李增有 盧尚明 張勝

摘要：新一代高精度測定軌系統(tǒng)要求地面測控設(shè)備零值測量精度達(dá)到厘米量級(jí)，與目前測控通信領(lǐng)域典型的測距零值標(biāo)定殘差工程指標(biāo)相比提高了約2個(gè)數(shù)量級(jí)。提出了一種基于多鏈路聯(lián)合解算的擴(kuò)頻測控設(shè)備距離零值標(biāo)定方法，可以解決傳統(tǒng)的分段標(biāo)校方法帶來的誤差累計(jì)。理論分析和外場測試驗(yàn)證標(biāo)校精度可達(dá)到厘米量級(jí)，精度優(yōu)于0.02 m

關(guān)鍵詞：擴(kuò)頻測控；標(biāo)校；應(yīng)答機(jī)；距離零值

中圖分類號(hào)：TN95文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2021）24-59-5

0引言

傳統(tǒng)的基測控裝備由于采用了大口徑天線，系統(tǒng)距離零值標(biāo)定通常是基于校零變頻器對(duì)塔的方式來間接完成[1-2]。塔上設(shè)備包括標(biāo)準(zhǔn)喇叭、射頻電纜、環(huán)形器及校零變頻器等。在距離零值標(biāo)定過程中需要根據(jù)設(shè)備不同工作狀態(tài)記錄對(duì)應(yīng)的零值，包括不同溫度、不同頻段、同頻段不同頻點(diǎn)、不同極化及不同收發(fā)電平等[3]。為達(dá)到厘米量級(jí)的的校零殘差，在實(shí)際操作中，需要高精度測量的項(xiàng)目包括：①精確標(biāo)定拋物面天線三軸中心和標(biāo)校塔校零天線相位中心的空間距離；②精確標(biāo)定塔上設(shè)備零值，包括標(biāo)準(zhǔn)喇叭、射頻電纜、環(huán)形器及校零變頻器。

傳統(tǒng)標(biāo)校的空間距離扣除方法誤差可達(dá)米量級(jí)，且多采用分段標(biāo)校的方式獲取塔上設(shè)備零值。分段標(biāo)校獲取塔上設(shè)備零值帶來的主要問題是多個(gè)器件獨(dú)立測量，如何分離每個(gè)獨(dú)立器件的起止點(diǎn)，以及其間連接電纜的處理會(huì)引起誤差累計(jì)。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料查詢結(jié)果，目前工程上仍缺乏塔上設(shè)備整體零值高精度標(biāo)定方法[4-5]。此外，變頻器件的群時(shí)延測量也是工程測量的難點(diǎn)。本文針對(duì)基于非相干擴(kuò)頻測量體制的高軌衛(wèi)星測軌系統(tǒng)厘米級(jí)零值標(biāo)定需求，提出了一種多鏈路聯(lián)合解算設(shè)備零值的方法，解算地面測控設(shè)備和塔上校零變頻設(shè)備的零值，解算精度達(dá)到了厘米量級(jí)。

1需求分析

1.1非相干擴(kuò)頻測量體制工作原理

隨著擴(kuò)頻體制在衛(wèi)星測控領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，相繼出現(xiàn)了相干模式和非相干模式2種擴(kuò)頻測控方式[6-7]。擴(kuò)頻測控的相干模式是采用抑制載波調(diào)制的偽碼相干轉(zhuǎn)發(fā)方式進(jìn)行測距，地面接收下行偽碼與上行偽碼比較解得星地距離，遙控指令和遙測數(shù)據(jù)均采用偽碼擴(kuò)頻調(diào)制方式。非相干模式采用測量幀結(jié)構(gòu)，幀內(nèi)所傳信息是測距信息，上行測量幀僅用于解距離模糊，下行測量幀調(diào)制應(yīng)答機(jī)狀態(tài)信息、上行偽距、偽多普勒測量信息及星上時(shí)間采樣信息等。與相干模式不同，非相干方式的上行偽碼及速率與下行偽碼及速率無需相干，非相干擴(kuò)頻TT&C測距原理如圖1所示。

地面接收到下行測距鏈路信號(hào)后進(jìn)行解擴(kuò)、解調(diào)、幀同步提取得到下行測量幀同步信號(hào)，再利用下行幀同步對(duì)自身形成的上行信號(hào)采樣，提取幀計(jì)數(shù)、位計(jì)數(shù)、擴(kuò)頻偽碼計(jì)數(shù)、碼相位，并采樣下行多普勒值等測量信息。地面對(duì)衛(wèi)星傳送下來的星上上行偽距、偽多普勒測量值、時(shí)間采樣值和地面測得的下行偽距、偽多普勒測量值、時(shí)間采樣值進(jìn)行計(jì)算，完成測距、測速、時(shí)間差測量。

根據(jù)上述非相干擴(kuò)頻測控原理，上下行鏈路偽距測量獨(dú)立不相關(guān)，正是基于該特點(diǎn)，可以采用有別于常規(guī)分段標(biāo)校的思路，利用多鏈路聯(lián)合解算的方法，建立多個(gè)測距方程，實(shí)現(xiàn)鏈路構(gòu)成結(jié)點(diǎn)設(shè)備的距離零值高精度解算。

1.2多鏈路聯(lián)合解算技術(shù)需求

系統(tǒng)采用非相干擴(kuò)頻測量體制，要求實(shí)現(xiàn)高軌衛(wèi)星事后米級(jí)、實(shí)時(shí)十米級(jí)的高精度測定軌能力[8-9]，系統(tǒng)零值標(biāo)定殘差要求達(dá)到厘米級(jí)，相對(duì)于目前測控通信領(lǐng)域典型的測距零值標(biāo)定殘差工程指標(biāo)米量級(jí)要求提高了2個(gè)數(shù)量級(jí)[10]。基于該需求，提出了一種多鏈路聯(lián)合解算設(shè)備零值的方法，可以整體解算地面測控設(shè)備和塔上校零變頻設(shè)備的零值，解算精度達(dá)到了厘米量級(jí)。在本文所設(shè)定的試驗(yàn)條件下，解算精度優(yōu)于0.02 m。

2多鏈路聯(lián)合解算方法

2.1基本原理

利用非相干擴(kuò)頻測量模式上下行鏈路的獨(dú)立性，基于校零變頻器和高精度聯(lián)試應(yīng)答機(jī)構(gòu)建立3條獨(dú)立的無線測量鏈路，建立3個(gè)關(guān)系式來聯(lián)合解算地面測控設(shè)備零值、校零設(shè)備零值、高精度聯(lián)試應(yīng)答機(jī)零值。多鏈路聯(lián)合解算設(shè)備零值原理如圖2所示。

實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)答機(jī)天線可能存在收發(fā)天線分置情況，如圖3所示，與收發(fā)天線公用相比，原理和解算方法基本一致，區(qū)別在于空間距離零值的扣除上以及應(yīng)答機(jī)零值參考點(diǎn)表征位置的不同。

2.2關(guān)鍵技術(shù)

為了保證上述3個(gè)方程的準(zhǔn)確性，在實(shí)際操作中，需要保證以下3個(gè)場景中設(shè)備零值的一致性控制。

（1）地面測控設(shè)備零值一致性控制

如圖4所示，地面測控設(shè)備分別與高精度聯(lián)試應(yīng)答機(jī)、高穩(wěn)定校零變頻器構(gòu)成無線閉合鏈路，完成對(duì)應(yīng)的收發(fā)延遲測量。2種測試場景中，區(qū)別在于地面接收的擴(kuò)頻碼的不同。地面測控系統(tǒng)—高穩(wěn)定校零變頻場景中，地面測控系統(tǒng)接收的是地面發(fā)射的上行偽碼，地面測控系統(tǒng)—高精度聯(lián)試應(yīng)答機(jī)場景中地面測控系統(tǒng)接收的是應(yīng)答機(jī)發(fā)射的下行偽碼，通過擴(kuò)頻碼的選擇可以確保2種模式下，由擴(kuò)頻碼的不同而帶來測距值的差異可控。

此外，在圖4所示的2種應(yīng)用場景中，地面測控系統(tǒng)采用同一個(gè)調(diào)制器和接收機(jī)，從而保證數(shù)字信號(hào)處理電路一致。同時(shí)，這2種方式對(duì)地面測控系統(tǒng)而言，上行鏈路頻點(diǎn)一致，下行鏈路頻點(diǎn)偏差可以控制在50 kHz以內(nèi)，從而保證模擬信號(hào)傳輸路徑基本一致，因此在保證設(shè)備狀態(tài)一致的情況下可以保證地面測控設(shè)備零值一致。

（2）高精度聯(lián)試應(yīng)答機(jī)設(shè)備零值一致性控制

高精度聯(lián)試應(yīng)答機(jī)零值一致性控制如圖5所示，高精度聯(lián)試應(yīng)答機(jī)下行信號(hào)的產(chǎn)生與上行的接收信號(hào)接收相互獨(dú)立。因此高精度聯(lián)試應(yīng)答機(jī)基于下行信號(hào)通過校零環(huán)路可以完成自身零值的測量，其基本原理與地面測控設(shè)備對(duì)塔校零相同。同上，通過擴(kuò)頻碼的選擇可以確保2種模式下，由擴(kuò)頻碼的不同而帶來測距值的差異可控。

此外，在圖5所示這2種應(yīng)用場景中，高精度聯(lián)試應(yīng)答機(jī)在信號(hào)處理中保持環(huán)路統(tǒng)一，從而保證數(shù)字信號(hào)處理電路一致。同時(shí)，2種方式對(duì)高精度聯(lián)試應(yīng)答機(jī)而言，下行鏈路頻點(diǎn)一致，上行鏈路頻點(diǎn)偏差可以控制在50 kHz以內(nèi)，從而保證模擬信號(hào)傳輸路徑基本一致，因此在保證設(shè)備狀態(tài)一致的情況下可以保證設(shè)備零值一致。

（3）校零變頻設(shè)備零值一致性控制

在圖6所示的地面測控系統(tǒng)—高穩(wěn)定校零變頻場景中，高穩(wěn)定校零變頻設(shè)備輸入頻段2 025～2 120 MHz，輸出2 200～2 300 MHz；高精度聯(lián)試應(yīng)答機(jī)—高穩(wěn)定校零變頻場景中，高穩(wěn)定校零變頻設(shè)備輸入頻段2 200～2 300 MHz，輸出2 025～2 120 MHz，即高穩(wěn)定校零變頻，需要分時(shí)工作在上變頻工作方式和下變頻工作方式。

因此需要確保高穩(wěn)定校零變頻（含天線、雙工器、校零變頻器等）的在上/下變頻工作方式下的設(shè)備零值的一致性，重點(diǎn)在于確保校零變頻器的互易性，也就是上變頻（正向）和下變頻（反向）傳輸特性的一致性。

互易混頻器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)目前已有成熟的解決方案，其中幅度互易性可以由變頻器件的標(biāo)量混頻校準(zhǔn)技術(shù)來確定，進(jìn)而驗(yàn)證混頻器的相位互易性。

3測試驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述技術(shù)的可行性，在試驗(yàn)外場，搭建了S頻段無線試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)。為了保證校零變頻器的互易特性，采用無源混頻器和輸入輸出帶濾波器的無源混頻器2種變頻器方案。

地面設(shè)備零值標(biāo)定主要步驟如下：

①地面站天線對(duì)準(zhǔn)校零變頻鏈路天線建立閉環(huán)無線鏈路，得到閉環(huán)測距值，并通過全站儀測量空間距離。

②地面站天線對(duì)準(zhǔn)高精度聯(lián)試應(yīng)答機(jī)天線建立閉環(huán)無線鏈路，得到閉環(huán)測距值，并通過全站儀測量空間距離。

③校零變頻鏈路天線對(duì)準(zhǔn)高精度聯(lián)試應(yīng)答機(jī)天線建立閉環(huán)無線鏈路，得到閉環(huán)測距值，并通過全站儀測量空間距離。

④建立聯(lián)合解算方程，解算地面測控設(shè)備（含天線）、校零變頻鏈路（含天線）、高精度聯(lián)試應(yīng)答機(jī)（含天線）距離零值。

在地面設(shè)備和應(yīng)答機(jī)狀態(tài)不變的情況下，對(duì)2個(gè)校零變頻鏈路重復(fù)測量，測量數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

從表1和表2所示測量數(shù)據(jù)可以看出，2種狀態(tài)下解算出的地面設(shè)備零值差異約1.1 cm，應(yīng)答機(jī)零值差異約0.7 cm，校零設(shè)備零值差異約6.25 m，與矢網(wǎng)測量結(jié)果（差異約22 ns）相當(dāng)。

在地面設(shè)備和校零變頻設(shè)備狀態(tài)不變的情況下，通過增加應(yīng)答機(jī)設(shè)備零值（增加一段約2 m電纜）重復(fù)測量，2 m電纜測量數(shù)據(jù)及結(jié)算結(jié)果如表3所示。

對(duì)比表1和表3所測數(shù)據(jù)，2種狀態(tài)下解算出的地面設(shè)備零值差異約0.6 cm，校零變頻零值差異約1.2 cm，2 m電纜帶來的應(yīng)答機(jī)零值變化約2.856 m。

在應(yīng)答機(jī)和校零變頻設(shè)備狀態(tài)不變的情況下，通過增加地面設(shè)備零值（增加一段約2 m電纜）重復(fù)測量，地面測控設(shè)備增加2 m電纜測量數(shù)據(jù)及結(jié)算結(jié)果如表4所示。

對(duì)比表1和表4所測數(shù)據(jù)，2種狀態(tài)下解算出來的應(yīng)答機(jī)設(shè)備零值差異約0.5 cm，校零變頻零值值差異約1 cm，2 m電纜帶來的應(yīng)答機(jī)零值變化約2.86 m。

從上述3組測量數(shù)據(jù)可以看出，多鏈路聯(lián)合解算技術(shù)可保證擴(kuò)頻測控設(shè)備距離零值標(biāo)校優(yōu)于2 cm的精度，且具有重復(fù)性。

4結(jié)束語

多無線測量鏈路聯(lián)合解算設(shè)備零值技術(shù)充分利用了擴(kuò)頻模式2上下行鏈路獨(dú)立的特點(diǎn)，在傳統(tǒng)的地面站—應(yīng)答機(jī)和地面站—校零變頻2條測距鏈路之外，構(gòu)建了一條應(yīng)答機(jī)—校零變頻測距鏈路來聯(lián)合完成零值解算。該技術(shù)可以同時(shí)整體解算地面設(shè)備、校零變頻設(shè)備、應(yīng)答機(jī)整體零值，解算誤差由空間距離標(biāo)定誤差和設(shè)備測距誤差決定。理論核算與試驗(yàn)驗(yàn)證，標(biāo)校精度達(dá)到了厘米量級(jí)，在確保標(biāo)定過程嚴(yán)謹(jǐn)、準(zhǔn)確的條件下可以達(dá)到2 cm水平，可用于擴(kuò)頻系統(tǒng)的高精度測距零值標(biāo)定過程。

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