異地對接測距方法研究

趙 江， 楊文革， 程艷合

(裝備學院 北京 101416)

異地對接測距方法研究

趙 江， 楊文革， 程艷合

(裝備學院 北京 101416)

為滿足飛行器測控對接試驗需求，在擴頻非相干測量體制的基礎上，提出一種異地對接測距方法。針對異地對接系統(tǒng)引入的信號時延不確定問題，研究異地對接的同步方法，采用時鐘同步、觸發(fā)同步，以及地面測控設備兩次發(fā)射上行外測信號的方法。分析異地對接測距方法及其誤差精度，確保異地對接達到預期目的。

測控系統(tǒng)； 對接試驗； 異地； 非相干； 同步

引 言

由于飛行器試驗具有不可逆性，并且代價高昂，為了確保飛行器試驗過程可控可管，萬無一失，在實際試驗前，需要對飛行器應答機和地面測控設備之間的兼容協(xié)調(diào)性和匹配性進行全面的實際對接測試[1，2]。目前，飛行器測控對接試驗一般根據(jù)任務需要，采用關鍵站點重點對接模式，即用戶需要攜帶應答機至地面測控設備布設站點，按照事先約定的對接規(guī)范實施對接測試[3]，對接工作花費周期長，效率低，并且由于運輸風險一般只使用測試樣品。近年來，隨著測控站管理的在軌飛行器數(shù)量大幅增加，以及各種新型飛行器試驗任務強度不斷加大，飛行器測控對接任務和測控管理任務安排的矛盾逐漸顯現(xiàn)，原有對接方法已逐漸不能適應高強度飛行試驗任務的需求。

針對擴頻非相干測量體制，提出一種異地對接方法。該方法通過異地對接系統(tǒng)實現(xiàn)，對接時間靈活，并且由于無需搬運應答機，可以使用真實的上天產(chǎn)品，提高了對接試驗的真實度。本文在分析異地對接系統(tǒng)結構的基礎上，研究了異地對接測距方法，對于其引入的信號時延不確定問題，提出了相應的同步方法，保證了異地對接的質(zhì)量。

1 異地對接概述

1.1 異地對接方式

目前的對接試驗中，測控設備與應答機是通過射頻鏈路直接聯(lián)接的[4]，如圖1所示，由于必須將應答機攜帶至測控站點，對接試驗費事費力，十分不便。異地對接方法克服了這一缺點，它是一種基于網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪h程對接方法，應答機安置在研制單位的測試廠房，而不必搬運至測控站，通過在處于兩地的地面測控設備和應答機兩端分別布設異地對接系統(tǒng)，并經(jīng)由IP通信網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸，構建測控信號傳輸鏈路，完成對接測試。異地對接方式示意圖如圖2所示。

圖1 現(xiàn)有對接方法示意圖

圖2 異地對接方式示意圖

1.2 異地對接系統(tǒng)

異地對接時，地面測控設備和應答機分處兩地，經(jīng)由異地對接系統(tǒng)聯(lián)接在一起。異地對接系統(tǒng)由三個部分組成：位于測控設備一端的異地對接設備、傳輸網(wǎng)絡、位于應答機一端的異地對接設備。其中，地面測控設備端異地對接設備由下變頻器1、上行鏈路記錄單元1、下行鏈路回放單元4、上變頻器4等組成；同樣的，應答機端異地對接設備由上行鏈路回放單元2、上變頻器2、下行鏈路記錄單元3、下變頻器3等組成。異地對接系統(tǒng)的結構如圖3所示，其顯著特點是分別配置了回放單元和記錄單元，利用它們解決了異地對接中存在的時延不確定性導致的同步問題。

圖3 異地對接系統(tǒng)結構框圖

2 擴頻非相干測量方法

由于本文重點討論的是信號時延的影響，現(xiàn)就測距原理進行說明。擴頻非相干測量體制中，上、下行信號均采用測量幀結構。地面站測量幀編幀擴頻后，利用上行鏈路發(fā)送到應答機；應答機接收到上行信號后，進行解擴、解調(diào)、幀同步，再利用自身形成的下行測量幀對上行信號采樣，得到碼相位Φup1，同時采樣上行多普勒等測量信息，并將這些采樣信息實時放入下行測量幀送至地面站。地面站接收到下行信號后進行解擴、解調(diào)、幀同步，利用下行幀同步信號對自身形成的上行信號采樣，得到碼相位Φup2，并采樣下行多普勒等信息。地面測控設備通過對應答機測量值和地面站測量值進行綜合計算完成測量[5]。假設擴頻偽碼速率為RPN，則有時延

在對接中測出的時延對應的是距離零值：

擴頻非相干偽碼測距時序圖如圖4所示。

圖4 擴頻非相干偽碼測距時序圖

3 異地對接的同步

測控系統(tǒng)正確接收、解調(diào)和測量信號，需要應答機和地面測控設備的協(xié)同工作，然而，根據(jù)圖3，我們發(fā)現(xiàn)，由于異地對接系統(tǒng)工作異地異時，測試信號經(jīng)過異地對接系統(tǒng)存在模擬信號和數(shù)字信號的轉換過程，并且數(shù)字信號通過IP通信網(wǎng)傳輸，傳輸時延無法準確控制、預測和獲得，這個時延可能會長達數(shù)小時甚至數(shù)天，此外為了靈活安排試驗時間，應答機和測控設備的工作時間也并不一定能保證協(xié)調(diào)一致。結合圖4可知，對于擴頻非相干測量體制而言，由于異地對接系統(tǒng)無法按照常規(guī)方法直接建立實時上、下行鏈路，因而信號往返時延不能直接采樣獲得。針對異地對接系統(tǒng)引入的信號時延不確定的問題，我們研究了在測量距離零值時獲得異地對接同步的方法，以確保異地對接的有效性。

異地對接同步包括應答機端記錄和回放的同步，以及測控設備端記錄和回放的同步，下面分別進行論述。

3.1 應答機端記錄和回放的同步

在異地對接過程中，處于應答機一端的異地對接系統(tǒng)需要回放從測控設備端傳來的上行信號，并同時記錄應答機發(fā)射的下行信號。為了準確記錄測試信號在模擬傳輸過程中的時延，我們研究了上行信號回放時刻和下行信號采樣時刻的同步方法。

3.1.1 時鐘同步

由于存在數(shù)模轉換和模數(shù)轉換過程，因此回放單元和記錄單元的采樣時鐘不同步，將引起回放和記錄信號的不同步[6]。為此，回放單元和記錄單元的時鐘由同一頻率合成器和時鐘分配器提供[7]，從而保證回放和記錄的采樣時刻同步，如圖5所示。

圖5 時鐘同步設計框圖

3.1.2 觸發(fā)同步

我們知道，數(shù)字通信是以數(shù)據(jù)塊的形式傳遞和處理的，D/A轉換和A/D采樣的觸發(fā)時刻不同，會引起數(shù)據(jù)塊在時間上不能嚴格對齊，帶來時延測量誤差[8]。為此，需要通過同步觸發(fā)信號發(fā)生器產(chǎn)生兩路同步觸發(fā)信號，同步使能D/A和A/D轉換過程。

同步觸發(fā)信號發(fā)生器包括單片機和FPGA等器件[9]，其結構如圖6所示。單片機是觸發(fā)信號發(fā)生器的控制核心，可根據(jù)用戶要求選擇不同的觸發(fā)方式；FPGA根據(jù)控制邏輯，生成多路同步觸發(fā)信號，使能回放單元和記錄單元，完成觸發(fā)同步。

圖6 同步觸發(fā)信號發(fā)生器結構框圖

在這個過程中，雖然ADC和DAC的采樣時鐘由同一頻綜提供，但由于模數(shù)轉換速率和數(shù)模轉換速率的不一致(假設fADC＝56MHz，fDAC＝224MHz，同步觸發(fā)信號仍會引起回放和采樣時刻的不一致，如圖7所示。因此，生成同步觸發(fā)信號的邏輯控制中還需要考慮采樣時鐘，以保證回放單元和采樣單元的同步觸發(fā)工作時刻準確對齊[10，11]。

綜上，應答機端異地對接系統(tǒng)的回放單元和采樣單元的同步，可以保證回放信號時刻與記錄信號時刻對齊，從而準確記錄測試信號在應答機端模擬傳輸時的時延。同步原理如圖8所示。

圖7 觸發(fā)信號與時鐘的關系示意圖

圖8 應答機端異地對接系統(tǒng)記錄和回放單元同步原理示意圖

3.2 測控設備端記錄和回放的同步

在異地對接過程中，測控設備發(fā)射上行信號和接收下行信號之間可能存在一個長達數(shù)小時甚至數(shù)天的不確定時延，導致無法實時進行上行外測信號與下行外測信號的比對和處理。為此，本文設計了測控設備發(fā)射兩次上行外測信號的方法，具體過程如下：

①測控設備第一次發(fā)射上行外測信號，由同步單元根據(jù)指定的同步幀脈沖產(chǎn)生觸發(fā)信號，觸發(fā)測控設備端異地對接系統(tǒng)上行鏈路的記錄單元，記錄上行外測信號；

②數(shù)據(jù)經(jīng)過異地對接系統(tǒng)上、下行鏈路，在一個不確定的時延后，傳回測控設備端異地對接系統(tǒng)下行鏈路的回放單元；

③測控設備第二次發(fā)射上行外測信號，同步設備獲取同一個指定的同步幀脈沖，觸發(fā)啟動測控設備端異地對接系統(tǒng)下行鏈路的回放單元，回放下行外測信號。

可見，這里利用測控設備與測控設備端異地對接系統(tǒng)距離很近、鏈路穩(wěn)定的特點，采用地面測控設備兩次發(fā)射上行信號的方法消除了信號往返傳輸時延不確定帶來的影響，如圖9所示。

圖9 測控設備端異地對接系統(tǒng)記錄和回放同步原理示意圖

為保證異地外測對接的可行性，測控設備兩次發(fā)射的上行外測信號應完全相同，包括信號結構、頻率、內(nèi)容等的一致。至于信號記錄和回放單元的模數(shù)轉換速率和數(shù)模轉換速率不一致的問題，解決方法與應答機端記錄和回放同步相一致，這里不再重復敘述。

4 異地對接測距方法及分析

4.1 測距方法

根據(jù)前文敘述的擴頻非相干測量體制和異地對接同步方法，我們可以在異地對接中消除信號往返傳輸時延的不確定性。異地對接測量時序圖如圖10所示，測距方法如下：

圖10 異地對接測量時序示意圖

①測控設備第一次發(fā)射上行外測信號，由同步單元根據(jù)指定的同步幀脈沖產(chǎn)生觸發(fā)信號，觸發(fā)啟動測控設備端異地對接系統(tǒng)上行鏈路的記錄單元，開始記錄上行信號；

②上行信號經(jīng)過異地對接系統(tǒng)上行鏈路，傳輸?shù)綉饳C端異地對接系統(tǒng)；

③同步觸發(fā)信號發(fā)生器產(chǎn)生同步觸發(fā)脈沖，使能應答機端異地對接系統(tǒng)的回放單元和記錄單元，同步回放上行信號、記錄下行信號；

④應答機接收上行信號后，進行擴頻非相干測量，并發(fā)送下行信號；

⑤下行信號經(jīng)過異地對接系統(tǒng)下行鏈路，傳回測控設備端異地對接系統(tǒng)；

⑥測控設備第二次發(fā)射和第一次完全一樣的上行外測信號，同步單元獲取同一個指定的同步幀脈沖，觸發(fā)啟動測控設備端異地對接系統(tǒng)下行鏈路的回放單元，回放下行外測信號；

⑦測控設備獲得下行信號，進行擴頻非相干測量，通過對應答機測量值和地面站測量值進行綜合計算，完成測量距離零值的過程。

可見，異地對接同步后，在地面站測控設備第二次發(fā)射上行信號時，測控設備端異地對接設備下行鏈路回放單元回放的下行信號，只包含信號在應答機端為模擬狀態(tài)時的傳輸時延，并且回放時刻與地面站測控設備第一次發(fā)射時的記錄時刻保持相對同步，有Φ′up1＝Φup1，則有信號時延

它所對應的距離零值為

將其與第2節(jié)中擴頻非相干測量的測距公式相比，顯然，異地對接沒有影響到擴頻非相干測量體制的解算過程，保證了異地對接的有效性。

4.2 測距誤差

對比圖4和圖10可以看出，異地對接過程中應答機端記錄和回放的同步，以及測控設備端記錄和回放的同步，都會引入信號同步時延誤差。這個同步誤差主要包括產(chǎn)生多路同步觸發(fā)脈沖的同步誤差Δt1和地面測控設備兩次發(fā)射上行信號記錄和回放觸發(fā)脈沖的同步誤差Δt2。此時，信號時延

距離零值

由于同步誤差主要是由硬件電路引入的處理時延，因此其精度可以達到亞納秒量級[9]。假設擴頻偽碼速率RPN＝10MHz，同步時延Δt1＝Δt2＝1ns，則有測距誤差

可見，異地對接測量方法完全可以滿足現(xiàn)有對接測試要求。

5 結束語

本文提出一種能夠有效提高對接試驗效率的異地對接方法。針對擴頻非相干測量體制，研究了異地對接同步方法，消除了信號往返鏈路傳輸時延不確定性對距離零值測量的影響，保證了異地對接的有效性。關于信號通過異地對接系統(tǒng)后引入的噪聲及其影響等問題，將在后續(xù)工作中進行詳細探討。

[1] 萬永倫.應答機技術研究與展望[J].電訊技術，2009，49(6)：102～106.

[2] 李 鐵.基于模擬器的測控系統(tǒng)聯(lián)調(diào)方法研究[J].海上靶場學術，2010，(9)：17～25.

[3] 曹志宇，季 剛，李 贊，等.螢火一號火星探測器星地測控對接試驗技術[J].上海航天，2013，30(4)：220～225. [4] 許曉冬，陳 曉，吳繼峰，等.星地測控對接手段探析[J].航天器工程，2008，17(2)：48～52.

[5] 劉云飛，章 銳，劉 彬，等.衛(wèi)星擴頻測控相干與非相干測量機制研究[J].無線電工程，2007，37(7)：28～34.

[6] 譚 震，蔣洪明.數(shù)據(jù)采集中觸發(fā)同步和精確定時的實現(xiàn)[J].自動化儀表，1998，19(5)：8～9.

[7] Analog Device.AD9518-0：6-Output Clock Generator with Integrated 2.8 GHz VCO Data Sheet.[EB/OL].(2012-01) [2014-05-12].http：//www.analog.com/zh/clock-and-timing/clock-generation-and-distribution/ad9518-0/products/ product.html.

[8] 張成遷.高速數(shù)據(jù)采集回放系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].成都：國防科技大學，2009.

[9] 馮元偉，馮宗明.基于FPGA和單片機的多通道同步觸發(fā)信號發(fā)生器[J].信息與電子工程，2012，10(1)：110～113.

[10] Analog Device.AD9238：12-Bit，20/40/65 MSPSDual A/D Converter Data Sheet.[EB/OL].(2010-11)[2014-05-12].http：//www.analog.com/zh/analog-to-digital-converters/ad-converters/ad9238/prod-ucts/product.html.

[11] Analog Device.AD9776/AD9778/AD9779：Dual 12-/14-/16-Bit，1 GSPS，Digital-to-Analog Converters Data Sheet. [EB/OL].(2007-03)[2014-05-12].http：//www.analog.com/zh/digital-to-analog-converters/high-speed-daconverters/ad9779/products/product.html.

Research on Ranging Method of Off-Site Compatibility Test for TT＆C System

Zhao Jiang， YangWenge， Cheng Yanhe

Tomeet the needs of TT＆C system compatibility test，based on the non-coherentmodes of spread-spectrum TT＆C system，a rangingmethod of off-site compatibility test is proposed.For the problem of the uncertainty of signal delay，a newmethod of synchronization of the off-site compatibility test system is studied in this paper，including the clock synchronization，hardware triggers，and themethod of twice transmitting uplink signal from the ground TT＆C station.The rangingmethod and its accuracy of off-site compatibility test are analyzed，in order to achieve the desired purpose.

TT＆C system； Compatibility test； Off-site； Non-coherent； Synchronization

TN79；V526

A

CN11-1780(2014)05-0067-07

趙 江 1989年生，碩士，主要研究方向為航天測控和數(shù)字信號處理。

2014-04-02 收修改稿日期：2014-05-27

楊文革 1966年生，教授，博士生導師，主要研究方向為航天測控和現(xiàn)代數(shù)字信號處理。

程艷合 1987年生，博士，主要研究方向為航天測控技術、空間飛行器測控與通信系統(tǒng)。