CN108845338A - 星地联合载波平滑伪距测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种星地联合载波平滑伪距测距方法，可以显著地提高卫星测距精度。本发明通过下述技术方案予以实现：卫星扩频测控系统在非相参模式下，卫星接收到地面站上行链路信号后进行解扩、解调、帧同步，再利用自身形成的下行测距信息帧对上行信号采样，将提取地面站帧计数、位计数、扩频伪码计数、码相位和上行多普勒值参数直接放入下行测量帧送至地面站；地面站接收到下行测距信号后进行解扩、解调、帧同步提取得到下行测量帧同步信号，通过对地面站测得的载波相位和码相位完成载波相位平滑伪距功能，同时利用卫星下发的上行码相位和多普勒值，在地面完成卫星接收信号的星上载波相位平滑伪距；最后地面站利用平滑后的码相位进行综合计算完成测距。

Description

星地联合载波平滑伪距测距方法

技术领域

本发明涉及高轨卫星地面站高精度测距系统领域，特别是对高轨卫星在非相参扩频模式下的基于载波相位平滑伪距的高精度测定轨方法，具体涉及一种基于非相干测量的星地联合载波平滑伪距测距方法。

背景技术

航天测控系统一般包括遥测、遥控、测距、测速、时差测量等几项基本功能，其中测距是通过测量信号往返时延测出卫星至地面站的距离。在微波统一测控系统中，测距采用多侧音测距方式，地面站发出上行侧音，应答机对上行侧音直接转发，地面站接收下行侧音与上行侧音比较得到信号从地面站至卫星的往返时间，计算出地面站至卫星的距离，主侧音保测量精度，次侧音与主侧音配合提高解模糊距离。在卫星扩频测控系统中，采用扩频伪码测伪距的方式，相比较于微波统一测控系统，伪码测距技术因具有抗干扰性强，可实现码分多址等诸多优点而被广泛采用。

尽管伪码测距具有诸多优点，但由于码片较长，码跟踪环环路锁定的码相位包含着较大的测量噪声，因此降低了测距精度。同时多路径的效应对码相位测量值的影响也较大。另一方面，除了伪码相位，接收机也可以提取出载波相位用于测距。利用载波相位测距方式获得的观测值具有很高的测量精度，其测量随机误差相比较于伪码测距要高出2-3个数量级。但载波相位测距存在初始整周模糊度和相位整周跳变，因此其应用受到了很大程度的限制。由于载波频率与码频率具有相干性，因此可以利用高精度的载波相位观测值，对伪码测距观测值进行平滑，那么接收机的测量噪声以及多路径效应的影响就能被有效抑制，从而大幅度提升伪码测距的测量精度。将伪码测距观测量和载波相位观测量结合起来进行平滑的技术称为载波相位平滑伪距技术，载波相位平滑的主要目的是使用精度高的载波相位测量值作为辅助信息，以使码相位测量值上的大的随机误差得以平均，从而有效地提高码伪距测距的精度。载波信号的波长很短，若把载波作为量测信号，对载波进行相位测量可以达到很高的精度。

卫星扩频测距系统中，星上由于资源有限，仅完成上行测量帧的解扩，提取出帧计数、位计数、扩频伪码计数、码相位、上行多普勒值等参数，并填充形成下行测量帧。而地面站接收信号由于星上频钟性能较差，导致信号可能存在亚秒级的抖动，信号质量差，同时星上能量有限，地面站接收信号的信噪比低，多径干扰影响大，而且码环自身的环路噪声大，因此地面站往往需要做载波相位平滑伪距以提高测距精度。这对于一般的测距精度可以满足要求。然而，对于高轨卫星高精度测距，特别是达到厘米级的测距随机误差，卫星通过上行帧得到的码相位测量误差将制约整个测距系统的性能。地面站利用下行测量帧中获取的帧计数、位计数、扩频伪码计数、码相位等测量信息与地面站采样获取的帧计数、位计数、扩频伪码计数、码相位等测量信息进行地面站与卫星间传输的双程时间计算时，会由于星上提取出的码相位存在较大测量噪声，从而无法满足高精度测距需求。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足，提供一种适用于非相参模式、能够显著提高卫星测距精度，并能增加测距系统灵活性的星地联合载波平滑伪距测距方法。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到。一种星地联合载波平滑伪距测距方法，其特征在于包括如下步骤：

卫星扩频测控系统在非相参模式下，链路信号在地面站与卫星间进行双程传输，地面站测量帧经过组帧扩频后，利用上行链路发送至卫星；卫星接收到上行链路信号后进行解扩、解调、帧同步，再利用自身形成的下行测距信息帧对上行信号采样，提取帧计数、位计数、扩频伪码计数、码相位和上行多普勒值参数；卫星将这些参数直接放入下行测量帧送至地面站；地面站接收到下行测距信号后进行解扩、解调、帧同步提取得到下行测量帧同步信号，同时对自身形成的上行测量帧信号采样，测量出帧计数、位计数、扩频伪码计数、码相位、载波相位和下行多普勒值参数；地面站通过对地面站测得的载波相位和码相位完成载波相位平滑伪距功能，同时利用卫星下发的上行码相位、上行多普勒值，在地面完成星上载波相位平滑伪距，降低星上上行码相位测量误差；最后地面站利用地面站测得以及星上下发的帧计数、位计数、扩频伪码计数、平滑后的码相位等参数，进行综合计算完成测距。

本发明相比于现有技术的有益效果是：

本发明工作在非相参模式下，地面站测量帧经过组帧扩频后，利用上行链路发送至卫星；卫星接收到上行链路信号后进行解扩、解调、帧同步，再利用自身形成的下行测距信息帧对上行信号采样，提取帧计数、位计数、扩频伪码计数、码相位和上行多普勒值参数；卫星将这些参数直接放入下行测量帧送至地面站；地面站分别完成地面载波平滑伪距和星上载波平滑伪距，联合提高码相位测量精度，然后在地面站完成星地距离联合解算。相较于传统方法只在地面站做地面载波平滑伪距，可以显著提高测距精度。并且在地面站完成星上的载波相位平滑伪距，可采用更长的时间对星上数据进行平滑，从而进一步提高测距精度。

本发明针对星上资源有限，载波相位平滑伪距时间有限不足之处，通过星地联合双向载波平滑伪距技术，地面站根据星上下发的下行测量帧中提取出的伪码相位、上行多普勒值等信息在地面站完成星上载波平滑伪距，不仅降低了星上处理量，而且在地面站可以采用更长的平滑时间，进一步提高测距精度，并增加了测距系统的灵活性。

本发明采用地面站测量帧经过组帧扩频后，利用上行链路发送至卫星；卫星接收到上行链路信号后进行解扩、解调、帧同步等，再利用自身形成的下行测距信息帧对上行信号采样，提取帧计数、位计数、扩频伪码计数、码相位、上行多普勒值等参数；卫星将这些参数直接放入下行测量帧送至地面站；地面站接收到下行测距信号后进行解扩、解调、帧同步提取得到下行测量帧同步信号，同时对自身形成的上行测量帧信号采样，测量出帧计数、位计数、扩频伪码计数、码相位、载波相位、下行多普勒值等参数；地面站通过对地面站测得的载波相位和码相位完成地面载波相位平滑伪距功，同时地面站利用卫星下发的上行码相位、上行多普勒值，完成星上载波相位平滑伪距，降低星上伪码相位测量误差，在采用上述平滑处理后，Ka频段的测距误差可达亚毫米级。这种在地面站完成星上载波相位平滑伪码，可以降低星上处理负担，增加了系统应用的灵活性,并且可以采用更长的平滑时间，达到更高的精度。

本发明适用于非相参体制下各种目标与地面站之间的距离测量，兼容现有测距体制，也可适用于Ka频段测距。

附图说明

图1是本发明星地联合载波平滑伪距测距流程示意图。

图2是卫星扩频测控系统的非相干测量原理示意图。

下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明按如下步骤：卫星扩频测控系统在非相参模式下，链路信号在地面站与卫星间进行双程传输，地面站测量帧经过组帧扩频后，利用上行链路发送至卫星；卫星接收到上行链路信号后进行解扩、解调、帧同步，再利用自身形成的下行测距信息帧对上行信号采样，提取帧计数、位计数、扩频伪码计数、码相位和上行多普勒值参数；卫星将这些参数直接放入下行测量帧送至地面站；地面站接收到下行测距信号后进行解扩、解调、帧同步提取得到下行测量帧同步信号，同时对自身形成的上行测量帧信号采样，测量出帧计数、位计数、扩频伪码计数、码相位、载波相位和下行多普勒值参数；地面站根据提取出的这些参数，完成地面站接收信号载波相位平滑伪距，同时地面站利用接收到的卫星传送下来的星上上行码相位、上行多普勒值等信息在地面完成星上载波平滑伪距；最后地面站利用地面站测得以及星上下发的帧计数、位计数、扩频伪码计数、平滑后的码相位等参数，进行综合计算完成测距。

地面站测量帧经过组帧扩频后，利用上行链路发送至卫星，卫星接收到上行链路信号后进行解扩、解调、帧同步，再利用自身形成的下行测距信息帧对上行信号采样，测量出帧计数Z₁、位计数W₁、扩频伪码计数M₁、码相位P₁、上行多普勒值F_d1等参数。卫星将提取出的上述参数直接放入下行测量帧中送至地面站。

地面站接收到下行测距信号后进行解扩、解调、帧同步，提取出卫星下行测量帧中填充的帧计数Z₁、位计数W₁、扩频伪码计数M₁、码相位P₂、上行伪多普勒值F_d1等参数，地面站同时提取出下行测量帧同步信号，并对自身形成的上行信号采样，测量出此时地面站自身形成的上行信号的帧计数Z₂、位计数W₂、扩频伪码计数M₂、码相位P₂、载波相位Φ₂、下行多普勒值F_d2等参数。

地面站利用接收的信息，完成星地联合载波平滑伪距测距。为了降低地面站测得的码相位Ρ₂的误差，首先地面站利用载波相位Φ₂对码相位Ρ₂进行载波相位平滑伪距，将地面站载波相位平滑伪距表示为

其中，k表示采样离散时刻，ω为权重因子，Ρ₂(k)和Φ₂(k)分别表示时刻k时地面测量出的伪码相位和载波相位，表示经过载波相位平滑后第k时刻的伪码相位,λ表示载波波长。

其次，为了降低卫星测得的码相位Ρ₁的误差，地面站利用卫星下发的码相位Ρ₁和上行多普勒值F_d1，通过上行多普勒值对伪码相位进行载波相位平滑伪距。由于多普勒值反映了载波频率的变化，通过对多普勒值进行积分，可以得到积分区间载波相位的变化。因此，地面站可以利用星上下发测量帧中填充的多普勒值对伪码相位进行载波相位平滑伪距，表示为

最后，地面站利用地面站测得的地面站自身形成的上行信号的帧计数、位计数、扩频伪码计数，星上下发的帧计数、位计数、扩频伪码计数，以及平滑后的码相位等参数，进行综合计算完成测距功能。

参阅图2。卫星扩频测控系统采用图2所示的非相干模式实现测距功能。相干测距时卫星采用直接转发的方式，即地面站通过上行链路扩频信号将测距帧发送至卫星，卫星收到上行测距帧后立即通过下行扩频信号转发该测距帧，地面站接收到下行测距帧后，利用接收到的测距帧帧头对上行测距信号采样，得到下行测距帧帧头至地面站开始发出上行测距帧帧头之间的传输时延，从而得到双向路程。链路信号在地面站与卫星间传输的双程时间ΔT为

地面站与卫星间信号传输的单程时间乘以光速，即可得到地面站与卫星之间的距离R：

其中，Z₂表示地面站对自身形成的上行信号采样测量出的帧计数，Z₁表示卫星对上行信号采样测量出的帧计数，W₂表示地面站对自身形成的上行信号采样测量出的位计数，W₁表示卫星对上行信号采样测量出位计数，M₂表示地面站对自身形成的上行信号采样测量出的扩频伪码计数，M₁表示卫星对上行信号采样测量出的扩频伪码计数，T_frm表示一帧测量帧的时间长度、T_bit表示一个比特位的时间长度，T_mz表示伪随机数一个周期的时间长度，N为伪随机数的周期，c为光速。

卫星扩频测控系统采用非相干测距时，星上独立形成下行测距帧信号，即地面站通过上行链路扩频信号将测距帧发送至卫星，卫星接收到上行链路的扩频信号后进行伪码同步、载波同步，帧同步等，再利用卫星本身产生的下行测距帧帧头对上行测距信号采样，提取出帧计数、位计数、扩频伪码计数、码相位、上行多普勒值等参数，并且将这些参数实时加入下行测量帧信息中，发送至地面站。地面站接收到下行测距帧后，同样要进行伪码同步、载波同步，帧同步等，并提取得到下行扩频测距帧同步信号，再利用接收到的下行帧帧头对地面站本身形成的上行测距信号采样。地面站将从下行测量帧中提取的帧计数、位计数、扩频伪码计数、码相位等测量信息与地面站采样获取的帧计数、位计数、扩频伪码计数、码相位等测量信息进行综合计算，得到信号在地面站与卫星间传输的双程时间，从而计算出卫星与地面站的距离。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种星地联合载波平滑伪距测距方法，其特征在于包括如下步骤：

卫星扩频测控系统在非相参模式下，链路信号在地面站与卫星间进行双程传输，地面站将测量帧经过组帧扩频后，利用上行链路将完成的组帧扩频链路信号发送至卫星；卫星接收到地面站的上行链路信号后进行解扩、解调和帧同步，再利用自身形成的下行测距信息帧对地面站上行信号采样，从采样数据中提取出地面站帧计数、位计数、扩频伪码计数、码相位和上行多普勒值参数，并将这些参数直接放入下行测量帧送至地面站；地面站接收到卫星的下行测距信号后进行解扩、解调、帧同步，提取得到卫星的下行测量帧同步信号，同时对自身形成的上行测量帧信号采样，测量出上行帧计数Z₂、位计数W₂、扩频伪码计数M₂、码相位、载波相位和下行多普勒值F_d2参数；地面站通过对地面站测得的载波相位和码相位,完成地面站接收信号载波相位平滑伪距，同时利用卫星下发的上行码相位、上行伪多普勒值，在地面站完成卫星接收信号的星上载波相位平滑伪距，降低星上上行码相位测量误差；最后地面站利用地面站测量的帧计数、位计数、扩频伪码计数，以及星上下发的帧计数、位计数、扩频伪码计数、平滑后的码相位参数，进行综合计算完成测距。

2.按权利要求1所述的星地联合载波平滑伪距测距方法，其特征在于，卫星测量出卫星接收到的上行测量帧的帧计数Z₁、位计数W₁、扩频伪码计数M₁、码相位P₁、上行多普勒值F_d1参数直接放入下行测量帧中送至地面站。

3.按权利要求1所述的星地联合载波平滑伪距测距方法，其特征在于，地面站接收到卫星传输的下行测距信号后进行解扩、解调、帧同步，提取出卫星下行测量帧中填充的帧计数Z₁、位计数W₁、扩频伪码计数M₁、码相位P₁和上行伪多普勒值F_d1参数，同时提取出下行测量帧同步信号，并对自身形成的上行信号采样，测量出此时地面站上行信号的帧计数Z₂、位计数W₂、扩频伪码计数M₂、码相位P₂、载波相位Φ₂和下行多普勒值F_d2参数。

4.按权利要求1所述的星地联合载波平滑伪距测距方法，其特征在于，地面站利用载波相位Φ₂对码相位P₂进行载波相位平滑伪距，将地面站载波相位平滑伪距表示为

其中，k表示采样离散时刻，ω为权重因子，P₂(k)表示时刻k时地面测量出的伪码相位，λ表示载波波长，Φ₂(k)表示时刻k时地面测量出的载波相位，表示经过载波相位平滑后第k时刻的伪码相位。

5.按权利要求4所述的星地联合载波平滑伪距测距方法，其特征在于，为了降低卫星测得的码相位P₁的误差，地面站利用卫星下发的码相位P₁和上行多普勒值F_d1，通过上行多普勒值对伪码相位进行载波相位平滑伪距。

6.按权利要求5所述的星地联合载波平滑伪距测距方法，其特征在于，地面站利用星上下发测量帧中填充的多普勒值，对星上下发测量帧中填充的伪码相位进行载波相位平滑伪距，将时间区间t_k-1～t_k内的载波相位平滑伪距表示为然后地面站利用地面站测得的自身产生的上行信号的帧计数、位计数、扩频伪码计数，星上下发的帧计数、位计数、扩频伪码计数，以及平滑后的码相位参数，进行综合计算完成测距功能。

7.按权利要求1所述的一星地联合载波平滑伪距测距方法，其特征在于，卫星扩频测控系统采用非相干测距，星上独立形成下行测距帧信号，即地面站通过上行链路扩频信号将测距帧发送至卫星，卫星接收到上行链路的扩频信号后进行伪码同步、载波同步，帧同步，再利用卫星本身产生的下行测距帧帧头对上行测距信号采样，提取出帧计数、位计数、扩频伪码计数、码相位、上行多普勒值参数，并且将这些参数实时加入下行测量帧信息中，发送至地面站。

8.按权利要求7所述的星地联合载波平滑伪距测距方法，其特征在于，地面站接收到下行测距帧后，同样要进行伪码同步、载波同步和帧同步，并提取得到下行扩频测距帧同步信号，再利用接收到的下行帧帧头对地面站本身形成的上行测距信号采样。

9.按权利要求1所述的星地联合载波平滑伪距测距方法，其特征在于，地面站将从下行测量帧中提取的帧计数、位计数、扩频伪码计数和码相位的测量信息与地面站采样获取的帧计数、位计数、扩频伪码计数和码相位的测量信息进行综合计算，得到信号在地面站与卫星间传输的传输时延，从而得到双向路程。

10.按权利要求9所述的星地联合载波平滑伪距测距方法，其特征在于，链路信号在地面站与卫星间传输的双程时间ΔT为

地面站与卫星间信号传输的单程时间乘以光速，即可得到地面站与卫星之间的距离R：

其中，Z₂表示地面站对自身形成的上行信号采样测量出的帧计数，Z₁表示卫星对上行信号采样测量出的帧计数，W₂表示地面站对自身形成的上行信号采样测量出的位计数，W₁表示卫星对上行信号采样测量出位计数，M₂表示地面站对自身形成的上行信号采样测量出的扩频伪码计数，M₁表示卫星对上行信号采样测量出的扩频伪码计数，T_frm表示一帧测量帧的时间长度、T_bit表示一个比特位的时间长度，T_mz表示伪随机数一个周期的时间长度，N为伪随机数的周期，c为光速。