一種基于天基測控的擴頻安控終端算法設計

摘要：擴頻安控終端采用擴頻體制和傳統的捕獲同步算法安控處理時延長，無法滿足實時性要求。因此，高可靠性、快速響應同步算法的構建是擴頻安控終端的關鍵技術。擴頻安控終端同步算法首先采用基于慣性導航+衛星導航信息輔助的部分匹配濾波與分段平均FFT 譜估計結合的二維捕獲算法，將慣性導航+衛星導航上報的運動狀態信息轉化為多普勒頻偏與多普勒頻偏變化率的估計值，有效縮小多普勒頻偏范圍，縮短了捕獲時間，分段平均FFT 譜估計降低了功率譜估計方差。載波跟蹤環采用二階鎖頻環輔助三階鎖相環，實現高機動、大范圍跟蹤。在此基礎上，載波跟蹤環、偽碼跟蹤環增加了防假鎖判決機制，可快速跳出假鎖狀態。工程應用表明：采用所提基于慣性導航+衛星導航信息輔助的部分匹配濾波與分段平均FFT 譜估計結合的二維捕獲算法和二階鎖頻環輔助三階鎖相環的載波跟蹤算法，擴頻安控終端的安控處理時延≤500 ms，滿足實時性要求。

關鍵詞：天基測控；擴頻安控終端；安控處理時延；關鍵技術；實時性

中圖分類號：TN914.53 文獻標志碼：A 文章編號：1000-582X（2024）08-112-11

目前，中國航天器的安全控制功能主要基于陸海基安控站與航天器上加載的安控接收機協同工作。采用專用頻段、專用體制，存在作用距離受限、專用頻段使用時限過長、安全性下降、抗電磁干擾差、測量弧段受限等問題。航天器向著高機動、高可靠、大范圍、全覆蓋的特點發展，傳統陸海基測控模式，難以適應航天器測控的發展需求。

天基測控模式[1?3]的出現，可以為目前傳統測控中存在的測量弧段受限問題提供解決方案，這對降低測控費用，拓展測控系統的應用有重要意義。傳統的安控接收機從接收陸海基安控站發送的射頻信號到輸出安控指令，安控處理時延要求≤500 ms。在天基測控模式下，擴頻安控終端（作用等同于安控接收機，在天基測控模式下通常稱為擴頻安控終端）采用擴頻體制[4?6]，捕獲同步過程更復雜，傳統捕獲同步算法的同步時間約2～5 s，無法滿足安全控制功能中安控處理時延≤500 ms 的實時性要求。同時，航天器加載的擴頻安控終端要求小型化、低功耗，且軟件資源受限，傳統捕獲同步算法的資源占用量也無法滿足擴頻安控終端的資源使用要求。

綜上所述，在確保高可靠性指標要求條件下，如何選擇最節省資源的軟件處理算法，優化鏈路的同步時間，是基于天基測控擴頻安控終端的關鍵技術。為此，筆者從算法層面進行設計，研究擴頻安控終端在低功耗、低資源消耗、高可靠性要求下，如何利用FPGA（field programmable gate array）算法達到擴頻安控終端的實時性要求。