CN102778678A - 一种高精度载波测距系统和方法 - Google Patents

一种高精度载波测距系统和方法 Download PDF

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王春晖
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Abstract

本发明公开了一种高精度载波测距系统及方法，用于星间高精度的相对距离测量，主星包括主星天线，超稳晶振模块，主星发射射频产生模块，参考射频产生模块，下变频模块和基带处理模块，从星主要包括从星天线，嵌套环接收模块和从星发射射频产生模块。本发明的测距方法主星利用超稳晶振作为基准频率产生第一发射载波信号和本地参考信号，从星接收第一载波信号，恢复出基准信号，并完成频率和相位的比例变换，发射第二载波信号，主星接收第二载波信号，并与本地参考信号比较进行相位差的提取，最后就得到了主从星之间的距离变化。本发明相位差的提取在同一颗卫星上进行，不依赖GPS进行主从星的定时同步，测距精度高，电路结构简单。

Description

一种高精度载波测距系统和方法
技术领域
本发明涉及星间测距技术领域，尤其涉及一种高精度载波测距系统和方法。
背景技术
随着航天技术的不断发展，使空间系统的功能越来越强，大卫星的任务可以由多个功能相对单一的小卫星合作完成。小卫星以其成本低、体积小、质量轻、研制周期短、技术含量高的特点，在航天领域扮演着越来越重要的角色。多个单一卫星必须采用高精度的实时自主相对距离测量方式，这是实现分布式卫星编队飞行协同控制的前提和基础。常用的星间测距方法有侧音测距、伪码测距和载波测距等，其中侧音测距的精度最差，载波测距的精度最高。2002年3月德美合作成功发射的GRACE(GravityRecovery And Climate Experiment)卫星由两颗同一轨道的低轨卫星组成，其高度为300□500Km，两颗卫星相距220±50Km，用于探测重力场和气象实验。它的核心有效载荷是K/Ka波段载波测距系统，可以达到微米级的测距精度。其原理是利用双向测量相位的结合消除晶振的不稳定带来的相位误差，这是一种双单程的测距思想，抖动周期大于载波在星间传输时间的相位抖动都可以消除。
GRACE的测距系统将微小卫星间的测距水平提升到一个新的高度。但是GRACE的方案需要精确的定时系统作为主从星同步的保证，精确的定时系统需要GPS定时系统作为基准，这在很大情况下增加了处理的复杂性，并且GPS并不适用我国卫星编队飞行任务。因此，我们需要一种新的载波测距系统，这种新的载波测距系统需要在原理上同样能够实现消除晶振的长期时钟相位噪声，从而达到很高的测距精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种高精度载波测距系统和方法，该载波测距系统利用了载波相干转发的思想，不需要进行精确的定时同步，经过验证可以达到几十微米的测距精度。
一种高精度载波测距系统，用于主星与从星间相对距离的测量，所述主星包括主星天线，用于发射第一载波信号和接收第二载波信号；超稳晶振模块，用于产生基准频率的基准信号；主星发射射频产生模块，用于根据基准信号产生第一载波信号，并输出到所述主星天线发射；参考射频产生模块，用于根据基准信号产生本地参考信号；下变频模块，用于接收本地参考信号和所述主星天线接收的第二载波信号，进行下变频；基带处理模块，用于对来自于下变频模块的信号进行基带处理，得到相位差，计算出星间距离；
所述从星包括从星天线，用于发射第二载波信号和接收第一载波信号；嵌套环接收模块，用于解调从星天线接收的第一载波信号恢复出基准信号；和从星发射射频产生模块，用于根据基准信号产生第二载波信号并通过从星天线发送。
特别地，所述从星发送射频产生模块产生的第二载波信号的频率与所述主星的参考射频产生模块产生的本地参考信号频率为同一频率。由于主星接收的第二载波信号与本地参考信号包含几乎相同的频率源漂移噪声，将两种信号结合可以最大程度的抵消频率源不稳定对距离测量结果的影响。
进一步地，所述参考射频产生模块，主星发射射频产生模块和从星发射射频产生模块为单锁相环频率合成器。
进一步地，所述嵌套环接收模块包括载波跟踪环和接收本振环，所述载波跟踪环和接收本振环为单锁相环频率合成器。嵌套环接收模块根据第一载波信号恢复出基准信号，这样从星的参考频率源由接收到的第一载波信号解调得到，不引入新的频率源噪声。
本发明还提出了一种高精度载波测距方法，用于主星与从星间相对距离的测量，所述高精度载波测距方法包括步骤：
(1)、主星根据基准信号产生第一载波信号和本地参考信号，并通过天线发送第一载波信号；
(2)、从星接收第一载波信号，提取基准信号，并根据基准信号产生第二载波信号发送；
(3)、主星接收第二载波信号，并与本地参考信号进行比较，提取两者的相位差，计算得到相对距离。
进一步地，所述步骤(3)还包括步骤：将第二载波信号与本地参考信号进行下变频后，送入基带处理器提取相位差。
进一步地，所述第二载波信号的频率与所述主星本地参考信号的频率是同一频率。
与现有技术相比，本发明高精度载波测距系统采用一个超稳晶振模块产生基准频率，并且从星从第一载波信号恢复基准频率，不引入新的频率源噪声能够实现消除晶振的长期时钟相位噪声，可以达到几十微米的测距精度。同时本发明相位差的提取在同一颗卫星上进行，不需要进行精确的定时同步，电路实现结构比较简单，省去了GRACE双单程测距中GPS的定时同步模块。本发明测距方法通过转发得到由同一频率源产生的相位测量量，从而消除频率源不稳定的影响，测量精度高。
附图说明
图1是本发明高精度载波测距系统结构示意图；
图2是单环频率合成器系统结构框图；
图3是从星嵌套环接收模块和从星发射射频产生模块结构框图；
图4是本发明高精度载波测距方法流程图；
图5是本发明载波测距差分相位观测量转换关系图；
图6是主从星在相对静止状态下的测距结果；
图7是主从星在相对运动状态下的测距结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明技术方案做进一步详细说明。
本发明高精度星间载波测距系统结构如图1所示，包括主星和从星。主星包括主星天线、超稳晶振模块、主星发射射频产生模块、参考射频产生模块、下变频模块和基带处理模块。
其中，主星天线用于发射第一载波信号和接收第二载波信号。
主星发射射频产生模块和参考射频产生模块的基本结构均是单锁相环的频率合成器，锁相环技术是一种相位负反馈技术，它是通过比较输入信号和压控振荡器的输出信号的相位，取出与这两个信号的相位差成正比的电压作为误差电压来控制振荡器的频率，达到使其与输入信号频率相等的目的。频率合成器的基本框图如图2所示，包括分频器、鉴相器、压控振荡器、环路滤波器等，其中1/R和1/N均代表分频器，R和N的不同取值决定了频率合成器输出频率值的大小，假如基准频率为FO，则频率合成器的输出频率可以表示为fout＝N·FO/R，对于主星来说，基准信号就是超稳晶振输出的基准频率为FO的信号；鉴相器的主要作用是将两路信号的相位差变换到电压信号；环路滤波器的作用是滤除电压信号中的高频成分和噪声，取出平均分量去控制压控振荡器的频率；压控振荡器是频率受电压控制的振荡器。主星发射射频产生模块和参考射频产生模块的基准信号都来自于超稳晶振模块输出的基准信号，但是二者产生的频率不同，主星发射射频产生模块产生频率为f1的第一载波信号通过天线发射出去，参考射频产生模块产生频率为f2的载波信号作为本地参考信号。超稳晶振模块产生频率为FO的基准频率，作为两个射频产生模块的基准频率。
主星天线接收的第二载波信号和本地参考信号一起送入下变频模块处理后送入基带处理模块，基带处理模块接收下变频模块的输出，提取第二载波信号和本地参考信号的相位差，并完成相位到距离的变换。
如图1所示，从星包括从星天线，嵌套环接收模块和从星发射射频产生模块。
从星天线，用于发射第二载波信号和接收第一载波信号。
嵌套环接收模块和从星发射射频产生模块的详细结构如图3所示，嵌套环接收模块包括滤波器、低噪声放大器(LNA)、镜像抑制滤波器和嵌套锁相环，其中嵌套锁相环包括载波跟踪环、接收本振环、混频器(Mixer)、声表面波滤波器(SAW)和自动增益控制(AGC)单元。载波跟踪环和接收本振环的基本结构也是单环的频率合成器，这两个单环相互嵌套组成了一个闭环结构，参见图3中的虚线框部分，混频器的功能是使得输入射频信号与接收本振环输出的本振信号进行混频，从而得到中频信号，它使载波跟踪环和接收本振环联合组成了嵌套闭环结构。声表面波滤波器对中频信号进行限带处理，滤除边带噪声，自动增益控制模块的功能是使得输出的信号功率近似恒定，整个嵌套锁相环结构的功能是从接收到的载波信号中恢复出参考基准信号。嵌套环接收模块接收第一载波信号，经过射频前端的滤波器选择信号频带，然后经过低噪声放大器(LNA)的放大作用和镜像抑制滤波器的去除镜像频率作用后进入嵌套锁相环，由嵌套锁相环接收模块解调主星发射的第一载波信号得到参考基准频率FO，并由载波跟踪环输出。
从星发射射频产生模块与主星发射射频产生模块结构一样也是单环的频率合成器，只是产生的频率不同。恢复出的参考基准频率FO，信号经过从星发射射频产生模块的频率合成功能变换为频率为f2的第二载波信号通过功率放大器(PA)的放大，最后由从星天线发射出去，这样从星就完成了频率和相位的比例变换，并且往返于两颗卫星的载波频率不同。
如图4所示，本发明高精度载波测距方法流程包括步骤：
步骤401、主星根据基准信号产生第一载波信号和本地参考信号，并通过主星天线发送第一载波信号。
具体地，超稳晶振模块产生基准频率为FO的基准信号，作为主星发射射频产生模块和参考射频产生模块的基准信号，产生频率为f1的第一载波信号和频率为f2的本地参考信号，第一载波信号经过三端口环形器到达主星天线，主星天线将第一载波信号发射出去。
步骤402、从星接收第一载波信号，提取基准信号，并根据基准信号产生第二载波信号发送。
具体地，第一载波信号经过一段空间无线链路被从星天线接收，接收到的第一载波信号也经过一个三端口环形器到达从星嵌套环接收模块，嵌套环接收模块从第一载波信号中解调出基准信号FO，并通过从星发射射频产生模块将频率变换为f2的第二载波信号，经过三端口环形器和从星天线发射出去。在整个变换过程中保持相位和频率的比例关系，这样从星就完成了载波信号的相干转发。
步骤403、主星接收第二载波信号，并与本地参考信号进行比较，提取两者的相位差，对相位差进行滤波处理和相位距离值的转换，得到相对距离。
从星转发的第二载波信号经过三端口环形器和从星天线发射出去，并被主星天线接收。由于主星产生的本地参考信号与主星接收到的第二载波信号在频率上相同，将主星接收的第二载波信号与本地参考信号分别经过下变频模块后，进入基带处理模块进行基带数字信号处理，分别进行锁相和滤波后结合就得到了一个相位差测量量，该相位差测量量与星间相对距离有关。因为距离测量值ρ＝cτ，c是光速，τ是空间链路的传输时间，这个传输时间包含在相位差之中，将此相位差通过数字处理芯片转换为相对距离值。由于主星接收的第二载波信号与本地参考信号包含几乎相同的频率源漂移噪声，将两种信号结合有效地消除了频率源不稳定对距离测量结果的影响。
需要说明的是，由图1所示，主从星天线工作在双工模式，也就是天线在发射载波的时候也同时接收载波信号，而一个天线能够同时收发载波信号，一个最主要的原因是有一个三端口的环形器，其中电磁波的传输只能沿单方向环行，例如在图1中，信号在环形器中只能沿①→②→③方向传输，反方向是隔离的。在近代雷达和微波多路通信系统中都要用单方向环行特性的器件。在收发设备共用一副天线的系统中常用环形器作双工器，在微波多路通信系统中，用环形器可以把不同频率的信号分隔开。在我们的测距系统中，主从星发射载波过程在环形器中的信号沿着①→②方向传输。主从星接收载波过程在环形器总的信号沿着②→③方向传输，两个传输过程是同时进行而不会相互干扰。
本发明高精度星间载波测距差分相位观测量转换关系如图5所示，虚线表示了相位的无线传播等效于对相位的时间延迟，其中，τ21是从星到主星的载波飞行时间，τ12是主星到从星的载波飞行时间。主星的接收相位
Figure BDA00001969161400061
可以用从星的发射相位表示，同样从星的接收相位
Figure BDA00001969161400063
也可以用主星的发射相位
Figure BDA00001969161400064
表示，而从星只是进行了频率和相位的比例变换，即
Figure BDA00001969161400065
这样主星接收到的相位
Figure BDA00001969161400066
可以用主星的发射相位表示，即同时主星端产生一个参考载波信号，瞬时相位为
Figure BDA00001969161400068
频率与从星发射的频率相同。图4表示了最后相位差的提取在主星上提取，两个相减的相位分别来自主星产生的参考信号相位和主星接收到的信号相位
Figure BDA000019691614000610
这个提取出的相位差包含主从星的距离信息，通过后续的基带处理就可以将这个距离信息提取出来。从图5中看出，从星完成了将其接收到的主卫星的载波相位相干转发的过程，转发保持了相位的相干关系，即输出相位保持与输入相位恒定的比例关系。假设从星发射相位与接收相位的比例为k，同时主星的参考信号与主星的发射信号也保持相同的比例系数。
对于载波测距来说，误差的主要来源是频率源噪声，本发明高精度星间载波测距系统通过转发得到由同一频率源产生的相位测量量，从而消除频率源不稳定的影响。主星发出的载波测量信号依次表示为从星的接收测量信号、从星的发射测量信号和主星的接收测量信号。主星接收的测量信号和主星的参考信号相结合得到测量结果。测量结果仅包含主星的频率源噪声，从星的参考频率源由接收到的主星载波解调得到，不引入新的频率源噪声。构成相位差的两个相位，一个是主星端产生的参考相位，另一个是从星接收到的转发相位，此相位差包含的频率源噪声仅相差了载波的来回飞行时间，例如对于相距150km左右的两颗卫星来说，这段时间小于1ms。两个相位的差分运算消除了频率源噪声的长周期部分和中周期部分。只有周期短于1ms的高频频率源噪声残留在相位差测量量中。
如图6和图7所示，为此载波测距系统的两组测试结果，通过测距信号处理电路载波跟踪、混频、采样、比相、滤波得出距离。图6所示的测试采用静止测试，即保持主从星天线的位置固定，这样所得到的测试结果应该是一个固定值，不过由于噪声等的影响，测距结果会在平均值上下波动，波动值得均方误差代表了测距的精度。图6中测试结果采集了1350个距离值，统计并计算该1350个距离值的均方差，得出该载波测距系统的测距精度为40um左右。图7所示的测试采用动态测试，即利用电控平移台，使主从星之间的距离匀速变化，而测距结果显示的就是在一个周期内的变化，可以看出测距系统测出的距离变化呈现周期性锯齿波形状，每跨过一个锯齿波就代表主从星天线之间的距离超过了一个等效波长，而锯齿波的斜率就代表了相对运动的速度。
在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种高精度载波测距系统，用于主星与从星间相对距离的测量，其特征在于：
所述主星包括主星天线，用于发射第一载波信号和接收第二载波信号；超稳晶振模块，用于产生基准频率的基准信号；主星发射射频产生模块，用于根据基准信号产生第一载波信号，并输出到所述主星天线发射；参考射频产生模块，用于根据基准信号产生本地参考信号；下变频模块，用于接收本地参考信号和所述主星天线接收的第二载波信号，进行下变频；基带处理模块，用于对来自于下变频模块的信号进行基带处理，得到相位差，计算出星间距离；
所述从星包括从星天线，用于发射第二载波信号和接收第一载波信号；嵌套环接收模块，用于解调从星天线接收的第一载波信号恢复出基准信号；从星发射射频产生模块，用于根据基准信号产生第二载波信号并通过从星天线发送。
2.如权利要求1所述的高精度载波测距系统，其特征在于，所述从星发送射频产生模块产生的第二载波信号的频率与所述主星的参考射频产生模块产生的本地参考信号频率为同一频率。
3.如权利要求1所述的高精度载波测距系统，其特征在于，所述参考射频产生模块，主星发射射频产生模块和从星发射射频产生模块为单锁相环频率合成器。
4.如权利要求1所述的高精度载波测距系统，其特征在于，所述嵌套环接收模块包括载波跟踪环和接收本振环。
5.如权利要求4所述的高精度载波测距系统，其特征在于，所述载波跟踪环和接收本振环为单锁相环频率合成器。
6.一种高精度载波测距方法，用于主星与从星间相对距离的测量，其特征在于，所述高精度载波测距方法包括步骤：
(1)、主星根据基准信号产生第一载波信号和本地参考信号，并通过天线发送第一载波信号；
(2)、从星接收第一载波信号，提取基准信号，并根据基准信号产生第二载波信号发送；
(3)、主星接收第二载波信号，并与本地参考信号进行比较，提取两者的相位差，计算得到相对距离。
7.如权利要求6所述的高精度载波测距方法，其特征在于，所述步骤(3)还包括步骤：
将第二载波信号与本地参考信号进行下变频后，送入基带处理器提取相位差。
8.如权利要求6或7所述的高精度载波测距方法，其特征在于，所述第二载波信号的频率与所述主星本地参考信号的频率是同一频率。
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