采用差頻測(cè)相技術(shù)的高精度測(cè)距系統(tǒng)研究

薛敏彪，趙雪紅，黨 群

（西北工業(yè)大學(xué)365研究所，陜西 西安710065）

采用差頻測(cè)相技術(shù)的高精度測(cè)距系統(tǒng)研究

薛敏彪，趙雪紅，黨 群

（西北工業(yè)大學(xué)365研究所，陜西 西安710065）

針對(duì)無(wú)人機(jī)著陸引導(dǎo)系統(tǒng)測(cè)距精度低的問(wèn)題，采用了一種基于應(yīng)答方式的差頻測(cè)相的測(cè)距方法。通過(guò)對(duì)差頻測(cè)相方法的詳細(xì)分析，結(jié)合無(wú)人機(jī)著陸引導(dǎo)系統(tǒng)中測(cè)距精度的要求，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)高精度無(wú)線(xiàn)電測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并對(duì)該測(cè)距系統(tǒng)的主要誤差進(jìn)行分析，提出了相應(yīng)的解決方法。與當(dāng)前無(wú)人機(jī)無(wú)線(xiàn)電原有測(cè)距方式相比，可將測(cè)距精度提高一個(gè)量級(jí)，使系統(tǒng)測(cè)距誤差由米級(jí)降至分米級(jí)，滿(mǎn)足了無(wú)人機(jī)著陸過(guò)程中的高精度測(cè)距要求。

測(cè)距系統(tǒng)；測(cè)距精度；差頻測(cè)相；誤差分析

隨航空和航天技術(shù)的迅速發(fā)展，人類(lèi)對(duì)測(cè)距精度的要求越來(lái)越高。在無(wú)人機(jī)無(wú)線(xiàn)電著陸引導(dǎo)系統(tǒng)中，著目前對(duì)于無(wú)人機(jī)距離測(cè)量的精度要求高達(dá)分米級(jí)，而當(dāng)前無(wú)人機(jī)測(cè)距方法通常是通過(guò)測(cè)量時(shí)差獲得待測(cè)距離，測(cè)距精度通常只能達(dá)到米級(jí)，因此時(shí)差測(cè)量難以滿(mǎn)足上述精度要求。由于相差測(cè)量比時(shí)差測(cè)量具有更高分辨率，所以在高精度距離測(cè)量方面，相差測(cè)量技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。例如國(guó)外的GRACE衛(wèi)星系統(tǒng)中星星測(cè)距就采用了精密的相差測(cè)量。差頻測(cè)相技術(shù)是實(shí)現(xiàn)相差測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)。文中在原有的測(cè)距方法基礎(chǔ)上，提出一種新的高精度測(cè)距方法，該方法采用差頻測(cè)相技術(shù)來(lái)測(cè)得相位差，進(jìn)而得到高精度距離的測(cè)量，為無(wú)人機(jī)著陸過(guò)程中提供高精度距離信息。

1 測(cè)距系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)著陸引導(dǎo)系統(tǒng)是用無(wú)線(xiàn)電設(shè)備使無(wú)人機(jī)安全著陸的導(dǎo)航系統(tǒng)，它能提供精確的著陸方位、下滑軌道和距離等引導(dǎo)信息，依據(jù)這些信息無(wú)人機(jī)能對(duì)準(zhǔn)跑道，按給定的下滑角進(jìn)場(chǎng)和自動(dòng)著陸。在無(wú)人機(jī)著陸引導(dǎo)系統(tǒng)中，測(cè)距技術(shù)是決定引導(dǎo)成敗的關(guān)鍵技術(shù)之一。

無(wú)人機(jī)無(wú)線(xiàn)電測(cè)距通常采用基于應(yīng)答方式的偽碼測(cè)距方式，通過(guò)測(cè)量地面發(fā)射偽碼與接收偽碼之間的傳輸時(shí)延得到距離。實(shí)際系統(tǒng)中將無(wú)線(xiàn)電波作為載波，調(diào)制測(cè)距偽碼信號(hào)，進(jìn)行精密測(cè)距，其測(cè)距系統(tǒng)框圖如圖1所示。

從上圖可知，地面著陸引導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)送信標(biāo)信息至無(wú)人機(jī)機(jī)載應(yīng)答機(jī)，無(wú)人機(jī)機(jī)載應(yīng)答機(jī)接收到信息后發(fā)送應(yīng)答信號(hào)至地面著陸引導(dǎo)系統(tǒng)，地面著陸引導(dǎo)系統(tǒng)將接收的測(cè)距偽碼應(yīng)答信號(hào)與原發(fā)射的測(cè)距偽碼信號(hào)進(jìn)行相位比較，測(cè)定出兩者之間的相差，從而得到發(fā)射偽碼信號(hào)與接收偽碼應(yīng)答信號(hào)之間的時(shí)延Δτ，實(shí)現(xiàn)地面著陸引導(dǎo)系統(tǒng)與無(wú)人機(jī)機(jī)載應(yīng)答機(jī)之間的距離測(cè)量。因此待測(cè)距離為

圖1 無(wú)人機(jī)無(wú)線(xiàn)測(cè)距系統(tǒng)框圖

其中，c為光速，n為偽碼時(shí)延的碼元整周期數(shù)，Ts為發(fā)射偽碼時(shí)鐘信號(hào)周期，Δφ為地面發(fā)端偽碼時(shí)鐘信號(hào)與收端同步偽碼時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)傳輸時(shí)延產(chǎn)生的相位差。根據(jù)式（1）可得Δτ與Δφ之間的關(guān)系為：

無(wú)人機(jī)起降著陸系統(tǒng)中對(duì)測(cè)距的精度要求達(dá)到分米級(jí)，一般無(wú)線(xiàn)測(cè)距方法難以滿(mǎn)足要求，提出了一種新的測(cè)距技術(shù)—差頻測(cè)相技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)起降著陸系統(tǒng)中高精度測(cè)距要求。

1.1 采用差頻測(cè)相技術(shù)的相位測(cè)量系統(tǒng)

在無(wú)人機(jī)無(wú)線(xiàn)測(cè)距系統(tǒng)中，為了保證所要求的測(cè)距精度，偽碼調(diào)制速率通常選得較高，一般為幾MHz～幾十MHz。如果直接對(duì)高速率偽碼信號(hào)進(jìn)行相位測(cè)量，會(huì)增加電路復(fù)雜度，難以實(shí)現(xiàn)高精度的距離測(cè)量。采用差頻測(cè)相可以將高速率信號(hào)變?yōu)榈退俾市盘?hào)，且該低速率信號(hào)仍保留了原高速率信號(hào)相位信息，因此易于進(jìn)行相位測(cè)量，實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)距。

差頻測(cè)相原理就是將發(fā)端信號(hào)和收端信號(hào)分別與本地振蕩器輸出信號(hào)進(jìn)行混頻，然后經(jīng)低通濾波得到相應(yīng)的差頻信號(hào)，對(duì)差頻信號(hào)進(jìn)行放大整形處理后進(jìn)行測(cè)相，獲得這兩路信號(hào)的相位差，從而獲得待測(cè)距離。通過(guò)差頻處理后信號(hào)頻率降低，相應(yīng)地信號(hào)周期增大，便于相位差的測(cè)量，從而提高測(cè)相精度。測(cè)距系統(tǒng)差頻測(cè)相框圖如圖2所示。

設(shè)發(fā)端偽碼時(shí)鐘信號(hào)（由主振蕩器產(chǎn)生）：

圖2 測(cè)距系統(tǒng)差頻測(cè)相框圖

經(jīng)鎖相環(huán)得到本地振蕩器信號(hào)：

上式（4）中，取 ωi=0．999ωs

接收端通過(guò)DLL延遲鎖相環(huán)[10-11]得到收端同步偽碼時(shí)鐘信號(hào)：

分別將發(fā)端偽碼時(shí)鐘信號(hào)和收端同步偽碼時(shí)鐘信號(hào)與本地振蕩器的輸出信號(hào)進(jìn)行混頻，然后經(jīng)低通濾波器獲得兩路輸出信號(hào)分別為

參考信號(hào)：

測(cè)距信號(hào)：

由以上公式可得出結(jié)論，混頻濾波后參考信號(hào)和測(cè)距信號(hào)的相位差等于混頻前發(fā)端偽碼信號(hào)和收端偽碼信號(hào)的相位差Δφ，可見(jiàn)差頻處理只引起頻率的變化并沒(méi)有引起相位差的變化。由ωs與ωi關(guān)系得知，差頻信號(hào)的頻率 ωc=ωs-ωi約為 ωs/1 000，因此極大地降低了正弦信號(hào)頻率，提高了測(cè)相精度。

1.2 測(cè)相單元

測(cè)相單元的主要功能是通過(guò)測(cè)量差頻信號(hào)的相位差，實(shí)現(xiàn)高精度距離測(cè)量。測(cè)相單元采用數(shù)字測(cè)相法[12-14]，其主要思路是將兩路信號(hào)放大整形后獲得兩路方波，然后對(duì)方波進(jìn)行處理求得相位差。

圖3 數(shù)字測(cè)相示意圖

數(shù)字測(cè)相示意圖如圖3所示，通過(guò)放大整形通道將正弦波（同頻）的參考信號(hào)st2與測(cè)距信號(hào)sr2分別進(jìn)行處理得到對(duì)應(yīng)的方波（同頻）信號(hào)，然后通過(guò)參考信號(hào)st2方波的下降沿觸發(fā)檢相觸發(fā)器的置位端輸出高電平，經(jīng)過(guò)對(duì)應(yīng)于相位差Δφ的時(shí)間段后，測(cè)距信號(hào)sr2方波的下降沿觸發(fā)檢相觸發(fā)器的復(fù)位端輸出低電平，這樣就得到了觸發(fā)器的檢相脈沖。也就是說(shuō)，被測(cè)相位差Δφ與檢相脈沖寬度是相互對(duì)應(yīng)的。觸發(fā)器處于置位狀態(tài)時(shí)，填充脈沖Cp通過(guò)門(mén)1進(jìn)行計(jì)數(shù)；觸發(fā)器處于復(fù)位狀態(tài)時(shí)，Cp不能通過(guò)門(mén)1，計(jì)數(shù)器記下觸發(fā)器處于置位狀態(tài)時(shí)的填充脈沖數(shù) （單次）。設(shè)計(jì)數(shù)器記錄的單次脈沖數(shù)為m，則相位差：

其中：ωc、fc分別是參考信號(hào)和測(cè)距信號(hào)的角頻率和頻率；t為觸發(fā)器置位時(shí)間；fcp為填充脈沖的頻率。由上式可以說(shuō)明，填充脈沖數(shù)正比于被測(cè)相位差Δφ。

在實(shí)際測(cè)量時(shí)，測(cè)距系統(tǒng)因受各種干擾等因素影響，導(dǎo)致測(cè)距精度降低。為了提高測(cè)量精度，通過(guò)在數(shù)字測(cè)相示意圖的計(jì)數(shù)器前增加門(mén)控信號(hào)，取門(mén)控時(shí)間為T(mén)h，在Th內(nèi)進(jìn)行多次測(cè)量后求平均值，提高測(cè)距精度。

設(shè)Th內(nèi)測(cè)相次數(shù)為K，則

其中：Tc=1/fc，Tc為參考信號(hào)和測(cè)距信號(hào)的周期。

可得Tc內(nèi)脈沖總數(shù)：

根據(jù)式（10）可推出N與Δφ之間的關(guān)系為：

上式中fcp，Th的值均恒定，可見(jiàn)脈沖總數(shù)N與Δφ相位差成正比。

2 主要誤差分析

2.1 差頻誤差

在相位測(cè)量過(guò)程中，若儀器的主振頻率不穩(wěn)定，主振頻率經(jīng)過(guò)鎖相環(huán)產(chǎn)生的本振頻率也就不穩(wěn)定，這樣主振頻率通過(guò)與本振頻率混頻后獲得的差頻信號(hào)頻率將會(huì)發(fā)生漂移，差頻信號(hào)經(jīng)放大整形后獲得的方波信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生變化，從而產(chǎn)生誤差[7]。測(cè)距系統(tǒng)在選用儀器時(shí)，選用高精度、高穩(wěn)定度的溫度補(bǔ)償晶體振蕩器，通過(guò)它產(chǎn)生穩(wěn)定的主振信號(hào)，后經(jīng)鎖相環(huán)獲得穩(wěn)定的本振，這樣使得主振與本振間的差頻信號(hào)穩(wěn)定，通?？梢允共铑l的穩(wěn)定度達(dá)1/105，減小差頻誤差。

2.2 幅相誤差

由于收端信號(hào)受到各種噪聲和大氣抖動(dòng)等因素的干擾，使其幅度發(fā)生變化而導(dǎo)致測(cè)距誤差。實(shí)際上，收端信號(hào)的幅度變化通過(guò)直接影響測(cè)距信號(hào)幅度的變化，引起測(cè)距信號(hào)和參考信號(hào)的幅值相差較大 （相應(yīng)地相位差的測(cè)量值與理論值相差較大），造成測(cè)相誤差較大。通常通過(guò)在測(cè)距系統(tǒng)的接收電路模塊中加入自動(dòng)增益控制部分[15]，改善參考信號(hào)和測(cè)距信號(hào)的幅度大小，使兩者幅值趨于相近，從而減小誤差。另外，也可以采用多次測(cè)量求平均值，減小測(cè)相誤差。

2.3 計(jì)數(shù)誤差

數(shù)字測(cè)相時(shí)，在門(mén)控時(shí)間Th內(nèi)，由于檢相脈沖與填充脈沖的不同步，使得檢相脈沖處于工作狀態(tài)時(shí)，填充脈沖通過(guò)與門(mén)不能正常的觸發(fā)計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而產(chǎn)生了計(jì)數(shù)誤差。一般來(lái)說(shuō)，可能產(chǎn)生個(gè)的計(jì)數(shù)脈沖誤差。目前通過(guò)增加門(mén)控信號(hào)脈沖寬度，即通過(guò)多次測(cè)量取平均值，減少誤差。

3 結(jié)束語(yǔ)

為了提高無(wú)人機(jī)起降著陸系統(tǒng)中的測(cè)距精度，提出一種采用差頻測(cè)相技術(shù)的高精度測(cè)距方法。詳細(xì)闡述了測(cè)距系統(tǒng)原理，通過(guò)采用差頻測(cè)相技術(shù)和數(shù)字測(cè)相技術(shù)完成高精度相位測(cè)量，分析了差頻測(cè)相技術(shù)所產(chǎn)生的幾個(gè)主要測(cè)距誤差，并提出了相應(yīng)地解決方法，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)起降著陸系統(tǒng)的高精度測(cè)距。

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Research on high precision ranging system based on phase-shift measurement

XUE Min-biao，ZHAO Xue-hong，DANG Qun
（The 365 Institute of Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710065，China）

Aimming at the low ranging precision of UAV landing guidance system，a ranging method based on response of phase-shift measurement is adopted.Through analyzing the phase-shift measurement method in detail and combining the ranging requirement of the system，achieves the design of high precision of UAV radio ranging system，and some specific methods are introduced by analyzing the main error of the system.Compared with the current UAV original radio ranging mode，ranging precision improves an order of magnitude，finally makes the ranging error by meters to decimeters and meets the requirement of high precision ranging of UAV landing guidance system.

ranging system；ranging precision；phase-shift measurement；error analysis

TN914

A

1674－6236（2017）17-0145-03

2016-06-21稿件編號(hào)：201606149

薛敏彪（1957—），男，上海人，碩士，研究員。研究方向：無(wú)人機(jī)測(cè)控?cái)?shù)據(jù)鏈總體技術(shù)。