臨近空間飛行器交會對接地面仿真技術研究

曹振寧，孫琳琳

（南京理工大學電子工程與光電技術學院，江蘇南京210094）

兩個航天器在空間進行交會對接的過程，實際上是精確測量與控制的過程。測量系統的作用是適時向制導、導航和控制系統提供兩航天器之間的相對運動信息，如兩航天器之間的相對位置、相對速度、相對姿態以及它們的變化率。過程要確保高精度、多自由度控制，同時還要保證任何情況下兩個航天器不能發生碰撞。

目前的研究方法基本都是通過地面仿真進行各種控制方案的可行性研究，選擇最佳方案，然后再對它的硬件進行半實物和全物理系統仿真實驗，確保系統的技術性能和可靠性完全達到合格的上天要求。本課題主要涉及的是兩個航天器之間的測量與通信。

1 參數模擬

1.1 初始距離

距離的模擬通過在基準時刻的控制下，調整信號的發送延時模擬收發信號間的距離變化來實現。在微波雷達中，信號的碼元速率為10.23 Mcps，碼片周期對應的傳播距離為：

考慮到模擬精度為0.005 m，不能直接采用系統時鐘的調整實現距離的動態模擬，需要通過碼片內相位的調整實現距離模擬，模擬精度對應的碼片內的相位精度為：

可以看出，為達到0.005 m級精度，需將碼片分為5 866個子碼片，至少采用13位量化。由于采用子碼片來調整輸出信號的延時，使得輸出信號對齊的秒脈沖與實際接收信號存在最大半個主時鐘的差異。實際中，使用Chip相位和碼片內相位（16位量化）共同決定輸出偽距。通過底層寄存器控制，設定初始距離。

1.2 速度模擬

為了保證測量精度，速度的測量采用信號的多普勒實現，速度的模擬精度取決于多普勒頻移的模擬精度，根據多普勒頻移與速度的關系，保證0.001 m/s的速度模擬精度對應的頻率模擬精度為：

考慮到系統時鐘為82 MHz，根據計算至少采用30位量化。實際實現中，使用32位的碼元多普勒量化來模擬多普勒變化。

1.3 角度與載波相位

根據要求，角度的模擬精度為0.005°，角速度的模擬精度為0.000 1°/s，顯然應選擇角度的模擬精度為0.000 1°。

根據系統設計，天線陣的基線長為λ、13λ。那么，在70°方向上，角度偏差0.000 1°時，天線間的距離變化最小，此時，λ基線下天線間相對距離變化對應的相位變化為：

即，相位的模擬至少需要21位量化精度。

2 仿真場景

此部分包括預先設定靜態場景與動態場景。靜態參數的模擬主要包括：固定的距離、速度、角度模擬。各發送通道預先設定固定的碼元和載波多普勒，則該模擬就可實現。

動態場景主要考慮航天器動態、天線面跟蹤移動、天線布局方向圖增益等多種因素對主輔機測量的影響。其配置途徑分別為：

1）由外部輸入或本地產生的一組序列，生成由該序列描述的空間軌跡，該序列中的采樣點描述了飛行器的空間位置；

2）由外部輸入或本地產生運動特性參數，生成指定的動態場景。

天線布局和方位圖增益包含兩種情況:

1）單饋源方向圖數據，應用于初捕獲階段，主要為角度增益數據；

2）干涉儀陣型數據，包括多幅天線的布局數據，每副天線的角度增益數據，應用于擴頻通信階段。

此外，動態模擬需要考慮以下的影響：

1）動態數據的實時性影響模擬，須在有限的離散間隔內完成獲取、運算和控制。

2）當兩個航天器距離較近時，在角度測量模擬時，應考慮距離“三角形”關系。

3）運動模擬中修正碼元多普勒和載波多普勒間隔將直接影響到模擬精度。

4）為了減小碼元多普勒及載波多普勒的結尾誤差長時間造成的積累誤差，需要在一定時間（s級）進行離散誤差的修正。

3 模擬誤差分析與模擬仿真

3.1 距離誤差分析

靜態信號模擬誤差主要由硬件電路設計的信號分辨率引起，由設計中信號表示有效位數的選取決定，考慮到非同步點的累積效應，擬采用40位表示載波和碼元速率。

根據系統的工作頻率和載波頻率以及碼元速率的表示，靜態誤差分別為：

碼元速率誤差：

考慮擴頻碼元相位的誤差為：

對于非準確頻率點，靜態信號1S時的最大理論累計測量誤差為0.005 5 ns，約0.001 65 m。系統的最大誤差不超過0.001 65 m，遠小于測量精度的要求，滿足測試的需求。

對于動態誤差，由于誤差的隨機性與實時誤差修正技術，消除了設置誤差帶來的影響，相對于靜態誤差，動態誤差可以忽略不計。

綜上，采用載波或者碼片測量時，系統的設計均可以保證信號的誤差不超過0.005 m。

3.2 速度誤差分析

因為速度測量主要由多普勒積分實現，模擬信號的相位差直接影響信號速度的測量。

根據系統設計，載波頻率誤差為：

故在30 GHz頻段上，最終的測速誤差為：

顯然，在采用多普勒測速的情況下，也可以保證速度模擬誤差優于0.001 m/s。

3.3 角度與角速度誤差分析

角度與角速度的模擬誤差由載波相位的誤差決定，系統的載波相位誤差為：

對應角度模擬誤差約為：5.48×10-8°。

3.4 載波與碼元動態關聯仿真結果

系統的同源時鐘讓載波和碼元頻率嚴格對應，因此可以使用載波多普勒為基礎計算碼元多普勒，減小參數計算單元的交互數據量。

載波多普勒量化精度與載波NCO一致，考慮到實際的載波多普勒精度，仿真和實現中均采用32位表示，頻率表示范圍約為±160 kHz。

載波多普勒到碼鐘多普勒的比例因子采用16位表示，根據計算為51 300，計算結果通過定標完成碼鐘多普勒的計算。

根據系統采樣時鐘，可以計算出載波和碼鐘多普勒的量化精度優于0.000 075 Hz。

圖1 引入距離誤差后的仿真結果

圖1和圖2分別給出了碼鐘多普勒引入距離誤差和角度誤差的統計仿真結果。

圖3和圖4分別給出了接收端擬合的距離和角度誤差統計仿真結果。

3.4.1 實時誤差修正下的系統性能

根據圖1、圖2，隨著更新時間的增加，仿真的信號的角度誤差和距離誤差也在累加。因為實際的仿真時間要大于2個小時。根據100 ms的仿真數據，2小時后的距離誤差的標準差超過了50 m，不能滿足系統要求。

圖2 引入角度誤差后的仿真結果

圖3 接收端引入角度誤差仿真結果

圖4 接收端引入距離誤差仿真結果

實際上，載波和碼鐘的多普勒由應答機與主機的相對距離計算獲得的，在不同的仿真軌跡點可以進行距離補償實現長時間仿真累積誤差的消除。圖5和6給出了10 ms更新時間下采用實時誤差校正時載波多普勒引入角度誤差和碼鐘多普勒引入的距離誤差標準差統計仿真曲線。

圖5 10 ms更新時間下距離誤差

圖6 10 ms更新時間下的角度誤差

圖7 10 ms更新時間下碼鐘多普勒獨立采用實時誤差校正

由圖可見，實時誤差修正下消除了載波多普勒引入角度誤差的時間累積，但碼鐘多普勒[17-18]引入距離誤差仍有一定的累積效應。因為實時誤差校正主要針對距離誤差對載波相位的影響，故這里需要進行碼元多普勒的單獨計算。

3.4.2 載波與碼元動態非關聯仿真

圖7給出了10 ms更新時間下碼鐘多普勒獨立采用實時誤差校正時引入的距離誤差統計仿真的標準差曲線。

顯然，針對碼元相位直接修正，消除了長時間累積的影響，實現了長時間仿真時距離仿真誤差不累積。

4 結束語

臨近空間飛行器的發展對于未來空天一體化作戰、防空防天反導都將產生革命性的影響。而系統仿真是研究交會系統的重要手段。文中討論了交會對接之中主輔機之間的距離、速度、角度等參數的模擬方案，并描述了仿真的場景，進行了誤差的分析。

實驗結果表明，采用比例因子關聯載波與碼元動態的方案具有較高的模擬精度，但模擬誤差不能完全消除，故為了兼顧載波相位和碼元相位的模擬精度，采用直接計算載波與碼元動態的方案，利用模擬距離計算載波和碼元動態，并加入動態補償，消除了結尾誤差的影響，證明了方案的可靠性。

[1]高珊.航天器交會對接相對導航與控制技術研究[D].南京：南京航空航天大學，2011.

[2]周建平.載人航天教會對接技術[J].載人航天，2011（2）：1-7.

[3]王亞飛，李德智.臨近空間飛行器電子偵察中的應用研究[J].航天電子對抗，2009，4（25）:18-21.

[4]白玉鑄，陳小前，李京浩.載人登月自由返回軌道與Hybrid軌道設計方法[J].國防科技大學學報，2010，32（2）:33-39.

[5]林來興.空間交會對接技術[M].北京:國防工業出版社，1995.

[6]尤超藍，洪嘉振.空間交會對接過程的動力學模型與仿真[J].動力學與控制學報，2004（2）:23-28.

[7]季啟明，張利文.天宮一號和神舟八號將于今年下半年發射[J].中國航天，2010（6）：21-25.

[8]王承財.交會對接地面仿真控制系統設計與實現[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2011.

[9]陳小平.航天器自主交會對接導航與控制關鍵技術研究[D].成都：電子科技大學，2012.

[10]朱朝暉，勵吉鴻.空間對接機構自動對接控制方案[J].載人航天，2011（4）:24-27，47.

[11]馬一科.飛行器交會對接若干控制問題的研究[D].合肥：中國科學技術大學，2014.

[12]薛永江，李體方.臨近空間飛行器發展及關鍵技術分析[J].飛航導彈，2011（2）：32-36.

[13]郭蓬松，商長安，龍光正.臨近空間平臺反隱身飛機對策研究[J].飛航導彈，2010（8）:52-55.

[14]寶音賀西，李京陽.載人登月軌道研究綜述[J].力學與實踐，2015，6（37）:666-671.

[15]朱仁璋.中外交會對接技術比較研究[J].航天器工程，2013，3（22）：8-15.

[16]張祖鶴.載人登月綜合任務窗口問題的研究[D].長沙:國防科學與技術大學，2012.

[18]李爾效.一種改進的多普勒雷達復相關算法[J].電子科技，2015，28（12）:56-58.

[19]余光華.一種大規模網絡數據緩存方法的改進[J].西安工程大學學報，2016，30（4）:504-509.