上升段碼間多址干擾影響分析

龍 斌，楊俊武，陳紹軍，丁宏義

(1.中國人民解放軍63758部隊，福建 廈門361023；2.中國西安衛星測控中心，陜西 西安 710043)

0 引言

隨著擴頻通信和擴頻碼分多址技術的發展，直接序列擴頻(簡稱直擴)技術在航天測控系統中得到了廣泛應用，特別是在航天器多目標測量和測控中，與傳統的統一載波測控系統相比具有無可比擬的優勢。

針對直擴系統的抗干擾性能，各類文獻主要是對直擴系統的擴頻增益[1]或系統面對各類干擾的誤碼性能[2]進行了分析。文獻[3-4]從安全性能的角度進行了抗干擾分析，文獻[5]對直擴系統的多址干擾效應進行了研究，文獻[6]對直擴系統的抗多址能力進行了分析與驗證。

本文首先分析了衛星直接序列擴頻抗碼間多址干擾的能力和衛星天線角對碼間多址干擾的影響，然后結合某設備在雙星、三星和六星上升段接收衛星遙測信號時受碼間多址干擾的實際情況，分析了影響碼間多址干擾的要素，并提出了提高抗碼間多址干擾的若干措施。

1 抗碼間多址干擾分析

1.1 直接序列擴頻系統抗碼間多址干擾分析

直擴系統的處理增益可表示為[7-9]：

Gp=10lg(BM/Bm)，

(1)

式中，BM為頻譜擴展后的信號帶寬；Bm為頻譜擴展前的信號帶寬。

假設偽碼擴頻碼率為R，信息速率為r，則：

BM=2R，Bm=2r。

干擾信號不同時，擴頻處理增益也會相應發生變化。通常干擾信號可分為高斯白噪聲、窄帶干擾和多址干擾等幾種。考慮到上升段測控的特殊性，受到的干擾為多址干擾，因此本文只考慮多址干擾的情況。

根據文獻[6]，考慮到最惡劣的情況下，有用信號地址碼與干擾信號地址碼碼時鐘一致，此時的直接序列擴頻增益按照式(1)計算。

從擴頻通信原理[10]可以知道，滿足設備正常工作的條件為：

(S/N)in=Gk-Ls-Md，

(2)

式中，(S/N)in為接收機輸入端信噪比；Gk為擴頻處理增益；Ls為系統損耗；Md為多址干擾。

可計算出給定系統在指定參數下的抗多址干擾能力：

(S/N)inMd=Gk-Ls-(S/N)in。

(3)

通過式(1)和式(3)可以看出，系統抗干擾能力與擴頻處理增益直接相關，即偽碼擴頻碼率越高，系統抗多址干擾能力越大；信息速率越高，系統抗多址干擾能力越小。

1.2 衛星天線角對碼間多址干擾的影響

在實際應用中，設備接收衛星下行遙測信號幅度，可以按照雷達輻射方程[11]來計算：

(4)

對于上升段測控來說，由于衛星在箭體上安裝位置已固定，此時星箭未分離，多星距離較近，式(4)中除(EIRP)T外其他要素完全一致，因此設備接收衛星下行遙測信號幅度完全受(EIRP)T影響：

(EIRP)T=PT+GT-LT，

(5)

式中，PT為衛星發射功率；GT為衛星發射天線增益；LT為衛星發射線路衰減。

由式(5)可知，衛星發射的等效全向輻射功率，受到衛星發射功率、衛星發射天線增益和衛星發射線路衰減的影響。

同一批次衛星發射功率和發射線路衰減基本一致，但衛星發射天線增益則與天線方向圖密切相關，可以用衛星天線方向角來表示(在進行衛星天線角計算時，定義衛星天線角為衛星到測站指向與星體坐標+Z軸的夾角)。由于衛星天線方向角的不同，將導致天線增益發生變化，進而影響地面設備接收下行信號的幅度。

圖1為某衛星發射天線方向圖。由圖1可以看出，發射天線增益最大可達3 dBi，最小可達-25 dBi，由于天線方向角導致的天線增益變化可達28 dBi。

圖1 某衛星發射天線方向圖Fig.1 Satellite transmitting antenna pattern

綜上所述，在上升段多星任務測控中，抗碼間多址干擾能力主要受設備抗碼間多址干擾能力及衛星天線方向角的影響。

2 多星碼間多址干擾對上升段測控的實例分析

2.1 某設備在多星任務中抗碼間多址干擾能力分析

某設備參加了數次多星上升段測控任務，選取典型的測控任務，分別用01組、02組、03組代表雙星、三星和六星共3次任務。其中01組包含01-A，01-B雙星；02組包含02-A，02-B，02-C三星；03組包含03-A，03-B，03-C，03-D，03-E，03-F六星。每組衛星擴頻碼速率相同，信息速率相同，擴頻碼組不一致。根據3組衛星的偽碼擴頻碼率及信息速率，以及式(3)計算得到某設備遙測理論抗干擾能力，如表1所示。其中多星遙測抗干擾能力對應01組、02組、03組分別為雙星、三星和六星狀態下的遙測抗干擾能力。

表1 某設備遙測抗碼間多址干擾能力

2.2 某設備在多星任務中遙測數據有效率分析

對某設備參加的01組、02組、03組上升段測控遙測數據有效率進行分析，可以得到如表2所示的結果(某設備跟蹤了01組雙星、02組三星及03組的A，F雙星)。

遙測數據有效率=正確解調的遙測數據幀數/應收到的遙測數據幀數。

表2 01～03組衛星遙測數據有效率

從表2可以看出，01組衛星中，B星受碼間多址干擾影響嚴重，A星未受到碼間多址干擾影響；02組衛星中，B星、C星、A星受碼間多址干擾的程度依次降低；03組衛星中，A星、F星基本未受到碼間多址干擾影響，B，C，D，E星由于未參與跟蹤，受碼間多址干擾影響未知。

根據衛星天線角計算，01組～03組衛星對某設備的影響情況如表3所示。

表3 01～03組衛星天線角對某設備影響分析

結合表1～表3可以發現，當衛星天線角全程可見時，碼間多址干擾影響較小，如01-A星、03-A星、03-F星；當衛星被遮擋或處于天線干涉區時，碼間多址干擾影響程度明顯增大，如01-B星、02組三星。在碼間多址干擾的影響因素中，設備的抗碼間多址干擾能力隨著設備自身、衛星參數、衛星數目的確定而不再發生變化，可以視為一個靜態參數；衛星天線角則是隨著上升段飛行過程的變化而變化，影響下行信號幅度從幾個dB至20多dB不等。因此在分析上升段碼間多址干擾對設備的影響時，除了考慮設備自身的抗碼間多址干擾能力外，衛星天線角也是一個非常重要的因素。

3 降低上升段測控碼間多址干擾的應對措施

降低上升段碼間多址干擾的影響可以從以下幾方面采取措施。

3.1 提高衛星的擴頻碼速率

擴頻碼率每增加一倍，系統抗多址干擾能力增加3 dB。一個參數為擴頻碼率3 Mbps的衛星比參數為擴頻碼率10 Mbps的衛星抗碼間多址干擾能力低了5.2 dB。因此在衛星設計時就應考慮到這一因素的影響，盡可能采用高擴頻碼速率。

3.2 降低上升段衛星的信息碼速率

信息速率每降低一倍，系統抗多址干擾能力增加3 dB。一個參數為信息碼速率16 000 bps的衛星比參數為信息碼速率500 bps的衛星抗碼間多址干擾能力低了15 dB。因此可以考慮使用可變信息碼速率，上升段時衛星使用較低的信息碼速率，待衛星進入軌道后再切換為較高的信息碼速率。

3.3 采用擴跳頻方式

直擴的擴頻增益有限，可以使用DS-FH(直接擴頻-跳頻)混合擴頻的方式增加擴頻增益[12-13]，得到更高的抗碼間多址干擾能力。根據文獻[14]可知DS-FH混合擴頻系統的總處理增益是直擴增益與跳頻增益的乘積，顯著提高了擴頻系統的性能。

3.4 采用合適的衛星布局

從01組～03組衛星的跟蹤情況來看，衛星在火箭箭體的安裝結構布局對衛星的天線角有影響。以01組雙星系統為例，由于雙星沿著箭體方向縱向排列時，01-B星被支架、01-A星遮擋，導致跟蹤時01-B星遙測數據丟失超過50%。而02組、03組衛星由于是按垂直于箭體方向呈環形排列，導致跟蹤時遙測數據丟失最大為16%，因此采用合適的衛星布局可以顯著降低數據損失。

3.5 計算衛星天線角采用合適的測站設備進行跟蹤

通過實現根據衛星布局、火箭彈道計算衛星天線角，采用合適的測站設備進行跟蹤，可以有效避免天線干涉區等情況，降低碼間多址干擾的影響。

4 結束語

本文主要分析了上升段測控中碼間多址干擾的影響因素，得出以下結論：

① 設備自身的抗碼間多址干擾能力是影響碼間多址干擾的靜態因素，隨著設備自身、衛星參數和衛星數目的確定而不再發生變化。

② 衛星天線角是影響碼間多址干擾的動態因素，隨著衛星安裝布局、火箭彈道而發生變化，影響下行信號幅度可達到20 dB甚至更高。

③ 通過提高衛星的擴頻碼速率、降低衛星的信息速率、采用擴跳頻方式可以有效提高設備的抗碼間多址干擾能力。

④ 通過合理的衛星安裝布局、采用衛星天線角合適的測站設備跟蹤，可以有效降低上升段測控的碼間多址干擾。