雙通道抗模糊測距方法研究

邸成良，殷娣娣

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081； 2.國網河北省電力公司信息通信分公司，河北 石家莊 050021)

雙通道抗模糊測距方法研究

邸成良1，殷娣娣2

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081； 2.國網河北省電力公司信息通信分公司，河北 石家莊 050021)

航空航天測控系統中，相干測距和非相干測距均存在距離模糊問題，限制了其有效測距范圍。針對這一問題提出了在雙通道抗模糊測距方案，利用2個通道的測距差值解測距模糊，對測距范圍、測距精度和測距周期等指標之間的耦合關系進行了分析。分析結果表明，雙通道測距方法有效地解決了測距模糊問題，在很大程度上擴大了測控系統的測距范圍。

雙通道；距離模糊；相干測距；非相干測距

0 引言

在航空航天測控系統中，通常需要對飛行器進行通信、跟蹤測距測角[1]，用于實時監控飛行器的運行狀態以及空間位置[2]。對于測控系統的測距功能，一般用上下行無線電信號傳播時延來確定[3]，包含相干測距與非相干測距2種方式[4]，相干測距中上下行信號相同或相似[5]，非相干測距上下行信號可以相互獨立[6]。然而，無論是哪種測距方式，在單一測距體制下，其最大不模糊的測量距離都是有限的，可將這一距離稱為整數周期距離。當飛行器與地面站之間距離超過這一距離后，其測距值將產生模糊[7]，即無法判斷實際間距包含多少個整數周期距離。為了擴大測控系統的測距范圍，通常采用多個測距單元協作，確定測距整數周期數量，從而達到解測距模糊的目的。據此，解模糊策略也成為測控系統測距的關鍵問題之一[8]。

由于測距系統中都存在測距誤差，當前對于解算距離模糊一般都是基于優化算法的[9]，如余數定理法、模糊函數法[10]和最小二乘法[11]等。其中，余數定理法比較簡單，對于理想模型較為實用，但對于參數的輕微誤差敏感，容差性能差。模糊函數法則是基于逐點搜索計算、最優點判斷的搜索算法，其搜索時間較長。最小二乘法具有運算量小、求解速度快的特點[12]，但需要多個測距單元協同工作。基于以上考慮，探索研究一種簡單、快速且可靠的解模糊算法就顯得尤為重要。為此，開展了雙通道抗模糊測距的方法研究。雙通道測距中模糊距離的確定通過2個通道測距余量的差值進行判別，然后利用查表法確定最終的測距值。此外，還對查表法進行了擬合優化，大幅減小了查表工作量。雙通道測距方法可以同時滿足工程應用中測距過程對大范圍測量與小計算量的需求。

1 雙通道測距原理

相干測距與非相干測距通常以無線信道幀幀頭作為測距脈沖，上下行信號的測距脈沖周期與幀頻率直接相關[13]，而固定的脈沖周期決定了最大無模糊延時為脈沖周期的1/2，進而可以確定最大無模糊測距距離(可稱為測距整數周期距離)。當測控站與飛行器之間的距離超過一個整數周期距離后，單一通道測距只能得到一個相對測量值，稱為測距余量值。

假設在雙通道測距系統中地面站與飛行器之間的間距為X，A通道的最大無模糊測距距離為PA，在測距時間T時刻，A通道測距余量值為ΔxA；相應的，B通道的最大無模糊測距距離為PB，測距余量值為ΔxB，則間距X可表示為：

X=PA·n1+ΔxA，

(1)

X=PB·n2+ΔxB。

(2)

式中，n1和n2為非負整數，對應A通道和B通道測距的整數周期距離數量。

在設計雙通道測距系統中，PA和PB的值可以通過配置上下行幀頻來改變，假設PA

圖1 PA和PB分割間距X示意

在數軸上某個子區間內(如數軸上黑色點位)將對應唯一的一組n1，n2和X值，在整個數軸上所有子區間內，這3個參數與ΔxA-ΔxB的對應關系如表1所示。通過式(1)和式(2)可得：

ΔxA-ΔxB=PB·n2-PA·n1。

(3)

對比圖1和表1可知，0～(N1·PA)，每個子區間內都對應唯一的(n1,n2)值。在該范圍內，通過式(3)又可以確定唯一的ΔxA-ΔxB值。因此，在實際測距過程中，通過2步計算間距X：① 分別得到2個通道的測距余量值ΔxA和ΔxB，計算二者的差值，一般測距航空航天測距精度優于幾十米量級[14]，因此ΔxA-ΔxB的精度也為幾十米量級；② 通過查詢表1確定n1，n2的值[15]，再通過式(1)和式(2)確定實際間距X。總之，就是得到ΔxA-ΔxB的值后，即可在0～(N1·PA)確定實際間距X的值。

表1 測距過程多參數關系

由以上分析可以得出：雙通道測距范圍比A通道擴大了N1倍，比B通道擴大了N2倍，通過合理配置參數PA和PB可以使雙通道測距過程無模糊距離大幅度擴大。而且，在后續仿真過程中，還將對查表法進行優化，縮小查表法的計算量。

此外，在計算間距X過程中，最關鍵的步驟就是確定n1和n2的數值，除這2個參數外，還需要注意的是PA和PB的最大公約數(GreatestCommonDivisor，GCD)。將表1中的ΔxA-ΔxB的值按照從小到大的順序排列后可以形成等差數列[16]，這個等差數列的增量等于PA與PB的最大公約數。如果最大公約數的值比ΔxA-ΔxB的檢測精度還要低，那查表后將無法確定n1和n2的值，換言之，PA和PB的最大公約數要遠大于單通道的測距精度，一個合理的取值應該是ΔxA或ΔxB的檢測精度的10倍，即百米量級。

綜合以上分析，可以得出：理想情況下，PA和PB的最小公倍數決定了最大無模糊測距范圍，而PA和PB的最大公約數則關乎能否成功通過ΔxA-ΔxB的值查表得到n1和n2的值。在實際應用中，LCM和GCD的值最終決定于上下行無線信號的幀頻，LCM和GCD之間呈反比，不可能同時增大。因此應根據實際情況合理設計信號幀頻。

2 雙通道測距仿真分析

設計雙通道抗模糊測距方法的首要問題是確定A通道和B通道的無模糊距離PA和PB。假設PA和PB分別為2 800km和3 000km。二者的最小公倍數為42 000km，最大公約數為200km(為了作圖效果，最大公約數遠遠大于測距精度)。ΔxA和ΔxB的值等于實際間距X對PA和PB求余數。在整個數軸上，ΔxA和ΔxB的數值變化情況如圖2所示。

圖2 ΔxA和ΔxB在數軸上分布示意

圖3 ΔxA-ΔxB在數軸上分布示意

(4)

確定n1,n2值后，將2個通道的測距余量值ΔxA和ΔxB代入式(1)和式(2)，可以得到A通道和B通道的無模糊距離XA和XB。最終系統的測距值取二者的均值，

X=1/2·XA+1/2·XB。

(5)

由誤差理論可知，若XA和XB為獨立同分布，則式(5)中X的期望與XA和XB相同，而方差可以減小一半，一定程度上提升了系統精度。

仿真分析表明，通過合理地設置單通道的測距無模糊測距PA和PB的值，可以有效擴大測量范圍。本文所用數值為PA=2 800km，PB=3 000km，最大測量范圍可以提升至42 000km，滿足衛星的測距要求。在深空通信測距中距離探測需求會大大提升，這種情況下只需要將PA和PB設計的更加接近，則可以大大提升測距范圍[17]。如取PA=2 990km，PB=3 000km，則二者最小公倍數即測距距離可以達到897 000km，超過了地月之間的探測距離。

3 結束語

單通道測距中，最大無模糊距離小，限制了其測距范圍。本文所述的雙通道抗模糊測距的方法可以有效擴大航空航天系統中的測距范圍。理論推導表明，擴大測量范圍的雙通道測距方法中有A通道和B通道的測距余量PA和PB這2個重要參數。二者的LCM決定了間距X的測量范圍，二者的GCD共同決定了測距系統的精度容差。測距范圍和精度容差不能同時提高，應根據實際需求對PA和PB參數進行配置。此外，仿真分析還表明，所述的雙通道測距解模糊方法具有解算簡單、計算量小的優點，這將有利于測距系統的工程實現。

[1] 于志堅.我國航天測控系統的現狀與發展[J].中國工程科學，2006，8(10)：42-46.

[2]WARNICKKF,MAASKANTR,IVASHINAMV,etal.High-sensitivityPhasedArrayReceiversforRadioAstronomy[C]∥ProceedingsoftheIEEE,2016,104(3):607-622.

[3] 樓德侃，李志強，南海濤.DS/FH信號的測速測距性能分析[J].無線電通信技術，2013，39(3)：64-66.

[4]OLSENKE,CHRISTIANSENJM.RangeandDopplerWalkinDVB-TBasedPassiveBistaticRadar[C]∥Proc.ofIEEERadarConference,2010,29(16):620-626.

[5] 吳 軍，洪光烈，何志平，等.一種大測距動態范圍高重頻相干測距測速激光雷達(I)：體制及性能[J].紅外與毫米波學報，2014，33(6)：680-690.

[6] 周 侃，張 娜，高紅濤.非相干測距技術在無人機測控中的應用[J].無線電工程，2006，36(8)：28-29.

[7]KRICHELNJ,MCCARTHYA,BULLERGS.ResolvingRangeAmbiguityinaPhotonCountingDepthImagerOperatingatKilometerDistances[J].Opticsexpress,2010,18(9):9 192-9 206.

[8] 樂 意，許賢澤，李忠兵，等.基于超定方程組的相位激光測距解模糊算法[J].儀器儀表學報，2012，33(4)：930-935.

[9] 彭王奇，馬 宏，王元欽.雙頻偽碼測距快速求解模糊度方法的仿真研究[J].裝備指揮技術學院學報，2006，17(4)：87-91.

[10] 薛 飛，孫洪忠.雷達導引頭解距離模糊算法分析與仿真[J].現代電子技術，2010，21(4)：57-60.

[11] 鄒見效，王厚軍，舒 軍，等.一種基于最小二乘法的FPN與規則權值優化新方法[J].電子測量與儀器學報，2010，24(7)：667-672.

[12] 魏紹亮，陳一民.基于最小二乘法的超聲波傳感器擬合與測距實現研究[J].信號與系統，2004，7(4)：30-33.

[13] 于起峰，李 強，雷志輝，等.基于序列圖像的無人機自測速方法與試驗[J].航空學報，2009，30(8)：1 503-1 507.

[14] 王世練，路 軍，張爾揚.基于星間無線電測距的衛星自主定軌與導航[J].宇航學報，2002，23(1)：69-72.

[15] 周 閏，高梅國，韓月秋.余差查表法解多目標距離模糊算法[J].北京理工大學學報，2002，22(2)：221-223.

[16]DIC,YANW,HUS,etal.Moiré-basedAbsoluteInterferometrywithLargeMeasurementRangeinWafer-maskAlignment[J].IEEEPhotonicsTechnologyLetters,2015,27(4):435-438.

[17] 李 勇，師民祥.12m深空組陣天線設計與工程實現[J].無線電通信技術，2015，41(5)：60-63.

邸成良 男，(1988—)，博士，工程師。主要研究方向：無人機測控。

殷娣娣 女，(1987—)，碩士，助理工程師。主要研究方向：智能電網通信。

Research on Dual-channel Anti-ambiguity Ranging Method

DI Cheng-liang1,YIN Di-di2

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China; 2.StateGridHebeiInformationandTelecommunicationBranch,ShijiazhuangHebei050021,China)

In aerospace TT&C system,both coherent and incoherent ranging methods undergo the range ambiguity problem,which limits their effective ranging scope.To solve this ambiguity problem,a dual-channel anti-ambiguity method is proposed.In this method,the difference value between two channels is used to solve the ranging ambiguity.Further on,the coupling relationships within ranging scope,ranging resolution and ranging period are analyzed in detail.Analysis results show that the ambiguity problem could be solved by dual-channel ranging method,and at the same time,the ranging scope would be expanded in a great level.

dual-channel;range ambiguity;coherent ranging;incoherent ranging

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.05.14

邸成良,殷娣娣.雙通道抗模糊測距方法研究[J].無線電工程,2017,47(5):58-61.[DI Chengliang,YIN Didi.Research on Dual-channel Anti-ambiguity Ranging Method[J].Radio Engineering,2017,47(5):58-61.]

2017-02-08

河北省自然科學基金資助項目(F2014210123)。

TN911.7

A

1003-3106(2017)05-0058-04