深空通信长无模糊距离高精度再生测距码设计

doi:10.7527/S1000-6893.2023.29434

电子电气工程与控制

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深空通信长无模糊距离高精度再生测距码设计

奚雅楠¹, 党小宇²(), 李赛¹

^1.南京航空航天大学电子信息工程学院，南京 211106
^2.杭州电子科技大学电子信息学院，杭州 310018

收稿日期:2023-08-11 修回日期:2023-10-26 接受日期:2023-11-10 出版日期:2023-12-08 发布日期:2023-12-07
通讯作者: 党小宇 E-mail:dang@hdu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(62031017);浙江省重点研发计划“尖兵”项目(2023C01003)

Design of high precision regenerative ranging codes with long unambiguous ranging distance

Yanan XI¹, Xiaoyu DANG²(), Sai LI¹

^1.College of Electronic and Information Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 　211106，China
^2.Information Engineering College，Hangzhou Dianzi University，HangZhou 　310018，China

Received:2023-08-11 Revised:2023-10-26 Accepted:2023-11-10 Online:2023-12-08 Published:2023-12-07
Contact: Xiaoyu DANG E-mail:dang@hdu.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(62031017);The Key Research and Development Program of Zhejiang Province(2023C01003)

摘要/Abstract

摘要：

在低信噪比环境中及极远测距范围内获得高精度距离测量量是深空测距面临的挑战。再生测距系统通过在航天器中将测距码再生，可将下行链路信噪比提升约30 dB，从而解决低信噪比问题，但是已知测距码的无模糊测距距离难以满足未来深空测距需要。通过对复合函数与测距误差的关系进行系统分析，提出通过改变复合函数降低测距误差的方法，并用m序列及新复合函数设计新测距码。共设计8个新测距码，测距误差方差比已知测距码降低0.28~3.78 dB，无模糊测距距离从7.5×10⁴ km提升至117×10⁴~17 884×10⁴ km，扩展了15~2 384倍。其中包含一种直流分量为0的完全均衡的测距码。仿真结果表明：新测距码能为未来深空通信及深空探测提供更远距离内更高精度的距离测量支撑。

关键词: 深空通信, 再生测距, 伪随机测距码, m序列, 无模糊距离, 测距精度

Abstract:

The challenge of deep space ranging is to obtain high precision distance measurements over long two-way distance and at low signal-to-noise ratios. The regenerative ranging system improves the downlink signal-to-noise ratio by approximately 30 dB by regenerating the ranging code in the spacecraft. However， the known regenerative ranging codes fail to meet the essential unambiguous distance requirements for future deep space missions. Firstly， the relationship between the combining function and the ranging error is systematically analyzed， and the method for reducing the ranging error by changing the combining function is proposed. New ranging codes are designed with m sequence and the new combining functions. A total of 8 new ranging codes are proposed. The ranging error variance is reduced by 0.28–3.78 dB compared to the known ranging codes. The unambiguous ranging distance is increased from 75 000 kilometers to 1.17–178.84 million kilometers， expanding by 15–2 384 times. One of the new ranging codes is fully balanced with a DC component of 0. The simulation results demonstrate that the new ranging code can provide higher precision distance measurement support for future deep space communication and deep space exploration over longer distances.

Key words: deep space communication, regenerative ranging, pseudo noise ranging code, m sequence, unambiguous distance, ranging accuracy

中图分类号:

V556

奚雅楠, 党小宇, 李赛. 深空通信长无模糊距离高精度再生测距码设计[J]. 航空学报, 2024, 45(12): 329434-329434.

Yanan XI, Xiaoyu DANG, Sai LI. Design of high precision regenerative ranging codes with long unambiguous ranging distance[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(12): 329434-329434.

图/表 13

图 1

图 2

图 3

表 1

误差信号

码片极性对应状态	$c j - 1 c 1 j$	$c j c 1 j$	$b j c 1 j$	概率
$c j - 1 = - c 1 j - 1, c j = c 1 j$	$+ 1$	$+ 1$	$P R T$	$p c m a j = - c 1 p c m a j = c 1$
$c j - 1 = - c 1 j - 1, c j = - c 1 j$	$+ 1$	$- 1$	$- 2 P R T ε$	$p c m a j = - c 1 p c m a j = - c 1$
$c j - 1 = c 1 j - 1, c j = c 1 j$	$- 1$	$+ 1$	$2 P R T ε$	$p c m a j = c 1 p c m a j = c 1$
$c j - 1 = c 1 j - 1, c j = - c 1 j$	$- 1$	$- 1$	$- P R T$	$p c m a j = c 1 p c m a j = - c 1$

表 1

图 4

图 5

图 6

表 2

新测距码

子码个数	复合码	子码周期	复合函数
6	NM1	$2,7, 15,19,31,127$	$s i g n 4 c 1 + c 2 - c 3 - c 4 - c 5 + c 6$
	NM2	$2,11,15,19,31,127$	$s i g n 4 c 1 - c 2 + c 3 + c 4 - c 5 + c 6$
	NM3	$2,11,19,31,63,127$	$s i g n 4 c 1 + c 2 - c 3 - c 4 - c 5 + c 6$
	NM4	$2,19,23,31,63,127$	$s i g n 4 c 1 + c 2 - c 3 - c 4 + c 5 + c 6$
7	NM5	$2,7, 11,19,23,31,127$	$s i g n 5 c 1 - c 2 + c 3 + c 4 - c 5 + c 6 + c 7$
	NM6	$2,7, 15,19,23,31,127$	$s i g n 5 c 1 - c 2 + c 3 + c 4 + c 5 - c 6 + c 7$
	NM7	$2,11,15,19,23,31,127$	$s i g n 5 c 1 - c 2 + c 3 - c 4 + c 5 + c 6 + c 7$
	NM8	$2,11,19,23,31,63,127$	$s i g n 5 c 1 - c 2 + c 3 + c 4 - c 5 + c 6 + c 7$

表 2

表3

测距码性能分析

复合码	测距误差/m	单程无模糊距离/（ $104$ km）	直流分量/mV
T2B	2.669 8	7.5	1.40
T4B	1.784 6	7.5	0.30
NM1	1.785 0	117.8	0
NM2	1.785 7	185.1	0.24
NM3	1.786 0	777.6	0.11
NM4	1.786 4	1 625.8	0.04
NM5	1.728 1	1 987.1	0.10
NM6	1.728 2	2 709.7	0.16
NM7	1.728 6	4 258.2	0.20
NM8	1.728 7	17 884.2	0.10

表3

图 7

图 8

图 9

图 10

参考文献 21

1	CCSDS. Pseudo-Noise （PN） ranging systems ［R］. Washington， D.C.： CCSDS， 2014.
2	BERNER J， KINMAN P， LAYLAND J M. Regenerative pseudo-noise ranging for deep space applications［R］. Pasadena： Jet Propulsion Laboratory， 1999.
3	ANGKASA K S， BORDER J S， KINMAN P W， et al. Regenerative ranging for JPL software-defined radios［J］. IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine， 2019， 34（9）： 46-55.
4	IESS L， ASMAR S， TORTORA P. MORE： An advanced tracking experiment for the exploration of mercury with the mission BepiColombo［J］. Acta Astronautica， 2009， 65： 666-675.
5	HASKINS C B， DUVEN D J， DEBOY C C， et al. First deep-space flight demonstration of regenerative pseudo-noise ranging［C］∥2012 IEEE Aerospace Conference. Piscataway： IEEE Press， 2012： 1-6.
6	JENSEN J R， HASKINS C B， DEBOY C C. Regenerative PN ranging experience with New Horizons during 2012［C］∥2013 IEEE Aerospace Conference. Piscataway： IEEE Press， 2013： 1-7.
7	牛东文，段建锋，欧阳琦，等. “嫦娥四号” 中继星再生伪码测距数据定轨精度分析［J］. 深空探测学报（中英文）， 2022， 9（1）： 21-28.
	NIU D W， DUAN J F， OUYANG Q， et al. Regenerative pseudo-random code ranging orbit determination accuracy analysis for Chang’E-4 relay satellite［J］. Journal of Deep Space Exploration， 2022， 9（1）： 21-28 （in Chinese）.
8	HAMKINS J， KINMAN P， XIE H， et al. Telemetry ranging： Signal processing［R］. Pasadena： Jet Propulsion Laboratory， 2016.
9	CCSDS. Simultaneous transmission of GMSK and PN ranging［R］. Washington， D.C.： CCSDS， 2021.
10	XU D Z， HUANG L， CHEN S W. Integrated design of ranging and DOR signal for China’s deep space navigation［J］. Open Astronomy， 2022， 31（1）： 358-365.
11	MASCARELLO M， SESSLER G， VASSALLO E， et al. The solar orbiter X-band TT&C new features： GMSK with PN regenerative ranging and DDOR semaphores implementation［C］∥2019 8th International Workshop on Tracking， Telemetry and Command Systems for Space Applications （TTC）. Piscataway： IEEE Press， 2019： 1-6.
12	EASTERLING M. A long-range precision ranging system［R］. Pasadena： Jet Propulsion Laboratory， 1961.
13	EASTERLING M. A skin tracking radar experiment involving the COURIER satellite［J］. IRE Transactions on Space Electronics and Telemetry， 1962， SET-8（2）： 76-84.
14	TAUSWORTHE R. Tau ranging revisited［R］. Pasadena： Jet Propulsion Laboratory， 1987.
15	MASSEY J L， BOSCAGLI G， VASSALLO E. Regenerative pseudo-noise （PN） ranging sequences for deep-space missions［J］. International Journal of Satellite Communications and Networking， 2007， 25（3）： 285-304.
16	JIN X J， ZHANG W， MO S M， et al. Optimal regenerative PN code tracking based on non-commensurate sampling and double-loop structure［J］. Electronics Letters， 2019， 55（23）： 1254-1255.
17	XUE L S， LI X， WU W R， et al. A parallel composite pseudo-noise code for deep space ranging［J］. IEEE Communications Letters， 2022， 26（4）： 872-876.
18	SIMON M K. The true performance of the simplified data transition tracking loop［J］. IEEE Transactions on Communications， 2005， 53（6）： 939-944.
19	MILLION S， HINEDI S. Tracking performance of the soft digital data transition tracking loop［C］∥Proceedings of ICC'97 - International Conference on Communications. Piscataway： IEEE Press， 1997： 26-29.
20	STEPHENS S A， THOMAS J B. Controlled-root formulation for digital phase-locked loops［J］. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 1995， 31（1）： 78-95.
21	VILNROTTER V， HAMKINS J， ASHRAFI S. Performance analysis of digital tracking loops for telemetry-based ranging applications［C］∥2014 IEEE Aerospace Conference. Piscataway： IEEE Press， 2014： 1-13.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

[1]	宋青平, 刘荣科. 一种用于深空自主无线电的码速率估计算法[J]. 航空学报, 2015, 36(7): 2301-2309.
[2]	刘荣科, 李满庆, 侯毅. 基于提前停止判决的编码软信息辅助载波同步[J]. 航空学报, 2012, (4): 715-721.

深空通信长无模糊距离高精度再生测距码设计

Design of high precision regenerative ranging codes with long unambiguous ranging distance

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