GBT 43373-2023 空間數(shù)據(jù)與信息傳輸系統(tǒng) 深空測控偽碼測距技術(shù)要求

空間數(shù)據(jù)與信息傳輸系統(tǒng)深空測控偽碼測距技術(shù)要求2023-11-27發(fā)布2024-03-01實施國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會I 12規(guī)范性引用文件 13術(shù)語和定義 14再生偽碼測距 24.1偽碼碼型 24.2地面站上行處理 24.3航天器處理 34.4地面站下行處理 45轉(zhuǎn)發(fā)偽碼測距 55.1偽碼碼型 55.2地面站上行處理 55.3航天器轉(zhuǎn)發(fā) 55.4地面站下行處理 6附錄A(規(guī)范性)測距偽碼的基帶成形與調(diào)制 7附錄B(資料性)上行碼片速率示例 9附錄C(資料性)理論偽碼捕獲時間 附錄D(規(guī)范性)偽碼測距單向抖動 附錄E(規(guī)范性)偽碼測距信號功率分配 ⅢGB/T43373—2023本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識別專利的責(zé)任。本文件由全國宇航技術(shù)及其應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(SAC/TC425)提出并歸口。本文件起草單位：北京跟蹤與通信技術(shù)研究所、西安空間無線電技術(shù)研究所、北京遙測技術(shù)研究所、中國西安衛(wèi)星測控中心、中國航天標(biāo)準(zhǔn)化研究所。高精度無線電測距對深空導(dǎo)航和無線電科學(xué)研究等具有重要意義。再生偽碼測距可有效避免測距轉(zhuǎn)發(fā)噪聲，顯著提升遠(yuǎn)距離、弱信號深空測控場景下的測距精度。偽碼測距要求航天器和地面站天地一體密切配合，相關(guān)技術(shù)要求復(fù)雜、涉及面廣，需規(guī)范明確；深空測控國際合作的機(jī)構(gòu)間交互支持，也需相應(yīng)技術(shù)體制與國際兼容。本文件主要是明確再生偽碼測距相關(guān)技術(shù)要求，也給出了轉(zhuǎn)發(fā)偽碼測距的相關(guān)技術(shù)要求。一般情況下，推薦深空測控偽碼測距采用再生方式，而非轉(zhuǎn)發(fā)方式。航天器在偽碼捕獲前，可以轉(zhuǎn)發(fā)偽碼，進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)偽碼測距。IN1空間數(shù)據(jù)與信息傳輸系統(tǒng)深空測控偽碼測距技術(shù)要求本文件規(guī)定了深空測控再生/轉(zhuǎn)發(fā)偽碼測距的偽碼碼處理等要求。本文件適用于采用深空測控再生/轉(zhuǎn)發(fā)偽碼測距技術(shù)的航天器與地面測控設(shè)備設(shè)計、天地接口設(shè)2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于GB/T42041航天術(shù)語空間數(shù)據(jù)與信息傳輸3術(shù)語和定義GB/T42041界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。分量碼componentsequences用于生成測距偽碼的一組短周期偽隨機(jī)碼序列。T4B碼weighted-voting(v=4)balancedTausworthecode由6個周期性分量碼按一定邏輯組合得到的加權(quán)均衡Tausworthe碼，其中周期最短的分量碼權(quán)由6個周期性分量碼按一定邏輯組合得到的加權(quán)均衡Tausworthe碼，其中周期最短的分量碼權(quán)基帶成形base-bandshaping對測距偽碼的基帶碼片進(jìn)行濾波，使其波形從方波變?yōu)榘胝也ǖ奶幚磉^程。測距偽碼對載波調(diào)制后，信號功率譜上頻率為碼片速率的一半的單音分量。由雙向光行時測量的時間抖動換算得到的單向距離隨機(jī)誤差(lo)。24再生偽碼測距4.1偽碼碼型4.1.1偽碼組合方式測距偽碼(C)由6個周期性分量碼C1～C6以特定的組合邏輯加權(quán)組合得到，見圖1。圖1測距偽碼與分量碼的組合關(guān)系在需要高精度測距的情況下，應(yīng)選用C1權(quán)重為4的T4B碼，組合邏輯見公式(1)。Crm=sign(4C1+C2-C3-C4+C5-C6) (1)式中：sign——取符號操作，結(jié)果為+1或-1;C1～C6——6個周期性分量碼，見圖1。在需要快速完成距離捕獲的情況下，應(yīng)選用C1權(quán)重為2的T2B碼，組合邏輯見公式(2)。Cr?B=sign(2C1+C2-C3-C4+C5-C6) 式中：4.2地面站上行處理4.2.1上行偽碼調(diào)制通常情況下，應(yīng)對偽碼進(jìn)行基帶成形，成形濾波器的沖擊響應(yīng)[h(t)]見公式(3): (3)t——時間，單位為秒(s);T.——碼片寬度，單位為秒(s)。3GB/T43373—2023地面站應(yīng)采用線性相位調(diào)制方式將偽碼調(diào)制于上行載波。測距偽碼的基帶成形與調(diào)制按附錄A執(zhí)行。4.2.2上行碼片速率上行碼片速率應(yīng)與實際上行載波頻率相干，見公式(4):式中：Fchip——碼片速率，單位為碼片每秒(chip/s);FRc——測距時鐘頻率，單位為赫茲(Hz);f——實際上行載波頻率，單位為赫茲(Hz);γ——不同頻段的頻率因數(shù)，對S頻段上行載波頻率(2025MHz～2120MHz)取221、對X頻段上行載波頻率(7145MHz～7235MHz)取749、對K頻段上行載波頻率(22550MHz~23150MHz)取2407、對Ka頻段上行載波頻率(34200MHz～34700MHz)取3599;l、k為常數(shù)，對S頻段、X頻段、K頻段取值對Ka頻段取值如下：地面站應(yīng)至少支持l=4,k=6以及l(fā)=8,k=6兩擋速率。地面站如無法準(zhǔn)確實現(xiàn)公式(4)的標(biāo)稱碼片速率，實際產(chǎn)生的碼片速率應(yīng)鎖定于地面站頻率基準(zhǔn)，且與標(biāo)稱碼片速率的偏差應(yīng)小于10-?Hz。上行碼片速率示例見附錄B。4.3航天器處理4.3.1處理流程無論遙控、遙測是否工作，航天器應(yīng)答機(jī)應(yīng)執(zhí)行以下測距處理流程：a)上行載波跟蹤與測距信號解調(diào)；b)上行碼片速率捕獲與跟蹤；c)上行偽碼捕獲與跟蹤；d)偽碼相干再生，調(diào)制于與上行載波相干的下行載波。4.3.2動態(tài)性能在不同測距信噪譜密度比(P,/N?)下，航天器應(yīng)答機(jī)應(yīng)在相應(yīng)載波頻率偏移(△f/f)、載波頻率偏移變化率(R)動態(tài)范圍內(nèi)，實現(xiàn)偽碼捕獲。具體要求如下：4.3.3接收特性在載波兩側(cè)1.5Fh頻率范圍內(nèi)，相位響應(yīng)對線性相頻特性的偏離應(yīng)在±5°以內(nèi)，增益波動應(yīng)在44.3.4捕獲時間與偽碼捕獲概率捕獲時間包含環(huán)路捕獲時間與偽碼捕獲時間。航天器應(yīng)答機(jī)偽碼捕獲時間應(yīng)保證偽碼捕獲概率達(dá)到99.9%。航天器應(yīng)答機(jī)采用6個并行相關(guān)處理器標(biāo)稱設(shè)計時，在不同P,/N。下(可放寬2dB)達(dá)到99.9%偽碼捕獲概率所需理論偽碼捕獲時間見附錄C。4.3.5測距時延穩(wěn)定性航天器測距時延應(yīng)滿足以下要求：a)標(biāo)稱工況(壽命期內(nèi)，標(biāo)稱載波頻率、輸入電平、調(diào)制指數(shù)、溫度等)范圍內(nèi)，測距時延變化在±1/(30Fchip)或士20ns范圍內(nèi)(以較大者為準(zhǔn));b)測距時延通過工況標(biāo)定達(dá)到±1/(500Fch)或±1ns精度(以較大者為準(zhǔn))。4.3.6航天器測距抖動性能航天器應(yīng)答機(jī)跟蹤碼片速率的單向抖動應(yīng)符合相應(yīng)P,/N。(可放寬2dB)、碼片跟蹤環(huán)路帶寬(B?)、Fchip下的理論性能。單向抖動的理論性能按附錄D計算，計算中涉及的測距時鐘分量功率按附通常情況下，應(yīng)對再生的偽碼進(jìn)行基帶成形，成形濾波器的沖擊響應(yīng)見公式(3)。航天器應(yīng)答機(jī)應(yīng)采用線性相位調(diào)制方式將偽碼調(diào)制于下行載波。測距偽碼的基帶成形與調(diào)制按附錄A執(zhí)行。在載波兩側(cè)1.5Fchip頻率范圍內(nèi)，相位響應(yīng)對線性相頻特性的偏離應(yīng)在士5°以內(nèi)，增益波動應(yīng)在下行碼片速率應(yīng)與上行接收碼片速率相干，發(fā)送偽碼相位應(yīng)與接收偽碼相位相干。4.4地面站下行處理地面站接收機(jī)應(yīng)執(zhí)行以下測距處理流程：a)下行載波跟蹤與測距信號解調(diào)；b)下行碼片速率捕獲與跟蹤；c)下行偽碼捕獲與跟蹤；d)比較收發(fā)偽碼，計算測距時延。在不同測距信噪譜密度比(P,/N?)下，地面站接收機(jī)應(yīng)在相應(yīng)載波頻率偏移(△f/f)、載波頻率偏移變化率(R)動態(tài)范圍內(nèi)，實現(xiàn)偽碼捕獲。具體要求如下：54.4.3捕獲時間與偽碼捕獲概率捕獲時間包含環(huán)路捕獲時間與偽碼捕獲時間。地面站接收機(jī)偽碼捕獲時間應(yīng)保證偽碼捕獲概率達(dá)到99.9%。地面站接收機(jī)采用76個并行相關(guān)處理器標(biāo)稱設(shè)計時，在不同P/N。下(可放寬0.5dB)達(dá)到99.9%偽碼捕獲概率所需理論偽碼捕獲時間見附錄C。4.4.4地面站群時延穩(wěn)定性地面站24h群時延絕對變化不大于3ns。4.4.5地面站測距抖動性能地面站接收機(jī)跟蹤碼片速率的單向抖動應(yīng)符合相應(yīng)P,/N?(可放寬1dB)、碼片跟蹤環(huán)路帶寬(BL)、Fhip下的理論性能。單向抖動的理論性能按附錄D計算，計算中涉及的測距時鐘分量功率按附錄E計算。地面站對測距值所打時標(biāo)的精度應(yīng)優(yōu)于1μs(以UTC時為基準(zhǔn))。5轉(zhuǎn)發(fā)偽碼測距5.1偽碼碼型同4.1的要求。5.2地面站上行處理同4.2的要求。5.3航天器轉(zhuǎn)發(fā)無論遙控、遙測是否工作，航天器應(yīng)答機(jī)應(yīng)執(zhí)行以下測距處理流程：a)上行載波跟蹤與測距信號解調(diào)；b)上行測距信號濾波及自動增益控制，得到下行測距信號；c)下行測距信號調(diào)制于與上行載波相干的下行載波。5.3.2測距通道特性在載波兩側(cè)0.125Fdip～1.0Fip頻率范圍內(nèi)，端到端帶內(nèi)指標(biāo)要求如下：a)群時延變化應(yīng)在±1/(30Fchp)以內(nèi)；b)增益波動應(yīng)在士0.5dB以內(nèi)。測距通道(濾波器3dB)帶寬左邊界應(yīng)小于0.02Fchip或3kHz(以較大者為準(zhǔn)),右邊界應(yīng)大于6單邊噪聲帶寬應(yīng)不大于1.8Fap。5.3.5測距時延穩(wěn)定性同4.3.5的要求。測距信號經(jīng)濾波和自動增益控制后，對下行載波進(jìn)行線性相位調(diào)制。5.4地面站下行處理同4.4.1的要求。在不同測距信噪譜密度比(P,/N?)下，地面站接收機(jī)應(yīng)在相應(yīng)載波頻率偏移(△f/f)、載波頻率偏移變化率(R)動態(tài)范圍內(nèi)，實現(xiàn)偽碼捕獲。具體要求如下：5.4.3捕獲時間與偽碼捕獲概率5.4.4地面站群時延穩(wěn)定性同4.4.4的要求。5.4.5地面站測距抖動性能同4.4.5的要求。同4.4.6的要求。7GB/T43373—2023(規(guī)范性)測距偽碼的基帶成形與調(diào)制A.1測距偽碼的基帶成形當(dāng)滿足以下情況之一時，地面站上行偽碼、航天器再生偽碼可不進(jìn)行基帶成形：a)調(diào)制指數(shù)低于0.3rad;b)碼片速率低于250kchip/s且調(diào)制指數(shù)低于1.0rad。碼在基帶成形前后的前10個碼片見圖A.1。碼片碼片a)基帶成形前b)基帶成形后碼在基帶成形前后的前10個碼片A.2測距偽碼的調(diào)制測距偽碼對載波進(jìn)行線性相位調(diào)制，見公式(A.1)?！?A.1)式中：x(t)——經(jīng)偽碼調(diào)制后的射頻信號；A——射頻信號振幅；f——載波頻率，單位為赫茲(Hz);mg——測距調(diào)制指數(shù)，單位為弧度(rad);k——碼片索引；ck——測距偽碼序列，取值±1;h——成形濾波器的沖擊響應(yīng)，見公式(3);8T4B碼、T2B碼在基帶成形后，對載波進(jìn)行線性相位調(diào)制(測距調(diào)制指數(shù)0.7rad)所得射頻信號的功率譜見圖A.2。9(資料性)上行碼片速率示例以X頻段上行載波頻率7179.000MHz為例，不同l、k取值對應(yīng)的碼片速率見表B.1。交互支持采用表中(l=4,k=6)或(l=8,k=6)對應(yīng)的碼片速率。表B.1可用碼片速率(X頻段上行載波頻率7179.000MHz)lkFhip2292816263646566676869666664137180682743616GB/T43373—2023(資料性)理論偽碼捕獲時間理論偽碼捕獲時間(偽碼捕獲概率達(dá)到99.9%)以P;/N。=30法見公式(C.1):dBHz時的結(jié)果為基準(zhǔn)進(jìn)行計算，方……(C.1)式中：Taq(P-/N?)—-不同P./N。時的理論偽碼捕獲時間，單位為秒(s);Ta(30)——P,/N。=30dBHz時的理論偽碼捕獲時間，單位為秒(s)。航天器應(yīng)答機(jī)采用6個并行相關(guān)處理器的標(biāo)稱設(shè)計，P,/N?=30dBHz、P,/N。=10dBHz時的理論偽碼捕獲時間見表C.1。表C.1航天器理論偽碼捕獲時間測距偽碼工況偽碼捕獲概率理論偽碼捕獲時間ST4BP/N?=30dBHz,6個并行相關(guān)處理器99.9%85.73T2B99.9%T2BP/N?=10dBHz,6個并行相關(guān)處理器99.9%517.8注：P.與殘留載波信號功率P。的關(guān)系見E.1。地面站接收機(jī)采用76個并行相關(guān)處理器的標(biāo)稱設(shè)計，P-/N。=30理論偽碼捕獲時間見表C.2。表C.2地面站理論偽碼捕獲時間測距偽碼工況偽碼捕獲概率理論偽碼捕獲時間SP:/N?=30dBHz,76個并行相關(guān)處理器P,/N?=10dBHz,76個并行相關(guān)處理器注：P,與殘留載波信號功率P。的關(guān)系見E.1。GB/T43373—2023(規(guī)范性)偽碼測距單向抖動D.1偽碼測距單向抖動計算公式不同測距信噪譜密度比(P:/N?)、照以下方法計算。碼片速率(Fchip)、碼片跟蹤環(huán)路帶寬(B?)情況下的單向抖動，按a)方波匹配情況下的單向抖動見公式(D.1):………(D.1)式中：σiw——單向抖動，單位為米(m);c——光速，取299792458m/s;Fc——測距時鐘頻率，單位為赫茲(Hz);B?——碼片跟蹤環(huán)路帶寬(單邊),單位為赫茲(Hz);PRc/N?——測距時鐘分量的信噪譜密度比，單位為赫茲(Hz)。時鐘分量功率PR與殘留載波信號功率P。的關(guān)系按E.2計算。b)正弦匹配情況下的單向抖動見公式(D.2): …………