一种基于扩频体制的高精度测距方法与流程

1.本发明涉及航天测控技术领域，特别是指一种基于扩频体制的高精度测距方法。


背景技术：

2.在航天测控领域，常用的测距体制包括侧音测距、伪码测距、音码混合测距等。例如，侧音测距采用100khz主侧音常发，多级次侧音轮发的机制，通过测量地面站收发端侧音相位差得到星地距离。该方法的测距精度由100khz主侧音跟踪精度决定，可达到的测距精度仅为十米量级。现有技术中其他常用测距体制的测距精度也仅为米量级、甚至十米量级，已无法满足日益提高的卫星定轨精度要求。
3.为进一步提高卫星定轨精度，需有效提高测控系统的测距精度，达到厘米级测距精度。但是，现有技术中尚未公开这样的测距方法。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种基于扩频体制的高精度测距方法，能够有效提高测控系统的测距精度，实现厘米级测距精度。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
6.一种基于扩频体制的高精度测距方法，包括以下步骤：
7.步骤1，地面站发送上行测量信号，经卫星相干转发形成下行测量信号，卫星在相干转发过程中完成上行测量信号的载波伪码的捕获跟踪；
8.步骤2，地面站接收下行测量信号，进行下行测量信号的载波伪码捕获跟踪；
9.步骤3，地面站对载波伪码稳定跟踪后，分别获得上行测量信号和下行测量信号在同一时刻的伪码相位，两者做差得到星地距离值，同时利用由载波多普勒频率值转换得到的速度值对距离值进行平滑处理，降低测距随机误差，得到高精度测距结果。
10.进一步地，步骤2的具体方式为：
11.步骤201，采用并行捕获方式捕获载波伪码，在多普勒捕获范围内对载波进行n段fft分析，并将伪码在1023个码片内分为m段，从而同时在载波多普勒频率和伪码码片相位两个维度上进行信号能量最大值搜索，即，在m
×
n个点上搜索最大值，完成载波多普勒频率和伪码码片相位的初始捕获；n≥1，m＝1～9；
12.步骤202，采用抑制载波锁相环进行载波相位跟踪，使用跟踪得到的多普勒频率辅助伪码跟踪环路进行伪码相位的跟踪；伪码相位跟踪采用超前滞后环路，通过窄相关运算实现伪码相位的稳定跟踪。
13.进一步地，步骤202的具体方式为：
14.本地载波数字控制振荡器产生i\q两路载波，分别与下行测量信号相乘完成下变频，产生i\q两路零中频信号；
15.本地伪码产生器产生3路伪码，分别为超前支路、滞后支路和对准支路；其中，超前支路比对准支路的伪码相位提前1/l0个码片，滞后支路比对准支路的伪码相位延迟1/l0个
码片；
16.3路超前、滞后和对准支路伪码分别与载波i\q零中频信号相乘以完成解扩，输出超前、滞后和对准支路解扩信号；
17.对准支路解扩信号进入载波环路滤波和鉴相过程，完成载波锁相环的稳定相位跟踪；在载波环路滤波过程中，环路带宽b
l
采用逐步缩小的策略，第n步的环路带宽b
ln
是前一步环路带宽b
l(n-1)
的一半：
[0018][0019]
载波锁相环稳定跟踪后，本地载波数字控制振荡器产生的多普勒频率fd
r体
按照下行测量信号的射频频率f
r体
与伪码速率f
c偈de
之间的比例关系转换为伪码多普勒频率fd
c偈de
，将fd
c偈de
置于本地伪码产生器，辅助伪码完成相位跟踪；转换关系如下式：
[0020][0021]
超前、滞后支路解扩信号进入伪码环路滤波和鉴相过程，完成伪码环的稳定相位跟踪；
[0022]
通过锁定判决模块对伪码延迟锁定环路的锁定状态进行判决，当判定稳定锁定时，将超前支路、滞后支路与对准支路之间的相位差值调整为1/ln个码片，ln值按照如下比例关系逐步缩小：
[0023]
ln＝l
n-1
×
2，l0＝2，n＝1,2,3。
[0024]
进一步地，步骤3的具体方式为：
[0025]
步骤301，在第n个0.5s进行距离解算，获得1个距离值rn，在第n个0.5s中的第m个0.05s获得1个速度值v
n,m
；将第n个0.5s内的10个速度值做差分，得到加速度值an：
[0026][0027]
步骤302，计算第n个0.5s中的中间速度为：
[0028][0029]
步骤303，计算第n个0.5s中的中间距离为：
[0030][0031]
步骤304，计算第n个0.5s经速度平滑辅助后的距离为：
[0032][0033]
本发明相比于背景技术具有如下优点：
[0034]
1、本发明可在现有测控系统中，通过对扩频测距体制的算法升级，实现系统测距精度的有效提高，可充分兼容现有测控系统，无需进行大规模硬件设备升级。
[0035]
2、本发明通过采用伪码窄相关、带宽自适应和速度辅助距离平滑的方式，有效降低了测距随机误差，可实现厘米级高精度测距。相较与目前在用的其他测距体制，测距精度至少提高了2个数量级。
[0036]
3、本发明具有相位跟踪性能稳定、测距精度高、系统兼容性强的特点。
附图说明
[0037]
图1是本发明实施例中高精度测距方法的流程图。
[0038]
图2是本发明实施例中载波跟踪辅助伪码跟踪以及窄相关运算的原理示意图。
具体实施方式
[0039]
下面结合附图对本发明作进一步解释说明。
[0040]
一种基于扩频体制的高精度测距方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0041]
步骤1，地面站发送上行测量信号，经卫星相干转发形成下行测量信号，卫星在相干转发过程中完成上行测量信号的载波伪码的捕获跟踪；
[0042]
步骤2，地面站接收下行测量信号，进行下行测量信号的载波伪码捕获跟踪；
[0043]
步骤3，地面站对载波伪码稳定跟踪后，分别获得上行测量信号和下行测量信号在同一时刻的伪码相位，两者做差得到星地距离值，同时利用由载波多普勒频率值转换得到的速度值对距离值进行平滑处理，降低测距随机误差，得到高精度测距结果。
[0044]
其中，步骤2的具体方式为：
[0045]
步骤201，载波伪码捕获采用并行捕获方式，载波在多普勒捕获范围内进行n段fft分析，伪码在1023个码片内分为m段，同时在载波多普勒频率和伪码码片相位两个维度进行信号能量最大值搜索，完成载波多普勒频率和伪码码片相位的初始捕获。
[0046]
步骤202，载波相位跟踪采用抑制载波锁相环完成，跟踪得到的多普勒频率辅助伪码跟踪环路完成相位跟踪。伪码相位跟踪采用超前滞后环路完成，通过窄相关运算实现伪码相位的稳定跟踪。
[0047]
如图2所示，步骤202的具体方式如下：
[0048]
本地载波nco产生i\q两路载波，分别与下行测量信号相乘完成下变频，与伪码环路中的对准支路产生的伪码相乘实现解扩，然后通过n点积分清洗实现数据降速和滤波效果，最后进入环路滤波和鉴相过程，完成锁相环的稳定闭环。在环路滤波过程中，环路带宽b
l
采用逐步缩小的策略，保证载波锁定在一个较小的带宽内，跟踪误差更小。b
l
的缩小策略如下式所示：
[0049][0050]
本地载波nco产生的多普勒频率fd
rf
按照按照下行测量信号的射频频率f
rf
与伪码速率f
code
之间的比例关系转换为伪码多普勒频率fd
code
，此值置于伪码跟踪环路中的本地伪码产生器，辅助伪码完成相位跟踪。转换关系如下式所示：
[0051][0052]
本地伪码产生器产生3路伪码，分别为超前支路、滞后支路和对准支路。超前支路比对准支路的伪码相位提前1/l0个码片，滞后支路比对准支路的伪码相位延迟1/l0个码片。在此条件下，3路伪码分别与载波跟踪环路中的i路下变频后的信号相乘完成解扩，然后通过m点积分清洗实现数据降速和滤波效果，最后进入环路滤波和鉴相过程，完成伪码环的稳
定闭环。
[0053]
锁定判决模块对伪码延迟锁定环路的锁定状态进行判决，当判定稳定锁定时，对超前支路、滞后支路与对准支路之间的相位差值进行调整，为1/ln个码片，ln值按照一定比例关系逐步缩小，实现伪码窄相关运算，实现伪码相位稳定跟踪。ln的变化关系如下式所示：
[0054]
ln＝l
n-1
×
2，l0＝2，n＝1,2,3
[0055]
步骤3具体包括以下步骤：
[0056]
步骤301，第n个0.5s距离解算获得1个距离值rn，第n个0.5s中每0.05s获得1个速度值v
nm
；第n个0.5s内的10个速度值做差分得到加速度值an，差分过程见下式：
[0057][0058]
步骤302，第n个0.5s中的中间速度为：
[0059][0060]
步骤303，第n个0.5s中的中间距离为：
[0061][0062]
步骤304，第n个0.5s经速度平滑辅助后的距离为：
[0063][0064]
总之，本发明具有相位跟踪性能稳定、测距精度高、系统兼容性强的特点，可实现厘米级测距精度，相较与目前在用的其他测距体制，测距精度至少提高了2个数量级。
[0065]
本发明可用于现有航天测控系统中，无需大规模改造硬件设备，仅需通过算法升级的方式，即可有效提高系统的测距精度，满足厘米级测距精度要求。