基于simulink的再生偽碼測距關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

馬 宏，彭保童，張 超

(1.中國人民解放軍航天工程大學(xué) 電子與光學(xué)工程系， 北京 101416； 2.中國衛(wèi)星海上測控部， 江蘇 江陰 214431)

再生偽碼測距技術(shù)是深空測距體制中的新興技術(shù)，在深空測距過程中，相對于透明轉(zhuǎn)發(fā)測距，再生偽碼測距具有測距精度高，無模糊距離大等特點，且由于實現(xiàn)了測距碼的星上再生，消除了上行鏈路傳輸過程中引入的熱噪聲等，提高了下行鏈路中測距信號的信噪比，最高可達30 dB，這 部分信噪比可以用來提高測距精度、減小捕獲時間或增加遙測信號功率[1]。在再生偽碼測距過程中，測距碼的捕獲以及再生是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如何實現(xiàn)測距碼的準確捕獲以及準確再生是實現(xiàn)再生偽碼測距的關(guān)鍵所在，同時也是本文研究的主要方面。根據(jù)CCSDS的建議標準書可知[2]，測距碼捕獲的依據(jù)是最大值搜索法，其依據(jù)為本地探測序列與測距碼之間的互相關(guān)性，當本地探測序列與測距碼同相相關(guān)時相關(guān)值最大，最大相關(guān)值對應(yīng)的本地探測序列即為捕獲到的子碼序列[3]。當所有子碼序列均捕獲完成后，按照與地面站相同的邏輯組合方式，重新生成與接收到的測距碼完全相同的偽碼序列，即實現(xiàn)了測距碼的再生。

1 測距碼的simulink實現(xiàn)

根據(jù)CCSDS關(guān)于偽碼測距的標準建議書，測距碼主要有Tausworthe測距碼和Stiffler測距碼兩種選擇，考慮到設(shè)備集成度以及兼容性，再生偽碼測距應(yīng)用中一般以權(quán)重平衡Tausworthe測距碼為主，復(fù)合碼由6個子碼組合而成，其邏輯組合方式為[3]

C=sign(v×C1+C2-C3-C4+C5-C6)

式中：v為權(quán)重參數(shù)；Ci(i=1、2…6)為6個子碼序列。

v的取值決定著測距碼碼型，當v的取值為2或4時分別為T2B碼和T4B碼，其中T2B碼一般用于以捕獲時間為主的測距任務(wù)，T4B碼一般用于以測距精度為主的測距任務(wù)[4]，如圖1所示為T2B/T4B碼的simulink仿真原理圖。

圖1 測距碼的simulink仿真原理

其中+1、-1模塊由延遲模塊組成，按照+1、-1的順序進行排列即可得到6個子碼序列，然后以一定的邏輯組合方式即可得到Tausworthe碼。仿真中Fcn模塊為邏輯組合模塊，通過改變邏輯組合中C1碼的權(quán)重就可以得到T2B碼或T4B碼。

在再生偽碼測距體制中，為了保護系統(tǒng)帶寬，一般需要對測距碼進行濾波成形，常用的成形方式主要包括方波成形、半正弦成形以及升余弦成形，綜合考慮到設(shè)備的復(fù)雜度以及性能，在再生偽碼測距過程中，測距碼的半正弦成形方式應(yīng)用較多[5]。圖2為測距碼半正弦成形模塊。

圖2 測距碼半正弦成形模塊

圖3所示為測距碼的兩種成形方式的仿真結(jié)果，根據(jù)濾波成形的結(jié)果可知，半正弦脈沖濾波成形的結(jié)果是將碼序列中的邏輯“+1”轉(zhuǎn)換為半正弦波形中的正半周期，碼序列中的“-1”轉(zhuǎn)換為半正弦波形中的負半周期。因此在實際操作中，可以采用正半周期的正弦波與邏輯+1或者-1相乘得到半正弦成形信號。

圖3 測距碼的方波成形與半正弦成形

2 上行鏈路信號的simulink實現(xiàn)

在再生偽碼測距系統(tǒng)的上行鏈路信號仿真中，測距信號與遙控信號以線性調(diào)制的方式調(diào)制到上行鏈路載波，其simulink實現(xiàn)原理如圖4所示。

表1 上行信號模塊

在上行信號的仿真中，遙控信號調(diào)制在副載波，然后再與測距信號一同調(diào)制在上行鏈路載波，其simulink仿真依據(jù)原理公式如下：

r1(t)+r2(t)

對上述公式繼續(xù)分解可得：

由此可得上行鏈路信號為：

r(t)=r1(t)+r2(t)=

如圖5(a)和圖5(b)所示分別為測距碼以及遙控信號的頻譜，其中測距信號的頻譜較寬，可以有效保護系統(tǒng)帶寬，兩種信號耦合后的信號頻譜如圖5(c)所示，可以看出，上行信號頻譜中含有明顯的時鐘分量，有利于測距碼的捕獲。

3 子碼序列捕獲模塊的simulink仿真

在再生偽碼測距中，子碼序列的捕獲分為地面站和星上兩種，其中地面站采用全并行捕獲方式，星上采用串并行共同捕獲的方式，捕獲子碼序列的判決方法主要包括最大值搜索法和門限值比較法，其中最大值搜索法為最優(yōu)算法，主要原理為子碼序列與測距碼之間的互相關(guān)性，通過比較子碼序列及其循環(huán)移位與測距碼之間的互相關(guān)值實現(xiàn)，其中最大相關(guān)值對應(yīng)的子碼序列的相位即為捕獲到的子碼序列。但是當輸入信號僅為噪聲信號時，最大值搜索法有較高的虛假捕獲概率[6]，本文在最大值搜索法的基礎(chǔ)上對捕獲算法進行了改進，即通過對最大值搜索法得到的最大相關(guān)值進行驗證可以消除噪聲信號的影響，降低僅噪聲信號輸入情況下的虛假捕獲概率。如圖6所示為子碼序列C3的捕獲模塊。表2給出了測距碼捕獲模塊中各個模塊的名稱及作用。

圖4 上行鏈路信號的simulink實現(xiàn)原理

圖5 信號頻譜

圖6 測距碼(C3)捕獲模塊

表2 捕獲模塊

如圖7所示為本地探測序列與測距碼的互相關(guān)模塊，通過累加計算可以得到累加相關(guān)值[7]，圖8為相關(guān)值累加結(jié)果，其中標紅點即為子碼序列C3與測距碼的同相相關(guān)值，為250 404。

圖7 互相關(guān)模塊

圖8 相關(guān)累加

如圖9所示為最大相關(guān)值驗證模塊，switch模塊的作用是對輸入值進行判決[8]，并根據(jù)判決結(jié)果決定輸出值，當最大相關(guān)值大于等于設(shè)置的門限值時，輸出即為輸入值，若最大相關(guān)值小于設(shè)置的門限值時，輸出值為0[9]。

圖9 最大相關(guān)值驗證模塊

測距碼捕獲的simulink仿真基于級聯(lián)改進捕獲算法，較最大值搜索法而言，級聯(lián)改進算法可以有效降低僅噪聲信號輸入情況下的虛假捕獲概率，且捕獲時間與最大值搜索法相差較小。

由表3可以看出，在級聯(lián)捕獲算法下捕獲兩種碼的額外損耗均為0.4 dB，而門限值比較法下捕獲兩種碼的額外損耗為3.1 dB[10]。由此可以看出，級聯(lián)法造成的額外損耗比門限值比較法要小很多，在可接受范圍內(nèi)。

4 再生模塊的simulink仿真

如圖10所示為測距碼再生模塊的simulink仿真，其原理為將子碼序列及其循環(huán)移位與測距碼的互相關(guān)值與最大相關(guān)值作比較，若比較結(jié)果小于1，則輸出值為0，其對應(yīng)子碼序列與輸出值相乘；若比較結(jié)果大于等于1，則輸出值為1，其對應(yīng)子碼序列與輸出值相乘，將相乘后的結(jié)果相加就可以實現(xiàn)該子碼序列的再生，待6個子碼序列均捕獲完成后，按照與地面站相同的邏輯方式將6個子碼序列進行組合就實現(xiàn)了測距碼的再生[11]。表4給出了測距碼再生模塊中各個模塊的名稱及作用。

表3 級聯(lián)法與最大值搜索法捕獲性能數(shù)據(jù)

如圖11所示為10個異相相關(guān)值與做大相關(guān)值比較后得到的輸出值，可以看出，異相相關(guān)值對應(yīng)的輸出均為0。圖12為子碼序列的再生序列，與設(shè)定的相位值相同。

圖10 測距碼再生模塊

表4 再生模塊

5 結(jié)論

本文基于再生偽碼測距技術(shù)，對再生偽碼測距系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)進行了仿真設(shè)計，主要表現(xiàn)為測距碼的捕獲模塊以及再生模塊。通過simulink仿真工具對兩個關(guān)鍵模塊進行了搭建和仿真，同時對現(xiàn)有捕獲算法進行了改進。根據(jù)仿真結(jié)果可知，測距碼捕獲模塊可以有效實現(xiàn)子碼序列相位的確認和捕獲，測距碼再生模塊同樣可以有效實現(xiàn)6個子碼序列的再生并重新組合成與接收到的測距碼的相位完全相同的偽碼序列。

圖11 各相關(guān)值比較后的輸出值

圖12 子碼序列再生結(jié)果