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题名: 卫星转发系统码相位与载波相位同步测量与控制技术研究
作者: 荆文芳
答辩日期: 2014-05
导师: 卢晓春
专业: 测试计量技术及仪器
授予单位: 中国科学院大学
授予地点: 北京
学位: 博士
关键词: 卫星转发系统,时间同步,码和载波相位一致,测量与控制
其他题名: Research on the Measurement and Control Technology of Code-Carrier Phase Synchronization for Satellite Transfer System
部门归属: 导航与通信研究室
摘要: 卫星转发系统应用于导航领域时,码和载波相位同步是实现其高精度测距的一项关键技术。码和载波相位同步包括两方面的内容:一是卫星发射天线相位中心处伪码与卫星转发系统参考时间的同步;二是卫星发射天线相位中心处码和载波相位的一致。论文围绕这两方面的内容展开研究,对影响码和载波相位同步的误差因素进行了分析与仿真,给出了体现码和载波相位同步的参数测量方法和控制方法,并给出了验证卫星发射天线相位中心码和载波相位同步的方法。详细内容如下:1. 针对卫星发射天线相位中心伪码与卫星转发系统参考时间的同步,主要研究了以下内容:(1)对影响卫星发射天线相位中心伪码与卫星转发系统参考时间同步的因素进行了分析与仿真,给出采用不同工作频率,各影响因素的影响量值区间。结果表明空间传输时延可以通过模型计算得到精确补偿,卫星星历通过长时间的观测可得到其误差变化的规律,根据该规律予以补偿,相对论效应引起误差可以通过理论计算的方法得到修正,地面主控站设备时延的精度与测量方法息息相关,是影响该同步的一项关键因素。(2)根据卫星转发系统地面主控站(简称"主控站")设备组成特点,将其分为天线、射频和综合基带三个部分,对各组成部分的传输时延分段进行测量。天线时延又分为馈源网络时延、馈线传输时延和天线等光程时延,一旦天线设计装配完成,其时延比较稳定,根据不同时延的产生原理,文章提出采用理论计算和矢量网络分析仪结合的方法,获取天线的传输时延;综合基带设备可以通过内部不同工作链路自闭环的工作方式,对不同链路时延进行测量。射频链路时延受环境因素影响较大,是主控站设备时延的核心影响因素,文章采用示波器、矢量网络分析仪、综合基带三种测量方法对其进行测量。对三种测量方法的精度进行了比较,结果表明综合基带测量方法精度最高、矢量网络分析仪次之,示波器方法误差稍大。为了保证射频链路时延测量结果的可靠性和鲁棒性,文章提出采用加权平均法对三种方法的测量结果进行融合,并给出了融合计算的结果。2. 针对卫星发射天线相位中心码和载波相位的一致问题,主要研究了以下内容:(1)对卫星转发系统信号传输过程进行了深入分析,对不同传输节点信号的码和载波相位关系进行研究与仿真。结果表明影响码和载波相位一致的主要因素为电离层和卫星转发器本振的影响。(2)由于电离层对码和载波的延迟附加量量值相等、符号相反,是影响码和载波相位关系的一项主要因素,需要对电离层参数进行精确计算。文中给出了采用双频码相位观测量和载波相位观测量解算卫星转发系统电离层时延的计算公式;并给出了不同频率组合对影响电离层解算噪声因子的计算公式。(3)由于卫星转发器本振是影响码和载波相位一致的另一核心因素,论文采用卫星转发系统两个地面主控站对发信号,同时接收对方和本站发射信号的工作方式,对卫星转发器本振频率偏移量进行测量,根据实测数据,计算得到某颗在轨卫星的本振频率相对标称值偏移了近500Hz;结合上行多普勒因素的影响,得到地面主控站调整上行载波频率的预偏量。3. 卫星转发系统卫星发射天线相位中心伪码与卫星转发系统参考时间的同步和码和载波相位的一致最终均通过卫星发射天线相位中心码和载波的参数来体现和衡量,同时也是通过对码和载波的参数实施控制实现,根据以上分析、研究结果,文章给出了码和载波参数的修正量计算方法和控制方法,具体内容如下:(1)根据卫星发射天线相位中心伪码与卫星转发系统参考时间的同步和码和载波相位的一致两方面内容的研究结果,计算码和载波参数的修正量,并对其进行控制。由于形成修正量各参数的测量或计算误差,及系统中未考虑的其它因素,如时钟偏差、时钟漂移等影响,最终的修正量存在一定的误差,为了对该部分误差进行补偿,文章将卡尔曼滤波算法用于卫星转发系统,对码和载波参数修正量的补偿量进行预测,以实现卫星发射天线相位中心码和载波相位的严格同步。(2)为了精确实现码和载波相位的同步,需要根据引起同步偏差的因素对导航信号的码频率、码相位、载波频率、载波相位四个参量分别独立进行控制调整,文章给出了各参量的调整控制方法。码相位调整是实现卫星发射天线相位中心伪码与卫星转发系统参考时间同步关键点,也是难点,文章对码相位的补偿给出了详细的控制步骤和控制方法。由于接收机的码环带宽较窄,在发射端直接对码相位进行大幅调整将导致接收环路失锁,同时为了保证对细微调整量的精确调整,文章提出采用加入扰动对码频率进行微调方法实现对码相位的精确预偏,使码相位的调整更为精准,且能够保证码相位的连续。4. 采用监测接收机对码和载波相位的同步关系进行验证。监测接收机与主控站时频参考保持同步,以消去监测接收机与主控站的钟差影响;经过反算电离层的影响,将监测接收机码和载波相位观测量推算到卫星发射天线相位中心,采用码载比率差值与绝对偏差结果对码和载波相位的一致性进行验证。
语种: 中文
内容类型: 学位论文
URI标识: http://210.72.145.45/handle/361003/7281
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荆文芳. 卫星转发系统码相位与载波相位同步测量与控制技术研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2014.
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