CN111614407B - 飞行器测控***基带零值自动监测方法 - Google Patents

飞行器测控***基带零值自动监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种飞行器测控***基带零值自动监测方法，旨在提供一种监测精度高，操作简便，监测可靠的基带零值自动监测方法。本发明通过下述技术方案实现：在FPGA的调制输出端顺次连接数模转换器DA、放大器、滤波器和1切3开关组成连接2选1开关的射频自校准通道；通过2选1开关沿顺时针方向顺次串联连接FPGA接收处理接口的滤波器和模数转换器AD组成接收通道；FPGA将1pps信号与基带输出信号送入到高精度时差测量芯片，对通道1和通道3进行时差测量；将本次基带接收零值与事先标定好的标准基带接收零值进行比较，得到本次测控应答机开机基带接收零值的变化量，根据该变化量对飞行器测控***接收零值进行校正。

Description

飞行器测控***基带零值自动监测方法
技术领域
本发明涉及一种飞行器测控***中自动监测基带收发零值变化的方法。这里所指的“飞行器测控***”包括卫星测控***、无人飞行器测控***、航空/航天飞行器测控***以及星间测控***等。
背景技术
飞行器测控***包括了外测、遥测、通信、安全等子***，是飞行器和地面联络的唯一通道，也是地面了解和控制飞行器位置、速度、姿态和运行工作状态的唯一渠道和手段，是关系到飞行器试验成功和安全关键的***之一。飞行器测控***组成主要包含正常发射通道、零值标校通道及正常接收通道。以一收一发为例，正常发射通道由射频发射通道（包括DA1、滤波器、变频器）、耦合器和发射天线构成；正常接收通道由接收天线、合路器、射频接收通道和AD2构成。
目前发射场使用的测量设备主要是光学测量***和无线电测量***。光学测量***是通过可见光、红外光和激光设备工作的测量***，对飞行器飞行试验中的现象和数据进行测量。其优点是结构简单而测量精度高，并能详细记录事件发生的全过程；其缺点是作用距离近，受气候条件影响大，难以实时给出数据，而且数据处理困难。无线电测量***是通过电磁波在空间传播的特性对航天飞行器的位置、速度、加速度等进行测量。主要有脉冲测量***和连续波测量***。无线电测量设备的优点在于作用距离远，不受气候影响，能实时给出测量数据，测量精度高；其缺点是设备复杂，而且无法仔细观察飞行器的姿态变化情况。
在飞行器测控***中，距离值是一个非常重要的测量元素。收发设备各自的零值校准精度更是时间同步精度的关键，它影响着钟差的测量精度甚至1pps信号输出的准确性。测距过程中产生的误差主要是测距***误差和测距随机误差。收发通道时延测量的随机噪声主要包括时差测量误差、包络检波延时抖动误差、功分器延时抖动误差、定向耦合器延时抖动误差。***误差包含大气传输误差、设备零值误差等。设备模拟器件的时延随温度发生变化，需要精确标定。此外，数字电路时延部分随设备开关机发生变化，在测量精度要求高的***中需要进行标定。目标的距离测量通常是通过双向时延测量来完成的。双向时延测量目标距离是指通过测量无线电信号或光信号发送至飞行器目标再返回接收的双向传输时间，联合无线信号在空间中传播的速度进行计算可以得到目标的距离值。飞行器测控领域现有的双向时延测距方式主要由侧音测距、扩频相干测距、扩频非相干测距以及数传信号测量等方式。无论哪一种测量方式，测控***得到的距离值都包含真实的空间距离值、两端测量设备的距离零值以及大气引起的误差项等。要得到真实的空间距离值，必须要测量出两端测量设备的距离零值并进行扣除。而距离零值标定的精确度直接影响了目标距离测量值的精度。
测控***采用的校零方法是天、地分别校零法。对于地面***的零值校准，通常采用对标校塔校零变频器校零法和双偏馈小频偏直接距离校零法两种方法。距离零值的测量实质是对***的信号传输与处理延时的测量。信号时延的测量一般是发端发送一周期性伪随机序列经被测试***后，由接收端对伪随机序列进行同步给出同步指示，比较接收端本地伪随机序列与发端伪随机序列的时延差即为信号传输时延。
在现有的零值标定方法中，对于飞行器载设备采用精密仪器测量的方法；对于地面***采用对塔校零或偏馈校零的方法，均广泛应用于飞行器测控***中。上述对测控***设备零值标定方法通常为标出收发零值的和，并不单独标出发射零值和接收零值。以上方法采用精密仪器测试的方法事先对飞行器载端设备的零值进行标定，在轨过程中无法采用精密仪器监测基带零值的变化。设备中的零值包括射频通道部分的零值和数字基带部分的零值，其中射频通道部分的零值随温度变化达到ns量级的波动；数字基带部分的零值在设备开关机过程中的变化为数十ps。现有的测控***对测距精度的要求通常为ns量级，一方面通过温控的方式来保证射频通道零值的稳定性，另一方面通过监测环路来实时监测射频通道零值的稳定性，对基带部分的零值变化并未采取监测措施。随着测量精度要求的原来越高，测距精度由原来的ns量级提升至ps量级。这时，由开关机引起的数字基带部分的零值变化已经不能被忽视。然而现有的零值标校方法并没有针对数字基带的零值变化进行监测，尤其是对于飞行器载端设备来说，开关机之后无法再通过精密仪器进行标定，现有的通道在线监测也仅能对射频通道部分的零值变化进行监测。因此，有必要采用有效的方法来在线监测由于开关机带来的基带零值变化。
发明内容
为了克服现有飞行器测控***基带零值收发监测的不足，提高测控***设备零值标校精度，实现飞行器测控***ps量级的测距精度。本发明提出的飞行器测控***基带零值自动监测方法，旨在提供一种监测精度高，操作简便，监测可靠，不需要任何外部***配合，对飞行器类型、测控模式没有限制的基带零值自动监测方法。
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到。一种飞行器测控***基带零值自动监测方法，具有如下技术特征：采用内置pps产生器的现场可编程门阵列FPGA，在FPGA的调制输出端顺次连接数模转换器DA、放大器、滤波器和1切3开关组成连接2选1开关的射频自校准通道；通过2选1开关沿顺时针方向顺次串联连接FPGA接收处理接口的滤波器和模数转换器AD组成接收通道；FPGA将1pps信号同时送到高精度时差测量芯片的通道1和通道2，对高精度时差测量芯片的测量通道进行自校准；FPGA将1pps信号与基带输出信号送入到高精度时差测量芯片测量通道1和通道3进行时差测量，得到本次测控应答机开机基带的发射零值，将其与事先标定好的标准基带发射零值比较，得到本次测控应答机开机基带发射零值的变化量，根据该变化量对飞行器测控***发射零值进行校正；然后将基带输出信号通过射频自校准通道环回送入接收通道，通过伪码测距或载波测距的方式完成整个环路发到收的时延的测量，将其减去基带发射零值和事先标定好的射频自校准通道零值，得到本次基带接收零值；将本次基带接收零值与事先标定好的标准基带接收零值进行比较，得到本次测控应答机开机基带接收零值的变化量，根据该变化量对飞行器测控***接收零值进行校正。
本发明相比现有技术具有如下有益效果：
监测精度高。本发明针对工程应用中未对基带零值变化进行监测的问题，将基带收发零值的变化考虑进***零值标校中，通过采用内置pps产生器的现场可编程门阵列FPGA和高精度时差测量芯片等主要器件来改进测试方法，通过构成的测量环路和校准通道，实现基带收发通道零值变化的监测，使得飞行器载端的基带零值得以在线监测，提高了测控***零值标校精度，进而使飞行器测控***的测距精度得以有效提高；为保证有高精度测量要求的试验任务的顺利进行和圆满成功打下坚实的基础。
操作简便。本发明针对飞行器测控***信号通道多、信号传输速率高且时钟信号精度要求高的特点，采用2选1开关沿顺时针方向顺次串联连接FPGA接收处理接口的滤波器和模数转换器AD组成接收通道，自校准通道以及高精度时差测量芯片，可有效对基带零值进行在线监测，不增加设备难度，不需要任何外部***配合，对飞行器类型、测控模式没有限制，方法简单，适用于高精度测量***。克服了现有技术飞行器载端设备的零值事先通过精密仪器进行标定，在轨过程中无法采用精密仪器监测基带零值变化的缺陷。
监测可靠。本发明将该次测量得到的基带发射零值与事先标定好的标准基带发射零值比较，得到本次测控应答机开机基带发射零值的变化量，根据该变化量对飞行器测控***发射零值进行校正；然后将基带输出信号通过射频自校准通道环回送入接收通道，通过伪码测距或载波测距的方式完成整个环路发到收的时延的测量；将其减去基带发射零值和事先标定好的射频自校准通道零值，得到本次基带接收零值；将本次基带接收零值与事先标定好的标准基带接收零值进行比较，得到本次开机基带接收零值的变化量，根据该变化量对飞行器测控***接收零值进行校正。这种将基带发射零值和接收零值单独标出，既适用于需要收发零值和的双向测量***也适用于需要收发零值差的双单向测量***。
本发明操作简单，有效地实现了基带零值变化的自动监测，可适用于任何飞行器类型、任何测控模式的测控***。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本方法做进一步说明。
图1是本发明飞行器测控***基带零值自动监测电路原理图。
具体实施方式
参阅图1。根据本发明，采用内置pps产生器的现场可编程门阵列FPGA，在FPGA的调制输出端顺次连接数模转换器DA、放大器、滤波器和1切3开关组成连接2选1开关的射频自校准通道；通过2选1开关沿顺时针方向顺次串联连接FPGA接收处理接口的滤波器和模数转换器AD组成接收通道；FPGA将1pps信号同时送到高精度时差测量芯片的通道1和通道2，对高精度时差测量芯片的测量通道进行自校准；FPGA将1pps信号与基带输出信号分别送入到高精度时差测量芯片测量通道1和通道3进行时差测量，得到本次测控***开机基带的发射零值，将其与事先标定好的标准基带发射零值比较，得到本次测控***开机基带发射零值的变化量，根据该变化量对飞行器测控***发射零值进行校正；然后将基带输出信号通过射频自校准通道环回送入接收通道，通过伪码测距或载波测距的方式完成整个环路发到收的时延的测量，将其减去基带发射零值和事先标定好的射频自校准通道零值，得到本次基带接收零值；将本次基带接收零值与事先标定好的标准基带接收零值进行比较，得到本次测控***开机基带接收零值的变化量，根据该变化量对飞行器测控***接收零值进行校正。
FPGA内1pps产生器将产生的1pps信号同时送至高精度时差测量芯片的输入口1和输入口2，测量输入口1和输入口2之间的时差，对高精度时差测量芯片通道间的测量偏差进行补偿修正，完成高精度时差测量芯片自校。
FPGA从1pps输出到高精度时差测量芯片输入口1和输入口2之间信号路径差异为印刷线路板PCB走线，其导致产生的时延差异可事先精确标定且为固定值。
FPGA内1pps产生器将产生的1pps信号同时送至高精度时差测量芯片的输入口1，FPGA调制输出信号经数模转换器DA、放大电路、滤波器滤波后通过1切3的开关一路通过送入高精度时差测量芯片输入口3，高精度时差测量芯片测出输入口1和输入口3之间的时差值，得到本次测控***开机基带的发射零值，与标定的标准的基带发射零值进行比较即为本次测控应答机开机基带发射零值的变化量。
FPGA调制输出信号经数模转换器DA、放大电路、滤波器滤波后通过1切3开关的另一路送入射频自校准通道，经2选1开关选择进入接收通道，经滤波器滤波和模拟数字转换器AD之后变为进入FPGA的基带数字信号。
基带数字信号在FPGA内通过伪码测距或载波测距的方式，对接收基带数字信号进行处理，完成整个环路从发到收的时延的测量。该测量值扣除掉事先标定好的射频自校准通道的零值，得到基带收发零值和。FPGA用基带收发零值和减去基带发射零值，得到基带接收零值，然后将本次测控应答机开机测量的基带接收零值与事先标定的标准基带接收零值进行比较，即为本次开机基带接收零值的变化量。
以上所述为本发明较佳实施例，应该注意的是上述实施例对本发明进行说明，然而本发明并不局限于此，并且本领域技术人员在脱离所附权利要求的范围情况下可设计出替换实施例。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种飞行器测控***基带零值自动监测方法，具有如下技术特征：采用内置pps产生器的现场可编程门阵列FPGA，在FPGA的调制输出端顺次连接数模转换器DA、放大器、滤波器和1切3开关组成连接2选1开关的射频自校准通道；通过2选1开关沿顺时针方向顺次串联连接FPGA接收处理接口的滤波器和模数转换器AD组成接收通道；FPGA将1pps信号同时送到高精度时差测量芯片的通道1和通道2，对高精度时差测量芯片的测量通道进行自校准；FPGA将1pps信号与基带输出信号分别送入到高精度时差测量芯片测量通道1和通道3进行时差测量，得到本次测控***开机基带的发射零值，将其与事先标定好的标准基带发射零值比较，得到本次测控***开机基带发射零值的变化量，根据该变化量对飞行器测控***发射零值进行校正；然后将基带输出信号通过射频自校准通道环回送入接收通道，通过伪码测距或载波测距的方式完成整个环路发到收的时延的测量，将其减去基带发射零值和事先标定好的射频自校准通道零值，得到本次基带接收零值；将本次基带接收零值与事先标定好的标准基带接收零值进行比较，得到本次测控***开机基带接收零值的变化量，根据该变化量对飞行器测控***接收零值进行校正。
2.如权利要求1所述的飞行器测控***基带零值自动监测方法，其特征在于：FPGA内置1pps产生器将产生的1pps信号同时送至高精度时差测量芯片的输入口1和输入口2，完成时差测量，对高精度时差测量芯片通道间的测量偏差进行补偿修正。
3.如权利要求1所述的飞行器测控***基带零值自动监测方法，其特征在于：FPGA从1pps输出到高精度时差测量芯片输入口1和输入口2之间信号路径差异为印刷线路板PCB走线，其产生的时延差异可事先精确标定且为固定值。
4.如权利要求1所述的飞行器测控***基带零值自动监测方法，其特征在于：FPGA内置1pps产生器将产生的1pps信号送入高精度时差测量芯片通道1，FPGA调制输出信号经数模转换器DA、放大电路、滤波器滤波后通过1切3的开关后送入高精度时差测量芯片通道3，高精度时差测量芯片测出输入口1和输入口3之间的时差值，得到本次测控***开机基带的发射零值，与标定的标准的基带发射零值进行比较即为本次测控应答机开机基带发射零值的变化量。
5.如权利要求1所述的飞行器测控***基带零值自动监测方法，其特征在于：FPGA调制输出信号经数模转换器DA、放大电路、滤波器滤波后通过1切3开关送入射频自校准通道，经2选1开关选择进入接收通道，经滤波器滤波和模拟数字转换器AD之后变为进入FPGA的基带数字信号。
6.如权利要求1所述的飞行器测控***基带零值自动监测方法，其特征在于：基带数字信号在FPGA内通过伪码测距或载波测距的方式，对接收基带数字信号进行处理，完成整个环路从发到收的时延的测量。
7.如权利要求1所述的飞行器测控***基带零值自动监测方法，其特征在于：发到收的时延的测量值扣除掉事先标定好的射频自校准通道的零值，得到基带收发零值和，用基带收发零值和减去基带发射零值，得到基带接收零值，然后将本次开机测量的基带接收零值与事先标定的标准基带接收零值进行比较，即为本次开机基带接收零值的变化量。
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