地球静止轨道卫星精密扩频测距方法.pdf
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1、第 卷第期 年月航天器工程S P A C E C R A F TE N G I N E E R I N GV o l N o 地球静止轨道卫星精密扩频测距方法刘宁刘浩杰(中国空间技术研究院遥感卫星总体部,北京 )(中国空间技术研究院卫星应用总体部,北京 )摘要地球静止轨道卫星使用全球导航卫星系统进行定位存在可见卫星数少、接收信号弱等困难,而扩频测距技术具有测距精度高、无模糊距离大和抗干扰性能强等优异特性,是当今复杂电磁环境下精密测距的首选.随着卫星对图像处理的定位精度要求不断提高,针对常规扩频测距系统的测距精度无法满足卫星定轨需求的问题,文章提出了一种精密扩频测距方法,基于在轨自校正算法,消除
2、扩频测距终端距离零值受温度等因素的影响,实现高精度地基测距.在轨实测数据表明:精密扩频测距方法可以将星上部分测距精度提升个数量级,为星地大系统精密定轨创造优良条件.关键词地球静止轨道卫星;高精度伪码测距;自动校正中图分类号:T N 文献标志码:AD O I:/j i s s n P r e c i s i o nS p r e a dS p e c t r u mR a n g i n gM e t h o df o rG E OS a t e l l i t eL I U N i n gL I U H a o j i e(I n s t i t u t eo fR e m o t eS e
3、n s i n gS a t e l l i t e,C h i n aA c a d e m yo fS p a c eT e c h n o l o g y,B e i j i n g ,C h i n a)(I n s t i t u t eo fS p a c e c r a f tA p p l i c a t i o nS y s t e mE n g i n e e r i n g,C h i n aA c a d e m yo fS p a c eT e c h n o l o g y,B e i j i n g ,C h i n a)A b s t r a c t:T h e
4、 r e a r e s o m ed i f f i c u l t i e s i nu s i n gGN S S f o rp o s i t i o n i n gG E O(g e o s t a t i o n a r ye a r t ho r b i t)s a t e l l i t e s,s u c ha sas m a l ln u m b e ro fv i s i b l en a v i g a t i o ns a t e l l i t e sa n dw e a kr e c e i v e ds i g n a l s H o w e v e r,t h
5、 es p r e a ds p e c t r u mr a n g i n gt e c h n o l o g yh a se x c e l l e n t c h a r a c t e r i s t i c s s u c ha sh i g hr a n g i n gp r e c i s i o n,l a r g ed i s t a n c e w i t h o u ta m b i g u i t y a n ds t r o n g a n t i i n t e r f e r e n c e p e r f o r m a n c e,m a k i n g
6、i t t h e f i r s t c h o i c e f o rh i g h p r e c i s i o nr a n g i n g i nt o d a ysc o m p l e xe l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n t W i t ht h ec o n t i n u o u s i m p r o v e m e n to fs a t e l l i t ep o s i t i o n i n ga c c u r a c yr e q u i r e m e n t s f o r i m a g
7、ep r o c e s s i n g,t h er a n g i n ga c c u r a c yo fc o n v e n t i o n a ls p r e a ds p e c t r u mr a n g i n gs y s t e mc a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t s I nt h i sp a p e r,ah i g h p r e c i s i o ns p r e a ds p e c t r u mr a n g i n gm e t h o di sp r o p o s e d B a s e d
8、o n i n o r b i ts e l f c a l i b r a t i o na l g o r i t h m,t h em e t h o de l i m i n a t e st h e i n f l u e n c eo f t e m p e r a t u r ea n do t h e r f a c t o r so nt h ez e r or a n g eo f t h e t r a n s p o n d e r,a n dt h u sa c h i e v i n gh i g h p r e c i s i o ng r o u n db a
9、s e dr a n g i n g T h e a c t u a lm e a s u r e m e n t d a t ao f i n o r b i t s a t e l l i t e s h o w s t h a t,t h e r a n g i n ga c c u r a c yo f t h eo n b o a r dp a r t c a nb e i m p r o v e db yo n eo r d e r so fm a g n i t u d e,c r e a t i n ge x c e l l e n t c o n d i t i o n f
10、o rp r e c i s eo r b i td e t e r m i n a t i o no f s a t e l l i t e t o g r o u n ds y s t e mK e yw o r d s:G E Os a t e l l i t e;h i g h p r e c i s i o np s e u d oc o d er a n g i n g;a u t o m a t i cc o r r e c t i o n收稿日期:;修回日期:作者简介:刘宁,男,硕士,高级工程师,从事卫星测控通信研究工作.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
11、,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,再通过无线电传播速度计算得出传输距离.文献 中介绍了采用这一原理的种测距方法 E S A多用途跟踪系统(MP T S)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 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 对整个星地精密定轨系统的强抗干扰、高灵敏度捕获等关
12、键技术开展了研究.文献 面向星间精密测距系统,开展了性能分析与测试.文献 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.精密扩频测距方法 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
13、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所示.图精密扩频测距方法流程F i g H i g h p r e c i s i o ns p r e a ds p e c t
14、r u mr a n g i n gm e t h o dp r o c e s s 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与星地传输时延的关系为Rc/()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
15、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航天器工程 卷最新距离零值,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
16、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.()在锁定跟踪正常情况下,在T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.()T时刻,T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.()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
17、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T和测距码发送时刻T,计算收发码时延,见式().TTN/()Tc o d e()式中:N为码钟周期数;为收、发码钟相位差;Tc o d e为发码时钟.实时星地总距离值为Rc/N/()Tc o d ec/()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/Rc o d e)c/()式中:L为伪码长度;Rc o d e为伪码码速率.由式()可知,距离时延值是靠测量收、发码钟相位差实现的,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()可见
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