异地对接测距方法研究

赵 江， 杨文革， 程艳合

(装备学院 北京 101416)

异地对接测距方法研究

赵 江， 杨文革， 程艳合

(装备学院 北京 101416)

为满足飞行器测控对接试验需求，在扩频非相干测量体制的基础上，提出一种异地对接测距方法。针对异地对接系统引入的信号时延不确定问题，研究异地对接的同步方法，采用时钟同步、触发同步，以及地面测控设备两次发射上行外测信号的方法。分析异地对接测距方法及其误差精度，确保异地对接达到预期目的。

测控系统； 对接试验； 异地； 非相干； 同步

引 言

由于飞行器试验具有不可逆性，并且代价高昂，为了确保飞行器试验过程可控可管，万无一失，在实际试验前，需要对飞行器应答机和地面测控设备之间的兼容协调性和匹配性进行全面的实际对接测试[1，2]。目前，飞行器测控对接试验一般根据任务需要，采用关键站点重点对接模式，即用户需要携带应答机至地面测控设备布设站点，按照事先约定的对接规范实施对接测试[3]，对接工作花费周期长，效率低，并且由于运输风险一般只使用测试样品。近年来，随着测控站管理的在轨飞行器数量大幅增加，以及各种新型飞行器试验任务强度不断加大，飞行器测控对接任务和测控管理任务安排的矛盾逐渐显现，原有对接方法已逐渐不能适应高强度飞行试验任务的需求。

针对扩频非相干测量体制，提出一种异地对接方法。该方法通过异地对接系统实现，对接时间灵活，并且由于无需搬运应答机，可以使用真实的上天产品，提高了对接试验的真实度。本文在分析异地对接系统结构的基础上，研究了异地对接测距方法，对于其引入的信号时延不确定问题，提出了相应的同步方法，保证了异地对接的质量。

1 异地对接概述

1.1 异地对接方式

目前的对接试验中，测控设备与应答机是通过射频链路直接联接的[4]，如图1所示，由于必须将应答机携带至测控站点，对接试验费事费力，十分不便。异地对接方法克服了这一缺点，它是一种基于网络进行数据传输的远程对接方法，应答机安置在研制单位的测试厂房，而不必搬运至测控站，通过在处于两地的地面测控设备和应答机两端分别布设异地对接系统，并经由IP通信网进行数据传输，构建测控信号传输链路，完成对接测试。异地对接方式示意图如图2所示。

图1 现有对接方法示意图

图2 异地对接方式示意图

1.2 异地对接系统

异地对接时，地面测控设备和应答机分处两地，经由异地对接系统联接在一起。异地对接系统由三个部分组成：位于测控设备一端的异地对接设备、传输网络、位于应答机一端的异地对接设备。其中，地面测控设备端异地对接设备由下变频器1、上行链路记录单元1、下行链路回放单元4、上变频器4等组成；同样的，应答机端异地对接设备由上行链路回放单元2、上变频器2、下行链路记录单元3、下变频器3等组成。异地对接系统的结构如图3所示，其显著特点是分别配置了回放单元和记录单元，利用它们解决了异地对接中存在的时延不确定性导致的同步问题。

图3 异地对接系统结构框图

2 扩频非相干测量方法

由于本文重点讨论的是信号时延的影响，现就测距原理进行说明。扩频非相干测量体制中，上、下行信号均采用测量帧结构。地面站测量帧编帧扩频后，利用上行链路发送到应答机；应答机接收到上行信号后，进行解扩、解调、帧同步，再利用自身形成的下行测量帧对上行信号采样，得到码相位Φup1，同时采样上行多普勒等测量信息，并将这些采样信息实时放入下行测量帧送至地面站。地面站接收到下行信号后进行解扩、解调、帧同步，利用下行帧同步信号对自身形成的上行信号采样，得到码相位Φup2，并采样下行多普勒等信息。地面测控设备通过对应答机测量值和地面站测量值进行综合计算完成测量[5]。假设扩频伪码速率为RPN，则有时延

在对接中测出的时延对应的是距离零值：

扩频非相干伪码测距时序图如图4所示。

图4 扩频非相干伪码测距时序图

3 异地对接的同步

测控系统正确接收、解调和测量信号，需要应答机和地面测控设备的协同工作，然而，根据图3，我们发现，由于异地对接系统工作异地异时，测试信号经过异地对接系统存在模拟信号和数字信号的转换过程，并且数字信号通过IP通信网传输，传输时延无法准确控制、预测和获得，这个时延可能会长达数小时甚至数天，此外为了灵活安排试验时间，应答机和测控设备的工作时间也并不一定能保证协调一致。结合图4可知，对于扩频非相干测量体制而言，由于异地对接系统无法按照常规方法直接建立实时上、下行链路，因而信号往返时延不能直接采样获得。针对异地对接系统引入的信号时延不确定的问题，我们研究了在测量距离零值时获得异地对接同步的方法，以确保异地对接的有效性。

异地对接同步包括应答机端记录和回放的同步，以及测控设备端记录和回放的同步，下面分别进行论述。

3.1 应答机端记录和回放的同步

在异地对接过程中，处于应答机一端的异地对接系统需要回放从测控设备端传来的上行信号，并同时记录应答机发射的下行信号。为了准确记录测试信号在模拟传输过程中的时延，我们研究了上行信号回放时刻和下行信号采样时刻的同步方法。

3.1.1 时钟同步

由于存在数模转换和模数转换过程，因此回放单元和记录单元的采样时钟不同步，将引起回放和记录信号的不同步[6]。为此，回放单元和记录单元的时钟由同一频率合成器和时钟分配器提供[7]，从而保证回放和记录的采样时刻同步，如图5所示。

图5 时钟同步设计框图

3.1.2 触发同步

我们知道，数字通信是以数据块的形式传递和处理的，D/A转换和A/D采样的触发时刻不同，会引起数据块在时间上不能严格对齐，带来时延测量误差[8]。为此，需要通过同步触发信号发生器产生两路同步触发信号，同步使能D/A和A/D转换过程。

同步触发信号发生器包括单片机和FPGA等器件[9]，其结构如图6所示。单片机是触发信号发生器的控制核心，可根据用户要求选择不同的触发方式；FPGA根据控制逻辑，生成多路同步触发信号，使能回放单元和记录单元，完成触发同步。

图6 同步触发信号发生器结构框图

在这个过程中，虽然ADC和DAC的采样时钟由同一频综提供，但由于模数转换速率和数模转换速率的不一致(假设fADC＝56MHz，fDAC＝224MHz，同步触发信号仍会引起回放和采样时刻的不一致，如图7所示。因此，生成同步触发信号的逻辑控制中还需要考虑采样时钟，以保证回放单元和采样单元的同步触发工作时刻准确对齐[10，11]。

综上，应答机端异地对接系统的回放单元和采样单元的同步，可以保证回放信号时刻与记录信号时刻对齐，从而准确记录测试信号在应答机端模拟传输时的时延。同步原理如图8所示。

图7 触发信号与时钟的关系示意图

图8 应答机端异地对接系统记录和回放单元同步原理示意图

3.2 测控设备端记录和回放的同步

在异地对接过程中，测控设备发射上行信号和接收下行信号之间可能存在一个长达数小时甚至数天的不确定时延，导致无法实时进行上行外测信号与下行外测信号的比对和处理。为此，本文设计了测控设备发射两次上行外测信号的方法，具体过程如下：

①测控设备第一次发射上行外测信号，由同步单元根据指定的同步帧脉冲产生触发信号，触发测控设备端异地对接系统上行链路的记录单元，记录上行外测信号；

②数据经过异地对接系统上、下行链路，在一个不确定的时延后，传回测控设备端异地对接系统下行链路的回放单元；

③测控设备第二次发射上行外测信号，同步设备获取同一个指定的同步帧脉冲，触发启动测控设备端异地对接系统下行链路的回放单元，回放下行外测信号。

可见，这里利用测控设备与测控设备端异地对接系统距离很近、链路稳定的特点，采用地面测控设备两次发射上行信号的方法消除了信号往返传输时延不确定带来的影响，如图9所示。

图9 测控设备端异地对接系统记录和回放同步原理示意图

为保证异地外测对接的可行性，测控设备两次发射的上行外测信号应完全相同，包括信号结构、频率、内容等的一致。至于信号记录和回放单元的模数转换速率和数模转换速率不一致的问题，解决方法与应答机端记录和回放同步相一致，这里不再重复叙述。

4 异地对接测距方法及分析

4.1 测距方法

根据前文叙述的扩频非相干测量体制和异地对接同步方法，我们可以在异地对接中消除信号往返传输时延的不确定性。异地对接测量时序图如图10所示，测距方法如下：

图10 异地对接测量时序示意图

①测控设备第一次发射上行外测信号，由同步单元根据指定的同步帧脉冲产生触发信号，触发启动测控设备端异地对接系统上行链路的记录单元，开始记录上行信号；

②上行信号经过异地对接系统上行链路，传输到应答机端异地对接系统；

③同步触发信号发生器产生同步触发脉冲，使能应答机端异地对接系统的回放单元和记录单元，同步回放上行信号、记录下行信号；

④应答机接收上行信号后，进行扩频非相干测量，并发送下行信号；

⑤下行信号经过异地对接系统下行链路，传回测控设备端异地对接系统；

⑥测控设备第二次发射和第一次完全一样的上行外测信号，同步单元获取同一个指定的同步帧脉冲，触发启动测控设备端异地对接系统下行链路的回放单元，回放下行外测信号；

⑦测控设备获得下行信号，进行扩频非相干测量，通过对应答机测量值和地面站测量值进行综合计算，完成测量距离零值的过程。

可见，异地对接同步后，在地面站测控设备第二次发射上行信号时，测控设备端异地对接设备下行链路回放单元回放的下行信号，只包含信号在应答机端为模拟状态时的传输时延，并且回放时刻与地面站测控设备第一次发射时的记录时刻保持相对同步，有Φ′up1＝Φup1，则有信号时延

它所对应的距离零值为

将其与第2节中扩频非相干测量的测距公式相比，显然，异地对接没有影响到扩频非相干测量体制的解算过程，保证了异地对接的有效性。

4.2 测距误差

对比图4和图10可以看出，异地对接过程中应答机端记录和回放的同步，以及测控设备端记录和回放的同步，都会引入信号同步时延误差。这个同步误差主要包括产生多路同步触发脉冲的同步误差Δt1和地面测控设备两次发射上行信号记录和回放触发脉冲的同步误差Δt2。此时，信号时延

距离零值

由于同步误差主要是由硬件电路引入的处理时延，因此其精度可以达到亚纳秒量级[9]。假设扩频伪码速率RPN＝10MHz，同步时延Δt1＝Δt2＝1ns，则有测距误差

可见，异地对接测量方法完全可以满足现有对接测试要求。

5 结束语

本文提出一种能够有效提高对接试验效率的异地对接方法。针对扩频非相干测量体制，研究了异地对接同步方法，消除了信号往返链路传输时延不确定性对距离零值测量的影响，保证了异地对接的有效性。关于信号通过异地对接系统后引入的噪声及其影响等问题，将在后续工作中进行详细探讨。

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Research on Ranging Method of Off-Site Compatibility Test for TT＆C System

Zhao Jiang， YangWenge， Cheng Yanhe

Tomeet the needs of TT＆C system compatibility test，based on the non-coherentmodes of spread-spectrum TT＆C system，a rangingmethod of off-site compatibility test is proposed.For the problem of the uncertainty of signal delay，a newmethod of synchronization of the off-site compatibility test system is studied in this paper，including the clock synchronization，hardware triggers，and themethod of twice transmitting uplink signal from the ground TT＆C station.The rangingmethod and its accuracy of off-site compatibility test are analyzed，in order to achieve the desired purpose.

TT＆C system； Compatibility test； Off-site； Non-coherent； Synchronization

TN79；V526

A

CN11-1780(2014)05-0067-07

赵 江 1989年生，硕士，主要研究方向为航天测控和数字信号处理。

2014-04-02 收修改稿日期：2014-05-27

杨文革 1966年生，教授，博士生导师，主要研究方向为航天测控和现代数字信号处理。

程艳合 1987年生，博士，主要研究方向为航天测控技术、空间飞行器测控与通信系统。