CN115561741A - 一种适用于云测控架构的测距方法 - Google Patents

一种适用于云测控架构的测距方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于云测控架构的测距方法，包括以下步骤：S1、云基带基于基带上行伪码时间生成基带上行采样基准时间并送至射频前端；S2、射频前端基于基带上行采样基准时间生成与基带上行伪码时间同步的射频前端上行伪码时间；S3、射频前端基于射频前端上行伪码时间生成射频前端下行采样基准时间并送至云基带；S4、云基带经过下行基带接收信号处理得到下行帧头位置和下行测量帧；S5、云基带根据测距公式计算距离测量值。本发明通过在射频前端维护一个与基带同步的上行伪码时间，保证了上行和下行采样基准的一致性。最终实现了与网络传输和云基带处理时延无关的确定性测距参数提取，减少了系统误差，保证了云测控架构下的测距性能。

Description

一种适用于云测控架构的测距方法
技术领域
本发明涉及航天测控技术领域，具体涉及一种适用于云测控架构的测距方法。
背景技术
航天测控地面系统架构正朝着以网络化和虚拟化技术为基础的云测控架构发展。在云测控架构下，测控基带处理软件部署在由通用服务器构建的云平台上，称作云基带，射频前端与云基带通过网络接口进行数字信号的收发。相较于以专用基带处理和射频电缆连接为特征的传统测控架构，云测控架构可以实现航天测控站资源的高效共享、动态调度和弹性伸缩，进而有利于降低航天测控站的建设和维护成本、提升运营效率、增强系统可靠性。
然而，作为测控系统主要功能之一的测距功能在云测控架构下的实现却面临着巨大挑战。主流的扩频测距体制下，测距功能通过测量星地空口传输时延进行距离测量，但直接计算得到的时延值中不只包含空口传输时延，还包含了信号处理与传输引入的额外时延，从而带来系统误差。传统测控架构下，这部分额外时延短期内为固定值，一般通过距离标校的方式即可对其进行剔除，从而得到真实的空口传输时延。在云测控架构下，网络传输时延将随网络负载变化而动态变化，同时，由于指令调度、部署迁移等原因，基于云平台的软件信号处理也存在随机的时延变化。若采用传统的测距实现方法，所有测控基带处理过程均在云基带上实现，则这些动态和随机的时延将包含在测距结果中，导致测距值随机抖动。同时，由于时延变化的动态性，通过距离标校剔除系统误差的方法将不再适用，系统测距性能将无法得到保证。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种适用于云测控架构的测距方法，解决了网络传输和云基带处理引入的距离值抖动的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种适用于云测控架构的测距方法，包括以下步骤：
S1、云基带调制器以基带上行伪码时间生成单元输出的基带上行伪码时间为基准 产生上行测量信号，将上行测量帧头对应的基带上行伪码时间记录为上行帧头采样时间
Figure 872340DEST_PATH_IMAGE001
，将上行测量信号以L个采样点为单位进行分段，每段上行测量信号和基带上行采样基 准时间一起组包为上行网络数据包，组包后的上行网络数据包通过网络协议处理后输出至 射频前端；
所述基带上行采样基准时间为该段上行测量信号第一个采样点时刻对应的基带上行伪码时间；
S2、射频前端经过网络协议处理得到上行网络数据包，将上行网络数据包经过拆包得到上行测量信号和基带上行采样基准时间，射频前端上行伪码时间生成单元基于基带上行采样基准时间在本地生成一个与基带上行伪码时间同步的射频前端上行伪码时间，上行测量信号经上行射频处理后输出上行射频信号；
S3、射频前端接收下行射频信号后经过下行射频处理得到下行测量信号，将下行测量信号以N个采样点为单位进行分段，每段下行测量信号和射频前端下行采样基准时间一起组包为下行网络数据包，组包后的下行网络数据包通过网络协议处理后输至云基带；
所述射频前端下行采样基准时间为该段下行测量信号第一个采样点时刻对应的射频前端上行伪码时间；
S4、云基带经过网络协议处理得到下行网络数据包，下行网络数据包经过拆包得到下行测量信号和射频前端下行采样基准时间，下行测量信号经过下行基带接收信号处理得到下行帧头位置和下行测量帧；
S5、云基带测距单元计算下行帧头位置在该段下行测量信号中的位置偏移
Figure 108150DEST_PATH_IMAGE002
，提 取下行帧头所在下行网络数据包中射频前端下行采样基准时间
Figure 118831DEST_PATH_IMAGE003
，计算得到下行帧头采 样时间
Figure 149104DEST_PATH_IMAGE004
，结合上行帧头采样时间
Figure 313412DEST_PATH_IMAGE005
以及下行测量帧中读取的星上测量参 数
Figure 25016DEST_PATH_IMAGE006
，根据测距计算公式计算距离测量值R。
进一步地：所述云基带功能部署在通用处理器上，所述射频前端功能部署在专用处理器上，如FPGA。
进一步地：所述基带上行伪码时间和射频前端上行伪码时间均基于直接数字频率 合成(Direct Digital Synthesis，简称DDS)原理生成，DDS相位控制字
Figure 890204DEST_PATH_IMAGE007
的 计算公式为
Figure 91378DEST_PATH_IMAGE008
；其中，
Figure 674806DEST_PATH_IMAGE009
为上行伪码速率，
Figure 986839DEST_PATH_IMAGE010
为采样率，所述基 带上行伪码时间的DDS初相为0，所述射频前端上行伪码时间的DDS初相为当前接收上行网 络数据包得到的基带上行采样基准时间中的伪码相位值。
进一步地：所述上行网络数据包和下行网络数据包均包含32字节数据包首部、P字节数据域字段和4字节数据包校验位。
进一步地：所述上行射频处理步骤为变频、滤波和放大，所述下行射频处理步骤为放大、滤波和变频。
进一步地：所述下行基带接收信号处理步骤为捕获、码跟踪、载波跟踪、位同步和帧同步。
进一步地：所述距离测量值R的计算公式为：
Figure 34429DEST_PATH_IMAGE011
上式中，上式中，
Figure 468822DEST_PATH_IMAGE012
为下行帧头采样时间和上行帧头采样时间的差值，
Figure 539546DEST_PATH_IMAGE013
， c为光速，
Figure 655269DEST_PATH_IMAGE014
为上行伪码速率。
本发明的有益效果为：本发明通过在射频前端进行下行采样时间的提取，规避了网络传输和云基带处理的时延抖动影响；本发明通过在射频前端维护一个与基带上行伪码时间同步的射频前端上行伪码时间，保证了上行和下行采样时间基准的一致性。最终实现了与网络传输和云基带处理时延无关的确定性测距参数提取，减少了系统误差，保证了云测控架构下的测距性能。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为本发明地面测距参数提取示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种适用于云测控架构的测距方法，包括以下步骤：
步骤1：云基带调制器以基带上行伪码时间生成单元输出的基带上行伪码时间为 基准产生上行测量信号。将上行测量帧头对应的基带上行伪码时间记录为上行帧头采样时 间
Figure 495049DEST_PATH_IMAGE015
。上行测量信号以L个采样点为单位进行分段，每段上行测量信号和基带上行采样基 准时间一起组包为上行网络数据包。其中，基带上行采样基准时间即为该段上行测量信号 第一个采样点时刻对应的基带上行伪码时间。组包后的上行网络数据包通过网络协议处理 后输出至射频前端。
基带上行伪码时间的一种产生方式为：基带上行伪码时间基于直接数字频率合成 （DDS）原理生成，归一化DDS相位控制字为
Figure 38026DEST_PATH_IMAGE016
，其中，
Figure 330467DEST_PATH_IMAGE017
为上行伪 码速率，
Figure 249882DEST_PATH_IMAGE018
为采样率。DDS初相为0。
上行网络数据包的一种格式为：数据包字段包含32字节数据包首部，具体内容如表1所示，P字节数据域字段（包括上行测量信号的L个采样点的，每个采样点由2字节I路数据和2字节Q路数据表示），4字节数据包校验位。
Figure 6485DEST_PATH_IMAGE019
步骤2：射频前端经过网络协议处理得到上行网络数据包。上行网络数据包经过拆包得到上行测量信号和基带上行采样基准时间。射频前端上行伪码时间生成单元基于基带上行采样基准时间在本地生成一个与基带上行伪码时间同步的射频前端上行伪码时间。上行测量信号经变频、滤波、放大等上行射频处理后输出上行射频信号。
射频前端上行伪码时间的一种生成方式为：射频前端上行伪码时间基于DDS原理 生成，归一化DDS相位控制字为
Figure 658046DEST_PATH_IMAGE020
，其中，
Figure 703363DEST_PATH_IMAGE021
为上行伪码速率，
Figure 160889DEST_PATH_IMAGE022
为采样率。DDS初相为当前接收上行网络数据包得到的基带上行采样基准时间中的伪码 相位值。
步骤3：射频前端接收下行射频信号后经放大、滤波、变频等下行射频处理得到下行测量信号。下行测量信号以N个采样点为单位进行分段，每段下行测量信号和射频前端下行采样基准时间一起组包为下行网络数据包。其中，射频前端下行采样基准时间即为该段下行测量信号第一个采样点时刻对应的射频前端上行伪码时间。组包后的下行网络数据包通过网络协议处理后输出至云基带。
下行网络数据包的一种格式为：数据包字段包含32字节数据包首部，具体内容见表2，Q字节数据域字段（包括上行测量信号的N个采样点，每个采样点由2字节I路数据和2字节Q路数据表示），4字节数据包校验位。
Figure 709682DEST_PATH_IMAGE023
步骤4：云基带经过网络协议处理得到下行网络数据包。下行网络数据包经过拆包得到下行测量信号和射频前端下行采样基准时间。下行测量信号经捕获、码跟踪、载波跟踪、位同步和帧同步等下行基带接收信号处理得到下行帧头位置和下行测量帧。
步骤5：云基带测距单元首先计算下行帧头位置在该段下行测量信号中的位置偏 移
Figure 860041DEST_PATH_IMAGE024
，提取下行帧头所在下行网络数据包中射频前端下行采样基准时间
Figure 127074DEST_PATH_IMAGE025
。计算得到下 行帧头采样时间
Figure 388291DEST_PATH_IMAGE026
。然后结合上行帧头采样时间
Figure 791590DEST_PATH_IMAGE027
以及下行测量帧中读取 的星上测量参数
Figure 112850DEST_PATH_IMAGE028
，根据测距计算公式计算距离测量值R。具体计算公式如下：
Figure 929497DEST_PATH_IMAGE029
上式中，
Figure 666508DEST_PATH_IMAGE030
，c为光速。
步骤5中用于计算距离测量值的地面测距参数提取示意图如图2所示。
所述云基带功能部署在通用处理器，所述射频前端功能部署在专用处理器，如FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列）。
本发明测距方法将下行采样时间锁定在射频前端处，避免了云测控系统网络传输时延和基带软件处理时延的干扰，实现了确定性测距参数提取。

Claims (7)

1.一种适用于云测控架构的测距方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、云基带调制器以基带上行伪码时间生成单元输出的基带上行伪码时间为基准产生 上行测量信号，将上行测量帧头对应的基带上行伪码时间记录为上行帧头采样时间
Figure 983809DEST_PATH_IMAGE001
， 将上行测量信号以L个采样点为单位进行分段，每段上行测量信号和基带上行采样基准时 间一起组包为上行网络数据包，组包后的上行网络数据包通过网络协议处理后输出至射频 前端；
所述基带上行采样基准时间为该段上行测量信号第一个采样点时刻对应的基带上行伪码时间；
S2、射频前端经过网络协议处理得到上行网络数据包，将上行网络数据包经过拆包得到上行测量信号和基带上行采样基准时间，射频前端上行伪码时间生成单元基于基带上行采样基准时间在本地生成一个与基带上行伪码时间同步的射频前端上行伪码时间，上行测量信号经上行射频处理后输出上行射频信号；
S3、射频前端接收下行射频信号后经过下行射频处理得到下行测量信号，将下行测量信号以N个采样点为单位进行分段，每段下行测量信号和射频前端下行采样基准时间一起组包为下行网络数据包，组包后的下行网络数据包通过网络协议处理后输至云基带；
所述射频前端下行采样基准时间为该段下行测量信号第一个采样点时刻对应的射频前端上行伪码时间；
S4、云基带经过网络协议处理得到下行网络数据包，下行网络数据包经过拆包得到下行测量信号和射频前端下行采样基准时间，下行测量信号经过下行基带接收信号处理得到下行帧头位置和下行测量帧；
S5、云基带测距单元计算下行帧头位置在该段下行测量信号中的位置偏移
Figure 208117DEST_PATH_IMAGE002
，提取下 行帧头所在下行网络数据包中射频前端下行采样基准时间
Figure 331930DEST_PATH_IMAGE003
，计算得到下行帧头采样时 间
Figure 616281DEST_PATH_IMAGE004
，结合上行帧头采样时间
Figure 91125DEST_PATH_IMAGE005
、上行伪码速率
Figure 119124DEST_PATH_IMAGE006
、下行帧头采样时间
Figure 363023DEST_PATH_IMAGE007
以及下行测量帧中读取的星上测量参数
Figure 632591DEST_PATH_IMAGE008
，根据测距计算公式计算距离测量值R。
2.根据权利要求1所述的适用于云测控架构的测距方法，其特征在于，所述云基带功能部署在通用处理器上，所述射频前端功能部署在专用处理器上。
3.根据权利要求1所述的适用于云测控架构的测距方法，其特征在于，所述基带上行伪 码时间和射频前端上行伪码时间均基于DDS原理生成，DDS相位控制字
Figure 532414DEST_PATH_IMAGE009
的 计算公式为
Figure 98525DEST_PATH_IMAGE010
；其中，
Figure 462510DEST_PATH_IMAGE011
为上行伪码速率，
Figure 823084DEST_PATH_IMAGE012
为采样率，所述基 带上行伪码时间的DDS初相为0，所述射频前端上行伪码时间的DDS初相为当前接收上行网 络数据包得到的基带上行采样基准时间中的伪码相位值。
4.根据权利要求1所述的适用于云测控架构的测距方法，其特征在于，所述上行网络数据包和下行网络数据包均包含32字节数据包首部、Q字节数据域字段和4字节数据包校验位。
5.根据权利要求1所述的适用于云测控架构的测距方法，其特征在于，所述上行射频处理步骤为变频、滤波和放大，所述下行射频处理步骤为放大、滤波和变频。
6.根据权利要求1所述的适用于云测控架构的测距方法，其特征在于，所述下行基带接收信号处理步骤为捕获、码跟踪、载波跟踪、位同步和帧同步。
7.根据权利要求1所述的适用于云测控架构的测距方法，其特征在于，所述测距计算公式为：
Figure 272520DEST_PATH_IMAGE013
上式中，
Figure 704638DEST_PATH_IMAGE014
为下行帧头采样时间和上行帧头采样时间的差值，
Figure 595234DEST_PATH_IMAGE015
，c为 光速，
Figure 454605DEST_PATH_IMAGE011
为上行伪码速率。
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