高動(dòng)態(tài)擴(kuò)頻測(cè)控信號(hào)快速捕獲技術(shù)研究

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(cè)控信號(hào)快速捕獲的基帶處理算法和具體實(shí)現(xiàn)，針對(duì)星載測(cè)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(guò)兩級(jí)門(mén)限判決解決誤捕問(wèn)題，提高測(cè)控應(yīng)答機(jī)在軌工作的可靠性和抗干擾性能，對(duì)我國(guó)衛(wèi)星測(cè)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(lèi)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(guó)研制的衛(wèi)星型號(hào)中，星載測(cè)控應(yīng)答機(jī)承擔(dān)著衛(wèi)星測(cè)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(cè)、測(cè)距、測(cè)速等具體任務(wù)。近年來(lái)，非相干擴(kuò)頻測(cè)控技術(shù)在測(cè)量精度、抗干擾、抗截獲方面具有突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，獲得了廣泛軍事應(yīng)用[1][2][3]。

測(cè)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(cè)距信號(hào)，應(yīng)答機(jī)接收到遙控信號(hào)和測(cè)距信號(hào)后，完成解調(diào)、解擴(kuò)，獲得上行遙控、測(cè)距和測(cè)速等信息，并將遙控信息輸出。測(cè)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(cè)距、測(cè)速信息按規(guī)定的格式完成下行測(cè)量信息組幀，與下行遙測(cè)信號(hào)分別經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻，通過(guò)載波調(diào)制向地面發(fā)送下行測(cè)控信號(hào)。

星上非相干擴(kuò)頻測(cè)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(cè)控信號(hào)快速捕獲技術(shù)，對(duì)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(cè)控快速捕獲算法和實(shí)現(xiàn)過(guò)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(guò)程與捕獲參數(shù)

星載擴(kuò)頻測(cè)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(lái)自地面測(cè)控站的多路擴(kuò)頻測(cè)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(guò)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(guò)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)。基帶信號(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(guò)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(cè)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(cè)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(duì)微弱擴(kuò)頻測(cè)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(cè)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(zhǎng)，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(jí)百萬(wàn)門(mén)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(guò)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(mén)限判決，如果通過(guò)門(mén)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(mén)限檢測(cè)判決模塊中加入兩級(jí)門(mén)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(cè)判決子模塊和接口模塊。

抗多址干擾的快速捕獲過(guò)程包括兩級(jí)門(mén)限檢測(cè)過(guò)程，峰均比和主次峰值比兩者均大于各自預(yù)設(shè)門(mén)限時(shí)，判定為捕獲到信號(hào)；當(dāng)滿(mǎn)足第一級(jí)門(mén)限而未滿(mǎn)足第二級(jí)門(mén)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(guò)程。當(dāng)未滿(mǎn)足第一級(jí)門(mén)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(guò)程，直至所有本地載波頻率范圍依次搜索完成。

4 結(jié)語(yǔ)

相對(duì)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(chǎng)景，能夠滿(mǎn)足衛(wèi)星測(cè)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(guò)峰均比和主次峰值比的兩級(jí)門(mén)限判決，解決了誤捕問(wèn)題。

本文研究的衛(wèi)星高動(dòng)態(tài)擴(kuò)頻測(cè)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(guò)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(cè)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(cè)控通信工程[M].北京：國(guó)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(cè)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(mǎn)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(cè)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.