王俊峰， 張金榮

(北京跟蹤與通信技術(shù)研究所 北京 100094)

基于PCM-FM遙測(cè)信號(hào)的多站時(shí)差定位技術(shù)應(yīng)用研究?

王俊峰， 張金榮

(北京跟蹤與通信技術(shù)研究所 北京 100094)

針對(duì)飛行目標(biāo)回收測(cè)量問題，首先介紹基于PCM-FM遙測(cè)信號(hào)的多站時(shí)差定位原理，設(shè)計(jì)一種采用“單星共視授時(shí)、遙測(cè)幀同步信號(hào)采樣本地時(shí)間、多站時(shí)差(距離差)定位解算”技術(shù)的定位系統(tǒng)；然后闡述其關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)距離差測(cè)量精度進(jìn)行分析和估算；最后結(jié)合工程實(shí)踐，給出試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)。

PCM-FM遙測(cè)信號(hào)； 單星共視授時(shí)； 多站時(shí)差定位； 測(cè)量精度

引 言

目前，在航天試驗(yàn)任務(wù)中，目標(biāo)的飛行軌跡測(cè)量主要依靠雷達(dá)和光學(xué)設(shè)備。雷達(dá)規(guī)模較大，研制經(jīng)費(fèi)較高，且機(jī)動(dòng)性較差，布站要求高，難以靈活布設(shè)；而光學(xué)設(shè)備易受云、沙塵等氣候條件影響，且視場(chǎng)范圍相對(duì)較小，目標(biāo)丟失重捕困難。因此，對(duì)于試驗(yàn)場(chǎng)落區(qū)目標(biāo)末端測(cè)量，以雷達(dá)和光學(xué)設(shè)備為主的傳統(tǒng)測(cè)量手段受到不同程度制約，需要一套具有覆蓋范圍廣、捕獲信號(hào)快、定位簡(jiǎn)單、布置快捷等特點(diǎn)的新型測(cè)量系統(tǒng)。

多站時(shí)差定位系統(tǒng)利用目標(biāo)發(fā)射信號(hào)到達(dá)不同地面站的時(shí)間差解算出目標(biāo)位置。目前，關(guān)于多站時(shí)差定位技術(shù)，已有大量的研究成果[1，2]，基于擴(kuò)頻信號(hào)的多站時(shí)差定位技術(shù)已經(jīng)得到實(shí)際應(yīng)用[3，4]?？紤]到試驗(yàn)過程中目標(biāo)一般都發(fā)射PCM-FM遙測(cè)信號(hào)，本文設(shè)計(jì)一種基于PCM-FM遙測(cè)信號(hào)的多站時(shí)差定位系統(tǒng)，利用遙測(cè)幀同步信號(hào)對(duì)本地時(shí)間進(jìn)行采樣，得到同一幀遙測(cè)信號(hào)到達(dá)不同地面站的時(shí)間差，從而解算出目標(biāo)位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的外測(cè)功能。該系統(tǒng)可進(jìn)一步增強(qiáng)目標(biāo)回收測(cè)量能力，提高目標(biāo)返回段跟蹤測(cè)量精度，提升我國(guó)試驗(yàn)場(chǎng)測(cè)控水平。

1 時(shí)差定位測(cè)量基本原理

利用目標(biāo)下行遙測(cè)信號(hào)實(shí)現(xiàn)時(shí)差定位測(cè)量需多套(4套以上)地面接收站，且各站位置已知。利用各站接收到目標(biāo)遙測(cè)信號(hào)的同一幀數(shù)據(jù)的幀同步到達(dá)時(shí)間，以其中一站收到的時(shí)間為基準(zhǔn)，比較其余各站與基準(zhǔn)站的到達(dá)時(shí)間差來進(jìn)行目標(biāo)定位，具體定位原理如下。

無線電信號(hào)到達(dá)時(shí)差定位又稱為雙曲線定位。它是通過處理多個(gè)測(cè)量站采集到的同一信號(hào)到達(dá)時(shí)間差來對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位的。具體實(shí)現(xiàn)過程中，可以通過測(cè)量目標(biāo)發(fā)射遙測(cè)信號(hào)的某一標(biāo)識(shí)(如幀同步信號(hào))到達(dá)各站的時(shí)間差來進(jìn)行定位，通過單向測(cè)時(shí)，可得到如下一組單程到達(dá)時(shí)間與距離ri(i＝1，2，3，…N)的關(guān)系方程組

式中，ti為信號(hào)到達(dá)各測(cè)量站的時(shí)間，T0為目標(biāo)發(fā)射信號(hào)的時(shí)間，ri為目標(biāo)與第i個(gè)測(cè)量站之間的距離，c為信號(hào)傳播速度(即光速)。

設(shè)第i個(gè)測(cè)量站位置(xi，yi，zi)已知，目標(biāo)位置為(xt，yt，zt)，則可得出

為了消去共同分量T0，可以用距離差列出一組時(shí)間差測(cè)量方程。假設(shè)第一套站為測(cè)量基準(zhǔn)站，可得

將式(2)代入式(3)，可得

在各測(cè)量站位置(xi，yi，zi)已知，并且至少測(cè)得3個(gè)時(shí)間差的情況下，通過解上述方程組可得目標(biāo)位置(xt，yt，zt)。

利用測(cè)量得到的多個(gè)目標(biāo)位置信息(xt，yt，zt)，進(jìn)行相應(yīng)的曲線擬合，可得到目標(biāo)飛行軌跡，直至遙測(cè)信號(hào)消失。在對(duì)返回目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量過程中，可在信號(hào)消失后，根據(jù)目標(biāo)飛行軌跡進(jìn)行一定時(shí)間的外推，進(jìn)而預(yù)報(bào)返回目標(biāo)的落點(diǎn)。

2 實(shí)現(xiàn)方案

時(shí)差定位測(cè)量系統(tǒng)是利用時(shí)間差來實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行目標(biāo)的定位測(cè)量。系統(tǒng)需要4個(gè)以上(含4個(gè))測(cè)量站和1個(gè)數(shù)據(jù)處理終端。根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)地形條件、目標(biāo)飛行軌道特點(diǎn)和目標(biāo)天線的不同，可適當(dāng)?shù)卦黾訙y(cè)量站，以提高系統(tǒng)的可靠性和測(cè)量精度。每個(gè)測(cè)量站接收目標(biāo)發(fā)出的PCM-FM遙測(cè)信號(hào)，經(jīng)過接收解調(diào)后，得到遙測(cè)幀(子幀)同步信號(hào)，并測(cè)量幀(子幀)同步信號(hào)到達(dá)時(shí)間，再將測(cè)得的時(shí)間數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)處理終端；數(shù)據(jù)處理終端利用各站送來的遙測(cè)幀(子幀)同步到達(dá)時(shí)間，以某一測(cè)量站為基準(zhǔn)，求出同一遙測(cè)幀(子幀)同步信號(hào)到達(dá)其它各站與基準(zhǔn)站的時(shí)間差，從而算出目標(biāo)到達(dá)各站的距離差，再利用該距離差解算出目標(biāo)位置。系統(tǒng)組成原理如圖1所示。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 時(shí)間同步

為了精確測(cè)量同一幀(子幀)遙測(cè)數(shù)據(jù)到達(dá)各測(cè)量站的時(shí)間差，各測(cè)量站之間必須高精度時(shí)間同步，否則，各測(cè)量站之間的時(shí)間同步誤差會(huì)對(duì)測(cè)量精度帶來較大影響。為保證各測(cè)量站時(shí)間同步，各測(cè)量站需配備高精度授時(shí)分系統(tǒng)，在測(cè)量站布站基線小于150km時(shí)，可采用“單星共視授時(shí)技術(shù)”，利用授時(shí)型GPS接收機(jī)送出的時(shí)間信息作為各站的時(shí)間基準(zhǔn)，使各站的秒以上數(shù)字鐘同步到GPS時(shí)間上，同時(shí)利用GPS接收機(jī)送出的1PPS秒脈沖信號(hào)作為同步信號(hào)，同步本地秒以下數(shù)字鐘，使各測(cè)量站的時(shí)鐘都同步到GPS時(shí)間上，保證各站時(shí)間同步。當(dāng)測(cè)量站布站基線較長(zhǎng)時(shí)，可采用雙向時(shí)間比對(duì)授時(shí)法，其站間授時(shí)誤差可達(dá)納秒級(jí)[5]。本文主要討論布站基線長(zhǎng)度小于150km的情況，而對(duì)于基線長(zhǎng)度大于150km的情況，請(qǐng)參考相關(guān)資料。

3.2 采樣信號(hào)同步

飛行目標(biāo)下行遙測(cè)幀(子幀)同步信號(hào)具有周期性，為精確完成時(shí)差定位解算，數(shù)據(jù)處理終端處理的多個(gè)時(shí)間信息必須是同一個(gè)遙測(cè)幀(子幀)同步信號(hào)的采樣時(shí)間，否則會(huì)產(chǎn)生時(shí)間模糊問題，導(dǎo)致計(jì)算得出的定位結(jié)果偏差較大。為解決該問題，可采用如下兩種方法：

①在下行遙測(cè)數(shù)據(jù)中有幀(子幀)計(jì)數(shù)的情況下，在測(cè)量站獲取幀(子幀)同步信號(hào)到達(dá)時(shí)間的同時(shí)提取遙測(cè)幀(子幀)計(jì)數(shù)，兩類信息同時(shí)送給數(shù)據(jù)處理終端，由數(shù)據(jù)處理終端查找同一幀(子幀)計(jì)數(shù)的時(shí)間測(cè)量信息進(jìn)行計(jì)算。

②在下行遙測(cè)數(shù)據(jù)中沒有幀計(jì)數(shù)的情況下，可根據(jù)遙測(cè)碼速率和幀(子幀)長(zhǎng)，計(jì)算出一個(gè)遙測(cè)幀(子幀)傳輸時(shí)間和該時(shí)間段內(nèi)信號(hào)傳輸距離，并布設(shè)測(cè)量站間距小于該距離，在數(shù)據(jù)處理時(shí)對(duì)于超過一個(gè)遙測(cè)幀(子幀)傳輸時(shí)間的時(shí)間差值予以剔除，從而避免時(shí)間模糊問題。例如，某下行遙測(cè)碼速率為2Mb/s，遙測(cè)子幀長(zhǎng)為1kb，可得一個(gè)子幀傳輸時(shí)間為0.5ms，該時(shí)間內(nèi)遙測(cè)信號(hào)傳輸距離為150km，布設(shè)測(cè)量站間距小于150km，即兩站之間的信號(hào)傳輸時(shí)間差不大于0.5ms(一個(gè)遙測(cè)子幀傳輸時(shí)間)。在數(shù)據(jù)處理時(shí)對(duì)于兩站時(shí)間差大于0.5ms的值予以剔除，即可避免同時(shí)處理到不同遙測(cè)子幀的同步時(shí)間信息。

3.3 幀同步

多站時(shí)差定位技術(shù)測(cè)量的是目標(biāo)發(fā)射的遙測(cè)幀(子幀)同步信號(hào)到達(dá)各站的時(shí)間差，各測(cè)量站必須有相對(duì)一致的幀(子幀)同步延時(shí)；如果各測(cè)量站的幀(子幀)同步延時(shí)誤差較大，會(huì)導(dǎo)致各站采樣時(shí)間信號(hào)的延時(shí)誤差較大，從而影響到系統(tǒng)測(cè)量精度。目前，常用的幀同步信號(hào)是幀(子幀)同步碼組最后一個(gè)碼元后沿的時(shí)刻，亦即幀(子幀)同步誤差為幀(子幀)同步碼組的最后一個(gè)碼元的位同步誤差。對(duì)于各測(cè)量站解調(diào)恢復(fù)幀(子幀)的設(shè)備延時(shí)差異，可以在事前通過系統(tǒng)校正用軟件加以消除。所余隨機(jī)的位同步誤差也會(huì)對(duì)系統(tǒng)的測(cè)量精度造成較大影響，將在下節(jié)中予以分析。

圖1 多站時(shí)差定位系統(tǒng)組成原理

4 測(cè)量精度分析

4.1 距離差測(cè)量隨機(jī)誤差

距離差測(cè)量隨機(jī)誤差包括位同步誤差、站間時(shí)間同步誤差等。各項(xiàng)誤差估算如下。

①位同步誤差

碼同步器的位同步誤差主要是接收機(jī)熱噪聲引起的隨機(jī)誤差，計(jì)算公式如下。

由于采用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換跟蹤環(huán)提取定時(shí)誤差，可得位同步誤差為[6]

經(jīng)計(jì)算，對(duì)于PCM-FM體制，在Pe＝1×10-2時(shí)可滿足遙測(cè)幀(子幀)同步要求，此時(shí)所需Eb/N0為 6.6dB，即上式中的為1/4.6，為保證環(huán)路的鎖定時(shí)間和跟蹤性能，取為1/1000，可得到＝，則有

其中，T為符號(hào)周期。即熱噪聲隨機(jī)誤差約為符號(hào)周期的(1/69)。

經(jīng)計(jì)算，在門檻信噪比條件下，對(duì)于200kb/s碼速率，其位同步誤差約為73ns，對(duì)應(yīng)的測(cè)量誤差為21.9m；對(duì)于1Mb/s碼速率，其位同步誤差約為14.5ns，對(duì)應(yīng)的測(cè)量誤差為4.35m；對(duì)于2Mb/s碼速率，其位同步誤差約為7.3ns，對(duì)應(yīng)的測(cè)量誤差為2.19m。

②站間時(shí)間同步隨機(jī)誤差

各站采用GPS單星共視技術(shù)，站間時(shí)間同步隨機(jī)誤差主要為GPS接收機(jī)熱噪聲引入的誤差，約為3ns，對(duì)應(yīng)的測(cè)量誤差為

綜上所述，碼速率為1Mb/s時(shí)，距離差測(cè)量隨機(jī)誤差為

4.2 距離差測(cè)量系統(tǒng)誤差

距離差測(cè)量系統(tǒng)誤差主要包括站間時(shí)間同步誤差、接收機(jī)通道偏差、電平動(dòng)態(tài)誤差、群時(shí)延引入的誤差、測(cè)量站位置誤差等。各誤差項(xiàng)估算如下：

①站間時(shí)間同步系統(tǒng)誤差

各站采用GPS單星共視技術(shù)，站間時(shí)間同步很多公共誤差源(如星歷誤差、鐘差、信號(hào)傳播誤差等)的影響大部分可相互抵消，其系統(tǒng)誤差主要包括多徑效應(yīng)引入的誤差、站址誤差、GPS接收機(jī)校零殘差和信號(hào)傳播延遲不能抵消的殘差。其中，多徑效應(yīng)引入的誤差約為5ns，站址誤差(1m)引入的定時(shí)誤差約為3ns，GPS接收機(jī)校零殘差約為8ns，信號(hào)傳播延遲不能抵消的殘差約為8ns。因此，站間時(shí)間同步總誤差約為，對(duì)應(yīng)的測(cè)量誤差為

②接收機(jī)通道偏差(校零殘差)

接收機(jī)通道的固定時(shí)延(包括天線、電纜的延遲)，可通過校零得到，在軟件中予以消除，但校零后仍然存在通道間偏差，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，一般為8ns左右，對(duì)應(yīng)的測(cè)量誤差為

③電平動(dòng)態(tài)誤差

接收電平動(dòng)態(tài)范圍60dB，對(duì)AGC放大器的時(shí)延變化有影響，會(huì)引入測(cè)距系統(tǒng)誤差。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，AGC放大器的時(shí)延變化一般為6ns，則電平動(dòng)態(tài)引起的測(cè)量誤差約為

④群時(shí)延引入的誤差

由于溫度、電壓等因素的變化，引起接收信道中濾波器濾波特性、信道增益、輸出功率等變化，使群時(shí)延發(fā)生變化。信道設(shè)備24小時(shí)帶內(nèi)群時(shí)延變化約4ns，對(duì)應(yīng)的測(cè)量誤差為

⑤測(cè)量站位置誤差

由于目標(biāo)定位解算是以測(cè)量站位置坐標(biāo)為已知條件的，所以測(cè)量站位置坐標(biāo)誤差將直接導(dǎo)致定位測(cè)量誤差。各測(cè)量站接收GPS信號(hào)進(jìn)行站址自定位，其定位精度可達(dá)

綜上所述，距離差測(cè)量系統(tǒng)誤差為

4.3 定位精度

在工程應(yīng)用中，距離差測(cè)量精度是通過對(duì)目標(biāo)的定位精度體現(xiàn)出來的，常用距離差測(cè)量精度與幾何精度因子GDOP的乘積來表征定位精度。

幾何精度因子GDOP取決于測(cè)量站的分布情況、飛行目標(biāo)相對(duì)各測(cè)量站的位置等條件，所以在目標(biāo)飛行過程中，難以給出固定的GDOP值。關(guān)于GDOP值的分析計(jì)算請(qǐng)參考相關(guān)文獻(xiàn)[7，8]，此處不再贅述。但是，應(yīng)當(dāng)充分重視根據(jù)預(yù)定軌道布置測(cè)量站的問題。

在幾次試驗(yàn)中，該系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的定位精度為70m左右，結(jié)合當(dāng)時(shí)的目標(biāo)飛行情況、目標(biāo)遙測(cè)信號(hào)特性、測(cè)量站情況看，通過事后數(shù)據(jù)分析，距離差測(cè)量精度與理論分析結(jié)果相符。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)述了基于PCM-FM遙測(cè)信號(hào)的多站時(shí)差定位技術(shù)的基本原理，提出了采用該技術(shù)的時(shí)差定位測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，對(duì)其測(cè)量精度進(jìn)行了分析，并給出了試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。理論分析與工程實(shí)踐結(jié)果表明，該技術(shù)在不改變目標(biāo)下行遙測(cè)信號(hào)狀態(tài)下，可完成對(duì)目標(biāo)的定位測(cè)量。該技術(shù)合理可行，并且實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，布站靈活，可廣泛應(yīng)用于對(duì)目標(biāo)的定位測(cè)量中。

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M ulti-site Time Difference of Arrival Localization Technique Based on PCM-FM Telemetry Signal

Wang Junfeng， Zhang Jinrong

Aiming at the orbitmeasurementof re-entry objects，amulti-site time difference of arrival localization system based on PCM-FM telemetry signal is developed.In this system the ground stations are timed by employing a single satellite common-view technique，the local time of every station is sampled by the frame synchronization signal and the location of the object is finally calculated based on the time difference.This paper provides the principle and implementation of the system and declares several key techniques and solutions.Themeasurement accuracy of the range difference is analyzed in theory and the test results demonstrate that the proposed system can acquire promising performance which is coincidentwith the theoretical analysis.

PCM-FM telemetry signal； Single satellite common-view； Multi-site time difference of arrival localization；Measurement accuracy

TN95

A

CN11-1780(2014)06-0056-05

王俊峰 1976年生，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檫b測(cè)遙控。

?國(guó)家項(xiàng)目支持

2014-02-19 收修改稿日期：2014-04-22

張金榮 1984年生，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檫b測(cè)遙控。