技术领域
[0001] 本
发明涉及一种无线电导航
定位装置，特别是一种适用于集群目标间的射频自主相对姿态测量系统，适用于集群目标间的自主相对姿态测量，属于导航定位领域。
背景技术
[0002] 随着测量技术的不断发展，对多个目标之间的相对姿态测量技术的研究成为一个重要方向，其应用领域包括星间相对状态测量、
航天器交汇对接及航天器间相对姿态测量等。
[0003] 射频自主相对姿态测量装置，由多个发射天线、接收天线、射频发射机、射频接收机以及
基带处理模
块组成。射频自主相对姿态测量装置用于集群目标间自主相对姿态测量时，需要每个成员安装一套自主相对姿态测量装置，每个成员上的装置由其多个发射机经过发射天线向其他成员发射测距
信号，每个成员的装置同时利用其接收天线和射频接收机收集其它成员发来的测距信号，并送给基带处理模块进行测距信号的处理。测距信号由固定伪随机码序列调制在射频载波上而形成，装置接收到测距信号后可以测量得到伪码序列的
相位和载波信号的相位，为了实现高
精度的测距必须使用载波信号相位作为测距信息来源，由于每个发射天线使用唯一的固定伪随机码序列，接收天线可以用固定伪随机码序列来识别来自不同发射天线的测距信号。每个成员上的装置利用其接收到的测距信号，可以解算得到其各个接收天线与其它成员各个发射天线之间的距离，利用这些距离信息，可以根据空间交会法原理，确定各收发天线之间的相对
位置，利用收发天线的相对位置结合方向余弦公式可以推算出各个成员之间的相对姿态。
[0004] 目前，射频自主相对姿态测量装置的天线部分常采用一个发射天线和一个接收天线、一个发射天线和两个接收天线、三个独立工作的收发共用天线、一个收发共用天线和两个接收天线等几种方式，这些装置可以实现两个目标之间的相对距离或相对位置的测量，这些装置中有一部分无法测量相对姿态，其它部分需要多个成员同时相互测量并综合多个成员的测量数据后才能得到相对姿态信息，这些设备都无法实现两个目标之间直接的相对姿态测量。另外，目前的射频自主相对姿态测量装置都采用时分的工作方式，即每个时隙只有一个成员的测量装置发射信号而其它成员只能接收信号，这样要经过多个时隙才能完成一个测量周期，集群中的成员数量越多则测量周期越长，这将影响测量的实时性，或者为了保证实时性又不得不限制集群中的成员数量。
发明内容
[0005] 本发明解决的技术问题是：克服
现有技术的不足，提供了一种适用于集群目标间射频自主相对姿态测量的无需借助集群内其他成员即可实现一对成员之间独立的直接相对姿态测量系统。
[0006] 本发明的技术解决方案是：一种适用于集群目标间的射频自主相对姿态测量系统，包括两套结构相同的相对姿态测量装置，分别记为主成员装置和从成员装置，主成员装置和从成员装置分别接收和发送测距信号完成相对姿态测量：
[0007] 主成员装置包括：主发射天线T1、主发射天线T2、主接收天线R1、主接收天线R2、主接收天线R3、主射频发射通道TC1、主射频发射通道TC2、主射频接收通道RC1、主射频接收通道RC2、主射频接收通道RC3、主双模式辅助
射频通道AC1、主双模式辅助射频通道AC2、主辅助射频接收通道AC3和主基带处理模块，其中：
[0008] 主基带处理模块，包括主
数字信号处理器单元、主现场可编程
门阵列单元、主DA转换器单元、主AD转换器单元；
[0009] 主数字
信号处理器单元，获取上历元从成员装置两个从发射天线分别到主成员装置三个主接收天线的伪距，对伪距进行编码形成发射数据，将发射数据送至主
现场可编程门阵列单元；接收主现场可编程门阵列单元发送的解调信号，进行编译得到上历元主成员装置中两个主发射天线分别到从成员装置中的三个从接收天线的伪距，然后获取本历元从成员装置中的两个从发射天线分别到主成员装置中的三个主接收天线的伪距，最后利用空间交会原理计算得到主成员装置的整周模糊度、相对位置和姿态
角；
[0010] 主现场可编程门阵列单元，接收主
数字信号处理器单元发送的发射数据并进行扩频，得到扩频信号并进行调制得到调制信号，然后将调制信号滤波得到数字中频信号并送至主DA转换器单元；接收主AD转换器单元发送的数字中频信号并进行解调，得到解调信号后送至主数字信号处理器单元；
[0011] 主DA转换器单元，接收主现场可编程门阵列单元发送的数字中频信号，将数字中频信号转化为模拟中频信号，并送至主射频发射通道TC1、主射频发射通道TC2、主双模式辅助射频通道AC1、主双模式辅助射频通道AC2；
[0012] 主AD转换器单元，分别接收主射频接收通道RC1、主射频接收通道RC2、主射频接收通道RC3、主双模式辅助射频通道AC1、主双模式辅助射频通道AC2、主辅助射频接收通道AC3发送的模拟中频信号，将模拟中频信号转化为数字中频信号并发送至主现场可编程门阵列单元；
[0013] 主射频发射通道TC1，接收主DA转换器单元发送的模拟中频信号，将模拟中频信号变频到fd
频率并得到fd频率
射频信号，将fd频率射频信号送至主发射天线T1；
[0014] 主射频发射通道TC2，接收主DA转换器单元发送的模拟中频信号，将模拟中频信号变频到fd频率并得到fd频率射频信号，将fd频率射频信号送至主发射天线T2；
[0015] 主双模式辅助射频通道AC1，接收主DA转换器单元发送的模拟中频信号，将模拟中频信号变频到fad频率并得到fad频率射频信号，将fad频率射频信号送至主发射天线T1；接收主接收天线R1发送的fau频率射频信号并将其变频为模拟中频信号，将得到的模拟中频信号送至主AD转换器单元；
[0016] 主双模式辅助射频通道AC2，接收主DA转换器单元发送的模拟中频信号，将模拟中频信号变频到fad频率并得到fad频率射频信号，将fad频率射频信号送至主发射天线T2；接收主接收天线R2发送的fau频率射频信号并将其变频为模拟中频信号，将得到的模拟中频信号送至主AD转换器单元；
[0017] 主辅助射频接收通道AC3，接收主接收天线R3发送的fau频率射频信号并将其变频为模拟中频信号，将得到的模拟中频信号送至主AD转换器单元；
[0018] 主发射天线T1，接收主成员装置主射频发射通道TC1发送的fd频率射频信号、主双模式辅助射频通道AC1发送的fad频率射频信号，将主发射天线T1固定伪随机码序列和fd频率射频信号、主发射天线T1固定伪随机码序列和fad频率射频信号分别调制到载波上形成两路测距信号，并将两路测距信号发射至从成员装置从接收天线；
[0019] 主发射天线T2，接收主成员装置主射频发射通道TC2发送的fd频率射频信号、主双模式辅助射频通道AC2发送的fad频率射频信号，将主发射天线T2固定伪随机码序列和fd频率射频信号、主发射天线T2固定伪随机码序列和fad频率射频信号分别调制到载波上形成两路测距信号，并将两路测距信号发射至从成员装置从接收天线；
[0020] 主接收天线R1，接收从成员装置2个从发射天线发射的多路测距信号，解调并识别从成员装置2个从发射天线的不同测距信号，得到从成员装置从发射天线T1发送的fu频率射频信号与fau频率射频信号、从成员装置从发射天线T2发送的fu频率射频信号与fau频率射频信号，并将从成员装置发送的fu频率射频信号送至主成员装置主射频接收通道RC1，将从成员装置发送的fau频率射频信号送至主成员装置中的主双模式辅助射频通道AC1；所述fd与fad为主成员装置的每一个主发射天线可以发射的2个频率，fu与fau为从成员装置的每一个从发射天线可以发射的两个频率；
[0021] 主接收天线R2，接收从成员装置2个从发射天线发射的多路测距信号，解调并识别从成员装置2个从发射天线的不同测距信号，得到从成员装置从发射天线T1发送的fu频率射频信号与fau频率射频信号、从成员装置从发射天线T2发送的fu频率射频信号与fau频率射频信号，并将从装置发送的fu频率射频信号送至主成员装置主射频接收通道RC2，将从成员装置发送的fau频率射频信号送至本成员装置中的主双模式辅助射频通道AC2；
[0022] 主接收天线R3，接收从成员装置2个从发射天线发射的多路测距信号，解调并识别从成员装置2个从发射天线的不同测距信号，得到从成员装置从发射天线T1发送的fu频率射频信号与fau频率射频信号、从成员装置从发射天线T2发送的fu频率射频信号与fau频率射频信号，并将从成员装置从发射天线T1、从发射天线T2发送的fu频率射频信号送至主成员装置主射频接收通道RC3，将从成员装置从发射天线T1、从发射天线T2发送的fau频率射频信号送至主成员装置主辅助射频接收通道AC3；
[0023] 主射频接收通道RC1，接收主接收天线R1发送的两路fu频率射频信号并将其变频为两路模拟中频信号后送至主AD转换器单元；
[0024] 主射频接收通道RC2，接收主接收天线R2发送的两路fu频率射频信号并将其变频为两路模拟中频信号后送至主AD转换器单元；
[0025] 主射频接收通道RC3，接收主接收天线R3发送的两路fu频率射频信号并将其变频为两路模拟中频信号后送至主AD转换器单元；
[0026] 从成员装置包括：从发射天线T1、从发射天线T2、从接收天线R1、从接收天线R2、从接收天线R3、从射频发射通道TC1、从射频发射通道TC2、从射频接收通道RC1、从射频接收通道RC2、从射频接收通道RC3、从双模式辅助射频通道AC1、从双模式辅助射频通道AC2、从辅助射频接收通道AC3和基带处理模块，其中：
[0027] 从基带处理模块，包括从数字信号处理器单元、从现场可编程门阵列单元、从DA转换器单元、从AD转换器单元；
[0028] 从数字信号处理器单元，获取上历元主成员装置2个主发射天线分别到从成员装置从接收天线R1、从接收天线R2、从接收天线R3的伪距，对伪距进行编码形成发射数据，将发射数据送至从现场可编程门阵列单元；接收从现场可编程门阵列单元发送的解调信号，进行编译得到上历元从成员装置中两个从发射天线分别到主成员装置中的三个主接收天线的伪距，然后获取本历元主成员装置中的2个主发射天线分别到从成员装置中的三个从接收天线的伪距，最后利用空间交会原理计算得到从成员装置的整周模糊度、相对位置和姿态角；
[0029] 从现场可编程门阵列单元，接收从数字信号处理器单元发送的编码的发射数据并进行扩频，得到扩频信号并进行调制得到调制信号，然后将调制信号滤波得到数字中频信号并送至从DA转换器单元，接收从AD转换器单元发送的数字中频信号并进行解调，得到解调信号后送至从数字信号处理器单元；
[0030] 从DA转换器单元，接收从现场可编程门阵列单元发送的数字中频信号，将数字中频信号转化为模拟中频信号，并送至从射频发射通道TC1、从射频发射通道TC2、从双模式辅助射频通道AC1、从双模式辅助射频通道AC2；
[0031] 从AD转换器单元，分别接收从射频接收通道RC1、从射频接收通道RC2、从射频接收通道RC3、从双模式辅助射频通道AC1、从双模式辅助射频通道AC2、从辅助射频接收通道AC3发送的模拟中频信号，将模拟中频信号转化为数字中频信号并发送至从现场可编程门阵列单元；
[0032] 从射频发射通道TC1，接收从DA转换器单元发送的模拟中频信号，将模拟中频信号变频到fu频率并得到fu频率射频信号，将fu频率射频信号送至从发射天线T1；
[0033] 从射频发射通道TC2，接收从DA转换器单元发送的模拟中频信号，将模拟中频信号变频到fu频率并得到fu频率射频信号，将fu频率射频信号送至从发射天线T2；
[0034] 从双模式辅助射频通道AC1，接收从DA转换器单元发送的模拟中频信号，将模拟中频信号变频到fau频率并得到fau频率射频信号，将fau频率射频信号送至从发射天线T1，接收从接收天线R1发送的两路fad频率射频信号并将其变频为两路模拟中频信号，将得到的两路模拟中频信号送至从AD转换器单元；
[0035] 从双模式辅助射频通道AC2，接收从DA转换器单元发送的模拟中频信号，将模拟中频信号变频到fau频率并得到fau频率射频信号，将fau频率射频信号送至从发射天线T2，接收从接收天线R2发送的两路fad频率射频信号并将其变频为两路模拟中频信号，将得到的两路模拟中频信号送至从AD转换器单元；
[0036] 从辅助射频接收通道AC3，接收从接收天线R3发送的两路fad频率射频信号并将其变频为两路模拟中频信号，将得到的两路模拟中频信号送至从AD转换器单元；
[0037] 从发射天线T1，接收从成员装置射频发射通道TC1发送的fu频率射频信号、从双模式辅助射频通道AC1发送的fau频率射频信号，将从发射天线T1固定伪随机码序列和fu频率射频信号、从发射天线T1固定伪随机码序列和fau频率射频信号分别调制到载波上形成两路测距信号，并将两路测距信号发射至主成员装置中的主接收天线；
[0038] 从发射天线T2，接收从成员装置射频发射通道TC2发送的fu频率射频信号、从双模式辅助射频通道AC2发送的fau频率射频信号，将从发射天线T2固定伪随机码序列和fu频率射频信号、从发射天线T2固定伪随机码序列和fau频率射频信号分别调制到载波上形成两路测距信号，并将两路测距信号发射至主成员装置中的主接收天线；
[0039] 从接收天线R1，接收主成员装置2个主发射天线发射的多路测距信号，解调并识别主成员装置2个主发射天线的不同测距信号，得到主成员装置主发射天线T1发送的fd频率射频信号与fad频率射频信号、主成员装置主发射天线T2发送的fd频率射频信号与fad频率射频信号，并将主成员装置发送的fd频率射频信号送至从成员装置从射频接收通道RC1，将主成员装置发送的fad频率射频信号送至从成员装置中的从双模式辅助射频通道AC1；
[0040] 从接收天线R2，接收主成员装置2个主发射天线发射的多路测距信号，解调并识别主成员装置2个主发射天线的不同测距信号，得到主成员装置主发射天线T1发送的fd频率射频信号与fad频率射频信号、主成员装置主发射天线T2发送的fd频率射频信号与fad频率射频信号，并将从成员装发送的fd频率射频信号送至从成员装置从射频接收通道RC2，将主成员装置发送的fad频率射频信号送至从成员装置中的从双模式辅助射频通道AC2；
[0041] 从接收天线R3，接收主成员装置2个主发射天线发射的多路测距信号，解调并识别主成员装置2个主发射天线的不同测距信号，得到主成员装置主发射天线T1发送的fd频率射频信号与fad频率射频信号、主成员装置主发射天线T2发送的fd频率射频信号与fad频率射频信号，并将主成员装置发送的fd频率射频信号送至从成员装置从射频接收通道RC3，将主成员装置发送的fad频率射频信号送至从成员从装置中的辅助射频接收通道AC3；
[0042] 从射频接收通道RC1，接收从接收天线R1发送的两路fd频率射频信号并将其变频为两路模拟中频信号后送至从AD转换器单元；
[0043] 从射频接收通道RC2，接收从接收天线R2发送的两路fd频率射频信号并将其变频为两路模拟中频信号后送至从AD转换器单元；
[0044] 从射频接收通道RC3，接收从接收天线R3发送的两路fd频率射频信号并将其变频为两路模拟中频信号后送至从AD转换器单元。
[0045] 所述的主成员装置中的五个天线或从成员装置中的五个天线安装在正方形平面上，一个发射天线位于正方形平面的中心，而其余四个天线位于正方形平面的四个
顶点。
[0046] 所述的主成员装置中或从成员装置中的双模辅助射频通道包括辅助发射单元、辅助接收单元、
开关控制单元，其中
[0047] 开关控制单元，如果接收对应基带处理单元输出的模拟中频信号，则控制辅助发射单元工作，否则控制辅助接收单元工作；
[0048] 辅助发射单元，包括第一级上
变频器、滤波
放大器、第二级上变频器、第一带通
滤波器、高频放大器、数控
衰减器、
功率放大器；第一级上变频器接收对应基带处理单元发送的模拟中频信号并进行变频，将得到的变频信号经过滤波放大器滤波并放大后送至第二级上变频器，信号经第二级上变频器变频后发送到第一
带通滤波器滤波，然后使用高频放大器放大信号并将放大后的信号送至数控衰减器
控制信号的功率，最后将信号使用功率放大器放大并发送至对应发射天线；
[0049] 辅助接收单元，包括第一级
低噪声放大器、第二带通滤波器、第二级低噪声放大器、
本振倍频及下变频器、第一级滤波放大器、第二级下变频器、第二级滤波放大器；第一级低噪声放大器接收对应接收天线发送的射频信号并进行去除噪声和放大，将放大后的信号使用第二带通滤波器滤波后送至第二级低噪声放大器去除噪声并放大，然后将得到的信号发送到本振倍频及下变频器变频，变频后的信号使用第一级滤波放大器去除噪声并放大，放大后的信号经过第二级下变频器变频后送至第二级滤波放大器，最后将去除噪声和放大后的信号发送到对应基带处理单元。
[0050] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0051] (1)本发明系统安装2发3收天线，安装于集群成员的表面上，任意一对成员之间可以建立关于7个未知相对姿态参数的方程组，方程组由12个有效的观测方程组成，因此直接可以测出一对
飞行器之间的相对姿态，不需要借助其它集群成员提供的观测数据，当部分成员无效时，集群仍可以正常的提供相对姿态测量功能；
[0052] (2)本发明系统采用频分与码分相结合的方式，可以有效的区分不同的发射天线，同时避免了复杂的时序控制，由于测量可以持续进行而不是在某个特定时隙才可进行，因此缩短了观测周期，提高了实时性；
[0053] (3)本发明系统设计了辅助射频通道，通过主从设备的辅助射频通道联动，可以得到一组辅助观测量，通过辅助观测量方程与主观测量方程联立，可以解出整周模糊度，仅需要当前历元的数据即可解算出整周模糊度，不需要飞控系统的复杂操作，也不需要累积数据，因此可以提高整周解算的实时性以及整个装置的实时性、操作灵活性；
[0054] (4)本发明系统设计了辅助射频通道，在主射频通道发生故障时，可以代替主射频通道，起到备份作用。
附图说明
[0055] 图1为本发明系统装置的总体装置图；
[0056] 图2为本发明系统装置中的主射频发射通道；
[0057] 图3为本发明系统装置中的主射频接收通道；
[0058] 图4为本发明系统装置中的辅助射频接收通道；
[0059] 图5为本发明系统装置中的双模式辅助射频接收通道；
[0060] 图6为本发明系统装置中的主射频接收通道与辅助射频接收通道的连接方式；
[0061] 图7为本发明系统装置中的主射频通道与双模式辅助射频通道的连接方式；
[0062] 图8为本发明系统装置中的基带处理模块组成；
[0063] 图9为本发明系统装置中的基带发送处理流程；
[0064] 图10为本发明系统装置中的基带接收处理流程。
具体实施方式
[0065] 本发明一种适用于集群目标间的射频自主相对姿态测量系统，包括两套结构相同的相对姿态测量装置，通过两个装置分别接收和发送测距信号完成相对姿态测量。本发明设计的射频自主相对姿态测量系统装置，如图1所示，包括2个发射天线T1、T2，3个接收天线R1、R2、R3，2个射频发射通道TC1、TC2，3个射频接收通道RC1、RC2、RC3，3个辅助射频通道AC1、AC2、AC3，1个基带处理模块，以及高稳时基模块等部分组成，其中的3个辅助射频通道又分为1个辅助射频接收通道，2个双模式辅助射频通道，双模式辅助射频通道可以由基带控制使其分别工作于发射状态和接收模式。
[0066] 2个发射天线和2个射频发射通道分别相连接，3个接收天线和3个接收通道分别相连接，AC1、AC2两个辅助通道则根据需要与不同的发射通道或接收通道并联，AC3辅助射频通道与接收通道连接。所有的发射射频通道、接收射频通道和辅助射频通道都连接到基带处理模块，高稳时基模块输出多路时基信号，分别供给各个射频通道和基带处理模块。
[0067] 本装置采用空间交会原理实现定位和定姿，即测量一对成员间的多个收发天线之间的距离，利用空间交会原理确定这些天线在相对
坐标系下的位置，最后由天线位置确定天线所在成员的姿态。为确定两个成员的相对姿态，需要在每个成员上安装至少3个发射(或者接收)天线，而且这些天线的安装位置不可共线，每个成员上同时至少需要安装2个接收(或发射)天线，通过测量一个成员3个发射天线或接收天线到其它成员对应接收或者发射天线之间的
信号传输时间可以得出这些收发天线之间的距离，继而得出成员之间的相对姿态，即每个成员上天线配置至少为3个发射天线2个接收天线或3个接收天线和2个发射天线。
[0068] 本装置采用3个接收和2个发射天线的配置，这样减少发射天线的数量，相应的减少发射机的数量，由于发射机的功放部分通常消耗较大的功率，减少发射机的数量可以减少功耗。本装置采用频分多址与码分多址结合的多址方式，用于区分不同的发射天线和接收天线。其中集群中的任一成员的每个发射天线对应一个固定的伪随机码序列。
[0069] 集群目标中的每个成员都需要安装本装置，一个成员的装置的任一发射天线到其它任一成员的三个接收天线之间可以得到3个测距量，每个装置有两个发射天线，因此可以得到6个测距量，相反其它任一成员到本成员的装置之间可以有6个测距量，这样任一一对成员之间可以得到12个测距量。集群飞行器的相对姿态测量需要测出飞行器之间在相对坐标系下的X轴坐标、Y轴坐标、Z轴坐标、三个欧拉角以及飞行器之间的钟差等7个未知参数。上述每一个测距量都是由7个未知参数决定的，即可以列出由12个方程组成的方程组，每个方程都是关于上述7个未知参数的方程。即每个方程可以表示为：
[0070] Ri＝RGi+Rτ＝(riTri)1/2+c·Δτ (1)
[0071] 其中Ri，i＝1,2…12为12个测距量，RGi＝(riTri)1/2，i＝1,2…12为信号在空间真实传播时间所对应的距离，即天线之间的真实距离，ri，i＝1,2…12则是相对坐标系下一对收发天线的位置点所形成的向量，Rτ＝c·Δτ是两个成员的装置之间的钟差造成的测量误差，Δτ为装置之间的钟差值。而其中ri又可以表示为
[0072] ri＝[pR+Q(ψR,θR,φR)μR]-[pT+Q(ψT,θT,φT)μT] (2)
[0073] 其中pR为某个接收天线所在集群成员在相对坐标系下的坐标向量，该成员的三个姿态角分别用ψR、θR、φR表示，Q(ψR,θR,φR)指接收天线所在目标的姿态角方向余弦矩阵，其中各阵元均可用ψR、θR、φR表示，pT为某个发射天线所在集群成员在相对坐标系下的坐标向量，该成员的三个姿态角分别用ψT、θT、φT表示，Q(ψT,θT,φT)指发射天线所在目标的姿态角方向余弦矩阵，其中各阵元均可用ψT、θT、φT表示。由于相对测量是确定上述两个成员的相对坐标，因此其中一个成员的相对坐标为已知，而另外一个为未知，不妨假设某发射天线所在成员的相对坐标为已知，则未知量就是pR、ψR、θR、φR，其中向量pR由三个未知元素组成，而μR为某个接收天线相对于其所在的成员的本体坐标，为已知量，同样μT为某个发射天线相对于其所在成员的本体坐标，也为已知量。综上所述，(1)所示的方程表示了7个未知参数与每一个测距量之间的关系，任一一对成员之间可以得到12个测距量，就可以得到12个方程组成的方程组，利用最小二乘原理求解上述方程即可得到7个未知参数的值。所述相对坐标系的原点为一个成员装置的质心，x轴、y轴、z轴指向任意
指定。
[0074] 以上方程组中的Ri，i＝1,2…12这12个测距量可以通过伪随机序列得到，但得到的结果为相对姿态粗值，作为下一步计算的初值带入方程组，精确的相对姿态值通过载波相位测量得到，过程如下。
[0075] 集群中的主成员的每个发射天线对应一个固定伪随机码序列，每个发射天线可以发射两个频率fd和fad，集群中的其它从成员的任一接收天线可接收主成员所有发射天线的信号，接收天线连接两个接收通道，分别接收fd和fad两个频点的信号，基带处理模块根据接收通道区分发射频率，根据接收信号中包含的伪随机码信息区分来自主成员不同发射天线的信号。集群中的任一从成员的每个发射天线对应一个固定的伪随机序列，不同从成员的发射天线不能占用相同的伪随机序列，但从成员的发射天线可以和主成员的发射天线占用相同的伪随机序列，每个从成员的发射天线可以发射两个频率fu和fau，主成员的任一接收天线可接收所有从成员的发射天线的信号，接收天线连接两个接收通道，分别接收fu和fau两个频点的信号，基带处理模块根据接收通道区分发射频率，根据接收信号中包含的伪随机码信息区分来自不同从成员的不同发射天线的信号。
[0076] 集群飞行器精确的相对姿态测量以载波相位测量为
基础，载波相位测量值可分为载波相位整数部分和载波相位小数部分，其中整数部分需要通过解算载波整周模糊度得到，小数部分可以在接收通道处测得。本装置通过控制主成员和其它成员的辅助射频通道联动，可以方便的解算出载波整周模糊度。
[0077] 解算主成员发出信号的整周模糊度时，主成员的装置上的两个主发射通道采用fd载波发射测距信号，2个双模辅助射频通道经联动控制工作于发射模式并采用fad发射测距信号，此时从成员的装置上的3个主接收通道接收fd频率上的主成员信号，1个辅助射频接收通道与1个主射频接收通道并联并在fad频率上接收主成员发射的信号，2个双模辅助射频通道经联动控制工作于接收模式并在fad频率上接收主成员发射的信号。
[0078] 解算从成员发出信号的整周模糊度时，从成员的装置上的两个主发射通道采用fu载波发射测距信号，2个双模辅助射频通道经联动控制工作于发射模式并采用fau发射测距信号，此时主成员的装置上的3个主接收通道接收fu频率上的从成员信号，1个辅助射频接收通道与1个主射频接收通道并联并在fau频率上接收从成员发射的信号，2个双模辅助射频通道经联动控制工作于接收模式并在fau频率上接收从成员发射的信号。
[0079] 基于辅助射频结构的主成员发射信号整周模糊度解算过程为，假设在历元t时刻，某接收通道获得4个观测值 (载波fd、载波fad的载波相位小数部分观测值)，ρd、ρad(码相位伪距观测值)，以上四个数值可以在接收通道直接获得。设发射信号初始相位为0，仅考虑电离层延迟误差和时间误差，可列出如下方程：
[0080]
[0081]
[0082]
[0083]
[0084] 其中，R为两成员之间的真距；Δt为两成员之间的钟差；Φd、Φad为对应于伪距ρd、ρad的载波相位观测值；Nd、Nad为fd、fad频率上载波相位的整周模糊度； 为电离层延迟在相位上的误差，A为电离层延迟造成的测距误差，为已知值，且码与载波的电离层误差在同频率上大小相等，符号相反。用以上方式可以建立所有收发天线之间的方程，通过解算可以计算得出所有发射信号的整周模糊度。利用辅助射频通道解算整周模糊度仅依赖当前历元的数据，不需要以前的累积观测量，整周模糊的解算可以灵活进行，既可以采用持续的时分方式进行，也可以根据需要采用定期或不定期更新的工作方式。
[0085] 本发明装置的一种较佳实施方式的结构如图1所示，包括2个发射天线、3个接收天线、2个射频发射通道、3个射频接收通道、3个辅助射频通道、1个基带处理模块以及高稳时基模块等部分组成。实现本发明装置需要实现天线设计、天线布局、主射频发射通道设计、主射频接收通道设计、辅助射频接收通道设计、双模辅助射频通道设计和基带处理模块设计等部分。
[0086] 本发明装置是基于
微波测距和空间交会的原理实现任意一对目标之间的位置和姿态参数测量，其工作的流程可以分为测距信号发射流程和测距信号接收流程。
[0087] 测距信号发射流程为：
[0088] 1)本机的DSP数字信号处理单元产生发射数据，要发射的数据主要包括本机接收天线在上一个历元测得的对方发射信号的传播时间，即上一个历元对方发射天线到本机各接收天线的伪距，要发射的数据在DSP中编排为
帧格式，并进行编码；
[0089] 2)本机FPGA单元中对待发射数据符号进行扩频得到扩频信号，扩频信号进行BPSK调制得到调制信号，将调制后信号滤波得到数字中频信号；
[0090] 3)本机D/A转换器单元将数字中频信号转化为模拟中频信号；
[0091] 4)本机射频发射通道将模拟中频信号上变频得到射频信号，如果采用双频工作模式则同时将双模式辅助射频通道配置为发射模式，并将模拟中频信号接通双模式辅助射频通道，得到两路射频信号，即双频信号；
[0092] 5)本机发射天线将一路单频信号或者两路合并为一路的双频信号发射给对方接收天线。
[0093] 测距信号接收流程为：
[0094] 1)本机接收天线接收对方成员发射天线发射的一路单频信号或两路双频信号；
[0095] 2)本机射频接收通道将射频信号下变频为模拟中频信号，如果对方发射的是双频信号，则本机则需将双模式辅助射频通道配置为接收模式，接收的信号经过功分器分解为两路信号，分别送到主接收通道和辅助接收通道或者双模辅助通道，经过下变频后得到两路中频
模拟信号。
[0096] 3)本机A/D变换器将一路或两路模拟中频模拟信号变换为中频数字信号。
[0097] 4)本机FPGA单元对一路中频数字信号或者分别对两路中频数字信号进行捕获
跟踪，
锁定其载波和伪码相位，并对信号进行BPSK解调。
[0098] 5)本机DSP对BPSK解调信号进行译码恢复出发射数据，根据已知的格式提取出对方提供的伪距信息，DSP利用FPGA中已经提取的本机伪距信息和对方提供的伪距信息，采用空间交会原理进行结算可以得到本机与对方之间的相位位置和姿态等信息。
[0099] 各部分的设计情况如下：
[0100] 天线设计：天线设计主要取决于系统
覆盖范围的要求，可以选择喇叭天线或
波导缝隙天线。
[0101] 装置天线布局：天线安装于一个平面上，其中一个发射天线处于平面中心，另外一个发射天线和其它3个天线则处于正方形的四个顶点。
[0102] 主射频发射通道：发射单元采用多级变频方案以减少滤波器设计的难度，减少谐波和本振泄露的影响。主射频发射通道的实现如图2所示，主要由一级上变频器、滤波放大器、二级上变频器、带通滤波器、高频放大器、数控衰减器、功率放大器、发射控制开关等部分组成。当主发射通道不能正常工作时，由基带处理模块给出控制信号，控制发射控制开关关闭，从而切断主发射通道。
[0103] 主射频接收通道：主射频接收通道如图3所示，由接收控制开关、第一级低噪声放大器、带通滤波器、第二级低噪声放大器、本振倍频及下变频器、第一级滤波放大器、第二级下变频器、第二级滤波放大器组成。主射频接收通道发生故障时，可以由基带处理模块给出控制信号，关闭主射频接收通道。
[0104] 辅助射频接收通道：辅助射频接收通道如图4所示，由接收控制开关、第一级低噪声放大器、带通滤波器、第二级低噪声放大器、本振倍频及下变频器、第一级滤波放大器、第二级下变频器、第二级滤波放大器组成。辅助射频接收通道通过控制开关与接收天线连接，主射频通道与辅助射频通道同时连接接收天线时，两者通过功分器共同连接接收天线。主射频通道与辅助通道同时连接接收天线的结构如图6所示
[0105] 双模辅助射频通道：双模辅助射频通道包括辅助发射部分、辅助接收部分、开关控制部分和共享变频部分组成，双模式辅助射频通道与主射频发射通道以及主射频接收的连接结构如图5所示，通过基带控制开关和收发切换，实现收发两种工作模式。
[0106] 双模辅助射频通道的发射部分如图5所示，主要由一级上变频器、滤波放大器、二级上变频器、带通滤波器、高频放大器、数控衰减器、功率放大器、发射控制开关等部分组成。发射单元采用多级变频方案以减少滤波器设计的难度，减少谐波和本振泄露的影响。辅助发射通道与基带处理单元相连接，接收基带处理单元输出的中频信号，当工作于辅助发射模式时，双模
混频器通过开关切换引入发射中频本振信号1，中频本振信号1混频得到调制信号，经过滤波放大器、第二级上变频器等处理后，经过发射控制开关与发射天线连接。
[0107] 双模式辅助射频接收通道的接收部分如图5所示，由接收控制开关、第一级低噪声放大器、带通滤波器、第二级低噪声放大器、本振倍频及下变频器、第一级滤波放大器、第二级下变频器、第二级滤波放大器组成。接收通道通过接收控制开关与接收天线相连接，接收其它成员发射的测距信号，经过第一级低噪声放大器、带通滤波、第二级低噪声放大器处理后，输入至本振机下变频单元，经第一级滤波放大，当工作于辅助接收模式时，双模变频器，通过开关切换引入接收中频本振信号2，混频得到中频信号，中频信号送去基带处理单元进行处理。
[0108] 辅助射频通道的作用是在进行载波测量时辅助主射频通道进行解整周模糊度处理，辅助射频通道包括辅助射频接收通道和双模式辅助射频通道。辅助射频接收通道AC3与装置的主射频接收通道RC3形成双频接收通道，其连接方式如图6所示，双频接收通道通过功分器共同连接一个天线，可以接收其它成员发射的双频发射信号。双模式辅助射频通道AC1/AC2可以配置为接收模式也可以配置为发射模式，分别与主发射通道TC1/TC2或者主接收通道RC1/RC2相连接形成双频发射通道或者双频接收通道，其连接方式如图7所示：当双模辅助射频通道配置为发射模式时，双模辅助射频通道AC1与主射频通道TC1形成双频发射通道，双模辅助射频通道AC2与主射频通道TC2形成双频发射通道；当双模辅助射频通道配置为接收模式时，双模辅助射频通道AC1与主射频通道TC1形成双频接收通道，双模辅助射频通道AC2与主射频通道TC2形成双频接收通道。
[0109] 基带处理模块：如图8所示，基带处理模块由AD转换器、DA转换器、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、时钟
电路、各种
接口电路(包括与双向通信的同步RS422电路、异步422电路、LAN电路、1553B总线接口等需要的接口，以及用于时间同步测量的接收外部秒脉冲(1PPS)接口)、电源电路等。AD转换器共有6路，分别与三路主接收通道RC1、RC2、RC3，一路辅助接收通道AC3以及两路双模式辅助通道AC1、AC2相连接，用以接收其它成员发射的测距信号。DA转换器共有6路，分别与两路主射频接收通道TC1、TC2，两路双模式辅助发射通道AC1、AC2相连接。现场可编程门阵列(FPGA)与AD转换器连接接收基带
输入信号，计算伪码相位和载波相位，得到其它成员发射天线到本地接收天线的距离信息，同时与DA转换器连接，将本地测距信号输出给发射通道，经过天线发射给其它成员。数字信号处理器与现场可编程门阵列(FPGA)相连接，接收一对成员的所有收发天线之间的12个伪码相位和12个载波相位测距，采用定位解算
算法得到成员之间的相位位置和姿态，当辅助通道与主发射或主接收通道连接形成双频发射或双频接收时，可以利用解算载波相位的整周模糊度。接口电路用于成员内部其它部分的通信，可以通过同步RS422电路、异步422电路、LAN电路、1553B总线等接口与成员内部计算机连接，将成员的位置和姿态数据提交给导航控制程序，实现对成员的控制。
[0110] 基带处理流程：基带处理的发送流程如图9所示，待发送数据经过格式编排形成发送符号流，发送的内容主要包括本地成员测量得到的对方成员各发射天线到本地各接收天线之间的距离，发送符号流经过伪码进行直接序列扩频得到伪码扩频信号，伪码扩频信号采用BPSK调制方式形成调制信号，经成型滤波得到数字中频信号，数字中频信号送往DA变换器并经由射频发射通道和发射天线发送给其它成员。基带处理的接收流程如图10所示，模拟中频信号经过AD
采样后得到数字中频信号，经过捕获锁定
载波频率和伪码相位，经过跟踪电路保持载波相位和伪码相位，捕获跟踪的
输出信号由BPSK解调进行解调得到数据信息，数据内容包括对方成员测得的其各接收天线到本地发射天线之间的距离，同时可以得到伪码相位和载波相位信息等本地测距信息，本地测距信息和接收到的其它成员的测距信息共同组成了观测数据，一对成员之间共可以得到12个伪码和载波相位信息，利用上述观测值可以解算得到成员之间的相对位置和姿态。
[0111] 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。
