碼間多址干擾對三星上升段測控影響分析

龍 斌，楊俊武，王宏偉，錢國俊

(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

隨著航天技術的發展，擴頻測控技術[1-3]因其優越的隱蔽性能、良好的抗干擾性能[4-6]以及抗衰落等優點得到了越來越廣泛的應用。

針對擴頻系統的抗干擾性能，很多文獻都進行了分析，主要集中在對比系統對各類干擾的處理增益[7]或系統面對各類干擾的誤碼性能[8]。對于目前廣泛使用的直接序列擴頻系統，文獻[9]提出了一種抗干擾的動態博弈模型研究；文獻[10]提出了一種頻域抗干擾技術；文獻[11-12]從安全性能的角度進行了抗干擾分析；文獻[13]對它的抗干擾能力進行了理論分析和仿真。

本文在分析某衛星擴頻抗碼間多址干擾能力的基礎上，對設備的抗碼間多址干擾能力進行了實際測量，并結合某三星上升段測控的實際情況，分析了碼間多址干擾對測速測距、遙測及遙控等的影響，提出了應對干擾的解決對策。

1 抗碼間多址干擾分析及測試

1.1 直接序列擴頻系統抗碼間多址干擾分析

擴頻系統的處理增益又稱為擴頻處理增益或擴頻增益，它等于頻譜擴展后的信號帶寬BM與頻譜擴展前的信號帶寬Bm之比[14-16]：

Gp=10lg(BM/Bm)。

(1)

假設偽碼擴頻碼率為Rc，信息速率為r，則BM=2Rc,Bm=2r。

根據擴頻通信原理，滿足基帶接收機能正常工作的條件是：

(S/N)in=G-Ls-Mj，

(2)

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

由式(2)可計算出給定系統在指定參數下的抗多址干擾能力：

Mj=G-Ls-(S/N)in=

G-(Ls+(S/N)in)。

(3)

通過將某衛星的擴頻碼率、遙測信息速率及設備的(S/N)in代入式(2)，可以得到某設備遙測抗多址干擾能力Mj=16.1 dB。

衛星的下行信號由遙測支路和測量支路組成，當遙測支路和測量支路的信噪比為4∶1時，在三目標情況下，設備的遙測支路理論抗干擾能力為11.7 dB，測量支路理論抗干擾能力為16.8 dB。

1.2 設備直擴系統碼間多址干擾測試結果

利用某設備，進行了直擴系統碼間多址干擾測試，測試原理如圖1所示。

圖1 某設備碼間多址干擾測量示意Fig.1 Schematic diagram of inter-code multiple access interference measurement for the equipment

將三目標設備放置于標校塔上，通過可調衰減器后用合路器合成，送標校塔天線。地面天線接收后經信道變頻送基帶設備。測試步驟如下：

① 按某衛星技術狀態設置要求配置參數；

② 使目標1輸出單載波中強電平信號，使用頻譜儀在基帶入口測試該單載波信號，幅度值記為P1；

③ 調整衰減器，使基帶接收的三目標(或雙目標)單載波信號電平基本一致，均調整為P1；

④ 單獨增大目標1的衰減器，使目標1信號逐步降低，直至基帶無法鎖定目標1遙測信號(或測量信號)，記錄此時目標1單載波幅度值為P2，則目標1遙測支路(或測量支路)抗干擾能力為P2-P1；

⑤ 重復步驟③，再單獨增大目標2衰減器，使目標2信號逐步降低，直至基帶無法鎖定目標2遙測信號(或測量信號)，記錄此時目標2單載波幅度值為P3，則目標2遙測支路(或測量支路)抗干擾能力為P3-P1；

⑥ 重復步驟③，再單獨增大目標3衰減器，使目標3信號逐步降低，直至基帶無法鎖定目標3遙測信號，記錄此時目標3單載波幅度值為P4，則目標3遙測支路抗干擾能力為P4-P1。

三目標的遙測支路抗碼間多址干擾測試結果如表1所示。雙目標的測量支路抗碼間多址干擾測試結果如表2所示。

表1 三目標遙測支路抗碼間多址干擾測試結果

Tab.1Testresultsofanti-inter-codemultipleaccessinterferenceforthreetargettelemetrybranches

被測目標對應衛星測試結果/dB目標101星12目標202星12目標303星12

表2 雙目標測量支路抗碼間多址干擾測試結果

Tab.2Testresultsofanti-inter-codemultipleaccessinterferencefordual-targetmeasurementbranch

被測目標對應衛星測試結果/dB目標101星16目標202星16

由表1和表2可以看出，設備的測試結果與理論計算結果基本一致。

2 三星碼間多址干擾對上升段測控的影響分析

設備參加了三星的上升段測控任務。該三星上、下行頻率一致，采用不同的擴頻碼。設備跟蹤衛星時間為T1～T1+550 s，T1為設備跟蹤開始時刻。

2.1 測量支路受碼間多址干擾的強度影響分析

在上升段任務中，設備使用01星測量支路作為主跟蹤支路。在跟蹤過程中，各目標的測量支路失鎖情況為：01星失鎖2次，02星失鎖2次，03星失鎖6次。設備記錄的三星下行信噪比如圖2所示(由于在失鎖時無法記錄下行信噪比，因此手動將失鎖時下行信噪比記為0)。

圖2 上升段某設備記錄的三星下行信噪比Fig.2 Three-star downlink signal-to-noise ratio recorded by the equipment in the ascending segment

對三星測量支路失鎖時刻的信噪比進行記錄，對下行信噪比差值計算如表3所示，其中T1為某設備開始跟蹤時刻。

表3 上升段某設備測量支路失鎖時刻下行信噪比

Tab.3Downlinksignal-to-noiseratioatlossoflockofmeasurementbranchoftheequipmentinascendingsegment

對應衛星失鎖時刻/s失鎖時長/s下行信噪比/dB01星-02星02星-03星03星-01星01星T1+1840.510.43-12.231.80T1+4095-0.383.73-3.3502星T1+2454616.87-17.620.75T1+41195.76-12.336.5703星T1+1490.50.00-5.105.10T1+212115.2110.62-15.83T1+321614.192.45-16.64T1+36310-12.7213.31-0.59T1+3804-2.798.78-5.99T1+4092-7.4311.19-3.76

在T1+184 s，01星失鎖0.5 s；T1+149 s，03星失鎖0.5 s，初步判斷這兩次短暫失鎖可能為下行信號過強導致。

在T1+409～T1+411 s，01星、02星、03星相繼發生失鎖，初步判斷為星箭分離導致。

在其他時間段，三星分別發生失鎖，初步判斷為擴頻碼間多址干擾導致。失鎖原因初步判斷情況如表4所示。

表4 上升段某設備測量支路失鎖原因初步判斷

Tab.4Preliminaryjudgmentonreasonsforlossoflockingofmeasurementbranchoftheequipmentinascendingsection

對應衛星失鎖時刻/s失鎖原因初步判斷01星T1+184下行信號過強T1+409星箭分離02星T1+245碼間多址干擾T1+411星箭分離03星T1+149下行信號過強T1+212碼間多址干擾T1+321碼間多址干擾T1+363碼間多址干擾T1+380碼間多址干擾T1+409星箭分離

對表4中的碼間多址干擾導致失鎖的情況進行分析，結合表3計算，得到某設備測量支路失鎖時干擾大小如表5所示。

表5 失鎖時刻受到的碼間多址干擾強度

Tab.5Inter-codemultipleaccessinterferenceintensityatlosinglocktime

對應衛星失鎖時刻/s受干擾大小/dB01星無無02星T1+24520.303星T1+21217.0T1+32116.7T1+36313.5T1+38010.6

從上升段失鎖時干擾信號大小看，失鎖時最小干擾為10.6 dB，最大干擾為20.3 dB，設備抗干擾能力理論計算結果為16.8 dB，實際測試結果為13 dB，測試結果與實際跟蹤結果存在一定差異，與測試條件、測試環境存在一定關系，可以認為實際跟蹤結果與測試結果基本一致。

2.2 碼間多址干擾對測角的影響分析

本次上升段測角跟蹤01星，對測角數據進行二階差分，如圖3和圖4所示。圖3和圖4中的大值出現在T1+409 s時刻，這是由01星下行測量支路失鎖引起的。碼間多址干擾對測角數據的影響很小，可以認為除失鎖外，對測角數據無影響。

圖3 測角方位二階差分Fig.3 Second-order difference of the azimuth angle

圖4 測角俯仰二階差分Fig.4 Second-order difference of the pitching angle

2.3 碼間多址干擾對測量支路影響分析

在上升段跟蹤過程中，去除T1+409～T1+411 s期間01星、02星、03星相繼發生失鎖的時長，可以得到三星分別的失鎖時長，如表6所示。

表6 碼間多址干擾引起的測量支路失鎖時長

Tab.6Measurementbranchlockoutdurationcausedbyinter-codemultipleaccessinterference

對應衛星失鎖時長/s占跟蹤時長的百分比/%01星0002星468.3603星305.45

由表6可以看出，碼間多址干擾使三星的測量數據發生了丟失，程度從5.45%～8.36%不等。

對跟蹤得到的測速數據進行隨機差統計，發現碼間多址干擾對測速數據基本沒有影響。圖5是01星上升段測速隨機差圖，對01星測速二階差分數據每20點進行一次隨機差計算得到。圖中有3個大值分別出現在第1、第19和第41次，第1次大值為二級主發動機主令關機引起，第19次、第41次大值為01星測量支路兩次失鎖引起。由圖5可以看出，其他時段的隨機差變化不大。02星、03星測速隨機差與01星圖基本一致，測距為測速的積分，其隨機差與測速基本一致。

圖5 01星測速數據隨機差Fig.5 Random difference of 01 star velocity measurement data

2.4 碼間多址干擾對遙測支路的影響分析

碼間多址干擾對遙測支路的影響比對測量支路的影響更為嚴重。表7是對遙測支路失鎖、錯鎖時間的統計。從結果來看，碼間多址干擾引起遙測支路失鎖，導致遙測數據發生丟幀、錯幀，最嚴重時可導致數據丟失達到16%。

表7 碼間多址干擾引起的遙測失鎖錯鎖時長

Tab.7Telemetryunlockandmislockdurationcausedbyinter-codemultipleaccessinterference

對應衛星失鎖時長/s占跟蹤時長的百分比%01星234.1802星881603星5510

2.5 碼間多址干擾對上行遙控的影響分析

碼間多址干擾由接收多個信號引起。由于地面設備同時發送三目標上行信號，因此衛星也會受到多址碼間多址干擾的影響。與地面受到的碼間多址干擾不同，衛星收到的三目標信號來自同一發射天線，因此三目標信號基本一致。發射的上行信號分為測量支路和遙控支路，按照測量支路和遙控支路功率比為1∶1計算，衛星受到的遙控碼間多址干擾為7 dB，衛星設計指標為抗碼間多址干擾能力大于15 dB，從理論上來說，碼間多址干擾對上行遙控沒有影響。

本次上升段遙控發令從T1+412～T1+511 s，發令時間長達99 s，地面設備跟蹤至俯仰4.6°才完成發令。由于本次遙測失鎖時間段主要在星箭分離前，對判斷遙控指令執行情況無較大影響。如果遙測失鎖時間段在星箭分離后，將影響遙控指令執行情況的判斷，使發令時間增加，導致上行遙控發令無法完成。

3 解決對策

針對碼間多址干擾對多星上升段測控的影響，可以采取以下對策：

① 提升設備本身的抗干擾能力。由式(1)可以看出，擴頻處理增益與系統的擴頻碼率成正比，與信息速率成反比。因此可以采用提高衛星的擴頻碼速率、降低衛星的信息速率來提高系統的擴頻增益。經過計算，采用合適的擴頻碼速率和遙測碼速率可以使設備的遙測支路抗干擾能力提升20 dB以上。

② 由碼間干擾對測量支路和遙測支路的影響可以看出，由于測量支路比遙測支路的抗干擾能力高5 dB左右，測量支路的失鎖時間比遙測支路的失鎖時間少20 s左右，因此跟蹤時可以使用測量支路作為主跟蹤支路，減少測角的失鎖時間，提高測角數據質量。

③ 由于設備的測速測距、遙測數據都有不同程度的丟失，可以采用多套設備跟蹤衛星，來減小數據的損失率。

④ 碼間多址干擾對上行遙控沒有直接影響，但其對遙測的影響可以間接影響到遙控發令的完成。因此需要合理安排遙控發令的時間和發令時長。

4 結束語

本文主要分析了碼間多址干擾對多星上升段測控的影響，對于設備制定跟蹤條件分析、應急方案、事后數據處理等都有一定的作用，并已經在設備的后續多星上升段測控測控任務中得到了實際應用，取得了較好的效果。