临近空间飞行器交会对接地面仿真技术研究

曹振宁，孙琳琳

（南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏南京210094）

两个航天器在空间进行交会对接的过程，实际上是精确测量与控制的过程。测量系统的作用是适时向制导、导航和控制系统提供两航天器之间的相对运动信息，如两航天器之间的相对位置、相对速度、相对姿态以及它们的变化率。过程要确保高精度、多自由度控制，同时还要保证任何情况下两个航天器不能发生碰撞。

目前的研究方法基本都是通过地面仿真进行各种控制方案的可行性研究，选择最佳方案，然后再对它的硬件进行半实物和全物理系统仿真实验，确保系统的技术性能和可靠性完全达到合格的上天要求。本课题主要涉及的是两个航天器之间的测量与通信。

1 参数模拟

1.1 初始距离

距离的模拟通过在基准时刻的控制下，调整信号的发送延时模拟收发信号间的距离变化来实现。在微波雷达中，信号的码元速率为10.23 Mcps，码片周期对应的传播距离为：

考虑到模拟精度为0.005 m，不能直接采用系统时钟的调整实现距离的动态模拟，需要通过码片内相位的调整实现距离模拟，模拟精度对应的码片内的相位精度为：

可以看出，为达到0.005 m级精度，需将码片分为5 866个子码片，至少采用13位量化。由于采用子码片来调整输出信号的延时，使得输出信号对齐的秒脉冲与实际接收信号存在最大半个主时钟的差异。实际中，使用Chip相位和码片内相位（16位量化）共同决定输出伪距。通过底层寄存器控制，设定初始距离。

1.2 速度模拟

为了保证测量精度，速度的测量采用信号的多普勒实现，速度的模拟精度取决于多普勒频移的模拟精度，根据多普勒频移与速度的关系，保证0.001 m/s的速度模拟精度对应的频率模拟精度为：

考虑到系统时钟为82 MHz，根据计算至少采用30位量化。实际实现中，使用32位的码元多普勒量化来模拟多普勒变化。

1.3 角度与载波相位

根据要求，角度的模拟精度为0.005°，角速度的模拟精度为0.000 1°/s，显然应选择角度的模拟精度为0.000 1°。

根据系统设计，天线阵的基线长为λ、13λ。那么，在70°方向上，角度偏差0.000 1°时，天线间的距离变化最小，此时，λ基线下天线间相对距离变化对应的相位变化为：

即，相位的模拟至少需要21位量化精度。

2 仿真场景

此部分包括预先设定静态场景与动态场景。静态参数的模拟主要包括：固定的距离、速度、角度模拟。各发送通道预先设定固定的码元和载波多普勒，则该模拟就可实现。

动态场景主要考虑航天器动态、天线面跟踪移动、天线布局方向图增益等多种因素对主辅机测量的影响。其配置途径分别为：

1）由外部输入或本地产生的一组序列，生成由该序列描述的空间轨迹，该序列中的采样点描述了飞行器的空间位置；

2）由外部输入或本地产生运动特性参数，生成指定的动态场景。

天线布局和方位图增益包含两种情况:

1）单馈源方向图数据，应用于初捕获阶段，主要为角度增益数据；

2）干涉仪阵型数据，包括多幅天线的布局数据，每副天线的角度增益数据，应用于扩频通信阶段。

此外，动态模拟需要考虑以下的影响：

1）动态数据的实时性影响模拟，须在有限的离散间隔内完成获取、运算和控制。

2）当两个航天器距离较近时，在角度测量模拟时，应考虑距离“三角形”关系。

3）运动模拟中修正码元多普勒和载波多普勒间隔将直接影响到模拟精度。

4）为了减小码元多普勒及载波多普勒的结尾误差长时间造成的积累误差，需要在一定时间（s级）进行离散误差的修正。

3 模拟误差分析与模拟仿真

3.1 距离误差分析

静态信号模拟误差主要由硬件电路设计的信号分辨率引起，由设计中信号表示有效位数的选取决定，考虑到非同步点的累积效应，拟采用40位表示载波和码元速率。

根据系统的工作频率和载波频率以及码元速率的表示，静态误差分别为：

码元速率误差：

考虑扩频码元相位的误差为：

对于非准确频率点，静态信号1S时的最大理论累计测量误差为0.005 5 ns，约0.001 65 m。系统的最大误差不超过0.001 65 m，远小于测量精度的要求，满足测试的需求。

对于动态误差，由于误差的随机性与实时误差修正技术，消除了设置误差带来的影响，相对于静态误差，动态误差可以忽略不计。

综上，采用载波或者码片测量时，系统的设计均可以保证信号的误差不超过0.005 m。

3.2 速度误差分析

因为速度测量主要由多普勒积分实现，模拟信号的相位差直接影响信号速度的测量。

根据系统设计，载波频率误差为：

故在30 GHz频段上，最终的测速误差为：

显然，在采用多普勒测速的情况下，也可以保证速度模拟误差优于0.001 m/s。

3.3 角度与角速度误差分析

角度与角速度的模拟误差由载波相位的误差决定，系统的载波相位误差为：

对应角度模拟误差约为：5.48×10-8∘。

3.4 载波与码元动态关联仿真结果

系统的同源时钟让载波和码元频率严格对应，因此可以使用载波多普勒为基础计算码元多普勒，减小参数计算单元的交互数据量。

载波多普勒量化精度与载波NCO一致，考虑到实际的载波多普勒精度，仿真和实现中均采用32位表示，频率表示范围约为±160 kHz。

载波多普勒到码钟多普勒的比例因子采用16位表示，根据计算为51 300，计算结果通过定标完成码钟多普勒的计算。

根据系统采样时钟，可以计算出载波和码钟多普勒的量化精度优于0.000 075 Hz。

图1 引入距离误差后的仿真结果

图1和图2分别给出了码钟多普勒引入距离误差和角度误差的统计仿真结果。

图3和图4分别给出了接收端拟合的距离和角度误差统计仿真结果。

3.4.1 实时误差修正下的系统性能

根据图1、图2，随着更新时间的增加，仿真的信号的角度误差和距离误差也在累加。因为实际的仿真时间要大于2个小时。根据100 ms的仿真数据，2小时后的距离误差的标准差超过了50 m，不能满足系统要求。

图2 引入角度误差后的仿真结果

图3 接收端引入角度误差仿真结果

图4 接收端引入距离误差仿真结果

实际上，载波和码钟的多普勒由应答机与主机的相对距离计算获得的，在不同的仿真轨迹点可以进行距离补偿实现长时间仿真累积误差的消除。图5和6给出了10 ms更新时间下采用实时误差校正时载波多普勒引入角度误差和码钟多普勒引入的距离误差标准差统计仿真曲线。

图5 10 ms更新时间下距离误差

图6 10 ms更新时间下的角度误差

图7 10 ms更新时间下码钟多普勒独立采用实时误差校正

由图可见，实时误差修正下消除了载波多普勒引入角度误差的时间累积，但码钟多普勒[17-18]引入距离误差仍有一定的累积效应。因为实时误差校正主要针对距离误差对载波相位的影响，故这里需要进行码元多普勒的单独计算。

3.4.2 载波与码元动态非关联仿真

图7给出了10 ms更新时间下码钟多普勒独立采用实时误差校正时引入的距离误差统计仿真的标准差曲线。

显然，针对码元相位直接修正，消除了长时间累积的影响，实现了长时间仿真时距离仿真误差不累积。

4 结束语

临近空间飞行器的发展对于未来空天一体化作战、防空防天反导都将产生革命性的影响。而系统仿真是研究交会系统的重要手段。文中讨论了交会对接之中主辅机之间的距离、速度、角度等参数的模拟方案，并描述了仿真的场景，进行了误差的分析。

实验结果表明，采用比例因子关联载波与码元动态的方案具有较高的模拟精度，但模拟误差不能完全消除，故为了兼顾载波相位和码元相位的模拟精度，采用直接计算载波与码元动态的方案，利用模拟距离计算载波和码元动态，并加入动态补偿，消除了结尾误差的影响，证明了方案的可靠性。

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