对目标飞行物测距方法及系统
阅读说明：本技术 对目标飞行物测距方法及系统 (Method and system for measuring distance of target flying object ) 是由 董玮 李彦玮 郭涛涛 其他发明人请求不公开姓名 于 2020-12-01 设计创作，主要内容包括：本发明涉及高空飞行物测距领域,提供一种对目标飞行物测距方法及系统,所述方法包括：步骤S1：地面设备将测距询问脉冲加载到第一微波上,并向目标飞行物发送第一微波；步骤S2：目标飞行物上的发射系统每隔预定时间发送第二微波,在未发送第二微波期间接收第一微波；发射系统接收到第一微波后,检测到测距询问脉冲,根据测距询问脉冲生成帧数据并组装成数据组帧,将数组组帧加载到第二微波上,将第二微波传回地面设备；步骤S3：地面设备接收并处理第二微波,提取数据组帧并获取帧数据,通过帧数据计算出地面设备与目标飞行物的距离；第一微波和第二微波的频率相等。本发明通过数字信号处理技术能够精确计算出目标飞行物的距离。(The invention relates to the field of high-altitude flying object ranging, and provides a method and a system for ranging a target flying object, wherein the method comprises the following steps: step S1: the ground equipment loads the ranging inquiry pulse to the first microwave and sends the first microwave to the target flying object; step S2: the transmitting system on the target flying object transmits second microwaves at preset time intervals and receives the first microwaves during the period of not transmitting the second microwaves; after receiving the first microwave, the transmitting system detects a ranging inquiry pulse, generates frame data according to the ranging inquiry pulse, assembles the frame data into a data group frame, loads the data group frame on a second microwave, and transmits the second microwave back to the ground equipment; step S3: the ground equipment receives and processes the second microwave, extracts data framing and acquires frame data, and calculates the distance between the ground equipment and the target flying object according to the frame data; the first microwave and the second microwave have the same frequency. The invention can accurately calculate the distance of the target flying object by a digital signal processing technology.)
技术领域
本发明涉及高空飞行物测距领域，尤其涉及一种对目标飞行物测距方法及系统。
背景技术
目前高空探空火箭系统或卫星系统等的测距原理为：探空火箭系统或卫星系统间隔一定时间地向地面设备发送探空数据，在两次发送探空数据的间隔时间内，会通过调幅调制在副载波上，向地面设备连续发送800kHz的正弦波。需要测量距离时，地面设备会向探空火箭系统或卫星系统发射询问脉冲，探空火箭系统或卫星系统接收到询问脉冲后被激发，在发送的正弦波上产生“缺口”。地面设备接收并检测到该“缺口”，根据发射和接收到“缺口”的时间来测出探空火箭系统或卫星系统与地面的距离。
由于探空火箭系统或卫星系统的信号易受到环境的影响，在不同环境下测量信号会有较大变化，而且对于测距的“缺口”，在探空火箭系统或卫星系统信号质量较差的情况下，产生的“缺口”较浅，人为识别较为困难，从而造成测距的误差超过几十米，甚至能够到达375米。
因此，需要研究一种能够高精度测量高空目标飞行物与地面设备的距离的方法和系统。
发明内容
本发明的技术目的就在于解决上述现有技术的缺陷，提供一种对目标飞行物测距方法及系统，使得测量高空目标飞行物的距离的精度得到提升。
作为本发明的第一个方面，本发明提供一种对目标飞行物测距方法，包括如下步骤：
步骤S1：地面设备将测距询问脉冲加载到第一微波上，并向目标飞行物发射第一微波；
步骤S2：目标飞行物上的发射系统每隔预定时间发送第二微波，在未发送第二微波期间接收第一微波；发射系统接收到第一微波后，检测到测距询问脉冲，根据测距询问脉冲生成帧数据并组装成数据组帧，将该数组组帧加载到第二微波上，将第二微波传回地面设备；
步骤S3：地面设备接收并处理第二微波，提取数据组帧并获取帧数据，通过帧数据计算出地面设备与目标飞行物的距离；所述第一微波和第二微波的频率相等。
所述微波是指频率为300MHz-300GHz的电磁波。
由于地面设备发出测距询问脉冲的信号和接收到数据组帧的信号加载在频率相等的微波上，收发同频，可以直接精确地计算出对应的时间和距离；其次微波的频率很高，在传输的过程中抗干扰能力强。
根据本发明的一示例实施方式，所述第一微波和第二微波的频率均为1-3GHz。
根据本发明的一示例实施方式，步骤S2中，所述将该数据组帧加载到第二微波上的方法包括：
将数据组帧进行PSK调相后，在进行射频信号的调制。
根据本发明的一示例实施方式，在进行射频信号的调制之前，对信号进行空缺处理。
根据本发明的一示例实施方式，步骤S2中，所述根据测距询问脉冲生成帧数据的方法包括：
检测到测距询问脉冲，判断是否有效，如果有效，记录测距询问脉冲前沿的相位累加器相位，发射端系统时钟开始计数；开始组装数据组帧时，发射端系统时钟停止计数；
所述帧数据包括发射端系统时钟计数值和测距零头修正值；
所述测距零头修正值为测距询问脉冲前沿的相位累加器相位。
所述发射端系统时钟计数值为发射端系统时钟计数的次数。
根据本发明的一示例实施方式，所述根据测距询问脉冲生成帧数据的方法还包括：
如果检测到的测距询问脉冲有效，则询问脉冲计数值加一；所述帧数据还包括询问脉冲计数值。
根据本发明的一示例实施方式，所述通过帧数据计算出地面设备与目标飞行物的距离之前，先通过询问脉冲计数值判断目标飞行物是否检测到有效的测距询问脉冲，如果询问脉冲计数值与上一次接收到的询问脉冲计数值相同，则目标飞行物未检测到有效的测距询问脉冲，本次测量结果无效；如果询问脉冲计数值比上一次接收到的询问脉冲计数值增加一，则目标飞行物检测到有效的测距询问脉冲，本次测量结果有效。
根据本发明的一示例实施方式，所述通过帧数据计算出地面设备与目标飞行物的距离的方法包括：
通过帧数据计算出测距询问脉冲发射到目标飞行物的时间和数据组帧发射到目标设备的时间之和，再根据该时间之和计算出地面设备与目标飞行物的距离。
根据本发明的一示例实施方式，所述测距询问脉冲发射到目标飞行物的时间和数据组帧发射到目标设备的时间之和采用公式(1)计算：
T＝T2-T1 (1)
其中，T2为地面设备发送测距询问脉冲到检测到数据组帧帧头的时间，单位为秒；
T1为目标飞行物上的发射系统从检测到测距询问脉冲到开始组装数据组帧的时间，单位为秒；
T为测距询问脉冲发射到目标飞行物的时间和数据组帧发射到目标设备的时间之和，单位为秒。
根据本发明的一示例实施方式，所述根据该时间之和计算出地面设备与目标飞行物的距离采用公式(2)计算：
R＝T·C/2 (2)
其中，R为地面设备与目标飞行物的距离，单位为米；
T为测距询问脉冲发射到目标飞行物的时间和数据组帧发射到目标设备的时间之和，单位为秒；
C为光速，单位为米/秒。
根据本发明的一示例实施方式，步骤S1中，所述地面设备发射第一微波时，地面系统时钟开始计数；步骤S3中，地面设备处理第二微波时，还对数据组帧帧头进行检测，检测到数据组帧帧头时，地面系统时钟停止计数，并记录接收位同步相位零头，所述接收位同步相位零头为地面设备接收到数据组帧的帧头时相位累加器的相位。
根据本发明的一示例实施方式，所述T2的计算方法采用公式(3)：
T2＝Discount2/sysclk2+Bitphase/216/Rc (3)
其中，T2为地面设备发送测距询问脉冲到检测到数据组帧帧头的时间，单位为秒；
Discount2为从地面系统时钟计数值；
sysclk2为地面系统时钟频率，单位为Hz；
Bitphase/216为归一化接收位同步相位零头；
Rc为信息速率，单位为bps。
根据本发明的一示例实施方式，所述T1的计算方法采用公式(4)：
T1＝Discount1/sysclk1+Phase/216/Rc (4)
其中，T1为目标飞行物上的发射系统从检测到测距询问脉冲到开始组装数据组帧的时间，单位为秒；
Discount1为发射端系统时钟的计数；
sysclk1为发射端系统时钟频率，单位为Hz；
Phase/216为归一化测距零头修正值；
Rc为信息速率，单位为bps。
作为本发明的第二个方面，本发明提供一种对目标飞行物测距系统，包括：
地面设备，用于向目标飞行物发射带有测距询问脉冲的第一微波，接收并处理目标飞行物上的发射系统发送的第二微波，提取数据组帧中的帧数据，通过帧数据计算出地面设备与目标飞行物的距离；
发射系统，设置在目标飞行物上，用于接收第一微波，检测测距询问脉冲，根据测距询问脉冲生成帧数据并组装成数据组帧，将该数据组帧加载到第二微波上，并向地面设备发射第二微波；所述第一微波和第二微波的频率相等。
根据本发明的一示例实施方式，所述地面设备包括：
脉冲产生加载模块，用于产生测距询问脉冲并加载到第一微波上；
发射和接收模块，用于发射第一微波并接收第二微波；
下变频模块，用于降低第二微波的频率；
同步模块，用于同步数据组帧；
数据提取模块，用于提取数据组帧中的帧数据；
距离计算模块，用于根据帧数据计算出地面设备和目标飞行物的距离。
根据本发明的一示例实施方式，所述发射系统包括：
脉冲检测模块，用于检测测距询问脉冲；
帧数据生成模块，用于根据测距询问脉冲生成帧数据；
组帧模块，用于将帧数据组装成数据组帧；
PSK调制模块，用于将数据组帧进行PSK调制；
模拟调制模块，用于完成射频信号的调制、放大和输出；
环形器，用于发射第二微波和接收第一微波。
根据本发明的一示例实施方式，所述第一微波和第二微波的频率均为1-3GHz。
本发明的有益效果是：
本发明提供的对目标飞行物测距方法和系统，收发同频且频率很高，采用1MHz的信息速率，用PSK调相方式，通过数字信号处理技术能够直接精确地计算出地面设备与目标飞行物的距离，相比于现有的调幅方式，性能更稳定，精度更高。
本发明的方法和系统在计算距离地面设备和目标飞行物的距离时，通过采集累加器相位，进一步修正了测距精度，避免了由于相位的偏差产生的系统误差。
附图说明
图1给出了地面设备的结构示意图；
图2给出了发射系统的结构示意图；
图3给出了对目标飞行物的测距时序图；
图4给出了发射系统的数据组帧生成和调制原理图。
其中，1—地面设备，11—脉冲产生加载模块，12—发射和接收模块，13—下变频模块，14—同步模块，15—数据提取模块，16—距离计算模块，2—发射系统，21—脉冲检测模块，22—帧数据生成模块，23—探空码接收模块，24—遥测数据接收模块，25—组帧模块，26—PSK调制模块，27—信号空缺处理模块，28—模拟调制模块，29—环形器。
具体实施方式
以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
根据本发明的第一个方面，提供了一种对目标飞行物测距系统，该目标飞行物为临近空间的飞行物，包括火箭、卫星等。
本系统包括地面设备1和设置在目标飞行物上的发射系统2。地面设备1向目标飞行物的发射系统2发射带有测距询问脉冲的第一微波。发射系统2接收第一微波后，检测测距询问脉冲，根据测距询问脉冲生成帧数据并组装成数据组帧，将该数据组帧加载到与第一微波相同频率的第二微波上，并向地面设备1发射第二微波。地面设备1接收第二微波并提取第二微波上的数据组帧中的帧数据，通过帧数据计算出地面设备1与目标飞行物的距离。
如图1所示，地面设备1包括：
脉冲产生加载模块11，用于产生测距询问脉冲并加载到第一微波上；
发射和接收模块12，用于发射第一微波并接收第二微波；
下变频模块13，用于降低第二微波的频率；
同步模块14，用于同步第二微波上的数据组帧；
数据提取模块15，用于提取数据组帧中的帧数据；
距离计算模块16，用于根据帧数据计算出地面设备和目标飞行物的距离。
如图2所示，发射系统2包括：
脉冲检测模块21，用于检测测距询问脉冲；
帧数据生成模块22，用于根据测距询问脉冲生成帧数据；
探空码接收模块23，用于接收探空仪采集的电路数据；
遥测数据接收模块24，用于接收遥测数据；
组帧模块25，用于将帧数据、探空仪采集的电路数据和遥测数据组装成数据组帧；
PSK调制模块26，用于将数据组帧进行PSK调制；
信号空缺处理模块27，用于对PSK调制后的信号进行空缺处理；
模拟调制模块28，用于完成射频信号的调制、放大和输出；
环形器29，用于发射第二微波和接收第一微波。
根据本发明的第二个方面，采用上述系统对目标飞行物的距离进行测量，如图3所示，方法包括如下步骤：
步骤S1：地面设备1的脉冲产生加载模块11将测距询问脉冲加载到第一微波上，并通过发射和接收模块12向目标飞行物的发射系统2发生第一微波。
此时，地面设备1的地面系统时钟开始计数。第一微波的频率为1780MHz。
地面设备1发射信号和接收信号要与目标飞行物上的发射系统2相配合，目标飞行物上的发射系统2发射帧长为1000bit，发射的信号为1:1的空缺，即为发射1μs的数据，空缺1μs再发射1μs的数据。因此，地面设备1的测距周期为1000*2μs＝2ms。测距询问脉冲的频率为500Hz，即为1秒发射500次测距询问脉冲。最大无模糊距离为300km。
步骤S2：如图4所示，目标飞行物上的发射系统2每隔1μs通过环形器29发射第二微波，每次发射第二微波的时间为1μs，发射帧长为1000bit。在不发送第二微波的空缺时段通过环形器29接收第一微波，脉冲检测模块21检测到测距询问脉冲，并确认测距询问脉冲是否有效，如果有效，输出TTL电平的脉冲信号。在该脉冲信号的上升沿进行发射端系统时钟计数，记录测距询问脉冲前沿的1Mbps相位累加器相位。选择1Mbps相位累加器是因为PSK调制模块26的调制速率为1Mbps，与地面设备1解调时的速率一致。
等到上一数据组帧发送完毕，组帧模块25开始组帧，发射端系统时钟计数停止，帧数据生成模块22生成帧数据。帧数据包括测距帧帧头、测距帧头计数、发射端系统时钟计数值、测距零头修正值和询问脉冲计数值。测距帧帧头为帧数据的起始部位，通过测距帧帧头可以找到帧数据的其他信息。测距帧头计数值为记录发射的帧数，地面设备1通过测距帧头计数值和所接收到的帧数进行比对，可以判断是否解调丢帧，如果解调帧头计数不连续，说明丢帧。发射端系统时钟计数值为从检测到有效测距脉冲到开始组装数据组帧的时间内发射端系统时钟的计数次数。测距零头修正值为测距询问脉冲前沿的1Mbps相位累加器相位，即为在检测到有效的测距询问脉冲时，发射系统2产生1Mbps信息速率的时候累加器对应的相位值，因为这个相位值和地面设备1产生信息速率对应的相位值有偏差，因此需要将其计算在发射系统2上耗费的时间内。询问脉冲计数值表示记录的有效测距询问脉冲的累计数量，如果检测到有效的测距询问脉冲，则询问脉冲计数值加1；地面设备1通过询问脉冲计数值可知晓发射系统2是否识别到有效的测距询问脉冲。
组帧模块25按照一定格式将帧数据生成模块22生成的帧数据、探空码接收模块23中的探空仪采集的电路数据、遥测数据接收模块24采集的遥测数据生成数据组帧，数据组帧前端还设有帧头，用于同步。
PSK调制模块26将数据组帧进行BPSK调制，调制的速率为1Mbps，是用1Mbps相位累加器产生的。经过信号空缺处理模块27的空缺处理后，每两个1μs的调制信号之间就会有1μs的空缺，即每隔1μs发射1μs的调制信号，在空缺时段环形器29接收第一微波。经模拟调制模块28，完成射频信号的调制、放大，完成数据组帧加载到第二微波上，第二微波的频率为1780MHz。第二微波通过环形器29向地面设备1发射。
数据组帧一边组装一边发射，因此，调制和射频处理的时间可以忽略不计，从检测到测距询问脉冲到发射应答信号(帧数据)所耗损的时间即为从检测到测距询问脉冲到开始组装数据组帧的时间，也是从检测到测距询问脉冲到等待上一帧数据组帧发送完毕的时间。
步骤S3：如图1所示，地面设备1的发射和接收模块12接收第二微波，下变频模块13将第二微波的频率降低。
同步模块14对降低频率的信号经载波同步、位同步和帧同步，检测到数据组帧的帧头，地面系统时钟停止计数，记录检测到数据组帧的帧头时相位累加器的相位，并得到数据组帧。
数据提取模块15提取数据组帧中的数据，并将地面设备1记录的地面系统时钟计数值、接收位同步相位零头以及解调得到的除去帧头的数据组帧进行打包，上报给监控计算机。接收位同步相位零头是指地面设备1检测到接收信号数据组帧的帧头时对应的相位累加器的相位值，该相位累加器是指产生解调所需的1Mbps信息速率的相位累加器。用于修正地面设备1接收到数据时的时间，从而修正距离。
打包帧的格式如下表：
上述的打包帧共有136字节，其中4字节的帧头用于帧同步，2字节的地面系统时钟计数，2字节的接收位同步相位零头。除去帧头的数据组帧包括帧数据生成模块22生成的帧数据、探空码接收模块23中的探空仪采集的电路数据、遥测数据接收模块24采集的遥测数据生成数据组帧。除去帧头的数据组帧可以为121字节，也可以为更长或更短，其长度根据遥测数据、探空仪的数据进行决定。
数据提取模块15打包成打包帧后，将打包帧发送给地面设备1的监控计算机，同时出发脉冲产生加载模块11产生测距询问脉冲。
监控计算机内设有距离计算模块16，同时还包括其他用于处理探空仪采集的电路数据和遥测数据的模块。
距离计算模块16在计算距离之前，先判断本次测量是否有效，判断的方法为：通过帧数据中的询问脉冲计数值与上一次接收的询问脉冲计数值比较，如果数值增加1，则本次得到的测量数据有效，进行下一步的距离计算；如果数值不变，则本次得到的测量数据无效，如果无效，则无须计算距离。
计算距离时，距离计算模块16通过打包的帧数据计算出测距询问脉冲发射到目标飞行物的时间和数据组帧发射到目标设备的时间之和，再根据该时间计算出地面设备1与目标飞行物的距离。
测距询问脉冲发射到目标飞行物的时间和数据组帧发射到目标设备的时间之和的计算方法采用公式(1)：
T＝T2-T1(1)
其中，T2为地面设备1发送测距询问脉冲到检测到数据组帧帧头的时间，单位为秒；
T1为目标飞行物上的发射系统2从检测到测距询问脉冲到组装成数据组帧的时间，单位为秒；
T为测距询问脉冲发射到目标飞行物的时间和数据组帧发射到目标设备的时间之和，单位为秒。
T2的计算方法采用公式(3)：
T2＝Discount2/sysclk2+Bitphase/216/Rc (3)
其中，T2为地面设备1发送测距询问脉冲到检测到数据组帧帧头的时间，单位为秒；
Discount2为地面系统时钟的计数值；
sysclk2为地面系统时钟频率，单位为Hz；
Bitphase为接收位同步相位零头；
Bitphase/216为归一化接收位同步相位零头；
Rc为1Mbps的信息速率，单位为bps。
T1的计算方法采用公式(4)：
T1＝Discount1/sysclk1+Phase/216/Rc (4)
其中，T1为目标飞行物上的发射系统2从检测到测距询问脉冲到组装数据组帧的时间(即为在目标飞行物上耗费的时间)，单位为秒；
Discount1为发射端系统时钟的计数值；
sysclk1为发射端系统时钟频率，单位为Hz；
Phase为测距零头修正值；
Phase/216为归一化测距零头修正值；
Rc为1Mbps的信息速率，单位为bps。
地面设备1从发送测距询问脉冲到接收帧数据的时间T2包括：测距询问脉冲发送到目标飞行物的时间、发射系统2上耗损(等待上一帧数据发送完毕)的时间T1和数据组帧发送到地面设备1的时间。实际上数据信号在路上的来去时间T＝T2-T1，由于第一微波和第二微波频率相同，所以可以认为数据信号来和去的时间相同，便于计算距离，也利于提高精度。同时由于第一微波和第二微波的频率均为1780MHz，频率相当高，抗干扰能力强，使得检测的精度进一步提高。
地面设备1的记录的时间T2通过地面系统时钟计数值和接收位同步相位零头计算得到。地面系统时钟的计数以1/sysclk1为单位进行计数，接收位同步相位零头是指地面设备1检测到接收信号数据组帧的帧头时对应的相位累加器的相位值。发射系统2上耗损的时间T1通过发射端系统时钟计数值和测距零头修正值计算得到。发射端系统时钟的计数以1/sysclk2为单位进行计数，测距零头修正值是计算检测到有效测距询问脉冲时的相位差。地面系统时钟频率和发射端系统时钟频率可以相同，也可以不同。Rc为码元速率，与发射系统2的BPSK调制的速率以及地面设备1的解调速率相同，以此实现高精度。
地面设备1与目标飞行物的距离的计算方法采用公式(2)：
R＝T·C/2 (2)
其中，R为地面设备与目标飞行物的距离，单位为米；
T为测距询问脉冲发射到目标飞行物的时间和数据组帧发射到目标设备的时间之和，单位为秒；
C为光速，单位为米/秒。
测距输出的采样率为20Hz/s。
由于进行多次的测距，如果一次测距值和其他的测距值相差较大，也会进行剔除。
通过上述的测距方法，可以采用数字信号处理技术，采用1Mbps的信息速率进行调相处理后计算距离，使检测结果更精确；还可以在SDR(软件无线电，Software DefinedRadio)平台上实现，具有通用性，可以模块化，为临近空间的探空火箭系统、卫星系统等的大气环境探测提供良好的技术支持，具备一定的推广应用价值。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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