脈沖超寬帶測控體制研究

廉 昕 王元欽 侯孝民 孟祥利

裝備學院，北京101416

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脈沖超寬帶測控體制研究

廉 昕 王元欽 侯孝民 孟祥利

裝備學院，北京101416

針對當前航天測控系統安全性不足的問題，將脈沖超寬帶技術引入到測控系統中，構建脈沖超寬帶測控體制。在對脈沖超寬帶技術及其性能進行研究的基礎上，建立了測控信號模型。介紹了脈沖超寬帶測控系統的構成與工作過程，并探討了信號參數的選取。同時研究了新體制下測距測速和數據傳輸等功能的實現方法。分析表明，脈沖超寬帶測控體制可大大提高測控系統的隱蔽性和抗干擾能力，同時提高測距精度，滿足應急隱蔽測控的需求。 關鍵詞 脈沖超寬帶；測控體制；安全性；系統設計

航天測控技術是對航天器進行跟蹤、測量和控制的綜合技術，是航天活動中一項不可或缺的關鍵技術[1]。目前，世界各國在航天領域的競爭日趨激烈。面對未來可能發生的太空沖突與對抗，需要有安全性更高的應急隱蔽測控系統來保證航天器的安全運行。與現行測控系統相比，對應急測控系統的要求更高，不僅需要進一步提高測量精度，增大系統容量，尤其要提高系統的隱蔽性和抗干擾能力，以提高其戰場生存能力[2-3]。

我國現行的統一載波測控系統實現了各測控業務的統一，簡化了測控設備。但其抗干擾能力較差，很容易遭到敵方的破壞。而且由于信號帶寬較窄，能量較為集中，測控信號的隱蔽性很差，很容易被敵方偵收、截獲。為了提高測控系統的隱蔽性和抗干擾能力，可通過增大信號帶寬來實現。統一擴頻測控系統利用直擴技術增大了信號帶寬，在一定程度上提高了信號的隱蔽性和抗干擾能力，但仍比較有限。且目前有很多針對直擴信號的截獲方法，該系統面臨很大的威脅。而直擴/跳頻混合擴頻測控系統在直擴基礎上結合跳頻技術，進一步提高了信號的抗干擾能力。但目前其信號帶寬仍有限，且系統復雜，實現難度大[4-5]。

總之，現行的航天測控系統仍存在安全性缺陷。對于應急隱蔽測控系統，需進一步提高測控信號帶寬，從而提高測控系統的隱蔽性和抗干擾能力。

1 脈沖超寬帶技術概述

超寬帶技術是20世紀60年代興起的一項新型無線通信技術，美國軍方一直在秘密開發利用，直至20世紀90年代才進入人們的視野，近年來成為通信領域的研究熱點[6]。

對于超寬帶的定義有很多種，目前公認的定義是：信號在-10dB處的分數帶寬大于0.2或者絕對帶寬大于500MHz[7]。其中分數帶寬的表達式為：

(1)

式中，fh和fl分別為信號-10dB帶寬對應的頻率上限和下限，fc為信號的中心頻率。

超寬帶技術的最大特點就是信號帶寬極寬，可達GHz量級。它具有隱蔽性好、抗干擾、抗截獲能力強、數據容量大、抗多徑效應能力強、穿透能力強和定位精度高等諸多優點[8]。

脈沖超寬帶(IR-UWB)技術是傳統意義上的超寬帶技術。它利用持續時間極短的窄脈沖信號來進行通信，不再需要進行載波調制。通過對窄脈沖進行幅度調制或位置調制，可實現測量、信息傳輸和多用戶組網等功能。脈沖超寬帶技術被認為是無線電通信技術的革命性進展，在軍用隱蔽通信、射頻識別、醫療救援和定位跟蹤等領域具有廣闊的應用前景[9-11]。

2 性能分析

脈沖超寬帶信號具有隱蔽性強、抗干擾能力強等諸多優點，若將它引入到航天測控系統中，可大大提高系統性能。現對脈沖超寬帶信號的性能進行簡要分析，并與現行測控系統信號進行對比。

對于信號的隱蔽性，可利用信號功率譜密度來評價。功率譜密度越低，信號越不易被檢測，其隱蔽性越強。由香農定理可知，信息容量C與信號帶寬B及信噪比S/N的關系為：

C=Blog2(1+S/N)

(2)

在信息容量相同的情況下，信號帶寬越寬，所需的信噪比越低，其信號功率譜密度也就越低。若信息容量相同，信號帶寬增大10倍，則信噪比降低約93%，即信號功率譜密度下降約11.4dB。脈沖超寬帶信號的帶寬可達GHz量級，信號隱蔽性強。

對于信號的抗干擾能力，可利用系統處理增益來評價。處理增益越大，其抗干擾能力越強。脈沖超寬帶信號的處理增益為：

(3)

其中，B為調制信號帶寬，Bd為信息帶寬，N為1個數據比特所占用的脈沖個數，L為脈沖占空比的倒數。

脈沖超寬帶信號的帶寬極寬，可獲得很大的系統處理增益，從而獲得很強的抗干擾能力。對于10kbps速率的信息數據，調制到脈沖寬度1ns的脈沖超寬帶信號可獲得近50dB的處理增益。

而對于信號的測量精度，由脈沖雷達相關理論可知，脈沖寬度為T的單載頻脈沖信號的距離分辨力為[12]：

(4)

其速度分辨力為[12]：

(5)

式中，f0為信號的載波頻率。

由于脈沖超寬帶信號由時域極窄的脈沖構成，其測距性能十分優秀，但測速性能有所欠缺，可采用多脈沖積累的方法進行測速。在相同時間內，脈沖超寬帶信號的有效相關時寬為連續信號的1/L，即其速度分辨能力比連續信號低L倍。

現將脈沖超寬帶信號潛在的性能指標與現行測控體制信號進行簡要對比，如表1所示。假設條件如下：統一載波測控系統采用100kHz的側音進行測距；統一擴頻測控系統采用碼速率10MHz的偽碼，碼長1023；DS/FH混合擴頻系統采用碼速率10MHz的偽碼，碼長1023，總信號帶寬為100MHz；脈沖超寬帶系統采用1ns的脈沖寬度和5ns的脈沖重復間隔。

表1 各測控系統性能指標對比

由表1可知，與現行測控系統相比，脈沖超寬帶信號的隱蔽性和抗干擾能力明顯更強。而1ns的脈沖信號的測距分辨力為0.1m，其測距精度可達厘米量級，只是測速性能有所欠缺。將脈沖超寬帶技術引入到航天測控系統中，構建脈沖超寬帶測控體制，可大大提高系統的隱蔽性和抗干擾能力，同時提高測距精度。

3 信號模型

目前脈沖超寬帶信號一般直接利用基帶傳輸，主要用于短距離的無線通信。常用的信號體制主要有DS-PAM和TH-PPM兩種。前者是將信息調制在脈沖幅度上，后者是將信息調制在脈沖的相對位置上。相比而言，DS-PAM信號具有抗干擾能力更強、傳輸距離更遠和信號形式更簡單等優點[13]。

DS-PAM信號首先對信源產生的數據信息進行偽碼擴頻調制，再利用得到的擴頻調制數據對脈沖進行脈沖幅度調制(PAM)，即把信息調制到脈沖的幅度上，通常可調制到脈沖的極性上。在脈沖超寬帶測控體制中，為了使發射天線容易獲得高增益，還需對DS-PAM信號進行載波調制，將信號頻譜搬移到射頻上。因此，可采用載波調制DS-PAM信號作為脈沖超寬帶測控信號，其表達式為[14-15]：

(6)

式中，dn為二進制數據信息；cj為偽隨機碼序列，碼長為Nc；p(t)為單脈沖信號，脈沖寬度為Tp；Tb為1個數據比特持續時間；Tr為脈沖重復周期；fc為載波頻率。通常1個偽碼碼元對應1個脈沖重復周期，碼速率Rc=1/Tr。而1個數據信息比特對應1個偽碼周期，其持續時間為Tb=Tr·Nc，數據速率Rb=1/Tb。

該信號可看作是直擴信號與周期窄脈沖信號的乘積。與直擴信號相比，該信號在一個偽碼碼元寬度中只在脈沖寬度內存在信號。直擴信號可謂脈沖超寬帶信號的一個特例，當脈沖占空比為1時，該信號即變為直擴信號。而與脈沖雷達信號相比，該信號可認為是利用偽碼進行幅度調制的高重頻高占空比的脈沖雷達信號，其占空比可達1/10甚至更高。當去掉偽碼數據調制后，該信號形式與脈沖雷達信號基本相同，只是其脈沖寬度很窄，脈沖重復頻率和脈沖占空比很高。

4 系統設計

將脈沖超寬帶技術引入到航天測控系統中，可構建脈沖超寬帶測控新體制。其系統結構見圖1。

在發射端，根據不同的測控業務，將測控信號分為正交的I，Q兩路：I路負責數據傳輸，Q路負責測距。分別對兩路信號進行脈沖調制，然后進行QPSK調制得到超寬帶已調信號，經Ka頻段上變頻和寬帶功放后，被超寬帶天線發射出去。系統選擇Ka頻段作為工作頻段是因為Ka頻段的頻率高，可用頻帶較寬，干擾較少，適合脈沖超寬帶測控系統工作。

而系統接收端利用天線對信號進行接收，信號經低噪聲放大器放大，然后經下變頻和濾波送給基帶處理部分處理。在基帶處理部分對信號進行捕獲跟蹤和解擴解調，可得到測距測速信息和數傳信息。

下面討論測控信號各參數的選取。

脈沖寬度：脈沖寬度決定著信號帶寬，從而決定著系統安全性能和測量精度。脈沖寬度越窄，信號帶寬越寬，系統安全性越好，測量精度越高。但脈沖寬度過窄會使系統實現難度過大。因此，需對信號的脈沖寬度進行合理選取，一般取納秒量級。

占空比：為了滿足測控系統的傳輸距離，需要很高的信號平均功率。若脈沖占空比過低，會導致發射信號的瞬時功率過大，給發射天線的設計和工程實現帶來困難。因此，需采用占空比較高的脈沖超寬帶信號。

圖1 脈沖超寬帶測控系統框圖

偽碼碼長：偽碼碼長決定著1個數據比特對應的脈沖個數，從而影響系統處理增益和信號的抗干擾能力。若脈沖占空比相同，偽碼碼長越長，其系統處理增益就越大，但信號的捕獲難度也越大。因此，需對偽碼碼長進行合理選取。

當脈沖寬度和占空比確定后，偽碼速率即可確定。當脈沖寬度較窄，脈沖占空比較高時，對應的偽碼速率也很高。而當偽碼速率和碼長確定后，信息速率即確定。當信息速率的需求不高時，可采用多個偽碼周期對應1個比特數據的方式，這樣還可降低解調誤碼率。

5 功能實現

5.1 測距

測距功能主要是對航天器的距離進行實時測量。在脈沖超寬帶測控體制中，測距功能的實現可采用偽碼脈沖復合測距方法，窄脈沖可保證較高的測距精度，而偽碼可以用來解模糊。脈沖超寬帶信號的距離分辨力如式(4)所示，最大無模糊距離與偽碼碼長Nc和碼元寬度Tc(脈沖重復周期)成正比，其表達式為：

Rmax=NcTc·c/2

(7)

因此，可利用碼長較長的測距偽碼進行測距，以保證較長的無模糊距離。測距長偽碼可采用截短的m序列，若碼長為1023×256，碼元寬度10ns，其無模糊測量距離為392.832km。但對于長偽碼調制的脈沖超寬帶信號，其捕獲搜索空間很大，捕獲時間長，難以滿足測控系統的實時性要求。

因此，還可考慮采用數據幀計數+偽碼+脈沖的方法進行測距，同樣可以兼顧測距精度和無模糊距離。測距信號的1個偽碼碼元對應1個脈沖周期，1個數據比特對應1個偽碼周期，1個數據幀由若干比特數據構成。信號接收時，對偽碼和脈沖的相位進行捕獲，可得到收發信號之間偽碼碼元和脈沖級別的時延，再將數據幀中的幀計數和位計數數據解調出來，即可得到幀級別和數據位級別的時延。若接收的數據幀計數為l，數據位計數為m，捕獲的偽碼相位偏移為n個碼元，脈沖位置偏移Tτ，則可得到最終的測距時延：

τ=lTf+mTb+nTc+Tτ

(8)

其中，Tf為數據幀長。則其距離測量值為：

(9)

5.2 測速

測速功能主要是對航天器的速度進行測量，在測控系統中通常采用載波多普勒頻移測速方法。而脈沖超寬帶信號由時域極窄的脈沖構成，利用單脈沖測速的精度很低。因此，在脈沖超寬帶測控體制中，可采用多脈沖累積測速方法提高測速精度。但其測速精度理論上仍要比連續信號(如直擴信號)低L倍。

由于系統工作頻段為頻率較高的Ka頻段，其載波多普勒頻移較大。假設載波頻率fc=28GHz，測控目標的徑向速度最大值為Vd=7.9km/s，則脈沖超寬帶測控信號的最大多普勒頻移為：

(10)

可見，較大的多普勒動態范圍給多普勒頻率的提取帶來了困難。對于載波多普勒頻率的提取，可模仿直擴系統，采用部分匹配濾波+FFT的方法，在捕獲偽碼和脈沖相位的同時，對載波多普勒頻率進行捕獲[16]。由于信號帶寬很寬，在捕獲時可采用并行處理方法，以資源換取捕獲速度。此外，考慮到多普勒頻率動態范圍較大的問題，可采用多通道并行處理，利用多個頻率槽同時進行多普勒頻率的搜索，以兼顧頻率捕獲精度和多普勒頻率動態范圍。

5.3 數據傳輸

數據傳輸功能是指測控系統中遙控指令和遙測數據的傳輸。在脈沖超寬帶測控體制中，以脈沖作為數據傳輸的載體，將遙控/遙測數據經偽碼擴頻調制后再調制到脈沖上進行傳輸。

對于采用的DS-PAM信號，雖然信號帶寬很寬，但其數據傳輸效率并不高。由于1個偽碼碼元通常對應1個脈沖周期，而1個數據比特對應1個偽碼周期。若脈沖重復頻率(偽碼速率)為100MHz，偽碼碼長1023，則數據傳輸速率僅為100kbps左右。

若想實現高速數據傳輸，可將偽碼擴頻調制部分省略，直接將信息調制到脈沖上進行傳輸。在信號接收時，本地利用周期脈沖串與接收信號進行相關解調，經取樣判決即可得到傳輸的數據信息。但這樣會帶來解調誤碼率的下降，系統性能不佳。

此外，考慮到脈沖超寬帶信號僅在極短的時間內存在信號，時間利用率較低。可在原信號基礎上結合時分復用技術，在1個偽碼碼元寬度內將多路并行數據同時調制在多個脈沖之上，可成倍地提高數據傳輸速率。

6 結論

在脈沖超寬帶測控系統中，采用載波調制DS-PAM信號作為測控信號。測距采用偽碼脈沖復合測距方法，測速采用載波多普勒頻移測速方法，而數據傳輸則采用脈沖調制方法，將數據信息調制到脈沖之上進行傳輸。脈沖超寬帶測控體制具有隱蔽性好、抗干擾能力強及測距精度高等諸多優點，可大大提高測控系統的整體性能，滿足應急隱蔽測控的需求。對該體制的研究可為未來航天測控系統的發展提供一定的參考。

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專稿 專人 專題

包為民院士、宋征宇院士曾為本刊創刊30周年時提供專稿文章，將自已在多年航天工作經歷中積累的知識、經驗、設想等和讀者分享。

本刊特設“專稿”欄目，為在航天控制領域工作多年，經驗豐富的專家、學者搭建一個平臺，利用他們的學術創新帶頭示范作用和科研實踐經驗總結指導，從控制系統各領域基礎理論延伸到工程試驗可靠性操作等方面的獨到見解，進一步展示出航天控制技術的博大精深，更深遠地影響并提升期刊未來的稿件層次和方向。基于此，特長期誠邀航天控制系統各領域資深專家、學者、相關院士及各高校相關學術帶頭人等不吝為本刊“專稿”欄目投稿，期待您的高瞻遠矚不僅讓更多的讀者受益于專稿啟奠，也為期刊的稿件質量和影響力豐羽填色！

Research on Impulse Radio UWB TT&C System

Lian Xin, Wang Yuanqin, Hou Xiaomin, Meng Xiangli

Equipment Academy, Beijing 101416, China

AccordingtothesecurityshortcomingofcurrentTT&Csystem,theimpulseradioUWB(Ultra-wideband)technologyisintroducedintotheTT&Csystem,andanewimpulseradioUWB TT&Csystemisestablished.OnthebasisofresearchonimpulseradioUWBtechnologyanditsperformance,theTT&Csignalmodelisbuilt.Then,thesystemstructureandworkingprocessofimpulseradioUWBsystemareintroducedandthesignalparameterselectionisdiscussed.Atthesametime,theimplementationmethodsofrange,rangeratemeasurementanddatatransmissionfunctionsunderthenewsystemareresearched.Regardingtheanalysis,itshowsthattheconcealmentandanti-interferenceperformanceofTT&CsystemcanbegreatlyimporvedbydeployingtheimpulseradioUWB TT&Csystem,whilerangemeasuringprecisionispromoted.Thus,therequirementofemergencycovertTT&Csystemcanbemet.

ImpulseradioUWB; TT&Csystem;Securityperformance;Systemdesign

2016-03-21

廉 昕(1987-)，男，長春人，博士研究生，主要研究方向為航天測控、脈沖超寬帶技術；王元欽(1963-)，男，黑龍江牡丹江人，博士，教授，博士生導師，主要研究方向為航天測控；侯孝民(1968-)，男，陜西韓城人，博士，教授，博士生導師，主要研究方向為航天測控；孟祥利(1991-)，男，山東濰坊人，碩士研究生，主要研究方向為航天測控、脈沖超寬帶技術。

V556.6；TN914.2

A

1006-3242(2016)05-0081-05