CN113382466B - 一种基于时分双工体制下的新型时延监测及校准方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于时分双工体制下的新型时延监测及校准方法，针对包含星间收发信机和相控阵天线两台设备的星间链路系统，在充分考虑到时分半双工的体制下，设计了一种的时延监测及校准方法，主要对信号生成单机生成的信号自耦合对自身进行实时监测，通过无线链路对整个系统进行时延进行监测与计算，可对星间链路两个设备的发射时延和接收时延分别监测，对星上设备的通道健康性起到很好的监测作用，并通过将校准后的时延值折算到星间测距值中可消除系统时延引起的测距误差。

Description

一种基于时分双工体制下的新型时延监测及校准方法
技术领域
本发明涉及一种基于时分双工体制下的新型时延监测及校准方法，属于时延校准技术领域。
背景技术
北斗全球卫星导航系统是我国自主建设的具有全球覆盖能力的卫星定位导航系统。北斗三号卫星共有30颗卫星，包括地球静止轨道(GEO)、倾斜地球同步轨道(IGSO)和中高度地球轨道(MEO)等三种轨道类型，星座构形为3GEO+3IGSO+24MEO。每类卫星上均配置星间链路，主要功能在于在轨提供卫星与卫星之间的无线传输通道，实现星间精密测量、数据传输等服务。星间链路采用的是时分双工体制进行测距，为高精度测距系统。系统的时延值的变化会直接影响到测距精度，且通道时延的变化也反映了通道的健康性，因此需要对系统的收发链路的时延值进行实时监测、校准。传统的通道时延监测方法，由于校准信号要进入到正常发射/接收通道，因此校准时会影响正常业务，且需要地面不停地发送指令，将设备的工作状态设置校准模式下，才能对时延进行监测校准，为地面运控系统带来负担，因此需要设计一种测量校准一体的且可以对通道时延实时监测的系统。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，传统的通道时延监测方法设计整个系统的时延校正方案，对系统内的单机的时延变化无法起到实时监测作用的问题，提出了一种基于时分双工体制下的新型时延监测及校准方法。
本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：
一种基于时分双工体制下的新型时延监测及校准方法，步骤如下：
(1)针对星间链路系统，进行地面测试，于星间链路系统包括的星间收发信机与相控阵天线的内部时延中，获取星间收发信机内部发射时延b1与温度的关系，确定内部发射时延b1与温度实测值；
(2)将内部发射时延b1与温度实测值存储于信号生成设备中，于在轨状态下根据实测温度进行时延变化的自适应补偿；
(3)获取星间收发信机和相控阵天线之间的星间收发信机至相控阵天线发射电缆时延c1、相控阵天线至星间收发信机接收电缆时延c2，同时获取相控阵天线内部还包括相控阵天线校正接收通道时延j1、相控阵天线校正发射通道时延j2，并通过地面仪器进行地面测试阶段标校；
(4)设计星间收发信机内部自闭环，通过外部控制器向星间收发信机发送星间收发信机自闭环校正开启指令，获取星间收发信机输出的本星相控阵信机单机内部的接收通道时延p0，并计算星间收发信机内部接收时延b2；
所述星间收发信机内部包括发射校正链路、接收校正链路；
(5)通过外部控制器向星间收发信机发送星间相控阵发射链路时延校正信号，通过发射校正链路返回至星间收发信机内部进行滤波放大下变频处理，与基带信号进行相关处理，获取发射链路时延校正遥测值p，并计算出相控阵天线发射通道时延d1及相控阵链路发射通道绝对时延值A；
(6)通过外部控制器向星间收发信机发送星间相控阵接收链路时延校正信号，通过接收校正链路返回至星间收发信机内部进行滤波放大下变频处理，与基带信号进行相关处理，获取接收链路时延校正值q，计算出相控阵天线接收通道时延d2及相控阵链路接收通道绝对时延值B；
(7)将步骤(5)、步骤(6)所得计算值注入相控阵星间收发信机中，在生成测距值C输出时，同时输出星间测距真值P；
(8)于在轨状态下，重复步骤(5)～(7)，对星间收发信机的内部时延变化情况进行监测，通过链路时延校正信号分别监测星间收发信机内部的相控阵链路的发射时延和接收时延变化情况，并通过计算对星间收发信机及相控阵天线时延进行监测。
所述步骤(1)中，星间收发信机与相控阵天线的内部时延包括：星间收发信机内部发射时延b1、星间收发信机内部接收时延b2、星间收发信机至相控阵天线发射电缆时延c1、相控阵天线至星间收发信机接收电缆时延c2、相控阵天线内部时延发射时延d1、相控阵天线内部时延接收时延d2，相控阵天线内部还包括相控阵天线校正接收通道时延j1、相控阵天线校正发射通道时延j2。
所述星间收发信机内部时延与温度的关系根据温度间隔0.1度，于指定温度范围内，测量星间收发信机内部发射时延b1于温度关系的实测值；
所述步骤(2)中，星间收发信机内部接收时延b2为星间收发信机输出的本星相控阵接受通道时延与步骤(1)所得星间收发信机内部发射时延b1的差值。
所述步骤(5)中，d1、A的计算方法为：
d1＝p-p0-c1-j2-c2；
A＝b1+c1+d1；
d1为相控阵天线发射通道的时延值。
A为相控阵链路发射通道绝对时延值。
所述步骤(6)中，d2、B的计算方法为：
d2＝q-p0-c1-j1-c2；
B＝b2+c2+d2；
d2为相控阵天线发射通道的时延值；
B为相控阵链路接收通道绝对时延值。
所述步骤(7)中，P的计算方法为：
P＝C-(A+B)*c；
c为光速；
P为星间测距真值。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明提供的一种基于时分双工体制下的新型时延监测及校准方法，对信号生成单机生成的信号自耦合对自身进行实时监测，通过无线链路对整个系统进行时延与监测，可实现将相控阵信机发射时隙正常测量信号通过耦合器耦合后作为校准信号，实时对自身进行接收通道时延校正；
(2)本发明采用的方法可实现将校准发射链路时延值与校准接收链路的闭环，测量校准发射通道和校准接收通道的闭环时延和，该闭环时延和减去校准发射通道绝对时延，得到校准接收通道绝对时延，并可对星间链路两个设备的发射时延和接收时延分别监测，对星上设备的通道健康性起到很好的监测作用。
附图说明
图1为发明提供的星间链路系统校准通道链路框图；
图2为发明提供的星间收发信机在轨温度变化图；
图3为发明提供的星间收发信机在轨时延变化图；
图4为发明提供的在轨时延监测和校准流程图；
图5为发明的方法在轨2018年时实际效果图；
图6为发明的方法在轨2020年时实际效果图；
具体实施方式
一种基于时分双工体制下的新型时延监测及校准方法，针对包含星间收发信机和相控阵天线两台设备的星间链路系统，在充分考虑到时分半双工的体制下，设计了一种的时延监测方法，主要对信号生成单机生成的信号自耦合对自身进行实时监测，通过无线链路对整个系统进行时延进行监测与计算，并进行重新上住完成校准，具体步骤如下：
(1)针对星间链路系统，进行地面测试，于星间链路系统包括的星间收发信机与相控阵天线的内部时延中，获取星间收发信机内部发射时延b1与温度的关系，确定时延与温度实测值；
星间收发信机与相控阵天线的内部时延包括：星间收发信机内部发射时延b1、星间收发信机内部接收时延b2、星间收发信机至相控阵天线发射电缆时延c1、相控阵天线至星间收发信机接收电缆时延c2、相控阵天线内部时延发射时延d1、相控阵天线内部时延接收时延d2，相控阵天线内部还包括相控阵天线校正接收通道时延j1、相控阵天线校正发射通道时延j2。其中b1、c1、c2、j1、j2为已知。b2、d1、d2为待求。
星间收发信机内部时延与温度的关系根据温度间隔0.1度，于指定温度范围内，测量星间收发信机内部发射时延b1于温度关系的实测值；
(2)设计星间收发信机内部自闭环，通过外部控制器向星间收发信机发送星间收发信机自闭环校正开启指令，获取星间收发信机输出的本星相控阵接受通道时延，并计算星间收发信机内部接收时延b2；
其中，星间收发信机内部接收时延b2为星间收发信机输出的本星相控阵接收通道时延与步骤(1)所得星间收发信机内部发射时延b1的差值；
(3)相控阵星间收发信机和相控阵天线之间的高频电缆以及相控阵天线内部校正通道的器件均为无源器件，默认其时延c1、c2、j1、j2随时间变化量较小，其中j1＝j2，地面测试阶段通过仪器进行直接标校。
(4)设计星间收发信机内部自闭环，通过外部控制器向星间收发信机发送星间收发信机自闭环校正开启指令，获取星间收发信机输出的本星相控阵信机单机内部的接收通道时延p0，并计算星间收发信机内部接收时延b2；
(5)通过外部控制器向星间收发信机发送星间相控阵发射链路时延校正，信号通过发射校正链路回到信机内部进行滤波放大下变频与基带信号相关，得出发射链路时延校正遥测值p，计算出相控阵天线发射通道时延d1，计算出相控阵链路发射通道绝对时延值A；
其中，d1、A的计算方法为：
d1＝p-p0-c1-j2-c2；
A＝b1+c1+d1；
d1为相控阵天线发射通道的时延值；
A为相控阵链路发射通道绝对时延值；
(6)通过外部控制器向星间收发信机发送星间相控阵接收链路时延校正，信号通过接收校正链路回到信机内部进行滤波放大下变频与基带信号相关，得出接收链路时延校正值q，计算出相控阵天线接收通道时延d2，计算出相控阵链路接收通道绝对时延值B；
其中，d2、B的计算方法为：
d2＝q-p0-c1-j1-c2；
B＝b2+c2+d2；
d2为相控阵天线发射通道的时延值；
B为相控阵链路接收通道绝对时延值；
(7)将A、B值注入相控阵星间收发信机中，在其产生测距值C输出时，将自动扣除星间收发链路时延带来的测距影响，输出星间测距真值P；
其中，P的计算方法为：
P＝C-(A+B)*c；
c为光速；
P为星间测距真值；
(8)在轨时，步骤(4)是始终存在的，重复(5)～(7)；实现实时对星间收发信机的时延变化进行监测，通过链路时延校正即可实现相控阵链路的发射时延和接收时延的变化的分别监测，并通过计算实现对相控阵星间收发信机和相控阵天线的时延的分别监测。
下面结合具体实施例进行进一步说明：
在本实施例中，星间链路系统包含两台设备：相控阵星间收发信机和相控阵天线。采用的体制为3s周期的时分双工体制，星间收发信机发射链路采用主、备两个MCM模块，两条链路经过一个90°功分桥，功分为两路，一路作为发射输出，一路通过校准通道输出给接收通道以完成接收通道校准。链路校准通道分为接收通道校准链路和发射通道校准链路。星间收发信机发射输出信号和天线网络完成链路发射通道校准的同时，相控阵收发信机内部完成自身接收通道校准。校准通道的链路如图1所示。
由于校准发射通道上器件都是宽带无源器件，自身时延很小，为ps级，实际在轨相控阵信机装在舱内，由于整星控温措施，舱内的温度变化不超过2°，如图2所示，其时延随器件的老化在距离测量跟踪精度范围之内；环境温度的变化会引起校准发射通道时延的变化，可通过试验测出其时延—温度变化曲线，实现实时修正，在轨时延监测和校准流程如图4所示，因此，本发明默认校准发射通道绝对时延是已知值且不变。
下面根据本发明的方法步骤进行具体说明：
2020年6月23日到2020年9月23日，相控阵信机在轨温度变化图如图2、图3所示，可见，2020年6月23日到2020年9月23日，相控阵信机在轨时延变化自监测图，变化小于0.1ns，在轨监测相控阵信机产品健康性良好；
下面是根据本发明对卫星在轨测距值起到的效果，根据在轨数据，分别评估2018年10月3日到2018年12月3日，及2020年10月3日到12月3日两个时间段所有与MEO-1卫星建链的卫星之间的测距值的拟合残差，如图5、图6所示的对比时延校正方法是有效的。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种基于时分双工体制下的新型时延监测及校准方法，其特征在于步骤如下：
(1)针对星间链路系统，进行地面测试，于星间链路系统包括的星间收发信机与相控阵天线的内部时延中，获取星间收发信机内部发射时延b1与温度的关系，确定内部发射时延b1与温度实测值；
(2)将内部发射时延b1与温度实测值存储于信号生成设备中，于在轨状态下根据实测温度进行时延变化的自适应补偿；
(3)获取星间收发信机和相控阵天线之间的星间收发信机至相控阵天线发射电缆时延c1、相控阵天线至星间收发信机接收电缆时延c2，同时获取相控阵天线内部还包括相控阵天线校正接收通道时延j1、相控阵天线校正发射通道时延j2，并通过地面仪器进行地面测试阶段标校；
(4)设计星间收发信机内部自闭环，通过外部控制器向星间收发信机发送星间收发信机自闭环校正开启指令，获取星间收发信机输出的本星相控阵信机单机内部的接收通道时延p0，并计算星间收发信机内部接收时延b2；
所述星间收发信机内部包括发射校正链路、接收校正链路；
(5)通过外部控制器向星间收发信机发送星间相控阵发射链路时延校正信号，通过发射校正链路返回至星间收发信机内部进行滤波放大下变频处理，与基带信号进行相关处理，获取发射链路时延校正遥测值p，并计算出相控阵天线发射通道时延d1及相控阵链路发射通道绝对时延值A；
(6)通过外部控制器向星间收发信机发送星间相控阵接收链路时延校正信号，通过接收校正链路返回至星间收发信机内部进行滤波放大下变频处理，与基带信号进行相关处理，获取接收链路时延校正值q，计算出相控阵天线接收通道时延d2及相控阵链路接收通道绝对时延值B；
(7)将步骤(5)、步骤(6)所得计算值注入相控阵星间收发信机中，在生成测距值C输出时，同时输出星间测距真值P；
(8)于在轨状态下，重复步骤(5)～(7)，对星间收发信机的内部时延变化情况进行监测，通过链路时延校正信号分别监测星间收发信机内部的相控阵链路的发射时延和接收时延变化情况，并通过计算对星间收发信机及相控阵天线时延进行监测；
所述步骤(1)中，星间收发信机与相控阵天线的内部时延包括：星间收发信机内部发射时延b1、星间收发信机内部接收时延b2、星间收发信机至相控阵天线发射电缆时延c1、相控阵天线至星间收发信机接收电缆时延c2、相控阵天线内部时延发射时延d1、相控阵天线内部时延接收时延d2，相控阵天线内部还包括相控阵天线校正接收通道时延j1、相控阵天线校正发射通道时延j2；
所述星间收发信机内部时延与温度的关系根据温度间隔0.1度，于指定温度范围内，测量星间收发信机内部发射时延b1于温度关系的实测值；
所述步骤(2)中，星间收发信机内部接收时延b2为星间收发信机输出的本星相控阵接受通道时延与步骤(1)所得星间收发信机内部发射时延b1的差值；
所述步骤(5)中，d1、A的计算方法为：
d1＝p-p0-c1-j2-c2；
A＝b1+c1+d1；
d1为相控阵天线发射通道的时延值；
A为相控阵链路发射通道绝对时延值；
所述步骤(6)中，d2、B的计算方法为：
d2＝q-p0-c1-j1-c2；
B＝b2+c2+d2；
d2为相控阵天线接收通道的时延值；
B为相控阵链路接收通道绝对时延值；
所述步骤(7)中，P的计算方法为：
P＝C-(A+B)*c；
c为光速；
P为星间测距真值。
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