基于指令信息識別目標(biāo)的多目標(biāo)測控體制*

(西安衛(wèi)星測控中心 三亞站，海南 三亞 572427)

1 引 言

碼分多址(CDMA)通信系統(tǒng)中，用不同的編碼序列來區(qū)分不同用戶，利用若干不同的互相正交的碼序列實(shí)現(xiàn)多址通信。CDMA通信的關(guān)鍵是能夠找到足夠多的不同正交地址碼來實(shí)現(xiàn)多用戶對同一頻帶的共用，把這些序列碼作為不同用戶的地址碼，在收信端再利用相關(guān)檢測技術(shù)進(jìn)行解擴(kuò)處理，恢復(fù)出與本地碼序列完全相同的有用信號。在目前國內(nèi)的多目標(biāo)測控中，同樣通過碼分多址[1]方式區(qū)分各路信號，地面設(shè)備具備同時(shí)對多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行測控的能力。但是，采用碼分多址在一個(gè)信道中傳輸存在以下問題：如果選擇的擴(kuò)頻碼相關(guān)性不好，在衛(wèi)星接收端容易產(chǎn)生碼間干擾，一方面會影響接收機(jī)的鎖定，另一方面會對遙測誤碼、遙控誤碼、測距、測速精度產(chǎn)生影響，而且多目標(biāo)功率的調(diào)整也對功放的適應(yīng)性提出了很高的要求。因此，碼分多址存在的問題是多目標(biāo)測控必須考慮的重要因素。為了解決碼分多址測控存在的如上問題，更好地適應(yīng)未來多星測控的要求，本文提出了通過指令信息識別多目標(biāo)的多目標(biāo)測控方法。

2 現(xiàn)行的多目標(biāo)測控體制

現(xiàn)行的多目標(biāo)測控體制分為相干擴(kuò)頻模式和非相干擴(kuò)頻模式[2]兩種，無論是相干擴(kuò)頻模式還是非相干擴(kuò)頻模式，在地面信號上行調(diào)制時(shí)各個(gè)目標(biāo)使用不同的PN碼來擴(kuò)頻不同的信息，但是具有相同的碼片速率和載頻，星上解調(diào)時(shí)根據(jù)不同的PN碼對接收信號進(jìn)行解擴(kuò)解調(diào)得到對應(yīng)的信息，以達(dá)到根據(jù)不同PN碼來區(qū)分各個(gè)目標(biāo)的目的，這就是通常是所說的碼分多址。為了徹底弄清楚多目標(biāo)測控體制的原理及實(shí)現(xiàn)過程，下面對多目標(biāo)測控體制的非相干擴(kuò)頻模式的原理進(jìn)行具體分析，如圖1所示。

圖1 非相干擴(kuò)頻模式的多目標(biāo)測控體制Fig.1 Multi-object TT&C system of noncoherent spread spectrum

在非相干擴(kuò)頻模式中，調(diào)制器能同時(shí)產(chǎn)生三路遙控BPSK和三路測距BPSK信號。六路BPSK信號均采用1 023位Gold短碼擴(kuò)頻，六路BPSK信號在基帶分系統(tǒng)內(nèi)部合成一路經(jīng)過地面上行鏈路發(fā)往星上。

星上各個(gè)目標(biāo)接收到信號后，經(jīng)過各自的下行鏈路，將送來的6路碼分BPSK信號進(jìn)行濾波、AGC控制、采樣和預(yù)濾波后，送入每個(gè)目標(biāo)的下行解調(diào)鏈路，每條鏈路處理一個(gè)目標(biāo)的下行信息，包括一路遙測BPSK信號和一路測距BPSK信號。

由分析知，對多目標(biāo)測控而言，星上接收信號是通過碼分多址來區(qū)分6個(gè)PN碼組成的信號，這對PN碼本身的自相關(guān)性和PN碼間的互相關(guān)性提出了很高的要求。

3 碼分多址存在的問題

3.1 給PN碼選取造成困難

對衛(wèi)星上的PN碼捕獲來說，每個(gè)支路的PN碼捕獲，要在本地進(jìn)行自相關(guān)計(jì)算，根據(jù)自相關(guān)值是否大于設(shè)定的門限來確定PN碼是否捕獲，因此PN碼捕獲首先考慮的是PN碼本身的自相關(guān)特性，PN碼的自相關(guān)性越好越容易捕獲，抗干擾能力越強(qiáng)。自相關(guān)性的好壞通常用自相關(guān)函數(shù)[3]來表示，自相關(guān)函數(shù)是指信號與它自身相移以后的相似性。擴(kuò)頻信號的自相關(guān)函數(shù)定義為

式中,f(t)為信號的時(shí)間函數(shù)，τ為時(shí)間延遲。

圖2 PN碼自相關(guān)函數(shù)特性圖Fig.2 Characteristic graph of PN code autocorrelation function

PN碼除自相關(guān)性外，與其它PN碼的相似性和相關(guān)性也很重要。對多目標(biāo)測控而言，多個(gè)目標(biāo)共用一個(gè)信道，要區(qū)分不同目標(biāo)的信號，就得靠相互之間的區(qū)別或不相似性來區(qū)分。換句話說，就是要選用互相關(guān)性小的信號來表示不同的目標(biāo)。兩個(gè)不同信號f(t)與g(t)之間的相似性用互相關(guān)函數(shù)來表示：

(2)

通常希望兩個(gè)信號的互相關(guān)值越小越好，則它們越容易被區(qū)分，且相互之間的干擾也小。

綜合上面的分析，我們在PN碼的選取方面，既要考慮PN碼本身的自相關(guān)性，又要考慮與其它PN碼的互相關(guān)性，對三目標(biāo)測控而言，我們要選取6組自相關(guān)性好、相關(guān)之間互相關(guān)性小的偽碼是相當(dāng)困難的，沒有經(jīng)過嚴(yán)格的理論計(jì)算選取，是很難滿足多目標(biāo)測控要求的。

3.2 星上容易出現(xiàn)假鎖、錯(cuò)鎖現(xiàn)象

在和聯(lián)試應(yīng)答機(jī)進(jìn)行聯(lián)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，如果PN碼選取不好，一個(gè)目標(biāo)的PN碼很容易鎖定到其它的PN碼上，出現(xiàn)錯(cuò)鎖、假鎖現(xiàn)象，這樣解調(diào)出來的信息就不是本目標(biāo)對應(yīng)的信息，影響了操作人員的判決，給目標(biāo)的正常聯(lián)試帶來了很大的困難。

4 指令信息識別目標(biāo)的可行性分析

由于PN碼過多引起CDMA的如上問題，如果我們能減少PN碼的數(shù)量，通過其它方法來達(dá)到區(qū)分多目標(biāo)的目標(biāo)，無疑能很好地解決如上問題。因此，本文提出了一種通過指令信息識別多目標(biāo)的方法，具體思路如下：

(1)地面在上行信息中增加每個(gè)目標(biāo)對應(yīng)的目標(biāo)代號和信息，多個(gè)目標(biāo)的同一種信息用同一PN碼進(jìn)行擴(kuò)頻處理，代替以前的多目標(biāo)同一種信息用不同PN碼進(jìn)行處理的方法，這樣可以將同一種信息使用的PN碼數(shù)量大大減少；

(2)星上在接收到地面信號后，同樣要對接收到的信息進(jìn)行解擴(kuò)處理，信息解調(diào)出來后，每個(gè)目標(biāo)通過尋找信息中的目標(biāo)代號去執(zhí)行對應(yīng)位置的指令信息，也就是通過指令信息[4]達(dá)到區(qū)分多目標(biāo)的目的。

目前，我們使用的信息有測距信息和遙控信息兩種，下面我們對兩種信息格式進(jìn)行具體分析，分析是否能通過目前的信息格式達(dá)到區(qū)分不同目標(biāo)的目的。

圖3 測距和遙控信息格式Fig.3 Ranging and remote control signal information format

由圖3可知，測距信息和遙控信息中都包括目標(biāo)代號及信息內(nèi)容，不同的是測距信息中不同目標(biāo)占用的是不同的字段，而遙控信息中不同目標(biāo)占用的是相同的字段，但是衛(wèi)星上不同目標(biāo)的信號在使用相同的PN碼捕獲后，經(jīng)過解擴(kuò)解調(diào)，都可以通過信息格式中的字段內(nèi)容區(qū)分不同目標(biāo)，進(jìn)而執(zhí)行對應(yīng)的指令內(nèi)容。

我們設(shè)想的通過信息識別多目標(biāo)的框圖如圖4所示。

圖4 指令信息識別多目標(biāo)的多目標(biāo)測控體制Fig.4 Multi-object TT&C system for target identification based on using information

由圖4可知，對三目標(biāo)測控而言，通過指令信息識別多目標(biāo)，星上設(shè)定的PN碼數(shù)量由6個(gè)減少為2個(gè)，3個(gè)目標(biāo)的3條測距支路通過一個(gè)測距PN碼的捕獲跟蹤實(shí)現(xiàn)解擴(kuò)解調(diào)功能，經(jīng)過位同步、譯碼、碼型變換、幀同步進(jìn)行測量控制信息的提取，然后每條支路通過信息中對應(yīng)的目標(biāo)代號字段進(jìn)行判別，如果是和星上設(shè)定的目標(biāo)代號一致則處理執(zhí)行對應(yīng)的信息，否則對信息進(jìn)行丟棄處理。3個(gè)目標(biāo)的3條遙控支路通過一個(gè)遙控PN碼的捕獲跟蹤實(shí)現(xiàn)解擴(kuò)解調(diào)功能，經(jīng)過位同步、譯碼、碼型變換、幀同步進(jìn)行遙控信息的提取，同樣每條支路通過信息中對應(yīng)的目標(biāo)代號字段進(jìn)行判別，如果是和星上設(shè)定的目標(biāo)代號一致則處理執(zhí)行對應(yīng)的信息，否則對信息進(jìn)行丟棄處理。要注意的是，由于3個(gè)目標(biāo)的遙控信息占用的是相同的字段，所以這要求地面設(shè)備不能同時(shí)對3個(gè)目標(biāo)發(fā)送遙控信息，遙控信息要采用分時(shí)發(fā)送的方式。

5 碼分多址和指令信息識別的比較

經(jīng)過分析，可以得到指令信息識別多目標(biāo)和碼分多址識別多目標(biāo)的區(qū)別：

(1)簡化了上行鏈路

對多目標(biāo)而言，由于地面設(shè)備只需發(fā)送兩路PN碼，所以地面設(shè)備的硬件電路可以做得更簡化。另外，兩路BPSK信號對多目標(biāo)功率調(diào)節(jié)能夠更好地適應(yīng)，算法實(shí)現(xiàn)更簡單，在很大程度上節(jié)省了硬件資源。

(2)PN碼數(shù)量大大減少

對N目標(biāo)測控而言，通過指令信息識別多目標(biāo)，衛(wèi)星上的PN碼數(shù)量由以前的2N個(gè)減少為2個(gè)，這樣對PN碼的自相關(guān)性和互相關(guān)性降低了要求，PN碼的選取變得更加容易，增加一個(gè)目標(biāo)的測控，只需在信息中增加目標(biāo)的目標(biāo)代號和信息即可，不需再增加PN碼，不需再考慮PN碼的自相關(guān)性和互相關(guān)性。

(3)減少了假鎖、失鎖現(xiàn)象

由于PN碼的數(shù)量大大減少，所以要選取自相關(guān)性和互相關(guān)性都符合的PN碼比較容易，在PN碼進(jìn)行捕獲時(shí)，可以很快地進(jìn)行捕獲，減少了假鎖、失鎖的概率。

6 結(jié) 論

本文指出了多目標(biāo)測控體制的碼分多址存在的問題，分析了指令信息識別多目標(biāo)方法的可行性。該方法實(shí)現(xiàn)簡單，可以應(yīng)用在未來的多星測控領(lǐng)域，能夠更好地適應(yīng)多星測控的要求。需要注意的是，由于多個(gè)目標(biāo)的遙控信息占用的是相同的字段，所以這要求地面設(shè)備不能同時(shí)對3個(gè)目標(biāo)發(fā)送遙控信息，遙控信息要采用分時(shí)發(fā)送的方式。

參考文獻(xiàn)：

[1] 曾興雯,等.擴(kuò)展頻譜通信及多址技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004：217-218.

ZENG Xing-wen,et al.Spread-frequency Communication and Multiplex Access Technology[M].Xi'an:Xi Dian University Press,2004:217-218.(in Chinese)

[2] 梁振興.相干擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1991：35-37.

LIANG Zhen-xing. Coherent Spectrum System[M].Beijing:National Defense Industry Press,1991:35-37.(in Chinese)

[3] Elliott D Kaplan.GPS原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007：97-103.

Elliott D Kaplan.The Theory and Application of GPS[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2007：97-103.(in Chinese)

[4] 谷學(xué)敏.航天無線電測控技術(shù)[M].長沙：國防科技大學(xué)出版社，1984：105-108.

GU Xue-min.Space Tracking,Radio,Telemetering and Command System[M].Changsha: National University of Defense Technology Press,1984：105-108.(in Chinese)