厘米级扩频测距系统自校准链路分析

郭肃丽

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；

2.CETC航天信息应用技术重点实验室，河北 石家庄 050081)



厘米级扩频测距系统自校准链路分析

郭肃丽1，2

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；

2.CETC航天信息应用技术重点实验室，河北 石家庄 050081)

摘要针对未来遥感、导航等卫星对地面测控设备的距离测量精度由米级提高到厘米级这一问题，简要介绍了航天测控常用的距离零值标校方案，并量化分析了天线和模拟信道设备引入的距离零值变化，认为必须引入与工作链路同时工作的距离零值自校准链路。针对扩频测距系统对自校准链路的信号形式进行了讨论，并对工作信号电平与自校准链路信号电平之间的相互影响进行了理论分析及仿真，认为自校准链路信号电平低于工作信号电平10 dB是一个较优的选择。

关键词扩频测控；自校准链路；厘米级测距；距离零值

Analysis on Self-calibration Links of DSSS Centimeter-level Ranging Systems

GUO Su-li1,2

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China；2.CETCKeyLabratoryofSpaceInformationApplicationTechnology，ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractWith the performance development of remote sensing satellite systems and navigation satellite systems,the demand on TT&C ranging precision is improved from meter-level to centimeter-level.The range zero value calibration methods usually used in TT&C are introduced briefly,and the variation of range zero value introduced by antenna and analog channel equipment is analyzed quantitatively.And it is concluded that real-time self-calibration links should be introduced.For DSSS ranging systems,the signal form and signal level of self-calibration links are discussed.The conclusion is that a self-calibration signal level 10 dB lower than the working signal is a better choice.

Key wordsDSSS TT&C;self-calibration link;centimeter-level ranging precision;range zero value

0引言

目前，地面测控设备的测距精度一般为米量级，随着遥感卫星对地面观测精度的提高，对地面测控设备的测距精度可能需要提高到厘米量级。

将地面测控设备测距精度提高到厘米量级，需要从随机误差和系统误差2个方面进行考虑。降低测距随机误差可以采取提高处理信号信噪比、减小输出带宽和增加测量信号带宽等手段，本文暂不做进一步讨论。单就系统误差来说，目前的测距系统一般是在工作前对设备距离零值进行标定，工作期间不再做实时标定，这样，距离零值测量误差及距离零值在工作期间的漂移成为测距系统的系统误差。

扩频系统由于具有一定的抗干扰抗截获能力、码分多址能力、兼顾较高测距精度与较大的无模糊距离的能力等优点[1,2]，目前被较多地应用于航天测控系统。本文针对扩频测控系统中的系统误差，首先介绍了距离零值标校方案，具体分析了地面测控系统中信道设备引入的测距系统误差，并提出利用自校准链路完成信道设备距离零值的实时标校；探讨了自校准链路设计时需要注意的一些问题，并对自校准设备引入的系统误差和随机误差做了较为深入的分析。

1距离零值标定及自校准链路构成

无线电测距系统中，距离零值的标定精度直接影响着最终的测距精度，因此是一项很重要的工作。

常用的距离零值标定方案有：标校塔距离零值标定、偏馈天线距离零值标定[3,4]和射频有线距离零值标定。

标校塔距离零值标定只能在系统对星工作前进行，无法实时监视设备链路带来的距离零值的变化。

偏馈天线距离零值标定方案和射频有线距离零值标定方案则可以实时监测地面测控设备链路时延的变化，均可以看做是测控系统引入了距离零值自校准链路，在设备对星工作的同时可以实现设备零值的实时标定。图1中二选一选择开关如果选择虚线输出，则为射频有线距离零值标定，否则为偏馈天线距离零值标定。

图1　距离零值自校准链路构成

偏馈天线距离零值标定[3]可以实现包括“测距终端→发射分系统→天线→高频接收分系统→测距终端”整个地面测控设备环路的标校，但是由于电磁波传播的近场影响，测量结果有一定偏差，目前得到的精度一般在米量级。

射频有线距离零值标定无法完成高功放耦合口→天线→低噪放耦合口路径信号时延的标校，只能实现包含“测距终端→发射分系统→高频接收分系统→测距终端”在内链路的有线射频部分零值的标校，但是可以实现较高精度的零值测量。

在高精度测距系统中，3种零值标校方案可以互相补充，互相验证。

2设备链路对测距精度的影响

2.1天线引入的距离零值变化

天线部分对系统测距精度的影响主要包括2个方面：① 天线相位中心相对于大地参考点的偏差；② 温度变化对馈源网络的影响。第①项指由于环境温度变化、基础形变、风载荷影响、自身重力载荷影响、结构件老化形变和天线俯仰角变化等因素导致天线相位中心的变化，进而使得天线相位中心参照于大地参考点产生偏差。第②项指由于环境温度变化，使馈源网络结构及其器件发生形变而导致的馈源网络时延的变化。

馈源网络结构较为复杂，电磁波在其中传输会遇到各种反射和耦合作用。当温度变化时，馈源网络的结构形变很难进行定量分析计算。可采用温变试验的方法进行分析。将待测馈源网络放置在温箱内，调节温箱温度，利用矢量网络分析仪实时测量不同频率馈源网络随温度变化的时延值或相位值。

根据某实测馈源网络，当温度由-40～60 ℃变化时，馈源网络中有/无滤波器是的群时延变化分别为0.04 ns/0.09 ns，分别对应距离值1.2 m/2.7 m。可见，滤波器是造成馈源网络时延变化幅度较大的主要因素。在工程应用中，一方面采取措施使滤波器工作环境温度相对恒定，一方面可以通过自校准链路完成馈源网络距离零值的实时标校。

2.2模拟信道设备引入的距离零值变化

把模拟信道设备定义为测距信号经过的(除天线外的)模拟设备通道，包括发射信道、高频接收信道以及数字基带测距终端的模拟收发电路部分。模拟信道的群时延会由于环境温度变化、接收信号的多普勒频移、信号电平变化以及元器件老化等原因发生变化。模拟信道设备引入距离零值变化的主要因素有：滤波器群时延变化[5,6]、放大器非线性、电缆长度随温度的变化特性。

2.2.1滤波器

滤波器群时延的变化分为2种:① 群时延曲线形状的变化：对于扩频测控系统而言，影响测距零值的是信号带宽内群时延曲线的综合反映，群时延曲线的非线性将降低接收信号的载噪比，进而加大测距随机误差。器件群时延曲线形状的变化特性难以预知,与外部环境和元件老化有直接关系。② 群时延大小的变化。在某工程[1]中曾经做过长时间的系统距离稳定性考核，在24 h内，环境温度从5 ℃变到45 ℃，距离均值变化达到1.187 m。

2.2.2放大器

放大器包括模拟信道中的中频放大器和射频放大器。在高精度测距系统中，放大器的非线性也是引入测距误差的主要因素之一。

带通饱和放大器可以用一个无记忆非线性器件后接一个带通滤波器来进行建模。若输入信号为[7]：

x(t)=a(t)cos[ωt+φ(t)]，

非线性放大输出后为：

y(t)=f[a(t)]cos {ωt+φ(t)+g[a(t)]}。

式中，f(·)和g(·)分别表示非线性器件的幅度-幅度(AM-AM)和幅度-相位(AM-PM)的传递特性，也可以认为是幅度和相位畸变。信号经过非线性功放后，信号功率谱会发生明显扩展，产生码间干扰，使接收测距伪码的相关峰值降低，从而加大测距随机误差。一方面，保证信号工作在放大器的线性区是减小放大器引入测距误差的根本途径；另一方面，自校准链路也可以监视包含放大器引入的距离零值的变化。

2.2.3电缆

以工程中常用ANDREW电缆为例。在-40～20 ℃电缆电长度变化与温度近似为线性关系，近似可以认为温度变化1 ℃，电缆的电长度变化为6 ppm。假设电缆的电长度为1 km，温度变化范围为10 ℃，则由于温度变化引入的电缆电长度变化为6 cm。因此，一方面考虑采取电缆深埋方式，减小电缆温度变化；另一方面，亦可采用自校准链路对电缆时延变化进行实时标校。

综上，天线及模拟信道设备直接影响测距系统的系统误差和随机误差。为了降低误差，应尽量做到：① 增加信道带宽，减小群时延及其变化；② 设计信号大小使系统工作在线性范围；③ 采取温度控制措施。在采取以上各项措施的基础上，仍旧需要采用自校准链路，完成系统距离零值的实时标定。

3自校准链路设计及性能分析

3.1标校信号的选择

标校信号的选择考虑2个方面：信号形式和信号带宽。对于扩频测距系统，标校信号形式初步考虑以下2种方案：

① 直接利用发射伪码信号作为标校信号，这样标校信号与测量信号同带宽，标校信号的时延波动直接反映测量信号设备零值的时延波动，但是必须注意发射伪码与接收伪码之间的码间干扰对测距零值的影响。该方案由于信号带宽受限于测量信号带宽，所以要想获得较高的测量精度，可能需要较长的检测时间，同时或多或少会对测量信号造成干扰。

② 利用较测量伪码带宽宽得多的频率梳信号，对测量信号设备零值的群时延特性进行拟合。该方案由于信号带宽较宽，更容易获得很高的测量精度。但是，该方案要求改造原设备使之增加信道带宽，而且，由于标校信号带宽和测量信号带宽不一致，必须要求信道内群时延一致性良好，而且需要考察带宽不一致情况下信道群时延测量结果的一致性。

3.2标校信号电平的确定

针对第1种方案，标校信号与设备实际接收信号相互之间的多址干扰经干扰抑制算法后，其相互影响可以通过等效载噪比来衡量[8,9]。设Cs为系统接收到的卫星返回的测距信号功率(简称卫星信号)，Cc为自校准链路标校信号功率(简称标校信号)，N0为噪声功率谱密度，Q为抗干扰因子(对于BPSK信号，Q=1.5)，Rpn为伪码速率，则卫星接收信号的等效载噪比可以计算为：

在本项目中伪码速率Rpn=10.23 Mcps，可以计算出不同卫星信号功率与标校信号功率之比情况下，标校信号对卫星信号载噪比的影响以及卫星信号对标校信号载噪比的影响，如图2所示。

图2　标校信号与卫星信号之间的相互影响

通过图2可以看出：同样的卫星信号与标校信号功率之比，信号功率越高，相互影响越大。采用标校信号功率较卫星信号功率低10 dB是一个较好的选择。例如，卫星信号和干扰信号的载噪比分别为55 dBHz和45 dBHz，卫星信号载噪比损失约为0.01 dB，标校信号信噪比损失约为0.1 dB。

3.3标校信号高精度时延测量

标校信号较卫星信号信噪比更加微弱，但标校信号处理精度要求更高，同时标校信号动态很小，所以可以采用开环信号处理技术实现标校信号的距离测量。

利用开环方法实现测距的随机误差理论计算公式为[1]：

图3　不同情况下的标校信号的距离测量精度

3.4自校准链路与工作信道不一致带来的误差

此外，还应该注意自校准链路与工作信道状态不一致带来的标校误差，该误差为系统误差。

在链路设计时,首先应减少标校时引入的射频部件,必须引入时,需要考核引入部件的指标，引入的射频部件尽量采用宽带设计。具体措施包括：

① 采用宽带校零变频器、耦合器；

② 将校零变频器和电缆放置于恒温装置中，减小环境温度变化引起的校零设备时延波动；

③ 定期进行校零变频器和电缆时延的测量，减小由于器件老化引入的时延变化。

4结束语

在扩频测距系统中，将发射伪码经自校准链路环回，完成设备零值的实时监测是实现高精度测距的一种必要手段。通过采用多址对消、干扰功率控制及高精度开环距离测量技术，可以将校零方法引入的误差限制在1cm以内。

此外，还应该采用措施尽量使自校准链路与工作信道一致，不一致部分需要采取恒温等措施使其保持时延稳定。

参考文献

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郭肃丽女，(1972—)，高级工程师。主要研究方向：航天测控新技术研究及应用。

作者简介

中图分类号TN923

文献标识码A

文章编号1003-3106(2016)02-0044-04

收稿日期：2015-11-12

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.02.11

引用格式：郭肃丽.厘米级扩频测距系统自校准链路分析[J].无线电工程，2016，46(2)：44-47.