采用差频测相技术的高精度测距系统研究

薛敏彪，赵雪红，党 群

（西北工业大学365研究所，陕西 西安710065）

采用差频测相技术的高精度测距系统研究

薛敏彪，赵雪红，党 群

（西北工业大学365研究所，陕西 西安710065）

针对无人机着陆引导系统测距精度低的问题，采用了一种基于应答方式的差频测相的测距方法。通过对差频测相方法的详细分析，结合无人机着陆引导系统中测距精度的要求，实现了无人机高精度无线电测距系统的设计，并对该测距系统的主要误差进行分析，提出了相应的解决方法。与当前无人机无线电原有测距方式相比，可将测距精度提高一个量级，使系统测距误差由米级降至分米级，满足了无人机着陆过程中的高精度测距要求。

测距系统；测距精度；差频测相；误差分析

随航空和航天技术的迅速发展，人类对测距精度的要求越来越高。在无人机无线电着陆引导系统中，着目前对于无人机距离测量的精度要求高达分米级，而当前无人机测距方法通常是通过测量时差获得待测距离，测距精度通常只能达到米级，因此时差测量难以满足上述精度要求。由于相差测量比时差测量具有更高分辨率，所以在高精度距离测量方面，相差测量技术得到了广泛应用。例如国外的GRACE卫星系统中星星测距就采用了精密的相差测量。差频测相技术是实现相差测量的关键技术。文中在原有的测距方法基础上，提出一种新的高精度测距方法，该方法采用差频测相技术来测得相位差，进而得到高精度距离的测量，为无人机着陆过程中提供高精度距离信息。

1 测距系统

无人机着陆引导系统是用无线电设备使无人机安全着陆的导航系统，它能提供精确的着陆方位、下滑轨道和距离等引导信息，依据这些信息无人机能对准跑道，按给定的下滑角进场和自动着陆。在无人机着陆引导系统中，测距技术是决定引导成败的关键技术之一。

无人机无线电测距通常采用基于应答方式的伪码测距方式，通过测量地面发射伪码与接收伪码之间的传输时延得到距离。实际系统中将无线电波作为载波，调制测距伪码信号，进行精密测距，其测距系统框图如图1所示。

从上图可知，地面着陆引导系统发送信标信息至无人机机载应答机，无人机机载应答机接收到信息后发送应答信号至地面着陆引导系统，地面着陆引导系统将接收的测距伪码应答信号与原发射的测距伪码信号进行相位比较，测定出两者之间的相差，从而得到发射伪码信号与接收伪码应答信号之间的时延Δτ，实现地面着陆引导系统与无人机机载应答机之间的距离测量。因此待测距离为

图1 无人机无线测距系统框图

其中，c为光速，n为伪码时延的码元整周期数，Ts为发射伪码时钟信号周期，Δφ为地面发端伪码时钟信号与收端同步伪码时钟信号经传输时延产生的相位差。根据式（1）可得Δτ与Δφ之间的关系为：

无人机起降着陆系统中对测距的精度要求达到分米级，一般无线测距方法难以满足要求，提出了一种新的测距技术—差频测相技术，可实现无人机起降着陆系统中高精度测距要求。

1.1 采用差频测相技术的相位测量系统

在无人机无线测距系统中，为了保证所要求的测距精度，伪码调制速率通常选得较高，一般为几MHz～几十MHz。如果直接对高速率伪码信号进行相位测量，会增加电路复杂度，难以实现高精度的距离测量。采用差频测相可以将高速率信号变为低速率信号，且该低速率信号仍保留了原高速率信号相位信息，因此易于进行相位测量，实现高精度测距。

差频测相原理就是将发端信号和收端信号分别与本地振荡器输出信号进行混频，然后经低通滤波得到相应的差频信号，对差频信号进行放大整形处理后进行测相，获得这两路信号的相位差，从而获得待测距离。通过差频处理后信号频率降低，相应地信号周期增大，便于相位差的测量，从而提高测相精度。测距系统差频测相框图如图2所示。

设发端伪码时钟信号（由主振荡器产生）：

图2 测距系统差频测相框图

经锁相环得到本地振荡器信号：

上式（4）中，取 ωi=0．999ωs

接收端通过DLL延迟锁相环[10-11]得到收端同步伪码时钟信号：

分别将发端伪码时钟信号和收端同步伪码时钟信号与本地振荡器的输出信号进行混频，然后经低通滤波器获得两路输出信号分别为

参考信号：

测距信号：

由以上公式可得出结论，混频滤波后参考信号和测距信号的相位差等于混频前发端伪码信号和收端伪码信号的相位差Δφ，可见差频处理只引起频率的变化并没有引起相位差的变化。由ωs与ωi关系得知，差频信号的频率 ωc=ωs-ωi约为 ωs/1 000，因此极大地降低了正弦信号频率，提高了测相精度。

1.2 测相单元

测相单元的主要功能是通过测量差频信号的相位差，实现高精度距离测量。测相单元采用数字测相法[12-14]，其主要思路是将两路信号放大整形后获得两路方波，然后对方波进行处理求得相位差。

图3 数字测相示意图

数字测相示意图如图3所示，通过放大整形通道将正弦波（同频）的参考信号st2与测距信号sr2分别进行处理得到对应的方波（同频）信号，然后通过参考信号st2方波的下降沿触发检相触发器的置位端输出高电平，经过对应于相位差Δφ的时间段后，测距信号sr2方波的下降沿触发检相触发器的复位端输出低电平，这样就得到了触发器的检相脉冲。也就是说，被测相位差Δφ与检相脉冲宽度是相互对应的。触发器处于置位状态时，填充脉冲Cp通过门1进行计数；触发器处于复位状态时，Cp不能通过门1，计数器记下触发器处于置位状态时的填充脉冲数 （单次）。设计数器记录的单次脉冲数为m，则相位差：

其中：ωc、fc分别是参考信号和测距信号的角频率和频率；t为触发器置位时间；fcp为填充脉冲的频率。由上式可以说明，填充脉冲数正比于被测相位差Δφ。

在实际测量时，测距系统因受各种干扰等因素影响，导致测距精度降低。为了提高测量精度，通过在数字测相示意图的计数器前增加门控信号，取门控时间为Th，在Th内进行多次测量后求平均值，提高测距精度。

设Th内测相次数为K，则

其中：Tc=1/fc，Tc为参考信号和测距信号的周期。

可得Tc内脉冲总数：

根据式（10）可推出N与Δφ之间的关系为：

上式中fcp，Th的值均恒定，可见脉冲总数N与Δφ相位差成正比。

2 主要误差分析

2.1 差频误差

在相位测量过程中，若仪器的主振频率不稳定，主振频率经过锁相环产生的本振频率也就不稳定，这样主振频率通过与本振频率混频后获得的差频信号频率将会发生漂移，差频信号经放大整形后获得的方波信号就会产生变化，从而产生误差[7]。测距系统在选用仪器时，选用高精度、高稳定度的温度补偿晶体振荡器，通过它产生稳定的主振信号，后经锁相环获得稳定的本振，这样使得主振与本振间的差频信号稳定，通常可以使差频的稳定度达1/105，减小差频误差。

2.2 幅相误差

由于收端信号受到各种噪声和大气抖动等因素的干扰，使其幅度发生变化而导致测距误差。实际上，收端信号的幅度变化通过直接影响测距信号幅度的变化，引起测距信号和参考信号的幅值相差较大 （相应地相位差的测量值与理论值相差较大），造成测相误差较大。通常通过在测距系统的接收电路模块中加入自动增益控制部分[15]，改善参考信号和测距信号的幅度大小，使两者幅值趋于相近，从而减小误差。另外，也可以采用多次测量求平均值，减小测相误差。

2.3 计数误差

数字测相时，在门控时间Th内，由于检相脉冲与填充脉冲的不同步，使得检相脉冲处于工作状态时，填充脉冲通过与门不能正常的触发计数器进行计数，从而产生了计数误差。一般来说，可能产生个的计数脉冲误差。目前通过增加门控信号脉冲宽度，即通过多次测量取平均值，减少误差。

3 结束语

为了提高无人机起降着陆系统中的测距精度，提出一种采用差频测相技术的高精度测距方法。详细阐述了测距系统原理，通过采用差频测相技术和数字测相技术完成高精度相位测量，分析了差频测相技术所产生的几个主要测距误差，并提出了相应地解决方法，可实现无人机起降着陆系统的高精度测距。

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Research on high precision ranging system based on phase-shift measurement

XUE Min-biao，ZHAO Xue-hong，DANG Qun
（The 365 Institute of Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710065，China）

Aimming at the low ranging precision of UAV landing guidance system，a ranging method based on response of phase-shift measurement is adopted.Through analyzing the phase-shift measurement method in detail and combining the ranging requirement of the system，achieves the design of high precision of UAV radio ranging system，and some specific methods are introduced by analyzing the main error of the system.Compared with the current UAV original radio ranging mode，ranging precision improves an order of magnitude，finally makes the ranging error by meters to decimeters and meets the requirement of high precision ranging of UAV landing guidance system.

ranging system；ranging precision；phase-shift measurement；error analysis

TN914

A

1674－6236（2017）17-0145-03

2016-06-21稿件编号：201606149

薛敏彪（1957—），男，上海人，硕士，研究员。研究方向：无人机测控数据链总体技术。