基于多鏈路聯解的擴頻系統零值測量方法

李增有 盧尚明 張勝

摘要：新一代高精度測定軌系統要求地面測控設備零值測量精度達到厘米量級，與目前測控通信領域典型的測距零值標定殘差工程指標相比提高了約2個數量級。提出了一種基于多鏈路聯合解算的擴頻測控設備距離零值標定方法，可以解決傳統的分段標校方法帶來的誤差累計。理論分析和外場測試驗證標校精度可達到厘米量級，精度優于0.02 m

關鍵詞：擴頻測控；標校；應答機；距離零值

中圖分類號：TN95文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2021）24-59-5

0引言

傳統的基測控裝備由于采用了大口徑天線，系統距離零值標定通常是基于校零變頻器對塔的方式來間接完成[1-2]。塔上設備包括標準喇叭、射頻電纜、環形器及校零變頻器等。在距離零值標定過程中需要根據設備不同工作狀態記錄對應的零值，包括不同溫度、不同頻段、同頻段不同頻點、不同極化及不同收發電平等[3]。為達到厘米量級的的校零殘差，在實際操作中，需要高精度測量的項目包括：①精確標定拋物面天線三軸中心和標校塔校零天線相位中心的空間距離；②精確標定塔上設備零值，包括標準喇叭、射頻電纜、環形器及校零變頻器。

傳統標校的空間距離扣除方法誤差可達米量級，且多采用分段標校的方式獲取塔上設備零值。分段標校獲取塔上設備零值帶來的主要問題是多個器件獨立測量，如何分離每個獨立器件的起止點，以及其間連接電纜的處理會引起誤差累計。根據相關文獻資料查詢結果，目前工程上仍缺乏塔上設備整體零值高精度標定方法[4-5]。此外，變頻器件的群時延測量也是工程測量的難點。本文針對基于非相干擴頻測量體制的高軌衛星測軌系統厘米級零值標定需求，提出了一種多鏈路聯合解算設備零值的方法，解算地面測控設備和塔上校零變頻設備的零值，解算精度達到了厘米量級。

1需求分析

1.1非相干擴頻測量體制工作原理

隨著擴頻體制在衛星測控領域的推廣應用，相繼出現了相干模式和非相干模式2種擴頻測控方式[6-7]。擴頻測控的相干模式是采用抑制載波調制的偽碼相干轉發方式進行測距，地面接收下行偽碼與上行偽碼比較解得星地距離，遙控指令和遙測數據均采用偽碼擴頻調制方式。非相干模式采用測量幀結構，幀內所傳信息是測距信息，上行測量幀僅用于解距離模糊，下行測量幀調制應答機狀態信息、上行偽距、偽多普勒測量信息及星上時間采樣信息等。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后進行解擴、解調、幀同步提取得到下行測量幀同步信號，再利用下行幀同步對自身形成的上行信號采樣，提取幀計數、位計數、擴頻偽碼計數、碼相位，并采樣下行多普勒值等測量信息。地面對衛星傳送下來的星上上行偽距、偽多普勒測量值、時間采樣值和地面測得的下行偽距、偽多普勒測量值、時間采樣值進行計算，完成測距、測速、時間差測量。

根據上述非相干擴頻測控原理，上下行鏈路偽距測量獨立不相關，正是基于該特點，可以采用有別于常規分段標校的思路，利用多鏈路聯合解算的方法，建立多個測距方程，實現鏈路構成結點設備的距離零值高精度解算。

1.2多鏈路聯合解算技術需求

系統采用非相干擴頻測量體制，要求實現高軌衛星事后米級、實時十米級的高精度測定軌能力[8-9]，系統零值標定殘差要求達到厘米級，相對于目前測控通信領域典型的測距零值標定殘差工程指標米量級要求提高了2個數量級[10]。基于該需求，提出了一種多鏈路聯合解算設備零值的方法，可以整體解算地面測控設備和塔上校零變頻設備的零值，解算精度達到了厘米量級。在本文所設定的試驗條件下，解算精度優于0.02 m。

2多鏈路聯合解算方法

2.1基本原理

利用非相干擴頻測量模式上下行鏈路的獨立性，基于校零變頻器和高精度聯試應答機構建立3條獨立的無線測量鏈路，建立3個關系式來聯合解算地面測控設備零值、校零設備零值、高精度聯試應答機零值。多鏈路聯合解算設備零值原理如圖2所示。

實際應用中，應答機天線可能存在收發天線分置情況，如圖3所示，與收發天線公用相比，原理和解算方法基本一致，區別在于空間距離零值的扣除上以及應答機零值參考點表征位置的不同。

2.2關鍵技術

為了保證上述3個方程的準確性，在實際操作中，需要保證以下3個場景中設備零值的一致性控制。

（1）地面測控設備零值一致性控制

如圖4所示，地面測控設備分別與高精度聯試應答機、高穩定校零變頻器構成無線閉合鏈路，完成對應的收發延遲測量。2種測試場景中，區別在于地面接收的擴頻碼的不同。地面測控系統—高穩定校零變頻場景中，地面測控系統接收的是地面發射的上行偽碼，地面測控系統—高精度聯試應答機場景中地面測控系統接收的是應答機發射的下行偽碼，通過擴頻碼的選擇可以確保2種模式下，由擴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種應用場景中，地面測控系統采用同一個調制器和接收機，從而保證數字信號處理電路一致。同時，這2種方式對地面測控系統而言，上行鏈路頻點一致，下行鏈路頻點偏差可以控制在50 kHz以內，從而保證模擬信號傳輸路徑基本一致，因此在保證設備狀態一致的情況下可以保證地面測控設備零值一致。

（2）高精度聯試應答機設備零值一致性控制

高精度聯試應答機零值一致性控制如圖5所示，高精度聯試應答機下行信號的產生與上行的接收信號接收相互獨立。因此高精度聯試應答機基于下行信號通過校零環路可以完成自身零值的測量，其基本原理與地面測控設備對塔校零相同。同上，通過擴頻碼的選擇可以確保2種模式下，由擴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種應用場景中，高精度聯試應答機在信號處理中保持環路統一，從而保證數字信號處理電路一致。同時，2種方式對高精度聯試應答機而言，下行鏈路頻點一致，上行鏈路頻點偏差可以控制在50 kHz以內，從而保證模擬信號傳輸路徑基本一致，因此在保證設備狀態一致的情況下可以保證設備零值一致。

（3）校零變頻設備零值一致性控制

在圖6所示的地面測控系統—高穩定校零變頻場景中，高穩定校零變頻設備輸入頻段2 025～2 120 MHz，輸出2 200～2 300 MHz；高精度聯試應答機—高穩定校零變頻場景中，高穩定校零變頻設備輸入頻段2 200～2 300 MHz，輸出2 025～2 120 MHz，即高穩定校零變頻，需要分時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備零值的一致性，重點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。

互易混頻器的設計與實現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量混頻校準技術來確定，進而驗證混頻器的相位互易性。

3測試驗證

為了驗證上述技術的可行性，在試驗外場，搭建了S頻段無線試驗驗證系統。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。

地面設備零值標定主要步驟如下：

①地面站天線對準校零變頻鏈路天線建立閉環無線鏈路，得到閉環測距值，并通過全站儀測量空間距離。

②地面站天線對準高精度聯試應答機天線建立閉環無線鏈路，得到閉環測距值，并通過全站儀測量空間距離。

③校零變頻鏈路天線對準高精度聯試應答機天線建立閉環無線鏈路，得到閉環測距值，并通過全站儀測量空間距離。

④建立聯合解算方程，解算地面測控設備（含天線）、校零變頻鏈路（含天線）、高精度聯試應答機（含天線）距離零值。

在地面設備和應答機狀態不變的情況下，對2個校零變頻鏈路重復測量，測量數據如表1和表2所示。

從表1和表2所示測量數據可以看出，2種狀態下解算出的地面設備零值差異約1.1 cm，應答機零值差異約0.7 cm，校零設備零值差異約6.25 m，與矢網測量結果（差異約22 ns）相當。

在地面設備和校零變頻設備狀態不變的情況下，通過增加應答機設備零值（增加一段約2 m電纜）重復測量，2 m電纜測量數據及結算結果如表3所示。

對比表1和表3所測數據，2種狀態下解算出的地面設備零值差異約0.6 cm，校零變頻零值差異約1.2 cm，2 m電纜帶來的應答機零值變化約2.856 m。

在應答機和校零變頻設備狀態不變的情況下，通過增加地面設備零值（增加一段約2 m電纜）重復測量，地面測控設備增加2 m電纜測量數據及結算結果如表4所示。

對比表1和表4所測數據，2種狀態下解算出來的應答機設備零值差異約0.5 cm，校零變頻零值值差異約1 cm，2 m電纜帶來的應答機零值變化約2.86 m。

從上述3組測量數據可以看出，多鏈路聯合解算技術可保證擴頻測控設備距離零值標校優于2 cm的精度，且具有重復性。

4結束語

多無線測量鏈路聯合解算設備零值技術充分利用了擴頻模式2上下行鏈路獨立的特點，在傳統的地面站—應答機和地面站—校零變頻2條測距鏈路之外，構建了一條應答機—校零變頻測距鏈路來聯合完成零值解算。該技術可以同時整體解算地面設備、校零變頻設備、應答機整體零值，解算誤差由空間距離標定誤差和設備測距誤差決定。理論核算與試驗驗證，標校精度達到了厘米量級，在確保標定過程嚴謹、準確的條件下可以達到2 cm水平，可用于擴頻系統的高精度測距零值標定過程。

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