高精度测距方法研究
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●考文献 １１］韩魁选等墙著．氍波统一洲拉系兢谩计平论．１９８４年３月第一版， 北京：田防工业出版社．１９８４ ［２］壹光明等墙著．扩精通信西安：西鲁电于科技太学出版社，１９９０ 作者筒介 陈仕进１９７４年出生，１９蛄年毕业于桂林电子工业学院，中国电 子科技豪田拜司第五十四研究所工程师。从事扩频解扩、高速调制解 调、董分接方面工作，现研究方向为无人机测控、航是刺控、通信时抗。
２００３年无线电＾程弟３３叁莽１２期
２３
万 方数据
（２）
原理上我们只能测出ｐ＜３６０。的精确值，如果 相位∞能以任意的精度测量出来，那么，只要信号 的半波长大于被测距离，利用一个正弦波信号就能满 足测距的要求。但是，由于噪声和通道特性对信号的 影响，将不可避免的引入相位误差。根据式２可求出 对应距离误差即与相位误差％的关系为：
（３）
由上式可看出，测距信号频率越低，对应的测距 误差越大。因此，为了提高测距精度，必须提高测距 正弦波的频率。为了解决测距模糊度及测距精度的 矛盾．我们通常以一组正弦波信号作为测距信号称 为侧音，其中低侧音保证测距距离，高侧音保证测距 精度。在距离迅速增大时，纯侧音测距系统将产生 一些难以解决的问题，如：所选谐波数增加，信号频 谱占用带宽增大，能量分散；在很低的频率下滤波和 防止互相串扰较困难，抗干扰能力差；设备量增多。 因此，侧音测距系统很难实现远距离．澍量。 另外一种方法是伪随机码测距，伪随机码信号 具有良好的周期自相关特性，其测距精度取决于码 元宽度，周期可设计为任意长，无模糊距离随码长增
图１测距原理示意目
万 方数据
测控技术
路信号后解扩、解调、帧同步提取，得到反向链路的 帧同步信号，与前向链路的帧同步字比较，就得到了 信号在主站与副站间传输的双程时延Ｔ，由此可计 算出主站与副站的距离。这种测距方法的实质是利 用信息帧的时延测距，传统解调信息的前后沿抖动 是很大的，不能保证测距精度，但是由于扩频码与信 息相干，一个信息码内填～完整的伪码周期，所以可 以用扩频码的特征相位作为信息码的位同步信号， 这样测距精度就决定于接收端伪码跟踪的精度，而 无模糊距离由信息帧帧长决定，可用于远距离测距。 我国北斗一号就是利用这种方法，测距达１６万ｋｍ， 精度很高。 伪码扩频信息帧测距方法与侧音测距方法比较 有很多优点：信息传输的同时实现了测距，不需要增 加更多的硬件设备，实现简单，信息采用伪码扩频体 制可降低空同功率谱密度，增加信息的保。密性，提高 了信息的抗截获能力和抗干扰能力；另外，它的测距 无模糊距离理论上可任意大，测距精度比侧音体制 高，零值稳定性好。与纯伪码测距体制相比，解决了 纯伪码测距体制中伪码捕获时间长的问题；另外由 于采用伪码扩频，我们可以利用码分多址技术，实现 在同一载波情况下同时对多站测距。 量化误差。设相关单元的间隔为１／Ｎ个码片，于是 由此引起的测距机和应答机时延量化误差ａ。。和
收稿日期：２００３年８月１５日
式中，ｃ为电磁波在自由空间的传播速度，等于 光速；ｒ为信号从测量站到目标间的往返时延。因 此在实际的测距系统中，我们通常通过测量时间ｒ 来实现测距。 在传统测控系统中测距方法主要包括侧音测距 及伪码测距。侧音测距是利用正弦信号经过目标的 往返距离所对应的相位变化掌来进行距离测量，其 测距公式如下：
０－＝［孤丽Ｂ了ｐ
ｒ
式中，口为接收机中频带宽，单位Ｈｚ；Ｎ为相关 积累需要的码片数；ｃ／Ｎｏ为接收机中频输出的载 波功率与噪声功率谱密度比，单位ｄＢＨｚ；Ｔ为伪码 的码片宽度，单位１７１５。 即得主站测距机和副站应答机的接收随机误差
。ｍ和ｆＹＰＡ。
（２）相关器时延量化误差 由于采用并行匹配算法，那么各相关单元之问 的相关间隔必将引起码跟踪的模糊，即所谓的时延
测控技术
高精度测距方法研究
中国电子科技集目公司第５４研究所陈仕进
摘要
在卫星测控系境中传统的洲距方法主要有徊音测＿距及伪码测距，文中提出了另一神适舍于航天刺控系统的
测距方法：伪码扩额信一ｇ－柚测距方法，井就遗三种测距方法的优缺点进行了讨论。 关键词 测距侧音测距伪码档４距伪码扩烦信息帧测距
１概述Βιβλιοθήκη Baidu
测距的基本原理是利用电磁波在空间以有限速 度传播、并且当它通过均匀媒质传播时，其传播距离随 传播相位作线性变化。因此信号到目标问的距离为
ｄｎ＾为：
一＝ａｍ＝［南］１“
（３）测距机时差测量量化误差 测距机的距离测量实际上是测量发射时标和接 收时标之间的时间差，～般采用计数法测量。如果 采用计数时钟频率为而，由于计数法测量会产生截 尾误差，因此测距机的时差量化误差ＯＴＲ为：
ａｍ＝（去）１，２
（４）测距机和应答机的设备零值误差口ｓ。、口。 测距机和应答机的设备零值随环境变化所发生 的漂移是一种系统误差，经过标定后的设备零值在 测量过程中予以扣除后必将存在零值误差。若终端 部分采用数字方案，则该项误差主要来源于信道设 备的群时延稳定性。由于扩频系统使用的信道是宽 带信道，如码速率为１０Ｍｏｐｓ的信道带宽应在２０ＭＨｚ 左右。这样的信道其绝对群时延较小，约为５０ｎｓ，只 要控制设备的制作工艺和运行环境，其变化一般可 控制在ｔ／１０以下。 （５）总时延测量精度 根据上述各误差源的分析，影响时延测量精度 的主要因素是主站测距机和副站应答机的接收机随
机误差ＧＰＲ和ｄｍ设备零值误差口ｓＲ和ｏｍ、时延量化
误差咖和锄和测距机的时差量化误差口ｍ，再考虑
其它因素引起的误差为・ＹＴｔｔ。由于这些误差项是相 互独立的，因此总的测距误差口。为：
ａ＾＝［ｄｋ＋ｄｋ＋ｄｋ＋。毛＋口‰＋ａｋ＋ｄ‰＋口％］∽
上为双程测时误差，折算单程误差应乘以１／２。 ４结论 伪码扩频信息帧测距方法同侧音测距比较，它 实现方法简单，在信息传输过程中实现了测距，由于 信息采用了扩频技术，降低了功率谱密度，提高了信 息的保密性，抗截获能力和抗干扰能力。同传统伪 码测距方法比较，其测距精度高，无模糊距离远，捕 码时问短。 ．｜．
加而成正比增加。最大测距距离为
Ｒ。。＝音出
（４）
式中，ｃ为电波传播速度，Ｐ为码长，△为码元宽 度。对于伪码测距，为了保证最大的作用距离的模 糊分辨度，码序列的周期Ｔ应大于信号对目标往返 距离对应的最大时延ｒ。。；为了得到要求的测距精 度，码元宽度△应取足够小；为了准确捕获，要求测 距码自相关峰足够尖锐。对于深空测距，这就要求 伪码周期足够长，这给伪码捕获同步带来一定困难。 侧音测距及伪码测距对于远距离测距都有一定 的匿难，本文提出了一种比较适合远距离测距方法： 伪码扩频信息帧测距方法。 ２伪码扩频信息帧测距方法原理 为了解决侧音测距及伪码测距，对于远距离测 距与提高测距精度的矛盾，我们提出了一种新的高 精度测距方法：伪码扩频信息帧测距。它是利用高 速伪码对信息进行扩频，一个信息位内填一个伪码 周期，每一帧信息内，利用帧同步作为测距标志信 息。它通过提高扩频码的码片速率来提高测距精 度，通过增加信息帧的长度来解决测距的距离模糊。 测距示意图如图ｌ示，前向、反内链路信息均采 用伪码扩频，每一信息位内填伪码的完整周期，前向 链路与反向链路的信息帧速率、信息速率及伪码速 率均相干。主站信息编帧、扩频后，利用前向链路发 送到副站上；副站应答机接收到前向链路信号后鳃 扩、解调、帧同步提取，得到前向链路的时钟信息及 帧同步信号；副 站应答机利用 它形成反向链 路的遥测帧、扩 频伪码，经扩频 后由反向链路 送回主站；主站 接收到反向链
３精度分析
３．１
时延测量精度分析
影响时延测量精度的主要因素是主站测距机接 收支路的测量随机误差和测距机零值系统误差、副 站应答机接收支路的测量随机误差和测距机零值系 统误差以及各种时间量化误差。 （１）接收机随机误差 影响接收机随机误差的主要因素是信号处理终 端的伪码跟踪精度。伪码跟踪采用目前比较先进的 窄相关数字匹配方案，这种方案易于数字化和集成 化，稳定性和一致性极好。采用这种处理方案，接收 机的码跟踪随机误差可以按下述经验公式计算：
２００３年无线电＾程弟３３叁莽１２期
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万 方数据
（２）
原理上我们只能测出ｐ＜３６０。的精确值，如果 相位∞能以任意的精度测量出来，那么，只要信号 的半波长大于被测距离，利用一个正弦波信号就能满 足测距的要求。但是，由于噪声和通道特性对信号的 影响，将不可避免的引入相位误差。根据式２可求出 对应距离误差即与相位误差％的关系为：
（３）
由上式可看出，测距信号频率越低，对应的测距 误差越大。因此，为了提高测距精度，必须提高测距 正弦波的频率。为了解决测距模糊度及测距精度的 矛盾．我们通常以一组正弦波信号作为测距信号称 为侧音，其中低侧音保证测距距离，高侧音保证测距 精度。在距离迅速增大时，纯侧音测距系统将产生 一些难以解决的问题，如：所选谐波数增加，信号频 谱占用带宽增大，能量分散；在很低的频率下滤波和 防止互相串扰较困难，抗干扰能力差；设备量增多。 因此，侧音测距系统很难实现远距离．澍量。 另外一种方法是伪随机码测距，伪随机码信号 具有良好的周期自相关特性，其测距精度取决于码 元宽度，周期可设计为任意长，无模糊距离随码长增
图１测距原理示意目
万 方数据
测控技术
路信号后解扩、解调、帧同步提取，得到反向链路的 帧同步信号，与前向链路的帧同步字比较，就得到了 信号在主站与副站间传输的双程时延Ｔ，由此可计 算出主站与副站的距离。这种测距方法的实质是利 用信息帧的时延测距，传统解调信息的前后沿抖动 是很大的，不能保证测距精度，但是由于扩频码与信 息相干，一个信息码内填～完整的伪码周期，所以可 以用扩频码的特征相位作为信息码的位同步信号， 这样测距精度就决定于接收端伪码跟踪的精度，而 无模糊距离由信息帧帧长决定，可用于远距离测距。 我国北斗一号就是利用这种方法，测距达１６万ｋｍ， 精度很高。 伪码扩频信息帧测距方法与侧音测距方法比较 有很多优点：信息传输的同时实现了测距，不需要增 加更多的硬件设备，实现简单，信息采用伪码扩频体 制可降低空同功率谱密度，增加信息的保。密性，提高 了信息的抗截获能力和抗干扰能力；另外，它的测距 无模糊距离理论上可任意大，测距精度比侧音体制 高，零值稳定性好。与纯伪码测距体制相比，解决了 纯伪码测距体制中伪码捕获时间长的问题；另外由 于采用伪码扩频，我们可以利用码分多址技术，实现 在同一载波情况下同时对多站测距。 量化误差。设相关单元的间隔为１／Ｎ个码片，于是 由此引起的测距机和应答机时延量化误差ａ。。和
收稿日期：２００３年８月１５日
式中，ｃ为电磁波在自由空间的传播速度，等于 光速；ｒ为信号从测量站到目标间的往返时延。因 此在实际的测距系统中，我们通常通过测量时间ｒ 来实现测距。 在传统测控系统中测距方法主要包括侧音测距 及伪码测距。侧音测距是利用正弦信号经过目标的 往返距离所对应的相位变化掌来进行距离测量，其 测距公式如下：
０－＝［孤丽Ｂ了ｐ
ｒ
式中，口为接收机中频带宽，单位Ｈｚ；Ｎ为相关 积累需要的码片数；ｃ／Ｎｏ为接收机中频输出的载 波功率与噪声功率谱密度比，单位ｄＢＨｚ；Ｔ为伪码 的码片宽度，单位１７１５。 即得主站测距机和副站应答机的接收随机误差
。ｍ和ｆＹＰＡ。
（２）相关器时延量化误差 由于采用并行匹配算法，那么各相关单元之问 的相关间隔必将引起码跟踪的模糊，即所谓的时延
测控技术
高精度测距方法研究
中国电子科技集目公司第５４研究所陈仕进
摘要
在卫星测控系境中传统的洲距方法主要有徊音测＿距及伪码测距，文中提出了另一神适舍于航天刺控系统的
测距方法：伪码扩额信一ｇ－柚测距方法，井就遗三种测距方法的优缺点进行了讨论。 关键词 测距侧音测距伪码档４距伪码扩烦信息帧测距
１概述Βιβλιοθήκη Baidu
测距的基本原理是利用电磁波在空间以有限速 度传播、并且当它通过均匀媒质传播时，其传播距离随 传播相位作线性变化。因此信号到目标问的距离为
ｄｎ＾为：
一＝ａｍ＝［南］１“
（３）测距机时差测量量化误差 测距机的距离测量实际上是测量发射时标和接 收时标之间的时间差，～般采用计数法测量。如果 采用计数时钟频率为而，由于计数法测量会产生截 尾误差，因此测距机的时差量化误差ＯＴＲ为：
ａｍ＝（去）１，２
（４）测距机和应答机的设备零值误差口ｓ。、口。 测距机和应答机的设备零值随环境变化所发生 的漂移是一种系统误差，经过标定后的设备零值在 测量过程中予以扣除后必将存在零值误差。若终端 部分采用数字方案，则该项误差主要来源于信道设 备的群时延稳定性。由于扩频系统使用的信道是宽 带信道，如码速率为１０Ｍｏｐｓ的信道带宽应在２０ＭＨｚ 左右。这样的信道其绝对群时延较小，约为５０ｎｓ，只 要控制设备的制作工艺和运行环境，其变化一般可 控制在ｔ／１０以下。 （５）总时延测量精度 根据上述各误差源的分析，影响时延测量精度 的主要因素是主站测距机和副站应答机的接收机随
机误差ＧＰＲ和ｄｍ设备零值误差口ｓＲ和ｏｍ、时延量化
误差咖和锄和测距机的时差量化误差口ｍ，再考虑
其它因素引起的误差为・ＹＴｔｔ。由于这些误差项是相 互独立的，因此总的测距误差口。为：
ａ＾＝［ｄｋ＋ｄｋ＋ｄｋ＋。毛＋口‰＋ａｋ＋ｄ‰＋口％］∽
上为双程测时误差，折算单程误差应乘以１／２。 ４结论 伪码扩频信息帧测距方法同侧音测距比较，它 实现方法简单，在信息传输过程中实现了测距，由于 信息采用了扩频技术，降低了功率谱密度，提高了信 息的保密性，抗截获能力和抗干扰能力。同传统伪 码测距方法比较，其测距精度高，无模糊距离远，捕 码时问短。 ．｜．
加而成正比增加。最大测距距离为
Ｒ。。＝音出
（４）
式中，ｃ为电波传播速度，Ｐ为码长，△为码元宽 度。对于伪码测距，为了保证最大的作用距离的模 糊分辨度，码序列的周期Ｔ应大于信号对目标往返 距离对应的最大时延ｒ。。；为了得到要求的测距精 度，码元宽度△应取足够小；为了准确捕获，要求测 距码自相关峰足够尖锐。对于深空测距，这就要求 伪码周期足够长，这给伪码捕获同步带来一定困难。 侧音测距及伪码测距对于远距离测距都有一定 的匿难，本文提出了一种比较适合远距离测距方法： 伪码扩频信息帧测距方法。 ２伪码扩频信息帧测距方法原理 为了解决侧音测距及伪码测距，对于远距离测 距与提高测距精度的矛盾，我们提出了一种新的高 精度测距方法：伪码扩频信息帧测距。它是利用高 速伪码对信息进行扩频，一个信息位内填一个伪码 周期，每一帧信息内，利用帧同步作为测距标志信 息。它通过提高扩频码的码片速率来提高测距精 度，通过增加信息帧的长度来解决测距的距离模糊。 测距示意图如图ｌ示，前向、反内链路信息均采 用伪码扩频，每一信息位内填伪码的完整周期，前向 链路与反向链路的信息帧速率、信息速率及伪码速 率均相干。主站信息编帧、扩频后，利用前向链路发 送到副站上；副站应答机接收到前向链路信号后鳃 扩、解调、帧同步提取，得到前向链路的时钟信息及 帧同步信号；副 站应答机利用 它形成反向链 路的遥测帧、扩 频伪码，经扩频 后由反向链路 送回主站；主站 接收到反向链
３精度分析
３．１
时延测量精度分析
影响时延测量精度的主要因素是主站测距机接 收支路的测量随机误差和测距机零值系统误差、副 站应答机接收支路的测量随机误差和测距机零值系 统误差以及各种时间量化误差。 （１）接收机随机误差 影响接收机随机误差的主要因素是信号处理终 端的伪码跟踪精度。伪码跟踪采用目前比较先进的 窄相关数字匹配方案，这种方案易于数字化和集成 化，稳定性和一致性极好。采用这种处理方案，接收 机的码跟踪随机误差可以按下述经验公式计算：