雙通道抗模糊測距方法研究

邸成良，殷娣娣

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081； 2.國網(wǎng)河北省電力公司信息通信分公司，河北 石家莊 050021)

雙通道抗模糊測距方法研究

邸成良1，殷娣娣2

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081； 2.國網(wǎng)河北省電力公司信息通信分公司，河北 石家莊 050021)

航空航天測控系統(tǒng)中，相干測距和非相干測距均存在距離模糊問題，限制了其有效測距范圍。針對這一問題提出了在雙通道抗模糊測距方案，利用2個通道的測距差值解測距模糊，對測距范圍、測距精度和測距周期等指標(biāo)之間的耦合關(guān)系進行了分析。分析結(jié)果表明，雙通道測距方法有效地解決了測距模糊問題，在很大程度上擴大了測控系統(tǒng)的測距范圍。

雙通道；距離模糊；相干測距；非相干測距

0 引言

在航空航天測控系統(tǒng)中，通常需要對飛行器進行通信、跟蹤測距測角[1]，用于實時監(jiān)控飛行器的運行狀態(tài)以及空間位置[2]。對于測控系統(tǒng)的測距功能，一般用上下行無線電信號傳播時延來確定[3]，包含相干測距與非相干測距2種方式[4]，相干測距中上下行信號相同或相似[5]，非相干測距上下行信號可以相互獨立[6]。然而，無論是哪種測距方式，在單一測距體制下，其最大不模糊的測量距離都是有限的，可將這一距離稱為整數(shù)周期距離。當(dāng)飛行器與地面站之間距離超過這一距離后，其測距值將產(chǎn)生模糊[7]，即無法判斷實際間距包含多少個整數(shù)周期距離。為了擴大測控系統(tǒng)的測距范圍，通常采用多個測距單元協(xié)作，確定測距整數(shù)周期數(shù)量，從而達到解測距模糊的目的。據(jù)此，解模糊策略也成為測控系統(tǒng)測距的關(guān)鍵問題之一[8]。

由于測距系統(tǒng)中都存在測距誤差，當(dāng)前對于解算距離模糊一般都是基于優(yōu)化算法的[9]，如余數(shù)定理法、模糊函數(shù)法[10]和最小二乘法[11]等。其中，余數(shù)定理法比較簡單，對于理想模型較為實用，但對于參數(shù)的輕微誤差敏感，容差性能差。模糊函數(shù)法則是基于逐點搜索計算、最優(yōu)點判斷的搜索算法，其搜索時間較長。最小二乘法具有運算量小、求解速度快的特點[12]，但需要多個測距單元協(xié)同工作?；谝陨峡紤]，探索研究一種簡單、快速且可靠的解模糊算法就顯得尤為重要。為此，開展了雙通道抗模糊測距的方法研究。雙通道測距中模糊距離的確定通過2個通道測距余量的差值進行判別，然后利用查表法確定最終的測距值。此外，還對查表法進行了擬合優(yōu)化，大幅減小了查表工作量。雙通道測距方法可以同時滿足工程應(yīng)用中測距過程對大范圍測量與小計算量的需求。

1 雙通道測距原理

相干測距與非相干測距通常以無線信道幀幀頭作為測距脈沖，上下行信號的測距脈沖周期與幀頻率直接相關(guān)[13]，而固定的脈沖周期決定了最大無模糊延時為脈沖周期的1/2，進而可以確定最大無模糊測距距離(可稱為測距整數(shù)周期距離)。當(dāng)測控站與飛行器之間的距離超過一個整數(shù)周期距離后，單一通道測距只能得到一個相對測量值，稱為測距余量值。

假設(shè)在雙通道測距系統(tǒng)中地面站與飛行器之間的間距為X，A通道的最大無模糊測距距離為PA，在測距時間T時刻，A通道測距余量值為ΔxA；相應(yīng)的，B通道的最大無模糊測距距離為PB，測距余量值為ΔxB，則間距X可表示為：

X=PA·n1+ΔxA，

(1)

X=PB·n2+ΔxB。

(2)

式中，n1和n2為非負(fù)整數(shù)，對應(yīng)A通道和B通道測距的整數(shù)周期距離數(shù)量。

在設(shè)計雙通道測距系統(tǒng)中，PA和PB的值可以通過配置上下行幀頻來改變，假設(shè)PA

圖1 PA和PB分割間距X示意

在數(shù)軸上某個子區(qū)間內(nèi)(如數(shù)軸上黑色點位)將對應(yīng)唯一的一組n1，n2和X值，在整個數(shù)軸上所有子區(qū)間內(nèi)，這3個參數(shù)與ΔxA-ΔxB的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。通過式(1)和式(2)可得：

ΔxA-ΔxB=PB·n2-PA·n1。

(3)

對比圖1和表1可知，0～(N1·PA)，每個子區(qū)間內(nèi)都對應(yīng)唯一的(n1,n2)值。在該范圍內(nèi)，通過式(3)又可以確定唯一的ΔxA-ΔxB值。因此，在實際測距過程中，通過2步計算間距X：① 分別得到2個通道的測距余量值ΔxA和ΔxB，計算二者的差值，一般測距航空航天測距精度優(yōu)于幾十米量級[14]，因此ΔxA-ΔxB的精度也為幾十米量級；② 通過查詢表1確定n1，n2的值[15]，再通過式(1)和式(2)確定實際間距X?？傊?，就是得到ΔxA-ΔxB的值后，即可在0～(N1·PA)確定實際間距X的值。

表1 測距過程多參數(shù)關(guān)系

由以上分析可以得出：雙通道測距范圍比A通道擴大了N1倍，比B通道擴大了N2倍，通過合理配置參數(shù)PA和PB可以使雙通道測距過程無模糊距離大幅度擴大。而且，在后續(xù)仿真過程中，還將對查表法進行優(yōu)化，縮小查表法的計算量。

此外，在計算間距X過程中，最關(guān)鍵的步驟就是確定n1和n2的數(shù)值，除這2個參數(shù)外，還需要注意的是PA和PB的最大公約數(shù)(GreatestCommonDivisor，GCD)。將表1中的ΔxA-ΔxB的值按照從小到大的順序排列后可以形成等差數(shù)列[16]，這個等差數(shù)列的增量等于PA與PB的最大公約數(shù)。如果最大公約數(shù)的值比ΔxA-ΔxB的檢測精度還要低，那查表后將無法確定n1和n2的值，換言之，PA和PB的最大公約數(shù)要遠(yuǎn)大于單通道的測距精度，一個合理的取值應(yīng)該是ΔxA或ΔxB的檢測精度的10倍，即百米量級。

綜合以上分析，可以得出：理想情況下，PA和PB的最小公倍數(shù)決定了最大無模糊測距范圍，而PA和PB的最大公約數(shù)則關(guān)乎能否成功通過ΔxA-ΔxB的值查表得到n1和n2的值。在實際應(yīng)用中，LCM和GCD的值最終決定于上下行無線信號的幀頻，LCM和GCD之間呈反比，不可能同時增大。因此應(yīng)根據(jù)實際情況合理設(shè)計信號幀頻。

2 雙通道測距仿真分析

設(shè)計雙通道抗模糊測距方法的首要問題是確定A通道和B通道的無模糊距離PA和PB。假設(shè)PA和PB分別為2 800km和3 000km。二者的最小公倍數(shù)為42 000km，最大公約數(shù)為200km(為了作圖效果，最大公約數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于測距精度)。ΔxA和ΔxB的值等于實際間距X對PA和PB求余數(shù)。在整個數(shù)軸上，ΔxA和ΔxB的數(shù)值變化情況如圖2所示。

圖2 ΔxA和ΔxB在數(shù)軸上分布示意

圖3 ΔxA-ΔxB在數(shù)軸上分布示意

(4)

確定n1,n2值后，將2個通道的測距余量值ΔxA和ΔxB代入式(1)和式(2)，可以得到A通道和B通道的無模糊距離XA和XB。最終系統(tǒng)的測距值取二者的均值，

X=1/2·XA+1/2·XB。

(5)

由誤差理論可知，若XA和XB為獨立同分布，則式(5)中X的期望與XA和XB相同，而方差可以減小一半，一定程度上提升了系統(tǒng)精度。

仿真分析表明，通過合理地設(shè)置單通道的測距無模糊測距PA和PB的值，可以有效擴大測量范圍。本文所用數(shù)值為PA=2 800km，PB=3 000km，最大測量范圍可以提升至42 000km，滿足衛(wèi)星的測距要求。在深空通信測距中距離探測需求會大大提升，這種情況下只需要將PA和PB設(shè)計的更加接近，則可以大大提升測距范圍[17]。如取PA=2 990km，PB=3 000km，則二者最小公倍數(shù)即測距距離可以達到897 000km，超過了地月之間的探測距離。

3 結(jié)束語

單通道測距中，最大無模糊距離小，限制了其測距范圍。本文所述的雙通道抗模糊測距的方法可以有效擴大航空航天系統(tǒng)中的測距范圍。理論推導(dǎo)表明，擴大測量范圍的雙通道測距方法中有A通道和B通道的測距余量PA和PB這2個重要參數(shù)。二者的LCM決定了間距X的測量范圍，二者的GCD共同決定了測距系統(tǒng)的精度容差。測距范圍和精度容差不能同時提高，應(yīng)根據(jù)實際需求對PA和PB參數(shù)進行配置。此外，仿真分析還表明，所述的雙通道測距解模糊方法具有解算簡單、計算量小的優(yōu)點，這將有利于測距系統(tǒng)的工程實現(xiàn)。

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邸成良 男，(1988—)，博士，工程師。主要研究方向：無人機測控。

殷娣娣 女，(1987—)，碩士，助理工程師。主要研究方向：智能電網(wǎng)通信。

Research on Dual-channel Anti-ambiguity Ranging Method

DI Cheng-liang1,YIN Di-di2

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China; 2.StateGridHebeiInformationandTelecommunicationBranch,ShijiazhuangHebei050021,China)

In aerospace TT&C system,both coherent and incoherent ranging methods undergo the range ambiguity problem,which limits their effective ranging scope.To solve this ambiguity problem,a dual-channel anti-ambiguity method is proposed.In this method,the difference value between two channels is used to solve the ranging ambiguity.Further on,the coupling relationships within ranging scope,ranging resolution and ranging period are analyzed in detail.Analysis results show that the ambiguity problem could be solved by dual-channel ranging method,and at the same time,the ranging scope would be expanded in a great level.

dual-channel;range ambiguity;coherent ranging;incoherent ranging

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.05.14

邸成良,殷娣娣.雙通道抗模糊測距方法研究[J].無線電工程,2017,47(5):58-61.[DI Chengliang,YIN Didi.Research on Dual-channel Anti-ambiguity Ranging Method[J].Radio Engineering,2017,47(5):58-61.]

2017-02-08

河北省自然科學(xué)基金資助項目(F2014210123)。

TN911.7

A

1003-3106(2017)05-0058-04