多飞行器测控系统及其信号同步技术综论

2022-03-23 09:18:24 | 浏览次数：

摘要：多飞行器测控系统及其信号同步技术是控制的基础。对统一载波测控系统和单站多星测控系统进行了比较；对载波信号同步技术和伪码同步技术展开了分析。论述表明：单站多星测控系统克服了统一载波测控系统精度低、抗干扰能力差、多目标测控难度大等问题；科斯塔斯环是抑制载波信号的最佳装置；数字匹配滤波器（DMF）是信号同步技术的前沿。相关研究人员应继续加强信号同步设计和实现工作，为多飞行器测控技术带来长足发展。

关键词：多飞行器；测控；载波；伪码

中图分类号：V241.7 文献标识码：A 文章编号：2095-8412 （2017） 03-215-03

工业技术创新 URL： http： // DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2017.03.060

引言

随着无线电技术、信号处理技术、计算机技术及空间飞行技术等高新技术迅速发展，飞行器测控系统成为完成飞行器的测距、跟踪、遥控及测速等任务的重要工具。当前，多飞行器测控系统主要由传统的地基测控系统和新型的天基测控系统组成。我国的航空监控系统主要由分布在全国各地的载波测控站与海外测控船（站）组成的地基测控系统为主，且已较为成熟；新型的天基测控系统采用多卫星转发信号与地面测控站相结合的方式，可以为飞行器提供更加精确、实时的数据。经过50多年的追赶研究，我国逐渐缩小了与国际发达国家的差距，测控系统对我国的航天事业发展具有重要作用。

1 多飞行器测控系统

在我国，飞行器测控系统经过多年的不断研究发展，逐步形成了独有的测控技术，从早期的单一的飞行器测控到当前多飞行器的测控，为后续的发展提供了有利的条件。

对于多飞行器测控系统，主要采用扩频测控系统原理，描述如下：

在一个特定的空间中，有N个需要被测控的飞行设备，其中天线由M个阵元组成，每个阵元都可以接收和传送N个飞行设备上的测控信号。下行的测控信号是由阵元接收后通过环形器和信道，并且经过同步检波后，再通过数字化解扩处理得到M个下行测控信号。对M个解扩器的同一飞行器目标的数据信号进行加权、求和运算，再经过DBF处理，通过改变加权因子的方式，得到最优的输出信噪比，最后利用解调器进行解调操作，即得到各个飞行设备的下行测控数据[1]。

1.1 统一载波测控系统

我国主要采用统一载波测控系统来实现航天事业的测距、测角、测速、通信及遥测等功能，原理是频分复用技术。该技术通过一套信道、一副天线，在一个载波上对多个副载波进行调制，达到控制通信信号的目的。

随着技术的不断发展，统一载波测控系统存在不足，主要表现在：

（1）测距精度难以提高。统一载波测控系统的测距精度一般为20～30 m，通过较高频率的侧音才能提高测距精度，使得设备的复杂性大大提高。而飞行设备上采用的窄带滤波器的时延稳定性不好，对提高测距也会造成影响。

（2）抗干扰能力差。统一载波测控系统虽然能够满足多种航天测控功能，但是不能同时进行遥控和测距功能。另外，当测控多个飞行器时，其信号易相互干扰，影响测控效果。

（3）多目标测控难度大。当需要对多个目标进行测控时，统一载波测控系统只能采用频分方法，使得频率的选择复杂性和难度大大提高。

1.2 单站多星测控系统

随著航天事业不断发展，多星测控的管理能力已经成为评价飞行器测控性能的主要指标，因为这一能力可以减少地面测控系统的依赖，提高飞行器的自主能力。我国当前的多星测控主要采用频分多址和时分技术。频分多址技术中，由于多个频段产生频率交调，对设备的干扰性较大，对多目标进行测控时性能较差，因此逐步被时分技术所取代。

在军用方面，需要雷达控制多个无人机进行编队飞行，但一个雷达无法满足通信和控制。为了满足这种条件，需要通过中继机来完成多对多的测控，即在中继机上安装全向天线，形成多个波束与无人机进行通信，并将与地面的雷达进行相互通信[2]。

2 载波信号同步

在扩频测控系统中，接收机形成数字束波和解扩的处理都是数字基带，而接收的信号是模拟信号，将模拟信号通过变频转换为数字基带信号是下变频技术的关键，这要求接收机的载波信号同步。载波的提取当前主要由锁相环路完成，科斯塔斯环是抑制载波信号的最佳装置。

2.1 下变频处理技术

模拟下变频处理技术也称为正交相位检波，其任务是将接收的弱信号通过放大、检波、混频等处理技术，处理生成较大信噪比的信号，并将其送至雷达终端。模拟下变频处理技术存在相分量与正交分量之间相位不正交和幅度不一致的问题，特别是当温度发生变化时，还会产生漂移现象。

数字下变频处理技术可以直接进行中频采样，从而获取较高性能的正交数字信号和保持信号的幅度一致性。

无论是模拟下变频处理技术还是数字下变频处理技术，A/D转换器都是不可缺少的一部分，A/D转换器称为模/数转转换器，是将模拟信号（电压或电流的形式）转换成数字信号。A/D转换器按照工作原理可以分为直接A/D转换器和间接A/D转换器。其中直接A/D转换器是将模拟信号直接转换成数字信号，如并联比较型和逐次逼近型（工作原理如图1所示）；而间接A/D转换器是先把模拟信号转换成中间量，然后再转换成数字信号。A/D转换器需要注意的事项有：取样与保持、分辨率、绝对精准度和相对精准度、转换误差、量化与编码和转换时间等[3]。

2.2 科斯塔斯环

当前载波同步技术的电路较多。1956年，J. P. Costas最早提出同相正交环，并得名科斯塔斯环。后来Riter证明科斯塔斯环是抑制载波信号的最佳装置。

科斯塔斯环主要由环路滤波器（LF）、伪码发生器（pn_gen）、低通滤波器（LPF）、数字鉴相器（乘法器）和数字频率合成器（DDS）组成。科斯塔斯环的输入信号分别乘以正交和同相两路载波信号，输入信号经过上下两条支路分别与正交和同相的载波相乘，然后再与伪码相乘，通过低通滤波器后，两个支路的信号再进行相乘，从而完成信号的鉴相功能，最后通过环路滤波器输出。科斯塔斯环的工作原理如图2所示[4]。

3 扩频伪码信号同步

3.1 伪码同步解扩

变频后的基带数字信号需要解扩才能对不同的飞行器进行区分。扩频信号的接收分为解扩和解调两部分，必须先进行解扩，然后再进行解调，顺序不能颠倒。没有经过解扩的信号信噪比很低，解调无法实现。

伪码解扩方法主要有以下三种：

（1）滑动相关法。优点是实现简单，对硬件资源要求不高；缺点是接收伪码与本地伪码相位差较大时，需要花费较长的时间去捕获，且数字化实现难度大。

（2）序列估計法。主要用于信噪比较高的情况，本地的伪码可以由接收的伪码置数，当一个伪随机码长度内的信息不改变符号时，此时只需要花费N个伪码元宽度的时间就可以使两个伪码同步，缺点是对于噪声和干扰的抵抗力较弱。

（3）匹配滤波法。优点是捕获时间短、速度快，便于数字化实现，稳定性能好；缺点是当伪码长度较大时，对硬件资源的消耗较大，增加了设计难度。

经过综合比较，随着当前大规模集成电路的迅速发展，匹配滤波法是最优的解扩方法，使得数字匹配滤波器（DMF）也成为了当前的研究热点。

3.2 DMF结构设计

DMF的工作原理是将输入基带信号经过抽头延迟中的每一个码片和相应的权值系统相乘，然后再将各个码元得到的值进行相加，从而得到抽头延迟线的相关函数值，最后与注入本地的伪码（PN码）进行相位比较。假如相位相同，就会得到相关的峰值（最大值）进行输出。其原理如图3所示[5]。

4 结束语

本文针对多飞行器测控系统及其信号同步技术进行了研究分析，尤其是描述了载波同步和伪码同步两个关键同步技术。由于飞行器的测控系统是一个非常复杂的工程，由于篇幅所限，未针对具体的设计和实现方法进行说明，将作为下一步的工作目标。