薛敏彪，趙雪紅，黨 群

（西北工業(yè)大學(xué)365研究所，陜西 西安710065）

采用差頻測相技術(shù)的高精度測距系統(tǒng)研究

薛敏彪，趙雪紅，黨 群

（西北工業(yè)大學(xué)365研究所，陜西 西安710065）

針對(duì)無人機(jī)著陸引導(dǎo)系統(tǒng)測距精度低的問題，采用了一種基于應(yīng)答方式的差頻測相的測距方法。通過對(duì)差頻測相方法的詳細(xì)分析，結(jié)合無人機(jī)著陸引導(dǎo)系統(tǒng)中測距精度的要求，實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)高精度無線電測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并對(duì)該測距系統(tǒng)的主要誤差進(jìn)行分析，提出了相應(yīng)的解決方法。與當(dāng)前無人機(jī)無線電原有測距方式相比，可將測距精度提高一個(gè)量級(jí)，使系統(tǒng)測距誤差由米級(jí)降至分米級(jí)，滿足了無人機(jī)著陸過程中的高精度測距要求。

測距系統(tǒng)；測距精度；差頻測相；誤差分析

隨航空和航天技術(shù)的迅速發(fā)展，人類對(duì)測距精度的要求越來越高。在無人機(jī)無線電著陸引導(dǎo)系統(tǒng)中，著目前對(duì)于無人機(jī)距離測量的精度要求高達(dá)分米級(jí)，而當(dāng)前無人機(jī)測距方法通常是通過測量時(shí)差獲得待測距離，測距精度通常只能達(dá)到米級(jí)，因此時(shí)差測量難以滿足上述精度要求。由于相差測量比時(shí)差測量具有更高分辨率，所以在高精度距離測量方面，相差測量技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。例如國外的GRACE衛(wèi)星系統(tǒng)中星星測距就采用了精密的相差測量。差頻測相技術(shù)是實(shí)現(xiàn)相差測量的關(guān)鍵技術(shù)。文中在原有的測距方法基礎(chǔ)上，提出一種新的高精度測距方法，該方法采用差頻測相技術(shù)來測得相位差，進(jìn)而得到高精度距離的測量，為無人機(jī)著陸過程中提供高精度距離信息。

1 測距系統(tǒng)

無人機(jī)著陸引導(dǎo)系統(tǒng)是用無線電設(shè)備使無人機(jī)安全著陸的導(dǎo)航系統(tǒng)，它能提供精確的著陸方位、下滑軌道和距離等引導(dǎo)信息，依據(jù)這些信息無人機(jī)能對(duì)準(zhǔn)跑道，按給定的下滑角進(jìn)場和自動(dòng)著陸。在無人機(jī)著陸引導(dǎo)系統(tǒng)中，測距技術(shù)是決定引導(dǎo)成敗的關(guān)鍵技術(shù)之一。

無人機(jī)無線電測距通常采用基于應(yīng)答方式的偽碼測距方式，通過測量地面發(fā)射偽碼與接收偽碼之間的傳輸時(shí)延得到距離。實(shí)際系統(tǒng)中將無線電波作為載波，調(diào)制測距偽碼信號(hào)，進(jìn)行精密測距，其測距系統(tǒng)框圖如圖1所示。

從上圖可知，地面著陸引導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)送信標(biāo)信息至無人機(jī)機(jī)載應(yīng)答機(jī)，無人機(jī)機(jī)載應(yīng)答機(jī)接收到信息后發(fā)送應(yīng)答信號(hào)至地面著陸引導(dǎo)系統(tǒng)，地面著陸引導(dǎo)系統(tǒng)將接收的測距偽碼應(yīng)答信號(hào)與原發(fā)射的測距偽碼信號(hào)進(jìn)行相位比較，測定出兩者之間的相差，從而得到發(fā)射偽碼信號(hào)與接收偽碼應(yīng)答信號(hào)之間的時(shí)延Δτ，實(shí)現(xiàn)地面著陸引導(dǎo)系統(tǒng)與無人機(jī)機(jī)載應(yīng)答機(jī)之間的距離測量。因此待測距離為

圖1 無人機(jī)無線測距系統(tǒng)框圖

其中，c為光速，n為偽碼時(shí)延的碼元整周期數(shù)，Ts為發(fā)射偽碼時(shí)鐘信號(hào)周期，Δφ為地面發(fā)端偽碼時(shí)鐘信號(hào)與收端同步偽碼時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)傳輸時(shí)延產(chǎn)生的相位差。根據(jù)式（1）可得Δτ與Δφ之間的關(guān)系為：

無人機(jī)起降著陸系統(tǒng)中對(duì)測距的精度要求達(dá)到分米級(jí)，一般無線測距方法難以滿足要求，提出了一種新的測距技術(shù)—差頻測相技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)無人機(jī)起降著陸系統(tǒng)中高精度測距要求。

1.1 采用差頻測相技術(shù)的相位測量系統(tǒng)

在無人機(jī)無線測距系統(tǒng)中，為了保證所要求的測距精度，偽碼調(diào)制速率通常選得較高，一般為幾MHz～幾十MHz。如果直接對(duì)高速率偽碼信號(hào)進(jìn)行相位測量，會(huì)增加電路復(fù)雜度，難以實(shí)現(xiàn)高精度的距離測量。采用差頻測相可以將高速率信號(hào)變?yōu)榈退俾市盘?hào)，且該低速率信號(hào)仍保留了原高速率信號(hào)相位信息，因此易于進(jìn)行相位測量，實(shí)現(xiàn)高精度測距。

差頻測相原理就是將發(fā)端信號(hào)和收端信號(hào)分別與本地振蕩器輸出信號(hào)進(jìn)行混頻，然后經(jīng)低通濾波得到相應(yīng)的差頻信號(hào)，對(duì)差頻信號(hào)進(jìn)行放大整形處理后進(jìn)行測相，獲得這兩路信號(hào)的相位差，從而獲得待測距離。通過差頻處理后信號(hào)頻率降低，相應(yīng)地信號(hào)周期增大，便于相位差的測量，從而提高測相精度。測距系統(tǒng)差頻測相框圖如圖2所示。

設(shè)發(fā)端偽碼時(shí)鐘信號(hào)（由主振蕩器產(chǎn)生）：

圖2 測距系統(tǒng)差頻測相框圖

經(jīng)鎖相環(huán)得到本地振蕩器信號(hào)：

上式（4）中，取 ωi=0．999ωs

接收端通過DLL延遲鎖相環(huán)[10-11]得到收端同步偽碼時(shí)鐘信號(hào)：

分別將發(fā)端偽碼時(shí)鐘信號(hào)和收端同步偽碼時(shí)鐘信號(hào)與本地振蕩器的輸出信號(hào)進(jìn)行混頻，然后經(jīng)低通濾波器獲得兩路輸出信號(hào)分別為

參考信號(hào)：

測距信號(hào)：

由以上公式可得出結(jié)論，混頻濾波后參考信號(hào)和測距信號(hào)的相位差等于混頻前發(fā)端偽碼信號(hào)和收端偽碼信號(hào)的相位差Δφ，可見差頻處理只引起頻率的變化并沒有引起相位差的變化。由ωs與ωi關(guān)系得知，差頻信號(hào)的頻率 ωc=ωs-ωi約為 ωs/1 000，因此極大地降低了正弦信號(hào)頻率，提高了測相精度。

1.2 測相單元

測相單元的主要功能是通過測量差頻信號(hào)的相位差，實(shí)現(xiàn)高精度距離測量。測相單元采用數(shù)字測相法[12-14]，其主要思路是將兩路信號(hào)放大整形后獲得兩路方波，然后對(duì)方波進(jìn)行處理求得相位差。

圖3 數(shù)字測相示意圖

數(shù)字測相示意圖如圖3所示，通過放大整形通道將正弦波（同頻）的參考信號(hào)st2與測距信號(hào)sr2分別進(jìn)行處理得到對(duì)應(yīng)的方波（同頻）信號(hào)，然后通過參考信號(hào)st2方波的下降沿觸發(fā)檢相觸發(fā)器的置位端輸出高電平，經(jīng)過對(duì)應(yīng)于相位差Δφ的時(shí)間段后，測距信號(hào)sr2方波的下降沿觸發(fā)檢相觸發(fā)器的復(fù)位端輸出低電平，這樣就得到了觸發(fā)器的檢相脈沖。也就是說，被測相位差Δφ與檢相脈沖寬度是相互對(duì)應(yīng)的。觸發(fā)器處于置位狀態(tài)時(shí)，填充脈沖Cp通過門1進(jìn)行計(jì)數(shù)；觸發(fā)器處于復(fù)位狀態(tài)時(shí)，Cp不能通過門1，計(jì)數(shù)器記下觸發(fā)器處于置位狀態(tài)時(shí)的填充脈沖數(shù) （單次）。設(shè)計(jì)數(shù)器記錄的單次脈沖數(shù)為m，則相位差：

其中：ωc、fc分別是參考信號(hào)和測距信號(hào)的角頻率和頻率；t為觸發(fā)器置位時(shí)間；fcp為填充脈沖的頻率。由上式可以說明，填充脈沖數(shù)正比于被測相位差Δφ。

在實(shí)際測量時(shí)，測距系統(tǒng)因受各種干擾等因素影響，導(dǎo)致測距精度降低。為了提高測量精度，通過在數(shù)字測相示意圖的計(jì)數(shù)器前增加門控信號(hào)，取門控時(shí)間為Th，在Th內(nèi)進(jìn)行多次測量后求平均值，提高測距精度。

設(shè)Th內(nèi)測相次數(shù)為K，則

其中：Tc=1/fc，Tc為參考信號(hào)和測距信號(hào)的周期。

可得Tc內(nèi)脈沖總數(shù)：

根據(jù)式（10）可推出N與Δφ之間的關(guān)系為：

上式中fcp，Th的值均恒定，可見脈沖總數(shù)N與Δφ相位差成正比。

2 主要誤差分析

2.1 差頻誤差

在相位測量過程中，若儀器的主振頻率不穩(wěn)定，主振頻率經(jīng)過鎖相環(huán)產(chǎn)生的本振頻率也就不穩(wěn)定，這樣主振頻率通過與本振頻率混頻后獲得的差頻信號(hào)頻率將會(huì)發(fā)生漂移，差頻信號(hào)經(jīng)放大整形后獲得的方波信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生變化，從而產(chǎn)生誤差[7]。測距系統(tǒng)在選用儀器時(shí)，選用高精度、高穩(wěn)定度的溫度補(bǔ)償晶體振蕩器，通過它產(chǎn)生穩(wěn)定的主振信號(hào)，后經(jīng)鎖相環(huán)獲得穩(wěn)定的本振，這樣使得主振與本振間的差頻信號(hào)穩(wěn)定，通常可以使差頻的穩(wěn)定度達(dá)1/105，減小差頻誤差。

2.2 幅相誤差

由于收端信號(hào)受到各種噪聲和大氣抖動(dòng)等因素的干擾，使其幅度發(fā)生變化而導(dǎo)致測距誤差。實(shí)際上，收端信號(hào)的幅度變化通過直接影響測距信號(hào)幅度的變化，引起測距信號(hào)和參考信號(hào)的幅值相差較大 （相應(yīng)地相位差的測量值與理論值相差較大），造成測相誤差較大。通常通過在測距系統(tǒng)的接收電路模塊中加入自動(dòng)增益控制部分[15]，改善參考信號(hào)和測距信號(hào)的幅度大小，使兩者幅值趨于相近，從而減小誤差。另外，也可以采用多次測量求平均值，減小測相誤差。

2.3 計(jì)數(shù)誤差

數(shù)字測相時(shí)，在門控時(shí)間Th內(nèi)，由于檢相脈沖與填充脈沖的不同步，使得檢相脈沖處于工作狀態(tài)時(shí)，填充脈沖通過與門不能正常的觸發(fā)計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而產(chǎn)生了計(jì)數(shù)誤差。一般來說，可能產(chǎn)生個(gè)的計(jì)數(shù)脈沖誤差。目前通過增加門控信號(hào)脈沖寬度，即通過多次測量取平均值，減少誤差。

3 結(jié)束語

為了提高無人機(jī)起降著陸系統(tǒng)中的測距精度，提出一種采用差頻測相技術(shù)的高精度測距方法。詳細(xì)闡述了測距系統(tǒng)原理，通過采用差頻測相技術(shù)和數(shù)字測相技術(shù)完成高精度相位測量，分析了差頻測相技術(shù)所產(chǎn)生的幾個(gè)主要測距誤差，并提出了相應(yīng)地解決方法，可實(shí)現(xiàn)無人機(jī)起降著陸系統(tǒng)的高精度測距。

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Research on high precision ranging system based on phase-shift measurement

XUE Min-biao，ZHAO Xue-hong，DANG Qun
（The 365 Institute of Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710065，China）

Aimming at the low ranging precision of UAV landing guidance system，a ranging method based on response of phase-shift measurement is adopted.Through analyzing the phase-shift measurement method in detail and combining the ranging requirement of the system，achieves the design of high precision of UAV radio ranging system，and some specific methods are introduced by analyzing the main error of the system.Compared with the current UAV original radio ranging mode，ranging precision improves an order of magnitude，finally makes the ranging error by meters to decimeters and meets the requirement of high precision ranging of UAV landing guidance system.

ranging system；ranging precision；phase-shift measurement；error analysis

TN914

A

1674－6236（2017）17-0145-03

2016-06-21稿件編號(hào)：201606149

薛敏彪（1957—），男，上海人，碩士，研究員。研究方向：無人機(jī)測控?cái)?shù)據(jù)鏈總體技術(shù)。