音碼混合測距在深空探測中的應(yīng)用研究

李 強(qiáng), 陶華堂

(中國衛(wèi)星海上測控部, 江蘇 江陰 214400)

音碼混合測距在深空探測中的應(yīng)用研究

李 強(qiáng), 陶華堂

(中國衛(wèi)星海上測控部, 江蘇 江陰 214400)

深空探測具有目標(biāo)距離遠(yuǎn)、信號往返時延大和信號微弱等特點(diǎn), 純側(cè)音測距和偽碼測距無法滿足深空測距的需求；提出了一種適用于深空探測的音碼混合測距方法，詳細(xì)分析了測距信號發(fā)送、接收時序，對由于超遠(yuǎn)距離、超大時延引起的測距信號返回時間預(yù)報偏差較大，采取有效的保護(hù)措施，減小測距信號返回時間預(yù)報偏差，避免距離匹配出錯；闡述了距離捕獲、解模糊和跟蹤的過程，充分考慮了音碼相位進(jìn)周問題，提出了改進(jìn)措施，提高了距離測量值的準(zhǔn)確性；分析估算了測距精度和距離捕獲時間，分析結(jié)果表明文章提出的音碼混合測距方案具有較高的測距精度，較短的距離捕獲時間；最后在由DSP和FPGA構(gòu)建的全數(shù)字化控制平臺上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，與純側(cè)音測距相比，音碼混合測距精度更高，測距值更穩(wěn)定。

音碼測距；深空探測；距離捕獲；距離跟蹤

0 引言

為充分利用空間資源、探索宇宙的起源和演化，尋求社會的可持續(xù)發(fā)展，人類積極開展深空探測活動。國家將“探月工程”列為中長期科技發(fā)展重大專項(xiàng)，成功發(fā)射了“嫦娥號”系列探測衛(wèi)星，進(jìn)行月球探測活動，并將陸續(xù)展開其他行星的探測活動。目標(biāo)器的跟蹤、測量、遙測、遙控、通信主要由地面測控系統(tǒng)完成，而距離測量是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)器遙測遙控、通信的基礎(chǔ)。目前用于深空測距的方法有脈沖雷達(dá)測距和統(tǒng)一載波測距。脈沖雷達(dá)由于峰值功率受限，作用距離受到限制，且測速精度不高，也不能同時傳輸其他數(shù)據(jù)，在深空探測時應(yīng)用較少。統(tǒng)一載波測距是將一定形式的測距信號調(diào)制在連續(xù)載波上，比較接收測距信號與發(fā)射測距信號時延求得距離，其突出特點(diǎn)是存在相位模糊，所以距離解模糊是連續(xù)波測距的一個更為特殊的問題。目前統(tǒng)一載波測距主要有純側(cè)音測距、擴(kuò)頻偽碼測距和音碼混合測距。純側(cè)音測距和偽碼測距各有優(yōu)缺點(diǎn)，對于純側(cè)音測距，提高側(cè)音頻率可獲得高精度的測距，且所占用的帶寬窄，捕獲快，但解相位模糊復(fù)雜；而偽碼測距無模糊距離長，但要提高精度必須減小碼元寬度，使得占用帶寬增加，捕獲更加復(fù)雜，占用時間長。

深空探測的突出特點(diǎn)是目標(biāo)器距離遠(yuǎn)、信號往返傳輸時延大、信號微弱。單純的側(cè)音測距和偽碼測距不能滿足測控要求。本文提出一種音碼混合測距方法，該方法對由于超遠(yuǎn)距離、超大時延引起的測距信號返回時間預(yù)報偏差較大，采取有效的保護(hù)措施，減小測距信號返回時間預(yù)報偏差，避免距離匹配出錯。最后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，音碼混合測距精度更高。

1 深空探測特點(diǎn)分析

深空探測具有目標(biāo)距離遠(yuǎn)、信號強(qiáng)度衰減大、信號傳輸時延大、信號頻率變化范圍小等特點(diǎn)。

1.1 超遠(yuǎn)距離

與常規(guī)近地飛行器相比，深空探測目標(biāo)距離超遠(yuǎn)，例如探月的目標(biāo)飛行器飛行距離約為3 540萬km，導(dǎo)致信號在傳輸過程中衰減量較大，地面接收到的信號信噪比較低。假設(shè)近地飛行器距離為1 000 km，探月飛行器由于距離變遠(yuǎn)產(chǎn)生的路徑損失大約為50 dB，因此地面設(shè)備必須具有對低信噪比信號捕獲跟蹤的功能。

1.2 信號往返時延大

2 音碼混合測距方案

音碼混合測距和純側(cè)音測距相比，有兩個明顯特點(diǎn)：一是音碼測距只有一個側(cè)音頻率；二是解模糊序列碼調(diào)制在側(cè)音上，距捕過程中用來解距離模糊。音碼測距分為距離捕獲、解模糊、測量3個階段，捕獲階段是完成單音的接收解調(diào)；解模糊階段是按照一定發(fā)送間隔順序發(fā)送解模糊碼，一直發(fā)送到最高的解模糊碼；測量階段是一直發(fā)送最高的解模糊碼。

2.1 測距模塊組成

音碼測距模塊主要由音碼發(fā)生器和音碼測距處理單元等模塊組成，如圖1所示。音碼發(fā)生器也稱測距信號產(chǎn)生器，主要用于生成測距信號，即正弦側(cè)音信號和序列碼信號。音碼測距處理單元通過控制測距信號產(chǎn)生器和測距信號同步器來實(shí)現(xiàn)音碼測距功能，音碼測距包括單音捕獲、音碼解模糊和測量三個階段。測距處理單元在測量階段采樣測距信號產(chǎn)生器和測距信號同步器的碼元個數(shù)差值和側(cè)音相位差值，通過解模糊并扣除飛行器和地面設(shè)備零值后計算出測量站與飛行器之間的徑向距離。

圖1 音碼測距模塊的組成框圖

2.2 信號形式

音碼混合測距信號由高頻側(cè)音fr和及其分諧波得到的序列碼rn(t)，該序列碼以調(diào)相(PM)的方式調(diào)制在側(cè)音副載波上，得到的測距副載波信號為：

(1)

式中,fr為測距側(cè)音信號(一般為正弦信號)的頻率， Ktone為序列碼調(diào)制度，序列碼Cn(t)是由測距側(cè)音的諧波產(chǎn)生，是雙極性周期矩形函數(shù)，主要用來解距離模糊，其信號可表示為：

(2)

其中：Cn為第n個碼，⊕代表異或，Qi為頻率為fr/2n的方波。

碼序列也可以用遞推公式表示：

(3)

每個序列碼與高頻側(cè)音信號同步，且傳輸?shù)闹芷诠潭ǎ员憬邮諜C(jī)進(jìn)行相關(guān)解調(diào)和相位對齊。測距信號通過調(diào)相體制調(diào)制在基帶主載波上，其載波信號形式為：

(4)

2.3 距離捕獲方案

基帶中頻接收單元鎖定衛(wèi)星發(fā)射的下行信號后，開始發(fā)射上行信號，待雙捕完成后測距模塊開始工作。音碼混合測距采用側(cè)音長發(fā)、序列碼輪發(fā)的基本測距原理。測距信號發(fā)送和接收時序圖如圖2所示，首先發(fā)送單側(cè)音，側(cè)音發(fā)送的開始時刻記為ST0，發(fā)送保持時間為T1+Tp，然后發(fā)送解模糊序列碼C1，發(fā)送保持時間從ST0+T1+Tp開始計時，保持發(fā)送T2+Tp時間后開始發(fā)送C2解模糊序列碼，即ST0+T1+T2+2Tp時刻開始發(fā)送C2解模糊序列碼，以此類推，發(fā)送到C20解模糊序列碼。其中， ST0測距信號發(fā)送的起始時刻，T1為側(cè)音信號發(fā)送保持時間，T2為碼發(fā)送保持時間，Tp為信號保護(hù)間隔時間。

深空條件下，目標(biāo)距離遠(yuǎn)，信號極其微弱，空間環(huán)境影響較大，可能存在側(cè)音不能同步或者解模糊碼相關(guān)異常的情況，這時地面站需要重新進(jìn)行距捕。由于遠(yuǎn)距離而導(dǎo)致的信號往返傳輸大時延將嚴(yán)重降低距捕的效率，為了增加距捕一次性成功的概率，模糊碼發(fā)送可以根據(jù)選擇進(jìn)行多次輪發(fā)，其發(fā)送時序同前面所述。

圖2 音碼測距信號發(fā)送和接收時序圖

音碼測距捕獲處理流程圖如圖3所示。音碼測距只有一個側(cè)音頻率，僅需進(jìn)行一次側(cè)音副載波捕獲、跟蹤，解模糊碼與側(cè)音相干不需要環(huán)路跟蹤，音碼測距能快速捕獲低信噪比測距信號，T1時間長短主要與完成側(cè)音副載波捕獲跟蹤時間有關(guān)；T2是解模糊碼相關(guān)的時間，其大小與測距信號信噪比和預(yù)報精度等相關(guān)聯(lián)；Tp為測距碼之間的保護(hù)時間，大小與預(yù)報精度相關(guān)聯(lián)。

圖3 音碼測距捕獲處理流程圖

音碼混合測距捕獲階段采用主音長發(fā)，碼從低到高(從C1到C20)的順序輪發(fā)。從最低頻率解模糊碼(C1)開始，按解模糊碼頻率從低到高的順序依次進(jìn)行距離匹配，對每一個解模糊碼根據(jù)其對應(yīng)的解模糊距離值L來進(jìn)行解模糊。最低解模糊碼的解模糊距離值L為距離預(yù)報值Rp(即L的初值為Rp)，其他解模糊碼的解模糊距離值L為上一個序列碼的距離輸出值。

(2)根據(jù)當(dāng)前序列碼的模糊周數(shù)ni和相位值φi，計算當(dāng)前序列碼的一個距離值Ri。

(5)

(4)將Ri作為當(dāng)前序列碼的距離輸出。

(5)更新解模糊距離值L=Ri。

(6)循環(huán)執(zhí)行120，直到主音匹配完成。

主音輸出的距離R0即為最終距離，且距離匹配結(jié)果不會為負(fù)。

2.4 距離跟蹤

距離捕獲完成后，只發(fā)主側(cè)音進(jìn)行距離測量，即通過主側(cè)音當(dāng)前相位測量值對距離進(jìn)行更新。距離跟蹤采用如下算法：

(6)

由于相位取值在0°到360°之間，考慮到相位測量值的進(jìn)周問題，Δφn+1的取值由式(7)確定。

(7)

通過以上算法，可以不斷利用新得到的主側(cè)音相位測量值對飛行器測量的距離進(jìn)行更新，完成距離跟蹤。如果飛行器相對于測控站的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最低側(cè)音的最大無模糊距離，這時需要根據(jù)飛行器相對于測控站的距離預(yù)報值Rp對最低側(cè)音所測相位對應(yīng)的一個周期內(nèi)距離值L解距離模糊，得到無模糊空間距離值。

3 精度分析

3.1 測距誤差分析

(8)

測距隨機(jī)誤差為：

(9)

當(dāng)ft=1.0 MHz，Ktone=22.5°，s/n0=10 dBHz，雙邊環(huán)路帶寬為0.02 Hz時，音碼測距隨機(jī)誤差為0.98。

3.2 距離捕獲時間分析

距捕時間即測距捕獲時間，指從上行測距信號發(fā)送到實(shí)現(xiàn)距離跟蹤所需時間，主要包含測距信號環(huán)路鎖定、距離解模糊等時間。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，環(huán)路鎖定時間與環(huán)路帶寬成反比，即ΔT環(huán)鎖=5/BL。其中，BL為環(huán)路單邊帶寬，環(huán)路帶寬的選擇必須滿足環(huán)路信噪比大于10 dB的要求。

根據(jù)以上原則對載躁比分別為10 dB和30 dBHz時的距捕時間進(jìn)行估算，估算結(jié)果如表1所示。

表1 距離捕獲時間估算結(jié)果

4 實(shí)驗(yàn)研究

搭建基于DSP和FPGA的全數(shù)字化控制平臺，音碼測距信號的產(chǎn)生、發(fā)送、捕獲和同步處理均由系統(tǒng)自動完成。音碼測距主側(cè)音頻率為1 MHz，載波環(huán)路帶寬為500 Hz，AGC時間常數(shù)選擇10 ms，測距雙邊環(huán)路帶寬選擇0.8 Hz，解模糊序列碼個數(shù)為20個。無人機(jī)搭載聯(lián)試應(yīng)答機(jī)，地面測控系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤實(shí)驗(yàn)，整個實(shí)驗(yàn)過程均在中強(qiáng)信號條件下進(jìn)行。分別采用本文提出的音碼混合測距和傳統(tǒng)的純側(cè)音測距兩種測距體制進(jìn)行距離跟蹤。

4.1 距離捕獲時間分析

在每種距離測量體制跟蹤過程中，人為使距離跟蹤失鎖，然后進(jìn)行距離重捕，并記錄距離捕獲時間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 距離捕獲時間

根據(jù)3.2節(jié)距離捕獲時間分析原則，純側(cè)音測距距離捕獲時間理論估算值應(yīng)為15.5 s，音碼測距距離捕獲時間理論估算應(yīng)為22.5 s。實(shí)測結(jié)果略大于理論估算，是因?yàn)榇嬖诟蓴_信號和測量誤差。音碼混合測距捕獲時間比純側(cè)音測距長，是因?yàn)榧儌?cè)音測距側(cè)音個數(shù)只有9個，而音碼測距解模糊碼個數(shù)為20個。

4.2 測距誤差分析

對兩種測距體制的距離測量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，結(jié)果如圖4所示。

可以看出，本文提出的音碼混合測距系統(tǒng)誤差均值約為-4.4 m，且相對穩(wěn)定；而傳統(tǒng)的純側(cè)音測距系統(tǒng)誤差均值為-8.7 m，且波動較大。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的純側(cè)音測距主音頻率為500 kHz，本文提出的音碼混合測距主音頻率為1 MHz，大大提高了距離測量精度；傳統(tǒng)的純側(cè)音測距解模糊過程復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來難度較大，使得距離測量精度降低，而音碼混合測距采用解模糊序列碼進(jìn)行距離結(jié)算，易實(shí)現(xiàn)，且距離解算精度高。

5 總結(jié)

針對深空探測存在目標(biāo)距離遠(yuǎn)、信號強(qiáng)度衰減大、信號傳輸時延大等特點(diǎn)，本文在分析純側(cè)音測距和偽碼測距的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一套音碼混合測距方案，詳細(xì)分析了音碼混合測距信號的發(fā)送、接收過程和距離解算、跟蹤原理。最后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，本文提出的測距方案系統(tǒng)測距誤差較小，精度高。

圖4 測距系統(tǒng)誤差分析

[1] 成亞勇.側(cè)音測距在探月測控中的應(yīng)用.無線電工程[J],2009(6):40-41.

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Application of Tone-code Ranging in Deep Space Exploration

Li Qiang， Tao Huatang

(China Satellite Maritime Tracking and Command Department ，Jiangyin 214400, China)

The deep space exploration has extremely long-range，large delay of signal round trip，weak signal and other characteristics, pure tone ranging and PN ranging are unable to meet the demand of deep space ranging. A method of tone-code ranging that is suitable to the deep space exploration was proposed, and the transmitting and reception timing of the ranging signal was analyzed in detail. Because of the large forecast deviation of ranging signal return time caused by long-range and large delay, some effective protective measures were taken to reduce the forecast deviations of the ranging signal return time and avoid the match mistakes. The process of ranging capture and tracking were elaborated, in which the phase cycle of tone-code considered fully, and the improvement measures were proposed to improve the accuracy of range measurement. The ranging accuracy and capture time were analyzed; the results show that the tone-code Ranging proposed in paper is with higher accuracy and shorter capture time. Finally, the experiment was carried out on fully Digitized Control platform constructed by DSP and FPGA, compared with pure tone ranging, the accuracy of tone-code was higher, and range value is more stable.

tone-code ranging; deep space exploration; range capture; range tracking

2015-12-05；

2016-01-28。

李 強(qiáng)(1985-)，男，陜西彬縣人，工程師，碩士研究生，主要從事航天測控系統(tǒng)方向的研究。

1671-4598(2016)07-0017-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.07.005

V11 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A