基于USB體制的衛星載波捕獲防錯鎖方法

李俊瑤，高海南，馮 程，臧 進

(1.宇航動力學國家重點實驗室，陜西 西安 710043；2.中國西安衛星測控中心，陜西 西安 710043)

0 引言

USB與擴頻調制是現行航天測控領域的通用體制[1-2]，地面測控設備與飛行器之間的信息交互主要包括遙控、遙測、測量和話音數據等，對其狀態的正常提取與分析是控制飛行器穩定在軌運行的重要前提，也是掌握航天員生理狀態的主要途徑。當“搭載”在載波上的遙控副載波、遙測副載波等信號的調制度較大時，載波錯鎖(即接收機鎖定在副載波上)的概率高達80%～90%[3]。一旦發生錯鎖，將導致跟蹤信號丟失或遙測信號解調異常，需要進行人工判斷并采取處理措施[4]。目前測控領域采用基于快速傅里葉變換的最大幅值判別法與對稱判別法對防止載波錯鎖與假鎖起到一定作用，但該方法對大調制度下副載波頻譜幅度大的情況并不適用。文獻[5]基于模擬調相信號相干解調輸出信號的頻譜特征實現了載波錯鎖頻率引導的閉環控制，但是該方法需引入頻率偏差的人工經驗值。文獻[6]采用快速傅里葉變換分段計算頻段內信號頻率，并與前次快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform Algorithm，FFT)所得中心頻率進行比對，根據誤差信號是否滿足閾值作為載波鎖定判決條件，但當信號抖動較大或2次FFT分析均判定在錯鎖點時將造成誤判。

本文在工程實踐的基礎上，建立了噪聲干擾下的USB測控設備中頻接收載波環模型，仿真分析大調制度下載波及副載波的時頻特性，通過SVD降噪法對無線射頻信號傳輸過程中引入的噪聲誤差進行降噪提取，克服了傳統濾波器降噪、小波閾值降噪造成的信號失真、消噪效果不理想等問題；提出副載波解調法實現了副載波信號的抑制，有效提取載波信號，克服了大調制度下載波錯誤的問題，相較于目前使用的最大幅值判別法與對稱判別法而言載波鎖定效率及正確率更高。

1 載波捕獲與載波錯鎖

1.1 中頻接收模塊工作原理

對于S頻段的地面微波統一測控設備，USB測控體制通常采用載波調相。在載波捕獲階段，地面測控設備接收飛行器轉發的下行射頻載波信號后即刻進入載波捕獲狀態，信道下變頻得到的中頻輸入信號進入基帶接收機，經模數(A/D)轉換后與本地產生的正交載波信號進行混頻、濾波，輸出的采樣信號在DSP中進行FFT頻譜分析與能量檢測，得到載波頻率即完成載波捕獲。中頻接收機載波捕獲原理[7-8]如圖1所示。

圖1 接收機載波捕獲原理

進入基帶的中頻載波信號包括由應答機轉發的測距主側音信號、一個次側音信號、遙測信號及多普勒信息等，接收的基帶信號經接收機再次變頻至10.7 MHz二中頻信號，與10.7 MHz本振信號混頻，得中頻調制載波信號表達式：

S中(t)=A·sin[2π(fc+fd)t+m主sinΩ主t+

m次sinΩ次t+mTMsinΩTMt]，

(1)

式中，A為正弦調相波載波幅度；fc為載波頻率；fd為載波攜帶的多普勒頻率；m主，m次，mTM分別為主側音、次側音和遙測副載波調制度，一般為0.2 rad～1.5 rad。

1.2 載波錯鎖原因

目前載波防錯鎖措施主要利用載波頻譜特性進行判斷，但是簡單地依靠頻譜幅度或頻譜對稱性來進行判斷對防止載波錯鎖與假鎖的效果甚微[9]。根據工程實踐經驗得出載波錯鎖的主要原因如下：

① 空間環境、信道和設備元器件等引入的噪聲干擾直接影響頻譜質量，對載波頻譜特性提取與判斷造成影響；

② 當副載波調制指數較大，或調制的多種副載波在頻帶內產生交叉組合，可能造成載波頻率模糊或載波幅度低于副載波的情況，從而引發誤判；

③ 鑒相器的非線性特性使其輸出的鑒相誤差除零點外還存在其他極小值點[10]，當鑒相器輸出的相位誤差恰好在這幾個極小值點時，鎖相環就會鎖定在該錯誤頻率點上；

④ 由快速傅里葉變換得到的頻譜特性因采樣點的影響會產生頻率分辨率不高的問題，易受柵欄效應、頻譜泄露的影響。

1.3 載波仿真模型建立

根據三角函數變換關系，式(1)可變為：

S中(t)=A·sin2π(fc+fd)t·cos(∑misinΩit)+

A·cos2π(fc+fd)t·sin(∑misinΩit)，

(2)

式中，∑misinΩit=m主sinΩ主t+m次sinΩ次t+mTMsinΩTMt。

根據式(2)在Matlab/Simulink中建立接收中頻信號的仿真模型，如圖2所示。模型參數：A=2，Ω主=100 Hz，Ω次=2 Hz，ΩTM=65.536 Hz，fc+fd=400 Hz。

圖2 載波仿真模型

對不同調制度下的載波模型進行仿真，得到圖3所示時頻結果。由圖可知：① 副載波加調導致載波能量減小；② 各副載波信號在頻帶內存在交互影響，產生新的邊頻分量，并且該邊頻分量幅值隨調制度的增大而不斷變大；③ 當調制度為1.5 rad時，載波能量明顯低于邊頻分量。可見傳統的判對稱法與能量最大法并不適用于大調制度下的載波信號捕獲。

圖3 不同調制度下載波時頻特性

2 SVD降噪與特征提取

射頻信號經大氣空間在地面測控設備與飛行器之間遠距離傳輸，會因自然界電磁波源(如閃電、宇宙噪聲等)、信道器件和傳輸線等諸多因素引入噪聲干擾。信號在進入地面接收機時需通過降噪處理提取出有用信號，避免在遙測、測量數據解算時產生影響。目前，測控設備采用傳統濾波手段對信號進行低通或帶通濾波，很容易將有用信號濾除或濾除噪聲效率較低。本文結合Hankel矩陣與奇異值分解法能有效去除噪聲干擾。

2.1 SVD分解去噪原理

奇異值分解(SVD)[11-12]是線性代數中一種重要的分解算法，在信號處理、統計學和數值分析等領域有重要的應用地位。奇異值分解去噪[13]的基本原理如圖4所示。

圖4 奇異值分解去噪基本原理

設含噪的原始信號x(t)=s(n)+v(n)，其中s(n)為有用信號，v(n)為噪聲信號，n=1，2……N(N為采樣點數)。在線性代數中矩陣構造的方式很多，不同矩陣在SVD信號處理時效果不同[14-15]。經研究Hankel矩陣在SVD分解中能體現信號細節特征并反映信號主體骨架的近似組合，具有明顯的優越性[16]。本文采用Hankel矩陣構造m×n階矩陣X，其表達式如(3)所示，其中采樣點數N滿足約束條件N=m+n-1。

(3)

對矩陣X進行奇異值分解得X=USVT，其中U為m×m階酉矩陣，V為n×n階酉矩陣。

∑=diag(σ1，σ2…σk，…σr)，σ1≥σ2≥…σk≥…≥σr>0即為矩陣的奇異值，它們反映了信號和噪聲的能量集中情況。前k個較大的奇異值主要反應信號能量，構成有用信號矩陣Xs；后面較小的奇異值則反映噪聲能量，構成噪聲信號矩陣Xv。可見，只需將反映噪聲的(r-k)個較小奇異值置零，然后進行矩陣重構即可得到降噪后的有用信號矩陣。

2.2 SVD降噪仿真分析

對某含噪的正弦信號進行SVD噪聲抑制處理，選擇1 000×501階Hankel矩陣，輸入信號信噪比SNRin=0 dB，得到圖5所示仿真結果，可以看出，經SVD降噪后信號時域波形中的噪聲得到了較好的抑制。

圖5 SVD降噪時域仿真

對信噪比SNRin為-10 dB，-5 dB，0 dB，5 dB，10 dB時的輸入信號分別進行100次仿真實驗，得到如表1所示的SVD降噪性能指標結果。

表1 不同信噪比信號的SVD降噪性能指標

SNRin/dBSNRo/dBMSE-1014.147 50.019 2-516.569 20.011 0023.385 80.002 3527.183 99.562 7×10-41033.372 62.299 9×10-4

其中，SNRo為消噪信號的信噪比，該值越大表示信號去噪效果越好；MSE為消噪信號的均方誤差，該值越小表示噪聲抑制效果越好。可以看出，輸入信號的信噪比越大則噪聲濾除效果越好，信號的失真度越低。除此之外，將小波變換與SVD法結合用于信號降噪處理可以克服大矩陣運算導致時間過長的問題，有效提高了降噪效率[17]。

3 基于副載波解調的載波捕獲

在USB模式下飛行器直接相干轉發地面發射的上行射頻信號，因此地面測控設備可利用副載波信號對基帶中頻接收機接收的中頻調制載波進行解調，即式(1)經副載波解調得到式(4)所示結果。

S解調=S中(t)·sin(∑misinΩit)=

2m次sinΩ次t+2mTMsinΩTMt)-

cos(2π(fc+fd)t)]。

(4)

該解調信號主要包括兩部分信息：一部分為改變調制度的調制載波信號，第二部分為單載波信號。根據信號處理知識可知，單載波信號的能量遠高于調制載波信號能量，因此式(4)所示解調信號具有突出載頻、抑制副載頻的頻域特性。對副載波調制度m主=m次=mTM=1.5 rad時的載波信號進行解調，得到如圖6所示的頻域仿真結果。由此可見，通過副載波解調實現了信號載波提取與捕獲，降低了大調制度下的載波錯鎖概率。

圖6 解調信號頻域特性

通過對USB體制下衛星載波中頻環模型建立、時頻域仿真分析，可得出以下結論：

① 隨著副載波信號調制度的增大，調制載波信號的頻域特性發生明顯變化，副載頻能量幅度逐漸增大，載頻能量相應減小。當副載波調制度較大時，其頻域特性不再具有顯著的對稱性與載頻突出的特性，因此判對稱法與能量最大法對載波捕獲的判斷效果不佳。

② SVD分解法相較于小波降噪、傳統傅里葉變換降噪等方法具有原理簡單、算法簡便的特性，且對噪聲抑制效果好，在信號處理中具有明顯優勢。

③ 經副載波解調后，中頻接收信號實現了突出載頻、抑制副載頻的效果，從而增加了大調制度下的載波捕獲概率，仿真結果驗證了方法的有效性。

4 結束語

副載波解調法有效地克服了大調制度下因副載波能量高于載波能量而造成的載波錯鎖問題，SVD分解法能有效降低射頻信號在傳輸過程中引入的噪聲干擾，但是處理信號的長度受矩陣大小限制，矩陣階數越小，所能處理的信號長度越短，而矩陣階數越高，信號降噪處理時計算量增大，所需時間越長，該問題后續需進一步完善。