基于通信轉(zhuǎn)發(fā)器的擴(kuò)頻測距技術(shù)?

陳勇，陳菊，李廣慶

（1.宇航動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710043；2.西安衛(wèi)星測控中心，西安710043）

基于通信轉(zhuǎn)發(fā)器的擴(kuò)頻測距技術(shù)?

陳勇1，2，??，陳菊1，2，李廣慶1，2

（1.宇航動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710043；2.西安衛(wèi)星測控中心，西安710043）

針對航天器測控中利用衛(wèi)星通信轉(zhuǎn)發(fā)器實(shí)現(xiàn)多站測距進(jìn)行可行性分析，在擴(kuò)頻測距幀測距原理的基礎(chǔ)上，研究利用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器對上行測距信號變頻轉(zhuǎn)發(fā)來實(shí)現(xiàn)對星測距，同時(shí)對衛(wèi)星工程測控與應(yīng)用系統(tǒng)之間上下行鏈路功率分配、標(biāo)校方法、地面測量設(shè)備組成原理等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析論述。該測距方案突破了傳統(tǒng)多站測距時(shí)受衛(wèi)星應(yīng)答機(jī)配置數(shù)量的限制條件，實(shí)現(xiàn)多站同時(shí)測距后，可以提高測距精度和定軌精度，降低對設(shè)備測角精度的要求，減少測軌時(shí)間，有效緩解測控設(shè)備資源緊張的狀況，同時(shí)該測距方式還可作為應(yīng)答方式側(cè)音測距的有效技術(shù)備份手段。

衛(wèi)星測控；通信轉(zhuǎn)發(fā)器；擴(kuò)頻測距；定軌

1 引言

衛(wèi)星在軌運(yùn)行過程中，除了受到地球的引力外，還受到各種攝動力的作用，包括月球和太陽引力、地球非均勻球體引力勢、太陽輻射壓力等，攝動力使衛(wèi)星軌道的半長軸、傾角、偏心率等產(chǎn)生了線性或非線性漂移［1］。為了維持衛(wèi)星軌道，需要定期對衛(wèi)星進(jìn)行精確控制，而軌道控制的前提是地面測控設(shè)備對衛(wèi)星進(jìn)行外彈道測量以獲得準(zhǔn)確的軌道根數(shù)。

軌道測量是利用無線電測量設(shè)備跟蹤衛(wèi)星，測量瞬時(shí)位置矢量和速度矢量，解算出衛(wèi)星的軌道根數(shù)。不同的測軌方案對測量設(shè)備的測量時(shí)間和測量元素要求也不同。當(dāng)采用單站測軌時(shí)，要求測站連續(xù)跟蹤衛(wèi)星的一個(gè)軌道周期，測量元素必須同時(shí)包含距離和角度信息；當(dāng)采用雙站測軌時(shí)，可以在一個(gè)軌道周期內(nèi)選擇幾個(gè)弧段分時(shí)測量，每次幾十分鐘就可以滿足測軌時(shí)間要求，測量元素僅需要測距信息即可滿足定軌條件，無測角數(shù)據(jù)要求，這將大大降低測控天線的研制成本；當(dāng)采用三站測軌時(shí)，仍然在一個(gè)軌道周期內(nèi)選擇幾個(gè)弧段分時(shí)測量，但每個(gè)弧段測量時(shí)間可以由幾十分鐘降到幾分鐘，且只要有測距信息就可以完成衛(wèi)星定軌。

傳統(tǒng)的側(cè)音測距體制受到星載應(yīng)答機(jī)配置數(shù)量的限制，一般只能采用單站或雙站測軌方案，測軌會占用大量的測控設(shè)備資源，尤其在衛(wèi)星壽命末期，一旦應(yīng)答機(jī)出現(xiàn)故障后，將無法完成對衛(wèi)星的軌道測量，進(jìn)而影響應(yīng)用系統(tǒng)的正常業(yè)務(wù)。擴(kuò)頻測距具有抗干擾、精度高等優(yōu)點(diǎn)，航天測控中利用衛(wèi)星的通信轉(zhuǎn)發(fā)器，采用頻分復(fù)采用技術(shù)，在不影響衛(wèi)星正常通信業(yè)務(wù)的前提下，可以實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星的距離測量，采用多站測距可以實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星的軌道確定。

2 擴(kuò)頻測距原理

系統(tǒng)采用非相干偽碼擴(kuò)頻測距方式，上、下行信號采用測距幀結(jié)構(gòu)，上行測距幀調(diào)制上行偽距信息，由基帶自身形成的上行測距幀同步信息對上行測距幀和擴(kuò)頻偽碼進(jìn)行采樣，將測量幀位計(jì)數(shù)、擴(kuò)頻偽碼計(jì)數(shù)、碼相位等信息調(diào)制在上行測距幀上，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器收到上行信號后只進(jìn)行變頻和功率放大，不對測距幀處理，故上下行測距幀完全相同。多站測距時(shí)，各站之間上下行信號和測距幀完全獨(dú)立，相互之間不受影響。測距原理圖如圖1所示。測距信號流程如下：

圖1 擴(kuò)頻測距原理圖Fig.1 Schematic diagram of spread spectrum ranging

基帶生成上行測距幀PCM流，采用2n－1位短碼擴(kuò)頻后對載波進(jìn)行BPSK調(diào)制輸出70 MHz中頻載波，上行信道對中頻信號進(jìn)行上變頻、功率放大后經(jīng)天饋系統(tǒng)輻射到衛(wèi)星；

衛(wèi)星天線收到上行信號后，經(jīng)接收天線饋送到轉(zhuǎn)發(fā)器入口，經(jīng)過輸入預(yù)選器濾除掉無用帶外信號，有用信號輸入到接收機(jī)進(jìn)行低噪聲放大、變頻和高增益放大，下行信號經(jīng)發(fā)射天線傳回地面［2］；

地面設(shè)備接收到下行測距鏈路信號后進(jìn)行解擴(kuò)、解調(diào)、幀同步，利用收到的下行測距信息幀同步信息對上行測距幀采樣，得到測距幀計(jì)數(shù)、位計(jì)數(shù)、擴(kuò)頻偽碼計(jì)數(shù)、碼相位，與下行測距幀獲取的測距信息進(jìn)行比較計(jì)算得到星地空間距離。

式中，c為光速（單位m／s）；ΔT為測距幀星地傳輸時(shí)延（單位s）；Φup為上行測距幀頭產(chǎn)生時(shí)刻擴(kuò)頻碼相位；Φr為下行測距幀同步碼解調(diào)時(shí)刻上行擴(kuò)頻碼相位；Rpn為PN碼碼率（單位MHz）；RT為衛(wèi)星零值（單位m）；R0g為地面設(shè)備距離零值（單位m）。

3 測量精度比較

測量精度主要受隨機(jī)的和系統(tǒng)時(shí)間測量誤差所限制，這些誤差在測量測距信號往返時(shí)以隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差形式表示。

3.1 測距隨機(jī)誤差

測距隨機(jī)誤差主要由地面熱噪聲、測距量化誤差、主振器短穩(wěn)、主振器長穩(wěn)引入。

3.1.1 地面熱噪聲引入的隨機(jī)誤差（σR1）

非相干偽碼測距通過測偽碼整周數(shù)和偽碼相位的方式得到距離信息，應(yīng)答式側(cè)音測距通過測量測距音相位得到距離信息，地面熱噪聲會對偽碼碼環(huán)相位或側(cè)音環(huán)相位提取產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致距離誤差。跟蹤誤差為

式中，D為擴(kuò)頻碼元寬度或測距主音波長，Bn為碼環(huán)寬度，T為預(yù)檢測積分時(shí)間，T≤1／Rb，Rb為信息速率，C／N0為載噪比。

對于非相干偽碼測距，熱噪聲引起的誤差約為0.45 m；對于應(yīng)答式側(cè)音測距，熱噪聲引起的誤差約為13.6 m。

3.1.2 測距量化誤差（σR2）

相位提取是通過測量收發(fā)碼鐘DCO相位差，相位分辨率與DCO位數(shù)有關(guān)。如果DCO的相位為32

位二進(jìn)制碼時(shí)，測距量化精度引起的量化誤差可忽略不計(jì)。

3.1.3 主振短穩(wěn)引入的隨機(jī)誤差（σR3）

主振采用直接倍頻方式，其短穩(wěn)與10 MHz頻標(biāo)短穩(wěn)（2×10－11／20 ms）在同一數(shù)量級上，引起的測距隨機(jī)誤差可以忽略。

3.1.4 主振長穩(wěn)引入的隨機(jī)誤差（σR4）

主振長穩(wěn)同短穩(wěn)一樣，其長穩(wěn)與10 MHz頻標(biāo)長穩(wěn)（2×10－11／日）在同一數(shù)量級上，引起的測距隨機(jī)誤差非常小。

總的測距隨機(jī)誤差

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，非相干偽碼測距的系統(tǒng)隨機(jī)差約為0.45 m，應(yīng)答式側(cè)音測距的系統(tǒng)隨機(jī)差約為13.6 m。

3.2 測距系統(tǒng)誤差

測距系統(tǒng)誤差主要由基帶中頻濾波器時(shí)延變化、碼環(huán)跟蹤誤差、AGC放大器時(shí)延變化、信道時(shí)延變化和校零殘差引入。

3.2.1 發(fā)射、接收中頻濾波器隨溫度和時(shí)間變化而引入的時(shí)延變化（ΔR1、ΔR2）

基帶中頻濾波器帶寬為20 MHz，濾波器帶內(nèi)最大時(shí)延不超過100 ns，隨溫度和時(shí)間的相對變化率為10－3，在45℃溫度變化范圍引入時(shí)延變化

相應(yīng)距離誤差ΔR1＝ΔR2＝0.68 m。

3.2.2 目標(biāo)動態(tài)滯后碼環(huán)跟蹤誤差（ΔR3）

擴(kuò)頻碼跟蹤環(huán)或側(cè)音跟蹤環(huán)一般采用二階碼環(huán)，目標(biāo)加速度引起的動態(tài)誤差可用下式計(jì)算：

式中，a為目標(biāo)加速度，Bn為環(huán)路帶寬。同步衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)，載波多普勒變化率按6.25 kHz／s計(jì)算，目標(biāo)加速度a＝469 m／s2。對于非相干偽碼測距，ΔR3＝0.07 m；對于應(yīng)答式側(cè)音測距，ΔR3＝8.12 m。

3.2.3 AGC放大器時(shí)延變化（ΔR4）

接收信號電平變化引起AGC放大器時(shí)延變化取5 ns，對應(yīng)測距誤差ΔR4＝0.8 m。

3.2.4 校零殘差（ΔR5）

校零殘差包括設(shè)備零值變化、校零變頻器時(shí)延測試誤差及校零時(shí)空間測量誤差等，非相干偽碼測距方式下，校零殘差約為1.0 m；應(yīng)答式側(cè)音測距方式下，校零殘差約為6 m。

收發(fā)信道引起系統(tǒng)誤差ΔR6＝0.7 m；總的測距系統(tǒng)誤差

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，非相干偽碼測距的系統(tǒng)隨機(jī)差約為1.75 m，應(yīng)答式側(cè)音測距的系統(tǒng)隨機(jī)差約為10.2 m。

經(jīng)比較分析，采用非相干偽碼測距，系統(tǒng)差和隨機(jī)差均提高了一個(gè)數(shù)量級。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 電平分配設(shè)計(jì)

通信轉(zhuǎn)發(fā)器工作時(shí)，上行電平已達(dá)到飽和處于轉(zhuǎn)發(fā)態(tài)，工程測距鏈路電平設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮地面測站上行功率不會影響轉(zhuǎn)發(fā)器安全和用戶間的正常通信，同時(shí)接收到的下行測距信號功率滿足測距門限。

地面設(shè)備天線口面有效輻射功率按照使轉(zhuǎn)發(fā)器達(dá)到飽和電平的十分之一發(fā)射上行信號，三站同時(shí)測距使轉(zhuǎn)發(fā)器接收到的信號功率增加約1.14 dB，不會損害轉(zhuǎn)發(fā)器及衛(wèi)星用戶的正常通信。上行鏈路電平計(jì)算如下式所示：

式中，EIRPE為地面設(shè)備天線輻射功率（dBW）；Es為轉(zhuǎn)發(fā)器飽和通量密度（dBW／m2）；Le為發(fā)散損耗（dB·m2）；BI為轉(zhuǎn)發(fā)器輸入回退，取6 dB；BC＝10lg（BWxpd／BWc）為載波回退；LO為指向誤差、雨衰引起信號衰減，取2 dB。

地面設(shè)備收到的下行信號與衛(wèi)星EIRP值、空間損耗和地面設(shè)備G／T值有關(guān)，轉(zhuǎn)發(fā)器工作在多載波情況下，還需考慮轉(zhuǎn)發(fā)器回退和載波回退［3］。下行鏈路電平如下式所示：

式中，EIRPs為衛(wèi)星天線等效輻射功率（dBW）；BO為轉(zhuǎn)發(fā)器輸出回退；BC為載波回退；Lsp為空間損耗；G／T為地面設(shè)備品質(zhì)因素；LO為指向誤差、雨衰引起信號衰減，取2 dB；K為波爾茲曼常數(shù)，?。?28.6 dBW／Hz。

以赤道上空110°E位置通信衛(wèi)星為例，假設(shè)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器飽和通量密度為－90 dBW／m2，轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬為36 MHz，功放額定功率20 W，天線發(fā)射增益按23 dB估算，對于不同口徑天線的地面站上行功率設(shè)置和下行信噪比分別如表1所示。

表1 地面設(shè)備上下行鏈路電平Table 1 The uplink and downlink power level of gr ound equipment

由計(jì)算結(jié)果可知，以上3種不同口徑天線上下行電平均能滿足測距要求。

4.2 擴(kuò)頻碼選擇

擴(kuò)頻測距系統(tǒng)采用非相干偽碼測距，具有碼分多址的特點(diǎn)。擴(kuò)頻碼選擇要求偽隨機(jī)序列的隨機(jī)性好、周期長，有良好的自相關(guān)性、互相關(guān)性和部分相關(guān)性，同時(shí)具有足夠數(shù)量的地址碼可供選擇，平衡Gold碼是作為地址碼的一種良好的碼型［4］。

如果衛(wèi)星通信轉(zhuǎn)發(fā)器的帶寬為B，為充分利用其帶寬以提高系統(tǒng)測距精度，選用擴(kuò)頻碼率為chip／s，碼長為2n－1位，由于衛(wèi)星只對上行信號進(jìn)行變頻轉(zhuǎn)發(fā)，不進(jìn)行解擴(kuò)處理，故同一測站上下行采用相同擴(kuò)頻碼，且擴(kuò)頻碼的選擇靈活，不受星上狀態(tài)的限制。

4.3 地面設(shè)備傳輸時(shí)延標(biāo)定

地面設(shè)備傳輸時(shí)延標(biāo)定采用偏饋振子無線校零方法，將偏饋振子安裝在天線主反射面上，校零變頻器的輸入、輸出端通過兩根射頻電纜連接到偏饋振子上。系統(tǒng)校零的信號流程是：測距信號經(jīng)擴(kuò)頻、調(diào)制、上變頻、功率放大后，通過饋源喇叭輻射到天線副面，反射進(jìn)入天線主面，被偏饋振子接收，經(jīng)校零變頻器將上行信號變?yōu)橄滦行盘?；下行信號?jīng)偏饋振子輻射到主天線副面后被反射進(jìn)入饋源喇叭，通過地面設(shè)備下行鏈路被接收解調(diào)，構(gòu)成無線射頻閉環(huán)［5］。

組成標(biāo)校環(huán)路的偏饋振子、射頻電纜、校零變頻器的傳輸時(shí)延可以準(zhǔn)確標(biāo)定，標(biāo)校環(huán)路與對星測量環(huán)路的測量原理完全相同，標(biāo)校環(huán)路測得的距離值扣除標(biāo)校部分傳輸時(shí)延即可得到地面設(shè)備傳輸時(shí)延。

5 擴(kuò)頻測距系統(tǒng)組成

擴(kuò)頻測距利用星上轉(zhuǎn)發(fā)器變頻轉(zhuǎn)發(fā)方式實(shí)現(xiàn)，測距上行信號為fu，下行信號為fd，地面設(shè)備組成原理框圖如圖2所示。由測距單元產(chǎn)生的上行測距幀信息流a（t）與上行偽隨機(jī)序列c（t）進(jìn)行模2加運(yùn)算，產(chǎn)生一速率與偽隨機(jī)序列速率相同的擴(kuò)頻序列d（t），然后再用擴(kuò)頻序列對載波進(jìn)行調(diào)制得到已調(diào)中頻載波信號，經(jīng)上變頻和功率放大后向衛(wèi)星輻射。

圖2 地面設(shè)備原理框圖Fig.2 The schematic diagram of ground equipment system composition

在接收端，接收到的擴(kuò)頻信號經(jīng)低噪聲放大和混頻后，用與上行偽隨機(jī)序列一致的偽隨機(jī)序列對擴(kuò)頻信號進(jìn)行相關(guān)處理，使有用的信號由寬帶信號恢復(fù)為窄帶信號。再對解擴(kuò)后的載波信號進(jìn)行解調(diào)，得到測距信息流，經(jīng)搜索、校核、鎖定后得到同步的測距數(shù)據(jù)幀，并用幀同步信息對上行擴(kuò)頻序列d（t）采樣，得到下行幀同步時(shí)刻對應(yīng)上行擴(kuò)頻碼相位Φr，同時(shí)根據(jù)下行測距幀調(diào)制信息內(nèi)容可以得到上行測距幀頭產(chǎn)生時(shí)刻擴(kuò)頻碼相位Φup，從而計(jì)算得到星地距離。

6 結(jié)束語

擴(kuò)頻測距技術(shù)是一種具有優(yōu)異性能的測距方式，自誕生之日就受到了廣泛關(guān)注。本文對擴(kuò)頻測距原理、地面設(shè)備組成進(jìn)行了詳細(xì)闡述，分析比較了兩種測距體制下的測量精度，并對基于通信轉(zhuǎn)發(fā)器測距的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了論述。

基于通信轉(zhuǎn)發(fā)器的擴(kuò)頻測距技術(shù)的應(yīng)用，將不再借助星載測控應(yīng)答機(jī)就可實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星的測距定軌，簡化了星上設(shè)備。在不受星上應(yīng)答機(jī)配置的限制的情況下，可輕松實(shí)現(xiàn)地面多站對衛(wèi)星的測距，進(jìn)而提高地面測控設(shè)備資源利用率，因此具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

［1］郝巖.航天測控網(wǎng)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2004：57－72. HAO Yan.Spaceflight TT＆C Network［M］.Beijing：NationalDefense Industry Press，2004：57－72.（in Chinese）

［2］李志剛，楊旭海，馮初剛.轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測軌方法［J］.時(shí)間頻率學(xué)報(bào)，2006，29（2）：81－84. LI Zhi-gang，YANG Xu-hai，F(xiàn)ENG Chu-gang.Method of Satellite Orbit Survey With Tranfer［J］.Journal of Time and Frequency，2006，29（2）：81－84.（in Chinese）

［3］彭文標(biāo)，劉馨瓊，嚴(yán)朝軍.衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)鏈路計(jì)算與分析［J］.三峽大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33（3）：40－41. PENG Wen-biao，LIU Xin-qiong，YAN Chao-jun.Calculation and Analysis of Satellite Transmission System Link Budget［J］.Journal of China Three Gorges University，2011，33（3）：40－41.（in Chinese）

［4］曾興雯，劉乃安，孫獻(xiàn)璞.擴(kuò)展頻譜通信及多址技術(shù)［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004：58－59. ZENG Xing-wen，LIU Nai-an，SUN Xian-pu.Spread Spectrum Communication and Multiple Access Technology［M］.Xi′an：Xidian University Press，2004：58－59.（in Chinese）

［5］董建偉，高長生，熊偉.脈沖測量雷達(dá)無塔標(biāo)校系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2013，21（3）：685－686. DONG Jian-wei，GAO Chang-sheng，XIONG Wei.Design of Tower-less Calibration System for Pulse Instrumentation Radar［J］.Computer Measurement＆Control，2013，21（3）：685－686.（in Chinese）

CHEN YongwasborninLinyi，Shanxi Province，in 1975.He received the B.S.degree from Beijing Institute of Light Industry in 1997.He is now an engineer.His research concerns operation and management of aerospace TT＆C equipment.

Email：chenyong-xa＠hotmail.com

陳菊（1960—），女，福建福安人，高級工程師，主要研究方向?yàn)楹教鞙y控設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)；

CHEN Ju was born in Fuan，F(xiàn)ujian Province，in 1960.She is now a senior engineer.Her research concerns aerospace TT＆C equipment design.

Email：juchen＠126.com

李廣慶（1967—），男，陜西銅川人，高級工程師，主要研究方向?yàn)楹教鞙y控設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

LI Guang-qing was born in Tongchuan，Shaanxi Province，in 1967.He is now a senior engineer.His research concerns aerospace TT＆C equipment design.

Email：guangqingli＠hotmail.com

Spread Spectrum Ranging Technique Based on Communication Translator

CHEN Yong1，2，CHEN Ju1，2，LI Guang-qing1，2
（1.State Key Laboratory of Astronautic Dynamics，Xi′an 710043，China；2.China Xi′an Satellite Control Center，Xi′an 710043，China）

The feasibility of using satellite translator to realize multiple-station ranging in TT＆C of spacecraft is analyzed.On basis of spread spectrum ranging principle，using communication translator that translates uplink ranging signals to downlink ranging signals to achieve distance-measuring for satellite is studied.Meanwhile，the key technology including communication link power allocation between engineering TT＆C and application system of satellite，calibration method and the principle of satellite ground measuring equipment is described.The ranging scheme can break through traditional multiple-station ranging method that is limited by the number of satellite transponders.The achievement of new multiple-station ranging technique can improve ranging precision of equipment and orbit precision of satellite，reduce the requirement of equipment′goniometer precision and measuring time，and control equipment resources tension situation，while the ranging method is a backup means for side tone ranging using satellite transponder.

satellite TT＆C；communication translator；spread spectrum ranging；orbit determination

date：2013－04－18；Revised date：2013－06－09

??通訊作者：chenyong-xa＠hotmail.comCorresponding author：chenyong-xa＠hotmail.com

V556

A

1001－893X（2013）09－1197－05

陳勇（1975—），男，山西臨猗人，1997年于北京輕工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向?yàn)楹教鞙y控設(shè)備運(yùn)行與管理；

10.3969／j.issn.1001－893x.2013.09.015

2013－04－18；

2013－06－09