（通信与信息系统专业论文）扩频测距技术的研究.pdf

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 r e s e a r c ho ns p r e a ds p e c t r u mr a n g i n gs y s t e m a b s t r a c t s p r e a ds p e c t r u mr a n g i n gs y s t e mh a sa d v a n t a g e so fa n t i - j a m m i n ga n dh i g h p r e c i s i o n ，a tp r e s e n ti t i sm a i n l yu s e di ns a t e l l i t et e l e m e t r ya n dt e l e c o m m a n d s y s t e m s a t e l l i t er a n g i n gp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei ns a t e l l i t et r a c k i n g ，o r b i t m e a s u r e m e n t ，t h ei n i t i a lc a p t u r eo ft h es a t e l l i t ep o s i t i o n i n g w i t ht h ec o m i n go f t h ei n f o r m a t i o na g e 。s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o ni sn o ww i d e l yu s e di n d i g i t a lc e l l u l a rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，s a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o na n d m o b i l e p e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n si nt h ef u t u r e t h i st h e s i sr e c o m m e n dt h ep r i n c i p l eo fs p r e a ds p e c t r u mr a n g i n ga tf i r s t a n dm a k eab r i e fi n t r o d u c t i o nt of o u rk i n d sp s e u d oc o d er a n g i n gm e t h o d a d e t a i l e da n a l y s i si sd o n ea b o u tt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fs p e c i f i c t e l e m e t r ya n dt e l e c o m m a n ds y s t e m s p r e a ds p e c t r u mm e a s u r e m e n ts y s t e mo f t h ep s e u d o c o d e r e l a t e dc a p t u r ea n df i l t e rc a p t u r e ，s l i d i n gc a t c hs i n g l ei n t e g r a l s y s t e m ，d u a l 。s l i d i n gc a t c hi n t e g r a ls y s t e m a c q u i s i t i o nt i m e ，f a l s e a l a r m p r o b a b i l i t yo fd e t e c t i o np r o b a b i l i t yi sam e a s u r eo fp s e u d o - r a n d o mc o d ec a p t u r e t h ei m p o r t a n tt e c h n i c a li n d i c a t o r s ，t h et h e s i so nt h et w o - w a ys l i d i n gc a t c ho f a c q u i s i t i o nt i m e ，f a l s ea l a r mp r o b a b i l i t yo fd e t e c t i o np r o b a b i l i t yw e r ea n a l y z e d a n dc a l c u l a t e d a tp r e s e n t ，t h es a t e l l i t ep o s i t i o n i n gl o c a t i o nm e t h o d sh a v eb e e nm o r e m a t u r e i no u rc o u n t r y , w ec a n tr e l yo nf o r e i g ns a t e l l i t ec o n s t e l l a t i o nt ot h e s a t e l l i t el o c a t i o n ，p o s i t i o n i n ga n dt r a c k i n gb u tr e l i e sm a i n l yo ns a t e l l i t eg r o u n d s t a t i o n st oa c h i e v et h ea u t o n o m o u sp o s i t i o n i n g t h ea p p l i c a t i o no fp s e u d oc o d e r a n g i n gi sn o tv e r ye x t e n s i v e ，s ot h er e s e a r c ho ns p r e a ds p e c t r u mr a n g i n g i sa v e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et ot h er e a l i z a t i o no f s a t e l l i t er a n g i n g ，p o s i t i o n i n gi n o u rc o u n t r y k e y w o r d s s p r e a ds p e c t r u mr a n g i n g ，p s e u d oc o d ea c q u i s i t i o n ，s l i d i n gc a p t u r e ， r e l a t e dd e s p r e a d i n g i i 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：2 0 0 6 年弓月1 , 5e t 日期：劲秒降乡月心日 哈尔滨理t 大学t 学硕士学位论文 1 1 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5 0 年代中期开始研究以来n 1 ，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p n 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p n 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h 1 。 1 2 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p n 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( p s e u d o n o i s er a n g i n g ) 有两类：一类是传统的标准 的转发测距( t u r na r o u n dr a n g i n g ) ，另一类是再生测距( r e g e n e r a t i v e r a n g i n g ) 。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( r a n g i n gm o d u l a t i o ni n d e x ) ，接着与遥测调制部分( t e l e m e t r y m o d u l a t i o n ) 相加送到线性相位调制器( l i n e a rp h a s em o d u l a t o r ) 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3 0 d b 。 目前欧空局的p r a r e 系统利用1 0 m c p s 的伪码速率即可达到2 5 c m 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b c p i c o l m b o ，只能达到2 0 3 0 c m 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。 1 3 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p n 码的相位差保持为一个p n 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p n 码的捕获，特别是低信噪比下长序列p n 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。p n 的捕获方 法有很多，下面就常用的p n 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p n 码捕获方法。 1 3 1 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f p g a 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2 n 个编码序列相关处理解扩器( n 是编码序列长度) ，2 n 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2 n 个解扩器，由于n 1 ，所以，序列捕获电 路的硬件设备量就很大。例如，n - 2 0 4 7 ，捕获用解扩器就要4 0 9 4 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t o 2 ) ，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p n 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p n 码码元) ，每移动一个相位单元，做一次 相关判决。直到两个p n 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。 1 3 2 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t 1 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 2 1 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