劉寧 劉浩杰

(1 中國(guó)空間技術(shù)研究院遙感衛(wèi)星總體部,北京 100094)(2 中國(guó)空間技術(shù)研究院衛(wèi)星應(yīng)用總體部,北京 100094)

隨著用戶(hù)對(duì)高分辨率圖像需求的激增,遙感衛(wèi)星分辨率大幅提升,為最大程度發(fā)揮高分辨率衛(wèi)星效能,對(duì)圖像處理的目標(biāo)定位精度提出了越來(lái)越高的要求。要實(shí)現(xiàn)高目標(biāo)定位精度,除了衛(wèi)星具備高姿態(tài)確定精度、控制精度等,還要對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行精密定軌,因此需要依托精密測(cè)距作為技術(shù)手段。

常規(guī)航天擴(kuò)頻測(cè)距通信系統(tǒng)采用的測(cè)距方法,其思路是測(cè)量收發(fā)測(cè)距偽碼之間的時(shí)延,即電波傳播時(shí)延τ,再通過(guò)無(wú)線(xiàn)電傳播速度計(jì)算得出傳輸距離[1]。文獻(xiàn)[2-5]中介紹了采用這一原理的4種測(cè)距方法——ESA多用途跟蹤系統(tǒng)(MPTS)測(cè)距、星上處理偽隨機(jī)碼測(cè)距、透明傳輸偽隨機(jī)碼測(cè)距和混合測(cè)距。文獻(xiàn)[6]基于該原理分析了相參擴(kuò)頻測(cè)距、非相參擴(kuò)頻測(cè)距的原理,分析了測(cè)距精度。文獻(xiàn)[7-8]對(duì)整個(gè)星地精密定軌系統(tǒng)的強(qiáng)抗干擾、高靈敏度捕獲等關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展了研究。文獻(xiàn)[9]面向星間精密測(cè)距系統(tǒng),開(kāi)展了性能分析與測(cè)試。文獻(xiàn)[10-11]則是研究利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行定位的方法,面向的對(duì)象是低軌衛(wèi)星。

上述研究的共同特點(diǎn)在于,沒(méi)有面向地球靜止軌道衛(wèi)星提供一種能夠消除星上設(shè)備自身距離零值變化的方法,而實(shí)際在軌應(yīng)用時(shí)自身系統(tǒng)誤差無(wú)法補(bǔ)償,從而造成整體測(cè)距精度不高?；诖?本文提出一種地球靜止軌道衛(wèi)星精密擴(kuò)頻測(cè)距方法,基于在軌自校正算法消除擴(kuò)頻測(cè)距終端等星上設(shè)備的距離零值受頻率偏移、功率大小、尤其是溫度等多種因素的影響,補(bǔ)償系統(tǒng)誤差,僅保留隨機(jī)誤差,實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)距。

1 精密擴(kuò)頻測(cè)距方法

1.1 方法總體思路及流程

測(cè)距終端本身系統(tǒng)存在的時(shí)延所對(duì)應(yīng)的距離值(即距離零值),會(huì)隨著各種因素的變化而波動(dòng),包括多次開(kāi)關(guān)機(jī)一致性、測(cè)距信號(hào)的多普勒頻移、測(cè)距信號(hào)電平變化、上行測(cè)距信號(hào)數(shù)量變化、測(cè)距終端自身溫度變化等。針對(duì)外界因素變化帶來(lái)的距離零值波動(dòng),本文提出一種精密擴(kuò)頻測(cè)距方法,在常規(guī)非相干擴(kuò)頻測(cè)距系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,增加自校模塊,用于檢測(cè)測(cè)距終端自身距離零值隨各種因素的變化值,并反饋合路至上行測(cè)距信號(hào)中,通過(guò)基帶模塊檢測(cè)這一自校值并進(jìn)行對(duì)消,可有效消除距離零值波動(dòng),從而獲得高精度、高穩(wěn)定度的測(cè)距值,為精密定軌的使用奠定條件。精密擴(kuò)頻測(cè)距方法流程如圖1所示。

1.2 精密擴(kuò)頻測(cè)距實(shí)現(xiàn)過(guò)程

無(wú)線(xiàn)電測(cè)距原理是測(cè)量無(wú)線(xiàn)電波的傳輸時(shí)延,地面測(cè)控站在使用偽碼測(cè)距方法實(shí)現(xiàn)雙程距離測(cè)量時(shí),對(duì)距離時(shí)延的測(cè)量通常采用收發(fā)碼時(shí)延測(cè)量法,即:發(fā)射無(wú)線(xiàn)電波,然后測(cè)量由目標(biāo)轉(zhuǎn)發(fā)回來(lái)的信號(hào)相對(duì)于發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生的時(shí)延,從而計(jì)算出距離。實(shí)時(shí)星地總距離R與星地傳輸時(shí)延τ的關(guān)系為

R=τ·c/2

(1)

式中:c為無(wú)線(xiàn)電傳播速度。

在實(shí)際工程應(yīng)用中,常規(guī)擴(kuò)頻測(cè)距方法在軌全壽命周期均使用發(fā)射前裝訂的測(cè)距零值參數(shù),該值為一個(gè)固定值,在軌無(wú)法實(shí)時(shí)檢測(cè)出星上設(shè)備自身測(cè)距零值的變化,而距離零值本身會(huì)隨著器件老化、功率大小、尤其是溫度的變化而變化,由此導(dǎo)致了常規(guī)擴(kuò)頻測(cè)距方法的測(cè)試結(jié)果中包含了上述變化帶來(lái)的誤差且無(wú)法消除。相較于常規(guī)擴(kuò)頻測(cè)距方法,精密擴(kuò)頻測(cè)距方法的創(chuàng)新之處在于:設(shè)計(jì)基于自校模塊的在軌補(bǔ)償機(jī)制,自校模塊主要實(shí)現(xiàn)基帶自校信號(hào)與接收發(fā)射通道的自閉環(huán)功能,將上行信號(hào)和下行反饋信號(hào)合路送入自校通道,自校通道可以獲取星上測(cè)距終端自身發(fā)送的碼相位和載波頻率,對(duì)上下行信號(hào)進(jìn)行解算得出自校值并通過(guò)下行測(cè)量幀下傳至地面,地面再利用自校值獲取星上測(cè)距設(shè)備的最新距離零值,該零值是消除了器件老化及測(cè)距值隨溫度變化、信號(hào)強(qiáng)弱、通道多少、多普勒頻偏等多種因素影響的星上實(shí)時(shí)零值,從而實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)距功能。同時(shí),自校值本身為緩變參數(shù),可以進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間累加,可以進(jìn)一步提高測(cè)量精度。

精密擴(kuò)頻測(cè)距方法實(shí)現(xiàn)步驟如下。

(1)在鎖定跟蹤正常情況下,在T1時(shí)刻地面測(cè)距終端產(chǎn)生偽隨機(jī)碼序列,調(diào)制到載波向衛(wèi)星發(fā)射的同時(shí),鎖存發(fā)碼初始狀態(tài)并開(kāi)始對(duì)發(fā)碼鐘計(jì)數(shù)。

(2)T2時(shí)刻,T1時(shí)刻所發(fā)測(cè)距序列由星上碼環(huán)跟蹤鎖定,同時(shí)星上碼產(chǎn)生器生成一同步于上行碼序列的下行碼序列,并調(diào)制到下行載波發(fā)射。此處,衛(wèi)星接收的上行碼與轉(zhuǎn)發(fā)的下行碼是相干的,下行碼鐘頻率和碼相位均與上行碼同步變化。

(3)在地面站,碼環(huán)對(duì)下行碼序列跟蹤鎖定,并將收端碼產(chǎn)生器的狀態(tài)不停地與鎖存的發(fā)碼初始狀態(tài)進(jìn)行比較。當(dāng)?shù)孛娼邮盏叫l(wèi)星下發(fā)的測(cè)距序列后,便對(duì)接收測(cè)距序列進(jìn)行平滑,同時(shí)進(jìn)行與發(fā)送測(cè)距序列的時(shí)域互相關(guān)運(yùn)算,當(dāng)收發(fā)碼相位匹配準(zhǔn)確、形成相關(guān)峰值時(shí),由偽碼測(cè)距終端根據(jù)平滑后的測(cè)距碼接收時(shí)刻T3和測(cè)距碼發(fā)送時(shí)刻T1,計(jì)算收發(fā)碼時(shí)延,見(jiàn)式(2)。

τ=T3-T1=[N+Δφ/(2π)]Tcode

(2)

式中:N為碼鐘周期數(shù);Δφ為收、發(fā)碼鐘相位差;Tcode為發(fā)碼時(shí)鐘。

實(shí)時(shí)星地總距離值為

R=τ·c/2=[N+Δφ/(2π)]Tcode·c/2

(3)

采用滿(mǎn)足長(zhǎng)度要求的偽碼直接解距離模糊,單程距離模糊度為

D=(L/Rcode)·c/2

(4)

式中:L為偽碼長(zhǎng)度;Rcode為偽碼碼速率。

由式(2)可知,距離時(shí)延值是靠測(cè)量收、發(fā)碼鐘相位差Δφ實(shí)現(xiàn)的,因此偽碼測(cè)距的精度由測(cè)距偽碼碼速率和相位測(cè)量精度決定,碼速率越高,相位測(cè)量精度越高,時(shí)延測(cè)量精度就越高。由式(4)可見(jiàn),測(cè)距模糊度取決于偽碼長(zhǎng)度和偽碼速率。若信息碼與偽碼時(shí)鐘相干,也可采用數(shù)據(jù)幀解距離模糊,此時(shí),式(4)中的L/Rcode則被數(shù)據(jù)幀周期替換,實(shí)際工程中數(shù)據(jù)幀周期一般為500ms,對(duì)應(yīng)的模糊距離高達(dá)75000km,可以滿(mǎn)足非深空探測(cè)類(lèi)航天器的所有應(yīng)用。

(4)星地距離真值Rreal計(jì)算。其中,R′代表星上測(cè)距終端的實(shí)時(shí)自校值,其值等于衛(wèi)星在軌初值Ro疊加在軌運(yùn)行后產(chǎn)生的距離零值偏移量ΔR。

Rreal=R-R′=R-(Ro±ΔR)

(5)

能夠獲取到R′的實(shí)時(shí)測(cè)量值,用于消除未知的ΔR,是本文精密擴(kuò)頻測(cè)距方法相對(duì)傳統(tǒng)擴(kuò)頻測(cè)距方法的一個(gè)重要特征。

2 實(shí)例驗(yàn)證

為了驗(yàn)證精密擴(kuò)頻測(cè)距方法對(duì)系統(tǒng)測(cè)距精度的提升程度,利用高軌遙感衛(wèi)星的星載測(cè)距終端與地面精密擴(kuò)頻測(cè)距系統(tǒng)開(kāi)展星地試驗(yàn)。精密擴(kuò)頻測(cè)距終端除了常規(guī)的接收通道、發(fā)射通道、數(shù)字基帶和外圍的功率放大器之外,還配置了自校模塊。精密擴(kuò)頻測(cè)距終端組成如圖2所示。

圖2 精密擴(kuò)頻測(cè)距終端Fig.2 High-precision spread spectrum ranging terminal

精密擴(kuò)頻測(cè)距終端的核心組成是自校模塊,其原理框圖如圖3所示。

注:TTL為邏輯門(mén)電路。圖3 自校模塊原理框圖Fig.3 Principle of automatic correction module

地面發(fā)送的上行信號(hào)送入擴(kuò)頻測(cè)距終端作為上行輸入信號(hào)組成1,下行輸出信號(hào)經(jīng)下行濾波器濾波后再送入耦合器,耦合器的一個(gè)端口輸出至功率放大器往地面發(fā)送,另一端口輸出至隔離器,再經(jīng)過(guò)程控衰減器設(shè)置適當(dāng)?shù)乃p值進(jìn)行衰減,同時(shí)將下行頻率變頻至上行頻率,作為上行輸入信號(hào)組成2,兩者經(jīng)過(guò)合路器合路后送往接收前端進(jìn)行濾波、隔離等處理后送入數(shù)字基帶模塊。在數(shù)字基帶內(nèi),通過(guò)載波平滑偽距技術(shù)計(jì)算得出高精度的自校信號(hào)距離零值,并將之填充至國(guó)軍標(biāo)GJB8086-2013中規(guī)定的測(cè)量幀第36字至第44字,下發(fā)至地面用于獲取星載測(cè)距終端實(shí)時(shí)測(cè)距零值。根據(jù)擴(kuò)頻測(cè)距終端在軌工作實(shí)際,為減小反饋回的自校信號(hào)對(duì)常規(guī)上行信號(hào)的影響,通過(guò)軟件設(shè)置將自校信號(hào)功率調(diào)整至測(cè)距終端工作電平范圍內(nèi)的合理值,這樣既能保證自校值發(fā)揮作用,又能確保不與常規(guī)上行信號(hào)互相干擾。

試驗(yàn)中,對(duì)測(cè)距精度受上行接收功率大小和溫度變化的影響進(jìn)行了研究。試驗(yàn)測(cè)得的測(cè)距值與上行接收功率和溫度的關(guān)系如表1和圖4所示。

表1 不同上行接收功率、溫度條件下的測(cè)距值Table 1 Ranging values under different up-link power and different temperature conditions m

圖4 測(cè)距值隨溫度和上行接收功率變化Fig.4 Ranging value changing with temperature and up-link power

由表1和圖4可知:測(cè)距值隨接收功率的影響程度較小,變化范圍在2cm以?xún)?nèi);溫度變化導(dǎo)致的測(cè)距值變化程度較大,最大值為25cm。為更好地體現(xiàn)精密擴(kuò)頻測(cè)距方法的優(yōu)勢(shì),設(shè)計(jì)對(duì)比參照試驗(yàn)。對(duì)比試驗(yàn)時(shí)將自校模塊關(guān)機(jī),僅采用常規(guī)擴(kuò)頻測(cè)距方法,上述2項(xiàng)因素引起的測(cè)距值變化最大值為4.63m。

可以看出:精密擴(kuò)頻測(cè)距方法提升了星上測(cè)距終端測(cè)距精度約20倍。

精密擴(kuò)頻測(cè)距系統(tǒng)工作環(huán)境溫度變化時(shí),由于內(nèi)部濾波器的群時(shí)延存在隨溫度變化的特性,其自身距離零值也會(huì)產(chǎn)生波動(dòng),尤其在溫度低于0℃時(shí),測(cè)距值發(fā)生明顯劇烈的變化(變化幅度超過(guò)20cm,精密定軌工程要求不超過(guò)5cm)。鑒于此,本文建議在工程實(shí)現(xiàn)時(shí)對(duì)精密擴(kuò)頻測(cè)距終端的在軌溫控條件提出約束,確保終端工作在0～50℃,由表1數(shù)據(jù)可知,此時(shí)測(cè)距精度可由25cm優(yōu)化至4cm。以在軌的高軌遙感衛(wèi)星為例,冬至?xí)r精密擴(kuò)頻測(cè)距終端出現(xiàn)低溫工況,衛(wèi)星偏航動(dòng)作后溫度經(jīng)歷從高到低或從低到高的變化過(guò)程,最快溫度變化速率為7.2℃/h,在2天中,溫度變化范圍為6.14～31.02℃,變化過(guò)程如圖5所示。由上述分析可知,在實(shí)際使用場(chǎng)景下,精密擴(kuò)頻測(cè)距系統(tǒng)的溫度條件可以滿(mǎn)足保測(cè)距精度的要求。

圖5 精密擴(kuò)頻測(cè)距系統(tǒng)在軌工作溫度Fig.5 In-orbit operating temperature of high-precision spread spectrum ranging system

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)高軌衛(wèi)星精密定軌需求提出一種精密擴(kuò)頻測(cè)距方法,基于在軌自校正算法補(bǔ)償系統(tǒng)誤差,消除上行功率大小和溫度變化對(duì)測(cè)距值的影響,提升測(cè)距精度。在軌測(cè)試結(jié)果表明:本文方法可以有效消除系統(tǒng)誤差,將測(cè)距精度提升約20倍。后續(xù)將面向星載設(shè)備典型工作溫度范圍(-15～+50℃)研究低溫條件下保測(cè)距精度的算法,提升精密擴(kuò)頻測(cè)距系統(tǒng)的溫度適應(yīng)性。