CN112422167A - 一种多通道高精度的测距收发机零值校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道高精度的测距收发机零值校准方法，可以做到校准不影响设备的正常通信测量工作；实现多通道零值校准：星间测距收发机有三个射频通道连接三幅反射面天线，需要对收发共计6个通道的零值进行校准，校准时按照通道当时的工作频率进行校准；零值校准实时完成：本零值校准方法由校准硬件及嵌入式软件共同完成，可以实现实时在轨标校；零值校准通道自身零值稳定度高：零值校准装置的自身零值要在高低温等条件下保持稳定，这样校准出来的收发通道零值精度才高；自动实时标校输出收发通道零值：零值校准输出的是各个闭环通道的原始测量值，需要进行方程计算最终输出发射与接收通道的零值。

Description

一种多通道高精度的测距收发机零值校准方法

技术领域

本发明属于无线通信与测量电子信息技术领域，具体涉及一种多通道高精度的测距收发 机零值校准方法。

背景技术

无线电测距收发机输出的原始测距值中包括了对方发射机的发射通道、信号空间传播时 间以及接收机接收通道延时。除了空间传播时间以外的传输时间均称之为零值。在进行距离 计算时是需要扣除的部分。零值是一个缓慢变化的量，它受到信号传播路径上元器件的频率 响应特性，环境温度变化，器件老化等复杂因素的影响。所以为了取得高精度的测距值，需 要定期进行零值校准。

本零值校准技术应用在星间测距的收发机上。编队组网卫星为了维持星座拓扑结构需要 精确的星间距离测量值作自主定轨的重要原始数据。星间测距接收机工作体制如下：

星间工作信号体制如下：

工作频率：Ka波段；

3dB带宽：≤±15MHz；

信道复用：空分多址(SDMA)+码分多址(CDMA)；

双工方式：频分双工FDD，发F1收F2，或发F2收F1(可指令切换)；

调制方式：UQPSK，I路通信、Q路测距；

扩频方式：直接序列扩频(DSSS)；

扩频码速率：10.23Mbps；

扩频码长度：1秒周期，秒脉冲上升沿开始输出；

星间测距体制：采用双向单程测距(Dual One Way)；

接收机时频输入：频率综合系统送来的铷钟频率基准10.23Mhz时钟，10M时钟以及秒脉 冲(1PPS)。

目前针对测距接收机的工作体制不同，具有不同的零值校准方法。针对S波段统一测控 体制应答机的零值标校方法。文献《调频调相应答机距离零值测量方法》飞行器测控学报黎 孝纯余晓川2008年6月第27卷第3期中提到了采用测量FM信号源大频偏调制与小频偏 调制的时差来挑选出恒时延FM信号源，采用恒时延FM调制器设计成FM-PM应答机距离零值 测量方法和设备。该方法适用的是S波段统一测控体制应答机的零值标校，不适用于伪码测 距体制的零值标校，同时该方法还需要额外研制零值标校设备，在地面对应答机的零值进行 标校，无法实现设备在轨的零值标校过程。

针对双向单程测距接收机的零值标校方法文献《星间时间同步系统及零值标定研究》宇 航计测技术刘长水盛利元等2011年8月第31卷第4期中提到采用闭环零值自校的方法 来实现，但并没有给出具体的实施方法。

文献《星间链路发射机时延零值的数字标定算法》宇航学报崔小准康成斌刘安邦等 2014年9月第35卷第9期中提到了采用数字信号处理技术进行标定的方法。但是该方法需要对接收机的发射信号进行采集并采用事后处理的方法来测量零值，无法对在轨卫星进行 实时的零值校准。

文献《微小卫星星间测距在轨零值标定方法及应用》宇航学报，孟泽民和徐兆斌等，2016 年10月，第37卷第10期中提到了采用对双程伪码辅助载波测距系统进行零值标校的方法， 并研制了专门校准装置。但是该测距体制并不适用于双单向测距体制的零值校准，并且该方 法在零值校准过程中需要中断正常的测距任务。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种多通道高精度的测距收发机零值校准方法，可以实 现高精度在轨零值校准，提高星间测距收发机的测距精度。

一种测距收发机零值校准方法，采用零值校准装置进行校准；零值校准装置包括校准发 射通道、校准接收通道、接口通道；

校准发射通道接收校准用伪随机码序列后，先经接口通道，后经测试耦合器、双工组件 送入测距收发机接收通道；测距收发机发射通道发射信号，经双工组件和测试耦合器，再经 零值校准装置的接口通道送入校准接收通道；

测试校准测距收发机接收通道和发射通道的零值前，先在地面取得如下时延参数，包括： 导航分系统至测距收发机秒脉冲时延a，双工组件至天线相位中心时延dx，双工组件至接口 通道时延ex以及校准发射通道时延nx；

然后在轨执行如下步骤：

步骤1、零值校准装置的校准接收通道直接接收校准发射通道发射的信号，并送入测距 收发机的校准接收通道对信号进行捕获跟踪，由此得到测距T1；由于T1＝nx+mx，nx为已知， 则可得到mx的值；

步骤2、测距收发机工作发射通道发送信号，依次通过双工组件、测试耦合器和接口通 道送入校准接收通道，经过捕获跟踪后，得到测距零值T2＝b1x+c1x+ex+m；则可得到b1x+c1x 的值；

步骤3、校准发射通道发射信号，依次经过接口通道和双工组件送入测距收发机工作接 收通道，捕获跟踪后，得到测距零值T3＝nx+ex+c2x+b2x；则可得到c2x+b2x的值；

步骤4、根据以上3个步骤得到的参数值，计算出发射零值：a+b1x+c1x+dx；以及接收 零值：-a+b2x+c2x+dx。

进一步的，改变收发频率，按照以上步骤1～4，测量其它收发频率下的发射零值和接收 零值。

较佳的，零值校准装置的校准发射通道和校准接收通道之间串连两个微波开关，分别为 第一微波开关和第二微波开关；当需要校准接收通道直接接收校准发射通道发射的信号时， 第一微波开关和第二微波开关闭合，校准发射通道直接导通校准接收通道。

较佳的，所述接口通道设置三个通道，分别与测距收发机的三个工作通道联通。

较佳的，接口通道设置有第三微波开关和选通开关K4；选通开关K4分别控制接口通道 中三个通道的导通；第三微波开关设置在第一微波开关和第二微波开关之间，并串连选通开 关K4。

较佳的，当校准发射通道闭环测距收发机接收通道时，第一微波开关和第三微波开关闭 合，将两个通道联通，选通开关K4负责导通需要校准的工作通道；当校准接收通道闭环测距 收发机发射通道时，第二微波开关和第三微波开关闭合，选通开关K4负责导通需要校准的工 作通道。

本发明具有如下有益效果：

1.零值校准不影响正常通信:星间测距收发机是连续工作持续与对方卫星建立链接。而校 准又是一个较频繁的操作，本发明可以做到校准不影响设备的正常通信测量工作；

2.实现多通道零值校准：星间测距收发机有三个射频通道连接三幅反射面天线，需要对 收发共计6个通道的零值进行校准，校准时按照通道当时的工作频率进行校准；

3.零值校准实时完成：本零值校准方法由校准硬件及嵌入式软件共同完成，可以实现实 时在轨标校；

4.零值校准通道自身零值稳定度高：零值校准装置的自身零值要在高低温等条件下保持 稳定，这样校准出来的收发通道零值精度才高。

5.自动实时标校输出收发通道零值：零值校准输出的是各个闭环通道的原始测量值，需 要进行方程计算最终输出发射与接收通道的零值。

附图说明

图1为零值校准发射通道与校准接收通道；

图2为校准伪码生成框图；

图3为测距收发机零值校准系统框图；

图4为单个通道(A通道)零值校准程序流程图；

图5为系统零值参数定义。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。如图1所示，采用零值校准装置进 行校准；零值校准装置包括校准发射通道、校准接收通道、接口通道。校准发射通道接收基 带发来的校准用伪随机码序列后，先经接口通道，后经测试耦合器、双工组件送入测距收发 机接收通道；测距收发机发射通道发射信号，双工组件、测试耦合器，再经零值校准装置的 接口通道送入校准接收通道；校准测距收发机接收通道和发射通道的零值前，先在地面取得 如下时延参数，包括：导航分系统至测距收发机秒脉冲时延a，双工组件至天线相位中心时 延dx，双工组件至接口通道(校准电缆)时延ex以及校准发射通道时延nx。(这些时延参数 是计算发射通道与接收通道零值过程中必不可少的因子。因为测距收发机可以工作在发F2收 F1或发F1收F2两种模式下，而这些时延值与频率有关，参数中的x代表不同的频率。)

然后在轨执行如下步骤：

1、校准接收通道直接接收校准发射通道发射的信号，送入测距收发机的标准接收通道对 信号进行捕获跟踪，由此得到测距T1；由于T1＝nx+mx，nx为已知，则可得到mx的值；

2、测距收发机工作发射通道发送信号，依次通过双工组件、测试耦合器和接口通道送入 校准接收通道，经过捕获跟踪后，得到测距零值T2＝b1x+c1x+ex+m；由于ex和mx的值已经 确定，则可得到b1x+c1x的值；

3、校准发射通道发射信号，依次经过接口通道和双工组件送入测距收发机工作接收通道， 捕获跟踪后，得到测距零值T3＝nx+ex+c2x+b2x；由于nx和ex已知，则可得到c2x+b2x的值

4、根据以上3步得到的参数值，可以计算出发射零值(a+b1x+c1x+dx)以及接收零值 (-a+b2x+c2x+dx)。

按照以上步骤1～4步重复执行可以取得其它通道的发射与接收零值，以及其它收发频率 下的零值。

其中，校准发射通道主要由顺次设置的基带部分、微波调制器混频器、衰减器和微波开 关1构成；校准接收通道由顺次设置的微波开关2、混频器、90°桥、第一放大器、带通滤波器和第二放大器构成；接口通道由顺次设置的微波开关3、衰减器合路器及开关K4构成；双工组件包括耦合器、双工器和TWAT。开关K4分别控制三个工作通道的导通，用于分别与测距收发机的3个工作通道联通。

当校准发射通道闭环校准接收通道时，微波开关1和微波开关2将两个通道接通，形成 闭环；当校准发射通道闭环测距收发机接收通道时，微波开关1和微波开关3将两个通道联 通，开关K4负责导通需要校准的工作通道；同理，当校准接收通道闭环测距收发机发射通道 时，微波开关2和微波开关3将两个通道联通，开关K4负责导通需要校准的工作通道。

实施例：

一、零值校准通道设计

零值校准通道分为校准发射通道与校准接收通道，为了保证零值校准发射通道的零值稳 定性，避免使用滤波器等容易受高低温影响时延特性的器件，采用基带直接调制技术将基带 发送的校准伪码序列调制到F1或F2频率进行发射。校准发射通道与校准接收通道的实现框 图见图1所示。

基带FPGA在1PPS脉冲上升沿时刻发送周期1S的校准伪码。K1开关选择本振输出F1或 F2去参与上变频。K2开关控制校准发射信号是闭环到校准接收还是经过K3、K4最终输出。 K3开关控制将校准发射信号输出给K4，或将K4开关输入的信号传递给K5。K4开关控制校准 发射信号送A/B/C三个工作通道中的一个，或接收A/B/C三个通道其中一路信号。K5开关控 制校准接收K2开关输入的信号或是K3开关输入的信号。K6开关选择F1’(发F1的混频信号， 混到中频送基带接收)、或F2’(发F2的混频信号，混到中频送基带接收)。为了结合星间测 距收发机的工作频率以及对校准通道信号流的控制，测距收发机的射频模块设计了B4B3B2B1 四个控制位对收发机工作频率及校准状态进行控制。设计了T4T3T2T1通道选择控制位。这些 控制位的定义及工作模式如下表1、表2所示。零值校准通道属于收发机内部模块，与外部 校准电缆、耦合器、双工器及天线等设备的系统连接框图见图3所示。

表1接口控制位说明

表2可用校准控制状态真值表

备注：上表中0为低电平，1为高电平。

如果此时测距收发机工作在发F2收F1(或发F1收F2)的情况下进行校准，则首先校准 发射F2(或F1)闭环校准接收取得零值。

二、校准信号体制设计

校准信号体制及功率指标设计如下：

1.时延校正通道A、B、C频率：F1，F2；

2.扩频方式：直接序列扩频(DSSS)；

3.扩频码码速率：10.23Mcps；

4.扩频码长度：1S，秒脉冲上升沿开始输出；

5.扩频码生成方式：伪码生成多项式为f(x)＝X²⁴+X⁷+X²+X+1，见图2；

6.调制方式：BPSK；

7.信息速率：0bps(不调制信息)。

8.时延校正通道A、B、C输出功率：-60dBm±1dB；

9.时延校正通道A、B、C输入功率：-10dBm±3dB。

三、零值校准软件及流程

零值校准过程首先是DSP软件根据接收到的零值校准指令(周期自校、定时自校、单路 自校等)，按照约定的校准流程通过控制基带捕获跟踪FPGA以及射频模块的工作模式实现零 值校准过程。针对一个通道的零值校准流程见图4所示。对于3个通道的零值校准，是将上 述流程执行三遍，在执行不同通道校准时B4～B1的控制字与一个通道的一致，T4～T1针对 不同通道校准时应进行相应的切换。下表是零值校准指令，DSP软件根据指令自动执行不同 的零值校准过程。

表3零值校准指令

四、零值校准数学模型

通道零值测量的时间起点是频率综合系统输出给测距收发机的1PPS脉冲的上升沿。从时 间起点开始，到信号从天线发出这条路径上的延时定义为通道零值。通道时延包括如下部分， 各部分时延的含义见图5：

1.导航分系统至测距收发机时延a；

2.测距收发机内部发射时延b1x(分F1，F2频率)；

3.测距收发机内部接收时延b2x(分F1，F2频率)；

4.测距收发机至双工组件发射时延c1x(分F1，F2频率,x表示A，B，C通道)；

5.测距收发机至双工组件接收时延c2x(分F1，F2频率，x表示A，B，C通道)；

6.双工组件A/B/C至天线A/B/C相位中心时延dx(分F1，F2频率，x表示A，B，C通道)；

7.测距收发机至双工组件A/B/C至接口通道(校准电缆)时延ex(分F1，F2频率，x表示A，B，C通道)；

8.校准发射通道频率时延nx(分F1，F2)；

9.校准接收通道频率时延mx(分F1，F2)。

上述各部分时延中a，dx，ex，nx在地面采用文献《星间链路发射机时延零值的数字标 定算法》在地面提前标定，作为固定参数固化在DSP程序中。

零值校准过程及参数输出过程如下，以A通道发F2收F1为例说明。

第一步：校准发射通道在1PPS脉冲到来时刻用F2频率(或F1)发送约定的校准伪码， 闭环到校准接收通道。基带捕获跟踪软件FPGA测量出校准发射闭环校准接收的通道零值 (T1＝nx+mx)，扣除校准发射发F2(或F1)的零值可以计算出校准接收通道在F2(或F1)频率下的零值；；

第二步：工作发射通道发射F2(或F1)正常星间UQPSK通信信号，通过TWTA、双工器、耦和器进入到收发机内部，最终闭环到校准接收通道，基带捕获跟踪FPGA测出工作发射闭环 校准接收通道的零值(T2＝b1x+c1x+ex+mx)。扣除第一步计算出的校准接收通道F2(或F1) 频率下的零值则可以计算出工作发射F2(或F1)通道零值；；

第三步：校准发射通道在1PPS脉冲到来时刻以F1(或F2)频率发送约定的校准伪码， 通过校准电缆、耦和器，双工器等并与天线接收到的对方卫星发来的工作信号F1频率(或 F2)一起送基带捕获跟踪FPGA，实现校准发射闭环工作接收通道F1(或F2)频率下的闭环 测量(T3＝n+ex+c2x+b2)。由于校准伪码与工作伪码的不相关性，基带捕获跟踪FPGA可以对 工作信号与校准信号分别实现捕获跟踪而互不影响。测量结果扣除校准发射通道F1(或F2) 频率下的零值可以计算出工作接收通道F1(或F2)频率下的零值；；

第四步：DSP软件根据程序中预先存储的a，dx，ex，nx可以计算出A通道发射零值(a+b1x+c1x+dx)以及A通道接收零值(-a+b2x+c2x+dx)。

按照以上步骤1～4步重复执行可以取得B、C通道的发射与接收零值。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在 本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护 范围之内。

Claims (6)

1.一种测距收发机零值校准方法，其特征在于，采用零值校准装置进行校准；零值校准装置包括校准发射通道、校准接收通道、接口通道；

校准发射通道接收校准用伪随机码序列后，先经接口通道，后经测试耦合器、双工组件送入测距收发机接收通道；测距收发机发射通道发射信号，经双工组件和测试耦合器，再经零值校准装置的接口通道送入校准接收通道；

测试校准测距收发机接收通道和发射通道的零值前，先在地面取得如下时延参数，包括：导航分系统至测距收发机秒脉冲时延a，双工组件至天线相位中心时延dx，双工组件至接口通道时延ex以及校准发射通道时延nx；

然后在轨执行如下步骤：

步骤1、零值校准装置的校准接收通道直接接收校准发射通道发射的信号，并送入测距收发机的校准接收通道对信号进行捕获跟踪，由此得到测距T1；由于T1＝nx+mx，nx为已知，则可得到mx的值；

步骤2、测距收发机工作发射通道发送信号，依次通过双工组件、测试耦合器和接口通道送入校准接收通道，经过捕获跟踪后，得到测距零值T2＝b1x+c1x+ex+m；则可得到b1x+c1x的值；

步骤3、校准发射通道发射信号，依次经过接口通道和双工组件送入测距收发机工作接收通道，捕获跟踪后，得到测距零值T3＝nx+ex+c2x+b2x；则可得到c2x+b2x的值；

步骤4、根据以上3个步骤得到的参数值，计算出发射零值：a+b1x+c1x+dx；以及接收零值：-a+b2x+c2x+dx。

2.如权利要求1所述的一种测距收发机零值校准方法，其特征在于，改变收发频率，按照以上步骤1～4，测量其它收发频率下的发射零值和接收零值。

3.如权利要求1所述的一种测距收发机零值校准方法，其特征在于，零值校准装置的校准发射通道和校准接收通道之间串连两个微波开关，分别为第一微波开关和第二微波开关；当需要校准接收通道直接接收校准发射通道发射的信号时，第一微波开关和第二微波开关闭合，校准发射通道直接导通校准接收通道。

4.如权利要求3所述的一种测距收发机零值校准方法，其特征在于，所述接口通道设置三个通道，分别与测距收发机的三个工作通道联通。

5.如权利要求4所述的一种测距收发机零值校准方法，其特征在于，接口通道设置有第三微波开关和选通开关K4；选通开关K4分别控制接口通道中三个通道的导通；第三微波开关设置在第一微波开关和第二微波开关之间，并串连选通开关K4。

6.如权利要求5所述的一种测距收发机零值校准方法，其特征在于，当校准发射通道闭环测距收发机接收通道时，第一微波开关和第三微波开关闭合，将两个通道联通，选通开关K4负责导通需要校准的工作通道；当校准接收通道闭环测距收发机发射通道时，第二微波开关和第三微波开关闭合，选通开关K4负责导通需要校准的工作通道。

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