秦奮 魏文超 李廣才 王盛

摘要：本文論述了衛(wèi)星高動(dòng)態(tài)擴(kuò)頻測控信號(hào)快速捕獲的基帶處理算法和具體實(shí)現(xiàn)，針對星載測控應(yīng)答機(jī)高動(dòng)態(tài)、弱信號(hào)和抗干擾的任務(wù)特點(diǎn)，重點(diǎn)討論了捕獲技術(shù)參數(shù)和快速捕獲算法處理流程，并在算法中設(shè)計(jì)了抗多址干擾處理，通過兩級門限判決解決誤捕問題，提高測控應(yīng)答機(jī)在軌工作的可靠性和抗干擾性能，對我國衛(wèi)星測控通信技術(shù)具有積極意義。

關(guān)鍵詞：高動(dòng)態(tài) 擴(kuò)頻 快速捕獲 抗干擾

中圖分類號(hào)：TN91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）07-0028-02

1 前言

在我國研制的衛(wèi)星型號(hào)中，星載測控應(yīng)答機(jī)承擔(dān)著衛(wèi)星測控系統(tǒng)星上部分的重要業(yè)務(wù)功能，完成包括衛(wèi)星遙控、遙測、測距、測速等具體任務(wù)。近年來，非相干擴(kuò)頻測控技術(shù)在測量精度、抗干擾、抗截獲方面具有突出的技術(shù)優(yōu)勢，獲得了廣泛軍事應(yīng)用[1][2][3]。

測控上行鏈路，地面站向衛(wèi)星發(fā)送經(jīng)偽碼擴(kuò)頻調(diào)制的遙控信號(hào)和測距信號(hào)，應(yīng)答機(jī)接收到遙控信號(hào)和測距信號(hào)后，完成解調(diào)、解擴(kuò)，獲得上行遙控、測距和測速等信息，并將遙控信息輸出。測控下行鏈路工作中，擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī)將解調(diào)、解擴(kuò)得到測距、測速信息按規(guī)定的格式完成下行測量信息組幀，與下行遙測信號(hào)分別經(jīng)過擴(kuò)頻，通過載波調(diào)制向地面發(fā)送下行測控信號(hào)。

星上非相干擴(kuò)頻測控算法，需要重點(diǎn)解決衛(wèi)星高動(dòng)態(tài)、信號(hào)微弱、抗干擾的技術(shù)難題[4][5]，本文分析了衛(wèi)星高動(dòng)態(tài)擴(kuò)頻測控信號(hào)快速捕獲技術(shù)，對能夠解決高動(dòng)態(tài)、弱信號(hào)以及抗干擾的一種星用擴(kuò)頻測控快速捕獲算法和實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行了技術(shù)研究，并在某衛(wèi)星工程上實(shí)現(xiàn)了該算法。

2 信號(hào)處理過程與捕獲參數(shù)

星載擴(kuò)頻測控應(yīng)答機(jī)，由射頻模塊、基帶信號(hào)處理機(jī)和二次電源部套組成。來自地面測控站的多路擴(kuò)頻測控信號(hào)到達(dá)擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī)后，進(jìn)入射頻模塊，在射頻模塊中依次經(jīng)過低噪聲放大器、射頻混頻器和濾波器，將信號(hào)變頻到中頻后通過自動(dòng)增益控制AGC（Auto Gain Control）輸出中頻模擬信號(hào)給基帶信號(hào)處理機(jī)?；鶐盘?hào)處理機(jī)的A/D采集器，將中頻模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為中頻數(shù)字信號(hào)，接著進(jìn)行信號(hào)處理。

基帶信號(hào)處理機(jī)的信號(hào)處理，由信號(hào)快捕單元和擴(kuò)頻碼-載波跟蹤單元兩部分組成。中頻數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過數(shù)字下變頻處理，進(jìn)行擴(kuò)頻碼-載波二維快速捕獲，將擴(kuò)頻碼相位和載波頻率信息傳遞給粗捕后估計(jì)單元，完成載波頻率的估計(jì)后，提供擴(kuò)頻碼相位和估計(jì)后載波頻率信息給擴(kuò)頻碼-載波跟蹤環(huán)路，待穩(wěn)定跟蹤上各通道擴(kuò)頻信號(hào)，從中連續(xù)、穩(wěn)定解調(diào)出基帶信息，建立星地測控通信鏈路[6]。表1為捕獲特性參數(shù)表，表2為捕獲主要技術(shù)指標(biāo)。

由于衛(wèi)星測控通信鏈路的特殊性，在衛(wèi)星高動(dòng)態(tài)情況下，本文針對微弱擴(kuò)頻測控信號(hào)進(jìn)行多通道擴(kuò)頻碼-載波快速捕獲算法研究，一方面要進(jìn)行擴(kuò)頻碼-載波二維搜索，在捕獲時(shí)間指標(biāo)要求內(nèi)，快速搜索到信號(hào)的載波頻率和擴(kuò)頻碼相位，另一方面，需要克服通道間的多址干擾，防止發(fā)生誤捕獲[7][8]。

3 基于FFT的快速捕獲算法及抗多址干擾設(shè)計(jì)

非相干擴(kuò)頻測控信號(hào)，具有高動(dòng)態(tài)、偽碼速率高、擴(kuò)頻碼-載波二維搜索、頻域搜索范圍大等特點(diǎn)，常規(guī)的信號(hào)捕獲方法如串行搜索捕獲法等往往捕獲時(shí)間較長，難以實(shí)現(xiàn)在要求的捕獲時(shí)間內(nèi)搜索到信號(hào)。隨著Virtex2系列、Vertex4系列等宇航級百萬門可編程邏輯器件的出現(xiàn)，基于FFT技術(shù)快速捕獲算法具備了航天工程實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

本文提出的基于FFT快速捕獲算法，是一種擴(kuò)頻碼并行-載波串行捕獲算法。算法的核心思想，是利用FFT技術(shù)實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)和本地信號(hào)相關(guān)運(yùn)算。一次擴(kuò)頻碼并行-載波串行捕獲過程，在一個(gè)載波頻率上并行搜索所有擴(kuò)頻碼相位的相關(guān)值，選取最大值進(jìn)行門限判決，如果通過門限判決，認(rèn)定為信號(hào)；否則，以一定頻率增量搜索剩余的載波頻點(diǎn)，直至遍歷所有載波頻率范圍。同時(shí)，該快捕算法在門限檢測判決模塊中加入兩級門限作為抗多址干擾的手段，從而可以克服多址干擾造成的捕獲虛警。（圖1）

擴(kuò)頻碼并行-載波串行快速捕獲方法，設(shè)置有下變頻子模塊、內(nèi)插抽取子模塊、快速傅里葉變換（FFT，F(xiàn)ast Fourier Transform）子模塊、本地偽碼子模塊、本地偽碼FFT共軛子模塊、復(fù)乘子模塊、快速傅里葉逆變換（IFFT，F(xiàn)ast Fourier Transform）子模塊、模方選大子模塊、抗多址干擾的檢測判決子模塊和接口模塊。

抗多址干擾的快速捕獲過程包括兩級門限檢測過程，峰均比和主次峰值比兩者均大于各自預(yù)設(shè)門限時(shí)，判定為捕獲到信號(hào)；當(dāng)滿足第一級門限而未滿足第二級門限時(shí)，則認(rèn)定發(fā)生了多址干擾，發(fā)生誤捕，進(jìn)行重捕過程。當(dāng)未滿足第一級門限時(shí)，則認(rèn)定信號(hào)未在該搜索單元頻率范圍內(nèi)；重新設(shè)置新的本地載波頻率，重復(fù)上述過程，直至所有本地載波頻率范圍依次搜索完成。

4 結(jié)語

相對于傳統(tǒng)信號(hào)捕獲方法，本文研究的基于FFT快速捕獲算法，具有更快的捕獲速度，并適用于衛(wèi)星在軌接收信號(hào)微弱的應(yīng)用場景，能夠滿足衛(wèi)星測控的高動(dòng)態(tài)、高靈敏度接收的任務(wù)要求。算法中加入了抗多址干擾的處理，通過峰均比和主次峰值比的兩級門限判決，解決了誤捕問題。

本文研究的衛(wèi)星高動(dòng)態(tài)擴(kuò)頻測控信號(hào)快速捕獲算法，已經(jīng)成功應(yīng)用于某衛(wèi)星型號(hào)擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī)，經(jīng)歷了衛(wèi)星產(chǎn)品研制全過程考核以及在軌三年任務(wù)考核。目前，該產(chǎn)品在軌工作功能、性能指標(biāo)正常，實(shí)現(xiàn)了快速響應(yīng)、高動(dòng)態(tài)、高靈敏度接收解調(diào)、抗干擾的任務(wù)要求，驗(yàn)證了該算法在航天測控通信應(yīng)用的可行性和有效性。

參考文獻(xiàn)

[1]劉嘉興.飛行器測控通信工程[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010.

[2]何世彪，譚曉衡.擴(kuò)頻技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[3]朱永松，張海勇.直接序列擴(kuò)頻通信及其軍事應(yīng)用研究[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2005.

[4]李玉紅，寇艷紅，張其善.微弱GPS信號(hào)捕獲算法研究[J] .遙測遙控，2005.

[5]徐穎，王菊，吳嗣亮.一種衛(wèi)星擴(kuò)頻信號(hào)的捕獲新算法[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008.

[6]胡建波，楊莘元，盧滿宏.一種基于FFT的高動(dòng)態(tài)擴(kuò)頻信號(hào)的快速捕獲方法[J].遙測遙控，2004.

[7]方傳順.直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的抗干擾性能分析[J].現(xiàn)代通信技術(shù)，2005.

[8]吳明捷，謝祖榮，徐麗潔.擴(kuò)頻系統(tǒng)抗干擾性能分析[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001.