CN102694609B - 一种卫星无线电测定业务通道零值的标定方法 - Google Patents

Abstract

一种卫星无线电测定业务通道零值的标定方法，采用与RDSS业务传输体制一致的信号作为标定用测试信号，对导航卫星RDSS业务通道输入和输出进行双通道A/D同步过采样，然后对采样后的输入和输出信号分别进行截取、希尔伯特变换，并对输入和输出信号中的任意一个进行载波旋转，对载波旋转后的信号和未进行载波旋转的信号分别进行傅立叶变换后共轭相乘再做逆傅立叶变换，对逆傅立叶变换的时域数据幅度求平方，搜索峰值，由此确定峰值点对应的样本点序号值，该序号值乘以采样周期再减去连接电缆、衰减器、功分器的时延，就得到了RDSS业务通道零值。本发明方法不需要进行本地伪码发生器的生成、也不需要对扩频信号进行捕获跟踪，实现简单。

Description

一种卫星无线电测定业务通道零值的标定方法

技术领域

本发明涉及一种卫星无线电测定业务通道的标定方法。

背景技术

卫星导航系统可发送高精度、全天时、全天候的导航、定位和授时信息，是当今国民经济和国防建设不可或缺的重要空间基础设施。为了建立独立自主的中国卫星导航系统，避免受制于人的局面，我国正在加速进行卫星导航系统研制建设。从2000年开始，我国已经完成了第一代北斗导航定位系统建立，该系统采用RDSS(Radio Determination Satellite Service卫星无线电测定业务)工作模式，并在众多领域得到了应用。此外，授时系统中常常采用卫星透明转发器进行监测站和授时中心站之间的时间传递和校准，卫星的通道设备时延是整个链路传递的一个组成部分，在授时系统投入使用中必须进行通道零值标定。通道的零值标定精度将直接影响RDSS业务用户的测距精度和时间传递精度。

目前，对于频率变换的通道零值标定，主要采用以下两种方法：

(1)基于矢量网络分析仪的方法。该方法采用矢量混频器校准技术，该技术为安捷伦公司(Agilent)发明，它采用校准混频器对基于矢量网络分析仪的测试系统进行校准。这种方法需要转发器自身提供本振信号，而且需要与待测转发器输入/输出对应频率变换关系的高精密时延校准变频器。

(2)基于载波调制的方法。该方法适应于转发器无法给测试和时延标定系统提供本振信号的情况。当调制信号频率远小于载波频率，即可以满足窄带假设时，包络时延就可以近似表示群时延。调制法是通过由一个较低频率正弦波基带信号对射频载波调幅(AM)、调频(FM)或调相(PM)实现的。转发器输入射频在一段频率上进行扫频，转发器输出信号被解调，将解调信号的相位和原来的基带信号的相位比较，从而得到通道各频率点的时延。该方法所得到的时延为传输通带内各频率点的绝对时延，不能准确反映RDSS通道传输特定RDSS业务扩频信号的通道零值。

文献《基于扩频信号的群时延测量方法研究》(《现代电子技术》2010年第1期总地312期pp8～11，作者：沙海、朱祥维、张国柱、孙广富)提出一个采用扩频信号相关的群时延测试方法，但是该方法要求被测件的输入输出必须同频，而无线电测定业务通道的输入和输出频点不同，因此该方法不能用于无线电测定业务通道零值标定。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种操作简便、标定精度高、能准确反映传输特定RDSS业务扩频信号的通道零值标定方法。

本发明的技术解决方案是：一种卫星无线电测定业务通道零值的标定方法，步骤如下：

(1)采用信号源产生卫星无线电测定业务的扩频信号，将扩频信号功分成两路，一路扩频信号送入第一模数转换器，另一路扩频信号通过衰减器衰减后送入卫星无线电测定业务通道，卫星无线电测定业务通道的输出信号通过衰减器衰减后送入第二模数转换器，两个模数转换器使用同一参考时钟同步采样数据；

(2)对于两个模数转换器的输出，分别从相同位置截取相同数目的样本点，并对样本点分别进行希尔伯特变换形成两个复数数据组；样本点从截取位置开始利用正整数顺序编号；

(3)对于两个复数数据组，以其中一个复数数据组作为参考数组，参考数组的中心频率为参考频率，另外一个复数数据组作为处理数组，处理数组的中心频率为处理频率；通过载波旋转器，以参考频率与处理频率的频率差f_c为中心，步进量为f_t，在±Δf范围内生成扫频点对处理数组进行载波旋转，

其中

步进量ft取不大于500Hz的固定值，Δf取不大于5kHz的固定值；

(4)每进行一次载波旋转，就将参考数组和载波旋转后的处理数组分别进行傅立叶变换后共轭相乘，并将相乘的结果进行逆傅立叶变换；

(5)对所有扫频点载波旋转后再经逆傅立叶变换所得到时域数据幅度求平方值并搜索峰值，确定峰值点对应的样本点序号值；

(6)峰值点对应的样本点序号值乘以采样周期，然后再减去连接电缆、衰减器、功分器的时延，就得到了卫星无线电测定业务通道的零值。

所述步骤(1)中第一模数转换器和第二模数转换器的采样时钟频率均为卫星无线电测定业务通道输入扩频信号或者输出扩频信号中最高频率的两倍以上。

所述步骤(2)中采样数据的截取长度L取值为

之间的一个整数，其中N为卫星无线电测定业务信号中一个伪随机码周期内所包含的采样点数目，

L_code为一个伪随机码周期内所包含的码片个数，而且L＝2^k，k为一个整数。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明方法不需要从卫星转发器引出参考信号，因此适应范围广，解决了RDSS业务通道无本振信号输出情况下无法进行精密零值标定的难题；

(2)本发明方法利用载波旋转器实现载波旋转，保证互相关处理的两个信号数据中心频率偏差在允许的范围内，从而可以得到明显的相关峰值；

(3)本发明方法利用了扩频伪码的良好自相关特性和互相关特性，截取一定长度的伪随机信号进行相关处理不影响测量的准确性，能大大降低了运算量；而且，通道的输入/输出信号进行互相关处理，不需要对信号进行扩频信号的捕获跟踪，降低处理的复杂度和运算量，标定算法实现简单；

(4)本发明方法对RDSS业务通道的输入输出的微波调制信号进行过采样，理论的标定精度取决于采样频率；

(5)本发明方法采用RDSS业务信号作为RDSS业务通道的测试输入，标定结果能准确、真实地反映导航卫星进行RDSS业务中传输特定扩频码率情况下的通道零值。

附图说明

图1为本发明方法的原理框图；

图2为本发明方法中零值标定的示意图；

图3为本发明方法实施例中模拟的通道输入信号频谱图；

图4为本发明方法实施例中模拟的通道输出信号频谱图；

图5为本发明方法实施例中通道时延为300ns时的输入输出波形图；

图6为本发明方法实施例中具有峰值的输入输出相关的幅度平方曲线图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明方法的原理框图。本发明方法主要包括高速双通道A/D同步采样和数字域信号处理两大部分。高速双通道A/D对导航卫星RDSS业务转发器的输入/输出扩频信号进行高速同步采样，对采样后的数据进行数字信号处理得到RDSS业务通道的绝对时延。数字域信号处理包括采样样本点截取、希尔伯特变换、载波旋转、傅立叶变换、共轭相乘、逆傅立叶变换、幅度平方、峰值搜索和零值计算等环节。

图2所示为本发明方法的时延标定原理图。A/D转发器同时对RDSS业务通道的输入/输出采样，设定一个伪随机码周期内共有N个数据片，图中输入信号波形用数据片1，2，......，33，......标识，假定RDSS业务的通道零值为10个数据片，截取长度为28个数据片进行标定的数字域处理，得到相关峰值将出现在第11个数据片的起始点，即可确定通道的零值为10个数据片。

RDSS业务通道零值标定具体步骤：

1、首先RDSS业务信号源产生一个中心频率f_centralHz、BPSK调制的RDSS业务信号，扩频信号伪随机码码速率f_codecps，扩频伪随机码码周期为T_code。这里，假设f_central＝1615.7MHz，f_code＝2.046Mcps，T_code＝1ms，则扩频码一个周期内码片个数为2046个；

2、将信号源产生卫星无线电测定业务的扩频信号功分成两路，一路扩频信号送入第一模数转换器，另一路扩频信号通过衰减器衰减后送入卫星无线电测定业务通道，卫星无线电测定业务通道的输出信号通过衰减器衰减后送入第二模数转换器，两个模数转换器使用同一参考时钟同步采样数据；A/D转换器的采样时钟频率RDSS业务通道中输入和输出扩频信号中最高频率的两倍以上。这里A/D转换器的采样频率f_s为10GHz，采样的时间长度为1ms，输入输出单次采样均为N＝1e7个样本点；通道输入扩频信号频谱如图3所示；通道输出扩频信号的频谱如图4所示；

3、选择截取长度L。采样数据的截取长度L取值为

之间的一个整数，其中N为卫星无线电测定业务信号中一个伪随机码周期内所包含的采样点数目，要求L_code为一个伪随机码周期内所包含的码片个数；而且，还要求L＝2^k，k为一个整数。

这里，一个伪随机码的周期码片个数L_code＝2046，

即M≤10.23，则

因此L可以选择977518～10e6之间的一个整数，为了提高傅立叶变换和逆傅立叶变换速度，要求L＝2^k，k为一个整数，这里取k＝20，则L＝1048576。

4、从头开始，截取输入采样数据：

${\stackrel{\→}{D}}_{\mathrm{in}}=[d_{\mathrm{in}}\left(1\right)d_{\mathrm{in}}\left(2\right)\·\·\·d_{\mathrm{in}}\left(L\right)]---\left(1\right)$

5、对输入采样数据希尔伯特变换形成复数：

${\stackrel{\→}{D}}_{\mathrm{Zin}}={\stackrel{\→}{D}}_{\mathrm{in}}+\mathrm{Hibert}\left({\stackrel{\→}{D}}_{\mathrm{in}}\right)---\left(2\right)$

${\stackrel{\→}{D}}_{\mathrm{Zin}}=[d_{\mathrm{zin}}\left(1\right)d_{\mathrm{zin}}\left(2\right)\·\·\·d_{\mathrm{zin}}\left(L\right)]---\left(3\right)$

6、从头开始，截取输出采样数据：

${\stackrel{\→}{D}}_{\mathrm{out}}=[d_{\mathrm{out}}\left(1\right)d_{\mathrm{out}}\left(2\right)\·\·\·d_{\mathrm{out}}\left(L\right)]---\left(4\right)$

7、对输出采样数据希尔伯特变换形成复数：

${\stackrel{\→}{D}}_{\mathrm{Zout}}={\stackrel{\→}{D}}_{\mathrm{out}}+\mathrm{Hibert}\left({\stackrel{\→}{D}}_{\mathrm{out}}\right)---\left(5\right)$

${\stackrel{\→}{D}}_{\mathrm{Zout}}=[d_{\mathrm{zout}}\left(1\right)d_{\mathrm{zout}}\left(2\right)\·\·\·d_{\mathrm{zout}}\left(L\right)]---\left(6\right)$

8、对于两个复数数据组，以其中一个复数数据组作为参考数组，参考数组的中心频率为参考频率f_ref，另外一个复数数据组作为处理数组，处理数组的中心频率为处理频率f_process；计算参考频率与处理频率之间的频差f_c。

f_c＝f_ref-f_process    (7)

以f_c为中心，步进量为f_t，在±Δf范围内生成扫频点

${\tilde{f}}_m=f_c-\mathrm{\Δf}+m\·f_t,m=0,1,\·\·\·,\frac{2\mathrm{\Δf}}{f_t}---\left(8\right)$

步进量f_t取不大于500Hz的固定值，Δf取不大于5kHz的固定值；

这里以RDSS通道输出中心频率为参考频率f_ref＝3950.3MHz，输入中心频率为处理频率f_process＝1615.7MHz，则参考频率与处理频率之间的频差f_c＝3950.3-1615.7＝2334.6MHz，步进量f_t取200Hz，Δf取1kHz，则载波旋转器的扫频点为2334.599MHz、2334.5992MHz、2334.5994MHz、2334.5996MHz、2334.5998MHz、2334.6MHz、2334.602MHz、2334.604MHz、2334.606MHz、2334.608MHz、2334.61MHz。

9、扫频频率

时载波旋转值为：

$\stackrel{\→}{R}=[r\left(1\right)r\left(2\right)\·\·\·r\left(L\right)]---\left(9\right)$

$r\left(m\right)=\exp (j\·m\·{\tilde{f}}_m\·\frac{1}{f_s})---\left(10\right)$

式中f_S为A/D转换器采样频率。

10、对处理数组的数据进行载波旋转后得到：

${\stackrel{\→}{D}}_{\mathrm{Zin}\_R}=[d_{\mathrm{zin}\_r}\left(1\right)d_{\mathrm{zin}\_r}\left(2\right)\·\·\·d_{\mathrm{zin}\_r}\left(L\right)]---\left(11\right)$

d_{zin_r}(m)＝d_zin(m)·r(m)    (12)

10、载波旋转完成后，输入和输出的复数数列分别进行傅立叶变换，然后进行共轭相乘：

$Y={\left[\mathrm{FFT}\left({\stackrel{\→}{D}}_{\mathrm{Zin}\_R}\right)\right]}^{*}\·\mathrm{FFT}\left({\stackrel{\→}{D}}_{\mathrm{Zout}}\right)---\left(13\right)$

式中FFT()表示对()中数列进行快速傅立叶变换。

11、然后进行逆傅立叶变换和幅度平方：

A＝|IFFT(Y)|²    (14)

式中IFFT()表示对()中数列进行快速逆傅立叶变换。

12、对所有载波旋转器的输入扫频点重复9、10、11的步骤，搜索幅度平方的峰值点，得到峰值点对应的样本点序号N_channel。

13、计算通道零值t_channel：

$t_{\mathrm{channel}}=N_{\mathrm{channel}}\·\frac{1}{f_s}+t_l-t_{\mathrm{up}}-t_{\mathrm{down}}---\left(13\right)$

式中：t_l表示RDSS业务信号源输出到A/D转换器1的路径时延；

t_up表示RDSS业务信号源输出到RDSS业务通道输入的路径时延；

t_down表示RDSS业务通道输出到A/D转换器2的路径时延；

t_l、t_up和t_down均用可以通过矢量网络分析仪校准。

软件仿真设定RDSS的时延为300ns，即3000个样本点，RDSS通道输入和输出的使用波形如图5所示。具有相关峰值的幅度平方曲线如图6所示，在第3000个样本处，出现幅度峰值，从而得到通道零值为3000个样本点。采样频率为10GHz，样本点间隔为0.1ns，因此，通道零值为3000×0.1＝300ns与仿真设定值一致。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种卫星无线电测定业务通道零值的标定方法，其特征在于步骤如下：

(1)采用信号源产生卫星无线电测定业务的扩频信号，将扩频信号功分成两路，一路扩频信号送入第一模数转换器，另一路扩频信号通过衰减器衰减后送入卫星无线电测定业务通道，卫星无线电测定业务通道的输出信号通过衰减器衰减后送入第二模数转换器，两个模数转换器使用同一参考时钟同步采样数据；

(2)对于两个模数转换器的输出，分别从相同位置截取相同数目的样本点，并对样本点分别进行希尔伯特变换形成两个复数数据组；样本点从截取位置开始利用正整数顺序编号；

(3)对于两个复数数据组，以其中一个复数数据组作为参考数组，参考数组的中心频率为参考频率，另外一个复数数据组作为处理数组，处理数组的中心频率为处理频率；通过载波旋转器，以参考频率与处理频率的频率差f_c为中心，步进量为f_t，在±Δf范围内生成扫频点 

对处理数组进行载波旋转， 

其中 

步进量f_t取不大于500Hz的固定值，Δf取不大于5kHz的固定值；

(4)每进行一次载波旋转，就将参考数组和载波旋转后的处理数组分别进行傅立叶变换后共轭相乘，并将相乘的结果进行逆傅立叶变换；

(5)对所有扫频点载波旋转后再经逆傅立叶变换所得到时域数据幅度求平方值并搜索峰值，确定峰值点对应的样本点序号值；

(6)峰值点对应的样本点序号值乘以采样周期，然后再减去连接电缆、衰减器、功分器的时延，就得到了卫星无线电测定业务通道的零值。

2.根据权利要求1所述的一种卫星无线电测定业务通道零值的标定方法，其特征在于：所述步骤(1)中第一模数转换器和第二模数转换器的采样时钟频率均为卫星无线电测定业务通道输入扩频信号或者输出扩频信号中最高频率的 两倍以上。

3.根据权利要求1所述的一种卫星无线电测定业务通道零值的标定方法，其特征在于：所述步骤(2)中对两个模数转换器输出的截取长度L取值为

之间的一个整数，其中N为卫星无线电测定业务信号中一个伪随机码周期内所包含的采样点数目，

L_code为一个伪随机码周期内所包含的码片个数，而且L=2^k，k为一个整数。 

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