CN115267837B - 一种星间通信测距时间同步的地面验证方法 - Google Patents

一种星间通信测距时间同步的地面验证方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种星间通信测距时间同步的地面验证方法，用于在地面对卫星星间通信机的星间通信测距功能和时间同步功能进行静态和动态的系统充分验证，卫星之间采用主从式的组网方式，支持多址复用，包括一颗主星和多颗子星，子星之间没有通信链路；所述方法包括：通过桌面有线测试，验证不同距离和不同信噪比下的星间通信测距和时间同步的功能及性能；通过高低温箱有线测试，验证不同温度下的星间通信测距和时间同步的功能及性能；通过微波暗室无线测试，验证动态下的星间通信测距和时间同步的功能及性能；通过车载无线测试，验证高相对运动速度下的星间通信测距的功能及性能。本发明的验证方法具有简单可行、成本低、效率高的优点。

Description

一种星间通信测距时间同步的地面验证方法
技术领域
本发明涉及航空、航天通信和测量技术领域，特别涉及一种星间通信测距时间同步的地面验证方法。
背景技术
星间通信测距和时间同步技术是卫星编队飞行进行联合探测的关键技术，但由于地面很难模拟卫星在轨实际工况，比如几公里到几百公里的远距离、在轨温度变化、星间相对速度等条件，所以星间通信测距时间同步技术的地面试验验证对于保证星间通信测距时间同步功能在轨正常运行具有重要意义。
星间基线测量可行方案包括无线电和光学测量两种方法。无线电测量的主要方法分为基于GNSS(Global Navigation Satellite System)的测量方法、基于光学视觉测角结合无线电测距的方案和纯无线电的基线测量方案。采用GPS(Global Positioning System)接收机无疑是一种简易方法，但是需要依赖于GPS导航卫星系统，在GNSS信号无法覆盖的高轨或者月球轨道或深空轨道，并不适用。主动无线电测量技术主要是由测量设备主动发射、接收射频信号，根据无线电信号的单向或双向时延特性进行测量。主动式星间无线电测量主要适用于几公里范围到百公里范围内的基线测量。
在没有GPS导航卫星系统的轨道，要实现星间通信测距时间同步，常采用DOWR(Dual One Way Ranging,双向单程伪距测量)体制进行双向测距，DOWR测距系统的原理，如图1所示：进行时间比对的两个卫星同一个定时时刻，相互发送时间标志，为了清晰地表达原理，该时间标志用脉冲表示。卫星1的发送定时信号，该定时信号带着发送时刻的时间戳，从该定时信号发送时刻开始，直到卫星2接收来自的定时信号结束，测量的时间间隔为T1，因为卫星2并不知道两颗星的时间差，所以该时间间隔为伪时间间隔，或称为伪距，该伪距包含两星间的时间差Δt。同理，反向时间间隔为T2。tt1，tr1，tt2，tr2分别对应两个卫星的发射接收设备时延，天线之间的信号传播时延为τ，可以得到下述测量公式：
T1＝tt1+τ+tr2+Δt (1)
T2＝tt2+τ+tr1-Δt (2)
对两个测量公式进行分离，可以解方程得到两星之间的钟差和距离：
在DOWR系统中，式(1)(2)称为测量方程，式(3)(4)称为分离方程。
上述方程中四个发射接收设备时延未知数，tt1，tr1，tt2，tr2可以通过地面标定的方法标定出来，这样就可以得到最终解算得到时差和距离。
目前国内外均有基于双向单程伪距的设计，存在地面验证不充分的问题，在地面很难模拟卫星在轨实际工况，比如几公里到几百公里的远距离、在轨温度变化、星间相对速度等条件的模拟。
发明内容
现有技术存在地面验证难的问题，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种简单易行的系统的星间通信测距时间同步的地面验证方法，具备实现简单、成本低、测试充分、测距精度高的特点。
为了实现上述目的，本发明提出了一种星间通信测距时间同步的地面验证方法，用于在地面对卫星星间通信机的星间通信、测距和时间同步功能进行静态和动态的系统充分验证，卫星之间采用主从式的组网方式，支持多址复用，包括一颗主星和多颗子星，子星之间没有通信链路；所述方法包括：
通过桌面有线测试，验证不同距离和不同信噪比下的星间通信测距和时间同步的功能及性能，测距基准值由校准过的长电缆或信道模拟器设置，测距基准值的误差为cm级；
通过高低温箱有线测试，验证不同温度下的星间通信测距和时间同步的功能及性能，测距基准值由校准过的长电缆设置，测距基准值的误差为cm级；
通过微波暗室无线测试，验证动态下的星间通信测距和时间同步的功能及性能，测距基准值为扫描架运动的距离，测距基准值的误差为mm级；
通过车载无线测试，验证高相对运动速度下的星间通信测距的功能及性能，测距基准值为GNSS接收机测量的距离，测距基准值的误差为cm级。
作为上述方法的一种改进，所述桌面有线测试包括不加入信道模拟器的测试和加入信道模拟器的测试；其中，
不加入信道模拟器的测试用于测试通信测距和时间同步功能及性能；
加入信道模拟器的测试用于测试通信和测距功能及性能。
作为上述方法的一种改进，所述桌面有线测试具体包括以下步骤：
采用校准过的长电缆或信道模拟器设置主星星间通信机与不同子星星间通信机的星间距离，作为测距基准值；
采用可调衰减器设置信道衰减；
采用通用频率计数器计算主星星间通信机与不同子星星间通信机之间的时间同步误差；
根据每个子星星间通信机测量得到的测距值与设置的测距基准值，确定距离误差；
根据时间同步误差和距离误差，完成不同距离和不同信噪比下的通信测距和时间同步的功能及性能验证。
作为上述方法的一种改进，所述信道模拟器的距离精度为cm量级，信道模拟器加在前向链路或反向链路上，并配置上下变频器以匹配信道模拟器工作的频段。
作为上述方法的一种改进，所述高低温箱有线测试具体包括：
将主星星间通信机设置在高低温箱内，多个子星星间通信机设置在高低箱外
采用校准过的长电缆设置主星星间通信机与不同子星星间通信机的星间距离，作为测距基准值；
采用可调衰减器设置信道衰减；
采用通用频率计数器分别计算主星星间通信机与不同子星星间通信机之间的时间同步误差；
将每个子星星间通信机测量得到的测距值与设置的测距基准值比较，确定对应的距离误差；
通过设置高低温箱的不同温度，得到每个设置温度下的时间同步误差和距离误差，从而完成不同温度下的星间通信测距和时间同步的功能及性能验证。
作为上述方法的一种改进，所述微波暗室无线测试具体包括：
将主星星间通信机与多个子星星间通信机均设置在微波暗室中；
将主星天线固定在地面，主星天线口径向上，多个子星天线固定在垂直扫描架活动部件的支架上，子星天线口径均向下；
采用通用频率计数器分别计算主星星间通信机与不同子星星间通信机之间的时间同步误差；
将每个子星星间通信机测量得到的测距值与扫描架活动部件的移动值进行比较，确定对应的距离误差；
通过扫描架的上下运动模拟星间的相对运动，得到每个移动值下的时间同步误差和星间距离误差，从而完成动态下的星间通信测距和时间同步的功能及性能验证。
作为上述方法的一种改进，所述扫描架的移动调节精度为mm量级，主星天线与子星天线之间的距离设置在0.5米至4.5米，对应的信噪比变化为16dB，主星天线与子星天线均采用定向喇叭天线，天线波束宽度为10°至20°。
作为上述方法的一种改进，所述车载无线测试方法具体包括：
将主星星间通信机与不同子星星间通信机分别放置在高楼顶上和汽车上；
通过设置三脚架使得主星天线和不同的子星天线的角度均对准；
使用GNSS接收机分别测试楼顶以及测距起始点P1和测距终点P2的位置，其中起始点P1较终点P2距离高楼近，P2至P1的连线经延长与高楼的高度H构成直角三角形；
根据几何关系计算得到P1至高楼顶的距离S1，P2至高楼顶的距离S2；
汽车以不同相对运动速度从P1点行驶至P2点，将每个子星星间通信机测量得到的测距值与S2进行比较，确定测距误差，从而完成高相对运动速度下的星间通信测距功能及性能验证。
作为上述方法的一种改进，所述GNSS接收机的精度为cm量级，主星天线与子星天线均采用定向中增益喇叭天线，天线波束宽度为10°至20°。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1、本发明的星间通信测距时间同步的地面验证方法从有线到无线，从静态试验到动态试验，实验方案完备，验证系统充分，具有实现简单、成本低、静态动态测试充分、测距精度高的优点；
2、本发明的一种星间通信测距时间同步的地面验证方法适用于主从式组网方式，支持多址复用，能够同时验证实现一颗主星与多颗子星之间的通信测距和时间同步功能和性能。
附图说明
图1是双向单程伪距DOWR星间测距时序原理；
图2是本发明的星间通信测距时间同步的地面验证方法的实现流程图；
图3是本发明的地面验证方法中的桌面有线测试的连接关系图；
图4是本发明的地面验证方法中的高低温箱有线测试的连接关系图；
图5是本发明的地面验证方法中的微波暗室无线测试的测试场景图；
图6是本发明的地面验证方法中的车载无线测试的测试场景图。
具体实施方式
为了实现上述目的，本发明提出了一种星间通信测距时间同步的地面验证方法，
用于在地面对星间通信测距时间同步功能进行系统的试验验证；包括桌面有线测试、高低温箱有线测试、微波暗室无线测试、车载无线测试四个试验，并且按顺序进行，能够系统充分的验证星间通信测距时间同步的静态和动态功能性能。其中桌面有线测试模拟不同距离和信噪比的工况；高低温箱测试模拟在轨不同环境温度的工况；微波暗室无线测试模拟在轨动态工况，并能够同时测试通信测距和时间同步的动态性能；车载无线测试模拟在轨高相对运动速度的工况，能够同时测试星间通信测距的动态性能。本发明的地面验证方法可用于对cm级测距误差的星间测距系统。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
实施例
如图2所示，本发明的实施例提出了星间通信测距时间同步的地面验证方法，用于在地面对星间通信测距时间同步功能进行系统的试验验证，包括桌面有线测试、高低温箱有线测试、微波暗室无线测试、车载无线测试四个试验，并且依次进行，能够系统充分的验证星间通信测距时间同步的静态和动态功能性能。其中桌面有线测试模拟不同距离和信噪比的工况；高低温箱测试模拟在轨不同环境温度的工况；微波暗室无线测试模拟在轨动态工况，并能够同时测试通信测距和时间同步的动态性能；车载无线测试模拟在轨高相对运动速度的工况，能够同时测试星间通信测距的动态性能。适用于主从式的组网方式，支持多址复用，通过地面试验同时验证实现一颗主星与多颗子星之间的通信测距和时间同步，其中子星之间没有通信链路。
1)桌面有线测试
如图3所示，为本发明的一种桌面有线测试方法的连接关系图，采用信道模拟器设置星间距离，采用可调衰减器设置信道衰减，采用通用频率计数器计算主星与各子星之间的时间同步误差；测距值与信道模拟器设置的测距值比较，确定误差。
桌面有线测试方法，可以分为加入信道模拟器和不加入信道模拟器；不加入信道模拟器可以测试通信测距和时间同步；加入信道模拟器后会对时间同步参数产生影响，只能测试通信和测距；信道模拟器加在前向链路或者反向链路一条链路上。由于用户的实际应用一般工作在射频(L，S，Ku，Ka等波段)，所以还需要配置上下变频模块来匹配信道模拟器工作的频段。系统中增加的上下变频器、信道模拟器、可调衰减器会对测距和时间同步的零值产生影响，但不会影响相对测距，可以进行多次测量，测量距离变化的差值。
桌面有线测试方法采用的计数器为是德科技的通用频率计数器53230A，时间分辨率为20ps，具有数据记录和存储功能。采用的信道模拟器为DBM公司的AE9000系列，能够有效模拟各种信号恶化(多普勒，时延，衰落，相移等)，信号的时延参数可以精确到0.1ns(0.03m)步进。当工作在动态模式时，时延的变化率范围从0.5ps/秒到20ms/秒(光速*2％)。
桌面有线测试方法中的频率计数器可以测量主星和一颗子星输出秒脉冲的时间差，若需要测量多颗子星则需要多个频率计数器同时测量。
2)高低温箱有线测试
如图4所示，为本发明的一种高低温箱测试方法的连接关系图，根据高低温箱的大小，将一个或多个星上设备置于高低温箱内，标准测试仪器位于高低箱外，通过设置高低温箱的温度对星间通信测距和时间同步进行测试。一般设备在轨工作温度为-40℃至+55℃，而测距和时间同步的性能受温度的影响很大，需要对设备在不同温度下的性能进行测试，温箱的工作温度可以设置10℃的步进工作温度。
3)微波暗室无线测试
如图5所示，为本发明的一种微波暗室无线测试方法的测试场景图，主星和子星设备通过射频电缆连接天线，将主星的天线固定在地面，子星天线固定再扫描架活动部件的支架上，通过扫描架的上下运动模拟星间的相对运动，测距值与扫描架的移动值比较，确定测距误差。微波暗室无线测试方法中扫描架的距离设置误差为mm量级，采用的扫描架的活动范围为4米，扫描速度最大为0.38m/s。主星与子星天线之间的距离设置在0.5米至4.5米时，最低处和最高处的衰减相差16dB，能够验证信噪比剧烈变化时对测距和时间同步性能的影响。
微波暗室无线测试方法可以对一主多从星进行动态的通信测距和时间同步测试，用多个频率计数器对一主多从的秒脉冲之间的偏差进行记录。微波暗室特殊的环境还可以减少地面多径效应对通信测距的影响。这种动态方法简单易行，微波暗室可以提供电源、动态扫描架，其他外场试验无法直接同时测量通信测距和时间同步三个功能。
4)车载无线测试
如图6所示，为本发明的一种车载无线测试方法的测试场景图，将主星设备放置在高楼上，子星设备放置在汽车上，主星天线和子星天线通过设置三脚架角度对准，测距值与GNSS接收机的测距值比较，确定测距误差。车载无线测试方法中GNSS接收机的误差为cm量级。主星和子星设备也可以互换位置。
车载无线测试测距的模型如图6所示，需要用GNSS接收机测试楼顶、P1、P2点的位置信息，推算出测距的起始距离S1和结束距离S2，星间测距测的是模型中的斜边。
车载无线测试方法，能验证星间相对运动加速度10m/s2对星间通信测距的影响，可以反复多次测试不同速率下的车前进和后退工况下的通信和测距功能。
在测试中发现车辆加速时通信链路会断开，经过程序修正后，通信和测距在10m/s2加速度下运行正常。
本发明中的微波暗室无线测试和车载无线测试中，主星和子星无线通信均采用定向喇叭天线，天线波束宽度建议10°～20°，天线具有一定增益。无线测试还需要进行链路计算，注意接收机的入口电平满足接收机的设计要求。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种星间通信测距时间同步的地面验证方法，用于在地面对卫星星间通信机的星间通信、测距和时间同步功能进行静态和动态的系统充分验证，卫星之间采用主从式的组网方式，支持多址复用，包括一颗主星和多颗子星，子星之间无通信链路；所述方法包括：
通过桌面有线测试，验证不同距离和不同信噪比下的星间通信测距和时间同步的功能及性能，测距基准值由校准过的长电缆或信道模拟器设置，测距基准值的误差为cm级；
通过高低温箱有线测试，验证不同温度下的星间通信测距和时间同步的功能及性能，测距基准值由校准过的长电缆设置，测距基准值的误差为cm级；
通过微波暗室无线测试，验证动态下的星间通信测距和时间同步的功能及性能，测距基准值为扫描架运动的距离，测距基准值的误差为mm级；
通过车载无线测试，验证高相对运动速度下的星间通信测距的功能及性能，测距基准值为GNSS接收机测量的距离，测距基准值的误差为cm级；
所述桌面有线测试包括不加入信道模拟器的测试和加入信道模拟器的测试；其中，
不加入信道模拟器的测试用于测试通信测距和时间同步功能及性能；
加入信道模拟器的测试用于测试通信和测距功能及性能；
所述桌面有线测试具体包括以下步骤：
采用校准过的长电缆或信道模拟器设置主星星间通信机与不同子星星间通信机的星间距离，作为测距基准值；
采用可调衰减器设置信道衰减；
采用通用频率计数器计算主星星间通信机与不同子星星间通信机之间的时间同步误差；
根据每个子星星间通信机测量得到的测距值与设置的测距基准值，确定距离误差；
根据时间同步误差和距离误差，完成不同距离和不同信噪比下的通信测距和时间同步的功能及性能验证；
所述信道模拟器的距离精度为cm量级，信道模拟器加在前向链路或反向链路上，并配置上下变频器以匹配信道模拟器工作的频段。
2.根据权利要求1所述的星间通信测距时间同步的地面验证方法，其特征在于，所述高低温箱有线测试具体包括：
将主星星间通信机设置在高低温箱内，多个子星星间通信机设置在高低箱外；
采用校准过的长电缆设置主星星间通信机与不同子星星间通信机的星间距离，作为测距基准值；
采用可调衰减器设置信道衰减；
采用通用频率计数器分别计算主星星间通信机与不同子星星间通信机之间的时间同步误差；
将每个子星星间通信机测量得到的测距值与设置的测距基准值比较，确定对应的距离误差；
通过设置高低温箱的不同温度，得到每个设置温度下的时间同步误差和距离误差，从而完成不同温度下的星间通信测距和时间同步的功能及性能验证。
3.根据权利要求1所述的星间通信测距时间同步的地面验证方法，其特征在于，所述微波暗室无线测试具体包括：
将主星星间通信机与多个子星星间通信机均设置在微波暗室中；
将主星天线固定在地面，主星天线口径向上，多个子星天线固定在垂直扫描架活动部件的支架上，子星天线口径均向下；
采用通用频率计数器分别计算主星星间通信机与不同子星星间通信机之间的时间同步误差；
将每个子星星间通信机测量得到的测距值与扫描架活动部件的移动值进行比较，确定对应的距离误差；
通过扫描架的上下运动模拟星间的相对运动，得到每个移动值下的时间同步误差和星间距离误差，从而完成动态下的星间通信测距和时间同步的功能及性能验证。
4.根据权利要求3所述的星间通信测距时间同步的地面验证方法，其特征在于，所述扫描架的移动调节精度为mm量级，主星天线与子星天线之间的距离设置在0.5米至4.5米，对应的信噪比变化为16dB，主星天线与子星天线均采用定向喇叭天线，天线波束宽度为10°至20°。
5.根据权利要求1所述的星间通信测距时间同步的地面验证方法，其特征在于，所述车载无线测试方法具体包括：
将主星星间通信机与不同子星星间通信机分别放置在高楼顶上和汽车上；
通过设置三脚架使得主星天线和不同的子星天线的角度均对准；
使用GNSS接收机分别测试楼顶以及测距起始点P1和测距终点P2的位置，其中起始点P1较终点P2距离高楼近，P2至P1的连线经延长与高楼的高度H构成直角三角形；
根据几何关系计算得到P1至高楼顶的距离S1，P2至高楼顶的距离S2；
汽车以不同相对运动速度从P1点行驶至P2点，将每个子星星间通信机测量得到的测距值与S2进行比较，确定测距误差，从而完成高相对运动速度下的星间通信测距功能及性能验证。
6.根据权利要求5所述的星间通信测距时间同步的地面验证方法，其特征在于，所述GNSS接收机的精度为cm量级，主星天线与子星天线均采用定向中增益喇叭天线，天线波束宽度为10°至20°。
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