閻逸堯，鄧 暉，楊東凱，張 波，景貴飛

（1. 北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100191；2. 北京航空航天大學(xué) 北斗絲路學(xué)院，北京 100191）

0 引言

全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)（cospas-sarsat，C/S）是由美國(guó)、蘇聯(lián)、加拿大和法國(guó)聯(lián)合發(fā)起的公益性全球衛(wèi)星遇險(xiǎn)報(bào)警系統(tǒng)，旨在全球范圍內(nèi)提供免費(fèi)的遇險(xiǎn)報(bào)警服務(wù)。鑒于靜止軌道衛(wèi)星搜救系統(tǒng)（ geostationary Earth orbit search and rescue satellite system, GEOSAR）的技術(shù)局限和低極軌道衛(wèi)星搜救系統(tǒng)（low-altitude Earth orbit search and rescue satellite system, LEOSAR）空間資源的不足[1]，以及 2 者在傳輸實(shí)效性和定位精確度方面存在的缺陷，對(duì)搜索救援行動(dòng)的影響日趨明顯，C/S 組織提出在中軌道導(dǎo)航衛(wèi)星上搭載搜救載荷，以實(shí)現(xiàn)更高定位精度和更短等待時(shí)間，同時(shí)解決了衛(wèi)星資源和軌道資源短缺的問題。自2000 年開始，C/S組織密切關(guān)注全球中軌道衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，并積極鼓勵(lì)美國(guó)、俄羅斯和歐盟在各自的中軌道衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中加入406 MHz 國(guó)際遇險(xiǎn)報(bào)警業(yè)務(wù)。2018 年 2 月，C/S 委員會(huì)同意將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system, BDS）納入到全球中軌衛(wèi)星搜救系統(tǒng)（medium-altitude Earth orbit search and rescue satellite system，MEOSAR）中[2]。2018 年 9 月，BDS 第 37 顆及第 38 顆衛(wèi)星進(jìn)入預(yù)定軌道，這是我國(guó)首次發(fā)射裝載搜救載荷的BDS 導(dǎo)航衛(wèi)星，同時(shí)BDS MEOSAR 地面系統(tǒng)工程也正式展開建設(shè)。

目前針對(duì) MEOSAR 搜救信號(hào)的接收處理，已有法國(guó) Orolia Maritime 公司研制的 McMurdo SARSAT MEOLUT 和美國(guó) Honeywell 公司生產(chǎn)的 MEOLUT-600[3]，而國(guó)內(nèi)還處于實(shí)現(xiàn)接收設(shè)備從無到有的起步階段。本文設(shè)計(jì)的接收機(jī)是基于BDS 中軌道衛(wèi)星搜救信號(hào)的接收處理，以軟件方式實(shí)現(xiàn)對(duì)搜救信號(hào)的檢測(cè)和接收，可成功解調(diào)出信標(biāo)信息，同時(shí)滿足地面系統(tǒng)工程建設(shè)中，有效載荷的質(zhì)量檢測(cè)需求，即測(cè)試載荷各項(xiàng)指標(biāo)是否滿足在軌運(yùn)行期間的設(shè)計(jì)要求，完成穩(wěn)定性、可靠性試驗(yàn)。

1 MEOSAR 系統(tǒng)及其信號(hào)格式

本文設(shè)計(jì)的 BDS MEOSAR 接收機(jī)是針對(duì)MEOSAR 搜救信號(hào)的，下面介紹MEOSAR 系統(tǒng)組成及搜救信號(hào)格式。

1.1 MEOSAR 系統(tǒng)組成

如圖1 所示，MEOSAR 系統(tǒng)主要由3 大部分組成：遇險(xiǎn)位標(biāo)、空間段和地面系統(tǒng)[4]。

圖1 MEOSAR 系統(tǒng)組成

遇險(xiǎn)位標(biāo)（一代/二代）：簡(jiǎn)稱“信標(biāo)”，具備406 MHz 搜救信號(hào)的發(fā)射功能，在遇險(xiǎn)事件發(fā)生時(shí)，以主動(dòng)或被動(dòng)方式觸發(fā)援救信號(hào)。

空間段（搜救衛(wèi)星星座）：搭載轉(zhuǎn)發(fā)器的衛(wèi)星，用以接收遇險(xiǎn)信標(biāo)發(fā)出的406 MHz 搜救信號(hào)，并以1 544～1 545 MHz 的下行頻率向地面系統(tǒng)進(jìn)行透明轉(zhuǎn)發(fā)。

地面系統(tǒng)： 主要由中軌地面用戶終端（medium-altitude Earth orbit local user terminal，MEOLUT）和搜救任務(wù)控制中心（search and rescue mission control centre，SAR MCC）組成。MEOLUT接收和處理衛(wèi)星下行鏈路信號(hào)以生成遇險(xiǎn)告警，SAR MCC 接收由 MEOLUT 產(chǎn)生的警報(bào)并將它們進(jìn)一步發(fā)送至救援中心。

1.2 搜救信標(biāo)信號(hào)體制

406 MHz 遇險(xiǎn)信標(biāo)由數(shù)字消息產(chǎn)生器、調(diào)制器和406 MHz 發(fā)射器組成。信標(biāo)消息為脈沖式 曼徹斯特（Manchester）編碼信號(hào)，調(diào)制方式為二相移相鍵控（binary phase shift keying, BPSK）調(diào)制，信標(biāo)信號(hào)編碼和調(diào)制方式如圖 2 所示。信標(biāo)在傳輸信息的同時(shí)，也將攜帶的時(shí)鐘同步信號(hào)一起傳輸，因此具有良好的自同步能力和抗干擾性能。

圖2 信標(biāo)信號(hào)編碼和調(diào)制方式

信標(biāo)消息格式分為長(zhǎng)消息和短消息 2 類[5]。2 類消息的前15 位固定為全“1”的編碼，作為位同步使用，16 到 24 位為幀同步。位25 是格式標(biāo)志位，值“0”表示短消息；值“1”表示長(zhǎng)消息。信標(biāo)消息字段采用霍拉里斯代碼（Bose-Chaudhuri-Hocquenghem code,BCH）糾錯(cuò)碼進(jìn)行編譯。具體信號(hào)參數(shù)如表1 所示。

表1 信標(biāo)信號(hào)參數(shù)

2 BDS MEOSAR 接收機(jī)設(shè)計(jì)

BDS MEOSAR 接收機(jī)設(shè)計(jì)框架如圖3 所示。主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)檢測(cè)模塊、載波同步模塊以及BCH 譯碼模塊等4 個(gè)模塊，共同完成搜救信號(hào)的接收處理。

圖3 接收機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊的主要功能是完成搜救信號(hào)從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，通過4 通道數(shù)據(jù)采集卡對(duì)10 MHz的中頻信號(hào)進(jìn)行采集存儲(chǔ)。

2.2 信號(hào)檢測(cè)模塊

信號(hào)檢測(cè)模塊的主要功能是，檢測(cè)是否存在遇險(xiǎn)信標(biāo)信號(hào)并估計(jì)出數(shù)據(jù)比特起始位。由于搜救信號(hào)為猝發(fā)式且持續(xù)時(shí)間極短，周期不確定，因此信號(hào)檢測(cè)十分必要。此模塊采用雙滑動(dòng)窗口法，即取2 相鄰窗口，以一定步進(jìn)滑動(dòng)，當(dāng)2 個(gè)窗口都只包含噪聲時(shí)，它們的和與比值均是恒定的；當(dāng)猝發(fā)信號(hào)逐漸進(jìn)入第1 窗口中，其能量逐漸增大，此時(shí)第2 窗口只包涵噪聲，2 個(gè)窗口的能量比值逐漸增大；當(dāng)?shù)? 窗口剛好全部為猝發(fā)信號(hào)、第2 窗口全部包涵噪聲時(shí)，2 個(gè)窗口的能量比值達(dá)到最大；此后第2 窗口逐漸包含猝發(fā)信號(hào)，2 個(gè)窗口的能量比值逐漸下降。因此，2 個(gè)窗口數(shù)值的比值最大時(shí)刻即為猝發(fā)信號(hào)的起始時(shí)刻。

2.3 載波同步模塊

載波的捕獲跟蹤過程在信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)刻即開始啟動(dòng)，由于搜救信號(hào)持續(xù)不足1 s，且信號(hào)本身存在較大多普勒頻移，所以其載波同步方法不同于常規(guī)BDS 導(dǎo)航信號(hào)的接收處理[6]。當(dāng)接收信號(hào)多普勒頻移較大時(shí)，如果直接使用科斯塔斯（Costas）環(huán)進(jìn)行猝發(fā)信號(hào)的捕獲，同步時(shí)間較長(zhǎng)且極有可能出現(xiàn)環(huán)路還未收斂信號(hào)就已結(jié)束的情況。除此之外，要對(duì)此類信號(hào)進(jìn)行捕獲，必須增加 Costas 環(huán)的環(huán)路帶寬，以保證較大頻偏或者帶有頻偏變化率的信號(hào)進(jìn)入環(huán)路的捕獲帶內(nèi)，但這會(huì)導(dǎo)致其精度難以滿足系統(tǒng)性能要求[7]，且環(huán)路噪聲功率也會(huì)隨帶寬的增大而增加，當(dāng)噪聲強(qiáng)度超過環(huán)路的噪聲容限時(shí)，環(huán)路將進(jìn)入失鎖狀態(tài)，無法完成載波跟蹤[8]。因此考慮先進(jìn)行載波頻偏的預(yù)估計(jì)，然后再進(jìn)行精確跟蹤。

傳統(tǒng)的頻率估計(jì)算法是直接對(duì)未分段的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換（fast Fourier transform, FFT），其結(jié)果的相關(guān)峰值衰減嚴(yán)重；因此，本設(shè)計(jì)采用短時(shí)相關(guān)匹配濾波器和 FFT 結(jié)合的信號(hào)捕獲算法，由匹配濾波器及 FFT 運(yùn)算模塊組成。當(dāng)多段匹配濾波并結(jié)合FFT 模塊后，相關(guān)峰值的衰減變得緩慢，這會(huì)增加多普勒偏移的搜索范圍。

在信號(hào)的跟蹤階段，本地載波數(shù)控振蕩器（numerical controlled oscillator, NCO）輸出與接收信號(hào)混頻后，經(jīng)過低通濾波器可濾除高頻分量，當(dāng)接收信號(hào)與本地信號(hào)同步時(shí)，濾波器將輸出直流信號(hào)。由于信標(biāo)采用 Manchester 編碼方式，每一比特中間都會(huì)有符號(hào)的跳變，設(shè)計(jì)積分模塊可消掉跳變的影響。鑒相器用于鑒別本地載波與接收信號(hào)載波之間的差異，設(shè)計(jì)采用 4 個(gè)象限的反正切鑒相器，實(shí)現(xiàn)將差異反饋給載波NCO，載波NCO根據(jù)該差異調(diào)節(jié)本地載波，使其與接收信號(hào)載波保持一致。

在跟蹤環(huán)路的選擇上，一般會(huì)考慮設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，當(dāng)采用 2 階 Costas 環(huán)實(shí)現(xiàn)環(huán)路濾波時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)跟蹤10 Hz 以內(nèi)的多普勒頻移。多普勒變化率將產(chǎn)生一定的穩(wěn)態(tài)相差，進(jìn)而給數(shù)據(jù)解調(diào)帶來誤差，為克服2 階環(huán)路的這個(gè)缺點(diǎn)，采用3 階環(huán)路對(duì)頻偏進(jìn)行預(yù)估計(jì)，之后對(duì)較小的多普勒頻移進(jìn)行跟蹤。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，3 階環(huán)路的入鎖時(shí)間更短，更適于搜救信號(hào)的跟蹤。

為從接收信號(hào)中恢復(fù)信標(biāo)信息，找到數(shù)據(jù)位邊緣，需進(jìn)行位同步。采用內(nèi)插法實(shí)現(xiàn)位同步信號(hào)提取[9]，之后即開始數(shù)據(jù)解調(diào)，解調(diào)原理如下：

式中M為調(diào)制的數(shù)據(jù)位。后可以表示式為

把實(shí)部相加，虛部相減，然后對(duì)實(shí)部與虛部的比值進(jìn)行4 相限反切鑒相，得到相位φ，根據(jù)φ得到M值，即

2.4 BCH 譯碼模塊

二進(jìn)制的 BCH 譯碼一般采用彼得森（Perterson）算法、歐幾里德（Euclid）算法和布勒卡普-梅西（Blekamp-Massey,BM）算法。對(duì)于糾錯(cuò)數(shù)較大的 BCH 譯碼器，一般采用 BM 算法和Euclid 算法，但相較于 Euclid 算法的復(fù)雜性，BM迭代算法較為簡(jiǎn)單。過程分為 3 步：①通過接收多項(xiàng)式計(jì)算伴隨式；②由伴隨式求差錯(cuò)位置多項(xiàng)式；③利用錢氏搜索法確定錯(cuò)誤的位置，并對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行糾正。

譯碼過程的關(guān)鍵在于第 2 步，通過伴隨多項(xiàng)式的系數(shù)sj求錯(cuò)誤位置多項(xiàng)式σ(x)的系數(shù)σ1,(t為最多可糾正的錯(cuò)誤個(gè)數(shù)），這一步若通過解線性方程組來求，計(jì)算量將會(huì)很大，當(dāng)碼長(zhǎng)較長(zhǎng)、糾錯(cuò)能力較大時(shí)，計(jì)算量也隨之加大。BM 算法解決了求σ(x)的速度問題，工程上解決了BCH 的譯碼問題[10]。

3 BDS MEOSAR 接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)及測(cè)試

2018 年 10 月 8 日—15 日在北京市云崗進(jìn)行了實(shí)際數(shù)據(jù)采集，采用國(guó)際衛(wèi)星搜救系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)信標(biāo)為系統(tǒng)提供全鏈路測(cè)試環(huán)境。

3.1 數(shù)據(jù)采集及信號(hào)檢測(cè)

數(shù)據(jù)采集模塊包含 4 個(gè)通道，最高支持每秒 12 500 萬次的采樣速率。模擬信號(hào)輸入采用交流耦合方式，輸入阻抗為50 Ω，滿刻度輸入電平峰峰值為2 V。模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換精度為14 位偏置碼，與主機(jī)傳輸速率高達(dá)1.2 GB/s。

當(dāng)開機(jī)接收時(shí)，2 相鄰滑動(dòng)窗口長(zhǎng)度取 0.1 s，均以 1 ms 的步進(jìn)滑動(dòng)。圖 4 所示為本次測(cè)試數(shù)據(jù)接收處理的結(jié)果。檢測(cè)到信號(hào)起始時(shí)刻和終止時(shí)刻分別為1 110.53 和1 633.33 ms，總傳輸時(shí)間522.8 ms，滿足長(zhǎng)消息格式信標(biāo)傳輸時(shí)長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 信號(hào)檢測(cè)結(jié)果

3.2 數(shù)據(jù)同步及解調(diào)

接收處理采樣頻率為100 MHz，量化比特為16 位。搜救信號(hào)的前160 ms 信號(hào)為單載波信號(hào)，之后的信號(hào)是調(diào)制信號(hào)，則t時(shí)刻搜救信號(hào)可表示為

式中：A為幅值；為剩余的頻偏；為固定的隨機(jī)相位；為噪聲；為 Manchester 調(diào)制相位；j為虛數(shù)。

通過參數(shù)調(diào)試，以及FFT 點(diǎn)數(shù)至少為 2 倍的匹配濾波相關(guān)器個(gè)數(shù)時(shí)效果最佳的原則，最終選定FFT 點(diǎn)數(shù)81 920，匹配濾波相關(guān)器個(gè)數(shù)40 000，部分相關(guān)器長(zhǎng)度200。求解的載波頻偏的估計(jì)值即傅里葉變換最大值為80 919 Hz，如圖5 所示。

圖5 FFT 最大值及其位置

跟蹤環(huán)路參數(shù)設(shè)計(jì)如表2 所示。

表2 跟蹤環(huán)路參數(shù)設(shè)計(jì)

跟蹤結(jié)果如圖6 所示。解調(diào)出數(shù)據(jù)信息的2 值化結(jié)果與發(fā)送數(shù)據(jù)的比對(duì)結(jié)果如圖7 所示，結(jié)果表明，接收處理系統(tǒng)可成功跟蹤信號(hào)，并可將原始信號(hào)正確解調(diào)且跟蹤性能良好，跟蹤頻率準(zhǔn)確，入鎖時(shí)間短。

圖6 跟蹤結(jié)果

圖7 解調(diào)結(jié)果

3.3 譯碼

測(cè)試采用 BM 迭代算法進(jìn)行譯碼，根據(jù)信標(biāo)信號(hào)體制分別進(jìn)行（82,61）和（38,26）的BCH 譯碼。圖8 所示為BCH 譯碼結(jié)果及各字段標(biāo)準(zhǔn)含義，結(jié)果與字段標(biāo)準(zhǔn)含義相符，表明接收機(jī)可成功糾錯(cuò)譯碼。其中：前24 位為固定的位同步、幀同步字段；第25 位為1，表明此消息為長(zhǎng)消息格式；第26 位為0，表明此信標(biāo)采用標(biāo)準(zhǔn)位置協(xié)議或國(guó)家位置協(xié)議；第 41 位到第85 位為信標(biāo)類別標(biāo)識(shí)以及編碼的位置信息；第 113 位到第 132 位為經(jīng)緯度的偏移量。

4 結(jié)束語

在搜索救援行動(dòng)中，BDS 中軌道衛(wèi)星搜救系統(tǒng)與低極軌和靜止軌道衛(wèi)星相比，可以實(shí)現(xiàn)更高定位精度和更短等待時(shí)間，可以解決衛(wèi)星資源和軌道資源短缺的問題；接收機(jī)是實(shí)現(xiàn)其功能、確保其發(fā)揮作用的核心。本文在分析信號(hào)結(jié)構(gòu)、接收模塊的基礎(chǔ)上，給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程，測(cè)試結(jié)果證明了其有效性。

圖8 BCH 譯碼結(jié)果