CN111638502B - 测控通信地面站基于时基的发射单向零值测距系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种测控通信地面站基于时基的发射单向距离零值测距系统，旨在提供一种具有误差环节少,零值测量精度高的零值测距系统，本发明通过下述技术方案实现：时基单元输出同步时钟信号分别送给基带调制器单元和光发射机；同步信号触发产生上行测距信号，并经过波束形成单元、T组件和阵列天线后将射频测距信号发射出去；光发射机将同步信号转换成光信号后传输到光接收机；标校天线将接收到的射频测距信号和光接收机收到的同步信号送示波器，示波器基于同步信号对发射信号时延进行测量；对阵列天线和标校天线空间距离、标校设备时延、基带调制器与光接收模块同步信号时延差进行测量，完成发射单向时延的测量，计算出发射单向距离零值。

Description

测控通信地面站基于时基的发射单向零值测距系统
技术领域
本发明属于飞行器测控通信领域的发射单向零值测量技术，具体涉及到一种基于时基的测控通信地面站发射单向零值测距测量系统。
技术背景
在卫星、飞船、导弹等飞行器运行过程中，都需要测控通信地面站先对其相对于地面站的位置进行测量与定位，然后再由测控通信地面站向飞行器发射遥控命令、接收飞行器下发的遥测信息，这样飞行器才能发挥出真正的效能。现役的连续波体制飞行器的测控与通信都离不开相应的测控通信地面站。地面站(groundstation)是卫星、导弹或航天系统的一个组成部分。一般指设置在地球表面上(包括装在载车、船舶和飞机上的)与卫星、飞船、导弹等目标飞行器进行测控通信的地面设备。主要由可跟踪目标飞行器的高增益天线系统、微波大功率发射系统、低噪声接收系统、信号与信息处理系统和电源系统等组成。
测控通信地面站对目标飞行器定位的测量元素包括角度、径向速度、空间距离值。飞行器的测量与控制通过飞行器测控通信地面站与目标飞行器协同工作来完成，输入信号形式及功率谱连续波应答机的作用是对地面测控通信站的上行询问信号实现相干/非相干转发，以配合地面测量系统完成测速、测距和定位功能。测速的原理依然是基于多普勒效应，测距的原理则决定了连续波应答机的工作模式。对目标飞行器空间距离值测量分为双向测距体制，单向测距体制。飞行器测控通信系统采用双向测距体制时，目标飞行器上安装应答机，地面测控通信站与应答机协同工作完成空间距离值测量。地面站发射测距信号，飞行器上应答机处理后发给地面站，空间距离值在地面站进行解算，无需考虑接收机钟差，地面布设三个站即可完成用户定位。采用单向测距体制时，目标飞行器上安装接收机，地面站发射测距信号，飞行器上接收机接收信号并处理，空间距离值在目标飞行器上进行解算，由于地面站与用户存在钟差，以四球/三球相交求交点的原理进行定位，地面至少需要四个站才能完成定位。
无论飞行器测控通信系统采用双向测距体制还是单向测距体制，由于测距信号从地面测控通信站设备端发出，所以测量得到的测距值为地面站设备距离值以及地面站相位中心到目标飞行器之间空间距离。目标飞行器定位空间距离值定义为目标飞行器到地面测控通信站设备相位中心点间空间距离。因此，需要事先对地面站设备自身距离零值进行标定，任务执行中将系统测距值中地面站设备距离零值扣除，才能得到目标实际空间距离值，以正确对飞行器进行定位。在测控通信地面站系统设计和设备研制过程中，很重要的因素就是如何提高距离零值测量精度、减小设备零值测量误差。由于航天试验任务对可靠性近乎严酷的要求，受器件和技术因素的局限性，一些测试误差在工程应用中被认为是不可测的，或者是可以忽略的。实际上，在地面设备的应用过程中，已经暴露出一些测量误差对精度产生影响的问题。这些测量误差的来源主要有：(1)测试链路与实际工作链路不一致引入测量误差。(2)测量设备精度低，导致测量精度不满足要求等。长期以来，地面测控站时延(地面测控站距离零值)测量是一大技术难题。
对于双向测距体制，地面站设备距离零值通常采用对远场标校塔的方式进行，具体测量方法为：标校塔上放置标校设备，标校设备包括标校喇叭、标校电缆、校零变频器。地面站发射测距信号，标校塔上标校设备接收测距信号并转发回地面站，地面站完成系统距离值测量。对地面站设备相位中心到标校喇叭间空间距离进行测量，对标校设备距离值进行测量，系统距离值扣除空间距离值与标校设备距离值，得到地面站设备距离零值。这种设备距离零值测量方法已经在全国多个测控通信系统中广泛、长期使用，设备距离零值测量精度可以达到1m量级。
对于单向测距体制，目前的方法都是先利用双向测距体制设备距离零值测量方法得到地面站设备的双向设备零值，然后均分作为地面站接收设备距离零值、地面站发射设备距离零值。但是实际接收链路与发射链路设备组成、电路形式完全不同，这种将设备收发距离零值直接均分的方法导致设备单向距离零值误差约10m～50m，无法满足1m量级高精度设备距离零值测量的需求。
发明内容
为了解决飞行器测控通信系统卫星测控站测距校零发射单向零值的高精度测量问题，本发明提出了一种具有误差环节少，零值测量精度高的测控通信地面站基于时基的发射单向零值测距系统。
本发明的上述目的可以通过下述技术方案予以实现，一种测控通信地面站基于时基的发射单向零值测距系统，包括：相连时基单元1的基带调制器单元2和光发射机8，波束形成单元3、T组件4、阵列天线5、标校天线6、标校电缆7、光缆9、光接收机10和示波器11，其特征在于：基带调制器单元2顺次通过波束形成单元3、T组件4相连阵列天线5，光发射机8通过光缆9顺次串联光接收机10和示波器11，示波器11通过标校电缆7相连标校天线6，时基单元1产生2路同步sync信号，分别送给基带调制器单元2和光发射机8；基带调制器单元2基于同步sync信号上升沿触发产生上行测距信号，经过波束形成单元2完成波束分发，经过T组件4形成射频测距信号，然后经过阵列天线5后将射频测距信号发射出去；标校天线6将接收到的射频测距信号经过标校电缆7送示波器11；光发射机8将同步sync信号转换成光信号后通过光缆9远距离传输送到光接收机10，光接收机10将同步sync信号转换成电信号后送示波器11；示波器基于同步sync信号对发射的射频测距信号进行时延测量，得到总时延值TΣ，同时对阵列天线5与标校天线6空间距离、标校设备时延和基带调制器2与光接收模块端同步sync信号时延差T3进行测量，分别得到阵列天线5与标校天线6之间空间距离值T1、标校设备距离值T2和基带调制器2与光接收模块11端同步sync信号时延差T3，将TΣ、T1、T2、T3带入测控通信地面站设备发射单向距离零值Tt的计算公式Tt＝TΣ-T1-T2+T3，完成发射单向零值Tt计算。
本发明相对于现技术具有以下的有益效果：
误差环节少。本发明采用基带调制器单元2顺次通过波束形成单元3、T组件4相连阵列天线5，光发射机8通过光缆9顺次串联光接收机10、示波器11，示波器11通过标校电缆7相连标校天线6组成对地面站设备发射单向距离零值直接进行测量测控通信地面站发射单向零值测距测量系统，基于同步sync信号触发产生上行测距信号，并经过波束形成单元、T组件和阵列天线后将射频测距信号发射出去，标校天线6将接收到的射频测距信号经过标校电缆7送示波器11，完成发射链路相关零值测量，取消了校零变频器专用收发频率变换设备，简化了校零误差环节，提高了校零精度。具有误差修正灵活和数据稳定性好等优点。
零值测量精度高。本发明采用光发射机8将同步sync信号转换成光信号后通过光缆9远距离传输送到光接收机10，光发射机将同步sync信号转换成光信号后传输到光接收机端；标校天线将接收到的射频测距信号和光接收机收到的同步sync信号送示波器，示波器基于同步sync信号对发射信号时延进行测量；对阵列天线和标校天线空间距离、标校设备时延、基带调制器与光接收模块端同步sync信号时延差进行测量，计算出发射单向距离零值，完成发射单向时延的测量。这种基于时基同步来进行高精度发射单向零值测量，相比于现有技术的测量方式，设备距离零值的精度得到了大大提高，测量精度达到1m量级，保障了对飞行器定位的准确度。标校精度、数据可靠性大为提高。
本发明适用于多目标相控阵测控通信系统，也适用于抛物卖弄测控通信系统的发射单向距离零值标定。同时适用于S频段测控通信系统、X频段测控通信系统、Ka频段测控通信系统地面站测控通信地面站设备发射单向零值的测量。
附图说明
图1是本发明测控通信地面站基于时基的发射单向零值测距系统电路原理示意图。
图2是图1发射端和接收端的测距信号与同步sync信号传送示意图。
图3是图1发射单向零值各测量值示意图。
图4是基带调制器与光接收模块间距离值测量示意图。
图中：1.时基单元、2.基带调制单元、3.波束形成单元、4.T组件、5.阵列天线、6.标校天线、7.标校电缆、8.光发射机、9.光缆、10.光接收机、11.示波器。
下面结合附图和实施例对发明进一步说明。
具体实施方式
参阅图1。在以下描述的优选实施例中，一种测控通信地面站基于时基的发射单向零值测距系统，包括：相连时基单元1的基带调制器单元2和光发射机8，波束形成单元3、T组件4、阵列天线5、标校天线6、标校电缆7、光缆9、光接收机10和示波器11，其特征在于：基带调制器单元2顺次通过波束形成单元3、T组件4相连阵列天线5，光发射机8通过光缆9顺次串联光接收机10和示波器11，示波器11通过标校电缆7相连标校天线6，时基单元1产生2路同步sync信号，分别送给基带调制器单元2和光发射机8；基带调制器单元2基于同步sync信号上升沿触发产生上行测距信号，经过波束形成单元2完成波束分发，经过T组件4形成射频测距信号，然后经过阵列天线5后将射频测距信号发射出去；标校天线6将接收到的射频测距信号经过标校电缆7送示波器11；光发射机8将同步sync信号转换成光信号后通过光缆9远距离传输送到光接收机10，光接收机10将同步sync信号转换成电信号后送示波器11；示波器基于同步sync信号对发射的射频测距信号进行时延测量，得到总时延值TΣ，同时对阵列天线5与标校天线6空间距离、标校设备时延和基带调制器2与光接收模块端10同步sync信号时延差T3进行测量，分别得到阵列天线5与标校天线6之间空间距离值T1、标校设备距离值T2和基带调制器2与光接收模块11端同步sync信号时延差T3，将TΣ、T1、T2、T3带入测控通信地面站设备发射单向距离零值Tt的计算公式Tt＝TΣ-T1-T2+T3，完成发射单向零值Tt计算。
系统发射链路设备单向零值测量时，则由测距信号生产设备输出零值测量信号，通过系统发射链路发射出去，并由无线接收链路接收，从而形成系统发射链路零值测量环路，完成发射链路相关零值测量。所有工作频率范围多个频率点的零值在线测量分时轮循完成，测试频率点切换以及零值测量采集时刻由零值测量服务器统一调度；同时，零值测量服务器接收高速数据采集设备输出的测量数据，与其他项零值测量数据进行相关计算得到对应环路的时延值。
在以下可选的实施例中，时基单元1产生2路同步sync信号为周期脉冲信号，同步信号的周期必须大于TΣ，以保证零值测量无模糊。同步sync信号稳定性应小于300ps，以保证发射单向零值测量精度。
基带调制单元2基于同步sync信号上升沿产生发射测距信号，发射测距信号产生时刻必须与时基单元1产生的sync信号沿严格对齐，确保测控通信地面站每次上电发射测距信号相位不会偏移、每次设备发射单向零值稳定；发射测距信号采用BPSK调制，S(t)＝Ptc(t)sin(ωt+θ)。
基带调制单元2产生的中频发射测距信号经过波束形成单元3分发、T组件4上变频及放大后输出射频测距信号，射频测距信号经过阵列天线5发射出去，标校天线6接收到射频测距信号后，通过标校电缆7传输后送到示波器11，光发射机8将同步sync信号转换成光信号后通过光缆9远距离传输到光接收机10，光接收机10将同步sync信号转换成电信号后也送到示波器11。光端机及稳相光缆具有良好的宽带特性和相位稳定性，因此同步sync信号需要通过光端机及稳相光缆进行传输。
示波器11的1个端口输入同步sync信号，另1个端口输入射频测距信号，射频测距信号相位翻转点相对于同步sync信号上升沿的延时就是总的发射信号单向距离值TΣ。需要选用高性能示波器，示波器最高采样率60GHz，最高模拟带宽60GHz，最大存储深度1Gpts。
测控通信地面站设备发射单向距离零值Tt的计算公式为Tt＝TΣ-T1-T2+T3。需要用全站仪对阵列天线和标校天线间空间距离T1进行测量，需要用矢网对标校设备时延T2进行测量，需要用示波器对基带调制器2与光接收模块端10同步sync信号时延差T3进行测量。T1、T2测量方法为测控通信地面站成熟测量方法。
参阅图2。基带调制单元2根据时基单元1产生的发射信号为同步sync信号上升沿触发产生的上行测距信号，上行测距信号为二进制移相键控BPSK调制上行测距信号S(t)＝Ptc(t)sin(ωt+θ)。二进制移相键控BPSK信号在相位翻转点处的频带最宽，调制滤波以后，信号包络上幅度最小的点就是相位翻转点，在基带调制单元2端上行测距信号相位反转点与同步sync信号上升沿表现为对齐关系。发射测距信号经过发射链路以及空间传输后有时延，示波器11端接收同步sync信号和同步sync信号上升沿触发产生的上行测距信号，在示波器11端接收信号表现为发射测距信号相位反转点与同步sync信号时延差T3上升沿之间出现时间差t，这个时延差为整个基于时基发射单向零值测量系统测得的总时延值TΣ。
参阅图3。发射单向零值Tt包括通过基带调制单元2、波束形成单元3、T组件4与阵列天线5的距离零值，其中，阵列天线5与标校天线6之间空间距离值为T1，标校设备距离值T2包括标校天线6、标校电缆7的距离值，基带调制器2与光接收模块11端同步sync信号时延差T3，总时延值TΣ是基带调制单元2发射测距信号到示波器11收到测距信号之间的时间，发射单向距离零值Tt的计算公式为Tt＝TΣ-T1-T2+T3。
参阅图4。时基单元1产生的同步sync信号通过基带调制器2与光接收模块10端同步sync信号时延差T3通过示波器11来进行测量，同步sync信号分别通过基带调制器2端和光接收模块10端连接的示波器11的2个端口，送入示波器11测量2路同步sync信号的时间差，得到的这个时间差就是同步sync信号时延差T3。
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及设备；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)

1.一种测控通信地面站基于时基的发射单向零值测距系统，包括：相连时基单元(1)的基带调制器单元(2)和光发射机(8)，波束形成单元(3)、T组件(4)、阵列天线(5)、标校天线(6)、标校电缆(7)、光缆(9)、光接收机(10)和示波器(11)，其特征在于：基带调制器单元(2)顺次通过波束形成单元(3)、T组件(4)相连阵列天线(5)，光发射机(8)通过光缆(9)顺次串联光接收机(10)和示波器(11)，示波器(11)通过标校电缆(7)相连标校天线(6)，时基单元(1)产生2路同步sync信号，分别送给基带调制器单元(2)和光发射机(8)；基带调制器单元(2)基于同步sync信号上升沿触发产生上行测距信号，经过波束形成单元(3)完成波束分发，经过T组件(4)形成射频测距信号，然后经过阵列天线(5)后将射频测距信号发射出去；标校天线(6)将接收到的射频测距信号经过标校电缆(7)送示波器(11)；光发射机(8)将同步sync信号转换成光信号后通过光缆(9)远距离传输送到光接收机(10)，将同步sync信号转换成电信号后送示波器(11)；示波器(11)基于同步sync信号对发射的射频测距信号进行时延测量，得到总时延值T∑，同时对阵列天线(5)与标校天线(6)空间距离、标校设备时延和基带调制器单元(2)与光接收机(10)同步sync信号时延差T3进行测量，分别得到阵列天线(5)与标校天线(6)之间空间距离值T1、标校设备距离值T2和基带调制器单元(2)与光接收机(10)同步sync信号时延差T3，将T∑、T1、T2、T3带入测控通信地面站设备发射单向距离零值Tt的计算公式Tt＝T∑-T1-T2+T3，完成发射单向距离零值Tt计算。
2.如权利要求1所述的测控通信地面站基于时基的发射单向零值测距系统，其特征在于：时基单元(1)产生2路同步sync信号为周期脉冲信号，并且同步信号的周期大于T∑，同步sync信号稳定性小于300p。
3.如权利要求1所述的测控通信地面站基于时基的发射单向零值测距系统，其特征在于：基带调制器单元(2)基于同步sync信号上升沿产生发射测距信号，发射测距信号产生时刻与时基单元(1)产生的同步sync信号沿对齐，并且发射测距信号采用二进制移相键控BPSK调制，t时刻上行测距信号为S(t)＝Ptc(t)sin(ωt+θ)，其中，Pt表示中频信号功率，c(t)表示测距码，ω表示中频载波信号，θ表示中频载波信号相位。
4.如权利要求1所述的测控通信地面站基于时基的发射单向零值测距系统，其特征在于：基带调制器单元(2)产生的中频发射测距信号经过波束形成单元(3)分发、T组件(4)上变频及放大后输出射频测距信号射频测距信号经过阵列天线(5)发射出去，标校天线(6)接收到射频测距信号后，光发射机(8)将同步sync信号转换成光信号后通过光缆(9)远距离传输到光接收机(10)，光接收机(10)将同步sync信号转换成电信号后也送到示波器(11)通过标校电缆(7)传输后送到示波器(11)，其中，PT表示射频信号功率，c(t)表示测距码，/>表示射频载波信号，/>表示射频载波信号相位。
5.如权利要求1所述的测控通信地面站基于时基的发射单向零值测距系统，其特征在于：示波器(11)的1个端口输入同步sync信号，另1个端口输入射频测距信号，射频测距信号相位翻转点相对于同步sync信号上升沿的延时就是总的发射信号单向距离值T∑。
6.如权利要求1所述的测控通信地面站基于时基的发射单向零值测距系统，其特征在于：测控通信地面站设备发射单向距离零值Tt用全站仪对阵列天线(5)和标校天线(6)间空间距离T1进行测量，用矢网对标校设备距离值T2进行测量，用示波器(11)对基带调制器单元(2)与光接收机(10)同步sync信号时延差T3进行测量。
7.如权利要求1所述的测控通信地面站基于时基的发射单向零值测距系统，其特征在于：基带调制器单元(2)根据时基单元(1)产生的端发射信号包括同步sync信号和同步sync信号上升沿触发产生的上行测距信号，上行测距信号为二进制移相键控BPSK调制上行测距信号为S(t)＝Ptc(t)sin(ωt+θ)；二进制移相键控BPSK信号在相位翻转点处的频带最宽，调制滤波以后，信号包络上幅度最小的点为相位翻转点，在基带调制器单元(2)端上行测距信号相位反转点与同步sync信号上升沿表现为对齐关系。
8.如权利要求1所述的测控通信地面站基于时基的发射单向零值测距系统，其特征在于：发射测距信号经过发射链路以及空间传输后有时延，同步sync信号上升沿触发产生的上行测距信号，在示波器(11)端接收信号表现为发射测距信号相位反转点与同步sync信号时延差T3上升沿之间出现时间差t，这个时延差为整个基于时基发射单向零值测量系统测得的总时延值T∑。
9.如权利要求1所述的测控通信地面站基于时基的发射单向零值测距系统，其特征在于：发射单向距离零值Tt包括通过基带调制器单元(2)、波束形成单元(3)、T组件(4)与阵列天线(5)的距离零值，其中，阵列天线(5)与标校天线(6)之间空间距离值为T1，标校设备距离值T2包括标校天线(6)、标校电缆(7)的距离值，基带调制器单元(2)与光接收机(10)同步sync信号时延差T3，总时延值T∑是基带调制器单元(2)发射测距信号到示波器(11)收到测距信号之间的时间，发射单向距离零值Tt的计算公式为Tt＝T∑-T1-T2+T3。
10.如权利要求1所述的测控通信地面站基于时基的发射单向零值测距系统，其特征在于：时基单元(1)产生的同步sync信号通过基带调制器单元(2)与光接收机(10)同步sync信号时延T3通过示波器(11)来进行测量，同步sync信号分别通过基带调制器单元(2)端和光接收机(10)端连接的示波器(11)的2个端口，送入示波器(11)测量2路同步sync信号的时间差，得到的这个时间差就是同步sync信号时延差T3。
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