采用差頻測相技術的高精度測距系統(tǒng)研究

薛敏彪，趙雪紅，黨 群

（西北工業(yè)大學365研究所，陜西 西安710065）

采用差頻測相技術的高精度測距系統(tǒng)研究

薛敏彪，趙雪紅，黨 群

（西北工業(yè)大學365研究所，陜西 西安710065）

針對無人機著陸引導系統(tǒng)測距精度低的問題，采用了一種基于應答方式的差頻測相的測距方法。通過對差頻測相方法的詳細分析，結合無人機著陸引導系統(tǒng)中測距精度的要求，實現(xiàn)了無人機高精度無線電測距系統(tǒng)的設計，并對該測距系統(tǒng)的主要誤差進行分析，提出了相應的解決方法。與當前無人機無線電原有測距方式相比，可將測距精度提高一個量級，使系統(tǒng)測距誤差由米級降至分米級，滿足了無人機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

隨航空和航天技術的迅速發(fā)展，人類對測距精度的要求越來越高。在無人機無線電著陸引導系統(tǒng)中，著目前對于無人機距離測量的精度要求高達分米級，而當前無人機測距方法通常是通過測量時差獲得待測距離，測距精度通常只能達到米級，因此時差測量難以滿足上述精度要求。由于相差測量比時差測量具有更高分辨率，所以在高精度距離測量方面，相差測量技術得到了廣泛應用。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。差頻測相技術是實現(xiàn)相差測量的關鍵技術。文中在原有的測距方法基礎上，提出一種新的高精度測距方法，該方法采用差頻測相技術來測得相位差，進而得到高精度距離的測量，為無人機著陸過程中提供高精度距離信息。

1 測距系統(tǒng)

無人機著陸引導系統(tǒng)是用無線電設備使無人機安全著陸的導航系統(tǒng)，它能提供精確的著陸方位、下滑軌道和距離等引導信息，依據(jù)這些信息無人機能對準跑道，按給定的下滑角進場和自動著陸。在無人機著陸引導系統(tǒng)中，測距技術是決定引導成敗的關鍵技術之一。

無人機無線電測距通常采用基于應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延得到距離。實際系統(tǒng)中將無線電波作為載波，調(diào)制測距偽碼信號，進行精密測距，其測距系統(tǒng)框圖如圖1所示。

從上圖可知，地面著陸引導系統(tǒng)發(fā)送信標信息至無人機機載應答機，無人機機載應答機接收到信息后發(fā)送應答信號至地面著陸引導系統(tǒng)，地面著陸引導系統(tǒng)將接收的測距偽碼應答信號與原發(fā)射的測距偽碼信號進行相位比較，測定出兩者之間的相差，從而得到發(fā)射偽碼信號與接收偽碼應答信號之間的時延Δτ，實現(xiàn)地面著陸引導系統(tǒng)與無人機機載應答機之間的距離測量。因此待測距離為

圖1 無人機無線測距系統(tǒng)框圖

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

無人機起降著陸系統(tǒng)中對測距的精度要求達到分米級，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—差頻測相技術，可實現(xiàn)無人機起降著陸系統(tǒng)中高精度測距要求。

1.1 采用差頻測相技術的相位測量系統(tǒng)

在無人機無線測距系統(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。如果直接對高速率偽碼信號進行相位測量，會增加電路復雜度，難以實現(xiàn)高精度的距離測量。采用差頻測相可以將高速率信號變?yōu)榈退俾市盘枺以摰退俾市盘柸员Ａ袅嗽咚俾市盘栂辔恍畔ⅲ虼艘子谶M行相位測量，實現(xiàn)高精度測距。

差頻測相原理就是將發(fā)端信號和收端信號分別與本地振蕩器輸出信號進行混頻，然后經(jīng)低通濾波得到相應的差頻信號，對差頻信號進行放大整形處理后進行測相，獲得這兩路信號的相位差，從而獲得待測距離。通過差頻處理后信號頻率降低，相應地信號周期增大，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。

設發(fā)端偽碼時鐘信號（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：

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鐘信號：

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

參考信號：

測距信號：

由以上公式可得出結論，混頻濾波后參考信號和測距信號的相位差等于混頻前發(fā)端偽碼信號和收端偽碼信號的相位差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關系得知，差頻信號的頻率 ωc=ωs-ωi約為 ωs/1 000，因此極大地降低了正弦信號頻率，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的相位差，實現(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放大整形后獲得兩路方波，然后對方波進行處理求得相位差。

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st2與測距信號sr2分別進行處理得到對應的方波（同頻）信號，然后通過參考信號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)過對應于相位差Δφ的時間段后，測距信號sr2方波的下降沿觸發(fā)檢相觸發(fā)器的復位端輸出低電平，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應的。觸發(fā)器處于置位狀態(tài)時，填充脈沖Cp通過門1進行計數(shù)；觸發(fā)器處于復位狀態(tài)時，Cp不能通過門1，計數(shù)器記下觸發(fā)器處于置位狀態(tài)時的填充脈沖數(shù) （單次）。設計數(shù)器記錄的單次脈沖數(shù)為m，則相位差：

其中：ωc、fc分別是參考信號和測距信號的角頻率和頻率；t為觸發(fā)器置位時間；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。

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

設Th內(nèi)測相次數(shù)為K，則

其中：Tc=1/fc，Tc為參考信號和測距信號的周期。

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頻率將會發(fā)生漂移，差頻信號經(jīng)放大整形后獲得的方波信號就會產(chǎn)生變化，從而產(chǎn)生誤差[7]。測距系統(tǒng)在選用儀器時，選用高精度、高穩(wěn)定度的溫度補償晶體振蕩器，通過它產(chǎn)生穩(wěn)定的主振信號，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穩(wěn)定，通常可以使差頻的穩(wěn)定度達1/105，減小差頻誤差。

2.2 幅相誤差

由于收端信號受到各種噪聲和大氣抖動等因素的干擾，使其幅度發(fā)生變化而導致測距誤差。實際上，收端信號的幅度變化通過直接影響測距信號幅度的變化，引起測距信號和參考信號的幅值相差較大 （相應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增益控制部分[15]，改善參考信號和測距信號的幅度大小，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 計數(shù)誤差

數(shù)字測相時，在門控時間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，填充脈沖通過與門不能正常的觸發(fā)計數(shù)器進行計數(shù)，從而產(chǎn)生了計數(shù)誤差。一般來說，可能產(chǎn)生個的計數(shù)脈沖誤差。目前通過增加門控信號脈沖寬度，即通過多次測量取平均值，減少誤差。

3 結束語

為了提高無人機起降著陸系統(tǒng)中的測距精度，提出一種采用差頻測相技術的高精度測距方法。詳細闡述了測距系統(tǒng)原理，通過采用差頻測相技術和數(shù)字測相技術完成高精度相位測量，分析了差頻測相技術所產(chǎn)生的幾個主要測距誤差，并提出了相應地解決方法，可實現(xiàn)無人機起降著陸系統(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：201606149

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