方凱 王希 閆金棟 于澎 胡帆

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

低、中、高軌航天器處于電磁環(huán)境復(fù)雜的太空之中，其面臨的不同頻段、不同種類的干擾信號日益增多[1-3]。航天器受到的空間電磁干擾包括地面干擾、空間干擾、自然干擾、人為干擾等，其中最普遍的就是地面干擾[4]。隨著我國經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展、城市化進(jìn)程不斷加快、國防基礎(chǔ)設(shè)施不斷增強(qiáng)，使得地面上有越來越多的通信站、廣播站、雷達(dá)地面站等，其發(fā)射的信號很容易對在軌航天器的測控通道造成影響，極易造成航天器與地面通信不穩(wěn)定、服務(wù)中斷等嚴(yán)重后果。因此，具備航天器與地面通信、測距功能的測控分系統(tǒng)，其健壯性與穩(wěn)定性直接決定了航天器的在軌壽命和生存能力，在地面測試時(shí)需要著重關(guān)注測控通道抗干擾測試的結(jié)果[5-6]。

目前，國內(nèi)航天器測控體制包含統(tǒng)一S頻段(USB)、統(tǒng)一C頻段(UCB)、測控?cái)?shù)傳一體化及直接序列擴(kuò)頻(簡稱直擴(kuò))，其中，抗干擾能力較強(qiáng)的是直擴(kuò)體制。它的原理是將擴(kuò)頻后的信號分散在信號的寬頻帶之中，與噪聲融為一體[7-9]。這樣可以將有用信號隱蔽在噪聲內(nèi)，從而抵制航天器與地面通信中的各種干擾。但是，由于擴(kuò)頻體制傳統(tǒng)測試項(xiàng)目中通常只測試抗同頻異碼多址干擾與抗同頻單載波干擾2種工況，導(dǎo)致無法全面驗(yàn)證航天器測控通道的抗干擾性能。

為了更加全面地驗(yàn)證航天器直擴(kuò)體制下的測控通道抗干擾能力，本文提出了一種抗干擾通用化測試系統(tǒng)，將干擾信號的種類擴(kuò)充至8種，在原有的同頻異碼多址干擾和同頻單載波干擾之外，添加了寬帶阻塞干擾、窄帶脈沖干擾、白噪聲干擾、掃頻干擾、梳狀譜干擾及梳狀譜掃頻干擾，利用抗干擾開關(guān)矩陣實(shí)現(xiàn)有用信號與干擾信號的衰減、合路、分路、監(jiān)視和調(diào)整干信比的功能，通過對S頻段接收機(jī)進(jìn)行捕獲時(shí)間與捕獲概率的測試來驗(yàn)證上行測控通道的抗干擾性能。同時(shí)，借助于虛擬儀器與遠(yuǎn)程控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對地面測試設(shè)備的集中式管理，以及程控與實(shí)時(shí)監(jiān)視的功能，以提升抗干擾測試的自動(dòng)化能力，提高測試效率。

1 測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對于直擴(kuò)體制而言，抗干擾能力在接收機(jī)端的解擴(kuò)過程中獲取。其中，擴(kuò)頻增益的表達(dá)式為

(1)

式中：B1為擴(kuò)頻前數(shù)字基帶信號帶寬；B2為擴(kuò)頻信號帶寬。

當(dāng)遙控碼速率為4000 bit/s時(shí)，進(jìn)行卷積編碼后采用直擴(kuò)的方式擴(kuò)頻至3 069 000 chip/s,從而完成BPSK調(diào)制，其擴(kuò)頻增益Gp根據(jù)式(1)計(jì)算，約為28.8 dB。

受到接收機(jī)系統(tǒng)損耗等影響，遙控通道的抗干擾能力約為15.8 dB。也就是說，當(dāng)干信比為15.8 dB時(shí)，將導(dǎo)致上行遙控信號無法正常捕獲進(jìn)入穩(wěn)定的跟蹤狀態(tài)，并產(chǎn)生大量誤碼使得上行通信中斷。

在上述理論分析的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)抗干擾通用化測試系統(tǒng)，并分別在干信比10 dB和15 dB時(shí)對被測件進(jìn)行8種抗干擾測試，形成測試結(jié)果。

為了加強(qiáng)各個(gè)測試設(shè)備的集中式管理，將若干測試設(shè)備集成至機(jī)柜中并集中供電，通過測試網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)各個(gè)測試設(shè)備與測試計(jì)算機(jī)間的交互。

1.1 總體設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的直擴(kuò)體制抗干擾測試系統(tǒng)通常只涵蓋了同頻異碼多址干擾與同頻單載波干擾2種干擾信號，其測試設(shè)備單一，沒有產(chǎn)生更多種類的干擾信號的能力。同時(shí)，測試設(shè)備需要分立式管理，具有無法集中控制、參數(shù)監(jiān)視復(fù)雜與運(yùn)營維護(hù)較差的缺點(diǎn)。這使得不同軌道高度的衛(wèi)星無法充足、全面地驗(yàn)證測控通道的抗干擾性能。傳統(tǒng)直擴(kuò)體制抗干擾測試系統(tǒng)設(shè)備組成如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)直擴(kuò)體制抗干擾測試系統(tǒng)設(shè)備組成Fig.1 Traditional anti-interference test system components of DSSS system

為了解決傳統(tǒng)直擴(kuò)體制抗干擾測試系統(tǒng)的不足，提高其通用性與便捷操作性，本文設(shè)計(jì)并搭建了一種適用于直擴(kuò)體制的抗干擾通用化測試系統(tǒng)。它主要由S頻段接收機(jī)(被測件)、直擴(kuò)信號基帶設(shè)備、上變頻器、抗干擾開關(guān)矩陣、干擾源1(用于產(chǎn)生寬帶阻塞干擾和窄帶脈沖干擾)、干擾源2(用于產(chǎn)生白噪聲干擾、掃頻干擾、梳狀譜干擾及梳狀譜掃頻干擾等雷達(dá)干擾信號)、頻譜儀、合路器、交換機(jī)、高頻電纜、轉(zhuǎn)接頭、測試計(jì)算機(jī)等組成，利用測試計(jì)算機(jī)與測試局域網(wǎng)，通過傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)協(xié)議(TCP/IP)實(shí)現(xiàn)對各個(gè)測試設(shè)備的集中控制、管理與監(jiān)視的功能。設(shè)備間連接關(guān)系示意如圖2所示。

圖2 適用于直擴(kuò)體制的抗干擾通用化測試系統(tǒng)連接示意Fig.2 Connection diagram of universal anti-interference test system for DSSS system

通用化測試系統(tǒng)首先通過直擴(kuò)信號基帶設(shè)備產(chǎn)生70 MHz中頻上行信號，通過上變頻器后產(chǎn)生上行遙控射頻信號送入抗干擾開關(guān)矩陣，同時(shí)2路干擾源的射頻信號通過高頻電纜送入開關(guān)矩陣之中。通過對抗干擾開關(guān)矩陣中的衰減器、微波開關(guān)、合路器、功分器等程控設(shè)置，實(shí)現(xiàn)上行遙控信號和2路干擾信號從輸出口輸出，經(jīng)過合路器后由高頻電纜送入S頻段接收機(jī)中，通過頻譜儀可以實(shí)時(shí)監(jiān)視上行信號的輸出頻譜和功率。通過手動(dòng)設(shè)置抗干擾開關(guān)矩陣中的程控衰減器的值，實(shí)現(xiàn)3路信號分別從輸出口4、5、6輸出，通過合路器將3路信號合路后送至S頻段接收機(jī)中，經(jīng)過其內(nèi)部濾波、轉(zhuǎn)發(fā)、放大后，輸出70 MHz中頻下行信號，經(jīng)過高頻電纜送至直擴(kuò)信號基帶設(shè)備。通過測試計(jì)算機(jī)及利用虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)的測試軟件，達(dá)到程控測試設(shè)備、自動(dòng)化完成捕獲時(shí)間、捕獲概率測試項(xiàng)目的目的。

1.2 核心設(shè)備監(jiān)視軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的抗干擾通用化測試系統(tǒng)的核心硬件設(shè)備為干擾源與抗干擾開關(guān)矩陣。干擾源可以產(chǎn)生更多種類的干擾信號，以實(shí)現(xiàn)全面驗(yàn)證航天器測控通道抗干擾能力的目標(biāo)；抗干擾開關(guān)矩陣可以通過切換內(nèi)部的微波開關(guān)及調(diào)整各個(gè)支路的衰減，以達(dá)到不同干信比的測試需求。所有測試設(shè)備均統(tǒng)一集成至機(jī)柜之中，集中供電、集中管理。

傳統(tǒng)的干擾源與抗干擾開關(guān)矩陣通常無法實(shí)時(shí)監(jiān)視設(shè)備參數(shù)，當(dāng)需要設(shè)置干擾信號的類別，以及設(shè)置抗干擾開關(guān)矩陣的衰減量、切換通道時(shí)，遠(yuǎn)程遙控與監(jiān)視不夠便捷，往往需要到設(shè)備旁進(jìn)行確認(rèn)并手動(dòng)設(shè)置，往往使測試時(shí)間延長，導(dǎo)致測試效率低。本文通過測試局域網(wǎng)的交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)對干擾源與抗干擾開關(guān)矩陣的實(shí)時(shí)控制與遙測監(jiān)視，通過測試計(jì)算機(jī)設(shè)置相關(guān)參數(shù)并可監(jiān)測到設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)，如圖3所示。利用測試計(jì)算機(jī)集中控制的方式，對干擾源的干擾信號參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)通過調(diào)整衰減值來控制輸出信號功率的大小；實(shí)現(xiàn)對抗干擾開關(guān)矩陣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圖形化顯示，既可以通過上位機(jī)軟件控制內(nèi)部衰減器的值，又可以實(shí)現(xiàn)不同信號之間的組合、干信比大小設(shè)置及內(nèi)部器件遙測參數(shù)的監(jiān)視，提高操作的便捷性與測試效率。

利用虛擬儀器技術(shù)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)視上行遙控信號的頻譜；通過內(nèi)部的虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)(VISA)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)控制與顯示頻譜儀參數(shù)的功能。專用于產(chǎn)生寬帶阻塞干擾和窄帶脈沖干擾信號的干擾源，可以通過軟件無線電的方式進(jìn)行對不同干擾信號的設(shè)置，也可以利用測試計(jì)算機(jī)通過遠(yuǎn)程的方式進(jìn)行控制和監(jiān)視干擾源狀態(tài)。以寬帶阻塞干擾信號為例，產(chǎn)生中心頻點(diǎn)2.1 GHz、信號帶寬40 MHz、積分功率-33 dBm的寬帶干擾信號，如圖4所示。用于產(chǎn)生雷達(dá)干擾信號的干擾源，具體包含了白噪聲干擾、掃頻干擾、梳狀譜干擾及梳狀譜掃頻干擾。至于控制方式，可以利用上位機(jī)，也可以通過遠(yuǎn)程的方式進(jìn)行獨(dú)立控制與監(jiān)視。以白噪聲干擾信號為例，產(chǎn)生時(shí)域連續(xù)、幅度特征為隨機(jī)起伏、中心頻率2.1 GHz、調(diào)頻帶寬20 MHz、幅度起伏周期為0.2 ms、積分輸出功率為-33 dBm的干擾信號，如圖5所示。

圖3 干擾源和抗干擾開關(guān)矩陣界面Fig.3 Interface of interference source and anti-interference switch matrix

圖4 寬帶干擾信號示例Fig.4 Demonstration of broadband interference signal

圖5 白噪聲干擾信號示例Fig.5 Demonstration of white noise interference signal

1.3 自動(dòng)化測試軟件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行抗干擾測試時(shí)，需要對上行捕獲時(shí)間和捕獲概率進(jìn)行測量。測試計(jì)算機(jī)中所含的自動(dòng)化測試軟件，通過測試局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對抗干擾通用化測試系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)設(shè)備進(jìn)行集中化管理、控制與監(jiān)視，并完成相關(guān)測試項(xiàng)目，生成測試數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)測試軟件通常只針對某種特定的測控體制進(jìn)行測試，具有通用化與自動(dòng)化程度較低、人機(jī)交互不夠友好及操作繁瑣等缺點(diǎn)；同時(shí)，測試系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)設(shè)備廠家不同、類型不同，一鍵式集中控制所有設(shè)備的能力較差。針對抗干擾通用化測試系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化測試軟件。首先，定義并編寫測試系統(tǒng)中直擴(kuò)信號基帶設(shè)備、頻譜儀、抗干擾開關(guān)矩陣及干擾源的插件庫，使測試計(jì)算機(jī)可以通過測試局域網(wǎng)進(jìn)行控制及狀態(tài)參數(shù)的觀測；然后，整合并形成測試序列，為抗干擾測試捕獲時(shí)間、捕獲概率作好準(zhǔn)備。當(dāng)具備測試狀態(tài)時(shí)，調(diào)用驅(qū)動(dòng)函數(shù)執(zhí)行控制命令并開始運(yùn)行測試序列庫，測試結(jié)束后產(chǎn)生測試數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行整理和分析。該自動(dòng)化測試軟件可以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一集中控制測試系統(tǒng)內(nèi)不同廠家、不同類型的設(shè)備，通用化程度較高，具備解放人力、提高測試效率的優(yōu)點(diǎn)。自動(dòng)化測試軟件原理如圖6所示。

在進(jìn)行抗干擾測試時(shí)，利用虛擬儀器技術(shù)，通過實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程工作平臺(LabVIEW)軟件實(shí)現(xiàn)對于直擴(kuò)體制下抗干擾項(xiàng)目中捕獲時(shí)間和捕獲概率的測試。其具體流程為：首先，進(jìn)行初始化參數(shù)配置、測試設(shè)備的初始化；然后，通過遠(yuǎn)程控制技術(shù)完成相關(guān)參數(shù)的選定、改變、賦值，從而完成在不同種工況下的抗干擾測試。每種工況下的抗干擾測試結(jié)束后，需要生成測試結(jié)果并將地面測試設(shè)備復(fù)位。測試流程如圖7所示。

圖6 自動(dòng)化測試軟件原理Fig.6 Schematic diagram of automated test software

圖7 測試捕獲時(shí)間、捕獲概率流程Fig.7 Flow of capture time and capture probability test

2 測試系統(tǒng)驗(yàn)證

為了對抗干擾通用化測試系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，搭建如圖8所示的測試系統(tǒng)。為了方便管理測試設(shè)備，將S頻段接收機(jī)、上變頻器、直擴(kuò)信號基帶設(shè)備、干擾源、抗干擾開關(guān)矩陣、交換機(jī)、頻譜儀等統(tǒng)一集成至機(jī)柜中。對直擴(kuò)體制信號進(jìn)行抗干擾試驗(yàn)驗(yàn)證，在不同的測試條件下完成相關(guān)抗干擾試驗(yàn)，進(jìn)行擴(kuò)頻測控系統(tǒng)的捕獲跟蹤性能測試，具體過程見圖9。

以梳狀譜掃頻干擾為例，干擾源2輸出的干擾信號具體參數(shù)如表1所示。通過有用信號與干擾信號合路輸出后，上行監(jiān)視口通過頻譜儀測量到的上行遙控射頻信號頻譜如圖10所示。

在進(jìn)行抗干擾測試時(shí)，借助LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)的測試軟件對捕獲時(shí)間與捕獲概率進(jìn)行測量。首先，輸出干擾信號，此時(shí)下行接收通道處于失鎖狀態(tài)，如圖11所示。調(diào)整抗干擾開關(guān)矩陣衰減值，使S頻段接收機(jī)入口處中強(qiáng)電平直擴(kuò)信號功率為-78 dBm、干信比為15 dB時(shí)，下行通道成功捕獲，捕獲時(shí)間1.432 s，并進(jìn)入到穩(wěn)定的跟蹤狀態(tài)。

通過觀察碼鎖定狀態(tài)、載波鎖定狀態(tài)、下行功率、接收自動(dòng)增益控制(AGC)電平、信噪比(SNR)指示，可以觀察直擴(kuò)信號捕獲跟蹤后的相關(guān)狀態(tài)，如圖12所示。

圖8 抗干擾通用化測試系統(tǒng)實(shí)物Fig.8 Physical diagram of universal anti-interference test system

圖9 抗干擾通用化測試過程Fig.9 Test process of universal anti-interference

表1 梳狀譜掃頻干擾信號參數(shù)Table 1 Parameters of comb spectrum sweeping interference signal

圖10 受梳狀譜掃頻干擾的上行遙控信號Fig.10 Uplink remote control signal interfered by comb spectrum sweeping

圖11 下行失鎖示意Fig.11 Diagram of downlink unable to capture

利用本文設(shè)計(jì)并搭建的抗干擾通用化測試系統(tǒng)，在8種信號的干擾下進(jìn)行干信比在10 dB /15 dB、S頻段接收機(jī)直擴(kuò)信號接收功率-48 dBm/-78 dBm條件下的捕獲時(shí)間和捕獲概率測試，捕獲時(shí)間均小于4 s，3次捕獲概率均為100%，表明測試結(jié)果一切正常，優(yōu)于傳統(tǒng)抗干擾測試系統(tǒng)的測試結(jié)果。具體測試結(jié)果見表2。

表2 測試結(jié)果對比Table 2 Comparison of test results

從表2可以看出：與傳統(tǒng)抗干擾測試系統(tǒng)相比，本文設(shè)計(jì)的抗干擾通用化測試系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)8類干擾信號在不同干信比下的測試，可以較為全面地驗(yàn)證航天器上行測控通道的抗干擾能力，捕獲時(shí)間、捕獲概率測試結(jié)果均正常。同時(shí)，利用監(jiān)視軟件和自動(dòng)化測試軟件，測試時(shí)間縮短了20%以上，提高了測試效率及地面測試設(shè)備的操縱便捷性、直觀性與通用性。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了航天器測控通道抗干擾通用化測試系統(tǒng)，通過上位機(jī)軟件可以實(shí)時(shí)且直觀地觀測到測試數(shù)據(jù)與測試結(jié)果，通過自動(dòng)化測試軟件可以實(shí)現(xiàn)一鍵式自動(dòng)化測試，提高了測試效率，同時(shí)也可以根據(jù)測試設(shè)備關(guān)鍵遙測參數(shù)的變化、頻譜監(jiān)視、遠(yuǎn)程控制等方式實(shí)現(xiàn)抗干擾測試系統(tǒng)的集中控制與判讀。通過抗干擾試驗(yàn)的捕獲時(shí)間、捕獲概率驗(yàn)證結(jié)果表明：本文提出的抗干擾通用化測試系統(tǒng)覆蓋干擾信號的種類較為全面，能充分驗(yàn)證航天器測控通道的抗干擾能力，可應(yīng)用于后續(xù)航天器測控通道抗干擾性能試驗(yàn)。