CN102736077B - 一种用于交会对接的微波测量与通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于交会对接的微波测量与通信系统，包括，安装于追踪飞行器的主机和安装于目标飞行器的辅机，所述主机包括：主机频率源、主机信号处理器、主机调制发射通道、主机接收通道、测角接收通道、主机双工耦合器、主机天线阵；所述辅机包括：辅机频率源、辅机信号处理器、辅机调制发射通道、辅机接收通道、辅机双工耦合器、辅机天线。同时，本发明还提供了一种采用上述装置的用于交会对接的微波测量与通信方法。采用本发明实现了在追踪飞行器和目标飞行器间大动态距离范围、宽视角情况下，追踪飞行器对目标飞行器的测距、测速、测角和数据通信问题。

Description

一种用于交会对接的微波测量与通信系统及方法

技术领域

本发明涉及一种用于交会对接的微波测量与通信系统及方法。

背景技术

目前国外在交会对接的微波测量与通信，采用的是传统体制的微波雷达，有些通过分时应用，兼具有通信功能。我国在载人飞船与天宫一号交会对接项目中也研制了微波雷达，但是这些设备的测距、测速采用传统的应答式体制。测角所采用的技术包括比幅单脉冲跟踪测角和干涉仪测角，工作于L、S、X、Ku等频段。具有典型代表性的，如美国休斯公司研制的航天飞机上用于交会对接和通信的是Ku频段的多功能雷达，远距离采用合作应答方式，利用脉冲往返时间测量距离，载波多普勒频移测量速度，采用单脉冲比幅跟踪测角，利用分时方式兼顾通信；苏联/俄罗斯用于交会对接测量的S波段“航向”型雷达用于“和平号”空间站，用了9天线系统圆锥扫描测角、副载波调相的应答式测距体制；欧洲研制的S频段微波雷达，采用5天线干涉仪测角方式和应答式连续波侧音测距方式，角度覆盖只能达到60度×80度。

国内已有的载人飞船项目交会对接微波雷达采用Ku工作频段，采用干涉仪测角方式和应答式连续波伪码扩频测距方式，避开使用转动天线，但存在保证测量性能指标的角度覆盖窄、容易产生近距离多径影响的缺点，并且也没有集成通信能力。

国外产品基本研发于上世纪70-90年代，测量体制采用传统体制，随着GPS系统的广泛应用，在近地轨道航天器交会对接采用GPS进行相对测量已成为主要途径之一。在月球轨道交会对接中，微波雷达是中、远程测量的核心敏感器和通信设备，月球轨道交会对接中GPS测量途径已不可用，可用的测量、通信途径少，并具有很高的轻量化需求，而已有的用于交会对接微波测量系统的不足之处在于：采用传统体制，在集成多功能时重量与功耗太大，多功能的系统配置和处理方法难以解决高测量精度与宽覆盖范围，多功能集成与产品轻量化之间的矛盾，导致这些方法应用的局限性。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对现有技术的不足，提供了一种用于交会对接的微波测量与通信系统及方法，实现了在追踪飞行器和目标飞行器间大动态距离范围、宽视角情况下，追踪飞行器对目标飞行器的测距、测速、测角和数据通信问题。

本发明的技术解决方案是：

一种用于交会对接的微波测量与通信系统，包括，安装于追踪飞行器的主机和安装于目标飞行器的辅机，所述主机包括：主机频率源、主机信号处理器、主机调制发射通道、主机接收通道、测角接收通道、主机双工耦合器、主机天线阵；所述辅机包括：辅机频率源、辅机信号处理器、辅机调制发射通道、辅机接收通道、辅机双工耦合器、辅机天线。

在初始或未捕获阶段，所述目标飞行器利用辅机发射通道和辅机天线向追踪飞行器发送由辅机信号处理器产生的捕获信号，所述追踪飞行器利用主机接收通道和测角接收通道从接收到的捕获信号中分别对目标飞行器的方向进行估计，并根据方向估计结果将所述主机天线阵指向目标飞行器，进入测控阶段；

在测控阶段，所述目标飞行器通过辅机调制发射通道将由辅机信号处理器产生的辅机测控信号进行调制后从辅机天线发出；所述追踪飞行器通过主机调制发射通道将由主机测控信号进行调制后从主机天线阵发出；

所述追踪飞行器的主机信号处理器从所述主机接收通道中接收到的辅机测控信号中提取出目标飞行器的伪距测量值和伪速测量值并输出；所述追踪飞行器的主机信号处理器从测角接收通道中接收到的辅机测控信号中获得载波相位测量值并输出；

所述目标飞行器的辅机信号处理器从所述辅机接收通道接收到的主机测控信号中提取出追踪飞行器的伪距测量值和伪速测量值，并利用所述伪距测量值和伪速测量值对目标飞行器进行时标调整。

进一步的，所述捕获信号采用单载波信号，由全0或全1码组成；所述主机测控信号和辅机测控信号均为时帧伪码扩频载波调制信号，在所述时帧伪码扩频载波调制信号的I支路调制扩频测控信息、Q支路调制扩频通信信息。

进一步的，所述主机天线阵包括：1个主收发天线，5个测角天线和1个初捕获天线，所述主收发天线与所述主机接收通道和主机发射通道相连；所述初捕获天线在初始或未捕获阶段与测角接收通道相连，在测控阶段，断开与测角接收通道的连接；所述测角天线在测控阶段与测角接收通道相连。

进一步的，所述测角天线组成L形，所述主收发天线位于L形测角天线阵口面轴线的几何中心位置，初捕获天线位于L形测角天线阵中的空区位置，与L形测角天线阵形成正方形天线阵。

进一步的，所述主机天线阵和辅机天线采用Ka或以上频段天线。

一种基于上述系统的用于交会对接的微波测量与通信方法，包括以下步骤：

在初始或未捕获阶段：

所述目标飞行器向追踪飞行器发送捕获信号，所述追踪飞行器利用主机接收通道和测角接收通道对捕获信号进行方向估计；

所述追踪飞行器根据方向估计结果转动主机天线阵，将主机天线阵对准目标飞行器，并转入测控阶段；

在测控阶段：

所述目标飞行器向追踪飞行器发送辅机测控信号；所述追踪飞行器向目标飞行器发送主机测控信号；

所述追踪飞行器利用接收到的辅机测控信号获得目标飞行器的伪距测量值、伪速测量值和载波相位测量值，利用所述伪距测量值、伪速测量值与接收到的来自于目标飞行器的测控信号信息帧中的目标飞行器的伪距测量值和伪速测量值进行追踪飞行器和目标飞行器的时差、距离、速度解算，所述伪距测量值和伪速测量值通过测控信号信息帧发送到目标飞行器；利用所述载波相位测量值获得目标飞行器的方位角和俯仰角，根据所述目标飞行器的方位角和俯仰角驱动所述主机天线阵对目标飞行器进行跟踪；

所述目标飞行器利用接收到的主机测控信号获得追踪飞行器的伪距测量值和伪速测量值，利用所述伪距测量值和伪速测量值以及接收到的来自于追踪飞行器的测控信号信息帧中的伪距测量值和伪速测量值进行目标飞行器和追踪飞行器的时差、距离、速度解算对目标飞行器的时标进行调整，所述伪距测量值和伪速测量值通过测控信号信息帧发送到追踪飞行器。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明在初始阶段或未捕获阶段采用单载波的捕获信号，在捕获完成后的测控阶段采用时帧伪码扩频载波调制信号的测控信号，实现了在初捕获阶段和测控阶段微波频率、收发通道和信号处理器的复用。

在所述追踪飞行器中，配置主机接收通道和测角接收通道可分别实现对目标飞行器的测距、测速和测角。在追踪飞行器与目标飞行器间100km到对接的大动态距离范围、-60度到+60度宽视角情况下，追踪飞行器对目标飞信器的优于0.1米精度的测距、优于0.005米/秒精度的测速、优于0.1度精度的测角和数据通信。

且上述测量过程中，通过使用单个测角接收通道接收主机天线阵输出的信号避免了采用多个接收通道引起的相位不一致从而影响测角精度的情况。与现有技术相比改善了测角精度。

附图说明

图1为本发明示意图；

图2为主机天线阵示意图。

具体实施方式

下面就结合附图对本发明做进一步介绍。

如图1所示为本发明实施例示意图。包括安装于追踪飞行器的主机和安装于目标飞行器的辅机。追踪飞行器利用主机实现对目标飞行器的测距、测速、测角、数据通信，并将测距、测速、测角的结果和数据通信信息进行输出给追踪飞行器的GNC分系统用于追踪飞行器与目标飞行器的交会对接。

所述主机包括主机频率源、主机信号处理器、主机调制发射通道、主机接收通道、测角接收通道、主机双工耦合器和主机天线阵。

所述辅机包括辅机频率源、辅机信号处理器、辅机调制发射通道、辅机接收通道和辅机天线。

在主机中，主机频率源产生基准频率，并通过基准频率产生用于主机中其他设备的工作频率信号，并将产生的各工作频率信号分别输出给主机信号处理器、主机调制发射通道、主机接收通道和测角接收通道。主机信号处理器、主机调制发射通道和主机接收通道和测角接收通道根据输入的工作频率信号进行工作。辅机频率源对辅机的各设备做与主机频率源做同样的动作。辅机中辅机信号处理器、辅机调制发射通道、辅机接收通道均在各自的工作频率下进行工作。

在主机中，主机调制发射通道用于对主机信号处理器产生的捕获信号和主机测控信号进行调制，调制方式采用BPSK调制或QPSK调制，信号调制后通过主机天线阵进行发送。主机接收通道通过主机天线阵接收由辅机发送的捕获信号或测控信号，并将捕获信号或测控信号进行低噪声接收和下变频后输出给主机信号处理器，由主机信号处理器对接收到的信号进行测距、测速及测角处理。

上述主机天线阵由7个喇叭天线、波导、六选一开关、双轴转动机构(含电机、旋变)、两维旋转关节(双通道)组成，包括：1个主收发天线，采用窄波束高增益天线；5个测角天线，呈L形布局，分别形成两维虚拟基线的测角阵列；1个初捕获天线。初捕获天线和5个测角天线通过波导连到一个六选一开关切换到一个共享的测角接收通道。上述各天线按图2所述范围组成主机天线阵，其中，第一测角天线、第二测角天线和第三测角天线的中心轴与主收发天线中心轴具有相等间距。

主收发天线、测角天线和初捕获天线的具体波束宽度选择依据扫描覆盖角度范围、角捕获时间、测角范围和精度综合确定，原则是：主收发天线用于角捕获阶段的信号接收和发射，其波束要求较窄，既保证天线高增益，又要保证扫描接收信号方向估计精度，但是波束太窄又影响捕获时间和捕获概率，因此，设计初捕获天线只用于角捕获阶段的宽范围扫描粗略估计方向，波束宽度选择一般为主收发天线波束宽度的3到10倍。通过粗扫描和局部精扫描两次扫描估计信号方向。测角天线的波束宽度大小介于初捕获天线和主收发天线的波束宽度之间，用于测控阶段角度的精确测量，用于跟踪测量的角差获取，兼顾较大的测角范围和较高的测角精度以及天线的重量，选较宽波束时天线口径小重量轻，选较窄波束时增益高有利于测角精度和减小发射方的信号功率。具体参数确定依据具体技术指标。

追踪飞行器在主机开机后的初始阶段或测控信号失捕的未捕获阶段，辅机信号处理器产生用于辅助辅机实现捕获的捕获信号，捕获信号由全0或全1的符号组成，经辅机调制发射通道由辅机天线发出。

追踪飞行器中的主机利用主机天线中的初捕获天线和主收发天线对辅机发送的捕获信号进行接收，由初捕获天线接收到的捕获信号送入测角接收通道，转换为中频后输出到主机信号处理器。由主收发天线接收到的捕获信号由主机接收通道转换为中频后输出到主机信号处理器。

主机信号处理器利用测角接收通道和主机接收通道送入的信号进行目标飞行器的方向估计，并根据方向估计结果转动主机天线阵，使得主机天线阵对准对目标飞行器。

主机信号处理器对目标飞行器进行方向估计的方法为：控制主机天线阵转动，第一次以较大的螺距进行大范围螺线轨迹方式扫描，螺距一般设计为初捕获天线波束宽度的1/2到2/3角度，在扫描过程中，对两个通道输出的信号分别进行能量检测存储，检测周期可设计为50ms到100ms。在扫描过程中，不断对检测存储的信息进行信号能量大小分析比较，当能够估计出目标初步方向时，将天线指向转到该方向，启动控制主机天线阵进行第二次局部螺线轨迹方式扫描，螺距一般设计为主接收天线波束宽度的1/2到2/3角度，信号处理器进行与第一次扫描过程相同的处理方法，对目标方向进行更准确的估计，将天线指向转到该方向。如果目标方向缺乏任何先验信息的条件下，第一次扫描从“0”指向角启动，否则从预知的粗略方向角启动。

追踪飞行器完成对目标飞行器的方向估计后，在测控信号中通过加入“辅机发射测控信号”指令信息(测控信息帧设计为伪码扩频的时帧的格式，具有标识时间信号的帧标志、勤务段和数据段信息等。发射帧标志与本地时间相干，该指令信息由数据段中有冗余的两位信息表示)，以通知辅机信号处理器控制测控信号状态转换为发出伪码扩频测控信号状态转入测控阶段，主机信号处理器从在捕获阶段时单频方向检测处理模式转换为伪码扩频测控信号的捕获、跟踪、数据解调、测距、测速、测角处理模式；同时，目标飞行器的辅机信号处理器收到主机发来的“辅机发射测控信号”指令信息后开始产生辅机测控信号。主机测控信号和辅机测控信号采用伪码直接序列扩频后的调制信号，调制方式一般采用BPSK或QPSK。通信信息量很小时采用BPSK，通信信息量较大时采用QPSK，一般在QPSK的正交支路调制扩频通信信号。

在目标飞行器经辅机调制发射通道和辅机天线发出的辅机测控信号，由主机通过主收发天线进行接收，其中，主收发天线接收的测控信号经主机接收通道后送入主机信号处理器，由主机信号处理器产生与目标飞行器间的伪距测量值和伪速测量值并缓存，并立即将该伪距、伪速值打包到发射测控信息帧中的勤务段发出给目标飞行器。5个测角天线接收的测控信号经测角接收通道后由主机信号处理器产生目标飞行器发射测控信号到达主机各路测角天线的载波相位测量值。

主机信号处理器将从处理后的测控信号帧中提取对方的伪距测量值和伪速测量值与本地缓存的伪距测量值、伪速测量值按相同测量时刻配对，配对后进行时差、距离、速度解算，同时利用单接收通道测角技术实现方位角差和俯仰角差的处理，之后结合当前天线的轴角合成解算出目标飞行器相对追踪飞行器主机天线安装坐标系的方向。

在追踪飞行器经主机调制发射通道和主收发天线发出的主机测控信号，由辅机通过辅机天线进行接收，经辅机接收通道后，由辅机信号处理器产生与追踪飞行器间的伪距测量值和伪速测量值。辅机信号处理器将从处理后的测控信号帧中提取对方伪距、伪速测量值与本地缓存的伪距、伪速测量值按相同测量时刻配对，辅机信号处理器根据配对后的伪距、伪速测量值进行时差、距离、速度解算，若辅机信号处理器检测到解算出的与主机时差超出阈值，则进行时标调整。

上述测控信号的载波频率设计可根据具体任务情况在多个频段选择，优选较高频段以减小天线重量，本实施例选用了Ka及以上频段，即主机天线阵和辅机天线采用Ka或以上频段天线。从主机到辅机的载波频率与从辅机到主机的载波频率用不同频点，在Ka频段，频差一般选择在500MHz到2GHz范围，目标飞行器与追踪飞行器间的测控信号设计如下：包含前向链路(从主机到辅机)和反向链路(从辅机到主机)，测控信号结构也基本一致。主机与辅机间的前向和反向链路信号均采用直接序列扩频和射频载波调制信号。主机到辅机的前向链路扩频码序列与反向链路扩频码序列不同，主机发射的前向链路信号通过变频耦合馈入测距接收通道，产生测距自校准信号，接收信号与自校准信号形成的多址方式为同频码分多址。

实施例

目标飞行器与追踪飞行器之间载波频率从大于30GHz的Ka频段中选出两个频点作为前向和反向载波，信息帧长为200ms，采用QPSK调制，其中一个支路设计为测量信息帧，其正交支路设计为通信信息帧，伪码速率采用10.23Mcps。主机天线阵中主收发天线波束宽度设计为±5度，测角天线设计为±15度，初捕获天线设计为±20度，主机可控天线转角大于120度范围，辅机天线为120度锥角宽波束天线；主机发射功率0.2W，辅机发射功率1W。

从设备的实现性能，测距精度可达到优于0.1m，测速精度可优于0.05m/s，测角精度可优于0.1°；角度覆盖能力可优于120度°范围；测量距离范围不小于5米到100km范围；通信速率可不小于5kbps，通信范围不小于0.2m到100km；初捕获时间小于90秒；样机总重量小于15kg，总功耗小于120W。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (6)

1.一种用于交会对接的微波测量与通信系统，包括，安装于追踪飞行器的主机和安装于目标飞行器的辅机，所述主机包括：主机频率源、主机信号处理器、主机调制发射通道、主机接收通道、测角接收通道、主机双工耦合器、主机天线阵；所述辅机包括：辅机频率源、辅机信号处理器、辅机调制发射通道、辅机接收通道、辅机双工耦合器、辅机天线，其特征在于：

在未捕获阶段，所述目标飞行器利用辅机调制发射通道和辅机天线向追踪飞行器发送由辅机信号处理器产生的捕获信号，所述追踪飞行器利用主机接收通道和测角接收通道从接收到的捕获信号中分别对目标飞行器的方向进行估计，并根据方向估计结果将所述主机天线阵指向目标飞行器，进入测控阶段；

在测控阶段，所述目标飞行器通过辅机调制发射通道将由辅机信号处理器产生的辅机测控信号进行调制后从辅机天线发出；所述追踪飞行器通过主机调制发射通道将主机测控信号进行调制后从主机天线阵发出；

所述追踪飞行器的主机信号处理器从所述主机接收通道中接收到的辅机测控信号中提取出目标飞行器的伪距测量值和伪速测量值并输出；所述追踪飞行器的主机信号处理器从测角接收通道中接收到的辅机测控信号中获得载波相位测量值并输出；

所述目标飞行器的辅机信号处理器从所述辅机接收通道接收到的主机测控信号中提取出追踪飞行器的伪距测量值和伪速测量值，并利用所述目标飞行器和追踪飞行器的伪距测量值和伪速测量值对目标飞行器进行时标调整。

2.如权利要求1所述的一种用于交会对接的微波测量与通信系统，其特征在于：所述捕获信号采用单载波信号，由全0或全1码组成；所述主机测控信号和辅机测控信号均为时帧伪码扩频载波调制信号，在所述时帧伪码扩频载波调制信号的I支路调制扩频测控信息、Q支路调制扩频通信信息。

3.如权利要求1所述的一种用于交会对接的微波测量与通信系统，其特征在于：所述主机天线阵包括：1个主收发天线，5个测角天线和1个初捕获天线，所述主收发天线与所述主机接收通道和主机调制发射通道相连；所述初捕获天线在未捕获阶段与测角接收通道相连，在测控阶段，断开与测角接收通道的连接；所述测角天线在测控阶段与测角接收通道相连。

4.如权利要求3所述的一种用于交会对接的微波测量与通信系统，其特征在于：所述测角天线组成L形，所述主收发天线位于L形测角天线阵口面轴线的几何中心位置，初捕获天线位于L形测角天线阵中的空区位置，与L形测角天线阵形成正方形天线阵。

5.如权利要求1或3所述的一种用于交会对接的微波测量与通信系统，其特征在于：所述主机天线阵和辅机天线采用Ka以上频段天线。

6.一种基于权利要求1所述系统的用于交会对接的微波测量与通信方法，其特征在于包括以下步骤：

在未捕获阶段：

所述目标飞行器向追踪飞行器发送捕获信号，所述追踪飞行器利用主机接收通道和测角接收通道对捕获信号进行方向估计；

所述追踪飞行器根据方向估计结果转动主机天线阵，将主机天线阵对准目标飞行器，并转入测控阶段；

在测控阶段：

所述目标飞行器向追踪飞行器发送辅机测控信号；所述追踪飞行器向目标飞行器发送主机测控信号；

所述追踪飞行器利用接收到的辅机测控信号获得目标飞行器的伪距测量值、伪速测量值和载波相位测量值，利用所述伪距测量值、伪速测量值与接收到的来自于目标飞行器的测控信号信息帧中的目标飞行器的伪距测量值和伪速测量值进行追踪飞行器和目标飞行器的时差、距离、速度解算，所述追踪飞行器利用接收到的辅机测控信号获得目标飞行器的伪距测量值和伪速测量值通过测控信号信息帧发送到目标飞行器；利用所述载波相位测量值获得目标飞行器的方位角和俯仰角，根据所述目标飞行器的方位角和俯仰角驱动所述主机天线阵对目标飞行器进行跟踪；

所述目标飞行器利用接收到的主机测控信号获得追踪飞行器的伪距测量值和伪速测量值，利用所述目标飞行器利用接收到的主机测控信号获得追踪飞行器的伪距测量值和伪速测量值以及接收到的来自于追踪飞行器的测控信号信息帧中的伪距测量值和伪速测量值进行目标飞行器和追踪飞行器的时差、距离、速度解算对目标飞行器的时标进行调整，所述目标飞行器利用接收到的主机测控信号获得追踪飞行器的伪距测量值和伪速测量值通过测控信号信息帧发送到追踪飞行器。

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