专利名称：一体化融合完成靶场飞行器遥测与测距的方法
技术领域：
本发明涉及一种在靶场测控中，利用单频点下行信号完成多个地面测控站同时遥测测距飞行器的方法。
背景技术：
PCM-FM信号具有恒包络特性，发射机可选用C类功率放大器，相对相移键控类调制方式，功率利用率高。此外，PCM-FM信号具有抗飞行器火焰衰减能力强的特点。因此，PCM-FM调制信号是目前靶场飞行器测控最为常用的下行遥测信号形式(当前工程中 PCM-FM信号支持的数据速率可达IOMbps以上)。在靶场飞行器测控中，若要在完成遥测功能的同时，支持多个地面测控站的测距功能，必须在PCM-FM遥测信号之外采用相干或者非相干扩频测距体制，上、下行信号采用 UQPSK调制方式。对于地面测控站发送的上行信号，I路发送低速率的遥控数据、Q路发送相干体制的测距伪码或者非相干测距上行帧数据调制伪码；对于应答机发送下行信号，根据图7传统靶场测控下行双频点PCM-FM遥测结合BPSK扩频测距信号频谱图所示，I路可发送低速率的遥测信号。Q路发送相干体制的测距伪码或者非相干测距下行帧数据调制伪码。上述同时支持遥测与多站测距的系统设计方法，存在以下缺陷
1)若在下行发送遥测信号的同时支持测距功能，必须增加下行测距信号射频频点，需要保证遥测、测距信号之间存在合理的带宽间隔，因而浪费了有限的无线射频带宽资源；
2)由于扩频测距信号具有非恒包络特性，飞行器应答机的信号发射部分只能采用A类或AB类功放，而无法采用C类功放，因而降低了系统的功率效率；
3)地面测控站需要分别解调遥测信号与测距信号，因而处理结构相对复杂。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种在下行链路中不需单独为测距信号分配频谱与功率，不需采用扩频测距信号体制，能够减少系统设计复杂度和互调干扰，利用单频点下行信号完成多个地面测控站同时遥测与测距的方法。其频谱示意图如图6所示。解决现有系统设计方法浪费带宽资源、系统功率效率降低与解调设备结构复杂等问题。本发明解决其技术问题通过以下措施实现一种一体化融合完成靶场飞行器遥测与测距的方法，具有如下技术特征
在飞行器应答机端，飞行器应答机利用下行遥测帧头对多个地面测控站发送的上行伪码扩频测距信号分别进行采样，得到各个伪码码片预设相位到达时刻与遥测帧头首比特位时刻的时间差测量值，应答机将此时间差测量值及相关参数放入下行帧，采用遥测抑载调制方式发送到地面测控站，并将上述时间差测量值与遥测数据进行两路复用，同时在下个遥测帧或者间隔几个固定数量的遥测帧内装载采样的时间差测量值数据；在多个地面测控站端，地面测控站完成遥测抑载调制信号的载波同步、符号同步与帧同步，并通过符号同步与帧同步的锁定状况得到遥测帧头首比特位的到达时刻，将此时刻减去遥测帧内应答机采样得到的对应时间差测量值，参考伪码码片预设相位在地面测控站端发送时刻，得到该地面测控站伪码码片预设相位从发送到接收的双程传输时间，即可在单个下行频点遥测传输的同时完成测距。本发明遥测帧头采样得到的各个伪码码片预设相位到达时刻与遥测帧头首比特位时刻的时间差测量值是装载在遥测帧内的。本发明测距的细距离是通过地面测控站端接收机的符号同步环路得到的。所述时间差测量值是分别利用下行遥测数据符号数量整数与分数部分表示的，其中，整数部分数据位数为M位，用于保证CCSDS标准下最长的遥测帧长度；分数部分数据位数为M位，用于保证遥测数据符号不低于51ApS的条件下，精度高于3. 6mm。本发明相比于现有技术具有如下有益效果
(1)在下行单频点PCM-FM信号形式下，利用本发明技术可完成靶场飞行器遥测和测距两方面功能，不需单独为测距信号分配频谱与功率，减少了系统设计复杂度，也减少了互调干扰；
(2)由于只存在PCM-FM信号，飞行器应答机发射通道可采用C类功率放大器，与现有技术下行双频点信号只能采用A类或者AB类功率放大器相比，系统功率效率可提高20%左右；
(3)地面测控站接收机仅需解调PCM-FM信号，不需捕获解调扩频测距信号，接收机复杂度降低；
(4)测距精度与接收机位同步环路相关，在较低的数据速率(理论分析可得数据速率在501cbpS以上)与解调门限足AVci (-IdB以上)条件下，可保证与传统测距模式相当的测距精度。在确定的足条件下，数据速率越高，测距精度越高。本发明在单个下行频点完成遥测测距功能，有效地解决传统双频点方法频率利用率低、功率利用率低与地面接收设备复杂等问题。本发明技术方法适用于具有单站测距遥测以及多站测距遥测功能需求的靶场测控，同时也适用于具有相似功能需求的其它飞行器测控系统设计。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。图1是本发明地面测控站与应答机信号处理流程。图2是本发明遥测测距一体化处理的信号时序逻辑。图3是本发明应答机信号处理结构框图。图4是本发明地面测控站信号处理结构框图。图5是本发明以四站为例的多站测距数据帧结构图。图6是本发明下行单频点PCM-FM遥测测距一体化信号频谱。图7是传统靶场测控下行双频点PCM-FM遥测结合BPSK扩频测距信号频谱图。
具体实施方式
参阅图1。地面测控站发送测距伪码，应答机接收测距伪码，应答机发送下行遥测帧数据，地面测控站接收解调遥测数据。地面测控站发送的上行信号采用扩频体制，I路短码扩频完成遥控功能，Q路长码扩频完成测距功能，飞行器应答机接收端完成短码捕获后引导长码完成捕获。在飞行器应答机端，飞行器应答机利用下行遥测帧头对多个地面测控站发送的上行伪码扩频测距信号分别进行采样，得到各个伪码码片预设相位到达时刻与遥测帧头首比特位时刻的时间差测量值，应答机将此时间差测量值及相关参数放入下行帧，采用遥测抑载调制方式发送到地面测控站，并将上述时间差测量值与遥测数据进行两路复用，同时在下个遥测帧或者间隔几个固定数量的遥测帧内装载采样的时间差测量值数据；在多个地面测控站端，地面测控站完成遥测抑载调制信号的载波同步、符号同步与帧同步，并通过符号同步与帧同步的锁定状况得到遥测帧头首比特位的到达时刻，将此时刻减去遥测帧内应答机采样得到的对应时间差测量值，参考伪码码片预设相位在地面测控站端发送时刻，得到该地面测控站伪码码片预设相位从发送到接收的双程传输时间，即可在单个下行频点遥测传输的同时完成测距。处于支持测距功能的角度考虑，下行遥测的数据时钟与恢复出的上行测距长码码片速率具有相干性，上行的多普勒频率会改变下行遥测数据的符号速率，且下行数据符号速率中携带了上行长码测距的环路信噪比所导致的时间抖动。地面测控站接收到的下行遥测数据符号多普勒速率不再是传统的单程多普勒速率，而是双程多普勒速率。参阅图2。图中给出了上、下行信号测距码片与数据符号的时序关系。其中，Φ 表示测距长码的预先确定相位；G表示该预先确定相位的发送时间；G表示应答机接收端测距长码预先确定相位Φ的到达时间；％表示上行信号传输时间；rs表示遥测帧头首比特位时刻发送时刻相对~的延时；。表示下行信号传输时间；&表示地面测控站端tT时刻发送的相位值为Φ的长码返回地面测控站端的到达时间，是测距系统待求解值；。表示地面测控站端遥测帧头首比特位时刻的到达时间。双程传输时延可以表示为％+。或者
R JO参阅图3。在遥测测距一体化应答机接收信号处理部分，天线接收的上行信号通过双工器、低噪声放大器模块与下变频模块转变为中频信号之后，被数模转换器(ADC)转换为数字中频信号，上行载波时钟恢复模块1中的上行载波是通过捕获解扩跟踪解调模块3 得到的，并通过转发比模块2产生下行的载波频率G/u。同时，捕获解扩跟踪解调模块3通过I路短码引导Q路测距长码的方式，恢复出的测距长码同步时钟送入遥测数据时钟产生模块4。下行遥测的数据时钟与恢复出的上行测距长码具有相干性，其中，A表示遥测数据符号速率尺与上行测距长码Chip速率比兄。上行的多普勒会改变下行遥测的符号速率，下行遥测数据符号多普勒不再是传统的单程多普勒，而是双程多普勒，这是为了满足遥测测距一体化方法实现的必然结果。直观上，这种引入可能会影响地面接收端的解调，而实际多普勒带来的解调信噪比的边际损失理论上不会高于0. 002dB。对于具有多普勒预报的测控系统，对于接收机的载波环路以及基于DTTL(Digital Transition Tracking Loop,数字符号翻转跟踪环)符号同步环路的捕获跟踪引入的负面影响甚至可以忽略不计。由于下行数据符号流中携带了上行长码测距的环路信噪比所导致的时间抖动，这也是可以利用下行数据符号同步DTTL环路与帧同步辅助实现测距功能的原因。捕获解扩跟踪解调模块3恢复出同步的上行测距长码，并送入时间差测量模块5，用以完成时延r s测量功能。假设预先约定时间差测量模块5中被测测距长码的码片相位为0，应答机利用系统时钟获得测距长码的码片相位为Φ的到达时间~，另一方面获得当前下行发送的帧序号为巧的遥测帧帧头时刻。而通过、=，可以得到时延的测量值。框图内的第7模块表示测距信息数据与遥测数据融合处理，通过选通对测距数据与遥测数据进行两路复用，并将数据流送入信道编码成帧模块6。用巧.表示(rs，F1)数据二元对在第巧帧后延迟巧个帧发送， 可保证(％，巧)成对在适当的时刻完成发送。信道编码成帧模块6将成帧数据送入下行的调制模块，通过数模转换器(DAC)模拟化、上变频、功放以及双工器等模块发送给地面。参阅图4。遥测测距一体化地面测控站发射端的信号处理与传统统一扩频体制一致。发射部分，测距长码产生模块1经过数据调制、DAC、上变频器模块2、功放、双工器和天线产生上行信号。接收部分，天线接收的下行信号通过双工器、低噪声放大器模块与下变频模块3转变为70MHz的中频信号之后，被数模转换器(ADC)转换为数字中频信号，通过遥测载波恢复与符号定时DTTL模块、帧同步模块与解码模块恢复出下行的遥测数据。为满足新型体制设计要求，需要新增的处理主要体现在接收端，主要是阴影框图内的帧头时刻确定模块4、测距时延提取模块5和时间差测量模块6三个模块。在地面测控站接收端，接收机完成载波同步、符号同步、帧同步，解调出遥测信息，从而完成遥测信息的获取功能。由于下行信号设计中加入了遥测数据符号速率与下行载波具有相关性，遥测符号时钟携带上下行多普勒，这种相关性可使得下行载波环路辅助数据符号环路的同步。与此同时，在帧头时刻确定模块4得到帧头到达时刻。在测距时延提取模块5中提取出帧计数与rs，从而可以得到预先确定的测距长码固定相位值为Φ在地面测控站的到达时间tRO双程传输时间可以由地面发送上行测距长码初始相位时刻与地面接收初始相位时刻G的延时得到，具体在时间差测量模块6中处理。设计的关键部分在于％是以遥测数据符号为单位进行测量的，在此用Π表示，遥测信号下行所携带的测距长码预先确定相位时刻发生在下一个遥测帧帧头的第Π个遥测符号持续时间时刻之前。再经过下行。时刻到达地面测控站，并产生到达时间~。地面测控站端解调出测量帧，恢复出应答机的时间差测量值7。参阅图5。对于下行遥测所承载的测距信息，主要包含时间差测量值η与遥测帧计数巧.。定义遥测帧计数巧.的数据长度为Mbits，可以保证计数值在应用中不会溢出。由于 n是以下行遥测数据符号数量表示的，用Mbits表示其符号偏移的整数部分(目前CCSDS 标准最长帧长不超过98304bits，Turbo码，1/6码率，16384信息长度)，另外用Mbits表示其符号偏移的小数部分，可以保证足够的测距精度Q-24Ag。只要遥测数据符号速率不低于51ApS，精度优于12ps(3. 6mm)。在此以支持四站测距为例，给出测距信息格式的示例(每字节8位；DO为高位，D7为低位；高位先传，低位后传，无此功能时填“0101……0101”)， 其中，后缀同步字为32位(35 2E F8 53)h。由于考虑各通道的锁定状态指示、AGC信息以及其它状态信息均可以由遥测数据反映，因此，在测距信息格式中不需单独为此设定字段。以支持四个地面站同时测距功能为例，给出具体的帧格式。Wl W3，3字节，表示站1的遥测帧计数A ；W4 W6，3字节，表示站1的下行遥测数据符号偏移数量的整数部分η UNT ；W7 W9，3字节，表示站1的下行遥测数据符号偏移数量的小数部分n龍c。WlO W12，3字节， 表示站2的遥测帧计数；W13 W15，3字节，表示站2的下行遥测数据符号偏移数量的整数部分^mWie W18，3字节，表示站2的下行遥测数据符号偏移数量的小数部分η測c。W19 W21，3字节，表示站3的遥测帧计数/ 3 ；W22 W24，3字节，表示站3的下行遥测数据符号偏移数量的整数部分Π ■ ；W25 W27，3字节，表示站3的下行遥测数据符号偏移数量的小数部分Π纏c。W^ W30，3字节，表示站3的遥测帧计数/ 4 ；W31 W33，3字节，表示站4的下行遥测数据符号偏移数量的整数部分η幢；W34 W36，3字节，表示站4的下行遥测数据符号偏移数量的小数部分η籠。W37 W40，4字节，表示后缀同步字为32位 (35 2E F8 53)h。
权利要求
1.一种一体化融合完成靶场飞行器遥测与测距的方法，具有如下技术特征在飞行器应答机端，飞行器应答机利用下行遥测帧头对多个地面测控站发送的上行伪码扩频测距信号分别进行采样，得到各个伪码码片预设相位到达时刻与遥测帧头首比特位时刻的时间差测量值，应答机将此时间差测量值及相关参数放入下行帧，采用遥测抑载调制方式发送到地面测控站，并将上述时间差测量值与遥测数据进行两路复用，同时在下个遥测帧或者间隔几个固定数量的遥测帧内装载采样的时间差测量值数据，上行的多普勒频率按转发比和遥测数据符号速率与载波频率比来改变下行遥测数据的符号速率；在多个地面测控站端，地面测控站完成遥测抑载调制信号的载波同步、符号同步与帧同步，并通过符号同步与帧同步的锁定状况得到遥测帧头首比特位的到达时刻，将此时刻减去遥测帧内应答机采样得到的对应时间差测量值，参考伪码码片预设相位在地面测控站端发送时刻，得到该地面测控站伪码码片预设相位从发送到接收的双程传输时间，即可在单个下行频点遥测传输的同时完成测距。
2.按权利要求1所述的一体化融合完成靶场飞行器遥测与测距的方法，其特征在于， 遥测帧头采样得到的各个伪码码片预设相位到达时刻与遥测帧头首比特位时刻的时间差测量值是装载在遥测帧内的。
3.按权利要求1所述的一体化融合完成靶场飞行器遥测与测距的方法，其特征在于， 测距的细距离是通过地面测控站端接收机的符号同步环路得到的。
4.按权利要求1或2所述的一体化融合完成靶场飞行器遥测与测距的方法，其特征在于，所述时间差测量值是分别利用下行遥测数据符号数量整数与分数部分表示的，其中，整数部分数据位数为M位，用于保证CCSDS标准下最长的遥测帧长度；分数部分数据位数为 24位，用于保证遥测数据符号不低于51ApS的条件下，精度高于3. 6mm。
5.按权利要求1所述的一体化融合完成靶场飞行器遥测与测距的方法，其特征在于， 上行的多普勒频率按转发比和遥测数据符号速率与载波频率比来改变下行遥测数据的符号速率，由此相关性可使得下行载波环路辅助数据符号环路的同步，且下行数据符号速率中携带了上行长码测距的环路信噪比所导致的时间抖动。
6.按权利要求1所述的一体化融合完成靶场飞行器遥测与测距的方法，其特征在于， 地面测控站接收到的下行遥测数据符号多普勒速率不再是单程多普勒速率，而是双程多普勒速率。
7.按权利要求1所述的一体化融合完成靶场飞行器遥测与测距的方法，其特征在于， 在遥测测距一体化应答机接收信号处理部分，信号通过低噪声放大器模块与下变频模块之后，被数模转换器(ADC)转换为数字信号，上行载波时钟恢复模块(1)中的上行载波是通过捕获解扩跟踪解调模块(3 )得到的，并通过转发比模块(2 )产生下行的载波频率;同时， 捕获解扩跟踪解调模块(3)通过I路短码引导Q路测距长码的方式，恢复出的测距长码同步时钟送入遥测数据时钟产生模块(4 )。
8.按权利要求7所述的一体化融合完成靶场飞行器遥测与测距的方法，其特征在于， 捕获解扩跟踪解调模块(3)恢复出同步的上行测距长码，并送入时间差测量模块(5)，用以完成时延％测量。
全文摘要
本发明提出一种一体化融合完成靶场飞行器遥测与测距的方法，旨在提供一种在下行链路中不需单独为测距信号分配频谱与功率，不需采用扩频测距信号体制，利用单频点下行信号完成多个地面测控站同时遥测与测距的方法。本发明通过下述技术方案予以实现在飞行器应答机端，利用下行遥测帧头对多个地面测控站发送的上行测距伪码分别进行采样，得到各个伪码码片预设相位到达时刻与遥测帧头首比特位时刻的时间差测量值，将此时间差测量值与遥测数据进行两路复用，在遥测帧内装载时间差测量值数据；在多个地面测控站端，完成下行遥测信号的载波同步、位同步与帧同步，将得到的遥测帧头接收时刻减去遥测帧内所装载的对应时间差测量值，参考伪码码片预设相位的发送时刻，完成遥测、测距。
文档编号G01S11/08GK102338873SQ20111029780
公开日2012年2月1日 申请日期2011年9月28日 优先权日2011年9月28日
发明者黄展 申请人:中国电子科技集团公司第十研究所