基于雙頻GPS 的微小型標(biāo)校用信標(biāo)球

鐘 東，王慧泉，金仲和

(浙江大學(xué) 微小衛(wèi)星研究中心，浙江 杭州310027)

0 引 言

隨著我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展，各類航天器監(jiān)控和通信設(shè)備需求量日益增加。為確保雷達(dá)、地面站設(shè)備正常工作，這些設(shè)備在投入使用前必須進(jìn)行精度標(biāo)定。目前用于地面測(cè)控設(shè)備和雷達(dá)標(biāo)校的方法有:標(biāo)校塔標(biāo)校、飛機(jī)標(biāo)校、衛(wèi)星標(biāo)校、信標(biāo)球標(biāo)校等。

標(biāo)校塔標(biāo)校是最常用的靜態(tài)標(biāo)定方法，標(biāo)校塔一般建立在地面監(jiān)控系統(tǒng)周圍的高地或者建筑物頂部，通過地面測(cè)控系統(tǒng)與塔上設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互驗(yàn)證地面測(cè)控系統(tǒng)是否正常，再通過塔上設(shè)備對(duì)地面設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定［1，2］。然而許多設(shè)備在應(yīng)用時(shí)附近并無(wú)可用標(biāo)校塔，所以，需要大力發(fā)展無(wú)塔標(biāo)校技術(shù)。

飛機(jī)校飛是一種常用的無(wú)塔標(biāo)校技術(shù)，一般以全球定位系統(tǒng)(GPS)為精度鑒定設(shè)備，可檢驗(yàn)地面雷達(dá)或測(cè)控設(shè)備的動(dòng)態(tài)跟蹤性能，并精確鑒定其測(cè)角精度和測(cè)距精度。但是飛機(jī)校飛存在以下不足:需對(duì)飛機(jī)進(jìn)行改造［7］，確認(rèn)電磁兼容，以保證飛機(jī)安全性，同時(shí)消耗大量人力物力。

衛(wèi)星標(biāo)校是近年來(lái)發(fā)展的新標(biāo)校方法，分為兩種:一種是通過已發(fā)射的在軌衛(wèi)星進(jìn)行標(biāo)校，此方法所需額外投入資源少，實(shí)施簡(jiǎn)單便捷，但是覆蓋率會(huì)受到衛(wèi)星本身飛行軌跡的影響，同時(shí)其攜帶的通信設(shè)備也不一定能夠滿足標(biāo)校需求［8］;另一種是研制專用標(biāo)校衛(wèi)星進(jìn)行標(biāo)校，但時(shí)間、人力、物力消耗極大。

傳統(tǒng)信標(biāo)球標(biāo)校一般是利用金屬反射體的氣球來(lái)檢測(cè)雷達(dá)的光電偏差和設(shè)備動(dòng)態(tài)跟蹤性能、空間定向的靈敏度［3～6］。但標(biāo)校功能單一，無(wú)法提供目標(biāo)實(shí)時(shí)精確位置信息。

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于雙頻GPS的信標(biāo)球，可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)校，對(duì)標(biāo)校地點(diǎn)無(wú)特殊要求。相對(duì)于飛機(jī)標(biāo)校，其釋放簡(jiǎn)單、方便，并可實(shí)現(xiàn)優(yōu)于1m 的定位精度，同時(shí)該信標(biāo)球攜帶了UCB 測(cè)控應(yīng)答機(jī)，可用于地面雷達(dá)和UCB 測(cè)控設(shè)備相互校準(zhǔn)。

1 信標(biāo)球設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 方案設(shè)計(jì)

基于GPS 的微小型信標(biāo)球以自制微小型雙頻GPS 和UCB 應(yīng)答機(jī)為核心模塊實(shí)現(xiàn)，整個(gè)系統(tǒng)重1 kgf，功耗10 W。主要由雙頻GPS 接收模塊、UCB 測(cè)控應(yīng)答機(jī)模塊、綜合電子模塊、鋰電池模塊構(gòu)成，各模塊均采用PCB 單板設(shè)計(jì)。標(biāo)校系統(tǒng)剖面如圖1。

圖1 標(biāo)校系統(tǒng)剖面圖Fig 1 Sectional diagram of calibration system

綜合電子模塊作為信標(biāo)球主體控制單元對(duì)雙頻GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行自主存儲(chǔ)與傳輸管理。雙頻GPS 對(duì)信標(biāo)球進(jìn)行自定位，并將自定位數(shù)據(jù)和原始測(cè)量信息傳輸給綜合電子;UCB 測(cè)控應(yīng)答機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)下傳。信標(biāo)球工作框圖如圖2。本系統(tǒng)的核心模塊為GPS 模塊和UCB 應(yīng)答機(jī)模塊。

圖2 信標(biāo)球Fig 2 Beacon ball

1)雙頻GPS

雙頻GPS 模塊由射頻芯片、FPGA 及ARM 組成。FPGA 完成射頻芯片配置、自動(dòng)增益控制、GPS 信號(hào)捕獲和跟蹤功能;ARM 完成測(cè)量信息的提取與實(shí)時(shí)解算，結(jié)果通過FPGA 定時(shí)向綜合電子模塊輸出。

GPS 捕獲頻率搜索范圍為－40 ～40 kHz，頻率搜索步進(jìn)為500 Hz。L1 和L2 頻點(diǎn)捕獲器獨(dú)立，各自完成對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)衛(wèi)星信號(hào)的捕獲。跟蹤部分由12 個(gè)L1 通道和12 個(gè)L2通道組成，各通道獨(dú)立完成對(duì)應(yīng)信號(hào)的跟蹤。跟蹤控制部分完成同步測(cè)量信息和解調(diào)電文采集，并將對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)送入ARM 進(jìn)行處理。

ARM 對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)，得到位置、偽距等信息，并以10Hz 更新速率輸出定位結(jié)果和原始測(cè)量信息。雙頻GPS 接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖如圖3。

2)UCB 測(cè)控應(yīng)答機(jī)

圖3 GPS 整體結(jié)構(gòu)框圖Fig 3 Block diagram of GPS overall structure

UCB 測(cè)控應(yīng)答機(jī)由射頻發(fā)射、射頻接收、數(shù)字信號(hào)處理等3 個(gè)模塊組成。主要負(fù)責(zé)遙控指令接收和GPS 數(shù)據(jù)、信標(biāo)球遙測(cè)數(shù)據(jù)下傳，同時(shí)具有測(cè)距功能。其結(jié)構(gòu)如圖4所示，射頻接收模塊采用一次下變頻，把接收到的射頻信號(hào)變換到中頻，并進(jìn)行濾波、放大和模擬AGC 處理，然后直接對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行帶通欠采樣，并送給數(shù)字處理模塊進(jìn)行信號(hào)處理。而射頻發(fā)射模塊采用二次上變頻，由數(shù)字處理模塊產(chǎn)生低中頻全數(shù)字調(diào)制信號(hào)，然后經(jīng)二次上變頻，形成下行發(fā)射信號(hào)。所有本振采用分頻式鎖相環(huán)芯片，本振和FPGA 的頻率源由TCXO 提供。數(shù)字處理模塊是應(yīng)答機(jī)的核心，由FPGA 來(lái)完成。上行接收采用UCB 體制，數(shù)字處理模塊完成載波同步、側(cè)音測(cè)距轉(zhuǎn)發(fā)、遙控信號(hào)解調(diào)、載波相干轉(zhuǎn)發(fā)及測(cè)距遙測(cè)調(diào)制。圖4 為應(yīng)答機(jī)結(jié)構(gòu)框圖。

圖4 應(yīng)答機(jī)整體結(jié)構(gòu)框圖Fig 4 Overall structure block diagram of transponder

1.2 測(cè)量與設(shè)備相互校準(zhǔn)

信標(biāo)球攜帶的UCB 測(cè)控應(yīng)答機(jī)可以配合地面C 波段測(cè)控設(shè)備進(jìn)行信標(biāo)球距離、速度測(cè)量，該測(cè)量結(jié)果可與地面雷達(dá)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行相互校準(zhǔn)。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.1 系統(tǒng)驗(yàn)收測(cè)試

信標(biāo)球在執(zhí)行任務(wù)過程中隨著飛行高度的提升，所處環(huán)境溫度持續(xù)下降;同時(shí)由于風(fēng)的作用，會(huì)承受擺動(dòng)和震動(dòng)條件。為確保信標(biāo)球能夠可靠工作，對(duì)信標(biāo)球進(jìn)行了嚴(yán)格測(cè)試。對(duì)各模塊進(jìn)行了功能、性能測(cè)試;對(duì)模塊間接口進(jìn)行了容差容錯(cuò)測(cè)試;針對(duì)溫度變化環(huán)境進(jìn)行了20 個(gè)－20 ～60 ℃高低溫循環(huán)測(cè)試;針對(duì)振動(dòng)環(huán)境進(jìn)行了正弦、隨機(jī)、沖擊等力學(xué)試驗(yàn)。標(biāo)校球在所有試驗(yàn)中工作正常。

2.2 定位精度測(cè)試

將信標(biāo)球固定在某一位置，通過雙頻GPS 采集信標(biāo)球位置信息，時(shí)長(zhǎng)2h，每秒采集1 次，共計(jì)7200 組數(shù)據(jù)，最后通過Matlab 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，定位誤差結(jié)果如圖5、圖6 所示。

圖5 坐標(biāo)定位信息Fig 5 Axis coordinate localization information

圖6 空間距離定位信息Fig 6 Positioning information of spacial distance

圖5 表明:各軸向定位精度達(dá)0.5 m;圖6 表明:空間定位精度達(dá)0.6 m。由此可見，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)優(yōu)于1 m 的定位精度。

2.3 放飛測(cè)試

無(wú)風(fēng)晴朗的天氣狀況下在某基地進(jìn)行了信標(biāo)球放飛實(shí)驗(yàn)，整個(gè)飛行過程中地面測(cè)控設(shè)備均可接收到信標(biāo)球下發(fā)數(shù)據(jù)，信標(biāo)球工作正常。但是由于氣球遮擋住雙頻GPS 接收天線，導(dǎo)致雙頻GPS 接收到的信號(hào)低于其接收靈敏度，雙頻GPS 無(wú)原始測(cè)量信息和定位結(jié)果輸出。實(shí)驗(yàn)過程如圖7、圖8 所示。

3 結(jié) 論

針對(duì)日益繁重特別是特殊環(huán)境標(biāo)校任務(wù)需求，提出并實(shí)現(xiàn)了微小型信標(biāo)球。信標(biāo)球重1 kg，功耗10 W，定位精度優(yōu)于1 m。攜帶的UCB 測(cè)控應(yīng)答機(jī)可作C 波段地面測(cè)控設(shè)備合作目標(biāo)，用于地面測(cè)控設(shè)備雷達(dá)和UCB設(shè)備相互較準(zhǔn)。該信標(biāo)球釋放簡(jiǎn)單便捷，有望得到廣泛應(yīng)用。

圖7 放飛準(zhǔn)備過程Fig 7 Preparation process of flying

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圖8 標(biāo)校球飛行過程Fig 8 Flying process of calibration ball