一种星间测距与时间同步的地面验证方法

周莉 王竹刚 董文涛 阎敬业

(中国科学院国家空间科学中心,复杂航天系统电子信息技术重点实验室,北京 100190)

星间通信测距和时间同步技术是卫星编队飞行进行联合探测的关键技术,但由于地面很难模拟卫星在轨实际工况,比如几千米到几百千米的远距离、在轨温度变化、星间相对速度等条件,以及地面多径效应、试验复杂、难实施等因素影响。因此,星间通信测距时间同步技术的地面验证试验的研究具有重要意义。

由于地面验证存在选址困难、操作复杂、无线通信易受多径干扰等缺点,大部分星间通信测距时间同步的测试基于桌面有线。文献[1]提出用光纤模拟通信长距离,但光纤的传输时延受到温度和光纤链路上分布应力等因素的影响而波动,需要专门设计一套复杂的基于光纤的测距验证系统,并对温度等因素对信号延时的影响进行闭环反馈,适用于对验证系统测距精度要求高。但仅仅桌面有线试验无法验证星间通信测距的动态性能。文献[2]提出了光纤结合电控平移台的方案进行桌面无线试验,这种方法动态移动范围很有限,只有50cm左右,并且在移动初始时,对测距带来剧烈的振荡,影响测距精度。

本文基于龙江卫星双星编队任务和空间科学先导卫星二期背景型号预研“超长波天文观测阵列”的研究背景[3-4],超长波任务利用“1主9从”10颗卫星的绕月线性编队形成空间分布式干涉阵列,在月球背面开展空间低频射电天文探测[5]。编队卫星需要进行实时的星间基线测量和多星探测(采样)时钟同步,编队卫星采用线性编队,星间距离为1～100km,卫星相对运动速度>5cm/s,测距误差要求为100km距离时误差为1m,时间同步精度3.3ns。

星间通信测距时间同步是整个干涉测量任务的关键技术,需要在地面进行充分验证;由于任务的测距精度不高(1m),所以对地面验证系统的测距精度也可以放宽到厘米级。本文首先对星间测距时间同步的原理进行介绍,然后对地面验证试验的方法和原理进行分析,最后通过地面试验结果说明验证方法的可行性和有效性。

1 星间通信测距时间同步原理

由于全球导航卫星系统(GNSS)信号[6-7]无法覆盖高轨、月球轨道或深空轨道,因而星间通信测距时间同步采用双向单程伪距测量体制(DOWR)[8-9],进行双向测距。

星间时钟同步原理是采用时钟驯服原理[9-10],以主星的时钟为基准,将子星的时钟向主星的时钟对齐。时钟驯服算法的硬件构架如图1所示,主星和子星上配置压控恒温晶体振荡器(VCOCXO)、高精度的数模转换器(DAC)、以及由CPU和FPGA组成的解算控制单元,通过上述DOWR测得两星之间真实的的时差,经过二阶锁相环滤波器,采用比例、积分和微分(PID)算法闭环控制高分辨率DAC(20bit),得到控制电压,实时输出到电压可控的恒温晶振,使得该VCOCXO产生和参考源同频、同相(即时间同步)的被驯服时钟。

图1 时钟驯服系统构架Fig.1 Architecture of clock taming system

时钟驯服可以让被驯服后时钟短期稳定度良好的同时,将长期频率稳定度校准到参考源。由于质量功耗成本的限制,本文方法的主星和子星均采用的VCOCXO是80MHz,短期频率稳定度≤10-12/s,长期频率稳定度≤10-7/s,驯服误差<3.3ns[8]。

2 地面验证方法

通过对有线和无线的地面验证方法的调研和试验,本文提出了一套系统的星间通信测距时间同步地面验证方法,包括桌面有线测试、高低温箱有线测试、微波暗室无线测试、车载无线测试4个基础试验,建议按顺序进行,先进行有线静态测试满足技术指标要求后,再进行外场的动态测试,因为动态测试试验环境和操作复杂,试验不成功的影响因素多,比如天线对准或者多径效应、设备电缆松动等。

桌面有线测试利用信道模拟器和可调衰减器,模拟不同距离和信噪比的工况,测试设备引入的误差可采用矢网进行标定,该工况下的误差引入最小,但无法测试设备的动态响应特性。高低温箱测试模拟在轨不同环境温度的工况,方法与桌面有线类似,高低温箱是特别重要的部分,首先进行温度标定,再在全温范围内测试测距和时间同步的性能。微波暗室无线测试采用扫描架运动模拟在轨动态工况,一般微波暗室天线扫描架的控制精度很高,可达毫米级,并能够同时测试通信测距和时间同步的动态性能。由于微波暗室扫描架运动只有几米的长度和每秒几十厘米的速度,增加车载无线测试模拟星间高相对运动速度的工况,车载速度可达100km/h(约28m/s)以上,平均加速度可达7m/s2,车载试验主要目的是测试星间通信测距的动态响应性能,外场动态测距误差引入比较难控制。以上方法适用于主从式的组网方式,支持多址复用,通过地面试验同时实现一颗主星与多颗子星之间的通信测距和时间同步的功能验证[11],其中子星之间没有通信链路(见图2)。

下文将依次对地面测试方法进行介绍。

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图2 星间通信测距时间同步地面验证方案Fig.2 Ground verification scheme for inter-satellite communication, ranging and clock synchronization

2.1 有线测试

星间设备在完成桌面有线调试,并且进行了零值标定、信噪比补偿和温度补偿后,再进行基于信道模拟器的桌面有线测试,如图3所示。桌面有线测试方案采用信道模拟器设置星间距离,采用可调衰减器设置信道衰减,以及通用频率计数器计算并实时存储主星与各子星之间的时间同步误差;通过测距值与信道模拟器设置的测距值比较,计算误差。

桌面有线测试方法可以分为加入信道模拟器和不加入信道模拟器。不加入信道模拟器可以同时测试通信测距和时间同步,用标定好的被测电缆代替信道模拟器;加入信道模拟器后会对时间同步参数产生偏移,只能测试通信和测距。从试验的复杂度和成本考虑,一般信道模拟器加在前向或者反向链路一条链路上即可,这时需要把系统中的双工器去掉。另外,由于用户的实际应用一般工作在射频(L,S,Ku,Ka等频段),所以还需要配置上下变频模块来匹配信道模拟器工作的频段。系统中增加的上下变频器、信道模拟器、可调衰减器会对测距和时间同步的零值产生影响,但不会影响相对测距,可以进行多次不同距离的测量,计算距离变化的差值。

桌面有线测试方法采用的计数器为通用频率计数器53230A,时间分辨率为20ps,具有数据记录和存储功能,以主星的秒脉冲(PPS)为基准,计算子星输出的同步PPS与主星PPS之差,就是同步时差。频率计数器53230A为双通道输入,若进行多星的测量,需要多台53230A。

图3 桌面有线测试方案Fig.3 Desktop wired test scenario

桌面有线测试采用的信道模拟器可以根据用户的频段,选用合适的通用信道模拟器,能够有效模拟各种信号恶化(多普勒、时延、衰落、相移等),如DBM公司信道模拟器的信号的时延参数可以精确到0.1ns(距离约为0.03m)步进,当工作在动态模式时,时延的变化率范围从0.5ps/s到20ms/s。

桌面有线测试方案系统本身引入的测量误差来自信道模拟器和通用计数器的误差(精度),信道模拟器的测距误差为3cm,时间同步测试的误差可以到20ps,适用于星间测距精度要求为厘米级的任务。

在无线电测量系统中,影响测距精度的主要因素有晶振频率稳定度、温度、信号信噪比等因素。温度对测距变化的影响可以通过温度标定的方法消除,一般设备在轨工作温度为-40℃～+50℃,需要注意恒温晶振的工作温度范围,高温下恒温晶振的性能恶化严重,会导致系统失常。温箱的工作温度可以设置10℃的步进工作温度。主星和子星的设备需要分别进行标定。高低温箱有线测试与桌面有线测试连接类似。标定的方法是首先对待测设备在不同温度下的测距和时间同步值进行记录,通过DOWR解算公式演算出测距和时间同步的补偿值;然后对温度补偿后设备在10℃的步进工作温度下进行测试验证。高低温箱测试是对在轨温度工况的模拟,是地面验证重要的部分。

2.2 微波暗室无线测试

根据前期动态摸底实验,地面多径效应对无线通信测距影响很大,造成链路不稳定、测距波动大的问题,需要对无线测试时的波束进行约束。

微波暗室特殊的环境还可以减少地面多径效应对通信测距的影响,同时微波暗室室内的条件能够支持使用测试仪器,可以动态测试测距和时间同步的性能。在微波暗室无线测试和车载无线测试中,主星和子星无线通信均需采用定向喇叭天线,天线波束宽度建议10°～20°,天线具有一定增益。

微波暗室无线测试方法是利用暗室内扫描架的上下运动模拟星间的相对运动,测试场景如图4所示。主星和子星设备通过射频电缆连接各自天线,将主星的天线固定在地面,子星天线固定在扫描架活动部件的支架上,通过扫描架的上下运动模拟星间的相对运动,测距值与扫描架的移动值比较,确定测距误差。微波暗室扫描架的活动范围为4m,距离设置误差为毫米量级,扫描速度最大为0.38m/s。

微波暗室无线测试方法可以实现一主多从的通信测距和时间同步动态测试,用多个频率计数器对一主多从的秒脉冲之间的偏差进行记录。本方案系统引入的误差很小,测距误差为扫描架的移动位置误差1mm,时间同步误差为频率计测量误差20ps。

图4 微波暗室无线测试方案Fig.4 Microwave anechoic chamber wireless test scenario

表1 微波暗室无线链路计算Table 1 Wireless link calculation in one Microwave anechoic chamber

2.3 车载无线测试

车载无线测试方法是地面最易实现的动态测试场景,并且具有不受设备质量限制、加速度快的优点。为消除地面多径影响,将主星设备置于高楼顶部,子星设备放置在汽车上,测试场景如图5所示,主星天线和子星天线通过设置三脚架角度粗对准。车载无线测试方法采用GNSS接收机的测距值作为测距依据,GNSS接收机的测距误差为厘米量级,能够满足厘米级测距精度的要求。主星和子星设备也可以互换位置。

车载无线测试测距的模型如图5所示,需要用GNSS接收机测试楼顶P0、起始位置P1、结束位置P2点的位置信息,推算出测距的起始距离S1和结束距离S2,星间测距测的是模型中的斜边。

车载无线测试方法,能验证星间相对运动100km/h以上,相对加速度7m/s2(某些汽车4s内可加速到100km/h)对星间通信测距的影响,可以反复多次测试不同速率下的车前进和后退工况下的通信和测距功能。

车载试验方案测试误差为GNSS接收机定位误差,采用的是Spectra Geosptial公司的SP80接收机,设备保证的定位误差为5cm。

注:H为楼顶待测设备的安装天线到开始位置车载待测设备安装天线之间的垂直高度;L1为楼顶待测设备的安装天线到开始位置车载待测设备安装天线之间的水平距离;L2为汽车运动的距离。图5 车载无线测试场景Fig.5 Vehicle wireless test scenario

3 地面试验结果

本文提出的地面验证方案各种工况下多星星间测距和时间同步的验证结果如下。

3.1 桌面有线测试结果

通过信道模拟器设置通信延时来模拟星间距离如图6横坐标所示,信道模拟器最长距离设置为约30km。图6中纵坐标为测距误差,子星1和子星2的测距误差均很小,30km时最大测距误差为0.12m,可以验证通信测距算法的正确性。图6测试结果只有正误差,这是由于零值校准的零值设置偏大导致的,初始值设在了零以上。

图6 桌面有线测试中不同距离下的测距误差Fig.6 Ranging error at different distances in the desktop wired test

3.2 微波暗室无线测试结果

在微波暗室无线测试时,设置扫描架上下运动2.5m,记录测距数据如图7所示,子星1和子星2的测距误差计算见表2,子星1误差为0.12m,子星2测距误差为0.01m。图7中子星1和子星2的初值不一样,这是因为零值标定的问题,这里看的是运动变化的距离。

图7 微波暗室动态测试中测距结果Fig.7 Ranging result in the microwave anechoic chamber wireless dynamic test

微波暗室测距误差计算结果见表2。

表2 微波暗室无线测距误差计算Table 2 Ranging error calculation for the microwave anechoic chamber wireless test m

微波暗室动态测试时,同时使用频率计记录主星与2颗子星的时间同步误差。将主星PPS分成两路给两台频率计,记录主星PPS与2颗子星PPS之间的误差。时间同步测试数据如图8所示。子星1和子星2的测距波动均小于1.5ns。

图8 微波暗室动态无线测试中时间同步结果Fig.8 Clock synchronization result in the microwave anechoic chamber wireless dynamic test

3.3 车载无线测试结果

车载无线测试中,主星单机放置在楼顶,子星1和子星2单机放置车顶,2颗子星天线并排放置,朝向主星天线。首先进行静态测试,再进行动态测试。因为动态测试时,启动和停止的位置难以控制准确,因此测距误差在静态时进行,动态测试用于粗测距。

静态测试结果如图9所示,主星与两子星之间的距离用GPS测得是51.90m,子星1测得结果是51.90m,子星2测得结果是51.96m,可以算出静态测距误差<0.10m,无线静态测距波动<0.30m。

车子以不同的运动速度往返运动,实时测距如图10所示,子星1和子星2星间测距稳定,测距误差小于1m,测试的瞬时相对加速度最高为10m/s2,验证了星间链路的动态响应性能。

图9 车载无线静态测试中测距结果Fig.9 Ranging result in the vehicle wireless static test

图10 车载无线测试中不同加速度下的测距结果Fig.10 Ranging results at different acceleration rate in the vehicle wireless test

4 结束语

针对星间通信测距时间同步地面验证困难的问题,本文结合实际项目经验,提出一套系统、简单易行的地面验证方案,利用信道模拟器、GNSS接收机、通用频率计、微波暗室扫描架等成熟的地面测量工具,设计了桌面有线、微波暗室无线、车载无线3个基础试验,并通过试验结果验证了设计方案的可行性和有效性,并且在龙江一号、二号卫星任务的地面试验中得到应用。后续可以为多星星间通信测距时间同步研究提供有效地面测试方法。