地球靜止軌道衛星精密擴頻測距方法

劉寧 劉浩杰

(1 中國空間技術研究院遙感衛星總體部,北京 100094)(2 中國空間技術研究院衛星應用總體部,北京 100094)

隨著用戶對高分辨率圖像需求的激增,遙感衛星分辨率大幅提升,為最大程度發揮高分辨率衛星效能,對圖像處理的目標定位精度提出了越來越高的要求。要實現高目標定位精度,除了衛星具備高姿態確定精度、控制精度等,還要對衛星進行精密定軌,因此需要依托精密測距作為技術手段。

常規航天擴頻測距通信系統采用的測距方法,其思路是測量收發測距偽碼之間的時延,即電波傳播時延τ,再通過無線電傳播速度計算得出傳輸距離[1]。文獻[2-5]中介紹了采用這一原理的4種測距方法——ESA多用途跟蹤系統(MPTS)測距、星上處理偽隨機碼測距、透明傳輸偽隨機碼測距和混合測距。文獻[6]基于該原理分析了相參擴頻測距、非相參擴頻測距的原理,分析了測距精度。文獻[7-8]對整個星地精密定軌系統的強抗干擾、高靈敏度捕獲等關鍵技術開展了研究。文獻[9]面向星間精密測距系統,開展了性能分析與測試。文獻[10-11]則是研究利用全球導航衛星系統進行定位的方法,面向的對象是低軌衛星。

上述研究的共同特點在于,沒有面向地球靜止軌道衛星提供一種能夠消除星上設備自身距離零值變化的方法,而實際在軌應用時自身系統誤差無法補償,從而造成整體測距精度不高。基于此,本文提出一種地球靜止軌道衛星精密擴頻測距方法,基于在軌自校正算法消除擴頻測距終端等星上設備的距離零值受頻率偏移、功率大小、尤其是溫度等多種因素的影響,補償系統誤差,僅保留隨機誤差,實現高精度測距。

1 精密擴頻測距方法

1.1 方法總體思路及流程

測距終端本身系統存在的時延所對應的距離值(即距離零值),會隨著各種因素的變化而波動,包括多次開關機一致性、測距信號的多普勒頻移、測距信號電平變化、上行測距信號數量變化、測距終端自身溫度變化等。針對外界因素變化帶來的距離零值波動,本文提出一種精密擴頻測距方法,在常規非相干擴頻測距系統的基礎上,增加自校模塊,用于檢測測距終端自身距離零值隨各種因素的變化值,并反饋合路至上行測距信號中,通過基帶模塊檢測這一自校值并進行對消,可有效消除距離零值波動,從而獲得高精度、高穩定度的測距值,為精密定軌的使用奠定條件。精密擴頻測距方法流程如圖1所示。

1.2 精密擴頻測距實現過程

無線電測距原理是測量無線電波的傳輸時延,地面測控站在使用偽碼測距方法實現雙程距離測量時,對距離時延的測量通常采用收發碼時延測量法,即:發射無線電波,然后測量由目標轉發回來的信號相對于發射信號產生的時延,從而計算出距離。實時星地總距離R與星地傳輸時延τ的關系為

R=τ·c/2

(1)

式中:c為無線電傳播速度。

在實際工程應用中,常規擴頻測距方法在軌全壽命周期均使用發射前裝訂的測距零值參數,該值為一個固定值,在軌無法實時檢測出星上設備自身測距零值的變化,而距離零值本身會隨著器件老化、功率大小、尤其是溫度的變化而變化,由此導致了常規擴頻測距方法的測試結果中包含了上述變化帶來的誤差且無法消除。相較于常規擴頻測距方法,精密擴頻測距方法的創新之處在于:設計基于自校模塊的在軌補償機制,自校模塊主要實現基帶自校信號與接收發射通道的自閉環功能,將上行信號和下行反饋信號合路送入自校通道,自校通道可以獲取星上測距終端自身發送的碼相位和載波頻率,對上下行信號進行解算得出自校值并通過下行測量幀下傳至地面,地面再利用自校值獲取星上測距設備的最新距離零值,該零值是消除了器件老化及測距值隨溫度變化、信號強弱、通道多少、多普勒頻偏等多種因素影響的星上實時零值,從而實現高精度測距功能。同時,自校值本身為緩變參數,可以進行長時間累加,可以進一步提高測量精度。

精密擴頻測距方法實現步驟如下。

(1)在鎖定跟蹤正常情況下,在T1時刻地面測距終端產生偽隨機碼序列,調制到載波向衛星發射的同時,鎖存發碼初始狀態并開始對發碼鐘計數。

(2)T2時刻,T1時刻所發測距序列由星上碼環跟蹤鎖定,同時星上碼產生器生成一同步于上行碼序列的下行碼序列,并調制到下行載波發射。此處,衛星接收的上行碼與轉發的下行碼是相干的,下行碼鐘頻率和碼相位均與上行碼同步變化。

(3)在地面站,碼環對下行碼序列跟蹤鎖定,并將收端碼產生器的狀態不停地與鎖存的發碼初始狀態進行比較。當地面接收到衛星下發的測距序列后,便對接收測距序列進行平滑,同時進行與發送測距序列的時域互相關運算,當收發碼相位匹配準確、形成相關峰值時,由偽碼測距終端根據平滑后的測距碼接收時刻T3和測距碼發送時刻T1,計算收發碼時延,見式(2)。

τ=T3-T1=[N+Δφ/(2π)]Tcode

(2)

式中:N為碼鐘周期數;Δφ為收、發碼鐘相位差;Tcode為發碼時鐘。

實時星地總距離值為

R=τ·c/2=[N+Δφ/(2π)]Tcode·c/2

(3)

采用滿足長度要求的偽碼直接解距離模糊,單程距離模糊度為

D=(L/Rcode)·c/2

(4)

式中:L為偽碼長度;Rcode為偽碼碼速率。

由式(2)可知,距離時延值是靠測量收、發碼鐘相位差Δφ實現的,因此偽碼測距的精度由測距偽碼碼速率和相位測量精度決定,碼速率越高,相位測量精度越高,時延測量精度就越高。由式(4)可見,測距模糊度取決于偽碼長度和偽碼速率。若信息碼與偽碼時鐘相干,也可采用數據幀解距離模糊,此時,式(4)中的L/Rcode則被數據幀周期替換,實際工程中數據幀周期一般為500ms,對應的模糊距離高達75000km,可以滿足非深空探測類航天器的所有應用。

(4)星地距離真值Rreal計算。其中,R′代表星上測距終端的實時自校值,其值等于衛星在軌初值Ro疊加在軌運行后產生的距離零值偏移量ΔR。

Rreal=R-R′=R-(Ro±ΔR)

(5)

能夠獲取到R′的實時測量值,用于消除未知的ΔR,是本文精密擴頻測距方法相對傳統擴頻測距方法的一個重要特征。

2 實例驗證

為了驗證精密擴頻測距方法對系統測距精度的提升程度,利用高軌遙感衛星的星載測距終端與地面精密擴頻測距系統開展星地試驗。精密擴頻測距終端除了常規的接收通道、發射通道、數字基帶和外圍的功率放大器之外,還配置了自校模塊。精密擴頻測距終端組成如圖2所示。

圖2 精密擴頻測距終端Fig.2 High-precision spread spectrum ranging terminal

精密擴頻測距終端的核心組成是自校模塊,其原理框圖如圖3所示。

注:TTL為邏輯門電路。圖3 自校模塊原理框圖Fig.3 Principle of automatic correction module

地面發送的上行信號送入擴頻測距終端作為上行輸入信號組成1,下行輸出信號經下行濾波器濾波后再送入耦合器,耦合器的一個端口輸出至功率放大器往地面發送,另一端口輸出至隔離器,再經過程控衰減器設置適當的衰減值進行衰減,同時將下行頻率變頻至上行頻率,作為上行輸入信號組成2,兩者經過合路器合路后送往接收前端進行濾波、隔離等處理后送入數字基帶模塊。在數字基帶內,通過載波平滑偽距技術計算得出高精度的自校信號距離零值,并將之填充至國軍標GJB8086-2013中規定的測量幀第36字至第44字,下發至地面用于獲取星載測距終端實時測距零值。根據擴頻測距終端在軌工作實際,為減小反饋回的自校信號對常規上行信號的影響,通過軟件設置將自校信號功率調整至測距終端工作電平范圍內的合理值,這樣既能保證自校值發揮作用,又能確保不與常規上行信號互相干擾。

試驗中,對測距精度受上行接收功率大小和溫度變化的影響進行了研究。試驗測得的測距值與上行接收功率和溫度的關系如表1和圖4所示。

表1 不同上行接收功率、溫度條件下的測距值Table 1 Ranging values under different up-link power and different temperature conditions m

圖4 測距值隨溫度和上行接收功率變化Fig.4 Ranging value changing with temperature and up-link power

由表1和圖4可知:測距值隨接收功率的影響程度較小,變化范圍在2cm以內;溫度變化導致的測距值變化程度較大,最大值為25cm。為更好地體現精密擴頻測距方法的優勢,設計對比參照試驗。對比試驗時將自校模塊關機,僅采用常規擴頻測距方法,上述2項因素引起的測距值變化最大值為4.63m。

可以看出:精密擴頻測距方法提升了星上測距終端測距精度約20倍。

精密擴頻測距系統工作環境溫度變化時,由于內部濾波器的群時延存在隨溫度變化的特性,其自身距離零值也會產生波動,尤其在溫度低于0℃時,測距值發生明顯劇烈的變化(變化幅度超過20cm,精密定軌工程要求不超過5cm)。鑒于此,本文建議在工程實現時對精密擴頻測距終端的在軌溫控條件提出約束,確保終端工作在0～50℃,由表1數據可知,此時測距精度可由25cm優化至4cm。以在軌的高軌遙感衛星為例,冬至時精密擴頻測距終端出現低溫工況,衛星偏航動作后溫度經歷從高到低或從低到高的變化過程,最快溫度變化速率為7.2℃/h,在2天中,溫度變化范圍為6.14～31.02℃,變化過程如圖5所示。由上述分析可知,在實際使用場景下,精密擴頻測距系統的溫度條件可以滿足保測距精度的要求。

圖5 精密擴頻測距系統在軌工作溫度Fig.5 In-orbit operating temperature of high-precision spread spectrum ranging system

3 結束語

本文針對高軌衛星精密定軌需求提出一種精密擴頻測距方法,基于在軌自校正算法補償系統誤差,消除上行功率大小和溫度變化對測距值的影響,提升測距精度。在軌測試結果表明:本文方法可以有效消除系統誤差,將測距精度提升約20倍。后續將面向星載設備典型工作溫度范圍(-15～+50℃)研究低溫條件下保測距精度的算法,提升精密擴頻測距系統的溫度適應性。