CN104779993A - 基于频域均衡的深空测控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于频域均衡的深空测控系统及方法，涉及深空测控技术领域，该方法包括以下步骤：地面站将测控信息和授时码分别扩频、星座映射、傅里叶变换，产生两路频域信号，再将频域信号分别进行过采样、反傅里叶变换、添加循环前缀后，形成时域信号并发射；飞行器得到测控信息、授时码和两路m序列；飞行器对数据信息和授时码进行处理，形成下行信号并发射；地面站对下行信号依次进行时频同步、信道估计、去掉循环前缀、傅里叶变换、频域均衡、反傅里叶变换，得到均衡时域信号，再解映射和解扩，得到新数据信息和新授时码；地面站进行比相，计算距离。本发明具有较好的抗多径干扰能力，能有效提高频带利用率，解决在深空远距离低仰角条件下的测控难题。

Description

基于频域均衡的深空测控系统及方法

技术领域

本发明涉及深空测控技术领域，具体涉及一种基于频域均衡的深空测控系统及方法。

背景技术

为了满足深空任务所要求的测距性能，各种测距方式相继出现，其中，深空测控通信系统中的测距系统包括地面站和飞行器，用于确定地面站与飞行器之间的距离。目前，深空测距系统常采用伪码测距技术，这是因为伪码测距技术具有明显优点：抗干扰能力强，能够与其它信号共享频谱，但是，大多伪码测距技术是对伪码进行载波相位映射后，直接通过天线发送出去，发射出的信号容易受到多径干扰的影响，从而导致测距精度下降；而且，接收机一般采用时域均衡技术，运算复杂度高，实现起来比较困难。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于频域均衡的深空测控系统及方法，具有较好的抗多径干扰能力，有效地提高频带利用率，解决在深空远距离低仰角条件下的测控难题。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种基于频域均衡的深空测控系统，包括地面站和飞行器：

地面站分别对需要发送的测控信息和授时码进行扩频、星座映射、傅里叶变换，分别产生与测控信息、授时码对应的频域信号，再将这两路频域信号分别进行过采样、反傅里叶变换、添加循环前缀，分别形成与测控信息、授时码对应的时域信号，并发送给飞行器；

飞行器接收到与测控信息、授时码对应的时域信号，分别对这两路时域信号分别进行解映射、解扩，得到测控信息、授时码和两路m序列；飞行器分别对数据信息和授时码进行扩频、星座映射，得到与数据信息、授时码对应的下行信号，并采用下行频率发送至地面站；

地面站在下行频率接收与数据信息、授时码对应的下行信号，并分别对这两路下行信号进行时频同步、信道估计、去掉循环前缀、傅里叶变换、频域均衡、反傅里叶变换，得到与数据信息、授时码对应的均衡时域信号，再分别对这两路均衡时域信号进行解映射和解扩，得到新数据信息和新授时码；地面站将新数据信息和新授时码与正在发送的测控信息和授时码进行比相，得到时延，再根据时延计算出地面站到飞行器的距离。

一种基于频域均衡的深空测控方法，该方法应用于深空测控系统，该深空测控系统包括地面站和飞行器，该方法包括如下步骤：

S1.地面站分别对需要发送的测控信息和授时码进行扩频、星座映射、傅里叶变换，分别产生与测控信息、授时码对应的频域信号，再将这两路频域信号分别进行过采样、反傅里叶变换、添加循环前缀，分别形成与测控信息、授时码对应的时域信号，并发送给飞行器；

S2.飞行器接收到与测控信息、授时码对应的时域信号，分别对这两路时域信号分别进行解映射、解扩，得到测控信息、授时码和两路m序列；

S3.飞行器利用解扩后得到的两路m序列分别对数据信息和授时码进行扩频、星座映射，得到与数据信息、授时码对应的下行信号，并分别采用下行频率发送至地面站；

S4.地面站在下行频率接收与数据信息、授时码对应的下行信号，并分别对这两路下行信号进行时频同步、信道估计、去掉循环前缀、傅里叶变换、频域均衡、反傅里叶变换，得到与数据信息、授时码对应的均衡时域信号，再分别对这两路均衡时域信号进行解映射和解扩，得到新数据信息和新授时码；

S5.地面站将新数据信息和新授时码，分别与正在发送的测控信息和授时码进行比相，得到一个时延，再根据该时延计算出地面站到飞行器的距离。

在上述技术方案的基础上，步骤S1具体包括以下步骤：

S101.地面站包括信号处理器、两组移位寄存器、发射端和接收端，地面站的信号处理器产生需要发送的测控信息和授时码，两组移位寄存器分别产生周期为N1和N2的两路m序列，N1、N2为正整数，m序列是由移位寄存器所能产生的周期最长的序列；利用所述两路m序列分别对测控信息和授时码进行扩频，得到两路扩频信号；

S102.将上述两路扩频信号分别进行星座映射，得到两路映射信号；

S103.将上述两路映射信号分别进行快速傅里叶变换，得到两路频域信号；

S104.将上述两路频域信号分别进行过采样、快速反傅里叶变换，得到两路过采样时域信号；

S105.复制两路过采样时域信号的末尾部分作为循环前缀，分别添加到对应过采样时域信号的前端，得到两路带有循环前缀的信号；

S106.上述两路带有循环前缀的信号分别经过射频通道处理，得到两路待发送的信号，地面站的发射端将两路待发送的信号发送给飞行器。

在上述技术方案的基础上，步骤S101中，地面站的两组移位寄存器分别为n1级线性移位寄存器、n2级线性移位寄存器，n1、n2为正整数，n1级线性移位寄存器产生周期为N1的m序列，n2级线性移位寄存器产生周期为N2的m序列，用周期为N1的m序列对测控信息进行扩频，得到与测控信息对应的扩频信号，用周期为N2的m序列对授时码进行扩频，得到与授时码对应的扩频信号。

在上述技术方案的基础上，步骤S104中，当某一路频域信号需要进行M倍过采样时，M为大于1的正整数，将该路频域信号分成等长的两部分，在这两部分的中间插入M-1倍的全零序列，得到新的频域信号，再经过快速反傅里叶变换，将新的频域信号变换到时域，得到该路频域信号的过采样时域信号。

在上述技术方案的基础上，步骤S105中所述循环前缀的长度由信道传播时延决定，循环前缀的长度大于信道最大多径时延差。

在上述技术方案的基础上，步骤S4具体包括以下步骤：

S401.地面站的接收端收到分别与数据信息、授时码对应的下行信号后，按这两路下行信号的循环前缀长度，分别对这两路下行信号作延迟相关，找出峰值，确定时间同步位置；

S402.根据时间同步位置，分别对这两路下行信号进行时频同步，得到两路时频同步信号；

S403.在时域分别对两路时频同步信号进行信道估计，去掉时频同步信号的循环前缀，再分别通过快速傅里叶变换变换到频域，然后分别进行频域均衡，得到两路均衡频域信号；

S404.分别对两路均衡频域信号进行快速反傅里叶变换，得到两路均衡时域信号；

S405.分别对两路均衡时域信号进行解映射，恢复两路扩频信号，再对两路扩频信号分别进行伪码捕获和跟踪，完成解扩，得到新数据信息、新授时码和两路伪随机码的相位。

在上述技术方案的基础上，步骤S5具体包括以下步骤：

S501.地面站将接收端接收的两路m序列与此时发送端正在发射的两路m序列进行比相，得到时延T；

S502.根据时延T，计算出地面站到飞行器的距离L。

在上述技术方案的基础上，步骤S501的具体过程为：利用地面站正在发射的两路m序列的相位，和地面站接收到的两路伪随机码的相位之间的相位差，根据剩余定理及采样速率，得到两路扩频信号在空间经过的时延T。

在上述技术方案的基础上，步骤S502中，按以下公式计算地面站到飞行器的距离L：

L＝c×τ

$\mathrm{\τ}=\frac{1}{2}\×(T-{\mathrm{\τ}}_1-{\mathrm{\τ}}_2-{\mathrm{\τ}}_3)$

其中，c为光速，取值为3×10⁸m/s；τ₁为地面站发射端的处理时延；τ₂为地面站接收端的处理时延；τ₃为飞行器对接收信息进行解映射解扩以及对下行信息进行处理所经过的时延，τ₁,τ₂,τ₃在深空测控系统中是固定常数；2τ为信号在深空中的往返传播时延，τ为信号在深空中的单程传播时延。

本发明的有益效果在于：

1、本发明分别对测控信息和授时码进行扩频、映射后，通过傅里叶变换将其变换到频域，在频域过采样后，再通过反傅里叶变换将其变换到时域，这种将信号由频域向时域变换的方式，有效提高频带利用率。

2、本发明接收飞行器的下行信号后，采用频域均衡的处理方法，对信道进行有效的补偿，从而使得获得的下行信号更接近原始发射信号，在低仰角情况下，具有较强的抗多径干扰能力，解决在深空远距离条件下的测控难题。

3、本发明地面站接收下行信号，采用时域信道估计的方法，使得时间同步位置更精确，从而提高了深空测距的精度。

附图说明

图1为本发明基于频域均衡的深空测控方法的流程示意图；

图2为图1中步骤S1的具体流程示意图；

图3为图1中步骤S4的具体流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例提供一种基于频域均衡的深空测控系统，该系统包括地面站和飞行器，均工作在频分全双工模式，飞行器主要完成信号的放大、变频和转发。

地面站分别对需要发送的测控信息和授时码进行扩频、星座映射、傅里叶变换，分别产生与测控信息、授时码对应的频域信号，再将这两路频域信号分别进行过采样、反傅里叶变换、添加循环前缀，分别形成与测控信息、授时码对应的时域信号，并发送给飞行器。

飞行器接收到与测控信息、授时码对应的时域信号，分别对这两路时域信号分别进行解映射、解扩，得到测控信息、授时码和两路m序列；飞行器分别对数据信息和授时码进行扩频、星座映射，得到与数据信息、授时码对应的下行信号，并采用下行频率发送至地面站。

地面站在下行频率接收与数据信息、授时码对应的下行信号，并分别对这两路下行信号进行时频同步、信道估计、去掉循环前缀、傅里叶变换、频域均衡、反傅里叶变换，得到与数据信息、授时码对应的均衡时域信号，再分别对这两路均衡时域信号进行解映射和解扩，得到新数据信息和新授时码；地面站将新数据信息和新授时码与正在发送的测控信息和授时码进行比相，得到时延，再根据时延计算出地面站到飞行器的距离。

本发明实施例还提供一种应用于上述深空测控系统的基于频域均衡的深空测控方法，参见图1所示，该方法包括以下步骤：

S1.地面站分别对需要发送的测控信息和授时码进行扩频、星座映射、傅里叶变换，分别产生与测控信息、授时码对应的频域信号，再将这两路频域信号分别进行过采样、反傅里叶变换、添加循环前缀，分别形成与测控信息、授时码对应的时域信号，并发送给飞行器。

参见图2所示，步骤S1具体包括以下步骤：

S101.地面站包括信号处理器、两组移位寄存器、发射端和接收端，地面站的信号处理器产生需要发送的测控信息和授时码，两组移位寄存器分别产生周期为N1和N2的两路m序列，N1、N2为正整数，m序列是由移位寄存器所能产生的周期最长的序列；利用所述两路m序列分别对测控信息和授时码进行扩频，得到两路扩频信号，本实施例中，地面站的两组移位寄存器分别为n1级线性移位寄存器、n2级线性移位寄存器，n1、n2为正整数，n1级线性移位寄存器产生周期为N1的m序列，n2级线性移位寄存器产生周期为N2的m序列，用周期为N1的m序列对测控信息进行扩频，得到与测控信息对应的扩频信号，用周期为N2的m序列对授时码进行扩频，得到与授时码对应的扩频信号。

S102.将上述两路扩频信号分别进行星座映射，得到两路映射信号，本实施例中，对扩频信号进行的是QPSK(Quadrature Phase ShiftKeyin，正交相移键控)映射。

S103.将上述两路映射信号分别进行快速傅里叶变换，得到两路频域信号，快速傅里叶变换的点数根据映射信号的实际长度决定。

S104.将上述两路频域信号分别进行过采样、快速反傅里叶变换，得到两路过采样时域信号，当某一路频域信号需要进行M倍过采样时，M为大于1的正整数，将该路频域信号分成等长的两部分，在这两部分的中间插入M-1倍的全零序列，得到新的频域信号，再经过快速反傅里叶变换，将新的频域信号变换到时域，得到该路频域信号的过采样时域信号。

S105.复制两路过采样时域信号的末尾部分作为循环前缀，分别添加到对应过采样时域信号的前端，得到两路带有循环前缀的信号，循环前缀的长度由信道传播时延决定，循环前缀的长度大于信道最大多径时延差，在前端附加循环前缀用于对抗多径信道引起的时延扩展。

S106.上述两路带有循环前缀的信号分别经过射频通道处理，得到两路待发送的信号，地面站的发射端将两路待发送的信号发送给飞行器。

S2.飞行器接收到与测控信息、授时码对应的时域信号，分别对这两路时域信号分别进行解映射、解扩，得到测控信息、授时码和两路m序列。

S3.飞行器利用解扩后得到的两路m序列分别对数据信息和授时码进行扩频、星座映射，得到与数据信息、授时码对应的下行信号，并分别采用下行频率发送至地面站。本实施例中，利用与深空监控系统底面站相同的两路m序列对数据信息和授时码进行扩频，所述两路m序列的相位分别与上述飞行器接收的时域信号中两路m序列的相位相同，即两路m序列完成再生转发；扩频后按照与地面站相同的映射方式映射，得到下行信号。

S4.地面站在下行频率接收与数据信息、授时码对应的下行信号，并分别对这两路下行信号进行时频同步、信道估计、去掉循环前缀、傅里叶变换、频域均衡、反傅里叶变换，得到与数据信息、授时码对应的均衡时域信号，再分别对这两路均衡时域信号进行解映射和解扩，得到新数据信息和新授时码。

参见图3所示，步骤S4具体包括以下步骤：

S401.地面站的接收端收到分别与数据信息、授时码对应的下行信号后，按这两路下行信号的循环前缀长度，分别对这两路下行信号作延迟相关，找出峰值，确定时间同步位置。

S402.根据时间同步位置，分别对这两路下行信号进行时频同步，得到两路时频同步信号。

S403.在时域分别对两路时频同步信号进行信道估计，去掉时频同步信号的循环前缀，再分别通过快速傅里叶变换变换到频域，然后分别进行频域均衡，得到两路均衡频域信号。

S404.分别对两路均衡频域信号进行快速反傅里叶变换，得到两路均衡时域信号。

S405.分别对两路均衡时域信号进行解映射，恢复两路扩频信号，再对两路扩频信号分别进行伪码捕获和跟踪，完成解扩，得到新数据信息、新授时码和两路伪随机码的相位，本实施例中，对均衡时域信号进行QPSK解映射。

S5.地面站将新数据信息和新授时码，分别与正在发送的测控信息和授时码进行比相，得到一个时延，再根据该时延计算出地面站到飞行器的距离。

步骤S5具体包括以下步骤：

S501.地面站将接收端接收的两路m序列与此时发送端正在发射的两路m序列进行比相，得到时延，具体过程为，利用地面站正在发射的两路m序列的相位，和地面站接收到的两路伪随机码的相位之间的相位差，根据剩余定理及采样速率，得到两路扩频信号在空间经过的时延T。

S502.根据时延T，计算得出地面站到飞行器的距离L。按以下公式计算地面站到飞行器的距离L：

L＝c×τ

$\mathrm{\τ}=\frac{1}{2}\×(T-{\mathrm{\τ}}_1-{\mathrm{\τ}}_2-{\mathrm{\τ}}_3)$

其中，c为光速，取值为3×10⁸m/s；τ₁为地面站发射端的处理时延；τ₂为地面站接收端的处理时延；τ₃为飞行器对接收信息进行解映射解扩以及对下行信息进行处理所经过的时延，τ₁,τ₂,τ₃在深空测控系统中是固定常数；2τ为信号在深空中的往返传播时延，τ为信号在深空中的单程传播时延。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种基于频域均衡的深空测控系统，包括地面站和飞行器，其特征在于：

地面站分别对需要发送的测控信息和授时码进行扩频、星座映射、傅里叶变换，分别产生与测控信息、授时码对应的频域信号，再将这两路频域信号分别进行过采样、反傅里叶变换、添加循环前缀，分别形成与测控信息、授时码对应的时域信号，并发送给飞行器；

飞行器接收到与测控信息、授时码对应的时域信号，分别对这两路时域信号分别进行解映射、解扩，得到测控信息、授时码和两路m序列；飞行器分别对数据信息和授时码进行扩频、星座映射，得到与数据信息、授时码对应的下行信号，并采用下行频率发送至地面站；

地面站在下行频率接收与数据信息、授时码对应的下行信号，并分别对这两路下行信号进行时频同步、信道估计、去掉循环前缀、傅里叶变换、频域均衡、反傅里叶变换，得到与数据信息、授时码对应的均衡时域信号，再分别对这两路均衡时域信号进行解映射和解扩，得到新数据信息和新授时码；地面站将新数据信息和新授时码与正在发送的测控信息和授时码进行比相，得到时延，再根据时延计算出地面站到飞行器的距离。

2.一种基于频域均衡的深空测控方法，该方法应用于深空测控系统，该深空测控系统包括地面站和飞行器，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1.地面站分别对需要发送的测控信息和授时码进行扩频、星座映射、傅里叶变换，分别产生与测控信息、授时码对应的频域信号，再将这两路频域信号分别进行过采样、反傅里叶变换、添加循环前缀，分别形成与测控信息、授时码对应的时域信号，并发送给飞行器；

S2.飞行器接收到与测控信息、授时码对应的时域信号，分别对这两路时域信号分别进行解映射、解扩，得到测控信息、授时码和两路m序列；

S3.飞行器利用解扩后得到的两路m序列分别对数据信息和授时码进行扩频、星座映射，得到与数据信息、授时码对应的下行信号，并分别采用下行频率发送至地面站；

S4.地面站在下行频率接收与数据信息、授时码对应的下行信号，并分别对这两路下行信号进行时频同步、信道估计、去掉循环前缀、傅里叶变换、频域均衡、反傅里叶变换，得到与数据信息、授时码对应的均衡时域信号，再分别对这两路均衡时域信号进行解映射和解扩，得到新数据信息和新授时码；

S5.地面站将新数据信息和新授时码，分别与正在发送的测控信息和授时码进行比相，得到一个时延，再根据该时延计算出地面站到飞行器的距离。

3.如权利要求2所述的基于频域均衡的深空测控方法，其特征在于，步骤S1具体包括以下步骤：

S101.地面站包括信号处理器、两组移位寄存器、发射端和接收端，地面站的信号处理器产生需要发送的测控信息和授时码，两组移位寄存器分别产生周期为N1和N2的两路m序列，N1、N2为正整数，m序列是由移位寄存器所能产生的周期最长的序列；利用所述两路m序列分别对测控信息和授时码进行扩频，得到两路扩频信号；

S102.将上述两路扩频信号分别进行星座映射，得到两路映射信号；

S103.将上述两路映射信号分别进行快速傅里叶变换，得到两路频域信号；

S104.将上述两路频域信号分别进行过采样、快速反傅里叶变换，得到两路过采样时域信号；

S105.复制两路过采样时域信号的末尾部分作为循环前缀，分别添加到对应过采样时域信号的前端，得到两路带有循环前缀的信号；

S106.上述两路带有循环前缀的信号分别经过射频通道处理，得到两路待发送的信号，地面站的发射端将两路待发送的信号发送给飞行器。

4.如权利要求3所述的基于频域均衡的深空测控方法，其特征在于：步骤S101中，地面站的两组移位寄存器分别为n1级线性移位寄存器、n2级线性移位寄存器，n1、n2为正整数，n1级线性移位寄存器产生周期为N1的m序列，n2级线性移位寄存器产生周期为N2的m序列，用周期为N1的m序列对测控信息进行扩频，得到与测控信息对应的扩频信号，用周期为N2的m序列对授时码进行扩频，得到与授时码对应的扩频信号。

5.如权利要求3所述的基于频域均衡的深空测控方法，其特征在于：步骤S104中，当某一路频域信号需要进行M倍过采样时，M为大于1的正整数，将该路频域信号分成等长的两部分，在这两部分的中间插入M-1倍的全零序列，得到新的频域信号，再经过快速反傅里叶变换，将新的频域信号变换到时域，得到该路频域信号的过采样时域信号。

6.如权利要求3所述的基于频域均衡的深空测控方法，其特征在于：步骤S105中所述循环前缀的长度由信道传播时延决定，循环前缀的长度大于信道最大多径时延差。

7.如权利要求3所述的基于频域均衡的深空测控方法，其特征在于，步骤S4具体包括以下步骤：

S401.地面站的接收端收到分别与数据信息、授时码对应的下行信号后，按这两路下行信号的循环前缀长度，分别对这两路下行信号作延迟相关，找出峰值，确定时间同步位置；

S402.根据时间同步位置，分别对这两路下行信号进行时频同步，得到两路时频同步信号；

S403.在时域分别对两路时频同步信号进行信道估计，去掉时频同步信号的循环前缀，再分别通过快速傅里叶变换变换到频域，然后分别进行频域均衡，得到两路均衡频域信号；

S404.分别对两路均衡频域信号进行快速反傅里叶变换，得到两路均衡时域信号；

S405.分别对两路均衡时域信号进行解映射，恢复两路扩频信号，再对两路扩频信号分别进行伪码捕获和跟踪，完成解扩，得到新数据信息、新授时码和两路伪随机码的相位。

8.如权利要求7所述的基于频域均衡的深空测控方法，其特征在于，步骤S5具体包括以下步骤：

S501.地面站将接收端接收的两路m序列与此时发送端正在发射的两路m序列进行比相，得到时延T；

S502.根据时延T，计算出地面站到飞行器的距离L。

9.如权利要求8所述的基于频域均衡的深空测控方法，其特征在于，步骤S501的具体过程为：利用地面站正在发射的两路m序列的相位，和地面站接收到的两路伪随机码的相位之间的相位差，根据剩余定理及采样速率，得到两路扩频信号在空间经过的时延T。

10.如权利要求8所述的基于频域均衡的深空测控方法，其特征在于，步骤S502中，按以下公式计算地面站到飞行器的距离L：

L＝c×τ

$\mathrm{\τ}=\frac{1}{2}\×(T-{\mathrm{\τ}}_1-{\mathrm{\τ}}_2-{\mathrm{\τ}}_3)$

其中，c为光速，取值为3×10⁸m/s；τ₁为地面站发射端的处理时延；τ₂为地面站接收端的处理时延；τ₃为飞行器对接收信息进行解映射解扩以及对下行信息进行处理所经过的时延，τ₁,τ₂,τ₃在深空测控系统中是固定常数；2τ为信号在深空中的往返传播时延，τ为信号在深空中的单程传播时延。