基于载波平滑伪码的高精度航天扩频体制测距技术.pdf
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1、第 40 卷 2023 年第 4 期上海航天(中英文)AEROSPACE SHANGHAI(CHINESE&ENGLISH)基于载波平滑伪码的高精度航天扩频体制测距技术张国亭1,2,刘保国2,王宏2,徐茂格3,董光亮2(1.国防科技大学 空天科学学院,湖南 长沙 410073;2.北京跟踪与通信技术研究所,北京 100094;3.中国西南电子技术研究所,四川 成都 610036)摘要:在航天扩频测控系统中,伪码测距技术可以有效避免相位模糊,但是码长也限制了其相位测量精度,而载波测距技术则具有更高的相位测量精度。针对扩频测控体制,提出了一种基于载波平滑伪码的高精度航天扩频体制测距技术,该技术利用
2、锁相环获得的载波相位对伪码值进行平滑,在保留伪码测距无相位模糊特性的基础上进一步提升测量精度,从而减小测距接收机的随机误差。仿真结果和试验数据表明:该方法能有效提高星地测距精度,测量精度达到毫米量级,具有很强的实用价值。关键词:高精度测距技术;航天测控;载波平滑伪码;非相干扩频;相位模糊中图分类号:TN 98 文献标志码:A DOI:10.19328/ki.20968655.2023.04.014High-Precision Spread Spectrum Ranging Technology Based on Carrier Smoothed Pseudo-CodeZHANG Guoting
3、1,2,LIU Baoguo2,WANG Hong2,XU Maoge3,DONG Guangliang2(1.College of Aerospace Science and Engineering,National University of Defense Technology,Changsha 410073,Hunan,China;2.Beijing Institute of Tracking and Telecommunications Technology,Beijing 100094,China;3.Southwest China Institute of Electronic
4、Technology,Chengdu 610036,Sichuan,China)Abstract:Due to the efficient resolution of phase ambiguity,the pseudo-code ranging technology has been widely applied to the spread spectrum tracking,telemetering,and control(TT&C)system.However,the phase measurement accuracy is naturally limited to the code
5、length.By contrast,the carrier ranging technology shows higher phase measurement accuracy.In this paper,a high-precision ranging technology is proposed based on the carrier smoothed pseudo-code for non-coherent spread spectrum measurement system.Concretely,the carrier phase obtained by phase-locked
6、loop is used to smooth the pseudo-code.In this way,the measurement accuracy is improved,while the characteristic of pseudo range measurement without phase ambiguity retains.Thereby,the random error of the ranging receiver is furtherly reduced.Simulation results and experimental data show that the pr
7、oposed technology can effectively enhance the accuracy of satellite-ground ranging,and the measurement error is improved up to the millimeter level,which has strong practical value.Key words:high-precision ranging technology;tracking,telemetering,and control(TT&C)system;carrier smoothed pseudo-code;
8、non-coherent spread spectrum;phase ambiguity0引言 航天器轨道测量与确定是测控系统的核心能力之一,也是保证航天器正常运行和应用效能充分有效的重要基础1-2。近年来,随着光学卫星、微波探测卫星、合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)成像卫星型号的成功部署和载荷能力的快速收稿日期:20230516;修回日期:20230619作者简介:张国亭(1974),男,硕士,研究员,主要研究方向为航天测控技术。104第 40 卷 2023 年第 4 期张国亭,等:基于载波平滑伪码的高精度航天扩频体制测距技术提升,该类卫星的应用需求越
9、来越广泛,测控任务需求激增3-4,同时对轨道测量与定位精度要求也进一步提升,米级至十米级的定轨精度需求日益凸显,高精度测定轨关键技术成为研究热点5-7。目前,国际上通常采用多站测距系统进行高轨卫星高精度测定轨,其中关键要素之一是如何突破高精度距离测量,减小距离测量误差,提高测定轨精度8-10。测量误差主要包括随机误差和系统误差11,其中随机误差指不可预测的偏差,航天器测距随机误差通常相关性小,且由于相对运动随时变化,无法用解析函数来参数化描述,必须通过概率分析与统计理论来归纳研究12-13。引起测距随机误差的主要因素包括热噪声、电磁环境干扰、机械测不准等,为了提高测距精度,在信道电平一定的情况
10、下,一般采用压缩测距环路带宽的方式来实现14-15。但是,测量环路带宽太窄会增大信号捕获的时间,同时增加信号跟踪的难度,这主要是由于过窄的环路带宽会引入跟踪动态滞后误差,轻则表现为增加测距的系统误差,重则使环路失锁16-18。基于非相干测量体制的星地测距中,采用载波辅助跟踪可有效缩短捕获时间和减少动态跟踪滞后量19-20。载波和伪码是对同一目标运动进行观测,载波锁定时两者的距离增量相同,载波频率高,其相位测量的随机误差小21,因此,可利用载波相位测量结果对伪码值进行平滑,降低伪码测量的随机误差22。本文提出了一种基于载波平滑伪码的高精度航天扩频体制测距技术,其主要原理为利用载波相位测量精度高于
11、伪码跟踪精度的特性,通过锁相环跟踪得到的载波相位,并对伪码跟踪环路相位进行平滑,在保留伪码测量无相位模糊特性的基础上进一步提升测量精度,以减小测距接收机的测距随机误差。1载波平滑伪码高精度测距技术 采用非相干测量体制进行星地测距,在第k次观测时,伪码相位观测方程和载波相位的观测方程分别可以表示为k=rk+c(tu,k-t(s)k)+Ik+Tk+,k(1)k=-1rk+c(tu,k-t(s)k)-Ik+Tk-N+,k(2)式中:k、k分别为k时刻的伪距和载波相位观测值;rk为k时刻的真实星地距离;c为光速;tu,k、t(s)k分别为k时刻的接收机钟差和卫星钟差;Ik、Tk分别为k时刻的电离层延迟
12、和对流层延迟;为载波波长;N为载波相位模糊用整周模糊度;,k、,k分别为伪码相位和载波相位的测量噪声。如果测距接收机持续锁定载波,未产生失周现象,则式(2)中的整周模糊度N为固定值。为了消除周期模糊度,可以对两个连续时刻的伪码相位观测值和载波相位观测值作差分,得到k=rk+c(tu,k-t(s)k)+Ik+Tk+,k(3)k=rk+c(tu,k-t(s)k)-Ik+Tk+,k(4)其中,差分量k和k的定义分别为k=k-k-1(5)k=k-k-1(6)对比式(3)和式(4)可以发现:伪码变化量k的表达式、载波相位变化量与波长的乘积 k表达式非常相似。当电离层延时变化量Ik较小,可以被忽略时,则除
13、了误差项k和 k,两者在数值上差异不大。由于伪码变化量k、载波相位变化量与波长的乘积 k在理论上相等,两者相结合即可得到平滑且无模糊度的距离测量值。利用载波相位测量结果对伪码相位进行平滑处理23,表示为s,k=1Mk+M-1Ms,k-1+(k-k-1)(7)式中:s,k为k时刻的载波相位平滑伪码测量结果;M为平滑时间常数,表示载波相位对平滑结果的影响程度;k为k时刻的伪码观测值;k为k时刻的载波相位观测值;为载波波长。对于下行链路,下行载波相位平滑下行伪码相位测量结果的计算公式为downs,k=1Mdownk+M-1Mdowns,k-1+downfdowndTdownk(8)式中:downs,
14、k为k时刻的下行载波相位平滑伪码测量结果;downk为k时刻的下行伪码观测值;fdownd为k时刻到k-1时刻的下行载波多普勒频偏;down为下行载波波长;Tdownk为k时刻到k-1时刻的时间间隔。对于上行链路,上行载波相位平滑上行伪码相位测量结果的计算公式为105第 40 卷 2023 年第 4 期上海航天(中英文)AEROSPACE SHANGHAI(CHINESE&ENGLISH)ups,k=1Mupk+M-1M ups,k-1+upfupd Tdownkfdownrfdownr+fdownd(9)式中:ups,k为k时刻的上行载波相位平滑伪码测量结果;upk为k时刻的上行伪码观测值;
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