一种深空探测用X频段单向测距信号产生方法及装置

摘要

本发明提供了一种深空探测用X频段单向测距信号产生方法及装置，该方法能够在X频段产生单向测距侧音信号，包含晶体振荡器、分频器、低通滤波器、倍频器、移相器等模拟器件，可以通过指令控制DOR侧音信号的关断。晶体振荡器产生初始参考信号，经过功分后一路输入至倍频器，由倍频器产生X频段载波，另一路输入至二分频器，剩下另一路输入至十分频器，分别产生两路DOR侧音信号。两路DOR侧音信号在X频段进行相位调制，经过放大、隔离后输出。二分频和十分频由十进制计数器完成。使用该方法产生的X频段单向测距信号配合相关地面站设备可以完成对深空探测器的精确测距功能，可适用于月球探测、火星探测等领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种星载调相发射机，特别涉及一种深空探测用X频段单向测距信号产 生方法及装置。

背景技术

在深空探测某些关键阶段，例如登陆行星前的接近阶段以及轨道捕获阶段等，需要 对探测器进行精确定轨。甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry， VLBI)技术是进行深空探测并精密测定轨的重要手段之一，美国NASA、欧洲ESA以及 我国已经把VLBI技术广泛应用于月球探测器和深空探测器的精密测定轨。

VLBI技术需要使用DOR(Differential One-way Ranging)侧音信号，其谱线中含 有一个主载波和若干侧音信号。考虑到分配给深空探测任务的频段在X频段带宽为 50MHz，一般在X频段用两个侧音，侧音频率分别约为4MHz和20MHz。为保证测量精 度，要求侧音信号与主载波信号由同一参考源产生，即DOR侧音信号频率与下行载波频 率相干。

DOR信号为侧音信号通过相位调制的方式调制在主载波上，由于X频段工作频率较 高，可以选择先调制在较低频率，如S频段上，再通过混频或者倍频的方式得到X频段 DOR信号，使用该方法电路结构较为复杂。实现二分频和十分频一般需要使用专门的分 频器，使用方便，电路简单，但价格较贵，且通用性较差。且由于其使用了两个倍频 器，导致装置体积较大。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种深空探测用X频段单向测距信号 产生方法及装置。使用该方法产生的X频段单向测距信号，配合相关地面站设备可以完 成对深空探测器的精确测距功能，可适用于月球探测、火星探测等领域。

根据本发明提供的一种深空探测用X频段单向测距信号产生方法，包括：

步骤1，将晶体振荡器产生的初始参考信号分为第一参考信号、第二参考信号、第三参 考信号；

步骤2，对所述第一参考信号进行倍频获得X频段载波信号，

对所述第二参考信号进行十分频获得第一DOR侧音信号，

对所述第三参考信号进行二分频获得第二DOR侧音信号，

步骤3，用所述第一DOR侧音信号和/或第二DOR侧音信号对所述X频段载波信号进行相 位调制，获得X频段单向测距信号后输出。

作为一种实施例，在所述步骤3之前还包括：

对所述第一DOR侧音信号进行低通滤波滤除谐波后再以合成器进行幅度调整，

和对所述第二DOR侧音信号进行低通滤波滤除谐波后再以所述合成器进行幅度调整。

作为一种实施例，所述步骤3还包括对所述X频段单向测距信号先进行放大再通过隔离 器输出。

基于同一发明构思，本发明还提供一种深空探测用X频段单向测距信号产生装置，其 特征在于，包括：晶体振荡器、功分器、倍频器、二分频器、十分频器、移相器；

所述功分器用于：将所述晶体振荡器产生的初始参考信号分为第一参考信号、第二参考 信号、第三参考信号；

所述倍频器用于：对所述第一参考信号进行倍频获得X频段载波信号输出给所述移相 器；

所述十分频器用于：对所述第二参考信号进行十分频获得第一DOR侧音信号输出给所述 移相器；

所述二分频器用于：对所述第三参考信号进行二分频获得第二DOR侧音信号输出给所述 移相器；

所述移相器用于：用所述第一DOR侧音信号和/或第二DOR侧音信号对所述X频段载波 信号进行相位调制，获得X频段单向测距信号后输出。

作为一种实施例，所述二分频器、十分频器与所述移相器之间还包括第一低通滤波器、 第二低通滤波器、合成器；

第一低通滤波器用于：对所述第一DOR侧音信号进行低通滤波滤除谐波后输出至合成 器；

第二低通滤波器用于：对所述第二DOR侧音信号进行低通滤波滤除谐波后输出至合成 器；

所述合成器用于：根据预设指令对低通滤波后的第一DOR侧音信号和第二DOR侧音信号 进行幅度调整后输出至所述移相器。

作为一种实施例，所述第一低通滤波器的3dB带宽设计为5MHz左右，所述第二低通滤 波器的3dB带宽设计为22MHz左右；

所述第一低通滤波器、第二低通滤波器均为五阶的巴特沃斯滤波器。

作为一种实施例，所述移相器之后还包括放大器和隔离器；

所述放大器对所述移相器输出的所述X频段单向测距信号进行放大后再通过所述隔离器 输出。

作为一种实施例，所述晶体振荡器为温度补偿晶体振荡器；该温度补偿晶体振荡器的输 出频率短期稳定度优于1×10^-9/s，长期频率稳定度优于±1×10^-5/s。

作为一种实施例，所述二分频器和十分频器都包含十进制计数器54LS90。

作为一种实施例，所述二分频器和十分频器分别包含一个DOR侧音信号开关；

所述二分频器的DOR侧音信号开关用于打开或关闭所述二分频器，进而控制所述第一 DOR侧音信号的有无；

所述十分频器的DOR侧音信号开关用于打开或关闭所述十分频器，进而控制所述第二 DOR侧音信号的有无。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、该方法为在X频段直接进行宽带DOR信号调制，载波频率高，DOR信号频率范 围宽，采用直接调制的方法可以简化发射机规模，降低成本。

2.产生DOR信号所需的分频器由十进制计数器组成，合成器可根据外部指令分别 控制第一DOR侧音信号、第二DOR侧音信号的有无，电路成熟可靠，成本低。

3.该X频段单向测距信号产生装置采用纯模拟设计方法，内部无数字器件，无需 软件设计，避免了大规模数字器件需要重点解决的抗单粒子风险，并且抗空间辐照能力 强，成本、功耗低，简单可靠。

4.该X频段单向测距信号产生方法可以应用到所有卫星通信发射机中，特别适合 月球、火星等需要产生单向测距信号的深空探测应用场合，仅使用一个倍频器，装置体 积小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的 附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本 领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附 图。附图中：

图1是可选实施例中的一种深空探测用X频段单向测距信号产生装置原理图；

图2是可选实施例中的一种深空探测用X频段单向测距信号产生装置的二分频器结 构示意图；

图3是可选实施例中的一种深空探测用X频段单向测距信号产生装置的十分频器结 构示意图；

图4是可选实施例中的一种深空探测用X频段单向测距信号产生方法流程图。

具体实施方式

下文结合附图以具体实施例的方式对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域 的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，还可以使用其 他的实施例，或者对本文列举的实施例进行结构和功能上的修改，而不会脱离本发明的范围 和实质。

在本发明提供的一种深空探测用X频段单向测距信号产生方法的实施例中，如图4所 示，包括:

步骤1，将晶体振荡器产生的初始参考信号分为第一参考信号、第二参考信号、第三参 考信号，

步骤2，对所述第一参考信号进行倍频获得X频段载波信号，

对所述第二参考信号进行十分频获得第一DOR侧音信号，

对所述第三参考信号进行二分频获得第二DOR侧音信号，

步骤3，用所述第一DOR侧音信号和/或第二DOR侧音信号对所述X频段载波信号进行相 位调制，获得X频段单向测距信号后输出。

由于此时第一DOR侧音信号和第二DOR侧音信号中还包括有谐波部分，作为一种实施 例，在所述步骤3之前还包括：

对所述第一DOR侧音信号进行低通滤波滤除谐波后再以合成器进行幅度调整，

和对所述第二DOR侧音信号进行低通滤波滤除谐波后再以所述合成器进行幅度调整。

本实施例中所述幅度调整是通过合成器中包含的电流反馈型高速运算放大器实现的，所 述合成器用于根据预设指令对第一DOR侧音信号和第二DOR侧音信号的幅值进行调整，可以 实现对两个信号幅值的改变，进而改变第一DOR侧音信号和第二DOR侧音信号分别对X频段 载波信号的调制度。

作为一种实施例，所述步骤3还包括对所述X频段单向测距信号先进行放大再通过隔离 器输出。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种深空探测用X频段单向测距信号产生装 置，如图1所示，包括：晶体振荡器、功分器、倍频器、二分频器、十分频器、移相器；

所述功分器用于：将所述晶体振荡器产生的初始参考信号分为第一参考信号、第二参考 信号、第三参考信号；

所述倍频器用于：对所述第一参考信号进行倍频获得X频段载波信号输出给所述移相 器；

所述十分频器用于：对所述第二参考信号进行十分频获得第一DOR侧音信号输出给所述 移相器；

所述二分频器用于：对所述第三参考信号进行二分频获得第二DOR侧音信号输出给所述 移相器；

所述移相器用于：用所述第一DOR侧音信号和/或第二DOR侧音信号对所述X频段载波 信号进行相位调制，获得X频段单向测距信号后输出。

作为一种实施例，所述二分频器、十分频器与所述移相器之间还包括第一低通滤波器、 第二低通滤波器、合成器；

第一低通滤波器用于：对所述第一DOR侧音信号进行低通滤波滤除谐波后输出至合成 器；

第二低通滤波器用于：对所述第二DOR侧音信号进行低通滤波滤除谐波后输出至合成 器；

所述合成器用于：根据预设指令对低通滤波后的第一DOR侧音信号和第二DOR侧音信号 进行幅度调整后输出至所述移相器。

作为一种实施例，所述第一低通滤波器的3dB带宽设计为5MHz左右，所述第二低通滤 波器的3dB带宽设计为22MHz左右；

所述第一低通滤波器、第二低通滤波器均为五阶的巴特沃斯滤波器。

作为一种实施例，所述移相器之后还包括放大器和隔离器；

所述放大器对所述移相器输出的所述X频段单向测距信号进行放大后再通过所述隔离器 输出。

作为一种实施例，所述晶体振荡器为温度补偿晶体振荡器；该温度补偿晶体振荡器的输 出频率短期稳定度优于1×10^-9/s，长期频率稳定度优于±1×10^-5/s。

作为一种实施例，所述二分频器和十分频器都包含十进制计数器54LS90。

作为一种实施例，所述二分频器和十分频器分别包含一个DOR侧音信号开关；

所述二分频器的DOR侧音信号开关用于打开或关闭所述二分频器，进而控制所述第一 DOR侧音信号的有无；

所述十分频器的DOR侧音信号开关用于打开或关闭所述十分频器，进而控制所述第二 DOR侧音信号的有无。

如图1所示，本实施例所提供的一种深空探测用X频段单向测距信号产生装置为调相发 射机。该装置包括倍频器N1、晶体振荡器N2、功分器N3、二分频器N4、低通滤波器1 N5、合成器N6、移相器N7、十分频器N8、低通滤波器2N9及放大器N10、隔离器N11。其 中，晶体振荡器N2连接至功分器N3的输入，功分器N3的输出分别连接至倍频器N1、二分 频器N4、十分频器N8的输入。二分频器N4和十分频器N8输出分别连接至低通滤波器1N5 和低通滤波器2N9的输入，低通滤波器1N5和低通滤波器2N9输出连接至加法器N6，倍 频器N1、移相器N7、放大器N10、隔离器N11依次连接。合成器N6连接至移相器N7。

该调相发射机工作时，晶体振荡器N2产生参考信号输入至功分器N3，功分器N3有三 路输出：一路输入至倍频器N1，产生X频段载波信号；一路输入至十分频器N8，得到第一 DOR侧音信号，工作频率约4MHz；另一路输入至二分频器N4，得到第二DOR侧音信号，工 作频率约20MHz。

第一低通滤波器N5将第一DOR侧音信号的谐波进行抑制。第二低通滤波器N9将第二 DOR侧音信号的谐波进行抑制。两路DOR侧音信号同时输入至合成器N6。合成器可以根据预 设指令对第一DOR侧音信号和第二DOR侧音信号分别控制，进而控制输出信号中两种信号的 有无。两路DOR侧音信号经过合成器N6分别进行幅度调整，以调节各自的调制度，之后输 入至移相器N7进行相位调制，同时倍频器N1输出的X频段载波信号也输入至移相器N7。 移相器N7输出X频段单向测距信号，该信号经过放大器N10后进行幅度放大，经过隔离器 N11后最终输出。

如图2所示，功分器N3的一路输出与二分频器N4通过隔直电容相连，隔直电容后接上 拉电阻R1和下拉电阻R2，上拉电阻R1连接至+5V电压，下拉电阻R2接地。本实施例中， 二分频器N4选用十进制计数器54LS90，上拉电阻R1的阻值为5.1kΩ，下拉电阻R2的阻值 为3kΩ左右，隔直电容C1取值1000pF。将54LS90设置为计数模式(2脚和3脚设置为低 电平)，其12脚输出频率为14脚输入频率的一半，即可实现二分频。通过二分频器N4的 DOR2信号开关发出的预设指令可以控制N4供电电源的加载，进而控制第二DOR侧音信号的 有无。

如图3所示，十分频器N8与二分频器N4所用元器件相同，通过将54LS90设置为计数 模式，其12脚输出频率为14脚输入频率的一半，12脚连接通过电阻R3至1脚，电阻R3 取510Ω，11脚输出频率为1脚输入频率的五分之一，即可实现十分频。通过十分频器N8 的DOR1信号开关发出的预设指令可以控制十分频器N8供电电源的加载，进而控制第一DOR 侧音信号的有无。

由于54LS90为TTL电平，其输出为方波信号，为得到正弦波需将其输出信号谐波进行 抑制。谐波抑制由对应的第一低通滤波器和第二低通滤波器完成。第一低通滤波器的3dB带 宽设计为5MHz左右，第二低通滤波器的3dB带宽设计为22MHz左右，由电感L和电容C组 成五阶滤波器。

本实施例提供的调相发射机，可在X频段产生单向测距信号，该单向测距信号与X频段 载波相位相干，且可根据预设指令分别控制两路信号的加载。该调相发射机为X频段直接调 制，电路简单，可对两路信号调制度进行灵活调整。由十进制计数器实现二分频和十分频， 仅需要使用一个倍频器，设计巧妙，成本低。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神 和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等同替换。另外，在本发明 的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发 明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请 的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。