周莉 王竹剛 董文濤 閻敬業(yè)

(中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心,復(fù)雜航天系統(tǒng)電子信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190)

星間通信測(cè)距和時(shí)間同步技術(shù)是衛(wèi)星編隊(duì)飛行進(jìn)行聯(lián)合探測(cè)的關(guān)鍵技術(shù),但由于地面很難模擬衛(wèi)星在軌實(shí)際工況,比如幾千米到幾百千米的遠(yuǎn)距離、在軌溫度變化、星間相對(duì)速度等條件,以及地面多徑效應(yīng)、試驗(yàn)復(fù)雜、難實(shí)施等因素影響。因此,星間通信測(cè)距時(shí)間同步技術(shù)的地面驗(yàn)證試驗(yàn)的研究具有重要意義。

由于地面驗(yàn)證存在選址困難、操作復(fù)雜、無線通信易受多徑干擾等缺點(diǎn),大部分星間通信測(cè)距時(shí)間同步的測(cè)試基于桌面有線。文獻(xiàn)[1]提出用光纖模擬通信長(zhǎng)距離,但光纖的傳輸時(shí)延受到溫度和光纖鏈路上分布應(yīng)力等因素的影響而波動(dòng),需要專門設(shè)計(jì)一套復(fù)雜的基于光纖的測(cè)距驗(yàn)證系統(tǒng),并對(duì)溫度等因素對(duì)信號(hào)延時(shí)的影響進(jìn)行閉環(huán)反饋,適用于對(duì)驗(yàn)證系統(tǒng)測(cè)距精度要求高。但僅僅桌面有線試驗(yàn)無法驗(yàn)證星間通信測(cè)距的動(dòng)態(tài)性能。文獻(xiàn)[2]提出了光纖結(jié)合電控平移臺(tái)的方案進(jìn)行桌面無線試驗(yàn),這種方法動(dòng)態(tài)移動(dòng)范圍很有限,只有50cm左右,并且在移動(dòng)初始時(shí),對(duì)測(cè)距帶來劇烈的振蕩,影響測(cè)距精度。

本文基于龍江衛(wèi)星雙星編隊(duì)任務(wù)和空間科學(xué)先導(dǎo)衛(wèi)星二期背景型號(hào)預(yù)研“超長(zhǎng)波天文觀測(cè)陣列”的研究背景[3-4],超長(zhǎng)波任務(wù)利用“1主9從”10顆衛(wèi)星的繞月線性編隊(duì)形成空間分布式干涉陣列,在月球背面開展空間低頻射電天文探測(cè)[5]。編隊(duì)衛(wèi)星需要進(jìn)行實(shí)時(shí)的星間基線測(cè)量和多星探測(cè)(采樣)時(shí)鐘同步,編隊(duì)衛(wèi)星采用線性編隊(duì),星間距離為1～100km,衛(wèi)星相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度>5cm/s,測(cè)距誤差要求為100km距離時(shí)誤差為1m,時(shí)間同步精度3.3ns。

星間通信測(cè)距時(shí)間同步是整個(gè)干涉測(cè)量任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù),需要在地面進(jìn)行充分驗(yàn)證;由于任務(wù)的測(cè)距精度不高(1m),所以對(duì)地面驗(yàn)證系統(tǒng)的測(cè)距精度也可以放寬到厘米級(jí)。本文首先對(duì)星間測(cè)距時(shí)間同步的原理進(jìn)行介紹,然后對(duì)地面驗(yàn)證試驗(yàn)的方法和原理進(jìn)行分析,最后通過地面試驗(yàn)結(jié)果說明驗(yàn)證方法的可行性和有效性。

1 星間通信測(cè)距時(shí)間同步原理

由于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)信號(hào)[6-7]無法覆蓋高軌、月球軌道或深空軌道,因而星間通信測(cè)距時(shí)間同步采用雙向單程偽距測(cè)量體制(DOWR)[8-9],進(jìn)行雙向測(cè)距。

星間時(shí)鐘同步原理是采用時(shí)鐘馴服原理[9-10],以主星的時(shí)鐘為基準(zhǔn),將子星的時(shí)鐘向主星的時(shí)鐘對(duì)齊。時(shí)鐘馴服算法的硬件構(gòu)架如圖1所示,主星和子星上配置壓控恒溫晶體振蕩器(VCOCXO)、高精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、以及由CPU和FPGA組成的解算控制單元,通過上述DOWR測(cè)得兩星之間真實(shí)的的時(shí)差,經(jīng)過二階鎖相環(huán)濾波器,采用比例、積分和微分(PID)算法閉環(huán)控制高分辨率DAC(20bit),得到控制電壓,實(shí)時(shí)輸出到電壓可控的恒溫晶振,使得該VCOCXO產(chǎn)生和參考源同頻、同相(即時(shí)間同步)的被馴服時(shí)鐘。

圖1 時(shí)鐘馴服系統(tǒng)構(gòu)架Fig.1 Architecture of clock taming system

時(shí)鐘馴服可以讓被馴服后時(shí)鐘短期穩(wěn)定度良好的同時(shí),將長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度校準(zhǔn)到參考源。由于質(zhì)量功耗成本的限制,本文方法的主星和子星均采用的VCOCXO是80MHz,短期頻率穩(wěn)定度≤10-12/s,長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度≤10-7/s,馴服誤差<3.3ns[8]。

2 地面驗(yàn)證方法

通過對(duì)有線和無線的地面驗(yàn)證方法的調(diào)研和試驗(yàn),本文提出了一套系統(tǒng)的星間通信測(cè)距時(shí)間同步地面驗(yàn)證方法,包括桌面有線測(cè)試、高低溫箱有線測(cè)試、微波暗室無線測(cè)試、車載無線測(cè)試4個(gè)基礎(chǔ)試驗(yàn),建議按順序進(jìn)行,先進(jìn)行有線靜態(tài)測(cè)試滿足技術(shù)指標(biāo)要求后,再進(jìn)行外場(chǎng)的動(dòng)態(tài)測(cè)試,因?yàn)閯?dòng)態(tài)測(cè)試試驗(yàn)環(huán)境和操作復(fù)雜,試驗(yàn)不成功的影響因素多,比如天線對(duì)準(zhǔn)或者多徑效應(yīng)、設(shè)備電纜松動(dòng)等。

桌面有線測(cè)試?yán)眯诺滥M器和可調(diào)衰減器,模擬不同距離和信噪比的工況,測(cè)試設(shè)備引入的誤差可采用矢網(wǎng)進(jìn)行標(biāo)定,該工況下的誤差引入最小,但無法測(cè)試設(shè)備的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。高低溫箱測(cè)試模擬在軌不同環(huán)境溫度的工況,方法與桌面有線類似,高低溫箱是特別重要的部分,首先進(jìn)行溫度標(biāo)定,再在全溫范圍內(nèi)測(cè)試測(cè)距和時(shí)間同步的性能。微波暗室無線測(cè)試采用掃描架運(yùn)動(dòng)模擬在軌動(dòng)態(tài)工況,一般微波暗室天線掃描架的控制精度很高,可達(dá)毫米級(jí),并能夠同時(shí)測(cè)試通信測(cè)距和時(shí)間同步的動(dòng)態(tài)性能。由于微波暗室掃描架運(yùn)動(dòng)只有幾米的長(zhǎng)度和每秒幾十厘米的速度,增加車載無線測(cè)試模擬星間高相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的工況,車載速度可達(dá)100km/h(約28m/s)以上,平均加速度可達(dá)7m/s2,車載試驗(yàn)主要目的是測(cè)試星間通信測(cè)距的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能,外場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)距誤差引入比較難控制。以上方法適用于主從式的組網(wǎng)方式,支持多址復(fù)用,通過地面試驗(yàn)同時(shí)實(shí)現(xiàn)一顆主星與多顆子星之間的通信測(cè)距和時(shí)間同步的功能驗(yàn)證[11],其中子星之間沒有通信鏈路(見圖2)。

下文將依次對(duì)地面測(cè)試方法進(jìn)行介紹。

綜上，筆者析得國(guó)內(nèi)正念療法研究主題相對(duì)集中，圍繞正念訓(xùn)練、正念、心理健康、正念干預(yù)等核心關(guān)鍵詞，形成了以軀體疾病、禪修、MBSR、社會(huì)生活問題等重點(diǎn)關(guān)鍵詞為代表的熱點(diǎn)主題，在這些熱點(diǎn)主題四周又銜接諸多研究議題。

圖2 星間通信測(cè)距時(shí)間同步地面驗(yàn)證方案Fig.2 Ground verification scheme for inter-satellite communication, ranging and clock synchronization

2.1 有線測(cè)試

星間設(shè)備在完成桌面有線調(diào)試,并且進(jìn)行了零值標(biāo)定、信噪比補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償后,再進(jìn)行基于信道模擬器的桌面有線測(cè)試,如圖3所示。桌面有線測(cè)試方案采用信道模擬器設(shè)置星間距離,采用可調(diào)衰減器設(shè)置信道衰減,以及通用頻率計(jì)數(shù)器計(jì)算并實(shí)時(shí)存儲(chǔ)主星與各子星之間的時(shí)間同步誤差;通過測(cè)距值與信道模擬器設(shè)置的測(cè)距值比較,計(jì)算誤差。

桌面有線測(cè)試方法可以分為加入信道模擬器和不加入信道模擬器。不加入信道模擬器可以同時(shí)測(cè)試通信測(cè)距和時(shí)間同步,用標(biāo)定好的被測(cè)電纜代替信道模擬器;加入信道模擬器后會(huì)對(duì)時(shí)間同步參數(shù)產(chǎn)生偏移,只能測(cè)試通信和測(cè)距。從試驗(yàn)的復(fù)雜度和成本考慮,一般信道模擬器加在前向或者反向鏈路一條鏈路上即可,這時(shí)需要把系統(tǒng)中的雙工器去掉。另外,由于用戶的實(shí)際應(yīng)用一般工作在射頻(L,S,Ku,Ka等頻段),所以還需要配置上下變頻模塊來匹配信道模擬器工作的頻段。系統(tǒng)中增加的上下變頻器、信道模擬器、可調(diào)衰減器會(huì)對(duì)測(cè)距和時(shí)間同步的零值產(chǎn)生影響,但不會(huì)影響相對(duì)測(cè)距,可以進(jìn)行多次不同距離的測(cè)量,計(jì)算距離變化的差值。

桌面有線測(cè)試方法采用的計(jì)數(shù)器為通用頻率計(jì)數(shù)器53230A,時(shí)間分辨率為20ps,具有數(shù)據(jù)記錄和存儲(chǔ)功能,以主星的秒脈沖(PPS)為基準(zhǔn),計(jì)算子星輸出的同步PPS與主星PPS之差,就是同步時(shí)差。頻率計(jì)數(shù)器53230A為雙通道輸入,若進(jìn)行多星的測(cè)量,需要多臺(tái)53230A。

圖3 桌面有線測(cè)試方案Fig.3 Desktop wired test scenario

桌面有線測(cè)試采用的信道模擬器可以根據(jù)用戶的頻段,選用合適的通用信道模擬器,能夠有效模擬各種信號(hào)惡化(多普勒、時(shí)延、衰落、相移等),如DBM公司信道模擬器的信號(hào)的時(shí)延參數(shù)可以精確到0.1ns(距離約為0.03m)步進(jìn),當(dāng)工作在動(dòng)態(tài)模式時(shí),時(shí)延的變化率范圍從0.5ps/s到20ms/s。

桌面有線測(cè)試方案系統(tǒng)本身引入的測(cè)量誤差來自信道模擬器和通用計(jì)數(shù)器的誤差(精度),信道模擬器的測(cè)距誤差為3cm,時(shí)間同步測(cè)試的誤差可以到20ps,適用于星間測(cè)距精度要求為厘米級(jí)的任務(wù)。

在無線電測(cè)量系統(tǒng)中,影響測(cè)距精度的主要因素有晶振頻率穩(wěn)定度、溫度、信號(hào)信噪比等因素。溫度對(duì)測(cè)距變化的影響可以通過溫度標(biāo)定的方法消除,一般設(shè)備在軌工作溫度為-40℃～+50℃,需要注意恒溫晶振的工作溫度范圍,高溫下恒溫晶振的性能惡化嚴(yán)重,會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失常。溫箱的工作溫度可以設(shè)置10℃的步進(jìn)工作溫度。主星和子星的設(shè)備需要分別進(jìn)行標(biāo)定。高低溫箱有線測(cè)試與桌面有線測(cè)試連接類似。標(biāo)定的方法是首先對(duì)待測(cè)設(shè)備在不同溫度下的測(cè)距和時(shí)間同步值進(jìn)行記錄,通過DOWR解算公式演算出測(cè)距和時(shí)間同步的補(bǔ)償值;然后對(duì)溫度補(bǔ)償后設(shè)備在10℃的步進(jìn)工作溫度下進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。高低溫箱測(cè)試是對(duì)在軌溫度工況的模擬,是地面驗(yàn)證重要的部分。

2.2 微波暗室無線測(cè)試

根據(jù)前期動(dòng)態(tài)摸底實(shí)驗(yàn),地面多徑效應(yīng)對(duì)無線通信測(cè)距影響很大,造成鏈路不穩(wěn)定、測(cè)距波動(dòng)大的問題,需要對(duì)無線測(cè)試時(shí)的波束進(jìn)行約束。

微波暗室特殊的環(huán)境還可以減少地面多徑效應(yīng)對(duì)通信測(cè)距的影響,同時(shí)微波暗室室內(nèi)的條件能夠支持使用測(cè)試儀器,可以動(dòng)態(tài)測(cè)試測(cè)距和時(shí)間同步的性能。在微波暗室無線測(cè)試和車載無線測(cè)試中,主星和子星無線通信均需采用定向喇叭天線,天線波束寬度建議10°～20°,天線具有一定增益。

微波暗室無線測(cè)試方法是利用暗室內(nèi)掃描架的上下運(yùn)動(dòng)模擬星間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),測(cè)試場(chǎng)景如圖4所示。主星和子星設(shè)備通過射頻電纜連接各自天線,將主星的天線固定在地面,子星天線固定在掃描架活動(dòng)部件的支架上,通過掃描架的上下運(yùn)動(dòng)模擬星間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),測(cè)距值與掃描架的移動(dòng)值比較,確定測(cè)距誤差。微波暗室掃描架的活動(dòng)范圍為4m,距離設(shè)置誤差為毫米量級(jí),掃描速度最大為0.38m/s。

微波暗室無線測(cè)試方法可以實(shí)現(xiàn)一主多從的通信測(cè)距和時(shí)間同步動(dòng)態(tài)測(cè)試,用多個(gè)頻率計(jì)數(shù)器對(duì)一主多從的秒脈沖之間的偏差進(jìn)行記錄。本方案系統(tǒng)引入的誤差很小,測(cè)距誤差為掃描架的移動(dòng)位置誤差1mm,時(shí)間同步誤差為頻率計(jì)測(cè)量誤差20ps。

圖4 微波暗室無線測(cè)試方案Fig.4 Microwave anechoic chamber wireless test scenario

表1 微波暗室無線鏈路計(jì)算Table 1 Wireless link calculation in one Microwave anechoic chamber

2.3 車載無線測(cè)試

車載無線測(cè)試方法是地面最易實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)測(cè)試場(chǎng)景,并且具有不受設(shè)備質(zhì)量限制、加速度快的優(yōu)點(diǎn)。為消除地面多徑影響,將主星設(shè)備置于高樓頂部,子星設(shè)備放置在汽車上,測(cè)試場(chǎng)景如圖5所示,主星天線和子星天線通過設(shè)置三腳架角度粗對(duì)準(zhǔn)。車載無線測(cè)試方法采用GNSS接收機(jī)的測(cè)距值作為測(cè)距依據(jù),GNSS接收機(jī)的測(cè)距誤差為厘米量級(jí),能夠滿足厘米級(jí)測(cè)距精度的要求。主星和子星設(shè)備也可以互換位置。

車載無線測(cè)試測(cè)距的模型如圖5所示,需要用GNSS接收機(jī)測(cè)試樓頂P0、起始位置P1、結(jié)束位置P2點(diǎn)的位置信息,推算出測(cè)距的起始距離S1和結(jié)束距離S2,星間測(cè)距測(cè)的是模型中的斜邊。

車載無線測(cè)試方法,能驗(yàn)證星間相對(duì)運(yùn)動(dòng)100km/h以上,相對(duì)加速度7m/s2(某些汽車4s內(nèi)可加速到100km/h)對(duì)星間通信測(cè)距的影響,可以反復(fù)多次測(cè)試不同速率下的車前進(jìn)和后退工況下的通信和測(cè)距功能。

車載試驗(yàn)方案測(cè)試誤差為GNSS接收機(jī)定位誤差,采用的是Spectra Geosptial公司的SP80接收機(jī),設(shè)備保證的定位誤差為5cm。

注:H為樓頂待測(cè)設(shè)備的安裝天線到開始位置車載待測(cè)設(shè)備安裝天線之間的垂直高度;L1為樓頂待測(cè)設(shè)備的安裝天線到開始位置車載待測(cè)設(shè)備安裝天線之間的水平距離;L2為汽車運(yùn)動(dòng)的距離。圖5 車載無線測(cè)試場(chǎng)景Fig.5 Vehicle wireless test scenario

3 地面試驗(yàn)結(jié)果

本文提出的地面驗(yàn)證方案各種工況下多星星間測(cè)距和時(shí)間同步的驗(yàn)證結(jié)果如下。

3.1 桌面有線測(cè)試結(jié)果

通過信道模擬器設(shè)置通信延時(shí)來模擬星間距離如圖6橫坐標(biāo)所示,信道模擬器最長(zhǎng)距離設(shè)置為約30km。圖6中縱坐標(biāo)為測(cè)距誤差,子星1和子星2的測(cè)距誤差均很小,30km時(shí)最大測(cè)距誤差為0.12m,可以驗(yàn)證通信測(cè)距算法的正確性。圖6測(cè)試結(jié)果只有正誤差,這是由于零值校準(zhǔn)的零值設(shè)置偏大導(dǎo)致的,初始值設(shè)在了零以上。

圖6 桌面有線測(cè)試中不同距離下的測(cè)距誤差Fig.6 Ranging error at different distances in the desktop wired test

3.2 微波暗室無線測(cè)試結(jié)果

在微波暗室無線測(cè)試時(shí),設(shè)置掃描架上下運(yùn)動(dòng)2.5m,記錄測(cè)距數(shù)據(jù)如圖7所示,子星1和子星2的測(cè)距誤差計(jì)算見表2,子星1誤差為0.12m,子星2測(cè)距誤差為0.01m。圖7中子星1和子星2的初值不一樣,這是因?yàn)榱阒禈?biāo)定的問題,這里看的是運(yùn)動(dòng)變化的距離。

圖7 微波暗室動(dòng)態(tài)測(cè)試中測(cè)距結(jié)果Fig.7 Ranging result in the microwave anechoic chamber wireless dynamic test

微波暗室測(cè)距誤差計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 微波暗室無線測(cè)距誤差計(jì)算Table 2 Ranging error calculation for the microwave anechoic chamber wireless test m

微波暗室動(dòng)態(tài)測(cè)試時(shí),同時(shí)使用頻率計(jì)記錄主星與2顆子星的時(shí)間同步誤差。將主星PPS分成兩路給兩臺(tái)頻率計(jì),記錄主星PPS與2顆子星PPS之間的誤差。時(shí)間同步測(cè)試數(shù)據(jù)如圖8所示。子星1和子星2的測(cè)距波動(dòng)均小于1.5ns。

圖8 微波暗室動(dòng)態(tài)無線測(cè)試中時(shí)間同步結(jié)果Fig.8 Clock synchronization result in the microwave anechoic chamber wireless dynamic test

3.3 車載無線測(cè)試結(jié)果

車載無線測(cè)試中,主星單機(jī)放置在樓頂,子星1和子星2單機(jī)放置車頂,2顆子星天線并排放置,朝向主星天線。首先進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試,再進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試。因?yàn)閯?dòng)態(tài)測(cè)試時(shí),啟動(dòng)和停止的位置難以控制準(zhǔn)確,因此測(cè)距誤差在靜態(tài)時(shí)進(jìn)行,動(dòng)態(tài)測(cè)試用于粗測(cè)距。

靜態(tài)測(cè)試結(jié)果如圖9所示,主星與兩子星之間的距離用GPS測(cè)得是51.90m,子星1測(cè)得結(jié)果是51.90m,子星2測(cè)得結(jié)果是51.96m,可以算出靜態(tài)測(cè)距誤差<0.10m,無線靜態(tài)測(cè)距波動(dòng)<0.30m。

車子以不同的運(yùn)動(dòng)速度往返運(yùn)動(dòng),實(shí)時(shí)測(cè)距如圖10所示,子星1和子星2星間測(cè)距穩(wěn)定,測(cè)距誤差小于1m,測(cè)試的瞬時(shí)相對(duì)加速度最高為10m/s2,驗(yàn)證了星間鏈路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。

圖9 車載無線靜態(tài)測(cè)試中測(cè)距結(jié)果Fig.9 Ranging result in the vehicle wireless static test

圖10 車載無線測(cè)試中不同加速度下的測(cè)距結(jié)果Fig.10 Ranging results at different acceleration rate in the vehicle wireless test

4 結(jié)束語

針對(duì)星間通信測(cè)距時(shí)間同步地面驗(yàn)證困難的問題,本文結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn),提出一套系統(tǒng)、簡(jiǎn)單易行的地面驗(yàn)證方案,利用信道模擬器、GNSS接收機(jī)、通用頻率計(jì)、微波暗室掃描架等成熟的地面測(cè)量工具,設(shè)計(jì)了桌面有線、微波暗室無線、車載無線3個(gè)基礎(chǔ)試驗(yàn),并通過試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性和有效性,并且在龍江一號(hào)、二號(hào)衛(wèi)星任務(wù)的地面試驗(yàn)中得到應(yīng)用。后續(xù)可以為多星星間通信測(cè)距時(shí)間同步研究提供有效地面測(cè)試方法。