自动剔除动态距离零值的测距方法
【专利摘要】本发明提出的自动剔除动态距离零值的测距方法，旨在提供一种操作简便可靠，测量准确，对信号处理和信息处理方式没有限制，且无需对信号处理时延引起的距离零值进行标校的测距方法。本发明通过下述技术方案予以实现：首先，星上终端完成下行信号处理的同时，采集并存储此刻对上行信号的测量值，将当前测量值插入到下一帧下行数据中完成信号处理相关步骤；然后，地面终端在收到下行信息的同时，采集上行信号的测量值送往计算终端，解出数据帧中的测量信息送往计算终端，计算终端对比地面终端采集的测量值和下一帧数据中解出的测量信息，得到星地双向测距值。本发明彻底摆脱了现有方法对信号处理和信息处理方式的限制，无需对其进行标校。
【专利说明】自动剔除动态距离零值的测距方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种测控领域飞行器通过双向时延测量目标距离的方法。这里的“飞行器”包括卫星、航天器、航空器、临近空间飞行器。
【背景技术】
[0002]在飞行器测控系统中，距离是一个十分重要的测量元素。目前测距所采用的体制常为侧音测距、伪码测距、侧音加伪码混合测距等几种。侧音或伪码测距系统的基本愿理是比相测距，通过测定从目标返回的收侧音(收码)相对于发侧音(发码)的相位移/延时来测定测量站至目标的径向距离。侧音测距系统采用多侧音测距信号。最高侧音用于保证测距精度，最低侧音用于保证无模糊探测距离。在最高侧音与最低侧音间设置若干个匹配侧音用于解决相位测量中的模糊度问题。由于侧音测距系统是一个相位测量系统，测距机的输出量是由目标返回的收侧音相对于发侧音的相位移，再由相位测量值转换为测量站至目标的径向距离测量值。测距机输出的距离值(相移值)Rt，由三部分组成:①地面系统自身的距离(相移)值Rg;②飞行器器载应答机自身的距离(相移)值Rs;③所需测量的从测量站到目标的径向距离(相移)R中，即地面天线旋转心(测量坐标系原点)至飞行器器载应答机天线相位中心之间的距离(相移)。为了获得测量站至目标的真实距离R，必须从测距机的输出数据Rt中将地面系统及应答机自身的距离值(Rg+Rs)扣除。从测距机输出的距离数据中扣除已知的空间距离及测试所用的电缆、波导、天线的电长度，即可获得地面系统自身的距离零值。目标距离测量就是要精确测定延迟时间tK。目标距离测量的主要缺点是:难于同时测量多个目标。如欲测量多个目标，必须采用大量滤波器和频率计数器等，使装置复杂，从而限制其应用范围。随着测量技术的不断发展，研究多个目标之间自的测量方程，通过通讯链路进行信息交换，消除其高精度的相对距离自主测量十分重要。双向测量已成为高精度相对距离测量研究的焦点。通过双向测量可以获得两目标间的真实距离和钟差。测距精度取决于其对时延的测量精度，信号能量越高、噪声能量越低，距离测量的精度也就越好。由于传播途径所遇环境的复杂性，距离时延误差因传播信号的路径的不同而差异较大。航天测控通信系统采用扩频体制，其核心是将伪码测距，伪码扩频，码分多址，时分多路等数字通信技术引入到测控系统中，实现对卫星的遥测、遥控，测距、测速、跟踪、测角、数传等功能，完成测控任务，同时靠码分多址实现多目标测控通信。在距离零值误差构成及数据校正连续波跟踪测量系统中，由于设备中存在惯性元件和尺寸延时。信号通过设备将产生固定时延，这个固定时延叫做设备时延(也称为距离零值)，它由地面站时延和应答机时延组成。设备时延值引入的误差直接影响系统测距精度，在系统测距误差中占有较大比重。如何精确测量出地面观测站与弹载应答机时延，一直是研究连续波跟踪测量系统的一个重要课题。在测距系统中，由应答机引入的误差主要包含应答机本身的零值偏移误差和测量引入的零值测量误差，以及由于环境状态变化引起的零值变化误差。按传统方法，应答机零值偏移误差和零值测量误差将直接引入到系统精度之中，但均可以通过改善应答机性能和测量精度来降低这两种因素引入的误差量，而对于外部环境引入的测量误差却不能实时地消除，是一种较为被动的测量手段，在系统精度的提高上始终存在很大程度的局限性。可以设想。若在测量和系统使用的过程中，引入相应的智能体校正技术，就可以打破局限，把外部状态变化造成的测距误差基本消除，系统引入的仅仅是得到控制的应答机距离零值偏移误差和测量误差。从统计数据来分析，在应答机稳定可靠的前提下，应答机动态距离零值数据主要与接收信号电平、多普勒频移、舱内温度、加电时间等因素相关，在具有一定程度的自动化测量漫各支持下，这些数据可以通过距离零值动态测量技术获得，从而建立相应的数据库框架，对每台需使用的应答机建立相应的数据档案。为了达到更高的系统精度要求，目前国际上已有较新的数据协调技术的应用。过失误差出现的机率虽很小，但它的存在会严重影响智能校正系统的运行，直接影响对飞行器的测量精度。因此，及时发现、剔除和修正这类数据是误差处理的首要任务，常用方法有统计假设检验法(如残差分析法、校正量分析法等)、广义似然比法和贝叶斯法等，这些方法在理论和应用之间还存在一定的差距。
[0003]双向时延测量目标距离是指通过测量无线电信号由地面发送至飞行器目标再转发回地面接收的双向传输时间，联合无线电信号在空间中传播的速度进行计算得到目标距离值。现有技术飞行器的双向时延测距方式主要由侧音测距、扩频相干测距、扩频非相干测距。侧音测距和扩频相干测距都是相干转发的方式，即星上转发的下行信号与收到的上行信号是相干的，不存在星上信号处理引入时延的问题。非相干测距方式中设备引入的信号处理时延，在任务前通过校零去掉。上述现有技术的不足之处在于:
一是对信号处理引入时延的限制。已有非相干测距方式需要采用校零的方式将信号处理引入的时延标校掉，要求在任务中信号处理引入的时延是固定的，适用范围较窄，且对信号处理的要求较高。
[0004]二是不适用于下行数据动态复接的情况。动态复接造成信息处理的时延动态变化，如果以下行帧同步信号对上行信号采样，得到的采样值不包含这段信息处理的时延，无法在最后计算时扣除掉，且由于其动态特性，也无法通过系统校零的方式进行标校。
[0005]一方面，随着下行传输速率的不断提高，对下行编码、调制方式等提出了新的要求，对于低仰角传输的需求，下行信号处理引入了均衡等信号处理算法，要保证这些新引入信号处理方式的处理时延为固定将为设计带来较高的复杂度；另一方面针对多任务载荷的应用和扩展需求，下行信息进行动态复接是未来发展的一种趋势。
【发明内容】
[0006]为了克服现有测距方法的上述不足，提高测量的便利性，实现任意传输体制下目标距离值的测量，本发明提出一种操作简便可靠，测量准确，对信号处理和信息处理方式没有限制，且无需对信号处理时延引起的动态距离零值进行标校的测距方法。
[0007]本发明的上述目的可以通过以下措施来达到。一种自动剔除动态距离零值的测距方法，其特征在于包括如下步骤:在地面终端、星上终端发送接收下行和/或上行信号的双向测距过程中，首先，星上终端完成下行信号处理的同时，采集并存储此刻对上行信号采样的测量值，将下行采样时刻设定为完成组帧和编码；把信号处理引入的动态时延包含在测量值之内，将下行采样时间和采样值的测量值插入到当前发送信息帧的下一帧的下行数据中，将信号处理引入的动态时延从设备零值中剔除出来，完成信号处理相关步骤；然后，地面终端在收到下行信息的同时，采集上行信号的测量值送往计算终端，解出的测量信息，计算终端对比地面终端采集的测量值和下一帧数据中解出数据帧中的测量信息，扣除预先装订的设备固定零值，得到星地双向测距值。
[0008]本发明相比现有技术具有如下有益效果:
本发明通过对下行采样时间和采样值的插入位置进行设计，将信号处理引入的动态时延从设备零值中剔除出来，以保证系统零值的稳定。本发明操作简单，彻底摆脱了现有方法对信号处理和信息处理方式的限制，将信号处理引入的动态时延包含在测量值之内，无需对其进行标校，可适用于下行采用任何信号处理算法和信息处理方式的系统。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]下面结合附图和【具体实施方式】对本方法做进一步说明。
[0010]图1是本发明自动剔除动态距离零值的原理图。
【具体实施方式】
[0011]参阅图1。在以下描述的自动剔除动态距离零值的测距实施例中，地面终端发上行信号-星上终端收上行信号-星上终端发下行信号-地面终端收下行信号的一个双向测距过程。各采样点的设计以及测距计算时采样值的选取要求等。地面终端向星上终端发送上行测量信号；星上终端接收上行测量信号，在地面终端、星上终端发送接收下行和/或上行信号的双向测距过程中，首先，星上终端完成下行信号处理(包括动态组帧、编码等)的同时，采集并存储此刻对上行信号采样的测量值。由于当前信息帧已经调制发送，将下行采样时刻设定为完成组帧和编码；把信号处理引入的动态时延包含在测量值之内，将下行采样时间和采样值的测量值插入到当前发送信息帧的下一帧的下行数据中，将信号处理引入的动态时延从设备零值中剔除出来。完成信号处理相关步骤；然后，地面终端在收到下行信息的同时，采集上行信号的测量值送往计算终端，解出的数据帧中的测量信息，计算终端对比地面终端采集的测量值和下一帧数据中解出数据帧中的测量信息，扣除预先装订的设备固定零值，得到星地双向测距值。设备固定零值可通过成熟方法进行标校，此处不详述。
[0012]星上终端对下行数据信息完成动态组帧和编码后，将信息帧送往调制的同时对接收到的上行信号进行采样，提取帧计数、位计数、码计数、码相位、载波计数、载波相位等值，该采样值体现为星上收到上行信号至发送下行信号之间的时延，包含信息处理和信号处理的时延，表述为采样值1。由于当前正在发送的信息帧已不能再插入数据，将该生成的时刻采样值1缓存至下一帧数据组帧时插入到下一帧数据测量信息的位置。当地面终端收到下行测距信号时，利用下行帧同步对上行信号进行采样，提取帧计数、位计数、码计数、码相位、载波计数、载波相位等值，该采样值体现为地面发送上行测距信号至收到测距信号的时延，包括信号双向传输时延和星上处理时延，表述为采样值2。地面终端得到的采样值2送往计算终端缓存，待获得下一帧下行测距帧中的采样值1后，通过对比采样值1和采样值2计算可得系统测距初值。
[0013]具体步骤为:
地面终端在七0时刻发上行测量信息帧，星上终端接收地面站发送的上行测量信息帧完成下行数据信息的动态组帧和编码后，将信息帧送往调制的同时对接收到的上行信号进行采样，得到星上处理动态时延tln;将动态时延tln的值缓存至下一帧信息组帧时，插入到下一帧数据测量信息的位置；地面终端接收下行测量信息帧，利用下行帧同步对上行信号进行采样，得到地面发送上行测距信号至收到测距信号的时延t2n ;将t2n的值送往计算终端缓存至收到下一帧下行测量信息帧，从中提取tln ;通过计算终端计算测距值其中，C为光速，怂为设备固定零值。
【权利要求】
1.一种自动剔除动态距离零值的测距方法，其特征在于包括如下步骤:在地面终端、星上终端发送接收下行和/或上行信号的双向测距过程中，首先，星上终端完成下行信号处理的同时，采集并存储此刻对上行信号采样的测量值，将下行采样时刻设定为完成组帧和编码；把信号处理引入的动态时延包含在测量值之内，将下行采样时间和采样值的测量值插入到当前发送信息帧的下一帧的下行数据中，将信号处理引入的动态时延从设备零值中剔除出来，完成信号处理相关步骤；然后，地面终端在收到下行信息的同时，采集上行信号的测量值送往计算终端，解出的测量信息，计算终端对比地面终端采集的测量值和下一帧数据中解出数据帧中的测量信息，扣除预先装订的设备固定零值，得到星地双向测距值。
2.根据权利要求1所述的自动剔除动态距离零值的测距方法，其特征在于，星上对下行数据信息完成动态组帧和编码后，将信息帧送往调制的同时对接收到的上行信号进行采样，提取帧计数、位计数、码计数、码相位、载波计数、载波相位值，该采样值体现为星上收到上行信号至发送下行信号之间的时延，包含信息处理和信号处理的时延，表述为采样值I。
3.根据权利要求1所述的自动剔除动态距离零值的测距方法，其特征在于，星上终端对下行数据信息完成动态组帧和编码后，将信息帧送往调制的同时对接收到的上行信号进行采样，提取帧计数、位计数、码计数、码相位、载波计数、载波相位值，该采样值体现为星上收到上行信号至发送下行信号之间的时延，时延包含信息处理和信号处理的时延，表述为采样值I。
4.根据权利要求3所述的自动剔除动态距离零值的测距方法，其特征在于，当前正在发送的信息帧不能再插入数据，将生成的时刻采样值I缓存至下一帧数据组帧时插入到下一帧数据测量信息的位置。
5.根据权利要求1所述的自动剔除动态距离零值的测距方法，其特征在于，当地面收到下行测距信号时，利用下行帧同步对上行信号进行采样，提取帧计数、位计数、码计数、码相位、载波计数、载波相位值，该采样值体现为地面发送上行测距信号至收到测距信号的时延。
6.根据权利要求5所述的自动剔除动态距离零值的测距方法，其特征在于，所述的时延，包括信号双向传输时延和星上处理时延，表述为采样值2。
7.根据权利要求6所述的自动剔除动态距离零值的测距方法，其特征在于，地面终端得到的采样值2送往计算终端缓存，待获得下一帧下行测距帧中的采样值I后，通过对比采样值I和采样值2计算得到系统测距初值。
8.根据权利要求1所述的自动剔除动态距离零值的测距方法，其特征在于，地面终端在?,时刻发上行测量信息帧，星上终端接收地面站发送的上行测量信息帧完成下行数据信息的动态组帧和编码后，将信息帧送往调制的同时对接收到的上行信号进行采样，得到星上处理动态时延tln ;将动态时延tln的值缓存至下一帧信息组帧时，插入到下一帧数据测量信息的位置。
9.根据权利要求1所述的自动剔除动态距离零值的测距方法，其特征在于，地面终端接收星上终端下行测量信息帧，利用下行帧同步对上行信号进行采样，得到地面发送上行测距信号至收到测距信号的时延t2n ;将t2n的值送往计算终端缓存至收到下一帧下行测量信息帧，从中提取tln ;通过计算终端计算测距值其中，c为光速，怂为设备固定零值。
【文档编号】G01S13/32GK104459682SQ201410651905
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月18日 优先权日:2014年11月18日
【发明者】张旭 申请人:中国电子科技集团公司第十研究所