具有在軌零值測量功能的人造衛(wèi)星星間測距系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及星間測距的零值測量技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種具有在軌零值測量功能 的人造衛(wèi)星星間測距系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，使空間系統(tǒng)的功能越來越強(qiáng)，大衛(wèi)星的任務(wù)可W由多 個功能相對單一的小衛(wèi)星合作完成。小衛(wèi)星W其成本低、體積小、質(zhì)量輕、研制周期短、技術(shù) 含量高的特點(diǎn)，在航天領(lǐng)域扮演著越來越重要的角色。在人造衛(wèi)星編隊(duì)領(lǐng)域，衛(wèi)星編隊(duì)單元 相對距離的測量是編隊(duì)協(xié)同工作的基礎(chǔ)，并且星間測距精度的高低直接決定了編隊(duì)技術(shù)所 能達(dá)到的應(yīng)用水平。目前衛(wèi)星編隊(duì)星間測距手段主要為GI^測量，但該方法存在一定的局限 性，如深空不能使用，高精度測距碼未公開等;此外利用不同方法獲取距離相位差的技術(shù)也 得到了一定的發(fā)展與應(yīng)用，且運(yùn)些應(yīng)用已經(jīng)具備了一定的精度和穩(wěn)定性。
[0003] 例如公布號為CN 102778678 A的專利文獻(xiàn)公開了一種高精度載波測距系統(tǒng)，用于 主星與從星間相對距離的測量，所述主星包括主星天線，用于發(fā)射第一載波信號和接收第 二載波信號；超穩(wěn)晶振模塊，用于產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率的基準(zhǔn)信號；主星發(fā)射射頻產(chǎn)生模塊，用于 根據(jù)基準(zhǔn)信號產(chǎn)生第一載波信號，并輸出到所述主星天線發(fā)射;參考射頻產(chǎn)生模塊，用于根 據(jù)基準(zhǔn)信號產(chǎn)生本地參考信號；下變頻模塊，用于接收本地參考信號和所述主星天線接收 的第二載波信號，進(jìn)行下變頻;基帶處理模塊，用于對來自于下變頻模塊的信號進(jìn)行基帶處 理，得到相位差，計(jì)算出星間距離;所述從星包括從星天線，用于發(fā)射第二載波信號和接收 第一載波信號;嵌套環(huán)接收模塊，用于解調(diào)從星天線接收的第一載波信號恢復(fù)出基準(zhǔn)信號； 從星發(fā)射射頻產(chǎn)生模塊，用于根據(jù)基準(zhǔn)信號產(chǎn)生第二載波信號并通過從星天線發(fā)送。上述 發(fā)明采用一個超穩(wěn)晶振模塊產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率，并且從星從第一載波信號恢復(fù)基準(zhǔn)頻率，不引 入新的頻率源噪聲能夠?qū)崿F(xiàn)消除晶振的長期時鐘相位噪聲，可W達(dá)到幾十微米的測距精 度。同時該發(fā)明方法的相位差的提取在同一顆衛(wèi)星上進(jìn)行，不需要進(jìn)行精確的定時同步，電 路實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)比較簡單，省去了 GRACE雙單程測距中GPS的定時同步模塊，通過轉(zhuǎn)發(fā)得到由同 一頻率源產(chǎn)生的相位測量，從而消除頻率源不穩(wěn)定的影響，測量精度高。
[0004] 目前星間測距方法的零值測量采用地面標(biāo)定的方法，該方法標(biāo)定的零值會包含一 段較長的走線，與厘米級的精度需求有差距，而且地面環(huán)境下的標(biāo)定方法并不完全適用于 在軌環(huán)境。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供了一種具有在軌零值測量功能的人造衛(wèi)星星間測距系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)測距 系統(tǒng)的實(shí)時在軌零值測量和補(bǔ)償，整體結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功耗低，兼容性好。
[0006] -種具有在軌零值測量功能的人造衛(wèi)星星間測距系統(tǒng)，包括安裝在衛(wèi)星上的測距 裝置和零值測量裝置，測距裝置包括:控制及計(jì)算模塊、信號發(fā)射天線和信號接收天線，所 述測距裝置還包括信號接收口和信號輸出口；
[0007] 所述零值測量裝置包括：
[0008] 鎖相頻率合成器，接收與測距裝置同源的晶振發(fā)出的參考信號，產(chǎn)生頻率等于測 距裝置的發(fā)射信號頻率與接收信號頻率的頻率差的信號；
[0009] 第一衰減模塊，衰減測距裝置的信號輸出口輸出的射頻信號；
[0010] 混頻器，將鎖相頻率合成器發(fā)出的信號作為本振信號，第一衰減模塊輸出的信號 作為射頻輸入信號，產(chǎn)生與測距裝置的接收信號頻率相同的信號；
[0011] 濾波器，消除混頻器輸出的信號的噪聲；
[0012] 第二衰減模塊，衰減來自濾波器的信號，并將衰減后的信號發(fā)送給測距裝置的信 號接收口，測距裝置將接收信號處理后由控制及計(jì)算模塊計(jì)算系統(tǒng)零值；
[0013] 第一模擬開關(guān)，切換信號輸出口與信號發(fā)射天線或第一衰減模塊連接；
[0014] 第二模擬開關(guān)，切換信號接收口與信號接收天線或第二衰減模塊連接；
[00巧]供電模塊。
[0016] 本發(fā)明通過設(shè)置模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的測距模式和零值測量模式切換，其中：
[0017] 測距模式和零值測量模式切換包括如下步驟：
[0018] 1)利用兩個模擬開關(guān)及供電模塊配合工作；
[0019] 2)利用測距裝置的控制單元控制第一和第二模擬開關(guān)的工作模式W及供電模塊 的開關(guān)功能，實(shí)現(xiàn)零值測量模式和測距模式的自由切換。在零值測量模式時，開啟供電模 塊，為整個零值測量裝置供電；在測距模式時，關(guān)閉供電模塊，去除零值信號對測距值的干 擾，并降低功耗；
[0020] 在軌零值測量包括如下步驟：
[0021] 3)利用測距裝置的控制及計(jì)算模塊控制模擬開關(guān)的工作模式，將工作模式切換至 零值測量模式；
[0022] 4)利用測距裝置的晶振模塊為鎖相頻率合成器提供參考頻率，由鎖相頻率合成器 產(chǎn)生一個信號，該信號的頻率等于測距裝置發(fā)射信號頻率與接收信號頻率的頻率差；
[0023] 5)利用第一衰減模塊衰減經(jīng)過第一模擬開關(guān)的射頻信號，使其可成為混頻器的輸 入信號；
[0024] 6)將步驟4)產(chǎn)生的信號作為混頻器的本振信號，步驟5)衰減后的信號作為混頻器 的射頻輸入信號，由混頻器產(chǎn)生與測距裝置接收信號頻率相同的信號；
[0025] 7)利用濾波器濾除混頻之后的噪聲；
[0026] 8)利用第二衰減器將步驟7)濾波之后的信號衰減至測距裝置的信號接口可接受 的信號強(qiáng)度范圍，進(jìn)而進(jìn)行零值的計(jì)算；
[0027] 將計(jì)算得到的零值結(jié)果進(jìn)行評價與分析，包括如下步驟：
[0028] 9)通過遙測獲取實(shí)時零值數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)下傳至地面，與地面測試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較， 分析數(shù)據(jù)的合理性；
[0029] 10)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的均方差，用于評估該方法的在軌零值測量精度。
[0030] 本發(fā)明系統(tǒng)的在軌零值測試裝置適用于衛(wèi)星在軌工作，由于零值測量存在實(shí)際有 線鏈路，可W很好得設(shè)計(jì)整星電磁兼容，使得零值測量更準(zhǔn)確。
[0031] 利用兩個射頻開關(guān)及供電模塊配合工作，其功能是為測距裝置添加零值測量模 式，同時充分考慮功耗及排除零值對測距本身的干擾。
[0032] 將測距裝置的發(fā)射信號經(jīng)過混頻、衰減得到測距裝置的信號接收口所能接受的測 距信號，其功能是得到測距裝置的系統(tǒng)零值；
[0033] 在軌零值的分析及評價方法：
[0034] 通過衛(wèi)星遙測獲取實(shí)時在軌零值數(shù)據(jù)，主要為利用各種測距裝置的測距方法獲得 的相位差：A巧。解算測距結(jié)果，解算公式如下，其中λ為測距方法中的波長或碼片長度，31為 圓周率：
[003引在軌零值(do):或=卸*乂/2兄；
[0036] 將上述測量到的在軌零值同地面測試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析在軌零值數(shù)據(jù)的合理 性;通過統(tǒng)計(jì)W上計(jì)算結(jié)果的均方差：
可W評估在軌零值數(shù)據(jù)的精度， 其中為為在軌零值的平均值。
[0037] 為了提高衰減程度W及增加可控性，優(yōu)選的，所述第二衰減模塊包括兩個級聯(lián)的 可變衰減器。
[0038] 為了提高系統(tǒng)測量的準(zhǔn)確性，優(yōu)選的，所述第一衰減模塊為可變衰減器。通過改變 可變衰減器的值，既可W實(shí)現(xiàn)信號接收口接收范圍的覆蓋，運(yùn)樣還可W實(shí)現(xiàn)不同信噪比下 的零值測量，去除不同信噪比對零值的影響，只要在測距模式中檢測測距模式下的信噪比， 再通過控制總線調(diào)節(jié)可變衰減器，使得零值測量模式和測距模式處于相同的信噪比，進(jìn)而 提高零值測量的精度和可靠性。
[0039] 優(yōu)選的，所述供電模塊是獨(dú)立為鎖相頻率合成器、第一衰減模塊、混頻器、濾波器 和第二衰減模塊供電的穩(wěn)壓模塊。設(shè)置獨(dú)立的穩(wěn)壓模塊對零值測量電路進(jìn)行供電，方便控 制總線切斷或使能供電電路，W節(jié)省整星功耗，對于皮納衛(wèi)星，能源是非常重要的；零值測 量的電路不工作，如果運(yùn)一路電路工作，即使模擬開關(guān)切到了測距模式，由于信號的無線福 射，還是會干擾測距結(jié)果，系統(tǒng)測距時所有零值測量電路上的忍片不工作也可W排除意外 雜散的引入。
[0040] 本發(fā)明還可W通過控制總線改變鎖相環(huán)合成器的頻率，實(shí)現(xiàn)不同波段測距的適 配，可適用于S波段、C波段、X波段等。
[0041] 本發(fā)明還提供了一種人造衛(wèi)星星間測距系統(tǒng)的在軌零值測量方法，使用上述的星 間測距系統(tǒng)，包括W下步驟：
[0042] (1)衛(wèi)星在軌運(yùn)行，控制第一模擬開關(guān)和第二模擬開關(guān)，使信號輸出口與第一衰減 模塊連接，信號接收口與第二衰減模塊連接，星間測距系統(tǒng)進(jìn)入零值測量模式；
[0043] 第一衰減模塊接收信號輸出口發(fā)出的射頻信號，并將射頻信號衰減至混頻器的信 號輸入范圍；
[0044] (2)鎖相頻率合成器接收與測距裝置同源的晶振發(fā)出的參考信號，產(chǎn)生頻率等于 測距裝置的發(fā)射信號頻率與接收信號頻率的頻率差的信號；
[0045] (3)混頻器將步驟(2)中鎖相頻率合成器發(fā)出的信號作為本振信號，步驟（1)中第 一衰減模塊輸出的信號作為射頻輸入信號，產(chǎn)生與測距裝置的接收信號頻率相同的測距信 號；
[0046] (4)濾波器濾除步驟(3)中混頻器輸出的測距信號噪聲；
[0047] (5)第二衰減模塊將濾波后的測距信號衰減至測距裝置的信號接收口能接收信號 強(qiáng)度的范圍內(nèi)；
[0048] (6)測距裝置接收步驟(5)中第二衰減模塊輸出的測距信號，控制及計(jì)算模塊通過 星間測距方法計(jì)算得到系統(tǒng)零值。
[0049] 為了提高零值測量的精度和可靠性，優(yōu)選的，控制第一模擬開關(guān)和第二模擬開關(guān)， 使信號輸出口與信號發(fā)射天線連接，信號接收口與信號接收天線連接，星間測距系統(tǒng)進(jìn)入 測距模式，控制及計(jì)算模塊檢測在測距模式下的信噪比；
[0050] 當(dāng)切換至零值測量模式時，調(diào)節(jié)第一衰減模塊和第二衰減模塊，使零值測量模式 具有與測距模式相同的信噪比。通過改變可變衰減器的值，既可W實(shí)現(xiàn)信號接收口接收范 圍的覆蓋，運(yùn)樣還可W實(shí)現(xiàn)不同信噪比下的零值測量，去除不同信噪比對零值的影響，只要 在測距模式中檢測測距模式下的信噪比，再通過控制總線調(diào)節(jié)可變衰減器，使得零值測量 模式和測距模式處于相同的信噪比，進(jìn)而提高零值測量的精度和可靠性。
[0051] 優(yōu)選的，當(dāng)控制第一模擬開關(guān)和第二模擬開關(guān)，使信號輸出口與信號發(fā)射天線連 接，信號接收口與信號接收天線連接，星間測距系統(tǒng)進(jìn)入測距模式時，所述穩(wěn)壓模塊停止工 作。
[0052] 本發(fā)明的系統(tǒng)和方法不僅可W實(shí)現(xiàn)W定時信號的時間差來計(jì)算星間距離的零值 標(biāo)定，更主要的是用于標(biāo)定不采用衛(wèi)星的時間系統(tǒng)，采用雙程轉(zhuǎn)發(fā)或雙程再生轉(zhuǎn)發(fā)的測距 方法的零值，本發(fā)明可W是針對利用相位差的星間測距技術(shù)的在軌零值測量，通過相位差， 不需要利用整個衛(wèi)星的時間系統(tǒng)。為了提高測量精度，優(yōu)選的，通過星間測距