吳有杏，叢 波，梁 盛，段慶光

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰214431)

1 引言

非相干擴頻技術由于在利用信道容量、無模糊距離以及碼分多址等方面具有顯著優(yōu)點[1－2]，已經(jīng)在航天測控領域逐漸應用起來。它改變了過去單站測單目標的單一模式，可靈活配置以實現(xiàn)多站測單目標和單站測多目標等多種模式。

“北斗”衛(wèi)星系統(tǒng)采用了高精度銣鐘單元[3]，且應用了時鐘馴服電路[4]，使得衛(wèi)星時鐘準確度具有了較高的精度。但是某些小型衛(wèi)星，基于空間及負載的考慮，其載波頻率準確度設計要求提得很低且沒有校準功能，衛(wèi)星時鐘精度往往比地面設備的相應指標要低4～6個數(shù)量級。時鐘頻率準確度是衛(wèi)星系統(tǒng)的一個重要指標，對于在軌小衛(wèi)星系統(tǒng)，可以通過測量星地頻差來獲取衛(wèi)星應答機的載波頻率準確度。但由于星地頻差的測量是基于測速積分公式得到的，其測量值受星地時鐘短穩(wěn)及其他因素影響較大。

本文針對非相干擴頻偽碼測距的特點，對下行測量幀原始數(shù)據(jù)和實測距離進行數(shù)據(jù)分析，對衛(wèi)星應答機下行測量幀幀周期進行計算，而下行測量幀幀頻與載波頻率共源，因而可以計算出衛(wèi)星應答機的時鐘準確度。由于該數(shù)據(jù)分析是通過整個測量周期進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，從數(shù)據(jù)變化的趨勢來推算衛(wèi)星時鐘頻率的準確度，測量精度較高。

2 非相干擴頻測距原理[5]

非相干擴頻測距，測距通過雙向測偽距實現(xiàn)。上、下行信號采用測量幀結(jié)構(gòu)，下行測量幀調(diào)制應答機狀態(tài)信息、星上時間、偽距及偽多普勒測量信息等。圖1為非相干擴頻測距時序示意圖。

圖1 非相干擴頻測距示意圖Fig.1 The principle of uncoherent spread spectrum ranging

系統(tǒng)完成捕獲、穩(wěn)定跟蹤后，T1時刻，地面站測距幀(含幀信息)編幀擴頻后發(fā)射。衛(wèi)星接收到上行信號后進行解擴、解調(diào)、幀同步，T2時刻為完成幀同步時刻。T3時刻衛(wèi)星利用自身形成的下行測距信息幀同步(后沿)對接收到的上行信號采樣，提取幀內(nèi)位計數(shù)、擴頻偽碼周期計數(shù)、偽碼相位、偽碼NCO相位等測量信息，將這些采樣信息實時放入下行測量幀送至地面。所得到的上述采樣值實際上就是利用星上時鐘對上行測量幀幀頭到達時刻至下行測量幀幀頭發(fā)出時刻之間的時延量，設為τ's，則星上所形成的偽距值為

地面接收到下行信號后進行解擴、解調(diào)、幀同步提取得到下行測量幀同步信號，再利用提取的下行幀同步后沿對自身形成的上行信號進行采樣，提取幀計數(shù)、幀內(nèi)位計數(shù)、擴頻偽碼周期計數(shù)、偽碼相位、偽碼NCO相位等測量信息，該時刻為T4。所得到的上述采樣值實際上就是利用地面時鐘對上行測量幀幀頭發(fā)出時刻至下行測量幀幀頭到達時刻之間的時延量，設為τg，則地面所形成的偽距值為

現(xiàn)有測控體制中，在不考慮衛(wèi)星和地面時鐘不準帶來的系統(tǒng)誤差的情況下，利用公式(1)、(2)可得到星地實測距離值R:

其中，Rzero為衛(wèi)星和地面設備通過標校得到的設備零值。

3 基于星地幀周期固定差統(tǒng)計的衛(wèi)星時鐘準確度測量方法

圖2所示為星地幀周期對應示意圖。上行測量幀從Ti時刻發(fā)出，衛(wèi)星收到上行測量幀隔一段時間后，在T'i時刻發(fā)出下行測量幀。ΔTi為Ti時刻到T'i時刻之間的時間間隔。

圖2 非相干擴頻測距星地時序示意圖Fig.2 The timing sequence of uncoherent spread spectrum ranging

若在星地均處于靜態(tài)條件下，且不考慮星地時鐘的差異、地球自轉(zhuǎn)和目標運動引起的雙向傳輸時延不對稱等因素，則ΔTi為一常量，是星地空間單向傳輸時延與星上提取的時延量之和。但是在實際工作中，地面站設備時鐘采用的是原子鐘，其精度往往比衛(wèi)星時鐘精度高4～6個數(shù)量級，因此在后面的分析中均以地面站設備時鐘為基準，即地面站上行測量幀幀周期為嚴格的0.5 s，不考慮地面時鐘準確度帶來的影響。設星上時鐘準確度為σs，從圖2所示可得

其中，(T'i+1－T'i)為衛(wèi)星下行測量幀幀周期，設為T';(Ti+1－Ti)為地面站設備上行測量幀幀周期，設為T，則

由式(5)可知，每一幀比前一幀，ΔTi要遞增T×σs。從地面接收第1個下行測量幀開始一直到接收到第i+1個下行測量幀:

從圖2可以看出，ΔTi由兩個時延量組成，一個是上行單向時延(星上設備解調(diào)時延為一常量，在計算中不予考慮)，另一個為衛(wèi)星收到上行測量幀到發(fā)出下行測量幀之間的時延量。

當樣本量足夠大，即測控時間足夠長，從數(shù)據(jù)統(tǒng)計的角度考慮可忽略地球自轉(zhuǎn)和目標運動引起的雙向傳輸時延不對稱的因素，對式(6)進行演變，并由此可以推導出衛(wèi)星時鐘頻率準確度:

其中，Ri+1為第i+1幀實測距離;R's(i+1)為第i+1幀星上偽距;c為光速;T為地面站上行測量幀幀周期，且 T=0.5 s。

4 實例數(shù)據(jù)解算驗證

為了對基于星地幀周期固定差統(tǒng)計的衛(wèi)星時鐘準確度測量方法進行解算驗證，同時對兩顆在相同軌道上的小衛(wèi)星進行了非相干擴頻跟蹤測距試驗。在以下表述中，對兩顆小衛(wèi)星分別命名為衛(wèi)星1和衛(wèi)星2。

由于地面站沒有下行測量幀數(shù)據(jù)分析工具，為此編寫了下行測量幀數(shù)據(jù)處理軟件和畫圖工具，便于對星上偽距值進行解析。

4.1 基于下行測量幀解析工具的星上偽距獲取方法

地面接收到的下行測量幀中星上偽距信息包括:幀內(nèi)位計數(shù)(BitCntPN')、擴頻偽碼周期計數(shù)(PrdCnt')、偽碼相位(PNPhase')、偽碼 NCO相位(NcoPhase')等測量信息。為獲取直觀有效的星上偽距值，第一步需要解決的是對下行測量幀數(shù)據(jù)進行遙測解調(diào)并本地存盤，可通過地面基帶設備遙測通道予以完成;第二步，編制下行測量幀解析工具，對下行測量幀存盤原始數(shù)據(jù)中的二進制代碼進行格式分析并轉(zhuǎn)換。圖3為下行測量幀解析工具界面示意圖。

圖3 下行測量幀解析工具界面Fig.3 The ranging frame analysis tool

根據(jù)非相干擴頻測量幀格式及偽距轉(zhuǎn)換公式(10)將每幀的星上偽距予以轉(zhuǎn)換并本地存盤，以供后續(xù)的衛(wèi)星時鐘頻率準確度解算使用。

其中，PrdNum為1個數(shù)據(jù)位內(nèi)調(diào)制的偽碼周期數(shù);PNLen為偽碼長度;PNRate為偽碼速率;c為光速，取值為 2.997 924 58×108m/s。

4.2 衛(wèi)星時鐘頻率準確度的解算

圖4為衛(wèi)星1和衛(wèi)星2星地實測距離示意圖，圖5為衛(wèi)星1和衛(wèi)星2星上偽距數(shù)據(jù)處理結(jié)果示意圖，圖6為兩顆衛(wèi)星的實測距離與星上偽距求和的示意圖。

圖4 衛(wèi)星1、衛(wèi)星2實測距離示意圖Fig.4 The real ranging of satellite 1 and 2 from the earth

圖5 衛(wèi)星1、衛(wèi)星2星上偽距示意圖Fig.5 The pseudo range of satellite 1 and 2

圖6 實測距離與星上偽距數(shù)據(jù)分析Fig.6 The pseudo range and real ranging data analysis

從圖6可以看出，兩顆衛(wèi)星實測距離與星上偽距求和之后，隨著時間或測量幀的累積，其實測距離與星上偽距之和也在遞增，且遞增速度衡定不變。這也充分驗證了式(7)的正確性。

將圖6所示的數(shù)據(jù)代入式(9)，可得到衛(wèi)星1和衛(wèi)星2應答機時鐘頻率準確度的精確測量值。

在后續(xù)不同的時間對這兩顆衛(wèi)星分時、分段進行了測距試驗，并進行了同樣處理，結(jié)果與本次處理結(jié)果一致。

5 結(jié)束語

采用基于星地幀周期固定差統(tǒng)計的衛(wèi)星時鐘準確度計算分析方法對在軌非相干擴頻衛(wèi)星進行時鐘準確度的測量，方法簡單易行，精度較高，不同衛(wèi)星測量結(jié)果一致。該方法一方面可以對在軌衛(wèi)星時鐘的健康狀態(tài)進行監(jiān)測，另一方面還可以根據(jù)計算結(jié)果對部分數(shù)據(jù)進行精確的量化分析，有較高的實用價值。下一步研究方向為非相干擴頻測控系統(tǒng)星地測量誤差分離技術。

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