陳 霞

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

非相干擴(kuò)頻測(cè)量體制應(yīng)答機(jī)的測(cè)距數(shù)據(jù)處理*

陳 霞*

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

介紹了一種非相干擴(kuò)頻測(cè)量體制的測(cè)距原理，分析了測(cè)距跳周問(wèn)題對(duì)測(cè)距精度的影響，提出了一種測(cè)距數(shù)據(jù)處理算法。采用相位相差180°的雙碼鐘采樣法，對(duì)兩個(gè)碼計(jì)數(shù)和兩個(gè)碼相位進(jìn)行采樣和時(shí)差比對(duì)，判別出距離跳變的數(shù)值進(jìn)行算法修正，有效消除了碼計(jì)數(shù)對(duì)應(yīng)的距離跳周問(wèn)題，保證了系統(tǒng)的測(cè)距精度。該算法已經(jīng)成功運(yùn)用到多個(gè)實(shí)際工程中，系統(tǒng)測(cè)距精度完全滿足指標(biāo)要求。

非相干擴(kuò)頻測(cè)量;測(cè)距數(shù)據(jù);跳周;雙碼鐘采樣法

1 引 言

在測(cè)控系統(tǒng)中，測(cè)距是通過(guò)測(cè)量信號(hào)往返時(shí)延測(cè)出飛行器目標(biāo)至地面站的距離。目前，測(cè)距方式主要有3種：多側(cè)音測(cè)距、偽隨機(jī)碼測(cè)距和音碼混合測(cè)距[1]。而測(cè)控系統(tǒng)中非相干擴(kuò)頻測(cè)量體制的測(cè)距采用擴(kuò)頻偽碼雙向測(cè)偽距方式，上行和下行測(cè)距均采用脈沖編碼調(diào)制(Pulse Code Modulation，PCM)-碼分多址(Code Division Multiple Access，CDMA) -二進(jìn)制相移鍵控(Binary Phase Shift Keying，BPSK)。與一般偽碼相干測(cè)距方式相比，非相干方式的上行偽碼速率和信息速率與下行偽碼速率和信息速率不相關(guān)[2]。當(dāng)應(yīng)答機(jī)提取上行偽距時(shí)，使用非相干的下行測(cè)距信息幀同步信號(hào)對(duì)上行信號(hào)采樣，必然帶來(lái)距離的跳周問(wèn)題，出現(xiàn)測(cè)量值的跳變，這種距離的跳周問(wèn)題將嚴(yán)重影響測(cè)控系統(tǒng)的測(cè)距精度，甚至出現(xiàn)測(cè)量錯(cuò)誤。

測(cè)距誤差以及距離跳周問(wèn)題是困擾非相干測(cè)距模式工程化的重要問(wèn)題。通常方法會(huì)從改善鎖相環(huán)的角度提高測(cè)距精度，但是實(shí)現(xiàn)算法相對(duì)復(fù)雜，且不能解決距離跳周問(wèn)題。本文針對(duì)測(cè)控系統(tǒng)中的這種距離跳周問(wèn)題，結(jié)合非相干擴(kuò)頻測(cè)距原理分析，提出了一種基于數(shù)字信號(hào)處理算法的數(shù)據(jù)修正算法，實(shí)現(xiàn)方式巧妙而有效，可有效保證系統(tǒng)的測(cè)距精度，且工程應(yīng)用情況良好。

2 非相干擴(kuò)頻測(cè)距原理

假設(shè)地面站發(fā)送的測(cè)量信號(hào)為

(1)

應(yīng)答機(jī)收到的測(cè)量信號(hào)為對(duì)應(yīng)答機(jī)接收天線波束內(nèi)1～4個(gè)地面站上行測(cè)距信號(hào)求和,即

(2)

應(yīng)答機(jī)發(fā)送的測(cè)量信號(hào)為

(3)

地面站接收的測(cè)量信號(hào)為對(duì)地面接收天線波束內(nèi)1～3顆衛(wèi)星下行信號(hào)求和，即

(4)

式中：S表示信號(hào)，A為載波振幅，P為擴(kuò)頻偽碼，D為數(shù)據(jù)，f為載波頻率，φ為載波初相，up代表上行，down代表下行，i為地面站序號(hào)，j為應(yīng)答機(jī)序號(hào)，R為測(cè)距。

圖1 非相干擴(kuò)頻測(cè)量原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of non-coherent spread spectrum measurement theory

根據(jù)非相干擴(kuò)頻測(cè)量原理[4]，可獲得測(cè)量信號(hào)往返時(shí)延為(碼鐘頻率誤差為σg)

(5)

(6)

若考慮上下行設(shè)備信道傳輸時(shí)延(上行時(shí)延與下行時(shí)延和設(shè)為∑τeud，可在地面標(biāo)校得出該值)的影響，式(6)可修改為

(7)

當(dāng)測(cè)距數(shù)據(jù)出現(xiàn)跳周問(wèn)題時(shí)，偽距信息中位計(jì)數(shù)、碼周期計(jì)數(shù)和碼相位計(jì)數(shù)都會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的距離跳周問(wèn)題。碼計(jì)數(shù)的距離跳變值正好是一個(gè)碼片對(duì)應(yīng)的距離值，碼周期的距離跳變值是一個(gè)偽碼周期對(duì)應(yīng)的距離值，位計(jì)數(shù)的距離跳變值是一個(gè)數(shù)據(jù)位對(duì)應(yīng)的距離。碼計(jì)數(shù)對(duì)應(yīng)的距離跳變值最小，位計(jì)數(shù)對(duì)應(yīng)的距離跳變值最大。比如：碼速率為10.23 Mchip/s，則距離將跳變值為7.33 m；數(shù)據(jù)速率為10 kbit/s，則距離將跳變值為7.5 km。

3 測(cè)距數(shù)據(jù)處理算法及實(shí)現(xiàn)

測(cè)距數(shù)據(jù)處理有兩個(gè)基本方法：第一，采用數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換法，可巧妙解決位計(jì)數(shù)、碼周期計(jì)數(shù)對(duì)應(yīng)的測(cè)距數(shù)據(jù)跳周問(wèn)題；第二，采用雙碼鐘計(jì)數(shù)法，根據(jù)相位相差180°的雙碼鐘采樣信息，可判別出距離跳變的數(shù)值進(jìn)行算法修正，從而有效消除碼計(jì)數(shù)對(duì)應(yīng)的距離跳周問(wèn)題。

非相干擴(kuò)頻測(cè)量體制應(yīng)答機(jī)的測(cè)距數(shù)據(jù)解調(diào)和處理算法實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示。

在現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)內(nèi)，將輸入數(shù)字中頻信號(hào)分成兩路:一路送上行偽碼捕獲跟蹤模塊，完成上行偽碼同步跟蹤；一路與同步后的偽碼相乘，完成解擴(kuò)、載波跟蹤、數(shù)據(jù)解調(diào)、位同步恢復(fù)和幀同步的提取[5]。根據(jù)解調(diào)數(shù)據(jù)、幀同步和位同步可提取幀計(jì)數(shù)值。

當(dāng)上行偽碼完成捕獲跟蹤后，可提取偽距信息，提取方法是：對(duì)同步偽碼碼鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，上行幀同步信號(hào)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，下行幀同步信號(hào)停止計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，該計(jì)數(shù)值即是偽距信息中的碼片計(jì)數(shù)值，捕獲跟蹤后的偽碼相位和碼片計(jì)數(shù)值即是偽距信息。根據(jù)非相干擴(kuò)頻測(cè)量體制的幀結(jié)構(gòu)定義，1幀信息包含N位數(shù)據(jù)，1位數(shù)據(jù)包含M個(gè)碼周期，1個(gè)碼周期包含P個(gè)偽碼碼片?？梢?jiàn)，將碼片計(jì)數(shù)值進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換，便可轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的碼周期計(jì)數(shù)、位計(jì)數(shù)和碼計(jì)數(shù)值。假如碼計(jì)數(shù)值為A，則位計(jì)數(shù)值等于(A÷MP)的商B，余數(shù)是C；碼周期計(jì)數(shù)值等于(C÷P)的商D，余數(shù)F等于碼計(jì)數(shù)值。經(jīng)過(guò)這種簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)處理后，可巧妙解決非相干擴(kuò)頻測(cè)量體制中碼周期計(jì)數(shù)、位計(jì)數(shù)對(duì)應(yīng)的距離跳周問(wèn)題。

測(cè)距信息中的碼計(jì)數(shù)對(duì)應(yīng)距離跳變值最小，跳周問(wèn)題影響嚴(yán)重。本文采用雙碼鐘采樣法，使用兩路相位相差180°的下行碼鐘，對(duì)獲取的碼計(jì)數(shù)和碼相位信息進(jìn)行雙時(shí)鐘采樣，根據(jù)兩路碼鐘的時(shí)間關(guān)系，判別出距離跳變的數(shù)值進(jìn)行算法修正，有效消除了碼計(jì)數(shù)對(duì)應(yīng)的距離跳周問(wèn)題?；陔p碼鐘采樣法的跳周數(shù)據(jù)處理算法實(shí)現(xiàn)如圖3所示。假設(shè)兩路相位相差180°的下行碼鐘，分別為A、B兩路碼鐘，A路碼鐘采樣的碼計(jì)數(shù)值為MA，碼相位為PA；B路碼鐘采樣的碼計(jì)數(shù)值為MB，碼相位為PB。算法開(kāi)始時(shí)，需寄存采樣信息MA和PA、MB和PB，然后比較碼計(jì)數(shù)值是否滿足MA>MB，若條件為真，則再比較碼相位值是否滿足PA≤PB，若條件為真，碼計(jì)數(shù)值取MA，否則碼計(jì)數(shù)值取MA-1；若MA>MB條件為假，再比較碼計(jì)數(shù)值是否滿足MA=MB，若條件為假，碼計(jì)數(shù)值取MA，否則再比較碼相位是否滿足PA

圖3 跳周數(shù)據(jù)處理算法實(shí)現(xiàn)框圖Fig.3 Implementation diagram of cyclic skipping data processing arithmetic

4 試驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

在應(yīng)答機(jī)對(duì)地面站的系統(tǒng)測(cè)試中，對(duì)采用數(shù)據(jù)處理算法前后的測(cè)距距離值進(jìn)行了測(cè)試和比對(duì)[6]，如表1所示。測(cè)試條件：偽碼速率10.23 Mchip/s，數(shù)據(jù)速率10 kbit/s，應(yīng)答機(jī)信噪比59 dBHz，方差按100個(gè)采樣數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，技術(shù)指標(biāo)要求系統(tǒng)方差δ<0.5 m。

表1 采用數(shù)據(jù)處理算法前后的測(cè)距距離值對(duì)比Tab.1 Comparison of ranging values before and after using data processing arithmetic

可見(jiàn)，應(yīng)答機(jī)的測(cè)距數(shù)據(jù)若未經(jīng)過(guò)跳周數(shù)據(jù)處理，則出現(xiàn)了碼計(jì)數(shù)對(duì)應(yīng)的距離跳周值，導(dǎo)致系統(tǒng)測(cè)試方差δ<0.9 m，不滿足系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)要求，但經(jīng)過(guò)跳周數(shù)據(jù)處理算法后，有效消除了測(cè)距數(shù)據(jù)中的距離跳周值，大大提高了系統(tǒng)測(cè)距精度，系統(tǒng)測(cè)試方差δ<0.4 m。

從以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，非相干擴(kuò)頻測(cè)量體制應(yīng)答機(jī)通過(guò)數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換算法和雙碼鐘采樣比對(duì)法，有效解決了測(cè)距數(shù)據(jù)中的跳周問(wèn)題，大大提高了系統(tǒng)測(cè)量精度。該算法可應(yīng)用于各種不同碼速率、數(shù)據(jù)速率和幀結(jié)構(gòu)的非相干測(cè)控系統(tǒng)中，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。

[1] 劉嘉興.飛行器測(cè)控通信工程[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2010.

[2] 姜昌，范曉玲.航天通信跟蹤技術(shù)導(dǎo)論[M].北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[3] 吳有杏,房新兵,叢波,等.航天擴(kuò)頻測(cè)控系統(tǒng)中非相干偽碼測(cè)距跳值問(wèn)題分析及對(duì)策[J].電訊技術(shù),2008,48(11):56-59. WU Youxing, FANG Xinbing, CONG Bo, et al. The problem of exceptional non-coherent PN ranging data in spread spectrum TT&C systems:analysis and solution[J].Telecommunication Engineering,2008,48(11):56-59.(in Chinese)

[4] 宋峙峰,崔嵬，吳嗣亮.非相干擴(kuò)頻測(cè)控系統(tǒng)距離模擬電路設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2009(20):226-227. SONG Zhifeng,CUI Wei,WU Siliang. Design of distance simulation circuit for a non-coherent spread spectrum system simulator[J].Microcomputer Information,2009(20):226-227.(in Chinese)

[5] 吳有杏,叢波，梁盛.一種測(cè)量非相干擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī)時(shí)鐘準(zhǔn)確度的新方法[J].電訊技術(shù),2013,53(12):1555-1558. WU Youxing,CONG Bo，LIANG Sheng. A new approach to measure the clock deviation of non-coherent spread spectrum transponder[J].Telecommunication Engineering, 2013,53(12):1555-1558.(in Chinese)

[6] 陳霞.應(yīng)答機(jī)測(cè)試報(bào)告[R].成都：西南電子技術(shù)研究所,2015.

Ranging Data Processing of a Non-coherent Spread Spectrum Transponder

CHEN Xia
(Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036,China)

The theory of a non-coherent spread spectrum ranging system is introduced.The influence of cyclic skipping on ranging precision is analyzed and a data processing method is presented.The double pseudo noise(PN) clock sampling method with 180° phase difference is used to perform sampling and time difference comparison for two PN count numbers and two PN phases.Then the skipping values can be distinguished and corrected,and the cyclic skipping of PN count number value can be removed effectively,so that the system ranging precision is ensured. This method has been successfully applied in many projects and the ranging precision meets the technical specifications.

non-coherent spread spectrum measurement;ranging data；cyclic skipping；double PN clock sampling method

2016-07-26；

2016-12-20 Received date:2016-07-26；Revised date：2016-12-20

10.3969/j.issn.1001-893x.2017.02.006

陳霞.非相干擴(kuò)頻測(cè)量體制應(yīng)答機(jī)的測(cè)距數(shù)據(jù)處理[J].電訊技術(shù)，2017,57(2):157-160.[CHEN Xia. Ranging data processing of a non-coherent spread spectrum transponder[J].Telecommunication Engineering,2017,57(2):157-160.]

TN911

A

1001-893X(2017)02-0157-04

陳 霞(1979—)，女，四川西昌人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楹教鞈?yīng)答機(jī)的基帶處理技術(shù)和信號(hào)接收技術(shù)。

Email:mickey_cx2008@126.com

*通信作者：mickey_cx2008@126.com Corresponding author：mickey_cx2008@126.com