[硕士论文精品]扩频测距技术的研究

哈尔滨理工大学1学硕上学位论文扩频测距技术的研究摘要扩频测距系统具有抗干扰，测距精度高等优点，当前主要应用于卫星测控系统中，是卫星测控系统完成地面对卫星的跟踪和轨道测量、卫星定位的初始捕获的一个重要的组成部分。本文首先介绍了扩频测距技术的原理并简要介绍了四种伪随机码测距方法。对于各种测距方法，对其优缺点和在具体的测控系统中实现的难易程度进行了分析，其中对伪码捕获跟踪部分进行了重点的研究。在对伪码相关器捕获法、匹配滤波器捕获法、单积分滑动捕获法、双积分滑动捕获法和K次积分滑动捕获法等捕获方法进行比较研究的基础上，深入研究了双向滑动捕获的思想，着重对双向滑动捕获法进行了理论上的分析与探讨。并对捕获时间、虚警概率、检测概率等衡量伪随机码捕获性能的重要技术指标，进行了分析和计算。当前各种卫星定位的测距方法已经比较成熟。但是在我国，在不能依靠国外的卫星星座给卫星测距、测速及跟踪定位的情况下，主要是依靠地面站来实现卫星的自主定位，而对于扩频测距技术的应用还不是很广泛，所以扩频测距技术的研究对我国卫星测控技术的发展有着很重要的意义。关键词扩频测距；伪码捕获滑动捕获相关解扩哈尔滨理1二大学工学硕士学位论文RESEARCHONSPREADSPECTRUMRANGINGSYSTEMABSTRACTSPREADSPECTRUMRANGINGSYSTEMHASADVANTAGESOFANTIJAMMINGANDHIGHPRECISION，ATPRESENTITISMAINLYUSEDINSATELLITETELEMETRYANDTELECOMMANDSYSTEMSATELLITERANGINGPLAYSAVERYIMPORTANTROLEINSATELLITETRACKING，ORBITMEASUREMENT，THEINITIALCAPTUREOFTHESATELLITEPOSITIONINGWITHTHECOMINGOFTHEINFORMATIONAGE。SPREADSPECTRUMCOMMUNICATIONISNOWWIDELYUSEDINDIGITALCELLULARMOBILECOMMUNICATIONS，SATELLITECOMMUNICATIONANDMOBILEPERSONALCOMMUNICATIONSINTHEFUTURETHISTHESISRECOMMENDTHEPRINCIPLEOFSPREADSPECTRUMRANGINGATFIRSTANDMAKEABRIEFINTRODUCTIONTOFOURKINDSPSEUDOCODERANGINGMETHODADETAILEDANALYSISISDONEABOUTTHEADVANTAGESANDDISADVANTAGESOFSPECIFICTELEMETRYANDTELECOMMANDSYSTEMSPREADSPECTRUMMEASUREMENTSYSTEMOFTHEPSEUDOCODERELATEDCAPTUREANDFILTERCAPTURE，SLIDINGCATCHSINGLEINTEGRALSYSTEM，DUAL。SLIDINGCATCHINTEGRALSYSTEMACQUISITIONTIME，FALSEALARMPROBABILITYOFDETECTIONPROBABILITYISAMEASUREOFPSEUDORANDOMCODECAPTURETHEIMPORTANTTECHNICALINDICATORS，THETHESISONTHETWOWAYSLIDINGCATCHOFACQUISITIONTIME，FALSEALARMPROBABILITYOFDETECTIONPROBABILITYWEREANALYZEDANDCALCULATEDATPRESENT，THESATELLITEPOSITIONINGLOCATIONMETHODSHAVEBEENMOREMATUREINOURCOUNTRY,WECANTRELYONFOREIGNSATELLITECONSTELLATIONTOTHESATELLITELOCATION，POSITIONINGANDTRACKINGBUTRELIESMAINLYONSATELLITEGROUNDSTATIONSTOACHIEVETHEAUTONOMOUSPOSITIONINGTHEAPPLICATIONOFPSEUDOCODERANGINGISNOTVERYEXTENSIVE，SOTHERESEARCHONSPREADSPECTRUMRANGINGISAVERYIMPORTANTSIGNIFICANCETOTHEREALIZATIONOFSATELLITERANGING，POSITIONINGINOURCOUNTRYKEYWORDSSPREADSPECTRUMRANGING，PSEUDOCODEACQUISITION，SLIDINGCAPTURE，RELATEDDESPREADINGII哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明此处所提交的硕士学位论文扩频测距技术的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名弓捂龛奇日期如口G年弓月万日哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书扩频测距技术的研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于保密广，在年解密后适用授权书。不保密耐。请在以上相应方框内打作者签名导师签名日期2006年弓月1,5ET日期劲秒降乡月心日哈尔滨理T大学T学硕士学位论文11研究的背景及意义第1章绪论扩频测距系统具有抗干扰，不受气候影响，测距精度高等优点，当前主要应用于卫星测控系统中。卫星测距对完成地面对卫星的跟踪和轨道测量、卫星定位的初始捕获具有非常重要的作用。随着信息时代的到来，扩频通信方式自50年代中期开始研究以来N1，现在已经广泛应用于数字蜂窝移动通信、卫星移动通信和未来的个人通信中。在卫星测控系统的测距单元中，采用伪随机码测距算法，其测距精度、解距离模糊和测距时间都优于传统的测距方法，当采用一个较长周期的PN码序列作为发射信号，用它与目的地反射回来或转发回来的PN码序列的相位进行比较，即比较两个码序列相差的时片数，就可以看出其时间差，也就能换算出发射机与目的地之间的距离。不难把码片选得很窄，即码的钟速率很高，则可以高精度的测距与定时，基本的分辨率即一个码片心1。伪码的同步问题是扩频测距系统所特有的，即只有在接收端与发送端的伪码保持完全相同时，被伪码调制的信息才能被解调称为解扩，而保持收发两端伪码同步是扩频通信系统中的一项重点和难点技术，一般来说，伪码的同步分两步实现捕获和跟踪，。伪码的捕获方法比较多，但归纳起来主要有两种相关器法和匹配滤波器法。相关器法原理简单、成本低、实现容易，是目前应甩前景比较好的伪码捕获方法，但也存在许多问题。在原有捕获方法基础上进行研究，可以设计出更好的捕获方法来大大缩短捕获时间，提高捕获速度H1。12测距技术的研究与应用现状测距技术是航天测控系统的重要手段。从目前发展情况来看，比较流行的测距方法有两种1计算机轨道预测测距计算机轨道预测测距的基本思路是把监控站所提供的卫星运动轨迹数据及本站地理位置数据送入计算机，算出现在和未来的卫星与本站的距离、距离变化率以及单程传播时延等数据，再根据所接收到的基准突发时间及预先分配给本站的时隙，定出发射数据的时间。初射哈尔滨理工大学工学硕士学位论文时，把B站的发射时间选在预定的B站分帧时隙中；先只发包头，这样不易影响前后相邻的A站分帧和C站分帧的工作。通过比较基站准突发和B站所发报头的独特码所形成的示位脉冲，调整B站发射时间，进入锁定状态，然后B站发出完整的突发，初始轨道预测完成。但是当通信网中站数较多时，此法极不经济。2相对测距相对测距的基本思路是在不影响其他站通信的条件下，先用无线电探测出本站到卫星的传播时延及其变化情况。然后根据接收到的基准突发示位脉冲、本站所发突发应占位置及传播时延数据，定出本站发射的时间，相对测距的具体方法主要有带外测距法和带内低电平测距法。其中带内低电平测距法又包括宽脉冲法和PN码序列法。当前世界上的各种卫星定位的测距方法已经比较成熟啼1。但是在我国，在不能依靠国外的卫星星座给卫星测距、测速及跟踪定位的情况下，主要是依靠地面站来实现卫星的自主定位。对于伪随机码测距方法的应用还不是很广泛，所以对伪随机码测距的研究对我国伪随机码测距在卫星测距、定位中的实现有着很重要的意义。现在常用的伪码测距PSEUDONOISERANGING有两类一类是传统的标准的转发测距TURNAROUNDRANGING，另一类是再生测距REGENERATIVERANGING。转发测距是指从站从接收信号中提取出测距信号，经过滤波，下行调制度处理RANGINGMODULATIONINDEX，接着与遥测调制部分TELEMETRYMODULATION相加送到线性相位调制器LINEARPHASEMODULATOR发送出去1。这种测距方法具有结构简单的优点，但是，一方面，滤波器滤掉了信号的高次谐波，引起信号的损失。另一方面在把测距信号调制到下行载波的同时，也把大量的噪声也调制进去了噪声带宽与滤波器带宽相同，而且伪码速率越高，信噪比下降越多。所以这种方法大大降低了返回到测距设备的信号质量，浪费了发送功率。再生测距可以解决这个问题。它利用专门的电路对测距信号进行捕获和跟踪，待整个测距信号锁定以后，跟转发测距一样进行下行调制度处理，再与遥测调制部分相加。采用再生测距，一方面由于再生了信号，所以不存在因为测距通道的前端滤波器滤掉测距信号高次谐波而引起信号质量下降的问题，另一方面由于再生测距码跟踪环的环路带宽非常小，于是噪声大大减小。根据上行信号强度的不同，再生方法能提高返回到测距设备的测距信号信噪比大30DB。目前欧空局的PRARE系统利用10MCPS的伪码速率即可达到25CM的测哈尔滨理T大学工学硕士学位论文量精度，而同一时期研制的BCPICOLMBO，只能达到2030CM的测量精度。从电路角度来说，如何优化伪码捕获单元以及减小系统噪声等问题是目前对伪码测距设备的主要研究。13常用伪码捕获方法存在的问题及本论文的研究内容伪码的同步问题是扩频测距系统所特有的，即只有在接收端与发送端的伪码保持完全相同时，被伪码调制的信息才能被解调称为解扩，而保持收发两端伪码同步是扩频通信系统中的一项重点和难点技术，一般来说，伪码的同步分两步实现捕获和跟踪。首先是捕获，使本地参考码和接收码的相位差小于一个码元宽度，使本振的中心频率精确到使去扩谱信号位于相关后滤波器的通带内，保证解调器能够很好地工作，这个过程也称粗同步；第二步是跟踪，也称精同步，使得两个PN码的相位差保持为一个PN码码元的若干分之一。跟踪的问题可以由延迟锁定环很好地解决，而PN码的捕获，特别是低信噪比下长序列PN码的快速捕获，已经成为扩频通信系统中很重要的一个问题。PN的捕获方法有很多，下面就常用的PN码捕获方法的原理进行分析并指出各种方法的不足，以便于在今后的研究中针对这些不足，提出更好的PN码捕获方法。131常用伪码捕获方法存在的问题1发射参考信号法发射参考信号法就是把调制了数据的扩频信号和没有数据调制的数据信号发射出去，在接收端直接用这两部分进行解扩，而不必在本地产生一个参考序列。在某些情况下，发射参考信号法不失为一个简单的选择，但是这种方法的缺点在于抗干扰性差，而且由于接收机参考信号不是在本地产生，而是经过传输而获得，所以对系统的噪声抑制能力很差，显然不适合高动态系统的需求“1。2匹配滤波器法匹配滤波法利用匹配滤波的方法寻找到使输出最大的接收状态，从而获得正确的扩频序列相位。这种方法的优点是速度快，一般只要经过几个扩频码周期就可以实现捕获，但是这种方法硬件实现复杂，在目前条件下较难实现。一般都采用专用的声表面滤波器来实现匹配滤波器，而要制造带宽积很大的声表面滤波器是很困难的，而这也使得可实现的匹配码长较短，在FPGA上实现也存在同样的问题陋1。3滑动相关法接收机在搜索同步的过程中，本地码序列发生器以不同哈尔滨理工大学T学硕士学位论文于发射端的码速率工作，这就相当于两个码彼此滑动。若接收机码速率大于发射机码速率，则接收机码滑动超前，否则滞后。当两码序列重合时，滑动停止，完成捕获，转为正常码速，进入跟踪阶段。对于周期较长的P码来说，使用滑动相关法来实现不满足捕获时间的要求旧1。4并行捕获法接收到扩频信号后，经射频宽带滤波放大和载波解调后，分别送往2N个编码序列相关处理解扩器N是编码序列长度，2N个输出中哪一个输出最大，那该输出对应的相关处理解扩器所使用的序列相位状态就是发送来的扩频信号的编码序列相位，实现了编码序列的捕获。这种方法捕获时间短，但是接收机要使用2N个解扩器，由于N1，所以，序列捕获电路的硬件设备量就很大。例如，N2047，捕获用解扩器就要4094个，的确过于庞大。这也是并行捕获方案的致命缺点。5串行捕获方案串行捕获方案只使用一个序列相关解扩器，积分器的输出送给一个比较器，当比较器输出小于某一设定门限值时，就是本地编码序列相位不同于发送来的序列相位，门限比较器输出一信号给编码序列相位搜索控制器，使它改变本地序列的相位状态相位变化量小于TO2，若改变后的本地序列相位状态还不同于发送来的序列相位状态时，比较器继续输出一信号给序列相位搜索控制器，使它再改变本地编码序列相位。直到本地序列相位状态相接近于发送来的序列相位状态时，序列相关解扩的积分器输出最大，超过设定的门限值，门限比较器的输出不再改变编码序列相位状态，达到本地序列相位同发送来的序列相位一致，实现了编码序列的捕获。与并行捕获方案相比，串行捕获方案需要的硬件投入非常少，但是，捕获时间却比较长，有时甚至让人不能容忍。6单步进捕获方法单步进搜索实现PN码捕获的实质就是将要搜索的N相位逐次移动一个相位单元一个PN码码元，每移动一个相位单元，做一次相关判决。直到两个PN码同步。单步进捕获方法实现简单，但捕获时间太长，不满足捕获时间的要求。132本文的研究内容本文首先介绍了扩频测距系统的工作原理，给出了扩频测距系统的系统模型，在此基础上对扩频测距系统最为重要也是难点的伪码捕获部分进行了研究，主要研究内容如下T1介绍了扩频测距系统的工作原理，其中对伪码捕获跟踪部分进行了详哈尔滨理工大学工学硕上学位论文细的分析。2研究了双向双积分滑动捕获的思想，将双向滑动捕获系统与双积分滑动捕获系统结合可以构成双向双积分滑动捕获系统。3对双向滑动捕获思想进行了理论上的分析与探讨。对双向滑动捕获法捕获时间、虚警概率、检测概率等重要指标进行了分析计算。哈尔滨理T大学工学硕士学位论文21扩频测距原理第2章扩频测距系统在测控系统中，采用扩频测距方法的基本原理为由主站伪码发生器产生一伪随机码序列发送至从站，由从站接收后转发到主站，通过相位比较器对比最初发送的伪随机码序列和接收到的伪随机码序列的相位，根据相位差来确定延时以求得距离。距离的测量有两个质量参数精度、模糊度。测量的精度由两个因素决定码的最高频率和测量采用的分辨率。相关器能够决定被测信号的一个周期的片段，同时也能决定周期达到一定的分辨率。例如，最高频率是1MHZ，测量的分辨率是一个周期的11024，这里假定距离测量的分辨率小于LNS。所以频率较高的码有比较好的分辨率，但是测量是以一个周期为模的，所以较高频率码测距也比较模糊N叫。测距模糊是应用较低频率序列连续测距或者用整个伪码周期VN码测距来解决的。较低频率的选择是依靠被测的距离而定的，频率越低，周期越大，测距模糊就越小。码的最高频率决定测距的精度，最低频率决定距离模糊度。测量偏差则是由被测信号的信噪比和测量所需的整个时间决定。扩频测距系统的系统结构如图21所示，在主站上，本地伪码与接收伪码的比相包括两步码片比相整码片相位比较和码时钟比相码片内相位比较，对应于相位差的粗测和精测。码片比相首先将各本地子码与相应回复的子码做以整码片为单位的相位比较，根据这些比较结果就可以得到复合码的相位差。码时钟比相是保证最终测距精度的关键，比相结果还可以通过数据处理的手段进一步提高测距的性能N。通过精心选择测距码，以及合理设计码跟踪环和比相电路，测量精度可以达到码片周期的千分之一甚至更小。选择测距码，主要依据相关特性，也就是说，相关值与非相关值相差要大。另外，由于码跟踪环的性能对测距精度具有决定性的影响，故扩频码的绝大多数功率应分配给时钟码。扩频测距整个过程如下1主站，产生测距扩频码，经载波调制发送2从站，对上行载波进行恢复；哈尔滨理工大学_T学硕士学位论文3从站，码跟踪环对测距时钟进行恢复；4从站，子码相关运算，对子码进行恢复5从站，产生下行复合码，经载波调制发送；6主站，对下行载波进行恢复；7主站，码跟踪环对测距时钟进行恢复；8主站，子码相关运算，对子码进行恢复；9主站，发送的复合码与接收后恢复的复合码进行相位比较，得出粗测结果10主站，发送的测距时钟与接收后恢复的测距时钟进行相位比较，得出精测结果；11主站，数据处理，得到距离的测量值N引。图21扩频测距系统结构FIG21STRUETUREOFSPREADSPECTRUMRANGINGSYSTEM伪码恢复部分主要由码跟踪环、码相关器组和下行码产生器等三个部分哈尔滨理工大学工学硕士学位论文组成。为了减小伪码的捕获时间，采用复合码，它由若干个子码通过一定的逻辑关系产生。各子码需要精心选择，以得到良好的自相关和互相关特性，同时简化测距通道的设计。伪码恢复时，先分别恢复各个子码，再经过相同的逻辑运算得到恢复的复合码。码跟踪环用于恢复复合码中的钟码，码位同步主要涉及到所接收的数据码元到达时刻或初相的估值。在相干数字通信系统中，提供码元同步的基本方法有两种，一种是分配单独的信道来传送同步信号，另一种是让同步信息出现在数据码元序列的信道中。从数据序列中提取码元同步是最普遍的方式，它不需要占用额外的信号功率与信道N引，码跟踪环采用数字数据转换跟踪环DIGITALDTTL，DATATRANSITIONTRACKINGLOOP。各子码相关模块并行运行，每个相关模块由码发生器、码相关器和锁定检测器组成。锁定检测器将相关器的输出与阙值进行比较，若相关器输出小于阙值，则推动码发生使相关器进行下一次运算，若大于阙值，则输出锁定状态到下行码发生器模块，只有当各子码都锁定以后，才将再生的测距码送到应答机的发送调制部分。22测距方法分析在卫星测控系统中，采用各种伪码测距的实现方法、基本原理都是一样的。由地面站伪码发生器产生一伪随机码序列发送至卫星，由卫星接收后转发到地面站，通过相位比较器对比最初发送的伪随机码序列和接收到的伪随机码序列的相位，根据相位差来确定延时以至于求得距离。目前，采用这一测距原理的测距方法大概有四种。本章就这四种伪随机码测距方法进行对比分析。221星上处理伪随机码测距星上处理伪随机码测距原理为由地面测控终端产生一测距伪随机码序列，调制到载波发送至卫星上。在卫星上，测距序列由一数字延迟锁相环跟踪锁定，同时伪码生成器生成一复制伪码序列同步于锁定的上行序列，复制伪码序列作为下行信号调制到下行载波。在地面站上，延迟锁相环跟踪锁定下行伪码序列并由伪码发生器产生同步伪码序列，然后由相位比较器对比这一伪码序列与最初发送的上行伪码序列的相位，从而求出相位差或时延，进而得出距离1。其原理框图如下哈尔滨理工大学工学硕士学位论文地面站部分星上部分图22星上处理伪随机码测距原理框图FIG22DIAGRAMOFONBOARDPROCESSINGPSEUDOCODERANGING单程距离模糊度公式DO5X【化RC21其中L为伪码长度，见为码片率，C为光速。由此公式可知，测距模糊度决定于伪码长度和码片率，改变这两个参数可以测量的范围由几十千米到几百万千米。例JTIL1023，足1MCHIPS，则D15345KIN；L536870911CHIP，足20MCHIPS，贝1JD402653183KIN。但是码片率的选择会影响发射端测控信道和通信信道的相互干扰，而且伪码如果太长，对伪码的捕获速度会有很大的影响。所以应该根据实际情况，合理的选取伪码长度和码片率，以便达到最好的测距效果。测距精度分析由原理框图可以看出，伪随机码的捕获和跟踪是整个伪随机码测距过程中最为关键的一个部分N副。测距误差主要来自于由于多普勒率的影响而产生的数字延迟锁相环DLL的环压，以及在DLL中由于热噪声的影响而产生的跟踪抖动随机误差。还有伪码跟踪偏移误差和时钟引起的误差。下面根据实际的情况就对地静止轨道卫星给出一组参数，分析其测距精度。上行波段181GHZ，下行波段125GHZ，多普勒相对频移为69X10，多普勒率多普勒随时间的变化率为59X10_10HZ。遥控数据比特率LKBITS无前向纠错编码，遥测数据比特率4096KBITS采用前向纠错编码；哈尔滨理工大学工学硕士学位论文遥控上行信噪比大约425DBHZ，遥测下行信噪比大约425DBHZ，码片率为3MCHIPS引。对于对地静止轨道卫星而言，由于多普勒率非常小，所以码跟踪环的偏移误差可以忽略。对于数字延迟锁相环，其最优的带宽可以表示为下面公式眈2降LACO平222兵中国R等，R为码片率，等为多普勒的相对频移。根据以上给出的参数，可以得出最好的数字延迟锁相环的带宽应该为6HZ。数字延迟锁相环的动态环压定义为足窘寿陋3，M为数7延迟锁相环的阶数取2，R是以码片来表示的N0星的距离，22BL孝去，最后可以得到环压公式为足了RCAF虿1了AF珥124环的干扰因数善0707。同样也可以得到热噪声抖动O，表示为争2等12警25将参数代入公式，可以得出延迟锁相环的环压的范围为5NS至LJ5NS，而热噪声抖动9NS，所以由延迟锁定环所引起的测距误差大概是12M虱J42M。调制问题这种伪随机码测距方法需要在卫星上进行处理，测距信号将占用测控信道。上行的调制方RNNNSRRCUQPSK均方根升余弦一非均衡四相相移键控；下行的调制方式可以为SRRCOQPSK均方根升余弦偏移四相相移键控。而且上下行的时钟和周期应该是同步的。由于这里采用的是哈尔滨理T大学工学硕士学位论文QPSK调制方式，所以有两个通道可用。在上行信道中I同相通道用来传输遥测数据，Q正交通道用来传输测距信号。而在下行信道中，I通道用来传输测距信号，而Q信道用来传输遥测数据N“。在卫星定位测距中，最为关键的有两种数据类型多普勒数据和测距数据。多普勒数据是由于卫星的运动使接收信号相位的改变，它是通过探测接收信号相位而被测量到的。通过调制一己知的信号到上行链路来生成一测距信号，由卫星对其进行转发，在下行链路捕获到这一信号。由完成整个过程所需的时间从而得出距离的测量。就像克服多普勒一样，测距信号将会降低上行遥控信号和下行遥测信号所占有的功率。另外，在实际的测距信号中，当信号由卫星转发时，上行的嗓声也将会调制到下行载波上。这样进一步减少了遥测信号的功率，同时也降低了所接收到的测距信号。对于一个典型的静止卫星信道，传输的噪声功率大概在30DBW到40DBW之间，大于测距信号的功率。很明显，这是对非常有限的卫星的传输功率资源的一种浪费。星上处理测距方式在卫星转发过程中能去掉上行的噪声。因此，当进行测距时，将会提高下行的效率。这将给链路设计者可选的方案更少的时间或者降低下行的测距功率。现在分析星上处理测距的优势所在。星上处理测距中，卫星接收解调测距信号，对其进行滤波，然后又重新调制到下行载波上。在滤波过程中衰减了信号能量。输入到滤波器的信号有一定的信噪比，滤波器有一定的带宽B，其值一般是15MHZ，测距信号一般是1MHZ左右的方波。这就意味着只有方波的谐波能通过滤波器。滤波器的输出信嗓比G是G8瓦P百L26兀“烈NB其中E为输入测距功率。下行链路上的测距功率与总功率的比为专叫厨压H矧仁7，这里以是一阶的贝塞尔函数，孝是下行测距调制指数，兄，为总功率，为下行测距功率。争吾手28NONOROTM假定下行调制指数为O225RADRMS，滤波器带宽为15MHZ。接收测距信号哈尔滨理工大学工学硕士学位论文的信噪比如式26。其中己为接收到的测距信号功率；K，是由于下行遥测调制的测距功率抑制，其定义为对方波副载波和直接数据调制而言K，COS2孝；对于正弦副载波而言K，名孝，这里善是下行遥测调制指数。现在，考虑我们能够跟踪和重新产生测距信号的情况。在这个过程中，我们有两个收获。第一，滤波器的高阶谐波损耗将消失，因为我们重新产生的是方波。第二，噪声的影响将消失，因为我们有再生电路跟踪环来替代15MHZ的噪声带宽，假定带宽是1HE。因此，在下行链路上测距功率对总功率是P,P。SIN22掌。很明显，对上行链路信噪比没有超过50DB，接收到的下行P，将会增加，它的增加就像上行信号变弱一样。下行信号增强的获得可以有三种方法。第一，积分时间和下行测距调制指数能够保持一样，因此降低了测量偏差。第二种选择是增加遥测调制指数，增加K，这样对测量偏差相同的地方，能够有更多的功率给遥测。最后一种选择就是减少积分时间，允许同样的测量偏差用更少的跟踪时间。所以卫星上的重发式测距可以有好几种选择来提高性能N8。由于测距伪码相干调制解调两次，所以多普勒现象将会两次影响码片率，在地面遥测接收终端的设计时也应该充分考虑。采用这种方法还有一个主要问题要考虑，那就是多普勒率影响，整个过程都必须考虑。解决的办法有两个，第一个方法就是在地面测控站进行多普勒补偿，这样可以简化捕获，减少了在卫星上的捕获时间和处理难度。另一个方法就是用一指示音来辅助载波频率的捕获。222地面处理伪随机码测距地面处理伪随机码测距方法原理由地面测控终端产生一测距伪码序列，调制到载波发送至卫星上。在卫星上，测距信号经过一次变频后返回地面测控站。在地面站，用一延迟锁相环跟踪锁定接收序列，同时产生一复制序列同步于锁定的接收序列，然后由码相位比较器对比接收复制序列与最初的发送序列，求出相位差即可得出所测距离。但是这里整个测距过程占用的是通信信道。其原理如图23所示。由此可以看出，与星上处理伪随机码测距相比较，在卫星上的处理要简单很多，不需要对随机码进行捕获和跟踪、调制解调的过程，也就是说，少了一个由数字锁相环产生测量误差的过程N训。哈尔滨理工大学工学硕十学位论文时钟伪码生成器测距卜一码相位比较器伪码生成器延迟锁定环调制器薯垂啐道I地面部分星上部分图23透明传输伪随机码测距方法原理框图FIG23DIAGRAMOFTRANSPARENTTRANSMISSIONPSEUDOCODERANGING上行波段181GHZ，下行波段125GHZ，上下行信噪比大约32DB，码速率可以选取为18MCHIPS，由公式26可以得出最优的延迟锁相环的带宽为10HZ。从而得出延迟锁定环的环压大概为一ILLS到十INS，而热噪声抖动为4NS，所以由延迟锁相环所引起的测距误差大概是09M到15M。由此可见，单从测距的精度方面来看，这种方法要比前一种方法要好。单程距离模糊度D05LREXC】29其中L为伪码长度，尺为伪码片率，C为光速。地面处理伪随机码测距在卫星没有进行解调、解扩处理，所以抗干扰的能力比较弱，还有一个很重要的问题就是在射频端，必须考虑通信信号和测距信号的兼容。这样在现有的技术设备条件下，这种方法不是最好的。223混合测距混合测距的原理框图如图24所示。测距过程由地面测控终端产生一伪随机码序列调制到载波上发送至卫星上。卫星接收到这些伪随机码序列，用伪码的时钟产生一系列同步的测距音即就是测距音的零相位对应于伪码的哈尔滨理工大学工学硕士学位论文开始位置。在一个码周期内有多个整测距音周期。这个测距音通过典型的PM调制发送到地面，经相位延迟锁定后通过测距音伪码相位比较器得出测距音与最初发送的伪码的相位差或时延，进而得出所测距离心洲。地面站部分星上部分图24混合测距的原理框图FIG2_4DIAGRAMOFTHEMIXEDRANGING从原理框图可以看出，混合测距与前面所讨论的测距方法相比，最大的不同在于此方法同时采用了侧音测距技术和伪随机码测距技术，很显然在实现的难度上要大于前面的方法。卫星上伪码转换成测距音的结构简图如图24所示。通过上面的数模转换器可以产生一系列副侧音频率范围可以是8HZ到20KHZ，通过下面的数模转换器可以产生主侧音，主、副侧音的周期乙。满足公式NX己。，码周期，N为一个正整数。和纯侧音测距一样，这里的副侧音信号主要是解决距离模糊问题，而主侧音则是用来精确测距。距离模糊度的公式为DO5C210其中C为光速，疋H为副侧音的频率。测距精度混合测距的精度是由它的原理决定的，由于它在上行时采用的是传输伪随机码，而且是调制在测控信道上，所以可以用星上处理伪随机码测距的分析方法来讨论。在下行由于完全是采用纯测距音测距方法，其测距精度也就可以采用纯测距音的分析方法来分析。哈尔滨理_丁大学丁学硕士学位论文混合测距方式上行采用了扩频码分多址形式，下行仍然保留了侧音测距方式，使得整个测距过程需要更加复杂的测距链路。所以实现起来比较困难。224ESA多目标跟踪测距方法所谓ESA多目标跟踪测距方法就是我们所说的ESA码测距标准。其测距原理如下首先，地面站发射由伪随机码进行相位调制后的测距信号，此测距信号过转发器由地面设备接收，用一锁相环PLL锁定这I贝ZJ距信号。伪随机码的长度由短到长依次变化直到最长的伪随机码序列来调制测距信号，由此可以确定测距信号在卫星与地面站之间有多少个波长数。当所有的伪码发射完后，就可以连续发射测距信号开始准确测距乜。单程距离模糊公式D05C2一】211其中C为光速，2为伪码的长度，E。，为测距信号的频率。可根据不同的测距要求来选取N的值，现假定测距信号频率为100KHZ，如果是对地静止轨道卫星可以选择N15，则D49152KM，如果是低轨卫星可以选择N10，则D1536KM。这种方法由于引入的伪随机码相位调制，所以数字PLL的带宽应该适当增大，可以设定B10HZ左右。测距的精度主要是受热噪声影响，其测距精度的计算公式一广砌J二_一NO_O2124万FF2S一般当F1MHZ时，TH03M。这种方法测距和遥控能同时进行，由于采用伪码来解决距离模糊，所以可以测量各种类型的卫星，包括低轨卫星和深空飞行器。但是，就商业通信静止轨道卫星来说，就没有必要对标准的纯侧音测距进行改进。23伪码测距系统231伪随机码的生成在伪随机码中，有四种在基本的的码型M序列、GOLD码、KASAMI码和WALSH汉明码。其中在扩频通信系统中应用的比较广泛的有M序列和GOLD码。M序列就是最长的线性移位寄存器序列，其序列周期P2一1。M序列性质和哈尔滨理工大学丁学硕七学位论文功率谱的特性M序列具有很多好的性质，以至于广泛应用于各种扩频通信系统中，具体表现为1最大长度序列中1比0多一个，而且1的个数为21，0的个数为2肛1一L。2某个M序列同向移位任意值的和与这个M序列本身的模2和是另一相位的M序列。3在周期为P2一1的M序列中，总共有21个游程，其中长度等于K的游程占游程总数的12。此外，还有一个长度为N的1游程和一个长度为NL的0游程心纠。4M序列的自相关函数是双值函数，其归一化自相关函数是假定两序列周期相同，则它们的相关函数是墨，吉吃一，213口。巩的值为1或者一1。若A。和吃相同，则相同码元的个数用A表示；若不同，则不同码元的个数用D表示；那么，鲁等AP_K。当FO时，AP，即，1；而当FO时，A211，D21即尺F1P。所以RFL,RO丁。214另外，M序列的功率谱特性也很有特点1M序列扩谱码是周期函数，它的自相关函数也是同周期的周期函数，相应的功率谱就是线状谱，相邻谱线间隔为1PT。2由于序列波形是幅度恒定的矩形波，因而具有恒定的功率。除零频率分量外，各谱线强度与序列长度P成反比。3零频率分量的强度为1P2，与序列长度P的平方成反比。4M序列扩谱码的功率谱密度的包络由码元宽度Z决定，而与序列周期P无关，这说明传送M序列的伪随机信号的频带宽度决定于码元宽度C钉。GOLD码是一种复码，复码就是两个以上的子码短码按一定的逻辑函数关系构成的长度较长的码。如果相同长度的两个M序列的相互关系数的绝对哈尔滨理工大学工学硕士学位论文值满足下式当R是奇数时IKI2P“21KL2P“21215216当R是偶数但是4或4的倍数除外。符合上面条件的两M序列就是优选对。由符合上式的两本原多项式产生的序列移位模21J1的新序列就是GOLD序列。如果是由两个R位线性移位寄存器构成的GOLD码产生器，贝LJGOLD码的个数是271，显然要比由R位线性移位寄存器产生的M序列多很多。这也是GOLD码要比M序列更广泛的应用码分多址系统的一个重要原因之一。下面举例说明如何由子码组成复合码。此设计例子具有6个子码并且适合于再生测距。第N个子码的长度是无，其中1N6。这些子码的长度为元2，丑7，五11和五15，A，19，丸23，第一个子码周期为2个码片为测距钟码。第N个子码表示为EF，其中I表示离散时间的标号，1I丑，这6个子码见表21。表21复合伪码各子码表TABLE21PNCODEOFEACHSUBCODETABLE码位序列CI1,0C21，1，1，0，0，1，0C31，L，1，0，0，0，1，0，1，1，0C|1，1，1，1，0，0，0，1，0,0，1，1，0，1，0C51，1，1，1，0，1，0，1，0，0，0，0，1，1，0，1，1，0，0，C61，1，1，1，1，0，1，O，1，1，0,0，1，1,0，0，1，0，1，0，0，0，0对于每个码GF，通过周期为丸的无穷重复形成序列，即C。FEIMOD2217哈尔滨理工大学工学硕士学位论文复合码序列为SEQIC。IIUEC2INC。3INC。INC5IAC6例218其中U和N分别是逻辑或和逻辑与操作符。由于子码长度是互素的，故复合码的周期以码片表示L是子码长度的乘积，即SEQILSEQI219其中L兀以2X7XLLXL5X19X231，009，470CHIPS220使用互素的数字使得通过相对较小的子码长度可以达到较大的L。这一点很重要，因为较大的L对于解决距离模糊是必需的，而较小的以则有利于接收机相关器的实现。当使用1MHZ的钟码时，此复合码的无模糊距离为UCL4FRC75，660KIN221此复合码的一种重要特性是其近似于周期为2个码片的序列。因为通过统计可以发现，对于SEQI，当I为偶数时，其值始终为1，而当I为奇数时，其值绝大多数情况下为0，于是复合码近似于周期为2个码片的序列。因而，最终的伪码测距信号近似于频率为二分之一码速率的测距时钟，并且大多数的信号功率集中在这个测距时钟频率N劓。这是我们所希望的，因为测距精度取决于钟码与本地测距时钟的相关测量。可以看出，上行信道的I通道用来传输遥控数据的伪随机码，其长度为1023CHIP的GOLD码。在测距或正交通道码序列的最大长度是截断了的M序列，其长度为261888CHIP。下行的遥测和测距通道码序列都是最大长度为261888的截断的M序列。GOLD有很好的平衡性和相干特性，可以用作码分多地址码，而且还有相对较短的捕获时间的优点。对于GOLD码，可以设定寄存器的个数为10个，根据优选对的原则和查表，可以得到特征多项式分别为GL工X10OX01G2X工10OX9O石8OZ6O工3O工201GXGLXOG2X222所PAGOLD码的特征多项式为GX，其生成结构如图25所示。18哈尔滨理工大学工学硕士学位论文至于上行的测距或正交通道，因为采用的是长度为261888截断IN序列。这里之所以采用截断序列，是因为256X1023261888，这样可以使Q通道M序列长度是I通道GOLD序列的整数个周期，以便于同步。所以可选定寄存器的个数为18个。FXZ180XBOXL3O石11O工30XOL为其特征多项式。下行，测距通道M序列的长度和时钟应该同步于上行测距通道，这样才比较方便于测距和解距离模糊。不过在下行为了减少干扰，可以选用不同的M序列，设定其特征多项式为FXX18O石160石150石130石50X40X20X01223在下行的正交通道因为采用的都是同长度的截断ILL序列，为了使产生伪随机码的伪码生成器结构简单一些，遥测扩频序列可以采用测距或同相通道中M序列的等价平移序列。很明显，这里的遥测扩频序列采用的是在原来的测距序列上平移了9个单位的等价移位序列。寄存寄存图25GOLD码的生成结构图FIG25GENERATIONCHARTOFGOLDCODE码同步的优缺点虽然在理论上码间具有比较完美的相关性，但是，在上行链路应用中非常复杂很多不同的地面测控站同时作用于一个卫星群在下行链路应用中也非常复杂所有的卫星时钟必须有较好的同步。码的同步在应用的时侯是非常复杂的，对频率和时间的误差特别敏感。但当一个测控站控制多颗配置卫星时，同步上行伪码就有意义了，多址特性得到最大发哈尔滨理工大学工学硕上学位论文挥所以码的同步问题是伪随机码测距中很关键的问题之乜副。232码序列捕获跟踪模块1码序列捕获跟踪的结构码序列捕获跟踪部分的原理如图26所示，接收到的码序列与本地子码产生器产生的码序列进行相关运算，经过一定时间后一般为N各复合码周期，相关结果与预设的检测门限进行比较，即进行相关峰的检测。若大于检测门限，则表示子码已经捕获，否则驱动子码产生器调整本地序列的相位，以进行下一次相关运算，直到捕获为止凹61。若经过一段时间仍未捕获，则输出错误信息。广一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一1图26码序列捕获跟踪的结构原理框图FIG26STRUCTUREOFSEQUENCESACQUISITIONANDTRACKING图27子码相关器的原理框图FIG27CODEBLOCKDIAGRAMOFTHECORRELATOR在这里，就需要设计一个相关周期的发生器，以10万个码片时间为周期哈尔滨理工大学工学硕十学位论文进行相关运算。图27显示了子码相关器的具体实现。两个码序列逐位相关，对于二进制数而言，进行异或操作即可。异或运算结果输出到计数器的使能端，计数器由码跟踪环的时钟输出驱动，若异或结果为1，则计数器增L，否则在该周期不变。经过相关运算的一个周期，将计数值输出到相关峰检测部分。I一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一1L一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一I。IRESET。图28子码产生器的结构原理框图FIG28CODEGENERATORBLOCKDIAGRAMOFTHESTRUCTURE图28显示了子码产生器的具体实现。其中，子码设置寄存器用于设置具体的码重复序列，当子码产生器开始工作后，子码设置寄存器装入移位寄存器，移位寄存器由码跟踪环的时钟输出驱动。而屏蔽移位寄存器中只有一位是L，其余的为0，经过一个相关周期后，若子码未捕获，则屏蔽移位寄存器移动一位，以改变输出序列的相位。例如，若原相位为CO，则移位后的相位为C1，依次类推幢“。各个子码相关器的设计与此类似，只是初始化的初值不同，几个子码相关器并行工作，能够有效的完成子码锁定的功能。2下行码产生的结构图29显示了下行码产生的结构。这部分功能比较简单，当所有子码都捕获以后，就启动复合码的转发。假设发送信号与接收信号经过整形后的两路方波信号分别为INL和1N2，两个波形经过鉴相器后，得到的OUT信号就是我们所需的相位差，我们只需测量出OUT信号的高电平的持续时间，经过适当的转换就可以知道INL、IN2两个信号的相位差。而OUT信号的高电平持续时间我们是通过计数器计算脉冲来实现的。比相模块原理如图210。鉴相器输出端OUT端作为计数器的使能端，即OUT端为高电平1时，计哈尔滨理工大学工学硕士学位论文数器开始计数，当时钟脉冲为上升沿时，计数器加1；OUT端变为低电平0时，计数器停止计数，同时计数值读入到锁存器中，然后计数器清零，等待下次使能。因为鉴相器的OUT端高电平时间就是两个输入信号相位差的时间形式，所以计数器的最后计数值就是相位差的计数值，表现为相差的系统时钟脉冲的个数幢81。LOCKLLOCK2LOCK3LOCKNC2C3CNCL广一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一1L一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一J图29下行码产生器的结构原理框图FIG29DOWNLINKCODEGENERATORBLOCKDIAGRAMOFTHESTRUCTURE控制端IDSP爱J据IL一一一一一一一一一一一一一一J图210比相模块原理图FIG210COMPAREDWITHSCHEMATICMODULES距值下图比较精确的反映了两个波形的相位差，由此配合比较粗略的由恢复出的伪码波形与产生的伪码波形之间的相位差，可以得到比较精确的相位差，于是可以计算出发送端和接收端之间，伪码经过的距离。恢复伪码信号与产生伪码信号相位比较如图211所示。可以看出伪码发生模块产生的伪码CODEGENERATE和相对应的参考伪码时钟哈尔滨理工大学工学硕士学位论文CODECLKGENERATE，其对应关系是一个伪码时钟周期TC对应一个伪码CODE，既整个伪码时钟周期内对应的伪码波形都一样，不是0就是1。这样就达到了码的同步，而伪码的传输只将伪码信号发送出去，而码时钟信号是不发送的，所以码跟踪环路需要做的工作就是将伪码恢复成原来的样子，同时要恢复出对应的码时钟，这个步骤起到了码同步的作用心91。一卜伪码相位差伪码产生厂；_厂厂厂厂对应码时竺几几几几几几厂几几几几几几几几LILIIIII伪码恢复；厂M厂厂厂厂LIILLI码时钟恢冬RR厂R几几几几RNRN几厂N叫卜码时钟相位差图21L恢复伪码信号与产生伪码信号相位比较图FIG21LPNCODESIGNALRESUMPTIONOFAPSEUDOCODESIGNALSANDPHASECOMPARISON当伪码经过一段距离后被码跟踪环路接受并且恢复出伪码信号DATAOUT和码时钟信号CODECLK，那么这时恢复出的伪码信号相对于产生的伪码信号必定有一个延时，也就是相位差。而由于码跟踪环的另一个功能是码同步，也就是恢复出的码时钟信号COD