航天器測控通道抗干擾通用化測試系統設計

方凱 王希 閆金棟 于澎 胡帆

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

低、中、高軌航天器處于電磁環境復雜的太空之中，其面臨的不同頻段、不同種類的干擾信號日益增多[1-3]。航天器受到的空間電磁干擾包括地面干擾、空間干擾、自然干擾、人為干擾等，其中最普遍的就是地面干擾[4]。隨著我國經濟不斷發展、城市化進程不斷加快、國防基礎設施不斷增強，使得地面上有越來越多的通信站、廣播站、雷達地面站等，其發射的信號很容易對在軌航天器的測控通道造成影響，極易造成航天器與地面通信不穩定、服務中斷等嚴重后果。因此，具備航天器與地面通信、測距功能的測控分系統，其健壯性與穩定性直接決定了航天器的在軌壽命和生存能力，在地面測試時需要著重關注測控通道抗干擾測試的結果[5-6]。

目前，國內航天器測控體制包含統一S頻段(USB)、統一C頻段(UCB)、測控數傳一體化及直接序列擴頻(簡稱直擴)，其中，抗干擾能力較強的是直擴體制。它的原理是將擴頻后的信號分散在信號的寬頻帶之中，與噪聲融為一體[7-9]。這樣可以將有用信號隱蔽在噪聲內，從而抵制航天器與地面通信中的各種干擾。但是，由于擴頻體制傳統測試項目中通常只測試抗同頻異碼多址干擾與抗同頻單載波干擾2種工況，導致無法全面驗證航天器測控通道的抗干擾性能。

為了更加全面地驗證航天器直擴體制下的測控通道抗干擾能力，本文提出了一種抗干擾通用化測試系統，將干擾信號的種類擴充至8種，在原有的同頻異碼多址干擾和同頻單載波干擾之外，添加了寬帶阻塞干擾、窄帶脈沖干擾、白噪聲干擾、掃頻干擾、梳狀譜干擾及梳狀譜掃頻干擾，利用抗干擾開關矩陣實現有用信號與干擾信號的衰減、合路、分路、監視和調整干信比的功能，通過對S頻段接收機進行捕獲時間與捕獲概率的測試來驗證上行測控通道的抗干擾性能。同時，借助于虛擬儀器與遠程控制技術，實現對地面測試設備的集中式管理，以及程控與實時監視的功能，以提升抗干擾測試的自動化能力，提高測試效率。

1 測試系統設計

對于直擴體制而言，抗干擾能力在接收機端的解擴過程中獲取。其中，擴頻增益的表達式為

(1)

式中：B1為擴頻前數字基帶信號帶寬；B2為擴頻信號帶寬。

當遙控碼速率為4000 bit/s時，進行卷積編碼后采用直擴的方式擴頻至3 069 000 chip/s,從而完成BPSK調制，其擴頻增益Gp根據式(1)計算，約為28.8 dB。

受到接收機系統損耗等影響，遙控通道的抗干擾能力約為15.8 dB。也就是說，當干信比為15.8 dB時，將導致上行遙控信號無法正常捕獲進入穩定的跟蹤狀態，并產生大量誤碼使得上行通信中斷。

在上述理論分析的基礎上，本文設計抗干擾通用化測試系統，并分別在干信比10 dB和15 dB時對被測件進行8種抗干擾測試，形成測試結果。

為了加強各個測試設備的集中式管理，將若干測試設備集成至機柜中并集中供電，通過測試網絡交換機實現各個測試設備與測試計算機間的交互。

1.1 總體設計

傳統的直擴體制抗干擾測試系統通常只涵蓋了同頻異碼多址干擾與同頻單載波干擾2種干擾信號，其測試設備單一，沒有產生更多種類的干擾信號的能力。同時，測試設備需要分立式管理，具有無法集中控制、參數監視復雜與運營維護較差的缺點。這使得不同軌道高度的衛星無法充足、全面地驗證測控通道的抗干擾性能。傳統直擴體制抗干擾測試系統設備組成如圖1所示。

圖1 傳統直擴體制抗干擾測試系統設備組成Fig.1 Traditional anti-interference test system components of DSSS system

為了解決傳統直擴體制抗干擾測試系統的不足，提高其通用性與便捷操作性，本文設計并搭建了一種適用于直擴體制的抗干擾通用化測試系統。它主要由S頻段接收機(被測件)、直擴信號基帶設備、上變頻器、抗干擾開關矩陣、干擾源1(用于產生寬帶阻塞干擾和窄帶脈沖干擾)、干擾源2(用于產生白噪聲干擾、掃頻干擾、梳狀譜干擾及梳狀譜掃頻干擾等雷達干擾信號)、頻譜儀、合路器、交換機、高頻電纜、轉接頭、測試計算機等組成，利用測試計算機與測試局域網，通過傳輸控制協議/因特網協議(TCP/IP)實現對各個測試設備的集中控制、管理與監視的功能。設備間連接關系示意如圖2所示。

圖2 適用于直擴體制的抗干擾通用化測試系統連接示意Fig.2 Connection diagram of universal anti-interference test system for DSSS system

通用化測試系統首先通過直擴信號基帶設備產生70 MHz中頻上行信號，通過上變頻器后產生上行遙控射頻信號送入抗干擾開關矩陣，同時2路干擾源的射頻信號通過高頻電纜送入開關矩陣之中。通過對抗干擾開關矩陣中的衰減器、微波開關、合路器、功分器等程控設置，實現上行遙控信號和2路干擾信號從輸出口輸出，經過合路器后由高頻電纜送入S頻段接收機中，通過頻譜儀可以實時監視上行信號的輸出頻譜和功率。通過手動設置抗干擾開關矩陣中的程控衰減器的值，實現3路信號分別從輸出口4、5、6輸出，通過合路器將3路信號合路后送至S頻段接收機中，經過其內部濾波、轉發、放大后，輸出70 MHz中頻下行信號，經過高頻電纜送至直擴信號基帶設備。通過測試計算機及利用虛擬儀器技術實現的測試軟件，達到程控測試設備、自動化完成捕獲時間、捕獲概率測試項目的目的。

1.2 核心設備監視軟件設計

本文設計的抗干擾通用化測試系統的核心硬件設備為干擾源與抗干擾開關矩陣。干擾源可以產生更多種類的干擾信號，以實現全面驗證航天器測控通道抗干擾能力的目標；抗干擾開關矩陣可以通過切換內部的微波開關及調整各個支路的衰減，以達到不同干信比的測試需求。所有測試設備均統一集成至機柜之中，集中供電、集中管理。

傳統的干擾源與抗干擾開關矩陣通常無法實時監視設備參數，當需要設置干擾信號的類別，以及設置抗干擾開關矩陣的衰減量、切換通道時，遠程遙控與監視不夠便捷，往往需要到設備旁進行確認并手動設置，往往使測試時間延長，導致測試效率低。本文通過測試局域網的交互技術實現對干擾源與抗干擾開關矩陣的實時控制與遙測監視，通過測試計算機設置相關參數并可監測到設備的實時狀態，如圖3所示。利用測試計算機集中控制的方式，對干擾源的干擾信號參數進行設置，同時通過調整衰減值來控制輸出信號功率的大小；實現對抗干擾開關矩陣內部結構的圖形化顯示，既可以通過上位機軟件控制內部衰減器的值，又可以實現不同信號之間的組合、干信比大小設置及內部器件遙測參數的監視，提高操作的便捷性與測試效率。

利用虛擬儀器技術，可以實時監視上行遙控信號的頻譜；通過內部的虛擬儀器軟件結構(VISA)協議，實現控制與顯示頻譜儀參數的功能。專用于產生寬帶阻塞干擾和窄帶脈沖干擾信號的干擾源，可以通過軟件無線電的方式進行對不同干擾信號的設置，也可以利用測試計算機通過遠程的方式進行控制和監視干擾源狀態。以寬帶阻塞干擾信號為例，產生中心頻點2.1 GHz、信號帶寬40 MHz、積分功率-33 dBm的寬帶干擾信號，如圖4所示。用于產生雷達干擾信號的干擾源，具體包含了白噪聲干擾、掃頻干擾、梳狀譜干擾及梳狀譜掃頻干擾。至于控制方式，可以利用上位機，也可以通過遠程的方式進行獨立控制與監視。以白噪聲干擾信號為例，產生時域連續、幅度特征為隨機起伏、中心頻率2.1 GHz、調頻帶寬20 MHz、幅度起伏周期為0.2 ms、積分輸出功率為-33 dBm的干擾信號，如圖5所示。

圖3 干擾源和抗干擾開關矩陣界面Fig.3 Interface of interference source and anti-interference switch matrix

圖4 寬帶干擾信號示例Fig.4 Demonstration of broadband interference signal

圖5 白噪聲干擾信號示例Fig.5 Demonstration of white noise interference signal

1.3 自動化測試軟件設計

在進行抗干擾測試時，需要對上行捕獲時間和捕獲概率進行測量。測試計算機中所含的自動化測試軟件，通過測試局域網實現對抗干擾通用化測試系統內的各個設備進行集中化管理、控制與監視，并完成相關測試項目，生成測試數據。

傳統測試軟件通常只針對某種特定的測控體制進行測試，具有通用化與自動化程度較低、人機交互不夠友好及操作繁瑣等缺點；同時，測試系統內的各個設備廠家不同、類型不同，一鍵式集中控制所有設備的能力較差。針對抗干擾通用化測試系統，本文設計并實現了自動化測試軟件。首先，定義并編寫測試系統中直擴信號基帶設備、頻譜儀、抗干擾開關矩陣及干擾源的插件庫，使測試計算機可以通過測試局域網進行控制及狀態參數的觀測；然后，整合并形成測試序列，為抗干擾測試捕獲時間、捕獲概率作好準備。當具備測試狀態時，調用驅動函數執行控制命令并開始運行測試序列庫，測試結束后產生測試數據并對其進行整理和分析。該自動化測試軟件可以實現統一集中控制測試系統內不同廠家、不同類型的設備，通用化程度較高，具備解放人力、提高測試效率的優點。自動化測試軟件原理如圖6所示。

在進行抗干擾測試時，利用虛擬儀器技術，通過實驗室虛擬儀器工程工作平臺(LabVIEW)軟件實現對于直擴體制下抗干擾項目中捕獲時間和捕獲概率的測試。其具體流程為：首先，進行初始化參數配置、測試設備的初始化；然后，通過遠程控制技術完成相關參數的選定、改變、賦值，從而完成在不同種工況下的抗干擾測試。每種工況下的抗干擾測試結束后，需要生成測試結果并將地面測試設備復位。測試流程如圖7所示。

圖6 自動化測試軟件原理Fig.6 Schematic diagram of automated test software

圖7 測試捕獲時間、捕獲概率流程Fig.7 Flow of capture time and capture probability test

2 測試系統驗證

為了對抗干擾通用化測試系統進行驗證，搭建如圖8所示的測試系統。為了方便管理測試設備，將S頻段接收機、上變頻器、直擴信號基帶設備、干擾源、抗干擾開關矩陣、交換機、頻譜儀等統一集成至機柜中。對直擴體制信號進行抗干擾試驗驗證，在不同的測試條件下完成相關抗干擾試驗，進行擴頻測控系統的捕獲跟蹤性能測試，具體過程見圖9。

以梳狀譜掃頻干擾為例，干擾源2輸出的干擾信號具體參數如表1所示。通過有用信號與干擾信號合路輸出后，上行監視口通過頻譜儀測量到的上行遙控射頻信號頻譜如圖10所示。

在進行抗干擾測試時，借助LabVIEW軟件實現的測試軟件對捕獲時間與捕獲概率進行測量。首先，輸出干擾信號，此時下行接收通道處于失鎖狀態，如圖11所示。調整抗干擾開關矩陣衰減值，使S頻段接收機入口處中強電平直擴信號功率為-78 dBm、干信比為15 dB時，下行通道成功捕獲，捕獲時間1.432 s，并進入到穩定的跟蹤狀態。

通過觀察碼鎖定狀態、載波鎖定狀態、下行功率、接收自動增益控制(AGC)電平、信噪比(SNR)指示，可以觀察直擴信號捕獲跟蹤后的相關狀態，如圖12所示。

圖8 抗干擾通用化測試系統實物Fig.8 Physical diagram of universal anti-interference test system

圖9 抗干擾通用化測試過程Fig.9 Test process of universal anti-interference

表1 梳狀譜掃頻干擾信號參數Table 1 Parameters of comb spectrum sweeping interference signal

圖10 受梳狀譜掃頻干擾的上行遙控信號Fig.10 Uplink remote control signal interfered by comb spectrum sweeping

圖11 下行失鎖示意Fig.11 Diagram of downlink unable to capture

利用本文設計并搭建的抗干擾通用化測試系統，在8種信號的干擾下進行干信比在10 dB /15 dB、S頻段接收機直擴信號接收功率-48 dBm/-78 dBm條件下的捕獲時間和捕獲概率測試，捕獲時間均小于4 s，3次捕獲概率均為100%，表明測試結果一切正常，優于傳統抗干擾測試系統的測試結果。具體測試結果見表2。

表2 測試結果對比Table 2 Comparison of test results

從表2可以看出：與傳統抗干擾測試系統相比，本文設計的抗干擾通用化測試系統可以實現8類干擾信號在不同干信比下的測試，可以較為全面地驗證航天器上行測控通道的抗干擾能力，捕獲時間、捕獲概率測試結果均正常。同時，利用監視軟件和自動化測試軟件，測試時間縮短了20%以上，提高了測試效率及地面測試設備的操縱便捷性、直觀性與通用性。

3 結束語

本文設計了航天器測控通道抗干擾通用化測試系統，通過上位機軟件可以實時且直觀地觀測到測試數據與測試結果，通過自動化測試軟件可以實現一鍵式自動化測試，提高了測試效率，同時也可以根據測試設備關鍵遙測參數的變化、頻譜監視、遠程控制等方式實現抗干擾測試系統的集中控制與判讀。通過抗干擾試驗的捕獲時間、捕獲概率驗證結果表明：本文提出的抗干擾通用化測試系統覆蓋干擾信號的種類較為全面，能充分驗證航天器測控通道的抗干擾能力，可應用于后續航天器測控通道抗干擾性能試驗。