[发明专利]一种基于FPGA的侧音测距中的测距音处理方法

说明书

本发明公开了一种基于FPGA的侧音测距中的测距音处理方法，属于电子测试测量领域，主要采用FPGA完成测距音的生成、测距音的接收以及发射与接收音相位差的计算。本发明采用双通道测距音处理技术，在捕获阶段使用2MSPS低采样率的主音与次音同时工作的发射通道与接收通道，可解决Hz级低频原始音恢复时FPGA资源难以满足的问题，同时确保对高速运动卫星的捕获不产生相位模糊；在跟踪阶段使用100MSPS高采样率的主音发射通道与接收通道，单次测量精度可达到10ns，提高了跟踪速率与测量精度；采用周期平均的相差测试方法生成相差，降低了两个单音频间相差计算的复杂度，此方法适用于所有侧音测距标准的实现，应用范围广。

技术领域

本发明属于电子测试测量领域，具体涉及一种基于FPGA的侧音测距中的测距音处理方法。

背景技术

当前，侧音测距法与伪码测距法是地面在对卫星与航天器进行距离测量时最常用的两种测距方法，其中，侧音测距法由于具备测量速度快、测试精度高、所需信号带宽窄等特点，在测距中应用十分广泛。在侧音测距法中，又有多个测距标准，包括INMARSAT、ESA、ESA-like等，这些测距标准都是基于测距音来进行距离解算，只是为了针对不同的测量距离或测试速度的应用，所采用的测距音频率与个数有所区别。侧音测距法是通过在发射端发测距音、同时在接收端接收解调并恢复出测距音，发射音与接收音的相位延时即对应信号在地面与卫星间往返一次传输的时间，再根据电磁波的传输速率(光速)即可折算出地面与卫星间的距离，测距音的相位差与距离的关系示意图如图1所示。

由于测距精度取决于测距音的相位精度，为了提高相位分辨率，需要提高发射音的频率与采样率，但由于测距音的周期时间必须大于电磁波往返一次的传输时间，为了扩大测试距离，又需要降低发射音的频率提高其周期时间，为了解决这一矛盾，侧音测距标准都规定了一组测距音，包含了频率较高的主音与一组频率较低的次音，同时将测距过程分为距离捕获与距离跟踪两个阶段，如图2所示。在距离捕获阶段，按时间顺序依次发射次音(可同时发射主音)，最低频的次音保证最长的测试距离，中间增加的一组次音使得在距离捕获过程中不至于频率跳跃太大，次音频率连续温和增加不容易产生相位模糊问题，捕获阶段对距离测量精度要求不高；在距离跟踪阶段，利用高频的主音保证测距精度，可连续跟踪测量。例如，ESA测距标准的测距音分别为：主音100kHz，次音分别为20kHz、4kHz、800Hz、160Hz、32Hz、8Hz，其测试距离取决于8Hz，最长可达到18750km。为了解决低的调制音频率在解调端同步时间过长的问题，在实际发射时，将低频的次音混频到高频的折叠音，在接收端再恢复出低频原始次音，ESA的实际发射的折叠音分别为：100kHz、20kHz、16kHz(4kHz原始音与20kHz混频生成)、16.8kHz(800Hz原始音与16kHz混频)、16.16kHz(160Hz原始音与16kHz混频)、16.032kHz(32Hz原始音与16kHz混频)、16.008kHz(8Hz原始音与16kHz混频)。在发折叠音时可不同时发射100kHz的主音，但这样会导致在对于动态卫星的测距中，由于无法通过连续的主音跟踪距离的变化，容易导致相位模糊，从而导致距离计算出现大的误差。