CN112468243B - 一种测距设备零值测量方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明一种测距设备零值测量方法及系统，系统包括收发处理机和天线；测量系统的主信号路径上增设射频移相器，达到通过改变射频移相器的移相状态，实现多径和主径载波相位的变化；本发明为解决星间链路设备收发时延零值测量中，因内外部因素会引入短延时多径信号，当环境因素变化时，会引起收发时延零值测量系统误差变化；提出一种解决方案，克服测量系统内部隔离度不足时，保证多径引入的收发时延零值测量系统误差在可控的小范围内。

Description

一种测距设备零值测量方法及系统
技术领域
本发明属于信号处理技术领域，本发明涉及扩频测距技术、时延测量技术，特别涉及一种测距设备零值测量方法及系统。
背景技术
相控阵链路作为自主运行分系统的重要组成部分，接收它星的扩频测距信号进行星间伪距的精密测量，自主运行分系统以伪距测量值作为输入量进行导航星座自主定轨及时间同步。相控阵链路收发时延零值变化会影响到测距结果，进而影响到导航星座自主定轨及时间同步精度。
由于环境变化、器件老化等因素对时延测量的影响较大，因此存在链路时延零值测量的需求。但是在链路时延零值测量实施过程中，测量单机内部及外部天线等多个环节均存在不可避免的泄漏，隔离度难以达到较理想效果。即在收发时延零值测量中，除待测信号(主信号)外，会存在泄漏信号，通过某种渠道耦合到接收链路中，形成多径信号，给接收测距带来测量偏差。仿真及实测证明，随着环境因素变化，多径信号和主信号的相位关系会发生变化，此时会进一步引起收发时延零值的测量偏差变化，引入额外系统误差。
在星间链路子系统载荷的研发过程中，需要针对相控阵链路收发时延零值测量找到一种有效的抗多径技术，这种技术应该既要实现载荷单机设计简单，又要实现解决链路内部隔离度不足引起的测量偏差在可控的小范围内，即测量的准确度。
传统方法主要包括窄相关器技术和多径估计延迟锁定环路技术，存在如下缺点：
Hager-man等人提出的窄相关器技术可减小多径误差，即通过减小相关器间距减小码环多径误差，需要增加射频前端带宽，同时要求增加采样频率，降低了跟踪环路的噪声性能和跟踪性能，同时对于延迟小于0.1chip的短延时多径信号抑制完全无效。
Van Nee等人提出的多径估计延迟锁定环路(MEDLL，Multipath EstimationDelay Lock Loop)。MEDLL采用多相关器接收机得到多个采样，运用最大似然估计准则，估计直达信号与多径信号的幅度相位和时延等参数。采用了迭代算法，迭代不一定能收敛到全局最优点，并且最大似然估计计算效率较低，算法运算量大，数据处理复杂，实时性差。
发明内容
本发明解决的技术问题时：克服现有技术的不足，为解决星间链路设备收发时延零值测量中，因内外部因素会引入短延时多径信号，当环境因素变化时，会引起收发时延零值测量系统误差变化。本发明提出一种解决方案，克服测量系统内部隔离度不足时，保证多径引入的收发时延零值测量系统误差在可控的小范围内。
本发明的技术方案是：一种测距设备零值测量系统，包括收发处理机和天线；测量系统的主信号路径上增设射频移相器，达到通过改变射频移相器的移相状态，实现多径和主径载波相位的变化；
所述收发处理机包括信号处理单元、射频发射通道、功分器、选通开关、衰减器、第一射频移相器、第二射频移相器、耦合器、射频接收通道；
所述天线配备信标，并具有切换射频信号通路的组合开关，以实现天线发射校正模式时，天线发射，信标接收；
天线接收校正模式时，信标发射，天线接收；信号处理单元包含时延测量与校准模块；在时延校准模式下，信号处理单元输出扩频码至射频发射通道，射频发射通道实现扩频码调制并生成射频信号，作为功分器输入；功分器一路输出送给选通开关，经由衰减器、第一射频移相器送给耦合器，然后依次经过射频接收通道后，进入信号处理单元中的时延测量模块，在时延测量模块中完成收发处理机时延零值测量；功分器另一路输出送给天线，用于链路的收发时延零值测量，在天线内部通过组合开关控制信标和天线阵面构成收发闭环测量回路，并收发处理机接收口送至第二射频移相器，然后依次经由耦合器、射频接收通道后，进入信号处理单元中的时延测量模块，在时延测量模块中完成链路时延零值测量。
所述第一射频移相器处于收发处理机时延零值测量主信号路径上，用于收发处理机时延零值测量；第二射频移相器处于收发处理机和天线组成的链路时延零值测量主信号路径上，用于链路时延零值测量；第一射频移相器输入端接入的衰减器用于保证第一射频移相器输入功率处于其合理范围。
所述第一射频移相器、第二射频移相器根据测量需要而设；若不需测量收发处理机零值则不需设置第一射频移相器，类似的，若不需测量链路零值则不需设置第二射频移相器；
所述第一射频移相器和第二射频移相器性能指标相同，均支持0～360度移相范围，360度移相时对应收发射频信号的一个载波波长；射频移相器最小步进＝360/(2^N)，其中N为射频移相器位宽。
一种测距设备零值测量方法，步骤如下：
1)设置主信号路径中的射频移相器处于0相位状态，测量得到时延零值T0；
2)设置主信号路径中射频移相器移相状态处于最小步进单位，测量得到时延零值T1；
3)设置主信号路径中射频移相器移相状态处于最小步进单位+1，测量得到时延零值T2；
4)重复步骤3)，直至遍历射频移相器的所有移相状态，并得到对应的时延零值；
5)对射频移相器所有移相状态下测得的时延值进行累加平均，得到收发处理机时延零值真值
Figure BDA0002789869310000031
Figure BDA0002789869310000032
其中N为射频移相器位宽。
所述主信号路径上的射频移相器是指测量零值必经的信号路径；对于收发处理机收发零值测量而言，主信号路径上的射频移相器是指第一射频移相器；对于包含收发处理机和天线构成的收发链路零值测量而言，主信号路径上的射频移相器是指第二射频移相器。
所述最小步进单位＝360/(2^N)，其中N为射频移相器位宽。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本方法在零值测量链路中易引入多径的环节，采用在主信号路径设置射频移相器，通过改变射频移相器移相状态，以实现主信号和多径信号到达接收入口处载波相位的不同设置。
(2)常规多径抑制技术如窄相关器技术通过减小相关器间距减小码环多径误差，但是需要增加射频前端带宽，同时要求增加采样频率，存在动态适应性恶化风险，同时对于延迟小于0.1chip的短延时多径信号抑制完全无效。而本方法通过无需减小相关器间距，只需遍历射频移相器所有移相状态，并进行相应的测量及处理，便可获得克服短延时多径信号影响，提高测量准确度，无需减小相关器间距或增加射频前端带宽或调增采样率，由于未修改相关器间距，不存在动态适应性恶化风险。
(3)常规多径抑制技术如多径延迟锁定环路MEDLL在估计出多径数目基础上，通过估计运用最大似然估计准则估计直达信号与多径信号的幅度相位和时延等参数，算法运算量大，效率低。而本方法只需进行遍历多径主径载波相位的有限次测量，并经过累加平均等简单处理即可，计算复杂度低，同时对多径数目未做特殊要求。
附图说明
图1为本发明系统结构框图；
图2为多径引起的测距偏差与多径主径幅度比MDR及载波相位关系。
具体实施方式
如图1所示，在时延零值测量中，信号源通常存在隐藏的泄露形成的多径信号直达接收端，造成测量不准确。多径的形式是多种多样的，收发处理机时延校准只需要收发处理机参与，收发处理机内部典型多径是在射频发射通道输出端直接泄露到射频接收通道输入端；链路收发时延校准需要收发处理机和天线同时参与，此时，天线内部典型多径是从天线射频输入端，直接泄露到天线射频输出端，影响链路收发零值测量。
研究发现，测距设备收发零值测量中的多径信号具有如下特点：(1)多径信号从发端直接泄露至收端，即多径信号超前于主信号到达；(2)多径属于短时延特征，即多径时延接近或小于0.1chip情形；(3)主信号的测距值呈静态特征，即设备零值固定。
基于测距设备中多径信号具有的多径超前、短时延等假设条件，可以建立多径影响的测距误差模型，在单路多径信号模型下，则多径信号引入的时延测量的测距偏差Δt可以如下式所示：
Figure BDA0002789869310000051
其中，多径信号与主信号载波相位偏差
Figure BDA0002789869310000052
表示；多径信号与主径信号幅度比MDR用α表示，单位dB；用τ表示多径与主信号的时间偏差。以τ＝9ns为例，则在不同MDR条件下，多径引起的测距偏差与多径主径幅度比MDR及载波相位关系如图2所示。
研究发现，对于给定的MDR，对多径与主径载波0～2π所有相位的Δt进行积分，则积分结果等于零，此时多径引起的测距系统偏差为零。
Figure BDA0002789869310000053
即：
Figure BDA0002789869310000054
对不同载波相位下的测距值进行累加可以认为是上述积分公式的近似实现，此时多径引起的测距系统误差逼近于零。仿真和实测数据表明，对于给定的MDR，对多径与主径载波0～360度所有相位的Δt进行累加平均，则因多径引起的测距系统偏差逼近于零。
本发明星间链路设备由收发处理机和天线构成。其中收发处理机由信号处理单元、射频发射通道、功分器、选通开关、衰减器、第一射频移相器、第二射频移相器、耦合器、射频接收通道；天线配备信标，并具有切换射频信号通路的组合开关，以实现天线发射校正模式时，天线发射，信标接收；天线接收校正模式时，信标发射，天线接收；信号处理单元包含时延测量与校准模块。
本发明的关键在于在测量系统的主信号路径上增设射频移相器。在测量过程中，遍历主信号路径上的射频移相器的所有相位状态，并测量获得各个相位状态对应时延值，对所有时延值累加平均可获得主信号路径时延真值。
即本方法通过改变位于主径的射频移相器的移相设置，实现多径和主径载波相位关系的相对变化，对多径和主径所有载波相位状态下的时延值进行累加平均，可获得克服多径影响的主径信号时延真值。
第一射频移相器处于收发处理机时延零值测量主信号路径上，用于收发处理机时延零值测量。
第二射频移相器处于收发处理机和天线组成的链路时延零值测量主信号路径上，用于链路时延零值测量。
第一射频移相器、第二射频移相器根据测量需要而设；若不需测量收发处理机零值则不需设置第一射频移相器，类似的，若不需测量链路(含收发处理机和天线)零值则不需设置第二射频移相器。
第一射频移相器输入端串接入的衰减器用于保证第一射频移相器输入功率处于其合理范围。
第一射频移相器和第二射频移相器性能指标相同，均支持0～360度移相范围，360度移相时对应收发射频信号的一个载波波长。射频移相器最小步进＝360/(2^N)，其中N为射频移相器位宽，例如5bit移相器，则最小步进＝360/(2^5)＝11.25度，共有2^5＝32种移相状态。
同等条件下推荐使用具有更大位宽，即具有更小移相步进的射频移相器。
射频移相器的移相控制状态设置通过低频信号由收发处理机的处理终端进行控制。
在时延校准模式下，信号处理单元输出扩频码至射频发射通道，射频发射通道实现扩频码调制并生成射频信号，作为功分器输入；功分器一路输出送给选通开关，经由衰减器、第一射频移相器送给耦合器，然后依次经过射频接收通道后，进入信号处理单元中的时延测量模块，在时延测量模块中完成收发处理机时延零值测量；功分器另一路输出送给天线，用于链路的收发时延零值测量，在天线内部通过组合开关控制信标和天线阵面构成收发闭环测量回路，并收发处理机接收口送至第二射频移相器，然后依次经由耦合器、射频接收通道后，进入信号处理单元中的时延测量模块，在时延测量模块中完成链路时延零值测量。
为了抑制测量过程中多径信号对主信号测量的影响，需要遍历主信号路径上的射频移相器的所有相位状态，并测量获得各个相位状态对应时延值，对所有相位状态对应时延值进行累加平均即可获得主信号路径的时延真值。
需要说明的是，本方法主要针对测距系统中的内多径抑制。本方法适用于静态测距场景，即在移相器不用的移相设置时测距值真值变化为零，此时，测距观测值变化仅受主径多径载波相位变化影响。另外，本方法通过在测距链路中易产生多径的环节引入移相器设计，进而实现多径主径载波相位的不同设置，隐含着多径主径可分离的特征，使用中需要针对具体应用场景进行合理设计。
参照图1，搭建测距设备时延零值测量系统。需要遍历主信号路径上的射频移相器的所有相位状态，并测量获得各个相位状态对应时延值，对所有相位状态对应时延值进行累加平均即可获得主信号路径的时延真值。
Figure BDA0002789869310000071
收发处理机收发时延零值测量
此工况是为了测量收发处理机的时延零值。第一射频移相器处于主路径信号中，通过调节其置于不同的相位状态分别测量对应时延值，并对所有时延值累加平均，得到收发处理机收发组合时延真值。具体步骤如下：
步骤1将收发处理机选通开关设置为选通，同时天线内部组合开关选择关断信标状态，此时整个链路处于收发处理机时延零值测量状态。
步骤2设置第一射频移相器处于0相位状态，测量得到时延零值T0。
步骤3设置第一射频移相器移相状态处于最小步进单位，测量得到时延零值T1。注:最小步进＝360/(2^N),其中N为射频移相器位宽，例如5bit移相器，则最小步进＝360/(2^5)＝11.25度。
步骤4设置第一射频移相器移相状态处于最小步进单位+1，测量得到时延零值T2。
步骤5重复步骤4，直至遍历第一射频移相器的所有移相状态，并得到对应的时延零值
Figure BDA0002789869310000081
步骤6对第一射频移相器所有移相状态下测得的时延值进行累加平均，得到收发处理机时延零值真值
Figure BDA0002789869310000082
Figure BDA0002789869310000083
Figure BDA0002789869310000084
链路收发组合时延测量
此工况是为了测量收发处理机和天线的时延零值。第二射频移相器处于主路径信号中，通过调节其置于不同的相位状态分别测量对应时延值，并对所有时延值累加平均，得到链路时延零值真值。具体步骤如下：
步骤1将收发处理机选通开关设置为断开，同时天线内部组合开关选择选通信标状态，并使得信标和天线构成接收时延零值测量回路，即信标发射，天线接收(接收时延校正)。此时整个链路处于收发处理机和接收天线构成的链路时延零值测量状态。
步骤2设置第二射频移相器处于0相位状态，测量得到时延零值T0。
步骤3设置第二射频移相器移相状态处于最小步进单位，测量得到时延零值T1。注:最小步进＝360/(2^N),其中N为射频移相器位宽，例如5bit移相器，则最小步进＝360/(2^5)＝11.25度。
步骤4设置第二射频移相器移相状态处于最小步进单位+1，测量得到时延零值T2。
步骤5重复步骤4，直至遍历第一射频移相器的所有移相状态，并得到对应的时延零值
Figure BDA0002789869310000091
步骤6对第二射频移相器所有移相状态下测得的时延值进行累加平均，得到链路接收时延零值真值
Figure BDA0002789869310000092
Figure BDA0002789869310000093
步骤7将收发处理机选通开关设置为断开，同时天线内部组合开关选择选通信标状态，并使得信标和天线构成发射时延零值测量回路，即：天线发射，信标接收(发射时延校正)，重复步骤1～步骤6，得到链路发射时延零值真值。

Claims (7)

1.一种测距设备零值测量系统，其特征在于：包括收发处理机和天线；测量系统的主信号路径上增设射频移相器，达到通过改变射频移相器的移相状态，实现多径和主径载波相位的变化；
所述收发处理机包括信号处理单元、射频发射通道、功分器、选通开关、衰减器、第一射频移相器、第二射频移相器、耦合器、射频接收通道；
所述天线配备信标，并具有切换射频信号通路的组合开关，以实现天线发射校正模式时，天线发射，信标接收；
天线接收校正模式时，信标发射，天线接收；信号处理单元包含时延测量与校准模块；在时延校准模式下，信号处理单元输出扩频码至射频发射通道，射频发射通道实现扩频码调制并生成射频信号，作为功分器输入；功分器一路输出送给选通开关，经由衰减器、第一射频移相器送给耦合器，然后依次经过射频接收通道后，进入信号处理单元中的时延测量模块，在时延测量模块中完成收发处理机时延零值测量；功分器另一路输出送给天线，用于链路的收发时延零值测量，在天线内部通过组合开关控制信标和天线阵面构成收发闭环测量回路，并收发处理机接收口送至第二射频移相器，然后依次经由耦合器、射频接收通道后，进入信号处理单元中的时延测量模块，在时延测量模块中完成链路时延零值测量。
2.根据权利要求1所述的一种测距设备零值测量系统，其特征在于：所述第一射频移相器处于收发处理机时延零值测量主信号路径上，用于收发处理机时延零值测量；第二射频移相器处于收发处理机和天线组成的链路时延零值测量主信号路径上，用于链路时延零值测量；第一射频移相器输入端接入的衰减器用于保证第一射频移相器输入功率处于其合理范围。
3.根据权利要求1所述的一种测距设备零值测量系统，其特征在于：所述第一射频移相器、第二射频移相器根据测量需要而设；若不需测量收发处理机零值则不需设置第一射频移相器，类似的，若不需测量链路零值则不需设置第二射频移相器。
4.根据权利要求1所述的一种测距设备零值测量系统，其特征在于：所述第一射频移相器和第二射频移相器性能指标相同，均支持0～360度移相范围，360度移相时对应收发射频信号的一个载波波长；射频移相器最小步进＝360/(2^N)，其中N为射频移相器位宽。
5.一种利用权利要求1所述系统进行测距设备零值测量的方法，其特征在于步骤如下：
1)设置主信号路径中的射频移相器处于0相位状态，测量得到时延零值T0；
2)设置主信号路径中射频移相器移相状态处于最小步进单位，测量得到时延零值T1；
3)设置主信号路径中射频移相器移相状态处于最小步进单位+1，测量得到时延零值T2；
4)重复步骤3)，直至遍历射频移相器的所有移相状态，并得到对应的时延零值；
5)对射频移相器所有移相状态下测得的时延值进行累加平均，得到收发处理机时延零值真值
Figure FDA0003575628150000021
Figure FDA0003575628150000022
其中N为射频移相器位宽。
6.根据权利要求5所述的一种测距设备零值测量方法，其特征在于：所述主信号路径上的射频移相器是指测量零值必经的信号路径；对于收发处理机收发零值测量而言，主信号路径上的射频移相器是指第一射频移相器；对于包含收发处理机和天线构成的收发链路零值测量而言，主信号路径上的射频移相器是指第二射频移相器。
7.根据权利要求5所述的一种测距设备零值测量方法，其特征在于：所述最小步进单位＝360/(2^N)，其中N为射频移相器位宽。
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