CN113376624A - 避免在线校准的双基线测角方法 - Google Patents
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Abstract
本发明所述的避免在线校准的双基线测角方法,提出避免在线校准的双基线测角方法以提高测角系统工作的连续性与可靠性,以期显著地减少设备设计的复杂程度,即仅需出场标校一次即可长期投入使用以解决在测角系统通道幅相误差而影响到测角精度的技术难题。具体地,将3个方位测角通道合并为一个通道,合并方式为分时复用,复用的时序由信处控制。避免在线校准的双基线测角方法包括以下阶段,阶段1、出厂标校;阶段2、工作测量阶段。
Description
技术领域
本发明涉及一种针对双基线测角通信的控制方法,具体地实现避免在线实时或定时校准的测角方法,属于空间合作目标定位通信领域。
背景技术
随着目前国内航天探测技术的快速发展,在探测过程中最具有难度和挑战性的行星探测着陆任务中,为了获取更有研究价值的信息,探测器需要在行星表面着陆,再使用辅助设备实现数据采样及分析。其中,对于探测着陆模拟实验中除对着陆环境进行模拟外,还需对着陆系统的速度与相对行星表面距离的测量进行相关试验与研究。
行星表面探测器包括行星着陆器和行星表面巡行器,当巡行器从着陆器释放出来之后,两者需相互进行通信与定位。利用行星表面着陆器-巡行器近程通信链路(UHF、C、X频段)的双向链路进行测距、测速、多基线比相测角,是现有实现着陆器对巡行器精密导航定位与通信性设计的主要技术手段,具体包括以下四种典型的巡视器定位方案:(1)惯性导航系统;(2)天文导航体制;(3)陆基甚长基线干涉仪定位体制;(4)视觉导航体制。
对于方案(1),其主要应用缺点是随着时间漂移发散严重,特别是在行使速度慢、活动范围小、任务周期长的场景下,定位误差将逐渐增大到无法接受的地步;
对于方案(2),其虽能够准确测定航向且精度较高,但需要利用里程计测定线位移变化量,进行航位推算。因此,受里程计精度约束和行星表面恶劣的路况影响,精度较差,定位误差随航行里程发散;
对于方案(3),其主要缺点是测角误差和远距离导致法向定位偏差过大,且数据处理周期较长难以满足实时性要求,目前在建的VLBI能够达到的测角精度在100nrad左右,法向误差大于100m,难以满足巡视器定位任务需求;
对于方案(4),其主要缺点是需要精确定标,易受巡视器姿态干扰,尤其受光照条件变化影响很大,严重时用于视觉导航的图像场景安全适配,且计算量大,对处理器和顶视立体相机、导航相机要求高,即使在地球上长时间的全自主视觉导航也难以实现。
综上对比,现有着陆器均是通过惯性导航系统以及测速测距雷达共同作用得到着陆器相对于行星表面的距离与速度信息。单纯的惯性导航系统虽然能够得到着陆器的空间位置、姿态以及速度信息,但是却无法满足着陆器软着陆的测速测距精度,因此通常还需其他的微波测距设备对惯导的结果予以修正,进而减小惯导系统的测量误差以及满足测量精度。
如后附图1所示,采用直序扩频和CCSDS(Consultative Committee for SpaceData Systems)Proximity-1协议实现着陆器-巡行器之间的数据交互,利用双向异步传输帧非相干扩频测距方法实现精密测距、测速,利用着陆器多天线形成的长短基线组合实现对巡行器方位角的载波相位差分干涉精密测角,同时完成通信功能。着陆器上的雷达测角系统包括3个接收天线组成的天线阵、频率综合器、雷达信号处理机和二次电源等组成单元。针对测角功能,采用3个接收天线后接入多个接收通道的方式,这种方式带来的问题是多个接收通道随着时间和温度变化导致各通道幅相误差随机变化,导致测角误差增大。针对多通道测角系统,各路测角通道间的幅度、相位变化特性的一致性对保持测角精度非常重要。为此,现有技术通常采用增加校准通道的方式进行实时校准或间隔一段时间校准一次的方式来消除幅相误差。这种方法增加了设备的复杂度,并且连续或间隔会对正常测量信号造成干扰,扰乱正常的测量流程。
有鉴于此,特提出本专利申请。
发明内容
本发明所述的避免在线校准的双基线测角方法,在于解决上述现有技术存在的问题而提出避免在线校准的双基线测角方法以提高测角系统工作的连续性与可靠性,以期显著地减少设备设计的复杂程度,即仅需出场标校一次即可长期投入使用以解决在测角系统通道幅相误差而影响到测角精度的技术难题。
为实现上述设计目的,所述避免在线校准的双基线测角方法,将3个方位测角通道合并为一个通道,合并方式为分时复用,复用的时序由信处控制。包括以下阶段,
阶段1、出厂标校;
阶段2、工作测量阶段;
步骤2.1,测距接收通道对测距收发天线接收到的射频模拟信号进行滤波和放大、混频并滤波以得到中频模拟信号,将所述中频模拟信号进行A/D采样以得到数字中频信号;
步骤2.2,着陆器雷达系统组成的信处控制转换开关进行天线的选择控制,通过分时复用将3个方位测角通道合并为一个通道,每个天线接通3.3μs,3个天线占用轮换一次占10μs,由此测角接收通道等效地对每个天线送来的信号进行100kHz间隔的脉冲采样;
步骤2.3,测距接收通道进行中频信号的载波和伪码捕获、跟踪,向测角合并通道提供辅助载波及辅助伪码;
步骤2.4,测角接收通道利用测距接收通道提供的载波及即时伪码进行解调、解扩处理,利用开关切换信号控制3个测角通道进行积分清除;
步骤2.5,对通道开关切换瞬间的前后若干个点数据进行剔除;
步骤2.6,对测角接收通道的3路积分清除结果进行相位旋转处理;
步骤2.7,对相位旋转处理的结果进行相位鉴别计算以得到测角通道3路鉴相误差,对测角通道3路鉴相误差进行锁相环路滤波以消除频差和相位差,将环路滤波结果反馈给测角各路对应的相位累加器,累加器结果进行正余弦查找表,查找表的结果参与积分清除的相位旋转运算;
步骤2.8,同步提取测角通道3路NCO的相位,扣除相位通道出厂基线校准表误差以得到相位一次观测量,即为真实目标的基线测向误差;将该相位一次观测量参与后续的测角运算,即得到准确的测角结果。
进一步地,所述的阶段1包括以下步骤:
步骤1.1,利用外测或矢量网络分析手段,测量3个测角接收通道的相位延迟量;
步骤1.2,利用校准源测量从射频端口经开关切换后各路测量的相位差;
步骤1.3,将测角天线相位延迟量与开关切换相位延迟量相加以得到基线校准表,通过加注的方式固化到雷达设备中;
步骤1.4,设备开机工作时,读取校准表中的数据以供后续相位校正处理。
进一步地,所述的阶段2,在步骤2.6中对测角接收通道的3路积分清除结果进行相位旋转处理,相位旋转按如下公式实现,
式中,I(k)为同相支路积分清除结果,无量纲;Q(k)为正交支路积分清除结果,无量纲;θk为相位旋转真值,为旋转相位测量值,单位为弧度;d为距离值,单位为米,A为信号幅度,单位为电压或电流值;R(τe(k))为相关值,无量纲,其中τe(k)为相关延时,单位为秒;N为积分清除点数,单位为采样间隔1/赫兹;Δωd(k)为归一化角频率误差,单位为弧度*赫兹。
进一步地,所述的阶段2,在步骤2.4中积分清除时间设置为1ms至10ms。
如上内容,所述的避免在线校准的双基线测角方法具有如下优点:
1、能够有效地减少通道幅相误差对于双基线测角精度的不利影响,相应地降低设备结构复杂程度和系统体积与重量,从而有效地降低测角系统的功耗。
2、所述的测角方法能够有效地优化与降低双基线比相测角系统的设计难度,测角系统仅需出场标校一次即可长期投入使用,从而有利于解决通道幅相误差对于测角精度的不利影响。
3、采用主通道辅助测角通道,测角通道开关切换、测角通道数据进行相关积累的设计手段,从而实现一种避免在线校准的测角方法。
附图说明
图1是现有技术巡行器定位与通信系统的结构示意图;
图2是本申请所述避免在线校准的双基线测角方法的着陆器雷达组成系统框图;
图3是本申请所述避免在线校准的双基线测角方法的流程示意图;
图4是测距通道辅助测角通道的信号流示意图。
具体实施方式
现结合上述附图对具体实施方案进行如下详细说明。
实施例1,如图2所示,所述的避免在线校准的双基线测角方法,针对地外天体表面巡行的导航需求,为保证地外天体表面巡行器与着陆器之间相对的测角定位及通信,提出针对双基线测角通信一体化的测角方法。
着陆器雷达系统组成包括以下各功能单元:
雷达收发天线阵,由测角接收天线、测距收发天线、校准网络和馈线等组成。测角接收天线只接收信号,测距收发天线用以发射信号和接收测距通道的信号,测距收发天线可用微带天线实现以减小体积、重量。
频率综合器和发射通道,由雷达基准频率源、接收第一本振源(与发射本振源共用)、接收第二本振源、校准本振源、BPSK调制器、QPSK调制器和固态功放等构成。
测距接收通道,用于雷达测距、测速及辅助测角通道,该测距接收通道由滤波、低噪声放大器、第一次下变频、滤波、低噪声放大器、第二次下变频、AGC放大等组成。测距接收通道的第一本振源(700F1=5.7344GHz)将接收信号(880F1=7.20896GHz)下变频到1.47456GHz中频信号,再用第二本振源(170F1=1.39264GHz)将1.47456GHz中频信号下变频到81.92MHz的第二中频信号进行AGC放大。信号处理器用65.536MHz的时钟对81.92MHz的第二中频信号进行A/D采样,采样后的数字信号的中心频率为16.384MHz,采样率为65.536MHz,采样后的数字信号由FPGA进行处理。
测角合并通道,本申请采取通道合并技术,包括1路主测距通道以作为测角参考通道、以及3个测角接收通道,测角接收通道的接收前端、频综和中频接收电路(包括中频A/D电路)是占整个系统体积功耗最大的部分。为降低整个系统的体积、功耗和重量,将3个方位测角通道合并为一个通道,合并方式为分时复用,复用的时序由信处控制。由此上述4个接收通道就简化为2个接收通道(即1个主通道+3个测角通道复用),从而显著地降低了整个系统的体积、功耗和重量,同时测角通道合并可以提高通道的相位一致性,从根本上保障测角结果的精度。
测角接收通道,测距接收通道辅助测角接收通道的测相,测角接收通道接收信号在测角合并通道中的合并情况,以通过分时复用将3个方位测角通道合并为一个通道,分时复用的时序由信处控制,每个天线接通3.3μs,3个天线占用轮换一次占10μs。这样测角接收通道等效地对每个天线送来的信号进行100kHz的采样。其中,测角接收通道只完成伪码解扩和载波锁相环路跟踪,而用于解扩的伪码则由主通道提供,载波的快速捕获信息由雷达主接收通道载波跟踪环路预置。在雷达主接收通道的FPGA提供的载波多普勒频移估计值的辅助下,载波锁相环路很快进入锁定状态,载波相位测量值可用于相位干涉测角。
应用上述着陆器雷达系统组成,本申请所述的避免在线校准的双基线测角方法,将3个方位测角通道合并为一个通道,合并方式为分时复用,复用的时序由信处控制。由此,4个接收通道就简化为2接收通道,即1个主通道+1路通道时分复用3路测角天线。
如图3和图4所示,本申请所述的避免在线校准的双基线测角方法包括以下实施阶段:
阶段1、出厂标校
步骤1.1,利用外测或矢量网络分析手段,测量3个测角接收通道的相位延迟量;
矢量网络分析手段,可将分析仪测角天线阵面的3路测角天线连接至接收机端口以接收测角相位的相关数据;
步骤1.2,利用校准源测量从射频端口经开关切换后各路测量的相位差;
步骤1.3,将测角天线相位延迟量与开关切换相位延迟量相加以得到基线校准表,通过加注的方式固化到雷达设备中;
步骤1.4,设备开机工作时,读取校准表中的数据以供后续相位校正处理;
阶段2、工作测量阶段
步骤2.1,测距接收通道对测距收发天线接收到的射频模拟信号进行滤波和放大、混频并滤波以得到中频模拟信号,将所述中频模拟信号进行A/D采样以得到数字中频信号;
步骤2.2,着陆器雷达系统组成的信处控制转换开关进行天线的选择控制,通过分时复用将3个方位测角通道合并为一个通道,每个天线接通3.3μs,3个天线占用轮换一次占10μs,由此测角接收通道等效地对每个天线送来的信号进行100kHz间隔的脉冲采样;
步骤2.3,测距接收通道进行中频信号的载波和伪码捕获、跟踪,向测角合并通道提供辅助载波及辅助伪码;
步骤2.4,测角接收通道利用测距接收通道提供的载波及即时伪码进行解调、解扩处理,利用开关切换信号控制3个测角通道进行积分清除;为提高信噪比,积分清除时间设置为1ms至10ms;
步骤2.5,对通道开关切换瞬间的前后若干个点数据进行剔除;
为了避免测角接收通道开关切换过程中的信号抖动影响相位跟踪精度,可对通道开关切换瞬间的前后几个点进行剔除。根据如图4所示的调试测试结果,一般剔除3至10个采样点数据即可;
步骤2.6,对测角接收通道的3路积分清除结果进行相位旋转处理,相位旋转按如下公式实现:
上式中,I(k)为同相支路积分清除结果,无量纲;Q(k)为正交支路积分清除结果,无量纲;θk为相位旋转真值,为旋转相位测量值,单位为弧度;d为距离值,单位为米,A为信号幅度,单位为电压或电流值;R(τe(k))为相关值,无量纲,其中τe(k)为相关延时,单位为秒;N为积分清除点数,单位为采样间隔1/赫兹;Δωd(k)为归一化角频率误差,单位为弧度*赫兹;
步骤2.7,对相位旋转处理的结果进行相位鉴别计算以得到测角通道3路鉴相误差,对测角通道3路鉴相误差进行锁相环路滤波以消除频差和相位差,将环路滤波结果反馈给测角各路对应的相位累加器,累加器结果进行正余弦查找表,查找表的结果参与积分清除的相位旋转运算;
步骤2.8,同步提取测角通道3路NCO的相位,扣除相位通道出厂基线校准表误差以得到相位一次观测量,即为真实目标的基线测向误差;
将该相位一次观测量参与后续的测角运算,即得到准确的测角结果。
综上内容,结合附图中给出的实施例仅是优选方案。对于所属领域技术人员来说可以据此得到启示,而直接推导出符合本发明设计构思的其他替代结构,也应属于本发明所述的方案范围。
Claims (4)
1.一种避免在线校准的双基线测角方法,其特征在于:将3个方位测角通道合并为一个通道,合并方式为分时复用,复用的时序由信处控制;
所述的避免在线校准的双基线测角方法包括以下阶段,
阶段1、出厂标校;
阶段2、工作测量阶段;
步骤2.1,测距接收通道对测距收发天线接收到的射频模拟信号进行滤波和放大、混频并滤波以得到中频模拟信号,将所述中频模拟信号进行A/D采样以得到数字中频信号;
步骤2.2,着陆器雷达系统组成的信处控制转换开关进行天线的选择控制,通过分时复用将3个方位测角通道合并为一个通道,每个天线接通3.3μs,3个天线占用轮换一次占10μs,由此测角接收通道等效地对每个天线送来的信号进行100kHz间隔的脉冲采样;
步骤2.3,测距接收通道进行中频信号的载波和伪码捕获、跟踪,向测角合并通道提供辅助载波及辅助伪码;
步骤2.4,测角接收通道利用测距接收通道提供的载波及即时伪码进行解调、解扩处理,利用开关切换信号控制3个测角通道进行积分清除;
步骤2.5,对通道开关切换瞬间的前后若干个点数据进行剔除;
步骤2.6,对测角接收通道的3路积分清除结果进行相位旋转处理;
步骤2.7,对相位旋转处理的结果进行相位鉴别计算以得到测角通道3路鉴相误差,对测角通道3路鉴相误差进行锁相环路滤波以消除频差和相位差,将环路滤波结果反馈给测角各路对应的相位累加器,累加器结果进行正余弦查找表,查找表的结果参与积分清除的相位旋转运算;
步骤2.8,同步提取测角通道3路NCO的相位,扣除相位通道出厂基线校准表误差以得到相位一次观测量,即为真实目标的基线测向误差;将该相位一次观测量参与后续的测角运算,即得到准确的测角结果。
2.根据权利要求1所述的避免在线校准的双基线测角方法,其特征在于:所述的阶段1包括以下步骤,
步骤1.1,利用外测或矢量网络分析手段,测量3个测角接收通道的相位延迟量;
步骤1.2,利用校准源测量从射频端口经开关切换后各路测量的相位差;
步骤1.3,将测角天线相位延迟量与开关切换相位延迟量相加以得到基线校准表,通过加注的方式固化到雷达设备中;
步骤1.4,设备开机工作时,读取校准表中的数据以供后续相位校正处理。
4.根据权利要求3所述的避免在线校准的双基线测角方法,其特征在于:所述的阶段2,在步骤2.4中积分清除时间设置为1ms至10ms。
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