一种卫星转发器绝对时延的测试方法

摘要

一种卫星转发器绝对时延的测试方法，首先用角度调制微波信号源输出角度调制微波信号，然后将角度调制微波信号功分成两路，一路信号通过衰减器输入到卫星转发器入口，另一路信号作为一个A/D转换器的输入，卫星转发器的输出信号通过大功率衰减器后输入到另外一个A/D转换器。两个A/D转换器使用同一个参考时钟同步采样数据，然后对两路A/D采样后的数据分别进行角度调制信号的解调，得到两路A/D采样信号的基带信号，对这两路基带低频周期信号进行比相，得到用采样点序号差值表示的两路基带信号之间的绝对时延，该采样点数目乘以采样周期即就是包含电缆及衰减器的卫星转发器绝对时延，扣除衰减器和连接电缆的时延校准值后即为卫星转发器的绝对时延。

权利要求

1.一种卫星转发器绝对时延的测试方法，其特征在于步骤如下：

(1)用角度调制微波信号源产生角度调制微波信号，所述角度调制微波信号的中心频率为卫星转发器的中心频率，信号调制方式为窄带调频调制或者窄带调相调制，调制所使用的基带信号为周期低频信号；

(2)将角度调制微波信号功分成两路，一路角度调制微波信号经衰减后送至卫星转发器的输入端，卫星转发器的输出信号经衰减后作为第一A/D转换器的输入，另一路角度调制微波信号作为第二A/D转换器的输入；

(3)采用同一个参考时钟控制两个A/D转换器同步采样数据，A/D转换器的采样频率高于两个A/D转换器输入信号中频率较高信号频率的两倍；

(4)对两个A/D转换器输出的角度调制信号分别进行解调，得到两路A/D采样信号的基带信号，对两路基带信号进行比相，得到用采样点序号差值表示的两路基带信号之间的绝对时延；

(5)用采样点序号的差值乘以采样周期，再扣除衰减器和连接电缆的时延校准值，即可得到用时间表示的卫星转发器绝对时延。

说明书

一种卫星转发器绝对时延的测试方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种新型的卫星转发器绝对时延的测试方法，用于导航卫星地面测试过程中转发式导航信号卫星转发器绝对时延的精密测量，也可用于通信卫星转发器、模拟变频器的绝对时延精密标定。

背景技术

[0002] 卫星导航系统可发送高精度、全天时、全天候的导航、定位和授时信息，是当今国民经济和国防建设不可或缺的重要空间基础设施。卫星导航定位系统在众多领域应用非常广泛，包括：航空导航、海上导航、陆上导航；航天器测控定位；地图测绘、建立地理信息系统(GIS)；时间传递；电离层对流层气象学研究应用等方面。卫星导航定位系统提供的全球无缝服务的价值是无法衡量的，其应用已形成庞大的卫星导航产业。为了建立独立自主的中国卫星导航系统，避免受制于人的局面，我国正在加速进行卫星导航系统研制建设。目前，我国已经建立了一套基于转发器方式的卫星导航系统，并在众多领域得到了应用，而且，在未来我国导航卫星系统的研制建设中，仍然将转发器方式卫星导航系统作为一种备份和功能的冗余方式。卫星导航是用无线电波传输时间来计算伪距，转发式卫星导航系统的传输路径为中心站-卫星转发器-用户，用户接收机测量得到的时延是一个全路径的组合时延，因此必须扣除上行注入设备、上行空间时延、卫星转发器时延及接收机时延，才能得到实际卫星与用户接收机之间的星地时延，从而得到实际的星地距离。导航卫星转发器的绝对时延测量是卫星导航系统实现精确定位应用的一个重要方面，其测量精度将直接影响用户的测距精度。

[0003] 卫星转发器主要包括上行信号接收、信号变频和放大。由于卫星转发器的输入信号频率和输出信号频率不一致，无法直接采用矢量网络分析仪的测试方法进行高精度时延测试。现有的卫星转发器绝对时延获取方法是：转发器输入端或输出端的链路中串入一个专用精密时延测试变频器，然后将转发器测试变频器组合链路接入到矢量网络分析仪的两个测试端口，测试变频器的本振信号采用卫星转发器中变频电路的本振信号，以此保证矢量网络分析仪所接入的两个测试端口信号频率一致。这种方法需要从卫星本体引出参考信号作为测试变频器的本振信号，而在整星状态下，导航卫星不提供参考信号输出测试口，因此，导航卫星在整星测试过程中不能使用现有方法进行转发器绝对时延的测试，只能在单机和分系统阶段才能测试，由此又导致无法在导航卫星的整星各个阶段测试和评估转发器绝对时延的状态。另外，现有方法需要精密时延测试变频器，如果卫星转发器的输入/输出频率波段发生变化，需要更换适合新频率变换关系的精密时延测试变频器，因此对测试设备的要求较高，精密时延测试变频器的接入也会引入测量误差。

发明内容

[0004] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种占用硬件资源少、测量精度高、实现简便的卫星转发器绝对时延的测试方法。

[0005] 本发明的技术解决方案是：一种卫星转发器绝对时延测试方法，步骤如下：

[0006] (1)用角度调制微波信号源产生角度调制微波信号，所述角度调制微波信号的中心频率为卫星转发器的中心频率，信号调制方式为窄带调频调制或者窄带调相调制，调制所使用的基带信号为周期低频信号；

[0007] (2)将角度调制微波信号功分成两路，一路角度调制微波信号经衰减后送至卫星转发器的输入端，卫星转发器的输出信号经衰减后作为第一A/D转换器的输入，另一路角度调制微波信号作为第二A/D转换器的输入；

[0008] (3)采用同一个参考时钟控制两个A/D转换器同步采样数据，A/D转换器的采样频率高于两个A/D转换器输入信号中频率较高信号频率的两倍；

[0009] (4)对两个A/D转换器输出的角度调制信号分别进行解调，得到两路A/D采样信号的基带信号，对两路基带信号进行比相，得到用采样点序号差值表示的两路基带信号之间的绝对时延；

[0010] (5)用采样点序号的差值乘以采样周期，再扣除衰减器和连接电缆的时延校准值，即可得到用时间表示的卫星转发器绝对时延。

[0011] 本发明与现有的传统技术相比的优点在于：

[0012] (1)卫星在整星状态不能提供用于时延测试变频器本振的参考信号，而本发明方法不需要从卫星本体引出参考信号，因此可以满足整星状态地面测试过程中各阶段测试需要，解决了卫星转发器在整星状态无法精密测量转发器绝对时延的难题；

[0013] (2)本发明方法不需要引入对应频率变换关系的测试变频器，测试灵活，方便，而且不会引入测试变频器校准误差所带来的测量误差；

[0014] (3)本发明方法采用数字域进行信号处理，每个采样点的序号是可以明确的，这样信号的处理过程中不存在信号处理时延所引入的测量误差；

[0015] (4)本发明方法是对卫星转发器输入输出的微波调制信号进行高速微波直接采样，理论的测量精度取决于采样频率，而本发明方法中采样频率高于微波调制信号频率的两倍以上，因此本发明方法的测量精度高。

[0016] 本发明方法能够满足导航卫星地面测试过程中转发式导航信号卫星转发器绝对时延的精密测量要求，也可以满足通信卫星转发器、模拟变频器的绝对时延精密标定。

附图说明

[0017] 图1为本发明方法的流程框图；

[0018] 图2为本发明实施例中模拟微波调制信号源的基带调制低频信号波形；

[0019] 图3为本发明实施例中模拟转发器的输入信号频谱；

[0020] 图4为本发明实施例中模拟转发器的输出信号频谱；

[0021] 图5为本发明实施例中模拟转发器的输入输出信号解调后的基带波形；

[0022] 图6为本发明实施例中模拟转发器输出电缆延长10米后输入输出信号解调后的基带波形。

具体实施方式

[0023] 如图1所示，为本发明方法的流程框图。本发明方法主要包括角度调制微波信号产生、高速双通道A/D同步采样和数字域信号处理三个部分。角度调制微波信号用于模拟以转发器输入中心频率为载波频率的窄带调频或调相微波信号，高速双通道A/D对卫星转发器上行和下行的微波调制信号进行高速同步采样，随后对采样后的数据进行数字信号处理得到卫星转发器绝对时延。

[0024] (1)用角度调制微波信号源产生角度调制微波信号，所述角度调制微波信号的中心频率为卫星转发器的中心频率，信号调制方式为窄带调频调制或者窄带调相调制，调制所使用的基带信号为周期低频信号，频率范围1KHz～1MHz；

[0025] (2)将角度调制微波信号功分成两路，一路角度调制微波信号经衰减后送至卫星转发器的输入端，卫星转发器的输出信号经衰减后作为第一A/D转换器的输入，另一路角度调制微波信号作为第二A/D转换器的输入；

[0026] (3)采用同一个参考时钟控制两个A/D转换器同步采样数据，A/D转换器的采样频率高于两个A/D转换器输入信号中频率较高信号频率的两倍；

[0027] (4)在数字域，对采样后的数据分别进行角度调制信号的解调，分别得到两路A/D采样信号的基带低频周期信号，对这两个周期低频信号进行比相。

[0028] 假定卫星转发器输入信号对应的解调后基带低频周期信号过零点的序号为N1，卫星转发器输出信号对应的解调后基带低频周期信号过零点的序号为N2，则包含电缆及衰减器的卫星转发器绝对时延为(N2-N1)×T，这里T为A/D的采样周期，T＝1/fs，fs为A/D采样频率。

[0029] (5)根据衰减器、连接电缆的时延校准值，进行数据计算，得到实际卫星转发器的绝对时延。

[0030] 测试中可能产生的误差因素分析如下：

[0031] 1、高速A/D参考时钟的准确度。在数据处理中，对A/D两个通道采样点进行差分处理，从而消除了A/D参考时钟的准确度误差，误差仅取决于参考时钟的短期稳定度，假定参考时钟秒稳定度可达1e-10，则1ms的测量数据，造成的测量误差为2e-15s，该误差可忽略。

[0032] 2、测试电缆时延标校误差：采用矢量网络分析器校正电缆时延，标校误差小于0.1ns。

[0033] 3、A/D采样器的时间分辨率误差，该误差量为采样周期。

[0034] 4、考虑到环境温度和测试设备转接头的影响因素，测量误差小于0.1ns。

[0035] 综合上述测量误差分析，总的测试误差小于(0.2ns+A/D采样周期)。

[0036] 实施例

[0037] 用一个可以实现模拟调频调制的微波信号源产生一个调频信号，载波频率1615.7MHz，基带调制信号为1MHz的正弦波，调制信号的频率偏移量为200KHz，A/D数据采样率20GSa/s，采样数据长度为0.1ms，模拟转发器输入中心频率为1615.7MHz，下行频率为
3950.3MHz，用本方法进行处理。

[0038] 频率为1MHz的模拟微波调制信号源的基带调制低频正弦信号幅度归一化的时域波形如图2所示。用1MHz的基带低频正弦信号对中心频率为1615.7MHz的微波进行调频(FM)调制，调制的频率偏移量200KHz，高速A/D采样后的卫星上行信号数据的频谱如图3所示。卫星转发器输出信号的中心频率为3950.3MHz，另一个A/D对卫星转发器输出后的信号进行采样，采样后的数据频谱如图4所示。

[0039] 在数字域，对采样后的数据分别进行角度调制信号的解调，分别得到转发器输入和输出信号中的基带低频正弦信号，两个低频正弦信号幅度归一化的时域图如图5所示，对这两个周期低频信号进行比相，从图中可以得到两个低频正弦信号之间的延时为14874个样本点，对应时间长度为14874/20＝743.7ns。

[0040] 在导航信号源输出中，增加一根用矢量网络分析仪标校的测试电缆，该测试电缆时延为41.3ns，重复以上描述方法，这时两个低频正弦信号之间的延时为15696个样本点，对应时间长度为15696/20＝784.8ns，增加量为41.1ns，与标校电缆时延基本一致。

[0041] 本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。