厘米級擴頻測距系統自校準鏈路分析

2016-04-07 05:56:59郭肅麗

無線電工程 2016年2期

郭肅麗

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊 050081；

2.CETC航天信息應用技術重點實驗室，河北石家莊 050081)

厘米級擴頻測距系統自校準鏈路分析

郭肅麗1，2

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊 050081；

2.CETC航天信息應用技術重點實驗室，河北石家莊 050081)

摘要針對未來遙感、導航等衛星對地面測控設備的距離測量精度由米級提高到厘米級這一問題，簡要介紹了航天測控常用的距離零值標校方案，并量化分析了天線和模擬信道設備引入的距離零值變化，認為必須引入與工作鏈路同時工作的距離零值自校準鏈路。針對擴頻測距系統對自校準鏈路的信號形式進行了討論，并對工作信號電平與自校準鏈路信號電平之間的相互影響進行了理論分析及仿真，認為自校準鏈路信號電平低于工作信號電平10 dB是一個較優的選擇。

關鍵詞擴頻測控；自校準鏈路；厘米級測距；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，地面測控設備的測距精度一般為米量級，隨著遙感衛星對地面觀測精度的提高，對地面測控設備的測距精度可能需要提高到厘米量級。

將地面測控設備測距精度提高到厘米量級，需要從隨機誤差和系統誤差2個方面進行考慮。降低測距隨機誤差可以采取提高處理信號信噪比、減小輸出帶寬和增加測量信號帶寬等手段，本文暫不做進一步討論。單就系統誤差來說，目前的測距系統一般是在工作前對設備距離零值進行標定，工作期間不再做實時標定，這樣，距離零值測量誤差及距離零值在工作期間的漂移成為測距系統的系統誤差。

擴頻系統由于具有一定的抗干擾抗截獲能力、碼分多址能力、兼顧較高測距精度與較大的無模糊距離的能力等優點[1,2]，目前被較多地應用于航天測控系統。本文針對擴頻測控系統中的系統誤差，首先介紹了距離零值標校方案，具體分析了地面測控系統中信道設備引入的測距系統誤差，并提出利用自校準鏈路完成信道設備距離零值的實時標校；探討了自校準鏈路設計時需要注意的一些問題，并對自校準設備引入的系統誤差和隨機誤差做了較為深入的分析。

1距離零值標定及自校準鏈路構成

無線電測距系統中，距離零值的標定精度直接影響著最終的測距精度，因此是一項很重要的工作。

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

標校塔距離零值標定只能在系統對星工作前進行，無法實時監視設備鏈路帶來的距離零值的變化。

偏饋天線距離零值標定方案和射頻有線距離零值標定方案則可以實時監測地面測控設備鏈路時延的變化，均可以看做是測控系統引入了距離零值自校準鏈路，在設備對星工作的同時可以實現設備零值的實時標定。圖1中二選一選擇開關如果選擇虛線輸出，則為射頻有線距離零值標定，否則為偏饋天線距離零值標定。

圖1　距離零值自校準鏈路構成

偏饋天線距離零值標定[3]可以實現包括“測距終端→發射分系統→天線→高頻接收分系統→測距終端”整個地面測控設備環路的標校，但是由于電磁波傳播的近場影響，測量結果有一定偏差，目前得到的精度一般在米量級。

射頻有線距離零值標定無法完成高功放耦合口→天線→低噪放耦合口路徑信號時延的標校，只能實現包含“測距終端→發射分系統→高頻接收分系統→測距終端”在內鏈路的有線射頻部分零值的標校，但是可以實現較高精度的零值測量。

在高精度測距系統中，3種零值標校方案可以互相補充，互相驗證。

2設備鏈路對測距精度的影響

2.1天線引入的距離零值變化

天線部分對系統測距精度的影響主要包括2個方面：① 天線相位中心相對于大地參考點的偏差；② 溫度變化對饋源網絡的影響。第①項指由于環境溫度變化、基礎形變、風載荷影響、自身重力載荷影響、結構件老化形變和天線俯仰角變化等因素導致天線相位中心的變化，進而使得天線相位中心參照于大地參考點產生偏差。第②項指由于環境溫度變化，使饋源網絡結構及其器件發生形變而導致的饋源網絡時延的變化。

饋源網絡結構較為復雜，電磁波在其中傳輸會遇到各種反射和耦合作用。當溫度變化時，饋源網絡的結構形變很難進行定量分析計算。可采用溫變試驗的方法進行分析。將待測饋源網絡放置在溫箱內，調節溫箱溫度，利用矢量網絡分析儀實時測量不同頻率饋源網絡隨溫度變化的時延值或相位值。

根據某實測饋源網絡，當溫度由-40～60 ℃變化時，饋源網絡中有/無濾波器是的群時延變化分別為0.04 ns/0.09 ns，分別對應距離值1.2 m/2.7 m。可見，濾波器是造成饋源網絡時延變化幅度較大的主要因素。在工程應用中，一方面采取措施使濾波器工作環境溫度相對恒定，一方面可以通過自校準鏈路完成饋源網絡距離零值的實時標校。

2.2模擬信道設備引入的距離零值變化

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

2.2.1濾波器

濾波器群時延的變化分為2種:① 群時延曲線形狀的變化：對于擴頻測控系統而言，影響測距零值的是信號帶寬內群時延曲線的綜合反映，群時延曲線的非線性將降低接收信號的載噪比，進而加大測距隨機誤差。器件群時延曲線形狀的變化特性難以預知,與外部環境和元件老化有直接關系。② 群時延大小的變化。在某工程[1]中曾經做過長時間的系統距離穩定性考核，在24 h內，環境溫度從5 ℃變到45 ℃，距離均值變化達到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。在高精度測距系統中，放大器的非線性也是引入測距誤差的主要因素之一。

帶通飽和放大器可以用一個無記憶非線性器件后接一個帶通濾波器來進行建模。若輸入信號為[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，也可以認為是幅度和相位畸變。信號經過非線性功放后，信號功率譜會發生明顯擴展，產生碼間干擾，使接收測距偽碼的相關峰值降低，從而加大測距隨機誤差。一方面，保證信號工作在放大器的線性區是減小放大器引入測距誤差的根本途徑；另一方面，自校準鏈路也可以監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 ℃電纜電長度變化與溫度近似為線性關系，近似可以認為溫度變化1 ℃，電纜的電長度變化為6 ppm。假設電纜的電長度為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，亦可采用自校準鏈路對電纜時延變化進行實時標校。

綜上，天線及模擬信道設備直接影響測距系統的系統誤差和隨機誤差。為了降低誤差，應盡量做到：① 增加信道帶寬，減小群時延及其變化；② 設計信號大小使系統工作在線性范圍；③ 采取溫度控制措施。在采取以上各項措施的基礎上，仍舊需要采用自校準鏈路，完成系統距離零值的實時標定。

3自校準鏈路設計及性能分析

3.1標校信號的選擇

標校信號的選擇考慮2個方面：信號形式和信號帶寬。對于擴頻測距系統，標校信號形式初步考慮以下2種方案：

① 直接利用發射偽碼信號作為標校信號，這樣標校信號與測量信號同帶寬，標校信號的時延波動直接反映測量信號設備零值的時延波動，但是必須注意發射偽碼與接收偽碼之間的碼間干擾對測距零值的影響。該方案由于信號帶寬受限于測量信號帶寬，所以要想獲得較高的測量精度，可能需要較長的檢測時間，同時或多或少會對測量信號造成干擾。

② 利用較測量偽碼帶寬寬得多的頻率梳信號，對測量信號設備零值的群時延特性進行擬合。該方案由于信號帶寬較寬，更容易獲得很高的測量精度。但是，該方案要求改造原設備使之增加信道帶寬，而且，由于標校信號帶寬和測量信號帶寬不一致，必須要求信道內群時延一致性良好，而且需要考察帶寬不一致情況下信道群時延測量結果的一致性。

3.2標校信號電平的確定

針對第1種方案，標校信號與設備實際接收信號相互之間的多址干擾經干擾抑制算法后，其相互影響可以通過等效載噪比來衡量[8,9]。設Cs為系統接收到的衛星返回的測距信號功率(簡稱衛星信號)，Cc為自校準鏈路標校信號功率(簡稱標校信號)，N0為噪聲功率譜密度，Q為抗干擾因子(對于BPSK信號，Q=1.5)，Rpn為偽碼速率，則衛星接收信號的等效載噪比可以計算為：