CN109765546B - 一种双频段高精度测距航天地面*** - Google Patents

Abstract

本发明一种双频段高精度测距航天地面***，包括：测距基带(1)、数字开关矩阵(2)、发射数字化前端(3)、接收数字化前端(4)、S高功放大器(5)、Ka上行高稳信道(6)、Ka高功放大器(7)、S场放大器(8)、Ka场放大器(9)、Ka下行高稳信道(10)、主天线(11)、校零设备；所述校零设备包括偏馈天线(12)、S双工器(13)、S校零变频器(14)、Ka双工器(15)、Ka校零变频器(16)。本发明能够完成对携带有高精度测距应答机的卫星进行精密双向距离测量，也可用于对其他普通飞行器进行高精度双向距离测量，具有测量精度高、适应目标动态较大、无模糊距离远、抗干扰能力强等特点，特别适用于对卫星或航天器的高精度测定轨。

Description

一种双频段高精度测距航天地面***

技术领域

本发明属于航天通信测控技术领域，涉及一种双频段高精度测距航天地面***。

背景技术

一般传统的测控***中，地面***的测距随机误差和***差在1米左右，相应地定轨精度在几十甚至上百米量级。随着空间探索的发展，米级的测定轨需求已经成为飞行器高精度控制和定位必须解决的问题。

而目前的测距航天地面***中，无法实现双频段的测距，仅能在单频段内实现测距，导致使用范围小，测量精度低，无法适用于更广空间中的探测过程。

发明内容

发明所要解决的课题是，针对目前测距航天地面***中，无法实现双频段的测距，导致无法适用于更广空间中的探测过程的问题。

用于解决课题的技术手段是，本发明提出一种双频段高精度测距航天地面***，实现对目标飞行器的高精度距离测量，具备测量精度高，设备稳定性好，应用场景广泛的特点。

本发明的一种双频段高精度测距航天地面***，包括：测距基带、数字开关矩阵、发射数字化前端、接收数字化前端、S高功放大器、Ka上行高稳信道、Ka高功放大器、S场放大器、Ka场放大器、Ka下行高稳信道、主天线、校零设备；

所述测距基带产生上行数字信号和遥控信号输入数字开关矩阵，由数字开关矩阵通过选择切换将上行数字信号发送至发射数字化前端；所述发射数字化前端将上行数字信号转换为S频段上行模拟信号，并在***当前工作在S频段时，将输出的S频段上行模拟信号通过S高功放大器加上设定功率后由主天线辐射出去，及在***当前工作在Ka频段时，将输出的S频段上行模拟信号经过Ka上行高稳信道进行变频滤波后，输出Ka频段上行模拟信号并经Ka高功放大器加上设定功率后由主天线辐射出去；

所述主天线接收卫星发送的下行测量信号、遥测信号和来自校零设备的实时校零信号，在***当前工作在S频段时，主天线将所接收的各信号经S场放大器放大后输入接收数字化前端，在***当前工作在Ka频段时，主天线将所接收的各信号依次经Ka场放大器放大和Ka下行高稳信道进行滤波变频后以S频段的形式输入接收数字化前端；由所述接收数字化前端对S频段的接收的信号模数转换后输入数字开关矩阵，由数字开关矩阵通过选择切换以输出对应的下行数字信号至测距基带进行信号解调和测距。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述测距基带由工控机和信号处理板组成。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述发射数字化前端采用DAC芯片。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述接收数字化前端采用ADC芯片。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述校零设备包括偏馈天线、S双工器、S校零变频器、Ka双工器、Ka校零变频器；所述偏馈天线分别接收主天线辐射出的S频段和Ka频段上行模拟信号，将S频段上行模拟信号经S双工器传输至S校零变频器转为实时校零信号，并通过S双工器传输至偏馈天线辐射出去；及将Ka频段上行模拟信号经Ka双工器传输至Ka校零变频器转为实时校零信号，并通过Ka双工器传输至偏馈天线辐射出去。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述测距基带利用窄相关和载波平滑伪码测距方法进行测距。

发明效果为：

本发明的一种双频段高精度测距航天地面***，可以利用射频调制技术、射频直采技术、窄相关技术、载波平滑伪码测距技术、传输同步技术等多种措施，能够完成对携带有高精度测距应答机的卫星(航天器)进行精密双向距离测量，也可用于对其他普通飞行器进行高精度双向距离测量。本***具有测量精度高、适应目标动态较大、无模糊距离远、抗干扰能力强等特点，特别适用于对卫星(航天器)的高精度测定轨。本发明相比背景技术有如下优点：

1.本发明的一种基于S频段射频直接调制和射频直接采样的扩频地面高精度测量***，省去了S频段信道设备，避免了S频段信道对测距精度的影响，提高了***的数字化程度，使测距随机误差和***误差均控制在厘米量级；

2.本发明提出利用偏馈作为实施校零的方法，对***零值实时监控，有效保持设备***误差在厘米量级。

3.本发明提出了一种传输同步技术，对数字信号的传输进行约束和控制，控制其时延稳定性，保证其由开关机引起的测距值变化在毫米级水平，提高了地面***的可靠性和可用性。

4.本发明利用以上技术方法设计了一整套高精度地面测控***，其包含数字部分：高精度测距基带、S频段发射数字化前端、S频段接收数字化前端等数字部件；模拟部分：Ka上行高稳信道、Ka下行高稳信道、S/Ka实时校零设备、天线等部件。数字化程度为以往测控***所不具备。

附图说明

图1为本发明双频段高精度测距航天地面***的结构示意图。

图2为本发明校零设备的结构示意图。

具体实施方式

以下，基于附图针对本发明进行详细地说明。

如图1所示，本发明设计了一种双频段高精度测距航天地面***，主要包括：测距基带1、数字开关矩阵2、发射数字化前端3、接收数字化前端4、S高功放大器5、Ka上行高稳信道6、Ka高功放大器7、S场放大器8、Ka场放大器9、Ka下行高稳信道10、主天线11、校零设备。

所述校零设备结构如图2所示，主要包括偏馈天线12、S双工器13、S校零变频器14、Ka双工器15、Ka校零变频器16。

其中，地面***的高精度测距基带1为纯数字高精度数字基带，由工控机和信号处理板组成，数字板上提供光纤数字入口和高性能FPGA芯片，产生上行数字中频信号送数字开关矩阵，接收数字开关矩阵送来的下行信号，在完成非相干扩频测量处理的同时，利用窄相关和载波平滑伪码测距的方法进行测距，提高测距精度，减小测距误差。

所述数字开关矩阵2是将上下行数字信号切换分路，送给对应的终端设备。所述发射数字化前端3上设置有高速DAC芯片，利用射频调制技术，将中频的上行数字信号转换为S频段上行模拟射频信号，其中采用传输同步技术，保证时延稳定性。

所述接收数字化前端4上设置有高速ADC芯片，利用射频直采技术，将S频段下行模拟信号直接采样量化为中频数字下行信号，并采用传输同步技术，保证时延稳定性。所述S高功放5是将S频段上行模拟信号加上设定的功率，送至主天线11。

所述Ka上行高稳信道6对混频器、本振、滤波器和放大器等进行高精度设计，减小信道工作对距离误差的影响，完成将S频段上行模拟信号变频滤波转为Ka频段上行模拟信号的功能。

所述Ka高功放大器7是将Ka频段上行模拟信号加上设定的功率，送至主天线11。所述S场放大器8接收主天线11送来的S频段下行模拟信号，放大输出给接收数字化前端4。所述Ka场放大器9接收主天线11送过来的Ka频段下行模拟信号，放大输出给Ka下行高稳信道10。所述Ka下行高稳信道10对混频器，本振、滤波器和放大器等进行高精度设计，减小其对测距误差的影响，完成将Ka频段下行模拟信号滤波变频转为S频段下行模拟信号的功能。所述主天线11将上行S或Ka频段的上行模拟信号辐射出去，接收S或Ka下行模拟信号以及实时校零信号。

所述偏馈天线12安装于经过精确计算仿真后的位置，接收主天线11辐射出S或Ka频段的上行模拟信号，辐射出实时校零信号。所述S双工器13把偏馈天线12送来的S频段的上行模拟信号传输给S校零变频器14，把S校零变频器14转变的实时校零信号传输给偏馈天线12。其中，S校零变频器14对混频器、本振、滤波器等做高精度设计，并对其做恒温控制，将S双工器送来的S上行模拟信号转为实时校零信号返回给S双工器13。

所述Ka双工器15把偏馈天线12送来的Ka频段的上行模拟信号传输给Ka校零变频器16，把Ka校零变频器16送来的实时校零信号传输给偏馈天线12。其中，Ka校零变频器16对混频器、本振、滤波器等做高精度设计，并对其做恒温控制，以满足发现设备零值漂移的要求，将Ka双工器15送来的Ka上行模拟信号转为实时校零信号并返回给Ka双工器15。

本发明***的工作原理是：

首先，所述测距基带1产生用于测距的上行数字信号和遥控信号，以数字形式输入数字开关矩阵2，由数字开关矩阵2通过选择切换将上行数字信号发送至发射数字化前端3；所述发射数字化前端3将上行数字信号转换为S频段上行模拟信号，并且在***当前工作在S频段时，发射数字化前端3将输出的S频段上行模拟信号通过S高功放大器5加上设定的功率后，由主天线11辐射出去。及在***当前工作在Ka频段时，发射数字化前端3将输出的S频段上行模拟信号经过Ka上行高稳信道6进行变频滤波后，输出Ka频段上行模拟信号并经Ka高功放大器7，加上设定功率后，由主天线11辐射出去。

利用所述偏馈天线12分别接收主天线11辐射出的S频段和Ka频段上行模拟信号，将其中的S频段上行模拟信号经S双工器13传输至S校零变频器14将其转为实时校零信号，并通过S双工器13传输至偏馈天线12辐射出去；及将其中的Ka频段上行模拟信号经Ka双工器15传输至Ka校零变频器16将其转为实时校零信号，并通过Ka双工器15传输至偏馈天线12辐射出去。

然后，所述主天线11接收卫星发送的下行测量信号、遥测信号和来自校零设备的实时校零信号。

在***当前工作在S频段时，主天线11将所接收的各信号经S场放大器8放大后输入接收数字化前端4，由所述接收数字化前端4对S频段的接收的信号完成模数转换后输入数字开关矩阵2，由数字开关矩阵2通过选择切换设置，以输出对应中频的下行数字信号至测距基带1，高精度的测距基带1完成信号解调、高精度测距、遥测和小环等功能。

在***当前工作在Ka频段时，主天线11将所接收的各信号依次经Ka场放大器9放大和Ka下行高稳信道10进行滤波变频后，以S频段的形式输入接收数字化前端4；由所述接收数字化前端4对S频段的接收的信号完成模数转换后输入数字开关矩阵2，由数字开关矩阵2通过选择切换设置，以输出对应中频的下行数字信号至测距基带1，高精度的测距基带1完成信号解调、高精度测距、遥测和小环等功能。

本***采用信道射频调制技术、射频直采技术、窄相关技术、载波平滑伪码测距技术、传输同步技术，能够完成对携带有高精度测距应答机的卫星或航天器进行精密双向距离测量，也可用于对其他普通飞行器进行高精度双向距离测量。本***具有测量精度高、适应目标动态较大、无模糊距离远、抗干扰能力强等特点，特别适用于对卫星或航天器的高精度测定轨。

需要说明的是，以上说明仅是本发明的优选实施方式，应当理解，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明技术构思的前提下还可以做出若干改变和改进，这些都包括在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种双频段高精度测距航天地面***，其特征在于，包括：测距基带(1)、数字开关矩阵(2)、发射数字化前端(3)、接收数字化前端(4)、S高功放大器(5)、Ka上行高稳信道(6)、Ka高功放大器(7)、S场放大器(8)、Ka场放大器(9)、Ka下行高稳信道(10)、主天线(11)、校零设备；其中，测距基带(1)为纯数字高精度数字基带；

所述测距基带(1)产生上行数字信号和遥控信号输入数字开关矩阵(2)，由数字开关矩阵(2)通过选择切换将上行数字信号发送至发射数字化前端(3)；所述发射数字化前端(3)将上行数字信号转换为S频段上行模拟信号，并在***当前工作在S频段时，将输出的S频段上行模拟信号通过S高功放大器(5)加上设定功率后由主天线(11)辐射出去，及在***当前工作在Ka频段时，将输出的S频段上行模拟信号经过Ka上行高稳信道(6)进行变频滤波后，输出Ka频段上行模拟信号并经Ka高功放大器(7)加上设定功率后由主天线(11)辐射出去；

所述主天线(11)接收卫星发送的下行测量信号、遥测信号和来自校零设备的实时校零信号，在***当前工作在S频段时，主天线(11)将所接收的各信号经S场放大器(8)放大后输入接收数字化前端(4)，在***当前工作在Ka频段时，主天线(11)将所接收的各信号依次经Ka场放大器(9)放大和Ka下行高稳信道(10)进行滤波变频后以S频段的形式输入接收数字化前端(4)；由所述接收数字化前端(4)对S频段的接收的信号模数转换后输入数字开关矩阵(2)，由数字开关矩阵(2)通过选择切换以输出对应的下行数字信号至测距基带(1)进行信号解调和测距。

2.根据权利要求1所述的双频段高精度测距航天地面***，其特征在于，所述测距基带(1)由工控机和信号处理板组成。

3.根据权利要求1所述的双频段高精度测距航天地面***，其特征在于，所述发射数字化前端(3)采用DAC芯片。

4.根据权利要求1所述的双频段高精度测距航天地面***，其特征在于，所述接收数字化前端(4)采用ADC芯片。

5.根据权利要求1所述的双频段高精度测距航天地面***，其特征在于，所述校零设备包括偏馈天线(12)、S双工器(13)、S校零变频器(14)、Ka双工器(15)、Ka校零变频器(16)；所述偏馈天线(12)分别接收主天线(11)辐射出的S频段和Ka频段上行模拟信号，将S频段上行模拟信号经S双工器(13)传输至S校零变频器(14)转为实时校零信号，并通过S双工器(13)传输至偏馈天线(12)辐射出去；及将Ka频段上行模拟信号经Ka双工器(15)传输至Ka校零变频器(16)转为实时校零信号，并通过Ka双工器(15)传输至偏馈天线(12)辐射出去。

6.根据权利要求1所述的双频段高精度测距航天地面***，其特征在于，所述测距基带(1)利用窄相关和载波平滑伪码测距方法进行测距。

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