一种用于导航星座星间链路收发信机设备时延标定方法
【专利摘要】本发明提供一种用于导航星座星间链路收发信机设备时延标定的方法，该方法在收发信机设备上加入双向校准通道、中频开关矩阵和射频开关矩阵，并分时控制射频开关矩阵和中频开关矩阵，依次使发射通道、接收通道和双向校准通道两两连通，通过闭环时延测试得到三个时延值，最后根据所述的三个时延值计算发射通道的绝对时延Tt和接收通道的绝对时延Tr，将该时延量作为收发信机设备时延零值带入星间链路时延测量数据进行时延校准，实现收发信机设备时延标定。本方法能够满足收发信机的在轨实时测量，并且在单颗卫星内部即可完成收发信机时延的校准，即避免了静态测试的缺陷，同时与其他动态方法相比，不需要多星或者多天线参与时延测量工作。
【专利说明】一种用于导航星座星间链路收发信机设备时延标定方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种时延校准方法，特别是一种用于导航星座星间链路收发信机设备时延标定的方法。
【背景技术】
[0002]导航星座自主导航是指导航星座卫星在长时间得不到地面系统支持的情况下，通过星间双向测距、数据交换以及星载处理器滤波处理，不断修正地面站注入的卫星长期预报星历及时钟参数，并自主生成导航电文和维持星座基本构形，满足用户高精度导航定位应用需求的过程。实现星间精密测距和时间同步是决定导航星座星间链路最终实现水平的关键技术之一。星间的精密测距和时间同步等功能都是通过星上的收发信机实现的，收发信机设备时延零值的变化和通带内群时延的波动直接影响到星间双向测距的精度。因此，收发信机时延的精确测量与标校对于提高星间链路信号测量精度、实现导航星座高精度定轨与时间同步具有重要意义。
[0003]星间链路收发信机是星间精密测距和通信技术的具体实现，由数字基带平台、精密测距与通信算法软件、路由控制软件、接收/发射通道组成，承载着星间链路组网测量通信等主要功能，是星间链路的核心智能单元。
[0004]当星间链路使用双向无线电测距方法完成精密测距与时间同步时，由于收发信机的变频器、功放、低噪放等设备都是非线性相位系统(色散信道)，扩频信号经过这些非理想传输信道时会产生群延时波动和相位畸变。由设备时延引入的误差是双向无线电测距系统中的最大误差来源，若不加控制此项误差可能达到数ns量级。因此，测距与时间同步的精度极大程度上受制于对收发信机时延零值和群时延波动的精确测量与标校。
[0005]目前时延测量方法主要包含两大类，第一类为静态法，也即搭建静态连接的测量测试系统，通过仪器设备如相位计、示波器、时间间隔测量仪、矢量信号分析仪和网络分析仪等各种测试仪器对时延进行精确测量。第二类是动态测量法，这类方法是根据信号时延估计原理，将载波调制后通过被测器件，在输出端对信号进行解调后通过与参考信号比相来估计时延。
[0006]收发信机在在轨工作状态下，各器件的工作状态会随着时间、温度、振动、辐照剂量等外部因素发生变化，从而收发信机发射通道和接收通道在不同外部环境下的绝对时延值不一致，传统的静态测量方法已逐渐不适应设备时延实时、在线精确测量的需求，不能准确的表征卫星在运行状态下各设备的实时时延值，而动态方法则能够满足这方面的应用需求。
【发明内容】
[0007]有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于导航星座星间链路收发信机设备时延标定的方法。该方法属于动态测量法，采用本方法能够满足收发信机的在轨实时测量，并且在单颗卫星内部即可完成收发信机时延的校准，即避免了静态测试的缺陷，同时与其他动态方法相比，不需要多星或者多天线参与时延测量工作。
[0008]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
[0009]一种用于导航星座星间链路收发信机设备时延标定的方法，其特征在于，
[0010]步骤一、在包含发射通道、接收通道及基带板卡的收发信机中加入双向校准通道、中频开关矩阵和射频开关矩阵；使发射通道、接收通道及双向校准通道并联于中频开关矩阵和射频开关矩阵之间，且令基带板卡与中频开关矩阵连接；
[0011]步骤二、分时控制射频开关矩阵和中频开关矩阵，依次使发射通道、接收通道和双向校准通道两两连通，通过基带板卡产生中频调制信号，对三个连通的通路进行闭环时延测试，得到三个时延值；
[0012]步骤三、根据所述三个时延值计算发射通道的绝对时延Tt，接收通道的绝对时延Tr，将该时延量作为收发信机设备时延零值带入星间链路时延测量数据进行时延校准，从星间链路总时延中消除发射通道绝对时延和接收通道绝对时延，即完成收发信机设备时延的标定。
[0013]进一步地，为了使在相同工作环境下，双向校准通道将射频信号变换为中频信号的时延与将中频信号变换为射频信号的时延一致，本发明双向校准通道采用无源变频器件。
[0014]进一步地，为了使中频开关矩阵和射频开关矩阵在相同的时延环境下，信号从开关的输入端到各输出端所产生的时延一致，或其时延不一致性远小于系统所要求的测量精度(纳秒量级)，本发明中频开关矩阵和射频开关矩阵采用具有单刀多掷开关功能的半导体芯片作为核心功能器件实现，且芯片到各端口的距离相等，连接、组装方式相同。
[0015]进一步地，本发明的闭环时延测试为:基带板卡产生带有时间戳信息的中频调制信号，该信号进入发射通道、接收通道或双向校准通道后会产生一定的时延，经过中频开关矩阵和射频开关矩阵选通使该信号形成回路并返回基带板卡，基带板卡通过处理返回的中频调制信号，估计出中频调制信号经过被测通道后产生的时延值。
[0016]有益效果:
[0017]本发明在收发信机设备上加入双向校准通道、中频开关矩阵和射频开关矩阵，并分时控制测量三个连通通路的时延值，最后根据所述时延值计算发射通道的绝对时延Tt和接收通道的绝对时延Tl.，实现收发信机设备时延标定；因此本方法能够满足收发信机的在轨实时测量，并且在单颗卫星内部即可完成收发信机时延的校准，即避免了静态测试的缺陷，同时与其他动态方法相比，不需要多星或者多天线参与时延测量工作。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本发明导航星座星间链路收发信机设备时延标定方法的流程图。
[0019]图2为本发明优选实施例的组成示意图。
[0020]图3为进行发射通道至接收通道闭环时延测量链路组成图。
[0021]图4为进行发射通道至双向校准通道闭环时延测量链路组成图。
[0022]图5为进行双向校准通道至接收通道闭环时延测量链路组成图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0024]本发明提供了一种用于导航星座星间链路收发信机设备时延标定方法，具体实施步骤如图1所示，包括:
[0025]步骤一、在包含发射通道、接收通道及基带板卡的收发信机中加入双向校准通道、中频开关矩阵和射频开关矩阵构成收发信机设备时延的标定系统和标定环境，使发射通道、接收通道及双向校准通道并联于中频开关矩阵和射频开关矩阵之间，且令基带板卡与中频开关矩阵连接，如图2所示。
[0026]步骤二、分时控制射频开关矩阵和中频开关矩阵，依次使发射通道、接收通道和双向校准通道两两连通，通过基带板卡产生中频调制信号，对三个连通的通路进行闭环时延测试，得到三个时延值，具体过程如下:
[0027](I)、如图3所示，将中频开关矩阵Z4、Zl两端口选通，基带板卡产生带有时间戳信息的中频调制信号由SI端口输出，经过中频开关矩阵输入发射通道的中频端(Al)，中频调制信号进入发射通道并在发射通道内上变频及功率放大形成射频调制信号，从发射通道射频端(A2)输出，将射频开关矩阵X1、X2两端口选通，射频调制信号经射频开关矩阵进入接收通道的射频端(B2)，并在接收通道内进行低噪声放大和下变频处理得到中频回波信号(即返回的中频调制信号)由接收通道中频端(BI)输出，将中频开关Z5、Z2两端口选通，使得BI端输出的中频回波信号经中频开关矩阵后输入基带板卡的中频信号接收端(S2)，经板卡采集处理后，可解算出调制信号的传播时延为Tl ；
[0028]可得到方程:T1= Tsll+Tt+Ts21+Tr+Tsl2 ；
[0029]其中，Tsll是中频开关矩阵实现基带板卡与发射通道连接的信号传输时延，Tt是发射通道信号传输时延，Ts21是射频开关矩阵实现发射通道与接收通道连接的信号传输时延，Tr是接收通道信号传输时延，Tsl2是中频开关矩阵实现接收通道与基带板卡连接的信号传输时延。
[0030](2)、如图4所示，将中频开关矩阵Z4、Z1两端口选通，基带板卡产生带有时间戳信息的中频调制信号由SI端口输出，经过中频开关矩阵输入发射通道的中频端(Al)，中频调制信号进入发射通道并在发射通道内上变频及功率放大形成射频调制信号，从发射通道射频端(A2)输出，将射频开关矩阵X1、X3两端口选通，射频调制信号经射频开关矩阵进入双向校准通道的射频端(C2)，并在双向校准通道内进行下变频处理得到中频回波信号由双向校准通道中频端(Cl)输出，将中频开关Z5、Z3两端口选通，使得Cl端输出的中频回波信号经中频开关矩阵后输入基带板卡中频信号接收端(S2)，经板卡采集处理后，可结算出调制信号的传播时延为T2;
[0031]可得到方程:T2= Tsll+Tt+Ts22+Tx+Tsl3 ；
[0032]其中，Ts22是射频开关矩阵实现发射通道与双向校准通道连接的信号传输时延，Tx是双向校准通道信号传输时延，Tsl3是中频开关矩阵实现双向校准通道与基带板卡连接的信号传输时延。
[0033](3)、如图5所示，将中频开关矩阵Z4、Z3两端口选通，基带板卡产生的带有时间戳信息的中频调制信号由Si端口输出，经过中频开关矩阵输入双向校准通道的中频端(Cl)，中频调制信号进入双向校准通道并在双向校准通道内上变频后形成射频调制信号，从双向校准通道射频端(C2)输出，将射频开关矩阵的X2、X3两端口选通，射频调制信号经射频开关矩阵进入接收通道射频端(B2)并在接收通道内进行低噪声放大和下变频处理得到中频回波信号由收通道中频端(BI)输出，将中频开关的Z2、Z5两端口选通，使得BI端输出的中频回波信号经中频开关矩阵后输入基带板卡中频信号接收端(S2)，经板卡采集处理后，可结算出调制信号的传播时延为T3 ；
[0034]可得到方程:T3= Tsl3+Tx+Ts23+Tr+Tsl2 ；
[0035]其中，Ts23是射频开关矩阵实现双向校准通道与接收通道连接时的信号传输时延。
[0036]步骤三、根据所述三个时延值计算发射通道的绝对时延Tt，接收通道的绝对时延Tr，将该时延量作为收发信机设备时延零值带入星间链路时延测量数据进行时延校准，从星间链路总时延中消除发射通道绝对时延和接收通道绝对时延，即完成收发信机设备时延的标定。具体过程如下:
[0037]由步骤二中的(I)、(2)和(3)可得到方程组如下:
[0038]Tl = Tsl+Tt+Ts2+Tr+Tsl ；(I)
[0039]T2 = Tsl+Tt+Ts2+Tx+Tsl ；(2)
[0040]T3 = Tsl+Tx+Ts2+Tr+Tsl ；(3)
[0041]依据中频开关矩阵具备的特性:中频调制信号由Z4到Zl传输所用的时延Tsll与由Z2到Z5传输所用的时延TS12以及Z5和Z3两端口之间的传输时延Tsl3三者一致，或其时延不一致性远小于系统所要求的测量精度(纳秒级)，因此可得:
[0042]Tsll = Tsl2 = Tsl3 ；(4)
[0043]同理对于射频开关矩阵，可得:
[0044]Ts21 = Ts22 = Ts23 ；(5)
[0045]联立式(I)?式(5)可得
[0046]收发信机发射通道绝对时延:Tt = (Tl+T2-T3)/2,即通过步骤二中的(I)、(2)和
(3)计算出收发信机发射通道绝对时延值。
[0047]收发信机接收通道绝对时延；Tr = (Τ2+Τ3-Τ1)/2,即通过步骤二中的(I)、(2)和
(3)计算出收发信机接收通道绝对时延值。
[0048]本发明的发射通道具备将中频信号变换至射频信号的功能；且能够对信号进行一定的功率放大；中频信号输入端口记为Al，射频信号输出端口记为A2 ;其时延值记为Tt。
[0049]本发明的接收通道具备对射频信号的低噪声接收并变换至中频信号的功能；中频信号输入端口记为BI，射频信号输出端口记为B2 ;其时延值记为Tr。
[0050]本发明的双向校准通道具备频率变换的功能，可将射频信号变换为中频信号，也可将中频信号变换为射频信号，中频信号端口记为Cl，射频信号端口记为C2，即信号即可以从Cl输入经频率变换后由C2 口输出，亦可从C2 口输入经频率变换后由Cl 口输出，设计中不采用单向器件及无源器件，而仅采用无源器件诸如无源混频器、腔体滤波器等以保证在相同实验环境下(包含温度、湿度、振动量级、气压、辐照剂量等)，双向校准通道将射频信号变换为中频信号的时延与将中频信号变换为射频信号的时延一致记为Tx。
[0051]本发明的射频开关矩阵具有射频信号选通的功能，将收发信机发射通道、接收通道、双向校准通道与开关矩阵相连后，通过接收基带板卡发出的相应开关控制指令，射频开关矩阵可以实现发射通道射频信号输出端与接收通道射频信号输入端的选通，也可实现发射通道射频信号输出端与双向校准通道射频信号端的选通，亦可实现双向校准通道射频信号端与接收通道射频信号输入端的选通。射频开关矩阵包含X1、X2、X3、X4、X5共5个对外接口，其中Xl与发射通道射频端A2相接，X2与接收通道射频端B2相接，X3与双向校准通道射频端C2相接，X4与外部发射天线相接，X5则与外部接收天线相接。
[0052]本发明的中频开关矩阵具有中频信号选通的功能，将收发信机发射通道、接收通道、双向校准通道与中频开关矩阵相连后，通过接收基带板卡发出的相应开关控制指令，射频开关矩阵可以实现发射通道中频信号输入端或双向校准通道中频信号端与基带板卡的中频信号输出端相连通，也可实现接收通道中频输出端或双向校准通道中频端与基带板卡中频信号接收端的信号选通。中频开关矩阵包含Zl、Z2、Z3、Z4、Z5共5个对外接口，其中Zl与发射通道中频端Al相连，Z2与接收通道中频端BI相连，Z3与双向校准通道中频端Cl相连接，Z4与基带板卡中频信号发射端SI相连，Z5与基带板卡中频信号接收端S2相连。
[0053]对于本方案所述的中频开关矩阵以及射频开关矩阵，其在相同的时延环境下，信号从开关的输入端到各输出端所产生的时延一致，或其时延不一致性远小于系统所要求的测量精度(纳秒量级)。为实现此功能，可采用具有单刀多掷开关功能的半导体芯片作为核心功能器件实现，且芯片到各端口的位置相等，连接、组装方式相同。
[0054]本发明的基带板卡具有中频调制信号产生和处理功能，基带板卡采用诸如扩频调制技术等方式产生中频调制信号，该中频调制信号经过收发信机发射通道、接收通道、双向校准通道等调理后，返回基带板卡，经过板卡采集及处理后能够解算出中频调制信号的传播时延，其包含两个端口，其中中频调制信号输出端口记为Si，中频调制信号接收端记为S2。
[0055]本发明的闭环时延测试，是指采用时延动态测量方法，如利用扩频伪距测量的原理测量通道的闭环时延。具体为基带板卡产生带有时间戳信息的中频调制信号，该信号进入发射通道、接收通道或双向校准通道后产生一定的时延，经过中频开关矩阵和射频开关矩阵选通使该信号形成回路并返回基带板卡，基带板卡通过处理返回的中频调制信号，可估计出中频调制信号经过被测通道后产生的时延值。
[0056]综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种用于导航星座星间链路收发信机设备时延标定的方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤一、在包含发射通道、接收通道及基带板卡的收发信机中加入双向校准通道、中频开关矩阵和射频开关矩阵；使发射通道、接收通道及双向校准通道并联于中频开关矩阵和射频开关矩阵之间，且令基带板卡与中频开关矩阵连接； 步骤二、分时控制射频开关矩阵和中频开关矩阵，依次使发射通道、接收通道和双向校准通道两两连通，通过基带板卡产生中频调制信号，对三个连通的通路进行闭环时延测试，得到三个时延值； 步骤三、根据所述三个时延值计算发射通道的绝对时延Tt和接收通道的绝对时延Tl.，将Tt和Tr作为收发信机设备时延零值带入星间链路时延测量数据进行时延校准，从星间链路总时延中消除发射通道绝对时延和接收通道绝对时延，即完成收发信机设备时延的标定。
2.如权利要求1所述的一种用于导航星座星间链路收发信机设备时延标定的方法，其特征在于，所述双向校准通道采用无源变频器件。
3.如权利要求1所述的一种用于导航星座星间链路收发信机设备时延标定的方法，其特征在于，中频开关矩阵和射频开关矩阵采用具有单刀多掷开关功能的半导体芯片实现，且芯片到各端口的距离相等。
4.如权利要求1所述的一种用于导航星座星间链路收发信机设备时延标定的方法，其特征在于，所述闭环时延测试为:基带板卡产生带有时间戳信息的中频调制信号，该信号进入发射通道、接收通道或双向校准通道后产生一定的时延，经过中频开关矩阵和射频开关矩阵选通使该信号形成回路并返回基带板卡，基带板卡通过处理返回的中频调制信号，估计出中频调制信号经过被测通道后产生的时延值。
【文档编号】G01S19/01GK104267408SQ201410468765
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月15日 优先权日:2014年9月15日
【发明者】肖钰, 赵国强, 胡冰, 孙厚军 申请人:北京理工大学