1、信号与信息处理 一种DOR侧音信号相关处理算法研究 侯孝民，赵成斌，梁 盛 (装备指挥技术学院，北京101416) 摘要 差分干涉单向距离测量(Delta Differential OneWay Range，ADOR)是一种比甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry，VLBI)定轨精度更高的测量技术，其被广泛应用在深空航天器的导航中。为了进行测 量，航天器要发射专门的DOR侧音信号。介绍了种DOR侧音信号的相关处理算法及特点，论述了用来求解差分 相位的FX型相关处理算法，对侧音信号的整周相位模糊进行了定义建模，并详细讨论了利用低频DOR侧音解模糊 的
2、原理和方法，通过仿真验证了算法的正确性。 关键词DOR侧音信号；相关处理；整周相位模糊；群时延 中图分类号TP961 文献标识码 A 文章编号 10033106(2012)02002804 Research on Correlation Algorithm of DOR Tones HOU Xiaorain，ZHAO Chengbin，LIANG Sheng (The Academy of Equipment Command&Technology，Beqing 101416，China) Abstract DOR is a much more useful measurement for or
3、bit determination than VLBIwhich is widely used in deep space navigationTo enable the measurement，a spacecraft must emit several tonesThe correlation algorithm of DOR tones is described Firstly，the FX correlation algorithm is introduced，which is used to get differential phaseThen，the phase cycle amb
4、iguity of DOR tones is defined and the method of resolution of phase ambiguity with a lowerfrequency DOR tone is discussedFinally，the simulation results show that the algorithm is correct Key words A DOR；correlation；phase cycle ambiguity；group delay 0 引言 VLBI以其高精度测角能力被广泛应用在深空 航天器的定轨中。但是由于VLBI测量精度受电离
5、 层延迟、对流层延迟、时钟偏差和站址偏差等误差因 素的影响较大，因此美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Adm inistration，NASA)喷气推 进实验室(Jet Propulsion Laboratory，JPL)提出了测 量精度更高的DOR技术。 DOR技术作为深空航天器导航的历史可以 追溯到20世纪70年代后期。1979年，“旅行者”号 (Voyager)首次使用ADOR进行卫星定轨 。此 后，DOR被NASA、欧洲航天局(European Space Agency，ESA)和日本宇航局(The Japan Aerospace Exp
6、loration Agency，JAXA)广泛应用在多个卫星导 航任务中。在2001年的火星着陆器“奥德赛”号 (Odyssey)探测任务中，使用x波段信号，定轨精度 达到了5 nrad 。在2005年的“火星侦察轨道”号 (Mars Reconnaissance Orbiter，MRO)任务中，使用 Ka波段信号，精度达到了2 nrad 。目前，国际正 28 2012 Radio Engineering Vo142 No2 在进行DOR标准的制定工作，以实现各国之间的 更好合作。 1 DoR侧音信号特点 ADOR是以航天器信号到达2个观测站的距 离差与角度相近参考射电源信号到达2个观测站的
7、距离差之差作为观测量的，这样可以大大消除观测 站位置误差、接收设备时延误差、站同步误差和大 气、电离层造成的误差，从而得到较高的导航 精度 。 航天器使用下行链路发射DOR侧音信号，下行 载波信号s( )的数学表达式为： s()= sin2fct+Od(f) l sin(2,rrf )+ sin(2 t)。 (1) 式中，P 为下行总功率；d(t)为遥测信号；f 和 分别为载波、DOR侧音1和DOR侧音2的频率； 0、 和 分别为对应信号的调制指数。 利用2个不同频率的信号，可以获得航天器群 时延： 收稿日期：2011-1110 信号与信息处理 ： 竺!二 。 (2) r=一o Lz J (,
8、LI 2一 式中，f为航天器的群时延； 。、09 为DOR侧音信 号角频率，通常为高频侧音的上下边带角频率； ，、 ，为对应频率的两站差分相位。 DOR侧音的选择由整周相位解模糊、测量精 度、发射信号的效率、地面追踪资源和深空探测的频 率分配等因素共同决定。通常低频DOR侧音解相 位模糊，高频DOR侧音保证测量精度。 DOR下行载波信号频谱示意图如图1所示。 厂n为载波，载波两侧为DOR侧音。对于航天器信 号，输出为窄带信号，图中为50 kHz；对于射电源信 号，其频谱中心频率与航天器信号相同，输出为宽带 信号，图中为2 MHz。由于DOR侧音信号是在频谱 上分离的点频信号，因此存在整周相位模
9、糊。 图1 DOR下行载波信号频谱 2 相关处理 观测站接收到数据后，首先要进行相关处理，求 取差分相位。根据信号处理的基本理论，相关处理 算法按照求解互功率谱的途径大致分为FX型相关 处理和XF型相关处理2类。FX型先对信号进行 傅里叶变换(“F”)再对信号的频谱交叉相乘(“X”) 计算其互相关功率谱；XF型则先计算互相关函数再 做傅里叶变换，进而得到互相关功率谱。 FX型相关处理采用基于台站的工作模式，将时 延补偿和条纹旋转等处理过程在台站上完成，仅需 n 次操作。XF型相关处理则是在各条基线上进行， 需(n 一7, )2次操作。当It 较大时，(Z：一n ) 2n ，因此FX型相关处理的
10、计算量和设备开销 要远小于XF型。 。 此处采用FX型相关处理算法。利用已有的航 天器的轨道预测值可对2个观测站间的几何时延和 时延率建模，利用模型值进行补偿，求功率谱，滤波， 选取DOR侧音分量，然后进行相关处理，通过相关 处理得到侧音信号的差分相位。 观测站接收的信号相位中包含整周相位部分和 非整周相位部分。硬件只能实现对信号相位非整周 部分的测量。而由于侧音信号是一种单纯的周期信 号，不带有任何的识别标志，所以无法直接测出信号 相位的整周部分。此时就出现了整周相位模糊。 设航天器在时钟t 时刻发射DOR侧音信号，观 测站在站钟t 时刻接收到，信号相位关系为： (t )= (t )+ ：(
11、t )。 (3) 式中， (t )为航天器在时钟t 时刻发射的侧音信 号相位； 。(t )为观测站在站钟t。时刻接收到的侧 音信号相位； ；(t )为上述2个信号的相位差，单 位为周数(2zr弧度为一周)。 根据简谐波的物理特性，可将式(3)的 ；(t ) 表示为： ：(t )=2arN；(t ) ， (t )。 (4) 式中， (t )为整周数； ，；(t )为不足整周的相位 部分。 2个观测站的差分相位可以表示为： =21 Jr 一21rN + 。 (5) 式中， (k= 。 ： ，fL )为DOR侧音信号频 率；N 为相位整周数； 为相关相位的测量误差， 主要由传播路径上大气、电离层、观
12、测装置和热噪声 引起；Jr 为要解的残余群时延。 3解模糊原理 DOR侧音信号解模糊的方法是通过航天器发 射的低频DOR侧音来解整周相位模糊的。 如图2(a)所示，每个DOR侧音对应2个谐波 (上边带和下边带)。横轴表示记录在中问频率(通 常为载波)两边的谐波频率，纵轴表示两站的差分 相位。最右边和最左边的一列点分别代表较高频率 DOR侧音的上边带和下边带对应的差分相位，中间 的2列点代表较低频率DOR侧音的上下边带对应 的差分相位。有效带宽是指高频率DOR侧音的带 宽。同一列点中，各点相距一个周期的相位。 没有必要在一列点中确定哪个点才代表真实的 差分相位，但是需要确定出代表真实群时延的相频
13、 直线斜率。标“正确”的直线斜率表示DOR侧音的 群时延，标“错误”的虚线斜率表示整周模糊造成的 错误群时延(还有其他错误群时延，但是它们的值 与真实值的差都远大于有效带宽的倒数)。正确的 相频直线穿过了中间2列的点，而错误的直线没有 穿过。以此为基础，可以将错误的群时延排除。 2012年无线电工程第42卷第2期 29 信号与信息处理 DOR侧音信号确定整周相位模糊的基本思路 是：由低频率DOR侧音的差分相位求出对应的群时 延(即直线斜率)；以该值作为参考值，求解频率更 高的DOR侧音形成的整周模糊度，从而求得精度更 高的群时延。如图2(b)所示，详细步骤如下： 在低侧音的2个边带信号 。和
14、之间的窄 带内，推导出 一。在时延预测值误差小于 f 的条件下，h一 将为0或1(取决于 和 ： 的初始相位)； 根据L 和 两点的差分相位和整周数 h一 ，求出此时的群时延 (即直线的斜率)； 参照r，以日 处差分相位为基准点，可以确 定出H，一NH； 在H和日 之间的较宽的信号带宽内，根据 日。和日：两点的差分相位和相位整周数 一 ， 求出此时的群时延 (即直线的斜率)， 比 要 精确。 匣 捌 逍 罂 州 趟 罂 求 删 频率 (a)原理示意图 (b)步骤演示图 图2 DOR侧音信号解模糊原理 4仿真分析 在MATLAB环境下进行仿真。根据某DOR试 验的参数设置仿真参数：下行总功率P
15、=1，d( ) 采用方波信号，载波、DOR侧音1和DOR侧音2的 频率分别为 、=70 MHz、 =4 MHz、 =21 MHz， 对应遥测信号和DOR侧音信号的调制指数分别为 0=08、 =06、 2=04，初始相位为P =0、 P =0、P =0。采样率F。=200 MHz。为使仿真 接近真实环境，此处在信号上加零均值高斯白噪声， 30 2012 Radio Engineering Vo142 No2 使信噪比SNR=0 dB。 南FX型相关处理算法求得4个侧音点频的差 分相位(均在(一1T竹)之间)后，采用解模糊算法， 求出精确的群时延 。 时延预测值误差小于1rE是算法正确的前提 条件
16、，即在设置时延理论参数时，r。=250 ns。 如图3(a)所示，设置时延理论值为r= 100 ns。图中曲线是某次计算中由解相位模糊的高 频侧音差分相位和未解模糊的差分相位分别确定的 相频曲线与理论相频曲线的比较。 害 音相频曲线 未解模糊高频侧音相频曲线 一 +解模糊高频侧音相频曲线lI 一I一一LI 9ILi一I一 一 一 4 5 6 7 8 9 10 频率Hz xl0 (a)fromax 图3 DOR侧音信号解模糊仿真 由图3(a)可以看出，未解相位模糊的高频侧音 差分相位确定的相频曲线与理论的相频曲线差别很 大，说明存在相位整周模糊。而相位解模糊后的相 频曲线与理论的相频曲线基本重合
17、，说明解模糊算 法的正确性。 设置时延理论值为1-=255 n8，这个值已经超 过了解模糊算法的前提条件，如图3(b)所示，此时， 已经无法正确的进行解模糊。 为了使试验结果更有说服力，进行了5次蒙特 卡洛试验，每次选取试验样本1 000个，求得时延均 值亍、方差 如表1如示。时延理论值为r= 1O0 nS。 4 3 2 0 1 J 卜( 。一_1。 o一 一 ：+ r 一 u一 广，一 一 H糟一 信号与信息处理 表1 蒙特卡洛试验结果表 次数 时延 ns 方差 ：(110 ) l 99966 2 2269 1 2 100223 2 75O2 8 3 99938 2 2473 8 4 998
18、75 8 4784 9 5 100187 3 58l1 9 由表1可以看出，蒙特卡洛试验的结果表明文 中使用的DOR侧音信号相关处理方法的可行性以 及低频侧音解模糊算法的正确性。 5 结束语 上述详细介绍了DOR的基本原理和DOR侧 音信号的特点、相关处理算法以及相位整周模糊的 有关内容。重点介绍了FX型相关处理算法和利用 低侧音信号解整周相位模糊的算法。通过仿真验证 了FX型相关处理算法的可行性及解模糊算法的正 确性，为以后实测数据的处理打下了良好的基础。 薹 参考文献 1BERRY D S，BORDER J SCCSDS Concept Paper：Delta DORJJet Propul
19、sion Laboratory，2005(8)：14 BORDER J S，DONIVAN F F，FINLEY S G，et a1 Determining Spacecraft Angular Position with Delta VLBI： The Voyager DemonstrationCJPL：AIAA一821471， Tracking Systems and Applications Section，Navigation Systems Section，1982：12 ANTREASIAN P G，BAIRD D T，BORDER J S，et a12001 Mars Odyss
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21、ky，2003：15 赵成斌，侯孝民，姜 坤深空导航高精度差分干涉测 量技术研究J全球定位系统，2011，36(2)：1923 杨 艳应用于卫星跟踪的VLBI软件相关处理关键技 术的研究D上海：中国科学院上海天文台， 2006：78 作者简介 侯孝民男，(1968一)，装备指挥技术学院博士生导师。主要 研究方向：高速数字信号处理、航天测控。 (上接第12页) 不同莱斯因子、不同分集重数条件下的接收误 码性能曲线图如图6所示。 僻 窿 咄 平均信噪比dB 图6 不同 值和分集重数下的误码性能 由图6可知：在低莱斯因子信道条件下，分 集技术对接收检测误码性能有明显的改善，在莱斯 因子K=3 dB时
22、，2重分集比无分集在误码率为 10 时改善近13 dB；在莱斯因子K6 dB时，2 重分集便可达到较好的传输效果。 4 结束语 通过以上分析，地空信道是一种变参信道，一般 存在直射路径，信号包络服从莱斯分布，在不同的工 作环境和天线仰角条件下，其通信覆盖区域和衰落 因子均有不同，需要在系统和设备设计中，针对信道 特点进行链路平稳传输设计，经过计算和仿真，给出 了衰落特性和分集误码改善情况，对今后的工程设 计有一定的借鉴指导价值。 参考文献 1RAPPAORTT SWireless Communication Principles and PracticeM北京：电子工业出版社，1999：103
23、140 2习 靖，习 强，郑淑梅地空信道二径模型及仿 真J无线电工程，2007，37(7)：5860 3费满锋，王杰令，易克初，等一种新颖的宽带地空通信 系统方案J陕西：西安电子科技大学学报(自然科学 版)，2008，35(3)：403408 4费满锋，易克初基于FBFDE的地空通信分集接收技 术J无线电通信技术，2008，34(1)：1921 5梁保卫，高红涛无人机飞行过程中信号弱区的分 析J无线电工程，2006，36(7)：3638 6WILLIAM GNewhall Raqibul Mostafa etcWidebfind Air toGround Radio Channel Measurements Using an Antenna Array at 2 GHz for Loralititude OperationscMilitary Communications Confefence，2003：l 4221 427 作者简介 高自新男，(1975一)，中国电子科技集团公司第五十四研究 所高级工程师。主要研究方向：散射通信和微波通信。 2012年无线电工程第42卷第2期 31 J，J 1J 1 Jj 2 3 4 5 6 rl rl l l l
