一种适用于多星测控情境中的星地测距方法技术

一种适用于多星测控情境中的星地测距方法，本发明专利技术涉及星地测距方法。本发明专利技术的目的是为了解决多星测控场景中高级在轨系统体制业务数据流与伪码数据流物理层无法兼容的问题。过程为：在发射端：在发射端I路通过CA码对下行遥测上行遥控信号进行直接序列扩频，用以实现星地之间测控电文的传输；在发射端Q路通过CA码对伪码测距序列进行直接序列扩频，用以实现星地之间测距功能；在接收端：1、将不同卫星的发射信号分开，并获得伪码相位和多普勒频移；2、实现载波跟踪环路和伪码跟踪环路稳定工作；3、对I路进行相干积分输出持续的比特；对Q路进行相干积分输出持续的比特，解算出传输时间进而得到星地实际距离。本发明专利技术用于航天技术领域。域。域。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于多星测控情境中的星地测距方法


[0001]本专利技术涉及星地测距方法，涉及航天


技术介绍

[0002]以卫星星座系统为重要组成部分的天地一体化信息网络，是支撑我国经济发展及国防信息化建设的重要网络基础设施，已成为我国“新基建”的重点发展方向。随着航天系统不断发展壮大，航天器数量越来越多，因此测控技术成为大规模星座日常性能管理、保障其网络稳健性以及服务能力的重要组成部分。
[0003]测控主要指对航天器进行跟踪，遥测和遥控，包括获取航天器运动状态及轨道信息，获取其工作状态以及对航天器进行必要的指令控制。航天测控系统自上世界40年代出现以来经历着从分离测控、统一载波测控到扩频测控三个阶段。扩频测控系统能够完成遥测遥控、测距测控、数据通信、宽带图像传输等多种功能的统一以及多站多目标测量的统一，其实质在于利用扩频序列的相关性来实现基于CDMA或者MC
‑
CDMA的测控通信体制，其优势在于：
[0004]1.由于伪随机码极强的自相关性，一系列卫星享有相同的载波频率却不会产生严重的同频干扰，可以作为不同卫星信号的标识。
[0005]2.扩宽频带使得接收信号的信噪比不必很高，根据香农定理提供了一定的扩频增益。
[0006]3.在接收机端，伪随机码的码片相位提供了必要的测距信号。
[0007]但是在多星测控场景中高级在轨系统(Advanced Orbiting System，AOS)体制业务数据流与伪码数据流物理层无法兼容。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的是为了解决多星测控场景中高级在轨系统体制业务数据流与伪码数据流物理层无法兼容的问题，而提出一种适用于多星测控情境中的星地测距方法。
[0009]一种适用于多星测控情境中的星地测距方法具体过程为：
[0010]发射端的处理流程按以下步骤进行：
[0011]在发射端I路通过CA码对下行遥测上行遥控信号进行直接序列扩频，用以实现星地之间测控电文的传输；
[0012]在发射端Q路通过CA码对伪码测距序列进行直接序列扩频，用以实现星地之间测距功能；
[0013]CA码用于对不同卫星信号的区分；
[0014]I路和Q路的两路数据非同源且传输速率不同；
[0015]其中I、Q两路虽然调制在相同频率的载波上，但两路载波相位差保持90度，正交，便于接收机的区分；
[0016]发射端射频板DA输出的数字信号如式(1)所示，
[0017][0018]其中C(t)代表特定码号CA序列；D(t)为I路传输的测控电文；Y(t)为CCSDS标准中采用的T2B/T4B测距伪码，周期为1009740；P
I
为I路输出功率；P
Q
为Q路输出功率；ω为载波角频率；t为时间；s(t)为射频板DA最终输出的信号形式；
[0019]为了保证传输速率不同的I、Q两路具有相同的信噪比，I、Q两路的功率应该满足式(2)；
[0020][0021]其中R
I
为I路测控电文的传输速率；R
Q
为Q路测距伪码的传输速率；N0为双边白噪声功率谱密度；SNR为信噪比；
[0022]接收端的处理流程按以下步骤进行：
[0023]步骤1、对输入基带处理系统的中频数据进行FFT捕获，实现对CA码码号、CA码相位、多普勒频移的三维搜索，将不同卫星的发射信号分开，并获得接收端对发射信号捕获时刻的伪码相位和多普勒频移；
[0024]所述FFT为快速傅里叶变换；
[0025]步骤2、对步骤1中大于设定捕获阈值的相关峰的卫星分配跟踪通道，实现载波跟踪环路和伪码跟踪环路稳定工作；
[0026]步骤3、当载波跟踪环路和伪码跟踪环路实现稳定工作以后对I路进行相干积分输出持续的比特；
[0027]当载波跟踪环路和伪码跟踪环路实现稳定工作以后对Q路进行相干积分输出持续的比特，基于比特解算出传输时间，将传输时间带入到双向单程测距公式中得到星地实际距离。
[0028]本专利技术的有益效果为：
[0029]本专利技术实现了多星测控场景中高级在轨系统(Advanced Orbiting System，AOS)体制业务数据流与伪码数据流物理层的兼容；
[0030]本专利技术为解决现有的伪码测距无法融入数据系统空间咨询委员会体系(Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS)相关标准，同时多星测控接收机没有明确解决方案的问题。直接利用AOS系统的物理信道层，即将AOS数据流和测距伪码采用非平衡QPSK的调制体制调制在同一载波上，同时利用CA码间良好的自相关与互相关特性，将不同码号的CA码作为不同卫星的标识，通过码长1023的CA码对I路的测控电文和Q路的伪码序列进行直接序列扩频，接收端通过FFT捕获，实现对卫星、伪码相位以及载波多普勒频移的三维搜索，接着通过科斯塔斯环和早迟环实现对I,Q两路的为码相位以及载波频移的跟踪，并通过相干积分解算出连续的0，1序列，接下来可根据I路输出进行比特同步和帧同步，从而实现对遥测数据的读取，对Q路输出进行CA码相位以及复合伪码相位的判决，从而获取星地之间的测量距离。
[0031]本专利技术包括以下有益效果：
[0032]1、本专利技术通过非平衡QPSK I,Q两路分别搭载测控电文和测距伪码，重点实现上行遥控下行遥测电文的传输以及星地距离的测定，可以根据I,Q两路的速率调整发信本振的
功率分配器，使测控电文解调和伪码相位判决保持在较高的正确率。从原理上没有介入高级在轨系统体制的内部数据流的形成和复用的过程，因而时延可控性高，有利于提高测距精度。同时采用双向单程测距的方法，省去传统的伪码再生步骤，并且可以约去钟差，实现更高的测距精度。
[0033]2、本专利技术所述方法可根据测控需求针对不同的星座规模以及实际带宽采取不同长度的直扩序列，本专利技术以CA码为例，常用CA码有37种，长度为1023，即可以通过CA码对不超过37个卫星的小型卫星星座进行测控标识。
附图说明
[0034]图1为Zynq平台实现测控应答机基带数据处理框图，PS为处理系统(Processing System)，PL为可编程逻辑(Progarmmable Logic)；
[0035]图2为CCSDS标准中测距伪码序列T2B/T4B生成图，C1、C2、C3、C4、C5、C6为子码，Combining Logic为组合逻辑；
[0036]图3为跟踪环路流程图，E为提前伪码，P为中间伪码，L为滞后伪码；
[0037]图4为双向单程伪码测距示意图，CA_X为CA码码号，CA_Phase为CA码相位，flag为稳定跟踪状态标志量；
[0038]图5为接收端对Q路伪码相位解算流程图；
[0039]图6为各子码首个相关器输出结果随输入伪码相位变化图。
具体实施方式
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于多星测控情境中的星地测距方法，其特征在于：所述方法具体过程为：发射端的处理流程按以下步骤进行：在发射端I路通过CA码对下行遥测上行遥控信号进行直接序列扩频，用以实现星地之间测控电文的传输；在发射端Q路通过CA码对伪码测距序列进行直接序列扩频，用以实现星地之间测距功能；CA码用于对不同卫星信号的区分；I路和Q路的两路数据非同源且传输速率不同；其中I、Q两路虽然调制在相同频率的载波上，但两路载波相位差保持90度，正交，便于接收机的区分；发射端射频板DA输出的数字信号如式(1)所示，其中C(t)代表特定码号CA序列；D(t)为I路传输的测控电文；Y(t)为CCSDS标准中采用的T2B/T4B测距伪码，周期为1009740；P
I
为I路输出功率；P
Q
为Q路输出功率；ω为载波角频率；t为时间；s(t)为射频板DA最终输出的信号形式；为了保证传输速率不同的I、Q两路具有相同的信噪比，I、Q两路的功率应该满足式(2)；其中R
I
为I路测控电文的传输速率；R
Q
为Q路测距伪码的传输速率；N0为双边白噪声功率谱密度；SNR为信噪比；接收端的处理流程按以下步骤进行：步骤1、对输入基带处理系统的中频数据进行FFT捕获，实现对CA码码号、CA码相位、多普勒频移的三维搜索，将不同卫星的发射信号分开，并获得接收端对发射信号捕获时刻的伪码相位和多普勒频移；所述FFT为快速傅里叶变换；步骤2、对步骤1中大于设定捕获阈值的相关峰的卫星分配跟踪通道，实现载波跟踪环路和伪码跟踪环路稳定工作；步骤3、当载波跟踪环路和伪码跟踪环路实现稳定工作以后对I路进行相干积分输出持续的比特；当载波跟踪环路和伪码跟踪环路实现稳定工作以后对Q路进行相干积分输出持续的比特，基于比特解算出传输时间，将传输时间带入到双向单程测距公式中得到星地实际距离。2.根据权利要求1所述的一种适用于多星测控情境中的星地测距方法，其特征在于：所述步骤2中对步骤1中大于设定捕获阈值的相关峰的卫星分配跟踪通道，实现载波跟踪环路和伪码跟踪环路稳定工作；具体过程为：中频数据分别与载波发生器根据捕获多普勒频移产生的两路载波相乘；相乘后的两路数据流分别与伪码发生器根据捕获的伪码相位产生的超前、中间、滞后三路伪码相乘，获得6路信号；
在设定的积分时间内对6路信号进行积分，其中载波环路鉴相器对载波环路跟踪采用I路或Q路中间正交相关器；伪码环路鉴相器对伪码环路的跟踪采用I路提前正交相关器、I路滞后正交相关器、Q路提前正交相关器、Q路滞后正交相关器；载波环路滤波器将载波环路鉴相器输出的结果反馈至载波压控振荡器中进行调节；伪码环路滤波器将伪码环路鉴相器输出的结果反馈至伪码发生器中进行调节；所述捕获阈值设定为捕获范围内各点相关值的平均值的3倍。3.根据权利要求2所述的一种适用于多星测控情境中的星地测距方法，其特征在于：所述步骤3中当载波跟踪环路和伪码跟踪环路实现稳定工作以后对I路进行相干积分输出持续的比特；当载波跟踪环路和伪码跟踪环路实现稳定工作以后对Q路进行相干积分输出持续的比特，基于比特解算出传输时间，将传输时间带入到双向单程测距公式中得到星地实际距离；具体过程为：步骤3.1、对I路进行相干积分输出持续的比特；具体过程为：步骤3.1a、比特同步；步骤3.1b、基于步骤3.1a完成比特同步后进行帧同步；步骤3.2、对Q路进行相干积分输出持续的比特，基于比特解算出传输时间，将传输时间带入到双向单程测距公式中得到星地实际距离。4.根据权利要求3所述的一种适用于多星测控情境中的星地测距方法，其特征在于：所述步骤3.1a中比特同步；具体过程为：假定I路测控电文的传输速率为1kbps，扩频因子为2046，扩频后码片速率为2.046Mbps；当载波跟踪环路和伪码跟踪环路实现稳定工作时，根据I路测控电文传输速率选取积分时间间隔；以0.1ms为积分时间间隔，则一个测控电文比特传输时间内可以积分十次，记作时刻1，2
…
10，每个时刻...

【专利技术属性】
技术研发人员：李德志，亢嘉斌，王振永，杨文超，倪洁，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：