CN109581447B - 无线链路联合解算扩频测控设备零值方法 - Google Patents

无线链路联合解算扩频测控设备零值方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种多无线链路联合解算扩频测控设备零值方法，旨在提供一种高精度的扩频测控设备零值标定方法。本发明通过下述技术方案予以实现：首先通过大地测量设备分别测量地面测控设备天线相位中心与卫星应答机天线相位中心、地面测控设备相位中心与校零变频设备天线相位中心、卫星应答机天线相位中心与校零变频设备天线相位中心之间的距离；分别完成地面测控设备与应答机、地面测控设备与校零变频设备、应答机与校零变频设备三条无线链路之间的扩频测距；以三条无线链路之间的扩频测距构建三个距离测量的观测方程，利用三个距离测量的观测方程联合解算地面测控设备零值、校零变频设备、应答机零值，得到扩频测控设备高精度的设备零值。

Description

无线链路联合解算扩频测控设备零值方法
技术领域
本发明涉及一种基于多无线链路联合解算的高精度扩频测控设备零值测量方法。
背景技术
高轨卫星高精度定位要求测控设备(包括地面测控设备和卫星应答机)测距零值标定达到厘米量级。随着航天任务对定位精度的要求日益提高，应答机和地面站的零值准确性成为设备的重要指标。因为应答机和地面站的零值不准确，会直接导致航天器定位精度的下降。如果在研制阶段，没有对应答机和地面站的设备零值进行精确的测量，那么在飞行过程中，零值的变化均反映为距离的误差。所以，在设备研制、地面试验验证阶段，需要对扩频应答机、测控地面站的设备零值进行地面高精度标定。目前扩频应答机、测控地面站的零值要求一般为3m左右，后续任务要求标定精度达到厘米量级。
在测控系统中，上行测距支路工作过程可分为两部分，一是地面上行测距信号生成及发射，由地面测控系统来实现；二是星上测距信号接收及解调，由星载应答机来实现。上行信号形式是BPSK调制的扩频信号，具有载波被抑制的特性，射频信号由RF单元的接收支路进入扩频应答机的接收通道，完成低噪声放大、下变频、中频滤波、中频信号放大和AGC控制。中频信号用于数字基带的A/D采样，经A/D采样后的数字序列在数字基带内完成伪码捕获与跟踪、载波恢复与跟踪，解扩。下行测距链路工作过程与上行测距工作过程相似，下行测距链路工作过程也可分为两部分，一是星上下行测距信号调制及发射，由星载应答机来实现，二是地面测距信号接收及解调，由地面测控系统来实现。扩频测控系统上、下行测量信号采用测量帧结构，帧内所传信息是测距信息，上行测量帧可不调制信息，仅用于解距离模糊。测距精度取决于测距支路伪码码元宽度和信号能量，无模糊距离取决于上行帧周期，数据采样率取决于下行测量帧频率。测距测量结果由三个部分组成：空间距离R、扩频应答机零值、测控地面站零值，其中，空间距离R是航天器飞行过程中实时测量的结果，双程距离需要在测量结果的基础上减去扩频应答机、测控地面站的设备零值。设备零值一般于航天器任务前在地面进行标校，而飞行过程中扩频应答机的零值、测控地面站的零值均作为已知量，直接扣除。
对应答机来说，传统的距离零值测量通常采用分段测量方法，分段测量应答机单机、馈线、天线等设备零值，分段测量带来的误差不可控，通常在米量级。对大口径地面测控系统来说，同样面临测距零值高精度测量难题。综上目前缺乏应答机和地面测控设备零值高精度测量方法。
发明内容
本发明的目的是针对上述航天扩频测控设备高精度测距零值测量中存在的问题，提供一种高精度的多无线链路联合解算扩频测控设备零值测量方法。
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到。一种多无线链路联合解算扩频测控设备零值方法，其特征在于包括如下步骤：在地面站与应答机、地面站与校零变频两条测距链路之外，构建一条应答机与校零变频的测距链路；然后通过大地测量设备分别测量地面测控设备天线相位中心与卫星应答机天线相位中心、地面测控设备相位中心与校零变频设备天线相位中心、卫星应答机天线相位中心与校零变频设备天线相位中心之间的距离；分别完成地面测控设备与应答机、地面测控设备与校零变频设备、应答机与校零变频设备三条无线链路之间的扩频测距；以三条无线链路之间的扩频测距构建三个测距观测方程，利用三个测距观测方程联合解算地面测控设备零值、校零变频设备、应答机零值，得到扩频测控设备高精度设备零值。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果。
设备的零值测量更加准确。本发明充分利用扩频测控上下行链路独立的特点，在传统的“地面站——应答机”和“地面站——校零变频”两条测距链路之外，构建了一条“应答机——校零变频”测距链路来联合完成零值解算，可以同时整体解算地面设备、校零变频设备、应答机的整体零值，解算的误差由空间距离标定误差和设备测距误差决定，避免了分段测量带来的误差累计，实现了扩频测控设备零值小于0.01m的测量精度，满足了对星载扩频应答机、测控地面站零值高精度测量需求。
实测结果验证实现了扩频测控设备小于0.01m的零值测量精度，可以广泛应用于航天测控通信系统、卫星导航定位系统等对设备零值有高要求的应用场合。
附图说明
下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。
图1是本发明多无线链路联合解算扩频测控设备零值测量示意图。
具体实施方式
参阅图1。根据本发明，在地面站与应答机、地面站与校零变频两条测距链路之外，构建一条应答机与校零变频的测距链路；然后通过大地测量设备分别测量地面测控设备天线相位中心与卫星应答机天线相位中心、地面测控设备相位中心与校零变频设备天线相位中心、卫星应答机天线相位中心与校零变频设备天线相位中心之间的距离；分别完成地面测控设备与应答机、地面测控设备与校零变频设备、应答机与校零变频设备三条无线链路之间的扩频测距；以三条无线链路之间的扩频测距构建三个测距观测方程，利用三个测距观测方程联合解算地面测控设备零值、校零变频设备、应答机零值，得到扩频测控设备高精度的零值。
地面测控设备包括大口径天线、收发链路以及基带等，基带输出的已调上行测距经过D/A数模转换后，通过上行链路变频到发射频率，然后通过大口径天线辐射出去；在接收端，大口径天线接收的下行测距信号通过下行链路变频到基带接收中频，经A/D采样后的数字序列在数字基带内完成伪码捕获与跟踪、载波恢复与跟踪，解扩及距离测量。地面测控设备上、下行测量信号采用测量帧结构，在地面站与应答机链路中测距测量结果由三个部分组成：空间距离R、应答机零值、测控地面站零值；在地面站与校零变频设备链路中测距测量结果由三个部分组成：空间距离、校零变频设备零值、测控地面站零值；在应答机与校零变频设备链路中测距测量结果由三个部分组成：空间距离、校零变频设备零值、应答机零值。
校零变频设备包括通过电缆相连的喇叭、双工器及变频器等。校零变频设备工作在与地面测控设备配合的模式和与应答机配合的模式，两个模式；
在与地面测控设备配合的模式中，喇叭接收地面测控设备输出的上行测距信号，变频到下行测距信号，并由喇叭辐射出去给地面测控设备接收；
在与应答机配合的模式中，喇叭接收应答机输出的下行测距信号，变频到上行测距信号，并由喇叭辐射出去给应答机接收。
应答机包括通过电缆相连的喇叭、双工器及应答机单机等。应答机上、下行测量信号采用测量帧结构，应答机单机接收地面测控设备大口径天线辐射过来的上行测距信号，完成低噪声放大、下变频、中频滤波，经模数A/D采样后的数字序列在数字基带内完成伪码捕获与跟踪、载波恢复与跟踪，解扩；应答机单机基带调制下行测距信号，经数模D/A数模转换后完成上变频、射频滤波、放大，由喇叭天线辐射出去。
地面测控设备与应答机、地面测控设备与校零变频设备、应答机与校零变频设备组成三条不对边的三角形闭环无线测量链路。
R测量1＝R1+R校零变频+R地面测控设备
R测量2＝R2+R应答机+R地面测控设备
R测量3＝R3+R应答机+R校零变频
其中，R1表示地面测控设备天线相位中心与校零变频设备天线相位中心之间的空间距离；R2表示地面测控设备天线相位中心与应答机天线相位中心之间的空间距离；R3表示应答机天线相位中心与校零变频天线相位中心之间的空间距离，这三个空间距离由大地测量设备精确标定；R测量1表示地面测控设备与校零变频设备之间由扩频测距得到的距离测量值；R测量2表示地面测控设备与应答机之间由扩频测距得到的距离测量值；R测量3表示应答机与校零变频设备之间由扩频测距得到的距离测量值；R地面测控设备表示地面测控设备归算到天线相位中心的整体设备零值，R校零变频表示校零变频设备归算到天线相位中心的整体设备零值，R应答机表示应答机归算到天线相位中心的整体设备零值。
通过上述三个距离观测方程联合解算可得：
R地面测控设备＝((R测量1+R测量2-R测量3)-(R1+R2-R3))/2
R校零变频＝((R测量1-R测量2+R测量3)-(R1-R2+R3))/2
R应答机＝((R测量2-R测量1+R测量3)-(R2-R1+R3))/2。
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；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，本说明书实施例的内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种多无线链路联合解算扩频测控设备零值方法，其特征在于包括如下步骤：在地面站与应答机、地面站与校零变频两条测距链路之外，构建一条应答机与校零变频的测距链路；然后通过大地测量设备分别测量地面测控设备天线相位中心与卫星应答机天线相位中心、地面测控设备相位中心与校零变频设备天线相位中心、卫星应答机天线相位中心与校零变频设备天线相位中心之间的距离；分别完成地面测控设备与应答机、地面测控设备与校零变频设备、应答机与校零变频设备三条无线链路之间的扩频测距；以三条无线链路之间的扩频测距构建三个距离观测方程：
R测量1＝R1+R校零变频+R地面测控设备
R测量2＝R2+R应答机+R地面测控设备
R测量3＝R3+R应答机+R校零变频
通过上述三个距离观测方程联合解算可得：
R地面测控设备＝((R测量1+R测量2-R测量3)-(R1+R2-R3))/2
R校零变频＝((R测量1-R测量2+R测量3)-(R1-R2+R3))/2
R应答机＝((R测量2-R测量1+R测量3)-(R2-R1+R3))/2
利用上述三个距离观测方程联合解算地面测控设备零值、校零变频设备、应答机零值，得到扩频测控设备高精度的设备零值；
其中，R1表示地面测控设备天线相位中心与校零变频设备天线相位中心之间的空间距离；R2表示地面测控设备天线相位中心与应答机天线相位中心之间的空间距离；R3表示应答机天线相位中心与校零变频天线相位中心之间的空间距离，这三个空间距离由大地测量设备精确标定；R测量1表示地面测控设备与校零变频设备之间由扩频测距得到的距离测量值；R测量2表示地面测控设备与应答机之间由扩频测距得到的距离测量值；R测量3表示应答机与校零变频设备之间由扩频测距得到的距离测量值；R地面测控设备表示地面测控设备归算到天线相位中心的整体设备零值，R校零变频表示校零变频设备归算到天线相位中心的整体设备零值，R应答机表示应答机归算到天线相位中心的整体设备零值。
2.如权利要求1所述的多无线链路联合解算扩频测控设备零值方法，其特征在于：地面测控设备包括大口径天线、收发链路以及基带。
3.如权利要求1所述的多无线链路联合解算扩频测控设备零值方法，其特征在于：校零变频设备包括喇叭、双工器、电缆及变频器；应答机包括喇叭、双工器、电缆及应答机单机。
4.如权利要求1所述的多无线链路联合解算扩频测控设备零值方法，其特征在于：校零变频设备包括通过电缆相连的喇叭、双工器及变频器。
5.如权利要求1所述的多无线链路联合解算扩频测控设备零值方法，其特征在于：校零变频设备可分时工作在与地面测控设备配合的模式和与应答机配合的模式，两个模式。
6.如权利要求5所述的多无线链路联合解算扩频测控设备零值方法，其特征在于：在与地面测控设备配合的模式中，喇叭接收地面测控设备输出的上行测距信号，变频到下行测距信号，并由喇叭辐射出去给地面测控设备接收；在与应答机配合的模式中，喇叭接收应答机输出的下行测距信号，变频到上行测距信号，并由喇叭辐射出去给应答机接收。
7.如权利要求1所述的多无线链路联合解算扩频测控设备零值方法，其特征在于：应答机包括通过电缆相连的喇叭、双工器及应答机单机；应答机上、下行测量信号采用测量帧结构，应答机单机接收地面测控设备大口径天线辐射过来的上行测距信号，完成低噪声放大、下变频、中频滤波，经模数A/D采样后的数字序列在数字基带内完成伪码捕获与跟踪、载波恢复与跟踪，解扩。
8.如权利要求7所述的多无线链路联合解算扩频测控设备零值方法，其特征在于：应答机单机基带调制下行测距信号，经数模D/A数模转换后完成上变频、射频滤波、放大，由喇叭天线辐射出去。
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