具有在轨零值测量功能的人造卫星星间测距系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种具有在轨零值测量功能的人造卫星星间测距系统，包括安装在卫星上的测距装置和零值测量装置，测距装置包括：控制及计算模块、信号发射天线、信号接收天线、信号接收口和信号输出口；所述零值测量装置包括：锁相频率合成器、第一衰减模块、混频器、滤波器、第二衰减模块、第一模拟开关、第二模拟开关和供电模块；本发明专利技术还提供了一种人造卫星星间测距系统的在轨零值测量方法；本发明专利技术的星间测距系统和在轨零值测量方法，可实现测距系统的实时在轨零值测量；零值补偿模式和测距模式自由切换；具有良好的兼容性，可满足不同波段的测距系统零值补偿要求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及星间测距的零值测量
，特别涉及一种具有在轨零值测量功能的人造卫星星间测距系统和方法。
技术介绍
随着航天技术的不断发展，使空间系统的功能越来越强，大卫星的任务可以由多个功能相对单一的小卫星合作完成。小卫星以其成本低、体积小、质量轻、研制周期短、技术含量高的特点，在航天领域扮演着越来越重要的角色。在人造卫星编队领域，卫星编队单元相对距离的测量是编队协同工作的基础，并且星间测距精度的高低直接决定了编队技术所能达到的应用水平。目前卫星编队星间测距手段主要为GPS测量，但该方法存在一定的局限性，如深空不能使用，高精度测距码未公开等；此外利用不同方法获取距离相位差的技术也得到了一定的发展与应用，且这些应用已经具备了一定的精度和稳定性。例如公布号为CN102778678A的专利文献公开了一种高精度载波测距系统，用于主星与从星间相对距离的测量，所述主星包括主星天线，用于发射第一载波信号和接收第二载波信号；超稳晶振模块，用于产生基准频率的基准信号；主星发射射频产生模块，用于根据基准信号产生第一载波信号，并输出到所述主星天线发射；参考射频产生模块，用于根据基准信号产生本地参考信号；下变频模块，用于接收本地参考信号和所述主星天线接收的第二载波信号，进行下变频；基带处理模块，用于对来自于下变频模块的信号进行基带处理，得到相位差，计算出星间距离；所述从星包括从星天线，用于发射第二载波信号和接收第一载波信号；嵌套环接收模块，用于解调从星天线接收的第一载波信号恢复出基准信号；从星发射射频产生模块，用于根据基准信号产生第二载波信号并通过从星天线发送。上述专利技术采用一个超稳晶振模块产生基准频率，并且从星从第一载波信号恢复基准频率，不引入新的频率源噪声能够实现消除晶振的长期时钟相位噪声，可以达到几十微米的测距精度。同时该专利技术方法的相位差的提取在同一颗卫星上进行，不需要进行精确的定时同步，电路实现结构比较简单，省去了GRACE双单程测距中GPS的定时同步模块，通过转发得到由同一频率源产生的相位测量，从而消除频率源不稳定的影响，测量精度高。目前星间测距方法的零值测量采用地面标定的方法，该方法标定的零值会包含一段较长的走线，与厘米级的精度需求有差距，而且地面环境下的标定方法并不完全适用于在轨环境。
技术实现思路
本专利技术提供了一种具有在轨零值测量功能的人造卫星星间测距系统，可实现测距系统的实时在轨零值测量和补偿，整体结构简单、体积小、功耗低，兼容性好。一种具有在轨零值测量功能的人造卫星星间测距系统，包括安装在卫星上的测距装置和零值测量装置，测距装置包括：控制及计算模块、信号发射天线和信号接收天线，所述测距装置还包括信号接收口和信号输出口；所述零值测量装置包括：锁相频率合成器，接收与测距装置同源的晶振发出的参考信号，产生频率等于测距装置的发射信号频率与接收信号频率的频率差的信号；第一衰减模块，衰减测距装置的信号输出口输出的射频信号；混频器，将锁相频率合成器发出的信号作为本振信号，第一衰减模块输出的信号作为射频输入信号，产生与测距装置的接收信号频率相同的信号；滤波器，消除混频器输出的信号的噪声；第二衰减模块，衰减来自滤波器的信号，并将衰减后的信号发送给测距装置的信号接收口，测距装置将接收信号处理后由控制及计算模块计算系统零值；第一模拟开关，切换信号输出口与信号发射天线或第一衰减模块连接；第二模拟开关，切换信号接收口与信号接收天线或第二衰减模块连接；供电模块。本专利技术通过设置模拟开关实现系统的测距模式和零值测量模式切换，其中：测距模式和零值测量模式切换包括如下步骤：1)利用两个模拟开关及供电模块配合工作；2)利用测距装置的控制单元控制第一和第二模拟开关的工作模式以及供电模块的开关功能，实现零值测量模式和测距模式的自由切换。在零值测量模式时，开启供电模块，为整个零值测量装置供电；在测距模式时，关闭供电模块，去除零值信号对测距值的干扰，并降低功耗；在轨零值测量包括如下步骤：3)利用测距装置的控制及计算模块控制模拟开关的工作模式，将工作模式切换至零值测量模式；4)利用测距装置的晶振模块为锁相频率合成器提供参考频率，由锁相频率合成器产生一个信号，该信号的频率等于测距装置发射信号频率与接收信号频率的频率差；5)利用第一衰减模块衰减经过第一模拟开关的射频信号，使其可成为混频器的输入信号；6)将步骤4)产生的信号作为混频器的本振信号，步骤5)衰减后的信号作为混频器的射频输入信号，由混频器产生与测距装置接收信号频率相同的信号；7)利用滤波器滤除混频之后的噪声；8)利用第二衰减器将步骤7)滤波之后的信号衰减至测距装置的信号接口可接受的信号强度范围，进而进行零值的计算；将计算得到的零值结果进行评价与分析，包括如下步骤：9)通过遥测获取实时零值数据，并将数据下传至地面，与地面测试数据进行比较，分析数据的合理性；10)统计数据的均方差，用于评估该方法的在轨零值测量精度。本专利技术系统的在轨零值测试装置适用于卫星在轨工作，由于零值测量存在实际有线链路，可以很好得设计整星电磁兼容，使得零值测量更准确。利用两个射频开关及供电模块配合工作，其功能是为测距装置添加零值测量模式，同时充分考虑功耗及排除零值对测距本身的干扰。将测距装置的发射信号经过混频、衰减得到测距装置的信号接收口所能接受的测距信号，其功能是得到测距装置的系统零值；在轨零值的分析及评价方法：通过卫星遥测获取实时在轨零值数据，主要为利用各种测距装置的测距方法获得的相位差：解算测距结果，解算公式如下，其中λ为测距方法中的波长或码片长度，π为圆周率：在轨零值(d0)：将上述测量到的在轨零值同地面测试数据进行比较，分析在轨零值数据的合理性；通过统计以上计算结果的均方差：可以评估在轨零值数据的精度，其中为在轨零值的平均值。为了提高衰减程度以及增加可控性，优选的，所述第二衰减模块包括两个级联的可变衰减器。为了提高系统测量的准确性，优选的，所述第一衰减模块为可变衰减器。通过改变可变衰减器的值，既可以实现信号接收口接收范围的覆盖，这样还可以实现不同信噪比下的零值测量，去除不同信噪比对零值的影响，只要在测距模式中检测测距模式下的信噪比，再通过控制总线调节可变衰减器，使得零值测量模式和测距模式处于相同的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有在轨零值测量功能的人造卫星星间测距系统，包括安装在卫星上的测距装置和零值测量装置，测距装置包括：控制及计算模块、信号发射天线和信号接收天线，其特征在于，所述测距装置还包括信号接收口和信号输出口；所述零值测量装置包括：锁相频率合成器，接收与测距装置同源的晶振发出的参考信号，产生频率等于测距装置的发射信号频率与接收信号频率的频率差的信号；第一衰减模块，衰减测距装置的信号输出口输出的射频信号；混频器，将锁相频率合成器发出的信号作为本振信号，第一衰减模块输出的信号作为射频输入信号，产生与测距装置的接收信号频率相同的信号；滤波器，消除混频器输出的信号的噪声；第二衰减模块，衰减来自滤波器的信号，并将衰减后的信号发送给测距装置的信号接收口，测距装置将接收信号处理后由控制及计算模块计算系统零值；第一模拟开关，切换信号输出口与信号发射天线或第一衰减模块连接；第二模拟开关，切换信号接收口与信号接收天线或第二衰减模块连接；供电模块。

【技术特征摘要】
1.一种具有在轨零值测量功能的人造卫星星间测距系统，包括安装
在卫星上的测距装置和零值测量装置，测距装置包括：控制及计算模块、
信号发射天线和信号接收天线，其特征在于，所述测距装置还包括信号接
收口和信号输出口；
所述零值测量装置包括：
锁相频率合成器，接收与测距装置同源的晶振发出的参考信号，产生
频率等于测距装置的发射信号频率与接收信号频率的频率差的信号；
第一衰减模块，衰减测距装置的信号输出口输出的射频信号；
混频器，将锁相频率合成器发出的信号作为本振信号，第一衰减模块
输出的信号作为射频输入信号，产生与测距装置的接收信号频率相同的信
号；
滤波器，消除混频器输出的信号的噪声；
第二衰减模块，衰减来自滤波器的信号，并将衰减后的信号发送给测
距装置的信号接收口，测距装置将接收信号处理后由控制及计算模块计算
系统零值；
第一模拟开关，切换信号输出口与信号发射天线或第一衰减模块连
接；
第二模拟开关，切换信号接收口与信号接收天线或第二衰减模块连
接；
供电模块。
2.如权利要求1所述的具有在轨零值测量功能的人造卫星星间测距
系统，其特征在于，所述第二衰减模块包括两个级联的可变衰减器。
3.如权利要求1所述的具有在轨零值测量功能的人造卫星星间测距
系统，其特征在于，所述第一衰减模块为可变衰减器。
4.如权利要求1所述的具有在轨零值测量功能的人造卫星星间测距
系统，其特征在于，所述供电模块是独立为锁相频率合成器、第一衰减模
块、混频器、滤波器和第二衰减模块供电的稳压模块。
5.一种人造卫星星间测距系统的在轨零值测量方法，其特征在于，
使用如权利要求1～4任一权利要求所述的星间测距系统，包括以下步骤：
(1)卫星在轨运行，控制第一模拟开关和第二模拟开关，使信号输
出口与第一衰减模块连接，信...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐兆斌，孟泽民，徐列炫，徐九凌，王瞧，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33