一直發(fā)送到最高的解模糊碼；測(cè)量階段是一直發(fā)送最高的解模糊碼。

2.1 測(cè)距模塊組成

音碼測(cè)距模塊主要由音碼發(fā)生器和音碼測(cè)距處理單元等模塊組成，如圖1所示。音碼發(fā)生器也稱測(cè)距信號(hào)產(chǎn)生器，主要用于生成測(cè)距信號(hào)，即正弦側(cè)音信號(hào)和序列碼信號(hào)。音碼測(cè)距處理單元通過(guò)控制測(cè)距信號(hào)產(chǎn)生器和測(cè)距信號(hào)同步器來(lái)實(shí)現(xiàn)音碼測(cè)距功能，音碼測(cè)距包括單音捕獲、音碼解模糊和測(cè)量三個(gè)階段。測(cè)距處理單元在測(cè)量階段采樣測(cè)距信號(hào)產(chǎn)生器和測(cè)距信號(hào)同步器的碼元個(gè)數(shù)差值和側(cè)音相位差值，通過(guò)解模糊并扣除飛行器和地面設(shè)備零值后計(jì)算出測(cè)量站與飛行器之間的徑向距離。

圖1 音碼測(cè)距模塊的組成框圖

2.2 信號(hào)形式

音碼混合測(cè)距信號(hào)由高頻側(cè)音fr和及其分諧波得到的序列碼rn(t)，該序列碼以調(diào)相(PM)的方式調(diào)制在側(cè)音副載波上，得到的測(cè)距副載波信號(hào)為：

(1)

式中,fr為測(cè)距側(cè)音信號(hào)(一般為正弦信號(hào))的頻率， Ktone為序列碼調(diào)制度，序列碼Cn(t)是由測(cè)距側(cè)音的諧波產(chǎn)生，是雙極性周期矩形函數(shù)，主要用來(lái)解距離模糊，其信號(hào)可表示為：

(2)

其中：Cn為第n個(gè)碼，⊕代表異或，Qi為頻率為fr/2n的方波。

碼序列也可以用遞推公式表示：

(3)

每個(gè)序列碼與高頻側(cè)音信號(hào)同步，且傳輸?shù)闹芷诠潭?，以便接收機(jī)進(jìn)行相關(guān)解調(diào)和相位對(duì)齊。測(cè)距信號(hào)通過(guò)調(diào)相體制調(diào)制在基帶主載波上，其載波信號(hào)形式為：

(4)

2.3 距離捕獲方案

基帶中頻接收單元鎖定衛(wèi)星發(fā)射的下行信號(hào)后，開(kāi)始發(fā)射上行信號(hào)，待雙捕完成后測(cè)距模塊開(kāi)始工作。音碼混合測(cè)距采用側(cè)音長(zhǎng)發(fā)、序列碼輪發(fā)的基本測(cè)距原理。測(cè)距信號(hào)發(fā)送和接收時(shí)序圖如圖2所示，首先發(fā)送單側(cè)音，側(cè)音發(fā)送的開(kāi)始時(shí)刻記為ST0，發(fā)送保持時(shí)間為T(mén)1+Tp，然后發(fā)送解模糊序列碼C1，發(fā)送保持時(shí)間從ST0+T1+Tp開(kāi)始計(jì)時(shí)，保持發(fā)送T2+Tp時(shí)間后開(kāi)始發(fā)送C2解模糊序列碼，即ST0+T1+T2+2Tp時(shí)刻開(kāi)始發(fā)送C2解模糊序列碼，以此類推，發(fā)送到C20解模糊序列碼。其中， ST0測(cè)距信號(hào)發(fā)送的起始時(shí)刻，T1為側(cè)音信號(hào)發(fā)送保持時(shí)間，T2為碼發(fā)送保持時(shí)間，Tp為信號(hào)保護(hù)間隔時(shí)間。

深空條件下，目標(biāo)距離遠(yuǎn)，信號(hào)極其微弱，空間環(huán)境影響較大，可能存在側(cè)音不能同步或者解模糊碼相關(guān)異常的情況，這時(shí)地面站需要重新進(jìn)行距捕。由于遠(yuǎn)距離而導(dǎo)致的信號(hào)往返傳輸大時(shí)延將嚴(yán)重降低距捕的效率，為了增加距捕一次性成功的概率，模糊碼發(fā)送可以根據(jù)選擇進(jìn)行多次輪發(fā)，其發(fā)送時(shí)序同前面所述。

圖2 音碼測(cè)距信號(hào)發(fā)送和接收時(shí)序圖

音碼測(cè)距捕獲處理流程圖如圖3所示。音碼測(cè)距只有一個(gè)側(cè)音頻率，僅需進(jìn)行一次側(cè)音副載波捕獲、跟蹤，解模糊碼與側(cè)音相干不需要環(huán)路跟蹤，音碼測(cè)距能快速捕獲低信噪比測(cè)距信號(hào)，T1時(shí)間長(zhǎng)短主要與完成側(cè)音副載波捕獲跟蹤時(shí)間有關(guān)；T2是解模糊碼相關(guān)的時(shí)間，其大小與測(cè)距信號(hào)信噪比和預(yù)報(bào)精度等相關(guān)聯(lián)；Tp為測(cè)距碼之間的保護(hù)時(shí)間，大小與預(yù)報(bào)精度相關(guān)聯(lián)。

圖3 音碼測(cè)距捕獲處理流程圖

音碼混合測(cè)距捕獲階段采用主音長(zhǎng)發(fā)，碼從低到高(從C1到C20)的順序輪發(fā)。從最低頻率解模糊碼(C1)開(kāi)始，按解模糊碼頻率從低到高的順序依次進(jìn)行距離匹配，對(duì)每一個(gè)解模糊碼根據(jù)其對(duì)應(yīng)的解模糊距離值L來(lái)進(jìn)行解模糊。最低解模糊碼的解模糊距離值L為距離預(yù)報(bào)值Rp(即L的初值為Rp)，其他解模糊碼的解模糊距離值L為上一個(gè)序列碼的距離輸出值。

(2)根據(jù)當(dāng)前序列碼的模糊周數(shù)ni和相位值φi，計(jì)算當(dāng)前序列碼的一個(gè)距離值Ri。

(5)

(4)將Ri作為當(dāng)前序列碼的距離輸出。

(5)更新解模糊距離值L=Ri。

(6)循環(huán)執(zhí)行120，直到主音匹配完成。

主音輸出的距離R0即為最終距離，且距離匹配結(jié)果不會(huì)為負(fù)。

2.4 距離跟蹤

距離捕獲完成后，只發(fā)主側(cè)音進(jìn)行距離測(cè)量，即通過(guò)主側(cè)音當(dāng)前相位測(cè)量值對(duì)距離進(jìn)行更新。距離跟蹤采用如下算法：

(6)

由于相位取值在0°到360°之間，考慮到相位測(cè)量值的進(jìn)周問(wèn)題，Δφn+1的取值由式(7)確定。

(7)

通過(guò)以上算法，可以不斷利用新得到的主側(cè)音相位測(cè)量值對(duì)飛行器測(cè)量的距離進(jìn)行更新，完成距離跟蹤。如果飛行器相對(duì)于測(cè)控站的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最低側(cè)音的最大無(wú)模糊距離，這時(shí)需要根據(jù)飛行器相對(duì)于測(cè)控站的距離預(yù)報(bào)值Rp對(duì)最低側(cè)音所測(cè)相位對(duì)應(yīng)的一個(gè)周期內(nèi)距離值L解距離模糊，得到無(wú)模糊空間距離值。

3 精度分析

3.1 測(cè)距誤差分析

(8)

測(cè)距隨機(jī)誤差為：

(9)

當(dāng)ft=1.0 MHz，Ktone=22.5°，s/n0=10 dBHz，雙邊環(huán)路帶寬為0.02 Hz時(shí)，音碼測(cè)距隨機(jī)誤差為0.98。

3.2 距離捕獲時(shí)間分析

距捕時(shí)間即測(cè)距捕獲時(shí)間，指從上行測(cè)距信號(hào)發(fā)送到實(shí)現(xiàn)距離跟蹤所需時(shí)間，主要包含測(cè)距信號(hào)環(huán)路鎖定、距離解模糊等時(shí)間。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，環(huán)路鎖定時(shí)間與環(huán)路帶寬成反比，即ΔT環(huán)鎖=5/BL。其中，BL為環(huán)路單邊帶寬，環(huán)路帶寬的選擇必須滿足環(huán)路信噪比大于10 dB的要求。

根據(jù)以上原則對(duì)載躁比分別為10 dB和30 dBHz時(shí)的距捕時(shí)間進(jìn)行估算，估算結(jié)果如表1所示。

表1 距離捕獲時(shí)間估算結(jié)果

4 實(shí)驗(yàn)研究

搭建基于DSP和FPGA的全數(shù)字化控制平臺(tái)，音碼測(cè)距信號(hào)的產(chǎn)生、發(fā)送、捕獲和同步處理均由系統(tǒng)自動(dòng)完成。音碼測(cè)距主側(cè)音頻率為1 MHz，載波環(huán)路帶寬為500 Hz，AGC時(shí)間常數(shù)選擇10 ms，測(cè)距雙邊環(huán)路帶寬選擇0.8 Hz，解模糊序列碼個(gè)數(shù)為20個(gè)。無(wú)人機(jī)搭載聯(lián)試應(yīng)答機(jī)，地面測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤實(shí)驗(yàn)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程均在中強(qiáng)信號(hào)條件下進(jìn)行。分別采用本文提出的音碼混合測(cè)距和傳統(tǒng)的純側(cè)音測(cè)距兩種測(cè)距體制進(jìn)行距離跟蹤。

4.1 距離捕獲時(shí)間分析

在每種距離測(cè)量體制跟蹤過(guò)程中，人為使距離跟蹤失鎖，然后進(jìn)行距離重捕，并記錄距離捕獲時(shí)間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 距離捕獲時(shí)間

根據(jù)3.2節(jié)距離捕獲時(shí)間分析原則，純側(cè)音測(cè)距距離捕獲時(shí)間理論估算值應(yīng)為15.5 s，音碼測(cè)距距離捕獲時(shí)間理論估算應(yīng)為22.5 s。實(shí)測(cè)結(jié)果略大于理論估算，是因?yàn)榇嬖诟蓴_信號(hào)和測(cè)量誤差。音碼混合測(cè)距捕獲時(shí)間比純側(cè)音測(cè)距長(zhǎng)，是因?yàn)榧儌?cè)音測(cè)距側(cè)音個(gè)數(shù)只有9個(gè)，而音碼測(cè)距解模糊碼個(gè)數(shù)為20個(gè)。

4.2 測(cè)距誤差分析

對(duì)兩種測(cè)距體制的距離測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，結(jié)果如圖4所示。

可以看出，本文提出的音碼混合測(cè)距系統(tǒng)誤差均值約為-4.4 m，且相對(duì)穩(wěn)定；而傳統(tǒng)的純側(cè)音測(cè)距系統(tǒng)誤差均值為-8.7 m，且波動(dòng)較大。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的純側(cè)音測(cè)距主音頻率為500 kHz，本文提出的音碼混合測(cè)距主音頻率為1 MHz，大大提高了距離測(cè)量精度；傳統(tǒng)的純側(cè)音測(cè)距解模糊過(guò)程復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來(lái)難度較大，使得距離測(cè)量精度降低，而音碼混合測(cè)距采用解模糊序列碼進(jìn)行距離結(jié)算，易實(shí)現(xiàn)，且距離解算精度高。

5 總結(jié)

針對(duì)深空探測(cè)存在目標(biāo)距離遠(yuǎn)、信號(hào)強(qiáng)度衰減大、信號(hào)傳輸時(shí)延大等特點(diǎn)，本文在分析純側(cè)音測(cè)距和偽碼測(cè)距的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套音碼混合測(cè)距方案，詳細(xì)分析了音碼混合測(cè)距信號(hào)的發(fā)送、接收過(guò)程和距離解算、跟蹤原理。最后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，本文提出的測(cè)距方案系統(tǒng)測(cè)距誤差較小，精度高。

圖4 測(cè)距系統(tǒng)誤差分析

[1] 成亞勇.側(cè)音測(cè)距在探月測(cè)控中的應(yīng)用.無(wú)線電工程[J],2009(6):40-41.

[2] 楊勃航,劉 巖,王 雷.提高側(cè)音測(cè)距系統(tǒng)無(wú)模糊距離的方法[J].電訊技術(shù)，2007(5):142-145.

[3] 楊建偉,王躍科,楊 俊.基于軟件無(wú)線電的近距離擴(kuò)頻測(cè)距算法[J].測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)，2006(1):60-64.

[4] 唐 軍,謝澍霖,王衛(wèi)星.航天擴(kuò)頻測(cè)控通信系統(tǒng)中偽碼測(cè)距方法及精度分析[J]. 電訊技術(shù)，2006(4):91-95.

[5] 樊昌信.通信原理教程[M].北京：電子工業(yè)出版社,2011.

Application of Tone-code Ranging in Deep Space Exploration

Li Qiang， Tao Huatang

(China Satellite Maritime Tracking and Command Department ，Jiangyin 214400, China)

The deep space exploration has extremely long-range，large delay of signal round trip，weak signal and other characteristics, pure tone ranging and PN ranging are unable to meet the demand of deep space ranging. A method of tone-code ranging that is suitable to the deep space exploration was proposed, and the transmitting and reception timing of the ranging signal was analyzed in detail. Because of the large forecast deviation of ranging signal return time caused by long-range and large delay, some effective protective measures were taken to reduce the forecast deviations of the ranging signal return time and avoid the match mistakes. The process of ranging capture and tracking were elaborated, in which the phase cycle of tone-code considered fully, and the improvement measures were proposed to improve the accuracy of range measurement. The ranging accuracy and capture time were analyzed; the results show that the tone-code Ranging proposed in paper is with higher accuracy and shorter capture time. Finally, the experiment was carried out on fully Digitized Control platform constructed by DSP and FPGA, compared with pure tone ranging, the accuracy of tone-code was higher, and range value is more stable.

tone-code ranging; deep space exploration; range capture; range tracking

2015-12-05；

2016-01-28。

李 強(qiáng)(1985-)，男，陜西彬縣人，工程師，碩士研究生，主要從事航天測(cè)控系統(tǒng)方向的研究。

1671-4598(2016)07-0017-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.07.005

V11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A