邸成良，殷娣娣

(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.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司信息通信分公司，河北 石家莊 050021)

雙通道抗模糊測(cè)距方法研究

邸成良1，殷娣娣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.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司信息通信分公司，河北 石家莊 050021)

航空航天測(cè)控系統(tǒng)中，相干測(cè)距和非相干測(cè)距均存在距離模糊問(wèn)題，限制了其有效測(cè)距范圍。針對(duì)這一問(wèn)題提出了在雙通道抗模糊測(cè)距方案，利用2個(gè)通道的測(cè)距差值解測(cè)距模糊，對(duì)測(cè)距范圍、測(cè)距精度和測(cè)距周期等指標(biāo)之間的耦合關(guān)系進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，雙通道測(cè)距方法有效地解決了測(cè)距模糊問(wèn)題，在很大程度上擴(kuò)大了測(cè)控系統(tǒng)的測(cè)距范圍。

雙通道；距離模糊；相干測(cè)距；非相干測(cè)距

0 引言

在航空航天測(cè)控系統(tǒng)中，通常需要對(duì)飛行器進(jìn)行通信、跟蹤測(cè)距測(cè)角[1]，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控飛行器的運(yùn)行狀態(tài)以及空間位置[2]。對(duì)于測(cè)控系統(tǒng)的測(cè)距功能，一般用上下行無(wú)線電信號(hào)傳播時(shí)延來(lái)確定[3]，包含相干測(cè)距與非相干測(cè)距2種方式[4]，相干測(cè)距中上下行信號(hào)相同或相似[5]，非相干測(cè)距上下行信號(hào)可以相互獨(dú)立[6]。然而，無(wú)論是哪種測(cè)距方式，在單一測(cè)距體制下，其最大不模糊的測(cè)量距離都是有限的，可將這一距離稱(chēng)為整數(shù)周期距離。當(dāng)飛行器與地面站之間距離超過(guò)這一距離后，其測(cè)距值將產(chǎn)生模糊[7]，即無(wú)法判斷實(shí)際間距包含多少個(gè)整數(shù)周期距離。為了擴(kuò)大測(cè)控系統(tǒng)的測(cè)距范圍，通常采用多個(gè)測(cè)距單元協(xié)作，確定測(cè)距整數(shù)周期數(shù)量，從而達(dá)到解測(cè)距模糊的目的。據(jù)此，解模糊策略也成為測(cè)控系統(tǒng)測(cè)距的關(guān)鍵問(wèn)題之一[8]。

由于測(cè)距系統(tǒng)中都存在測(cè)距誤差，當(dāng)前對(duì)于解算距離模糊一般都是基于優(yōu)化算法的[9]，如余數(shù)定理法、模糊函數(shù)法[10]和最小二乘法[11]等。其中，余數(shù)定理法比較簡(jiǎn)單，對(duì)于理想模型較為實(shí)用，但對(duì)于參數(shù)的輕微誤差敏感，容差性能差。模糊函數(shù)法則是基于逐點(diǎn)搜索計(jì)算、最優(yōu)點(diǎn)判斷的搜索算法，其搜索時(shí)間較長(zhǎng)。最小二乘法具有運(yùn)算量小、求解速度快的特點(diǎn)[12]，但需要多個(gè)測(cè)距單元協(xié)同工作?；谝陨峡紤]，探索研究一種簡(jiǎn)單、快速且可靠的解模糊算法就顯得尤為重要。為此，開(kāi)展了雙通道抗模糊測(cè)距的方法研究。雙通道測(cè)距中模糊距離的確定通過(guò)2個(gè)通道測(cè)距余量的差值進(jìn)行判別，然后利用查表法確定最終的測(cè)距值。此外，還對(duì)查表法進(jìn)行了擬合優(yōu)化，大幅減小了查表工作量。雙通道測(cè)距方法可以同時(shí)滿足工程應(yīng)用中測(cè)距過(guò)程對(duì)大范圍測(cè)量與小計(jì)算量的需求。

1 雙通道測(cè)距原理

相干測(cè)距與非相干測(cè)距通常以無(wú)線信道幀幀頭作為測(cè)距脈沖，上下行信號(hào)的測(cè)距脈沖周期與幀頻率直接相關(guān)[13]，而固定的脈沖周期決定了最大無(wú)模糊延時(shí)為脈沖周期的1/2，進(jìn)而可以確定最大無(wú)模糊測(cè)距距離(可稱(chēng)為測(cè)距整數(shù)周期距離)。當(dāng)測(cè)控站與飛行器之間的距離超過(guò)一個(gè)整數(shù)周期距離后，單一通道測(cè)距只能得到一個(gè)相對(duì)測(cè)量值，稱(chēng)為測(cè)距余量值。

假設(shè)在雙通道測(cè)距系統(tǒng)中地面站與飛行器之間的間距為X，A通道的最大無(wú)模糊測(cè)距距離為PA，在測(cè)距時(shí)間T時(shí)刻，A通道測(cè)距余量值為ΔxA；相應(yīng)的，B通道的最大無(wú)模糊測(cè)距距離為PB，測(cè)距余量值為ΔxB，則間距X可表示為：

X=PA·n1+ΔxA，

(1)

X=PB·n2+ΔxB。

(2)

式中，n1和n2為非負(fù)整數(shù)，對(duì)應(yīng)A通道和B通道測(cè)距的整數(shù)周期距離數(shù)量。

在設(shè)計(jì)雙通道測(cè)距系統(tǒng)中，PA和PB的值可以通過(guò)配置上下行幀頻來(lái)改變，假設(shè)PA

圖1 PA和PB分割間距X示意

在數(shù)軸上某個(gè)子區(qū)間內(nèi)(如數(shù)軸上黑色點(diǎn)位)將對(duì)應(yīng)唯一的一組n1，n2和X值，在整個(gè)數(shù)軸上所有子區(qū)間內(nèi)，這3個(gè)參數(shù)與ΔxA-ΔxB的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。通過(guò)式(1)和式(2)可得：

ΔxA-ΔxB=PB·n2-PA·n1。

(3)

對(duì)比圖1和表1可知，0～(N1·PA)，每個(gè)子區(qū)間內(nèi)都對(duì)應(yīng)唯一的(n1,n2)值。在該范圍內(nèi)，通過(guò)式(3)又可以確定唯一的ΔxA-ΔxB值。因此，在實(shí)際測(cè)距過(guò)程中，通過(guò)2步計(jì)算間距X：① 分別得到2個(gè)通道的測(cè)距余量值ΔxA和ΔxB，計(jì)算二者的差值，一般測(cè)距航空航天測(cè)距精度優(yōu)于幾十米量級(jí)[14]，因此ΔxA-ΔxB的精度也為幾十米量級(jí)；② 通過(guò)查詢表1確定n1，n2的值[15]，再通過(guò)式(1)和式(2)確定實(shí)際間距X?？傊?，就是得到ΔxA-ΔxB的值后，即可在0～(N1·PA)確定實(shí)際間距X的值。

表1 測(cè)距過(guò)程多參數(shù)關(guān)系

由以上分析可以得出：雙通道測(cè)距范圍比A通道擴(kuò)大了N1倍，比B通道擴(kuò)大了N2倍，通過(guò)合理配置參數(shù)PA和PB可以使雙通道測(cè)距過(guò)程無(wú)模糊距離大幅度擴(kuò)大。而且，在后續(xù)仿真過(guò)程中，還將對(duì)查表法進(jìn)行優(yōu)化，縮小查表法的計(jì)算量。

此外，在計(jì)算間距X過(guò)程中，最關(guān)鍵的步驟就是確定n1和n2的數(shù)值，除這2個(gè)參數(shù)外，還需要注意的是PA和PB的最大公約數(shù)(GreatestCommonDivisor，GCD)。將表1中的ΔxA-ΔxB的值按照從小到大的順序排列后可以形成等差數(shù)列[16]，這個(gè)等差數(shù)列的增量等于PA與PB的最大公約數(shù)。如果最大公約數(shù)的值比ΔxA-ΔxB的檢測(cè)精度還要低，那查表后將無(wú)法確定n1和n2的值，換言之，PA和PB的最大公約數(shù)要遠(yuǎn)大于單通道的測(cè)距精度，一個(gè)合理的取值應(yīng)該是ΔxA或ΔxB的檢測(cè)精度的10倍，即百米量級(jí)。

綜合以上分析，可以得出：理想情況下，PA和PB的最小公倍數(shù)決定了最大無(wú)模糊測(cè)距范圍，而PA和PB的最大公約數(shù)則關(guān)乎能否成功通過(guò)ΔxA-ΔxB的值查表得到n1和n2的值。在實(shí)際應(yīng)用中，LCM和GCD的值最終決定于上下行無(wú)線信號(hào)的幀頻，LCM和GCD之間呈反比，不可能同時(shí)增大。因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理設(shè)計(jì)信號(hào)幀頻。

2 雙通道測(cè)距仿真分析

設(shè)計(jì)雙通道抗模糊測(cè)距方法的首要問(wèn)題是確定A通道和B通道的無(wú)模糊距離PA和PB。假設(shè)PA和PB分別為2 800km和3 000km。二者的最小公倍數(shù)為42 000km，最大公約數(shù)為200km(為了作圖效果，最大公約數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于測(cè)距精度)。ΔxA和ΔxB的值等于實(shí)際間距X對(duì)PA和PB求余數(shù)。在整個(gè)數(shù)軸上，ΔxA和ΔxB的數(shù)值變化情況如圖2所示。

圖2 ΔxA和ΔxB在數(shù)軸上分布示意

圖3 ΔxA-ΔxB在數(shù)軸上分布示意

(4)

確定n1,n2值后，將2個(gè)通道的測(cè)距余量值ΔxA和ΔxB代入式(1)和式(2)，可以得到A通道和B通道的無(wú)模糊距離XA和XB。最終系統(tǒng)的測(cè)距值取二者的均值，

X=1/2·XA+1/2·XB。

(5)

由誤差理論可知，若XA和XB為獨(dú)立同分布，則式(5)中X的期望與XA和XB相同，而方差可以減小一半，一定程度上提升了系統(tǒng)精度。

仿真分析表明，通過(guò)合理地設(shè)置單通道的測(cè)距無(wú)模糊測(cè)距PA和PB的值，可以有效擴(kuò)大測(cè)量范圍。本文所用數(shù)值為PA=2 800km，PB=3 000km，最大測(cè)量范圍可以提升至42 000km，滿足衛(wèi)星的測(cè)距要求。在深空通信測(cè)距中距離探測(cè)需求會(huì)大大提升，這種情況下只需要將PA和PB設(shè)計(jì)的更加接近，則可以大大提升測(cè)距范圍[17]。如取PA=2 990km，PB=3 000km，則二者最小公倍數(shù)即測(cè)距距離可以達(dá)到897 000km，超過(guò)了地月之間的探測(cè)距離。

3 結(jié)束語(yǔ)

單通道測(cè)距中，最大無(wú)模糊距離小，限制了其測(cè)距范圍。本文所述的雙通道抗模糊測(cè)距的方法可以有效擴(kuò)大航空航天系統(tǒng)中的測(cè)距范圍。理論推導(dǎo)表明，擴(kuò)大測(cè)量范圍的雙通道測(cè)距方法中有A通道和B通道的測(cè)距余量PA和PB這2個(gè)重要參數(shù)。二者的LCM決定了間距X的測(cè)量范圍，二者的GCD共同決定了測(cè)距系統(tǒng)的精度容差。測(cè)距范圍和精度容差不能同時(shí)提高，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求對(duì)PA和PB參數(shù)進(jìn)行配置。此外，仿真分析還表明，所述的雙通道測(cè)距解模糊方法具有解算簡(jiǎn)單、計(jì)算量小的優(yōu)點(diǎn)，這將有利于測(cè)距系統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)。

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邸成良 男，(1988—)，博士，工程師。主要研究方向：無(wú)人機(jī)測(cè)控。

殷娣娣 女，(1987—)，碩士，助理工程師。主要研究方向：智能電網(wǎng)通信。

Research on Dual-channel Anti-ambiguity Ranging Method

DI Cheng-liang1,YIN Di-di2

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China; 2.StateGridHebeiInformationandTelecommunicationBranch,ShijiazhuangHebei050021,China)

In aerospace TT&C system,both coherent and incoherent ranging methods undergo the range ambiguity problem,which limits their effective ranging scope.To solve this ambiguity problem,a dual-channel anti-ambiguity method is proposed.In this method,the difference value between two channels is used to solve the ranging ambiguity.Further on,the coupling relationships within ranging scope,ranging resolution and ranging period are analyzed in detail.Analysis results show that the ambiguity problem could be solved by dual-channel ranging method,and at the same time,the ranging scope would be expanded in a great level.

dual-channel;range ambiguity;coherent ranging;incoherent ranging

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.05.14

邸成良,殷娣娣.雙通道抗模糊測(cè)距方法研究[J].無(wú)線電工程,2017,47(5):58-61.[DI Chengliang,YIN Didi.Research on Dual-channel Anti-ambiguity Ranging Method[J].Radio Engineering,2017,47(5):58-61.]

2017-02-08

河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(F2014210123)。

TN911.7

A

1003-3106(2017)05-0058-04