一種基于再生偽碼測(cè)距的遙測(cè)信號(hào)測(cè)距方法*

張美婷，邵慶軍，劉　洋

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京100094)

一種基于再生偽碼測(cè)距的遙測(cè)信號(hào)測(cè)距方法*

張美婷**，邵慶軍，劉洋

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京100094)

摘要：為了簡(jiǎn)化深空探測(cè)器無(wú)線測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)，解決下行系統(tǒng)受功率、帶寬等因素限制遙測(cè)信號(hào)和測(cè)距信號(hào)權(quán)衡設(shè)計(jì)問題，在再生偽碼測(cè)距技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于遙測(cè)信號(hào)測(cè)距的新方法，以遙測(cè)數(shù)據(jù)符號(hào)代替測(cè)距偽碼的功能，利用地面跟蹤環(huán)路對(duì)遙測(cè)信號(hào)的跟蹤測(cè)量實(shí)現(xiàn)下行測(cè)距，減少了獨(dú)立的下行測(cè)距信號(hào)。分析和仿真結(jié)果表明：新方法簡(jiǎn)化了下行信號(hào)形式，降低了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，在遙測(cè)碼速率為100 kbit/s左右時(shí)，隨機(jī)測(cè)距誤差優(yōu)于傳統(tǒng)再生偽碼測(cè)距模式，且隨著遙測(cè)碼速率的增加測(cè)距精度進(jìn)一步改善。

關(guān)鍵詞：深空控測(cè)；測(cè)控系統(tǒng)；再生偽碼測(cè)距；遙測(cè)測(cè)距；隨機(jī)測(cè)距誤差；跟蹤環(huán)路性能

A Telemetry Signal Ranging Method Based on

Regenerative PN Ranging

ZHANG Meiting,SHAO Qingjun,LIU Yang

(DFH Satellite Co.,Ltd.,Beijing 100094,China)

Abstract：To simplify the complexity of the deep space probe and solve the problem of the balance design between the downlink telemetry and ranging signal under the constraint of the limited power and bandwidth,a novel telemetry signal ranging method is proposed in this paper based on the regenerative pseudo noise(PN) ranging technique. The PN code is replaced by telemetry data symbol,and the downlink range measurement is realized by tracking telemetry signal at the ground tracking loops to save an independent ranging signal. The results of the analysis and simulation show that the proposed method can simplify the downlink signal and reduce the complexity of the system,and the stochastic ranging error is better than that of traditional method when the telemetry rate exceeds 100 kbit/s. With the higher telemetry rate,the better ranging accuracy can be achieved.

Key words：deep sapace exploration;TT&C system;regenerative PN ranging;telemetry ranging;stochastic ranging error;tracking loops performance

1引言

深空測(cè)控的主要制約因素包括兩個(gè)方面：一是距離遙遠(yuǎn)，造成信號(hào)功率衰減量大、信號(hào)傳播延時(shí)大；二是探測(cè)器功率受限，影響返向信號(hào)的傳輸[1]。美國(guó)航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)建設(shè)的深空網(wǎng)(Deep Space Network,DSN)是深空探測(cè)活動(dòng)最具代表性的地面測(cè)控系統(tǒng)[2]。為了提高深空測(cè)距的精度，NASA提出了再生偽碼(Pseudo Noise,PN)測(cè)距方式[3-8]，通過(guò)星上偽碼信號(hào)再生，使得下行鏈路中不再包括轉(zhuǎn)發(fā)噪聲和殘留遙控信號(hào)，提高了地面接收的信噪比，從而改善了測(cè)距測(cè)速的精度。

再生偽碼測(cè)距的下行測(cè)距信號(hào)和遙測(cè)信號(hào)共分下行發(fā)射功率。由于受探測(cè)器下行功率的約束，在某些關(guān)鍵弧段為了保證遙測(cè)的可靠接收，往往需要停發(fā)下行測(cè)距信號(hào)。如美國(guó)的“火星探測(cè)者”飛行器，在地面的每個(gè)可視弧段僅在四分之一弧段內(nèi)對(duì)其實(shí)施測(cè)距，其余四分之三弧段為保證遙測(cè)接收需關(guān)閉下行測(cè)距信號(hào)?？梢?，受下行功率等因素的制約遙測(cè)和測(cè)距往往不能同時(shí)工作，需權(quán)衡設(shè)計(jì)分配下行測(cè)距信號(hào)和遙測(cè)信號(hào)的功率，這給任務(wù)設(shè)計(jì)和設(shè)備實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了較大的復(fù)雜性。

為了解決上述問題，本文提出了一種基于遙測(cè)信號(hào)測(cè)距的新方法，在不改變?cè)偕鷤未a測(cè)距上行測(cè)量信號(hào)的前提下，將下行測(cè)距和遙測(cè)合并，僅利用下行遙測(cè)信號(hào)同時(shí)完成遙測(cè)和測(cè)距功能。仿真結(jié)果表明，隨著遙測(cè)碼速率的增加，新方法的測(cè)距精度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)再生偽碼測(cè)距方式。

2再生偽碼測(cè)距介紹

再生偽碼測(cè)距最早由NASA提出，已經(jīng)成功應(yīng)用于多個(gè)深空探測(cè)任務(wù)[3-8]。國(guó)際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(Consultative Committee for Space Data System,CCSDS)于2008年8月發(fā)布了偽碼測(cè)距的紅皮書[9]，于2009年3月發(fā)布了偽碼測(cè)距的藍(lán)皮書[10]，并于2010年3月發(fā)布了偽碼測(cè)距的綠皮書[11]。這些建議書的發(fā)布也標(biāo)志著偽碼測(cè)距標(biāo)準(zhǔn)化工作的完成。

再生偽碼測(cè)距的上行信號(hào)可以表示為[11]

(1)

下行信號(hào)可以表示為

(2)

CCSDS建議采用的偽碼PN序列長(zhǎng)1 009 470，由6個(gè)子碼復(fù)合而成，子碼分別長(zhǎng)2、7、11、15、19和23[9-11]；CCSDS建議使用的測(cè)距PN碼的碼速率約為1Mchip/s和2Mchip/s[11]，分別對(duì)應(yīng)碼周期約為0.98s和0.49s。

3基于遙測(cè)的測(cè)距方式設(shè)計(jì)

3.1　遙測(cè)測(cè)距的實(shí)現(xiàn)原理

測(cè)距的目的是為了精確獲得航天器與地面站間的距離，該距離往往是時(shí)間的確定函數(shù)，因此測(cè)距的實(shí)質(zhì)是測(cè)量無(wú)線電波在航天器與地面站間的傳播時(shí)間。通過(guò)精確標(biāo)定地面站和航天器間的零值(信號(hào)處理時(shí)延等)，可有效獲得信號(hào)在地面站與航天器間往返傳播的時(shí)間。再生偽碼測(cè)距能有效避免由透明轉(zhuǎn)發(fā)帶來(lái)的信噪比惡化，顯著提高下行測(cè)距信號(hào)的信噪比，但是由于遙測(cè)信號(hào)與測(cè)距信號(hào)同時(shí)存在，受功率、帶寬等因素的約束，同時(shí)實(shí)施測(cè)距和遙測(cè)時(shí)，僅能支持較低遙測(cè)碼速率。為了解決該問題，本文提出一種基于遙測(cè)信號(hào)的測(cè)距方法，與傳統(tǒng)方式不同，該方法將遙測(cè)信號(hào)和測(cè)距信號(hào)合并設(shè)計(jì)，以遙測(cè)數(shù)據(jù)符號(hào)代替測(cè)距PN碼，利用一路下行遙測(cè)信號(hào)既實(shí)現(xiàn)測(cè)距又實(shí)現(xiàn)遙測(cè)功能。基于遙測(cè)的測(cè)距實(shí)現(xiàn)原理見圖1。

圖1　基于遙測(cè)的測(cè)距原理

如圖1所示，地面在T0時(shí)刻發(fā)射初始偽碼相位為φ0的上行測(cè)距信號(hào)，上行信號(hào)經(jīng)延遲τu到達(dá)航天器；航天器利用再生偽碼跟蹤環(huán)路捕獲、鎖定上行偽碼；當(dāng)跟蹤環(huán)路出現(xiàn)偽碼初始相位φ0時(shí)，航天器測(cè)量當(dāng)前上行偽碼相位φ0與下一個(gè)遙測(cè)幀幀同步碼脈沖前沿的延時(shí)τs，將測(cè)量值填入下行遙測(cè)數(shù)據(jù)中；地面站收到下行遙測(cè)信號(hào)后，從數(shù)據(jù)中提取時(shí)延參數(shù)τs，用地面收到下行遙測(cè)幀同步碼脈沖前沿的時(shí)刻Tf減去τs即為測(cè)量信號(hào)的到達(dá)時(shí)間TR。測(cè)距信號(hào)的往返傳輸時(shí)間τu+τd可由下行信號(hào)到達(dá)時(shí)間TR減去測(cè)量參考相位φ0從地面發(fā)射時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻T0得出:

(3)

式中，R為單向距離，c為光速。

3.2　遙測(cè)與測(cè)距數(shù)據(jù)的聯(lián)合傳輸設(shè)計(jì)

基于遙測(cè)的測(cè)距模式引入的新測(cè)量值為時(shí)延偏差τs，其含義為應(yīng)答機(jī)收到的上行測(cè)距信號(hào)測(cè)距偽碼的初始相位φ0與即將發(fā)送的下行遙測(cè)幀同步碼前沿間的時(shí)間延遲。假設(shè)航天器發(fā)射持續(xù)不斷的遙測(cè)數(shù)據(jù)符號(hào)流，這些數(shù)據(jù)符號(hào)以幀同步頭(Attached Synchronization Marker,ASM)加遙測(cè)字的形式不斷傳輸，中間無(wú)中斷或間隙。下行遙測(cè)與上行測(cè)量信號(hào)間無(wú)任何關(guān)聯(lián)，時(shí)延偏差τs可用遙測(cè)數(shù)據(jù)符號(hào)的倍數(shù)表示，例如τs=ηTs，Ts為遙測(cè)數(shù)據(jù)符號(hào)的周期，η為倍數(shù)。延遲τs的測(cè)量周期與上行測(cè)量信號(hào)的周期相同，文獻(xiàn)[10]中規(guī)定的PN測(cè)距信號(hào)的周期約為0.5 s或1 s。每個(gè)測(cè)量值可填入下行遙測(cè)數(shù)據(jù)流中傳輸，可以分為實(shí)時(shí)傳輸和非實(shí)時(shí)傳輸兩種方式。實(shí)時(shí)傳輸模式下，測(cè)量值被填入下一個(gè)遙測(cè)幀傳輸，地面可實(shí)時(shí)解算測(cè)距值；非實(shí)時(shí)傳輸模式下，測(cè)量值被延緩一定數(shù)量遙測(cè)幀后傳輸，地面可對(duì)測(cè)距數(shù)據(jù)進(jìn)行事后處理。圖2給出了遙測(cè)與測(cè)距數(shù)據(jù)聯(lián)合傳輸設(shè)計(jì)的基本原理。

圖2　遙測(cè)與測(cè)距數(shù)據(jù)聯(lián)合傳輸設(shè)計(jì)

如圖2所示，測(cè)距數(shù)據(jù)可以采用多種靈活方式填入下行遙測(cè)幀傳輸，具體的聯(lián)合傳輸方案可根據(jù)不同工程的需求進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。但是，無(wú)論采用何種方式均會(huì)對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)增加額外傳輸信息。每個(gè)遙測(cè)幀需要預(yù)留一定數(shù)量的數(shù)據(jù)位容納測(cè)距測(cè)量值。設(shè)計(jì)采用16 bit表示η的整數(shù)部分(即測(cè)量值τs包含遙測(cè)數(shù)據(jù)符號(hào)周期Ts的整數(shù)倍部分)，采用24 bit表示其小數(shù)部分，則量化精度可以達(dá)到2-24Tss。在遙測(cè)數(shù)據(jù)符號(hào)速率高于6 ksymbol/s時(shí)，量化精度高于10 ps，由數(shù)值量化引入的測(cè)距誤差小于3 mm。

3.3　遙測(cè)測(cè)距的精度分析

(4)

從上式可知，TR的精度取決于Tf和η的測(cè)量精度,而Tf的精度僅取決于地面接收處理遙測(cè)幀同步頭的誤差,η的精度僅取決于航天器接收、處理上行信號(hào)的跟蹤環(huán)路定時(shí)誤差。

航天器上行測(cè)距碼的恢復(fù)通過(guò)偽碼跟蹤環(huán)路完成，僅考慮由碼環(huán)引入的測(cè)量τs的誤差，則可得

(5)

從文獻(xiàn)[11]可知，傳統(tǒng)的再生偽碼測(cè)距模式在星地均采用碼片跟蹤環(huán)(ChipTrackingLoop,CTL)，在接收信號(hào)與CTL參考信號(hào)均為方波的情況下，雙向延遲測(cè)量誤差為

(6)

假設(shè)下行遙測(cè)信號(hào)為二進(jìn)制相移鍵控(Binary Phase Shift Keying,BPSK)調(diào)制信號(hào)(編碼或未編碼均可)，地面接收采用數(shù)字轉(zhuǎn)換跟蹤環(huán)(Data Transition Tracking Loop,DTTL)跟蹤遙測(cè)信號(hào)，則地面接收通道對(duì)遙測(cè)信號(hào)的跟蹤誤差可以表示為

(7)

式中，BL為跟蹤環(huán)路帶寬，ξ為延遲比例系數(shù)取值區(qū)間為(0，1)，PTM/N0表示遙測(cè)信號(hào)的噪聲功率譜密度比。

綜合式(4)、式(5)和式(7)可得

(8)

式(8)中第一項(xiàng)僅與上行信號(hào)有關(guān)，第二項(xiàng)的取值與遙測(cè)碼速率成反比?？梢?，TR的測(cè)量誤差隨著遙測(cè)碼速率的增加而減小。

比較式(6)和式(8)可見，第一項(xiàng)基本一致，差別非常小，主要區(qū)別在于第二項(xiàng)，隨著遙測(cè)碼速率的增加，式(8)的第二項(xiàng)快速減小。式(8)和式(6)對(duì)應(yīng)的測(cè)距隨機(jī)誤差為

(9)

(10)

式中，σPN為傳統(tǒng)再生偽碼測(cè)距的隨機(jī)誤差，σTM為遙測(cè)測(cè)距的隨機(jī)誤差，單位均為s。

4數(shù)值分析

4.1　測(cè)距性能分析

從式(9)和式(10)可知，CCSDS傳統(tǒng)再生偽碼測(cè)距方式與遙測(cè)測(cè)距方式相比，上行信號(hào)的測(cè)距隨機(jī)誤差基本一致(由于遙測(cè)碼速率與載波頻率相比較小，因此可忽略αd的影響)，主要區(qū)別在于下行的測(cè)距隨機(jī)誤差。根據(jù)文獻(xiàn)[11]的參數(shù)設(shè)置，取BL,u和BL,d均為1 Hz，fchip,u和fchip,d均為2.086 Mchip/s，上下行Pr/N0均為30 dBHz。假設(shè)遙測(cè)數(shù)據(jù)的誤碼率為10-5，無(wú)信道編碼情況下所需信噪比為9.6 dB，考慮遙測(cè)碼速率為1 Mbit/s和解調(diào)所需3 dB余量，則PTM/N0為72.6 dBHz，環(huán)路接收帶寬BL取為10 Hz，ξ取值1。可得，CCSDS再生偽碼測(cè)距模式下測(cè)距隨機(jī)誤差為10.72 ns，本文提出的遙測(cè)測(cè)距隨機(jī)誤差為7.58 ns。

為了進(jìn)一步比較遙測(cè)測(cè)距與再生偽碼測(cè)距的測(cè)量精度，下面仿真分析隨著遙測(cè)碼速率的增加兩種測(cè)距方式的測(cè)距隨機(jī)誤差變化情況，如圖3所示。

圖3　遙測(cè)誤碼率不變速率變化情況下測(cè)距

由圖3可知，隨著遙測(cè)碼速率的增加，遙測(cè)測(cè)距的隨機(jī)誤差逐漸減小，當(dāng)下行遙測(cè)速率約為200 kbit/s時(shí)，遙測(cè)測(cè)距的隨機(jī)誤差明顯小于再生偽碼測(cè)距的隨機(jī)誤差,主要原因是：遙測(cè)碼速率增加，數(shù)據(jù)符號(hào)寬度減小，數(shù)字跟蹤環(huán)路的跟蹤變好，由熱噪聲引起的隨機(jī)誤差減小。值得注意的是，上述仿真是基于遙測(cè)誤碼率為10-5保持不變的情況下進(jìn)行的，不同的遙測(cè)碼速率對(duì)應(yīng)的PTM/N0不同；此外，數(shù)字跟蹤環(huán)路的最佳帶寬也隨著遙測(cè)碼速率的變化而變化，一般情況下碼速率越高，最佳環(huán)路帶寬越寬，在上述仿真過(guò)程中假設(shè)環(huán)路帶寬為10 Hz不變。

在相同的調(diào)制編碼方式下，遙測(cè)功率不變，碼速率越低，遙測(cè)誤碼率越低，傳輸可靠性越高。假設(shè)保持遙測(cè)信號(hào)的PTM/N0為72.6 dB,數(shù)字跟蹤環(huán)路的帶寬為10 Hz不變，仿真分析不同遙測(cè)碼速率下遙測(cè)測(cè)距的隨機(jī)誤差，結(jié)果如圖4所示。

圖4　遙測(cè)功率不變速率變化情況下測(cè)距隨機(jī)誤差仿真結(jié)果

從圖4可知，在遙測(cè)速率為100 kbit/s時(shí)，遙測(cè)測(cè)距的精度優(yōu)于再生偽碼測(cè)距模式。比較圖3和圖4的仿真結(jié)果可知，下行功率強(qiáng)度對(duì)系統(tǒng)測(cè)距精度的影響更為明顯?？梢?，遙測(cè)測(cè)距方式在充分利用深空探測(cè)下行功率的基礎(chǔ)上，既能增加遙測(cè)傳輸速率，又能改善測(cè)距精度。

4.2　工程實(shí)用性分析

本文方法與文獻(xiàn)[11]中的再生偽碼測(cè)距方式相比，在工程實(shí)用性方面有以下優(yōu)勢(shì)：一是繼承了再生偽碼測(cè)距的上行信號(hào)形式，僅改變了下行信號(hào)，有利于后續(xù)工程應(yīng)用時(shí)充分利用現(xiàn)有設(shè)備的上行狀態(tài)，減小設(shè)備改造規(guī)模和周期，節(jié)約經(jīng)費(fèi)；二是一般實(shí)際系統(tǒng)中遙測(cè)數(shù)據(jù)需進(jìn)行信道編碼，編碼后符號(hào)率增加(如卷積編碼),符號(hào)周期變小，遙測(cè)測(cè)距的性能改善更為明顯，既增強(qiáng)了遙測(cè)傳輸可靠性，又提高了測(cè)距性能。

5結(jié)束語(yǔ)

遠(yuǎn)距離、高精度的距離測(cè)量對(duì)深空探測(cè)軌道確定具有十分重要的意義。深空探測(cè)中受下行功率等因素約束，某些關(guān)鍵弧段內(nèi)下行測(cè)距和遙測(cè)不能同時(shí)工作降低了系統(tǒng)工作效率。本文提出了一種基于遙測(cè)信號(hào)測(cè)距的新方法，分析仿真結(jié)果表明：相比傳統(tǒng)再生偽碼測(cè)距方式，新方法提高了系統(tǒng)效率，可同時(shí)實(shí)施遙測(cè)和測(cè)距；在遙測(cè)碼速率為100 kbit/s左右時(shí)，測(cè)距性能優(yōu)于傳統(tǒng)模式。該方法具有較好的工程應(yīng)用前景。在后續(xù)研究中將進(jìn)一步優(yōu)化完善該方法的設(shè)計(jì)，為深空探測(cè)的距離測(cè)量提供一種有效手段。

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張美婷(1981—)，女，陜西富平人，2004年獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為航天東方紅衛(wèi)星有限公司工程師、北京航空航天大學(xué)碩士研究生，主要從事星間鏈路和無(wú)線高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫娴难芯抗ぷ鳎?/p>

ZHANG Meiting was born in Fuping,Shaanxi Province,in 1981. She received the B.S. degree in 2004. She is now an engineer and also a graduate student. Her research concerns inter-satellite links and wireless high speed data transmission.

Email：zh.meiting@gmail.com

邵慶軍(1968—)，男，湖北京山人，1994年獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為航天東方紅衛(wèi)星有限公司高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楹教炱骺傮w設(shè)計(jì)；

SHAO Qingjun was born in Jingshan,Hubei Province,in 1968. He received the B.S. degree in 1994.He is now a senior engineer. His research concerns system design of spacecraft.

劉洋(1986—)，男，山西忻州人，2013年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為航天東方紅衛(wèi)星有限公司工程師，主要研究方向?yàn)楹教炱骺傮w設(shè)計(jì)。

LIU Yang was born in Xinzhou,Shanxi Province,in 1986.He received the M.S. degree in 2013. He is now an engineer. His research concerns the system design of spacecraft.

引用格式：張美婷，邵慶軍，劉洋.一種基于再生偽碼測(cè)距的遙測(cè)信號(hào)測(cè)距方法[J].電訊技術(shù)，2015,55(3):298-302.[ZHANG Meiting,SHAO Qingjun,LIU Yang.A Telemetry Signal Ranging Method Based on Regenerative PN Ranging[J].Telecommunication Engineering,2015,55(3):298-302.]

作者簡(jiǎn)介：

通訊作者：**zh.meiting@gmail.comCorresponding author：zh.meiting@gmail.com

收稿日期：*2014-10-29；修回日期：2015-01-26Received date:2014-10-29；Revised date：2015-01-26

中圖分類號(hào)：V556.3；TN914.42

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-893X(2015)03-0298-05

doi:10.3969/j.issn.1001-893x.2015.03.012