基于多链路联解的扩频系统零值测量方法

李增有 卢尚明 张胜

摘要：新一代高精度测定轨系统要求地面测控设备零值测量精度达到厘米量级，与目前测控通信领域典型的测距零值标定残差工程指标相比提高了约2个数量级。提出了一种基于多链路联合解算的扩频测控设备距离零值标定方法，可以解决传统的分段标校方法带来的误差累计。理论分析和外场测试验证标校精度可达到厘米量级，精度优于0.02 m

关键词：扩频测控；标校；应答机；距离零值

中图分类号：TN95文献标志码：A文章编号：1008-1739（2021）24-59-5

0引言

传统的基测控装备由于采用了大口径天线，系统距离零值标定通常是基于校零变频器对塔的方式来间接完成[1-2]。塔上设备包括标准喇叭、射频电缆、环形器及校零变频器等。在距离零值标定过程中需要根据设备不同工作状态记录对应的零值，包括不同温度、不同频段、同频段不同频点、不同极化及不同收发电平等[3]。为达到厘米量级的的校零残差，在实际操作中，需要高精度测量的项目包括：①精确标定抛物面天线三轴中心和标校塔校零天线相位中心的空间距离；②精确标定塔上设备零值，包括标准喇叭、射频电缆、环形器及校零变频器。

传统标校的空间距离扣除方法误差可达米量级，且多采用分段标校的方式获取塔上设备零值。分段标校获取塔上设备零值带来的主要问题是多个器件独立测量，如何分离每个独立器件的起止点，以及其间连接电缆的处理会引起误差累计。根据相关文献资料查询结果，目前工程上仍缺乏塔上设备整体零值高精度标定方法[4-5]。此外，变频器件的群时延测量也是工程测量的难点。本文针对基于非相干扩频测量体制的高轨卫星测轨系统厘米级零值标定需求，提出了一种多链路联合解算设备零值的方法，解算地面测控设备和塔上校零变频设备的零值，解算精度达到了厘米量级。

1需求分析

1.1非相干扩频测量体制工作原理

随着扩频体制在卫星测控领域的推广应用，相继出现了相干模式和非相干模式2种扩频测控方式[6-7]。扩频测控的相干模式是采用抑制载波调制的伪码相干转发方式进行测距，地面接收下行伪码与上行伪码比较解得星地距离，遥控指令和遥测数据均采用伪码扩频调制方式。非相干模式采用测量帧结构，帧内所传信息是测距信息，上行测量帧仅用于解距离模糊，下行测量帧调制应答机状态信息、上行伪距、伪多普勒测量信息及星上时间采样信息等。与相干模式不同，非相干方式的上行伪码及速率与下行伪码及速率无需相干，非相干扩频TT&C测距原理如图1所示。

地面接收到下行测距链路信号后进行解扩、解调、帧同步提取得到下行测量帧同步信号，再利用下行帧同步对自身形成的上行信号采样，提取帧计数、位计数、扩频伪码计数、码相位，并采样下行多普勒值等测量信息。地面对卫星传送下来的星上上行伪距、伪多普勒测量值、时间采样值和地面测得的下行伪距、伪多普勒测量值、时间采样值进行计算，完成测距、测速、时间差测量。

根据上述非相干扩频测控原理，上下行链路伪距测量独立不相关，正是基于该特点，可以采用有别于常规分段标校的思路，利用多链路联合解算的方法，建立多个测距方程，实现链路构成结点设备的距离零值高精度解算。

1.2多链路联合解算技术需求

系统采用非相干扩频测量体制，要求实现高轨卫星事后米级、实时十米级的高精度测定轨能力[8-9]，系统零值标定残差要求达到厘米级，相对于目前测控通信领域典型的测距零值标定残差工程指标米量级要求提高了2个数量级[10]。基于该需求，提出了一种多链路联合解算设备零值的方法，可以整体解算地面测控设备和塔上校零变频设備的零值，解算精度达到了厘米量级。在本文所设定的试验条件下，解算精度优于0.02 m。

2多链路联合解算方法

2.1基本原理

利用非相干扩频测量模式上下行链路的独立性，基于校零变频器和高精度联试应答机构建立3条独立的无线测量链路，建立3个关系式来联合解算地面测控设备零值、校零设备零值、高精度联试应答机零值。多链路联合解算设备零值原理如图2所示。

实际应用中，应答机天线可能存在收发天线分置情况，如图3所示，与收发天线公用相比，原理和解算方法基本一致，区别在于空间距离零值的扣除上以及应答机零值参考点表征位置的不同。

2.2关键技术

为了保证上述3个方程的准确性，在实际操作中，需要保证以下3个场景中设备零值的一致性控制。

（1）地面测控设备零值一致性控制

如图4所示，地面测控设备分别与高精度联试应答机、高稳定校零变频器构成无线闭合链路，完成对应的收发延迟测量。2种测试场景中，区别在于地面接收的扩频码的不同。地面测控系统—高稳定校零变频场景中，地面测控系统接收的是地面发射的上行伪码，地面测控系统—高精度联试应答机场景中地面测控系统接收的是应答机发射的下行伪码，通过扩频码的选择可以确保2种模式下，由扩频码的不同而带来测距值的差异可控。

此外，在图4所示的2种应用场景中，地面测控系统采用同一个调制器和接收机，从而保证数字信号处理电路一致。同时，这2种方式对地面测控系统而言，上行链路频点一致，下行链路频点偏差可以控制在50 kHz以内，从而保证模拟信号传输路径基本一致，因此在保证设备状态一致的情况下可以保证地面测控设备零值一致。

（2）高精度联试应答机设备零值一致性控制

高精度联试应答机零值一致性控制如图5所示，高精度联试应答机下行信号的产生与上行的接收信号接收相互独立。因此高精度联试应答机基于下行信号通过校零环路可以完成自身零值的测量，其基本原理与地面测控设备对塔校零相同。同上，通过扩频码的选择可以确保2种模式下，由扩频码的不同而带来测距值的差异可控。

此外，在图5所示这2种应用场景中，高精度联试应答机在信号处理中保持环路统一，从而保证数字信号处理电路一致。同时，2种方式对高精度联试应答机而言，下行链路频点一致，上行链路频点偏差可以控制在50 kHz以内，从而保证模拟信号传输路径基本一致，因此在保证设备状态一致的情况下可以保证设备零值一致。

（3）校零变频设备零值一致性控制

在图6所示的地面测控系统—高稳定校零变频场景中，高稳定校零变频设备输入频段2 025～2 120 MHz，输出2 200～2 300 MHz；高精度联试应答机—高稳定校零变频场景中，高稳定校零变频设备输入频段2 200～2 300 MHz，输出2 025～2 120 MHz，即高稳定校零变频，需要分时工作在上变频工作方式和下变频工作方式。

因此需要确保高稳定校零变频（含天线、双工器、校零变频器等）的在上/下变频工作方式下的设备零值的一致性，重点在于确保校零变频器的互易性，也就是上变频（正向）和下变频（反向）传输特性的一致性。

互易混频器的设计与实现目前已有成熟的解决方案，其中幅度互易性可以由变频器件的标量混频校准技术来确定，进而验证混频器的相位互易性。

3測试验证

为了验证上述技术的可行性，在试验外场，搭建了S频段无线试验验证系统。为了保证校零变频器的互易特性，采用无源混频器和输入输出带滤波器的无源混频器2种变频器方案。

地面设备零值标定主要步骤如下：

①地面站天线对准校零变频链路天线建立闭环无线链路，得到闭环测距值，并通过全站仪测量空间距离。

②地面站天线对准高精度联试应答机天线建立闭环无线链路，得到闭环测距值，并通过全站仪测量空间距离。

③校零变频链路天线对准高精度联试应答机天线建立闭环无线链路，得到闭环测距值，并通过全站仪测量空间距离。

④建立联合解算方程，解算地面测控设备（含天线）、校零变频链路（含天线）、高精度联试应答机（含天线）距离零值。

在地面设备和应答机状态不变的情况下，对2个校零变频链路重复测量，测量数据如表1和表2所示。

从表1和表2所示测量数据可以看出，2种状态下解算出的地面设备零值差异约1.1 cm，应答机零值差异约0.7 cm，校零设备零值差异约6.25 m，与矢网测量结果（差异约22 ns）相当。

在地面设备和校零变频设备状态不变的情况下，通过增加应答机设备零值（增加一段约2 m电缆）重复测量，2 m电缆测量数据及结算结果如表3所示。

对比表1和表3所测数据，2种状态下解算出的地面设备零值差异约0.6 cm，校零变频零值差异约1.2 cm，2 m电缆带来的应答机零值变化约2.856 m。

在应答机和校零变频设备状态不变的情况下，通过增加地面设备零值（增加一段约2 m电缆）重复测量，地面测控设备增加2 m电缆测量数据及结算结果如表4所示。

对比表1和表4所测数据，2种状态下解算出来的应答机设备零值差异约0.5 cm，校零变频零值值差异约1 cm，2 m电缆带来的应答机零值变化约2.86 m。

从上述3组测量数据可以看出，多链路联合解算技术可保证扩频测控设备距离零值标校优于2 cm的精度，且具有重复性。

4结束语

多无线测量链路联合解算设备零值技术充分利用了扩频模式2上下行链路独立的特点，在传统的地面站—应答机和地面站—校零变频2条测距链路之外，构建了一条应答机—校零变频测距链路来联合完成零值解算。该技术可以同时整体解算地面设备、校零变频设备、应答机整体零值，解算误差由空间距离标定误差和设备测距误差决定。理论核算与试验验证，标校精度达到了厘米量级，在确保标定过程严谨、准确的条件下可以达到2 cm水平，可用于扩频系统的高精度测距零值标定过程。

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