具有在轨零值测量功能的人造卫星星间测距系统和方法

摘要

本发明公开了一种具有在轨零值测量功能的人造卫星星间测距系统，包括安装在卫星上的测距装置和零值测量装置，测距装置包括：控制及计算模块、信号发射天线、信号接收天线、信号接收口和信号输出口；所述零值测量装置包括：锁相频率合成器、第一衰减模块、混频器、滤波器、第二衰减模块、第一模拟开关、第二模拟开关和供电模块；本发明还提供了一种人造卫星星间测距系统的在轨零值测量方法；本发明的星间测距系统和在轨零值测量方法，可实现测距系统的实时在轨零值测量；零值补偿模式和测距模式自由切换；具有良好的兼容性，可满足不同波段的测距系统零值补偿要求。

说明书

技术领域

本发明涉及星间测距的零值测量技术领域，特别涉及一种具有在轨零 值测量功能的人造卫星星间测距系统和方法。

背景技术

随着航天技术的不断发展，使空间系统的功能越来越强，大卫星的任 务可以由多个功能相对单一的小卫星合作完成。小卫星以其成本低、体积 小、质量轻、研制周期短、技术含量高的特点，在航天领域扮演着越来越 重要的角色。在人造卫星编队领域，卫星编队单元相对距离的测量是编队 协同工作的基础，并且星间测距精度的高低直接决定了编队技术所能达到 的应用水平。目前卫星编队星间测距手段主要为GPS测量，但该方法存在 一定的局限性，如深空不能使用，高精度测距码未公开等；此外利用不同 方法获取距离相位差的技术也得到了一定的发展与应用，且这些应用已经 具备了一定的精度和稳定性。

例如公布号为CN102778678A的专利文献公开了一种高精度载波测 距系统，用于主星与从星间相对距离的测量，所述主星包括主星天线，用 于发射第一载波信号和接收第二载波信号；超稳晶振模块，用于产生基准 频率的基准信号；主星发射射频产生模块，用于根据基准信号产生第一载 波信号，并输出到所述主星天线发射；参考射频产生模块，用于根据基准 信号产生本地参考信号；下变频模块，用于接收本地参考信号和所述主星 天线接收的第二载波信号，进行下变频；基带处理模块，用于对来自于下 变频模块的信号进行基带处理，得到相位差，计算出星间距离；所述从星 包括从星天线，用于发射第二载波信号和接收第一载波信号；嵌套环接收 模块，用于解调从星天线接收的第一载波信号恢复出基准信号；从星发射 射频产生模块，用于根据基准信号产生第二载波信号并通过从星天线发 送。上述发明采用一个超稳晶振模块产生基准频率，并且从星从第一载波 信号恢复基准频率，不引入新的频率源噪声能够实现消除晶振的长期时钟 相位噪声，可以达到几十微米的测距精度。同时该发明方法的相位差的提 取在同一颗卫星上进行，不需要进行精确的定时同步，电路实现结构比较 简单，省去了GRACE双单程测距中GPS的定时同步模块，通过转发得到由 同一频率源产生的相位测量，从而消除频率源不稳定的影响，测量精度高。

目前星间测距方法的零值测量采用地面标定的方法，该方法标定的零 值会包含一段较长的走线，与厘米级的精度需求有差距，而且地面环境下 的标定方法并不完全适用于在轨环境。

发明内容

本发明提供了一种具有在轨零值测量功能的人造卫星星间测距系统， 可实现测距系统的实时在轨零值测量和补偿，整体结构简单、体积小、功 耗低，兼容性好。

一种具有在轨零值测量功能的人造卫星星间测距系统，包括安装在卫 星上的测距装置和零值测量装置，测距装置包括：控制及计算模块、信号 发射天线和信号接收天线，所述测距装置还包括信号接收口和信号输出 口；

所述零值测量装置包括：

锁相频率合成器，接收与测距装置同源的晶振发出的参考信号，产生 频率等于测距装置的发射信号频率与接收信号频率的频率差的信号；

第一衰减模块，衰减测距装置的信号输出口输出的射频信号；

混频器，将锁相频率合成器发出的信号作为本振信号，第一衰减模块 输出的信号作为射频输入信号，产生与测距装置的接收信号频率相同的信 号；

滤波器，消除混频器输出的信号的噪声；

第二衰减模块，衰减来自滤波器的信号，并将衰减后的信号发送给测 距装置的信号接收口，测距装置将接收信号处理后由控制及计算模块计算 系统零值；

第一模拟开关，切换信号输出口与信号发射天线或第一衰减模块连 接；

第二模拟开关，切换信号接收口与信号接收天线或第二衰减模块连 接；

供电模块。

本发明通过设置模拟开关实现系统的测距模式和零值测量模式切换， 其中：

测距模式和零值测量模式切换包括如下步骤：

1)利用两个模拟开关及供电模块配合工作；

2)利用测距装置的控制单元控制第一和第二模拟开关的工作模式以 及供电模块的开关功能，实现零值测量模式和测距模式的自由切换。在零 值测量模式时，开启供电模块，为整个零值测量装置供电；在测距模式时， 关闭供电模块，去除零值信号对测距值的干扰，并降低功耗；

在轨零值测量包括如下步骤：

3)利用测距装置的控制及计算模块控制模拟开关的工作模式，将工 作模式切换至零值测量模式；

4)利用测距装置的晶振模块为锁相频率合成器提供参考频率，由锁 相频率合成器产生一个信号，该信号的频率等于测距装置发射信号频率与 接收信号频率的频率差；

5)利用第一衰减模块衰减经过第一模拟开关的射频信号，使其可成 为混频器的输入信号；

6)将步骤4)产生的信号作为混频器的本振信号，步骤5)衰减后的 信号作为混频器的射频输入信号，由混频器产生与测距装置接收信号频率 相同的信号；

7)利用滤波器滤除混频之后的噪声；

8)利用第二衰减器将步骤7)滤波之后的信号衰减至测距装置的信号 接口可接受的信号强度范围，进而进行零值的计算；

将计算得到的零值结果进行评价与分析，包括如下步骤：

9)通过遥测获取实时零值数据，并将数据下传至地面，与地面测试 数据进行比较，分析数据的合理性；

10)统计数据的均方差，用于评估该方法的在轨零值测量精度。

本发明系统的在轨零值测试装置适用于卫星在轨工作，由于零值测量 存在实际有线链路，可以很好得设计整星电磁兼容，使得零值测量更准确。

利用两个射频开关及供电模块配合工作，其功能是为测距装置添加零 值测量模式，同时充分考虑功耗及排除零值对测距本身的干扰。

将测距装置的发射信号经过混频、衰减得到测距装置的信号接收口所 能接受的测距信号，其功能是得到测距装置的系统零值；

在轨零值的分析及评价方法：

通过卫星遥测获取实时在轨零值数据，主要为利用各种测距装置的测 距方法获得的相位差：解算测距结果，解算公式如下，其中λ为测距 方法中的波长或码片长度，π为圆周率：

在轨零值(d₀)：

将上述测量到的在轨零值同地面测试数据进行比较，分析在轨零值数 据的合理性；通过统计以上计算结果的均方差：可以 评估在轨零值数据的精度，其中为在轨零值的平均值。

为了提高衰减程度以及增加可控性，优选的，所述第二衰减模块包括 两个级联的可变衰减器。

为了提高系统测量的准确性，优选的，所述第一衰减模块为可变衰减 器。通过改变可变衰减器的值，既可以实现信号接收口接收范围的覆盖， 这样还可以实现不同信噪比下的零值测量，去除不同信噪比对零值的影 响，只要在测距模式中检测测距模式下的信噪比，再通过控制总线调节可 变衰减器，使得零值测量模式和测距模式处于相同的信噪比，进而提高零 值测量的精度和可靠性。

优选的，所述供电模块是独立为锁相频率合成器、第一衰减模块、混 频器、滤波器和第二衰减模块供电的稳压模块。设置独立的稳压模块对零 值测量电路进行供电，方便控制总线切断或使能供电电路，以节省整星功 耗，对于皮纳卫星，能源是非常重要的；零值测量的电路不工作，如果这 一路电路工作，即使模拟开关切到了测距模式，由于信号的无线辐射，还 是会干扰测距结果，系统测距时所有零值测量电路上的芯片不工作也可以 排除意外杂散的引入。

本发明还可以通过控制总线改变锁相环合成器的频率，实现不同波段 测距的适配，可适用于S波段、C波段、X波段等。

本发明还提供了一种人造卫星星间测距系统的在轨零值测量方法，使 用上述的星间测距系统，包括以下步骤：

(1)卫星在轨运行，控制第一模拟开关和第二模拟开关，使信号输 出口与第一衰减模块连接，信号接收口与第二衰减模块连接，星间测距系 统进入零值测量模式；

第一衰减模块接收信号输出口发出的射频信号，并将射频信号衰减至 混频器的信号输入范围；

(2)锁相频率合成器接收与测距装置同源的晶振发出的参考信号， 产生频率等于测距装置的发射信号频率与接收信号频率的频率差的信号；

(3)混频器将步骤(2)中锁相频率合成器发出的信号作为本振信号， 步骤(1)中第一衰减模块输出的信号作为射频输入信号，产生与测距装 置的接收信号频率相同的测距信号；

(4)滤波器滤除步骤(3)中混频器输出的测距信号噪声；

(5)第二衰减模块将滤波后的测距信号衰减至测距装置的信号接收 口能接收信号强度的范围内；

(6)测距装置接收步骤(5)中第二衰减模块输出的测距信号，控制 及计算模块通过星间测距方法计算得到系统零值。

为了提高零值测量的精度和可靠性，优选的，控制第一模拟开关和第 二模拟开关，使信号输出口与信号发射天线连接，信号接收口与信号接收 天线连接，星间测距系统进入测距模式，控制及计算模块检测在测距模式 下的信噪比；

当切换至零值测量模式时，调节第一衰减模块和第二衰减模块，使零 值测量模式具有与测距模式相同的信噪比。通过改变可变衰减器的值，既 可以实现信号接收口接收范围的覆盖，这样还可以实现不同信噪比下的零 值测量，去除不同信噪比对零值的影响，只要在测距模式中检测测距模式 下的信噪比，再通过控制总线调节可变衰减器，使得零值测量模式和测距 模式处于相同的信噪比，进而提高零值测量的精度和可靠性。

优选的，当控制第一模拟开关和第二模拟开关，使信号输出口与信号 发射天线连接，信号接收口与信号接收天线连接，星间测距系统进入测距 模式时，所述稳压模块停止工作。

本发明的系统和方法不仅可以实现以定时信号的时间差来计算星间 距离的零值标定，更主要的是用于标定不采用卫星的时间系统，采用双程 转发或双程再生转发的测距方法的零值，本发明可以是针对利用相位差的 星间测距技术的在轨零值测量，通过相位差，不需要利用整个卫星的时间 系统。为了提高测量精度，优选的，通过星间测距方法计算得到零值的具 体步骤包括：

6-1、通过测距方法获得相位差：

6-2、通过如下公式计算在轨零值(d₀)，

其中：λ为测距方法中的波长或码片长度，π为圆周率。

利用相位差的星间测距技术的在轨零值补偿方法，测量精度高，兼容 性好。

本发明的有益效果：

本发明的星间测距系统和在轨零值测量方法，可实现测距系统的实时 在轨零值测量；零值补偿模式和测距模式自由切换；具有良好的兼容性， 可满足不同波段的测距系统零值补偿要求。

附图说明

图1为本发明的星间测距系统的结构示意线框图。

具体实施方式

本实施例的具有在轨零值测量功能的人造卫星星间测距系统安装在 浙大皮星2号A/B两星中。

如图1所示，本实施例的星间测距系统包括测距装置(图中未画出) 和零值测量装置，轨零值测量装置具有体积小(12cm*6cm)，应用灵活， 组装方便的特点，组装在测距装置附近，可实现测距系统处于同一环境， 保证零值的有效性。

测距装置和零值测量装置具有相同的晶振源，本实施例中，晶振是安 装零值测量装置中，并在SMA3口输出，通过线缆为测距装置的控制及算 法单元提供晶振源，实现整个测距系统同源工作；

零值测量装置包括：

1)低压降稳压器1，为可变衰减器1、锁相频率合成器、混频器、可 变衰减器2、可变衰减器3供电，低压降稳压器2为晶振及多路反门供电；

2)控制总线接口为低压降稳压器1、低压降稳压器2提供电源输入， 对模拟开关1、模拟开关2进行协同控制，并对锁相频率合成器、可变衰 减器1、可变衰减器2、可变衰减器3进行配置；

3)SMA1连接模拟开关1，通过射频线缆与测距装置的信号输出口连 接；

4)SMA2连接模拟开关1，通过射频线缆与测距装置的发射天线连接；

5)SMA5连接模拟开关2，通过射频线缆与测距装置的接收天线连接；

6)SMA4连接模拟开关2，通过射频线缆与测距装置的信号接收口连 接；

7)模拟开关1的另一开关管脚与可变衰减器1的输入连接；

模拟开关2的另一开关管脚与可变衰减器3的输出连接，3)、4)、5)、 6)、7)可实现零值补偿模式和测距模式的切换；

8)可变衰减器1，将射频输入信号强度衰减至混频器的信号输入范围， 与锁相频率合成器的输出信号强度相近；

9)滤波器，用于滤除混频之后的噪声；

10)可变衰减器2、可变衰减器3级联，将滤波后的测距信号衰减至 测距装置的信号接收口能接收信号强度的范围内；

11)多路反门提高晶振输出的驱动能力，为锁相频率合成器提供参考 时钟，并在SMA3口输出，通过射频线缆为测距系统控制及算法单元提供 晶振源，实现整个测距系统同源工作；

本实施例的在轨零值测量方法的具体实施方式包括：测距模式和零值 模式切换和零值测量，后续还可以对零值结果进行评价与分析，其中

测距模式和零值测量模式切换包括如下步骤：

1)通过控制总线接口控制低压降稳压器1，使其处于工作模式，为可 变衰减器1、锁相频率合成器、混频器、可变衰减器2、可变衰减器3供 电

2)通过控制总线接口将模拟开关1切换至测量系统的信号输出口与 可变衰减器1相连；

将模拟开关2切换至测量系统的信号接收口与可变衰减器3相连；

3)通过控制总线接口配置锁相频率合成器、可变衰减器1、可变衰减 器2和可变衰减器3；

1)、2)、3)三步完成测距模式切换至零值测量模式；

4)通过控制总线接口控制低压降稳压器1，使其停止工作，可变衰减 器1、锁相频率合成器、混频器、可变衰减器2、可变衰减器3掉电；

5)通过控制总线接口将模拟开关1和模拟开关2切换至与SMA2、SMA5 相连；

4)、5)完成零值测量模式切换至测距模式；

零值测量包括如下步骤：

6)通过上述1)、2)、3)，将系统的工作模式切换至零值测量模式；

7)在3)中配置锁相频率合成器，并利用晶振为锁相频率合成器提供 参考频率，由锁相频率合成器产生一个信号，该信号的频率等于测距装置 的发射信号频率与接收信号频率的频率差；

8)在3)中配置可变衰减器1，衰减经过射频模拟开关的射频信号， 使其输出的信号强度在混频器的输入信号的强度范围内；

9)将步骤7)产生的信号作为混频器的本振信号，步骤8)衰减后的 信号作为混频器的射频输入信号，由混频器产生与测距装置接收信号频率 相同的信号；

10)利用滤波器滤除混频之后的噪声；

11)利用可变衰减器级联将步骤10)滤波之后的信号衰减至测距装置 的信号接收口可接受的信号强度范围，从而进行零值的计算；

零值补偿结果评价与分析包括如下步骤：

12)通过卫星遥测获取实时在轨零值数据，主要为利用各种测距方法 获得的相位差：解算测距结果，解算公式如下，其中λ为测距方法中 的波长或码片长度，π为圆周率：

在轨零值(d₀)：

以上计算结果同地面测试数据进行比较，分析在轨零值数据的合理 性；通过统计以上计算结果的均方差：可以评估在轨 零值数据的精度，其中为在轨零值的平均值。