非相干测距系统及非相干测距方法与流程

本发明涉及航空航天技术领域。更具体地，涉及一种非相干测距系统及非相干测距方法，特别是一种应用于数字阵测距设备中使用采样点计数的扩频非相干测距系统及方法。

背景技术：

非相干扩频测距的原理是：地面和空中两台测距设备利用收发扩频码的相位差转换为传输时延来计算距离，实现地面与空中两台测距设备的测距功能。常规的非相干扩频测距设备通常包括发射信号模块，接收信号模块和信号处理模块。

地面测距设备的发射信号模块利用上行链路发射上行扩频信号至空中测距设备上，空中测距设备的接收信号模块接收上行扩频信号后，利用自身发射信号模块的帧同步对上行扩频信号采样后，送至信号处理模块中提取上行扩频码相位信息1；同样，空中测距设备的发射信号模块利用下行链路发射下行扩频信号至地面测距设备上，地面测距设备的接收信号模块对下行扩频信号进行采样后，送至信号处理模块中提取出帧同步，送至发射信号模块中，利用帧同步对上行扩频信号采样后得到上行扩频码相位信息2；两个上行扩频码相位信息相减即可得到两台测距设备的距离。

数字阵列天线是一种新体制天线，它将发射信号模块和接收信号模块集成，利用数字波束形成技术，在数字域控制每个模块收发信号的幅度、相位，在空间形成更加灵活的波束。将数字阵列天线技术与测距设备相结合，得到数字阵测距设备。但在数字阵测距设备中，发射信号模块和接收信号模块集成于数字阵列天线中，而信号处理模块位于数字阵列天线外，不像传统测距设备中三个模块都紧紧相连，故传统非相干测距方式利用数字阵列天线难以实现。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于提供一种非相干测距系统，解决数字阵测距设备中发射信号模块、接收信号模块以及信号处理模块分离而难以使用传统方式测距的问题。

本发明的另一个目的在于提供一种非相干测距方法，该方法利用采样点将发射信号模块、接收信号模块以及信号处理模块关联在一起，在数字阵测距设备中实现高精度非相干测距，解决数字阵测距设备中三种模块相互分离带来的难以使用传统方式测距的问题，使得数字阵列天线技术可应用于非相干测距系统。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明的第一方面涉及一种非相干测距系统，包括：

第一阵列天线，基于上行链路接收第二阵列天线发出的上行扩频信号，并对其进行采样；或，基于下行链路发射与上行扩频信号的相位信息同步的下行扩频信号；

第一处理模块，对上行扩频信号的采样信号进行处理，获得上行扩频信号的相位信息；

第二阵列天线，基于下行链路接收第一阵列天线发出的下行扩频信号，并对其进行采样；或，基于上行链路发射与下行扩频信号的相位信息同步的上行扩频信号；

第二处理模块，对下行扩频信号的采样信号进行处理，获得下行扩频信号的相位信息；

测距模块，将相邻两个上行扩频码相位信息按照公式(15)进行处理，获得卫星和地面控制中心之间待测距离，

式(15)中，τ1为卫星和地面控制中心之间的距离引起的传输时延，φ1为上行链路的上行扩频码相位精确值，φ2为下行链路的下行扩频码转换为上行扩频码相位并校正后的上行扩频码精确值，fuc为上行扩频码码速率，c为光速。

优选地，所述第一阵列天线和所述第一处理模块分立的设置于卫星；和/或，

所述第二阵列天线和所述第二处理模块分立的设置于地面控制中心；

所述待测距离为卫星与地面控制中心间的距离。

优选地，所述第一阵列天线包括：

第一发射模块，基于下行链路发射与上行扩频信号的相位信息同步的下行扩频信号；

第一接收模块，基于上行链路接收第二阵列天线发出的上行扩频信号，并对所述上行扩频信号进行采样，获得所述上行扩频信号的基带信号；

所述第一处理模块将内置在第一处理模块中的本地参考扩频信号与采样得到的所述上行扩频信号的基带信号进行相关，获得相关采样点，并对所述相关采样点进行校正，获得上行扩频信号的相位信息。

优选地，所述第二阵列天线包括：

第二发射模块，基于上行链路发射与下行扩频信号的相位信息同步的上行扩频信号；

第二接收模块，基于下行链路接收第一阵列天线发出的下行扩频信号，并对所述下行扩频信号进行采样，获得所述下行扩频信号的基带信号；

所述第二处理模块将内置在第二处理模块中的本地参考扩频信号与采样得到的下行扩频信号的基带信号进行相关，获得相关采样点，并对所述相关采样点进行校正，获得下行扩频信号的相位信息。。

优选地，还包括用于为所述第一发射模块和所述第一接收模块提供统一的同步时钟的第一基准模块，或用于为所述第二发射模块和第二接收模块提供统一的同步时钟的第二基准模块。

本发明的第二方面涉及一种非相干测距方法，该方法包括如下步骤：

由卫星基于上行链路接收上行扩频信号，并对其进行采样；或，基于下行链路发射与上行扩频信号的相位信息同步的下行扩频信号；

卫星对上行扩频信号的采样信号进行处理，获得上行扩频信号的相位信息；

地面控制中心基于下行链路接收下行扩频信号，并对其进行采样；或，基于上行链路发射与下行扩频信号的相位信息同步的上行扩频信号；

地面控制中心对下行扩频信号的采样信号进行处理，获得下行扩频信号的相位信息；

将相邻两个上行扩频码相位信息按照公式(15)进行处理，获得卫星和地面控制中心之间待测距离，

式(15)中，τ1为卫星和地面控制中心之间的距离引起的传输时延，φ1为上行链路的上行扩频码相位精确值，φ2为下行链路的下行扩频码转换为上行扩频码相位并校正后的上行扩频码精确值，fuc为上行扩频码码速率，c为光速。

优选地，所述卫星上分别发射和接收扩频信号的模块与所述卫星上获取扩频信号相位信息的模块分立的设置于所述卫星；和/或，

所述地面控制中心分别发射和接收扩频信号的模块与所述地面控制中心上获取扩频信号相位信息的模块分立的设置于所述地面控制中心；

所述待测距离为卫星与地面控制中心间的距离。

优选地，所述卫星基于下行链路发射与上行扩频信号的相位信息同步的下行扩频信号；或，

基于上行链路接收地面控制中心发出的上行扩频信号，并对所述上行扩频信号进行采；

所述卫星将内置的本地参考扩频信号与采样得到的所述上行扩频信号的基带信号进行相关，获得相关采样点，并对所述相关采样点进行校正，获得上行扩频信号的相位信息。

优选地，所述地面控制中心基于上行链路发射与下行扩频信号的相位信息同步的上行扩频信号；或基于下行链路接收卫星发出的下行扩频信号，并对所述下行扩频信号进行采样，获得所述下行扩频信号的基带信号；

所述地面控制中心将内置的本地参考扩频信号与采样得到的下行扩频信号的基带信号进行相关，获得相关采样点，并对所述相关采样点进行校正，获得下行扩频信号的相位信息。

优选地，所述卫星接收的上行扩频信号和发射的下行扩频信号具有统一的同步时钟，所述地面控制中心接收的下行扩频信号和发射的上行扩频信号具有统一的同步时钟。

本发明的有益效果如下：

本发明的非相干测距系统和非相干测距方法解决了传统非相干测距方式与数字阵列天线之间的矛盾，使得数字阵列天线技术可应用于非相干测距系统，同时具有方法简便，易工程实现等优点，具有很好的工程实用效果。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明的非相干测距系统的示意图；

图2为本发明的非相干测距方法的流程图。

附图标记：

1-卫星；

11-第一阵列天线；

111-第一接收模块；

112-第一发射模块；

12-第一处理模块；

13-第一基准模块；

2-地面控制中心；

21-第二阵列天线；

211-第二发射模块；

212-第二接收模块；

22-第二处理模块；

23-第二基准模块。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

本发明的第一方面涉及一种测距系统，如图1所示，该系统包括：

至少一个卫星1，至少一个地面控制中心2。卫星1包括第一阵列天线11，第一处理模块12，第一基准模块13；地面控制中心2包括包括第二阵列天线21，第二处理模块22，第二基准模块23；第一阵列天线包括至少一个第一发射模块112和至少一个第一接收模块111；第二阵列天线包括至少一个第二发射模块211和至少一个第二接收模块212。

卫星1的第一发射模块112，用于发射下行扩频信号；第一接收模块111，用于接收上行扩频信号，并完成a/d采样；第一处理模块12，用于完成上行扩频信号的相位信息提取和非相干距离测量；第一基准模块13，用于为第一发射模块112和第一接收模块111提供统一的同步时钟；地面控制中心2的第二发射模块211，用于发射上行扩频信号；第二接收模块212，用于接收下行扩频信号，并完成a/d采样；第二处理模块22，用于完成下行扩频信号的相位信息提取和非相干距离测量；第二基准模块23，用于为第二发射模块211和第二接收模块212提供统一的同步时钟。

其中，第一发射模块112发射的下行扩频信号如式(8)所示，

y1(t)＝ap2(t-t0)cos[2πf2(t-t0)](8)

式(8)中，a为信号幅度，p2(t)为下行扩频码，f2为下行载频，t0表示两台测距设备之间的钟差；

第一接收模块111接收的上行扩频信号如式(2)所示，

x2(t)＝ap1(t-τ1)cos[2πf1(t-τ1)](2)

式(2)中，a为信号幅度，p1(t)为上行扩频码，f1为上行载频；τ1为两台测距设备距离引起的传输时延；

第一处理模块12执行如式(4)所示的相关运算，

其中，第二发射模块211发射的上行扩频信号如式(1)所示，

x1(t)＝ap1(t)cos[2πf1(t)](1)

式(1)中，a为信号幅度，p1(t)为上行扩频码，f1为上行载频；

第二接收模块212接收到的下行扩频信号如式(9)所示，

y2(t)＝ap2(t-t0-τ1)cos[2πf2(t-t0-τ1)](9)

式(9)中，a为信号幅度，p2(t)为下行扩频码，f2为下行载频，t0表示两台测距设备之间的钟差，τ1为两台测距设备距离引起的传输时延；

第二处理模块22用于执行式(11)的相关运算，

本发明的第二方面涉及一种非相干测距方法，如图2所示，本发明的非相干测距方法可应用于针对多目标的地面导航，该方法步骤包括：

1.构建上述的测距系统；

2.卫星提取上行扩频码相位信息；

地面控制中心2的第二发射模块211发出的上行扩频信号表示为：

x1(t)＝ap1(t)cos[2πf1(t)](1)

式(1)中，a为信号幅度，p1(t)为上行扩频码，f1为上行载频；

那么，卫星1的第一接收模块111接收到的上行扩频信号可表示为；

x2(t)＝ap1(t-τ1)cos[2πf1(t-τ1)](2)

式(2)中，τ1为两台测距设备距离引起的传输时延；

卫星1的第一接收模块111将收到的上行扩频信号x2(t)进行a/d采样处理后得到基带数字信号，送至第一处理模块12，在第一处理模块12中与一个本地参考扩频信号x3(t)进行相关运算。本地参考扩频信号x3(t)可表示为：

x3(t)＝ap1(t-t0)cos[2πf1(t-t0)](3)

式(3)中，t0表示两台测距设备之间的钟差；

信号相关函数定义为：

根据相关函数的性质，上式当τ＝0时r(τ)取得最大值；那么将x2(t)与x3(t)进行相关，可表示为：

当τ＝(t-t0)-(t-τ1)＝τ1-t0时，r(τ)出现最大值；那么，经过a/d采样后离散化的上行信号相关函数ru(l)可表示为：

ru(l)＝[r(1),r(2),...,r(n)],l＝1,2,...,n(5)

式(5)中，n为相关函数采样点总数，r(n)为相关函数第n个点的取值。

假设ru(l)出现最大值的相关峰位置为r(k1)，得到对应的采样点计数k1，1≤k1≤n。由于采样点是离散的，需要采用离散校正算法对信号的相关峰进行精确校正，进一步提高测量精度；

算法如下：首先以相关峰左右各取1个采样点，即超前峰、中间峰和滞后峰，对应的计数分别为k1-1、k1和k1+1，三个采样点的幅值分别为l(k1-1)、l(k1)和l(k1+1)，则计数值精细校正量为：

得到校正后的上行链路的上行扩频码相位精确值φ1为：

式(7)中，fs1为卫星1对上行扩频信号的采样率，fuc为上行扩频码码速率；

3.地面控制中心提取上行扩频码相位信息

地面控制中心2的第二发射模块211发出下行扩频信号表示为：

y1(t)＝ap2(t-t0)cos[2πf2(t-t0)](8)

式(8)中，a为信号幅度，p2(t)为下行扩频码，f2为下行载频，t0表示两台测距设备之间的钟差；

那么，地面控制中心2接收到的下行扩频信号可表示为：

y2(t)＝ap2(t-t0-τ1)cos[2πf2(t-t0-τ1)](9)

式(9)中，τ1为两台测距设备距离引起的传输时延；

地面控制中心2的第二接收模块212将收到的下行扩频信号y2(t)进行a/d采样处理形成基带信号送至第二处理模块22，在第二处理模块22中基带信号与一个本地参考扩频信号y3(t)进行相关运算；本地参考扩频信号y3(t)可表示为：

y3(t)＝ap2(t)cos[2πf2(t)](10)

信号相关函数定义为：

根据相关函数的性质，上式当τ＝0时r(τ)取得最大值；那么将将y2(t)与y3(t)进行相关，可表示为：

当τ＝t-(t-t0-τ1)＝τ1+t0时，r(τ)出现最大值。那么，经过a/d采样后离散化的下行信号相关函数rd(l)可表示为：

rd(l)＝[r(1),r(2),...,r(n)],l＝1,2,...,n(12)

式(12)中，n为相关函数采样点总数，r(n)为相关函数第n个点的取值。；

假设rd(l)出现最大值的相关峰位置为r(k2)，得到对应的采样点计数k2，1≤k2≤n。由于采样点是离散的，需要采用离散校正算法对信号的相关峰进行精确校正，进一步提高测量精度，算法如下：首先以相关峰左右各取1个采样点，即超前峰、中间峰和滞后峰，对应的计数分别为k2-1、k2和k2+1，三个采样点的幅值分别为l(k2-1)、l(k2)和l(k2+1)，则计数值精细校正量为：

由于地面测量设备的发射信号模块和接收信号模块使用了基准模块提供的统一的同步时钟，故下行信号采样点计数可通过下式直接转换为上行扩频码相位，得到校正后的上行扩频码相位精确值φ2为：

式(14)中，fs2为地面测距设备对下行扩频信号的采样率，fuc为上行扩频码码速率；

4.完成非相干测距

将式(7)所示的第一上行扩频码相位信息和式(14)所示的第二上行扩频码相位信息处理后即可得到卫星和地面控制中心的距离r:

式(15)中，c为光速。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。