龍 斌，楊俊武，陳紹軍，丁宏義

(1.中國(guó)人民解放軍63758部隊(duì)，福建 廈門361023；2.中國(guó)西安衛(wèi)星測(cè)控中心，陜西 西安 710043)

0 引言

隨著擴(kuò)頻通信和擴(kuò)頻碼分多址技術(shù)的發(fā)展，直接序列擴(kuò)頻(簡(jiǎn)稱直擴(kuò))技術(shù)在航天測(cè)控系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，特別是在航天器多目標(biāo)測(cè)量和測(cè)控中，與傳統(tǒng)的統(tǒng)一載波測(cè)控系統(tǒng)相比具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。

針對(duì)直擴(kuò)系統(tǒng)的抗干擾性能，各類文獻(xiàn)主要是對(duì)直擴(kuò)系統(tǒng)的擴(kuò)頻增益[1]或系統(tǒng)面對(duì)各類干擾的誤碼性能[2]進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[3-4]從安全性能的角度進(jìn)行了抗干擾分析，文獻(xiàn)[5]對(duì)直擴(kuò)系統(tǒng)的多址干擾效應(yīng)進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[6]對(duì)直擴(kuò)系統(tǒng)的抗多址能力進(jìn)行了分析與驗(yàn)證。

本文首先分析了衛(wèi)星直接序列擴(kuò)頻抗碼間多址干擾的能力和衛(wèi)星天線角對(duì)碼間多址干擾的影響，然后結(jié)合某設(shè)備在雙星、三星和六星上升段接收衛(wèi)星遙測(cè)信號(hào)時(shí)受碼間多址干擾的實(shí)際情況，分析了影響碼間多址干擾的要素，并提出了提高抗碼間多址干擾的若干措施。

1 抗碼間多址干擾分析

1.1 直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)抗碼間多址干擾分析

直擴(kuò)系統(tǒng)的處理增益可表示為[7-9]：

Gp=10lg(BM/Bm)，

(1)

式中，BM為頻譜擴(kuò)展后的信號(hào)帶寬；Bm為頻譜擴(kuò)展前的信號(hào)帶寬。

假設(shè)偽碼擴(kuò)頻碼率為R，信息速率為r，則：

BM=2R，Bm=2r。

干擾信號(hào)不同時(shí)，擴(kuò)頻處理增益也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。通常干擾信號(hào)可分為高斯白噪聲、窄帶干擾和多址干擾等幾種?？紤]到上升段測(cè)控的特殊性，受到的干擾為多址干擾，因此本文只考慮多址干擾的情況。

根據(jù)文獻(xiàn)[6]，考慮到最惡劣的情況下，有用信號(hào)地址碼與干擾信號(hào)地址碼碼時(shí)鐘一致，此時(shí)的直接序列擴(kuò)頻增益按照式(1)計(jì)算。

從擴(kuò)頻通信原理[10]可以知道，滿足設(shè)備正常工作的條件為：

(S/N)in=Gk-Ls-Md，

(2)

式中，(S/N)in為接收機(jī)輸入端信噪比；Gk為擴(kuò)頻處理增益；Ls為系統(tǒng)損耗；Md為多址干擾。

可計(jì)算出給定系統(tǒng)在指定參數(shù)下的抗多址干擾能力：

(S/N)inMd=Gk-Ls-(S/N)in。

(3)

通過(guò)式(1)和式(3)可以看出，系統(tǒng)抗干擾能力與擴(kuò)頻處理增益直接相關(guān)，即偽碼擴(kuò)頻碼率越高，系統(tǒng)抗多址干擾能力越大；信息速率越高，系統(tǒng)抗多址干擾能力越小。

1.2 衛(wèi)星天線角對(duì)碼間多址干擾的影響

在實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)備接收衛(wèi)星下行遙測(cè)信號(hào)幅度，可以按照雷達(dá)輻射方程[11]來(lái)計(jì)算：

(4)

對(duì)于上升段測(cè)控來(lái)說(shuō)，由于衛(wèi)星在箭體上安裝位置已固定，此時(shí)星箭未分離，多星距離較近，式(4)中除(EIRP)T外其他要素完全一致，因此設(shè)備接收衛(wèi)星下行遙測(cè)信號(hào)幅度完全受(EIRP)T影響：

(EIRP)T=PT+GT-LT，

(5)

式中，PT為衛(wèi)星發(fā)射功率；GT為衛(wèi)星發(fā)射天線增益；LT為衛(wèi)星發(fā)射線路衰減。

由式(5)可知，衛(wèi)星發(fā)射的等效全向輻射功率，受到衛(wèi)星發(fā)射功率、衛(wèi)星發(fā)射天線增益和衛(wèi)星發(fā)射線路衰減的影響。

同一批次衛(wèi)星發(fā)射功率和發(fā)射線路衰減基本一致，但衛(wèi)星發(fā)射天線增益則與天線方向圖密切相關(guān)，可以用衛(wèi)星天線方向角來(lái)表示(在進(jìn)行衛(wèi)星天線角計(jì)算時(shí)，定義衛(wèi)星天線角為衛(wèi)星到測(cè)站指向與星體坐標(biāo)+Z軸的夾角)。由于衛(wèi)星天線方向角的不同，將導(dǎo)致天線增益發(fā)生變化，進(jìn)而影響地面設(shè)備接收下行信號(hào)的幅度。

圖1為某衛(wèi)星發(fā)射天線方向圖。由圖1可以看出，發(fā)射天線增益最大可達(dá)3 dBi，最小可達(dá)-25 dBi，由于天線方向角導(dǎo)致的天線增益變化可達(dá)28 dBi。

圖1 某衛(wèi)星發(fā)射天線方向圖Fig.1 Satellite transmitting antenna pattern

綜上所述，在上升段多星任務(wù)測(cè)控中，抗碼間多址干擾能力主要受設(shè)備抗碼間多址干擾能力及衛(wèi)星天線方向角的影響。

2 多星碼間多址干擾對(duì)上升段測(cè)控的實(shí)例分析

2.1 某設(shè)備在多星任務(wù)中抗碼間多址干擾能力分析

某設(shè)備參加了數(shù)次多星上升段測(cè)控任務(wù)，選取典型的測(cè)控任務(wù)，分別用01組、02組、03組代表雙星、三星和六星共3次任務(wù)。其中01組包含01-A，01-B雙星；02組包含02-A，02-B，02-C三星；03組包含03-A，03-B，03-C，03-D，03-E，03-F六星。每組衛(wèi)星擴(kuò)頻碼速率相同，信息速率相同，擴(kuò)頻碼組不一致。根據(jù)3組衛(wèi)星的偽碼擴(kuò)頻碼率及信息速率，以及式(3)計(jì)算得到某設(shè)備遙測(cè)理論抗干擾能力，如表1所示。其中多星遙測(cè)抗干擾能力對(duì)應(yīng)01組、02組、03組分別為雙星、三星和六星狀態(tài)下的遙測(cè)抗干擾能力。

表1 某設(shè)備遙測(cè)抗碼間多址干擾能力

2.2 某設(shè)備在多星任務(wù)中遙測(cè)數(shù)據(jù)有效率分析

對(duì)某設(shè)備參加的01組、02組、03組上升段測(cè)控遙測(cè)數(shù)據(jù)有效率進(jìn)行分析，可以得到如表2所示的結(jié)果(某設(shè)備跟蹤了01組雙星、02組三星及03組的A，F(xiàn)雙星)。

遙測(cè)數(shù)據(jù)有效率=正確解調(diào)的遙測(cè)數(shù)據(jù)幀數(shù)/應(yīng)收到的遙測(cè)數(shù)據(jù)幀數(shù)。

表2 01～03組衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)有效率

從表2可以看出，01組衛(wèi)星中，B星受碼間多址干擾影響嚴(yán)重，A星未受到碼間多址干擾影響；02組衛(wèi)星中，B星、C星、A星受碼間多址干擾的程度依次降低；03組衛(wèi)星中，A星、F星基本未受到碼間多址干擾影響，B，C，D，E星由于未參與跟蹤，受碼間多址干擾影響未知。

根據(jù)衛(wèi)星天線角計(jì)算，01組～03組衛(wèi)星對(duì)某設(shè)備的影響情況如表3所示。

表3 01～03組衛(wèi)星天線角對(duì)某設(shè)備影響分析

結(jié)合表1～表3可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)衛(wèi)星天線角全程可見時(shí)，碼間多址干擾影響較小，如01-A星、03-A星、03-F星；當(dāng)衛(wèi)星被遮擋或處于天線干涉區(qū)時(shí)，碼間多址干擾影響程度明顯增大，如01-B星、02組三星。在碼間多址干擾的影響因素中，設(shè)備的抗碼間多址干擾能力隨著設(shè)備自身、衛(wèi)星參數(shù)、衛(wèi)星數(shù)目的確定而不再發(fā)生變化，可以視為一個(gè)靜態(tài)參數(shù)；衛(wèi)星天線角則是隨著上升段飛行過(guò)程的變化而變化，影響下行信號(hào)幅度從幾個(gè)dB至20多dB不等。因此在分析上升段碼間多址干擾對(duì)設(shè)備的影響時(shí)，除了考慮設(shè)備自身的抗碼間多址干擾能力外，衛(wèi)星天線角也是一個(gè)非常重要的因素。

3 降低上升段測(cè)控碼間多址干擾的應(yīng)對(duì)措施

降低上升段碼間多址干擾的影響可以從以下幾方面采取措施。

3.1 提高衛(wèi)星的擴(kuò)頻碼速率

擴(kuò)頻碼率每增加一倍，系統(tǒng)抗多址干擾能力增加3 dB。一個(gè)參數(shù)為擴(kuò)頻碼率3 Mbps的衛(wèi)星比參數(shù)為擴(kuò)頻碼率10 Mbps的衛(wèi)星抗碼間多址干擾能力低了5.2 dB。因此在衛(wèi)星設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)考慮到這一因素的影響，盡可能采用高擴(kuò)頻碼速率。

3.2 降低上升段衛(wèi)星的信息碼速率

信息速率每降低一倍，系統(tǒng)抗多址干擾能力增加3 dB。一個(gè)參數(shù)為信息碼速率16 000 bps的衛(wèi)星比參數(shù)為信息碼速率500 bps的衛(wèi)星抗碼間多址干擾能力低了15 dB。因此可以考慮使用可變信息碼速率，上升段時(shí)衛(wèi)星使用較低的信息碼速率，待衛(wèi)星進(jìn)入軌道后再切換為較高的信息碼速率。

3.3 采用擴(kuò)跳頻方式

直擴(kuò)的擴(kuò)頻增益有限，可以使用DS-FH(直接擴(kuò)頻-跳頻)混合擴(kuò)頻的方式增加擴(kuò)頻增益[12-13]，得到更高的抗碼間多址干擾能力。根據(jù)文獻(xiàn)[14]可知DS-FH混合擴(kuò)頻系統(tǒng)的總處理增益是直擴(kuò)增益與跳頻增益的乘積，顯著提高了擴(kuò)頻系統(tǒng)的性能。

3.4 采用合適的衛(wèi)星布局

從01組～03組衛(wèi)星的跟蹤情況來(lái)看，衛(wèi)星在火箭箭體的安裝結(jié)構(gòu)布局對(duì)衛(wèi)星的天線角有影響。以01組雙星系統(tǒng)為例，由于雙星沿著箭體方向縱向排列時(shí)，01-B星被支架、01-A星遮擋，導(dǎo)致跟蹤時(shí)01-B星遙測(cè)數(shù)據(jù)丟失超過(guò)50%。而02組、03組衛(wèi)星由于是按垂直于箭體方向呈環(huán)形排列，導(dǎo)致跟蹤時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)丟失最大為16%，因此采用合適的衛(wèi)星布局可以顯著降低數(shù)據(jù)損失。

3.5 計(jì)算衛(wèi)星天線角采用合適的測(cè)站設(shè)備進(jìn)行跟蹤

通過(guò)實(shí)現(xiàn)根據(jù)衛(wèi)星布局、火箭彈道計(jì)算衛(wèi)星天線角，采用合適的測(cè)站設(shè)備進(jìn)行跟蹤，可以有效避免天線干涉區(qū)等情況，降低碼間多址干擾的影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要分析了上升段測(cè)控中碼間多址干擾的影響因素，得出以下結(jié)論：

① 設(shè)備自身的抗碼間多址干擾能力是影響碼間多址干擾的靜態(tài)因素，隨著設(shè)備自身、衛(wèi)星參數(shù)和衛(wèi)星數(shù)目的確定而不再發(fā)生變化。

② 衛(wèi)星天線角是影響碼間多址干擾的動(dòng)態(tài)因素，隨著衛(wèi)星安裝布局、火箭彈道而發(fā)生變化，影響下行信號(hào)幅度可達(dá)到20 dB甚至更高。

③ 通過(guò)提高衛(wèi)星的擴(kuò)頻碼速率、降低衛(wèi)星的信息速率、采用擴(kuò)跳頻方式可以有效提高設(shè)備的抗碼間多址干擾能力。

④ 通過(guò)合理的衛(wèi)星安裝布局、采用衛(wèi)星天線角合適的測(cè)站設(shè)備跟蹤，可以有效降低上升段測(cè)控的碼間多址干擾。