地球静止轨道卫星精密扩频测距方法

刘宁 刘浩杰

(1 中国空间技术研究院遥感卫星总体部,北京 100094)(2 中国空间技术研究院卫星应用总体部,北京 100094)

随着用户对高分辨率图像需求的激增,遥感卫星分辨率大幅提升,为最大程度发挥高分辨率卫星效能,对图像处理的目标定位精度提出了越来越高的要求。要实现高目标定位精度,除了卫星具备高姿态确定精度、控制精度等,还要对卫星进行精密定轨,因此需要依托精密测距作为技术手段。

常规航天扩频测距通信系统采用的测距方法,其思路是测量收发测距伪码之间的时延,即电波传播时延τ,再通过无线电传播速度计算得出传输距离[1]。文献[2-5]中介绍了采用这一原理的4种测距方法——ESA多用途跟踪系统(MPTS)测距、星上处理伪随机码测距、透明传输伪随机码测距和混合测距。文献[6]基于该原理分析了相参扩频测距、非相参扩频测距的原理,分析了测距精度。文献[7-8]对整个星地精密定轨系统的强抗干扰、高灵敏度捕获等关键技术开展了研究。文献[9]面向星间精密测距系统,开展了性能分析与测试。文献[10-11]则是研究利用全球导航卫星系统进行定位的方法,面向的对象是低轨卫星。

上述研究的共同特点在于,没有面向地球静止轨道卫星提供一种能够消除星上设备自身距离零值变化的方法,而实际在轨应用时自身系统误差无法补偿,从而造成整体测距精度不高。基于此,本文提出一种地球静止轨道卫星精密扩频测距方法,基于在轨自校正算法消除扩频测距终端等星上设备的距离零值受频率偏移、功率大小、尤其是温度等多种因素的影响,补偿系统误差,仅保留随机误差,实现高精度测距。

1 精密扩频测距方法

1.1 方法总体思路及流程

测距终端本身系统存在的时延所对应的距离值(即距离零值),会随着各种因素的变化而波动,包括多次开关机一致性、测距信号的多普勒频移、测距信号电平变化、上行测距信号数量变化、测距终端自身温度变化等。针对外界因素变化带来的距离零值波动,本文提出一种精密扩频测距方法,在常规非相干扩频测距系统的基础上,增加自校模块,用于检测测距终端自身距离零值随各种因素的变化值,并反馈合路至上行测距信号中,通过基带模块检测这一自校值并进行对消,可有效消除距离零值波动,从而获得高精度、高稳定度的测距值,为精密定轨的使用奠定条件。精密扩频测距方法流程如图1所示。

1.2 精密扩频测距实现过程

无线电测距原理是测量无线电波的传输时延,地面测控站在使用伪码测距方法实现双程距离测量时,对距离时延的测量通常采用收发码时延测量法,即:发射无线电波,然后测量由目标转发回来的信号相对于发射信号产生的时延,从而计算出距离。实时星地总距离R与星地传输时延τ的关系为

R=τ·c/2

(1)

式中:c为无线电传播速度。

在实际工程应用中,常规扩频测距方法在轨全寿命周期均使用发射前装订的测距零值参数,该值为一个固定值,在轨无法实时检测出星上设备自身测距零值的变化,而距离零值本身会随着器件老化、功率大小、尤其是温度的变化而变化,由此导致了常规扩频测距方法的测试结果中包含了上述变化带来的误差且无法消除。相较于常规扩频测距方法,精密扩频测距方法的创新之处在于:设计基于自校模块的在轨补偿机制,自校模块主要实现基带自校信号与接收发射通道的自闭环功能,将上行信号和下行反馈信号合路送入自校通道,自校通道可以获取星上测距终端自身发送的码相位和载波频率,对上下行信号进行解算得出自校值并通过下行测量帧下传至地面,地面再利用自校值获取星上测距设备的最新距离零值,该零值是消除了器件老化及测距值随温度变化、信号强弱、通道多少、多普勒频偏等多种因素影响的星上实时零值,从而实现高精度测距功能。同时,自校值本身为缓变参数,可以进行长时间累加,可以进一步提高测量精度。

精密扩频测距方法实现步骤如下。

(1)在锁定跟踪正常情况下,在T1时刻地面测距终端产生伪随机码序列,调制到载波向卫星发射的同时,锁存发码初始状态并开始对发码钟计数。

(2)T2时刻,T1时刻所发测距序列由星上码环跟踪锁定,同时星上码产生器生成一同步于上行码序列的下行码序列,并调制到下行载波发射。此处,卫星接收的上行码与转发的下行码是相干的,下行码钟频率和码相位均与上行码同步变化。

(3)在地面站,码环对下行码序列跟踪锁定,并将收端码产生器的状态不停地与锁存的发码初始状态进行比较。当地面接收到卫星下发的测距序列后,便对接收测距序列进行平滑,同时进行与发送测距序列的时域互相关运算,当收发码相位匹配准确、形成相关峰值时,由伪码测距终端根据平滑后的测距码接收时刻T3和测距码发送时刻T1,计算收发码时延,见式(2)。

τ=T3-T1=[N+Δφ/(2π)]Tcode

(2)

式中:N为码钟周期数;Δφ为收、发码钟相位差;Tcode为发码时钟。

实时星地总距离值为

R=τ·c/2=[N+Δφ/(2π)]Tcode·c/2

(3)

采用满足长度要求的伪码直接解距离模糊,单程距离模糊度为

D=(L/Rcode)·c/2

(4)

式中:L为伪码长度;Rcode为伪码码速率。

由式(2)可知,距离时延值是靠测量收、发码钟相位差Δφ实现的,因此伪码测距的精度由测距伪码码速率和相位测量精度决定,码速率越高,相位测量精度越高,时延测量精度就越高。由式(4)可见,测距模糊度取决于伪码长度和伪码速率。若信息码与伪码时钟相干,也可采用数据帧解距离模糊,此时,式(4)中的L/Rcode则被数据帧周期替换,实际工程中数据帧周期一般为500ms,对应的模糊距离高达75000km,可以满足非深空探测类航天器的所有应用。

(4)星地距离真值Rreal计算。其中,R′代表星上测距终端的实时自校值,其值等于卫星在轨初值Ro叠加在轨运行后产生的距离零值偏移量ΔR。

Rreal=R-R′=R-(Ro±ΔR)

(5)

能够获取到R′的实时测量值,用于消除未知的ΔR,是本文精密扩频测距方法相对传统扩频测距方法的一个重要特征。

2 实例验证

为了验证精密扩频测距方法对系统测距精度的提升程度,利用高轨遥感卫星的星载测距终端与地面精密扩频测距系统开展星地试验。精密扩频测距终端除了常规的接收通道、发射通道、数字基带和外围的功率放大器之外,还配置了自校模块。精密扩频测距终端组成如图2所示。

图2 精密扩频测距终端Fig.2 High-precision spread spectrum ranging terminal

精密扩频测距终端的核心组成是自校模块,其原理框图如图3所示。

注:TTL为逻辑门电路。图3 自校模块原理框图Fig.3 Principle of automatic correction module

地面发送的上行信号送入扩频测距终端作为上行输入信号组成1,下行输出信号经下行滤波器滤波后再送入耦合器,耦合器的一个端口输出至功率放大器往地面发送,另一端口输出至隔离器,再经过程控衰减器设置适当的衰减值进行衰减,同时将下行频率变频至上行频率,作为上行输入信号组成2,两者经过合路器合路后送往接收前端进行滤波、隔离等处理后送入数字基带模块。在数字基带内,通过载波平滑伪距技术计算得出高精度的自校信号距离零值,并将之填充至国军标GJB8086-2013中规定的测量帧第36字至第44字,下发至地面用于获取星载测距终端实时测距零值。根据扩频测距终端在轨工作实际,为减小反馈回的自校信号对常规上行信号的影响,通过软件设置将自校信号功率调整至测距终端工作电平范围内的合理值,这样既能保证自校值发挥作用,又能确保不与常规上行信号互相干扰。

试验中,对测距精度受上行接收功率大小和温度变化的影响进行了研究。试验测得的测距值与上行接收功率和温度的关系如表1和图4所示。

表1 不同上行接收功率、温度条件下的测距值Table 1 Ranging values under different up-link power and different temperature conditions m

图4 测距值随温度和上行接收功率变化Fig.4 Ranging value changing with temperature and up-link power

由表1和图4可知:测距值随接收功率的影响程度较小,变化范围在2cm以内;温度变化导致的测距值变化程度较大,最大值为25cm。为更好地体现精密扩频测距方法的优势,设计对比参照试验。对比试验时将自校模块关机,仅采用常规扩频测距方法,上述2项因素引起的测距值变化最大值为4.63m。

可以看出:精密扩频测距方法提升了星上测距终端测距精度约20倍。

精密扩频测距系统工作环境温度变化时,由于内部滤波器的群时延存在随温度变化的特性,其自身距离零值也会产生波动,尤其在温度低于0℃时,测距值发生明显剧烈的变化(变化幅度超过20cm,精密定轨工程要求不超过5cm)。鉴于此,本文建议在工程实现时对精密扩频测距终端的在轨温控条件提出约束,确保终端工作在0～50℃,由表1数据可知,此时测距精度可由25cm优化至4cm。以在轨的高轨遥感卫星为例,冬至时精密扩频测距终端出现低温工况,卫星偏航动作后温度经历从高到低或从低到高的变化过程,最快温度变化速率为7.2℃/h,在2天中,温度变化范围为6.14～31.02℃,变化过程如图5所示。由上述分析可知,在实际使用场景下,精密扩频测距系统的温度条件可以满足保测距精度的要求。

图5 精密扩频测距系统在轨工作温度Fig.5 In-orbit operating temperature of high-precision spread spectrum ranging system

3 结束语

本文针对高轨卫星精密定轨需求提出一种精密扩频测距方法,基于在轨自校正算法补偿系统误差,消除上行功率大小和温度变化对测距值的影响,提升测距精度。在轨测试结果表明:本文方法可以有效消除系统误差,将测距精度提升约20倍。后续将面向星载设备典型工作温度范围(-15～+50℃)研究低温条件下保测距精度的算法,提升精密扩频测距系统的温度适应性。