CN110554373B - 干涉时间测量与测距方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种干涉时间测量与测距方法，测量地面站的天线相位中心坐标，设两颗卫星连线矢量与地面站和卫星连线方向矢量的夹角为α1，地面站天线相位中心分别至两颗卫星天线相位中心连线方向的夹角为α2，通过转换卫星的双行轨道根数或者通过地面安装接收机方式获得两颗卫星的初始卫星轨道信息，计算出夹角α1和α2；计算地面站信号到达两颗卫星的时延差，解算出星间基线距离。本发明不使用传统的卫星导航系统，也不需要解调信号，对信号体制无要求，具有优良的抗干扰性能，可以有效解决卫星的相对状态测量目前已有的自主式测量方法和非自主式测量方法的不足，且是我国自主研制，不存在安全隐患。
Description
技术领域
本发明涉及一种测距方法，属于卫星编队飞行领域。
背景技术
小卫星编队在合成孔径雷达、三维高分辨率观测、气象观测、自主导航、天基干涉仪等领域的应用，将人类航天的活动带入一个崭新的时代。星间精密测距具有非常高的科学价值及应用前景。
虽然卫星编队飞行能有效克服单颗大卫星的研制周期长、成本高、孔径小、测量精度低等缺陷，但同时也给科研人员带来了许多全新的、具有挑战性的技术难题。编队卫星的相对状态包括在某个坐标系下卫星之间的相对位置、相对速度和相对姿态。而与编队卫星的星间基线测量有关的主要是卫星的位置和姿态。卫星的相对状态测量方法可分为自主式测量方法和非自主式测量方法等两大类，其中，非自主式测量方法是指需借助地面测量站或其它的测量系统才能实现状态测量的方法，常用的有GPS、地面测控站及中继卫星法、伪卫星相对定位技术等。自主式测量方法是指不依靠卫星以外的测量系统或设备就可以实现状态测量的方法，常见的有无线电、激光、红外、可见光等。
这些方法各有优缺点：GPS方法存在两个问题，一是整周模糊度的实时解算；二是依赖GPS卫星定位系统，对我国军事卫星的应用受到限制。地面测控站或跟踪中继卫星系统的特点是测量精度低，反应时间慢，不能用于卫星间的自主协同控制。伪卫星相对定位技术直接用于小卫星间相对定位要建立大量的地面发射系统，在经费和运行方面有很大的难度，实用性不好。无线电测量方法的优点是作用距离远，测量覆盖率高，实时性强，可全天候工作，且在测量的同时具有信息通信功能，满足小型化、低功耗、多航天器相对测量的要求，缺点是精度不是很高。激光测量具有保密性好、抗干扰能力强、单色性好、测量精度高、测量设备体积小、功率大等优点；缺点是波束较窄，很难实现多个目标的同时测量，且需要其它测量系统进行引导。红外测量具有结构简单、体积小、重量轻、分辨率高、隐蔽性好、抗干扰能力强等特点，缺点是受空间背景辐射和强光影响大，测量精度不稳定，并且不能提供测量点与目标之间的距离信息。可见光测量是一种无源探测技术，该方法缺点是难以在卫星上进行多个相机的适装及长期高精度构型保持，仅适用于近距离测量，且随着作用距离的增加，测量精度及稳定性降低，在光照较强的环境下，测量精度较差。
目前已有的差分导航接收机基线测量方法、微波测量方法的测距精度均不能满足双频干涉SAR系统需要的测距精度问题。要想获得更高精度的星间测距信息，就需要研制新的星间基线确定技术、星间通讯与时间同步技术等，高精度的星间基线距离测量成为众多学者研究的难点。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种干涉时间测量与测距方法，通过在两颗卫星之间建立基线，同时接收地面站发射的上行信号，再由卫星对信号进行干涉，以类VLBI技术的测量原理，归算出高精度的星间距离。本发明能够满足双频干涉SAR 系统需要的测距精度，其测距精度可以达到厘米量级。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
步骤1，测量地面站A的天线相位中心坐标，所述的地面站在测量过程中位置不变；
步骤2，设两颗卫星连线矢量
与地面站A和卫星S1连线方向矢量
的夹角为α1，地面站天线相位中心分别至两颗卫星天线相位中心连线方向的夹角为α2；通过转换卫星的双行轨道根数或者通过地面安装接收机方式获得两颗卫星的初始卫星轨道信息，计算出夹角α1和α2；
步骤3，计算地面站信号到达两颗卫星的时延差τ，解算出高精度的星间基线距离
其中，c为光速。
所述的步骤1中，在地面站基墩上安装GPS接收机天线，利用GPS接收机得到的观测数据计算得到其坐标，经过坐标转换后，再根据边长交会法，求解天线A的平面坐标(XA,YA)；而其高程则通过在天线上架设棱镜，通过三角函数的公式转换后求得。
所述的步骤3中，卫星接收到来自地面站的信号，经过滤波、变频后进行数据的相关处理，两颗卫星记录的数据经过了时延补偿、条纹旋转、傅里叶变换以及两路数据的相乘和积分后，最后输出的数据为干涉条纹功率谱的实部和虚部；再经过相关后处理，计算出地面站信号到达两颗卫星的时延差。
本发明的有益效果是：通过使用类VLBI技术的数据处理算法，根据该技术高精度的测量分辨率，可以获得亚纳秒量级的时延测量精度，也即厘米量级的测距精度。该方法不使用传统的卫星导航系统，也不需要解调信号，对信号体制无要求，具有优良的抗干扰性能，可以有效解决卫星的相对状态测量目前已有的自主式测量方法和非自主式测量方法的不足，且是我国自主研制，不用担心像GPS方法存在的安全隐患，具有一定的预研意义。
附图说明
图1是本发明的高精度星间距离归算原理示意图；
图2是地面站天线坐标计算示意图；
图3是本发明的方法流程示意框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明立足于我国航天发展的需要，通过使用高精度时间测量方法，即干涉时间测量，精确地测得信号在星间传递所需时延，并依据狭义相对论的光速不变原理，从而可实现高精度双星干涉基线测量。在目前国内研究的基础上研发满足工程需要的星间测距技术，为我国日后开展卫星编队飞行任务提供可参考的方案。
干涉时间测量与测距方法原理：已知空间中的卫星S1、S2，两颗卫星配有高性能原子钟。测量开始后，选择一颗卫星(以S1为例)，向某地面站发射下行信号，地面站接收到S1卫星下行的信号后，经混频、放大后再向卫星发射出去，由于两颗卫星距离较近，所以都可以接收到地面站转发的上行信号，但因为卫星位置不同，所以上行信号的同一个波前到达两颗卫星接收天线相位中心时存在一个时延差，若星上的接收机可以解算出该时延差，则根据VLBI技术的测量原理，两颗卫星间的基线距离就可以求解出来。
由于卫星与地面站间的距离远小于射电源与地面站的距离，所以地面站上行的信号不能按照常规的处理射电源信号的模式，当成平面波来处理。如图1所示，设两颗卫星连线矢量
与地面站A和卫星S1连线方向矢量
的夹角为α1；地面站天线相位中心分别至两颗卫星天线相位中心连线方向的夹角为α2。设地面站至两颗卫星间的距离分别为
和
则可以得到地面站上行信号同一波前分别抵达两颗卫星的时延差：
可以对式(1)进行变换，如下：
根据三角函数关系，又可以得到：
这样，结合式(1)至(3)，则可以得到基线距离B，如下：
其中：c为光速，c＝299792458m/s；τ为两颗卫星分别接收到地面站发射上行信号同一波前的时延差，可通过在卫星上安装接收机进行解算。
本发明的技术方案包括以下步骤：
步骤1：地面站天线相位中心坐标的高精度测量
首先通过在站点(测量过程中保持站点不动，通过GPS接收机解算该点的位置) 的基墩上安装GPS接收机天线，利用GPS接收机得到的观测数据计算得到其坐标，经过坐标转换后，再根据边长交会法，求解天线A的平面坐标(XA,YA)；而其高程则通过在天线上架设棱镜，通过三角函数的公式转换后求得。
步骤2：卫星基线与信号传递方向夹角计算
由步骤1得到了地面站天线相位中心的坐标，这样，可通过转换卫星的双行轨道根数或者通过地面安装接收机方式获得两颗卫星误差较大的初始卫星轨道信息，从而分别计算出夹角α1和α2；
步骤3：星间高精度基线距离求解
空间中的卫星在接收到来自地面站的信号，经过滤波、变频后送入星上搭载的相关处理机进行数据的相关处理，假设采用的算法为FX型相关处理算法，它易于获得高分辨率的干涉条纹功率谱，比较适合深空探测器信号的VLBI测量。两颗卫星记录的数据经过了时延补偿、条纹旋转、傅里叶变换以及两路数据的相乘和积分后，最后输出的数据为干涉条纹功率谱的实部和虚部；再经过相关后处理，计算出地面站信号到达两颗卫星的时延差，最后根据式(4)，解算出高精度的星间基线距离。
本发明的实施例采用了目前已有的星地链路来模拟星间距离干涉测量的方法。UTC时间2018年4月27日，开展了转发式系统的地面站天线对亚太7号卫星的转发式载波相位测距试验；由地面站基带输出的中频信号，经变频后向卫星发射出去，星上天线接收后，对信号进行混频放大，再转发至地面，由地面站天线接收，这是信号的传递环路；地面站在接收到卫星转发的载波信号，将下变频后中频信号同地面站基带最开始输出的中频信号一起，输入地面站的相关处理机进行相关处理及后处理，从而计算出信号传播的路径时延。对试验期间的观测数据进行300秒分段曲线拟合，求出观测值相对于拟合值的残差，通过3σ法剔出野值后，计算残差的标准差，其测距精度优于 1mm。
Claims (3)
1.一种干涉时间测量与测距方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1，测量地面站A的天线相位中心坐标，所述的地面站在测量过程中位置不变；
步骤2，设两颗卫星连线矢量
与地面站A和卫星S1连线方向矢量
的夹角为α1，地面站天线相位中心分别至两颗卫星天线相位中心连线方向的夹角为α2；通过转换卫星的双行轨道根数或者通过地面安装接收机方式获得两颗卫星的初始卫星轨道信息，计算出夹角α1和α2；
步骤3，计算地面站信号到达两颗卫星的时延差τ，解算出高精度的星间基线距离
其中，c为光速。
2.根据权利要求1所述的干涉时间测量与测距方法，其特征在于：所述的步骤1中，在地面站基墩上安装GPS接收机天线，利用GPS接收机得到的观测数据计算得到其坐标，经过坐标转换后，再根据边长交会法，求解天线A的平面坐标(XA,YA)；而其高程则通过在天线上架设棱镜，通过三角函数的公式转换后求得。
3.根据权利要求1所述的干涉时间测量与测距方法，其特征在于：所述的步骤3中，卫星接收到来自地面站的信号，经过滤波、变频后进行数据的相关处理，两颗卫星记录的数据经过了时延补偿、条纹旋转、傅里叶变换以及两路数据的相乘和积分后，最后输出的数据为干涉条纹功率谱的实部和虚部；再经过相关后处理，计算出地面站信号到达两颗卫星的时延差。
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