再生偽碼測距中的碼跟蹤環(huán)實現(xiàn)

劉晗超，簡偉，侯建文

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再生偽碼測距中的碼跟蹤環(huán)實現(xiàn)

劉晗超1，簡偉2，侯建文3

（1. 上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109；2. 解放軍理工大學 通信工程學院，南京 210007；3. 上海航天技術(shù)研究院，上海 201109）

在再生偽碼測距中,碼跟蹤環(huán)的設計是偽碼測距系統(tǒng)的關(guān)鍵設計環(huán)節(jié)。根據(jù)CCSDS發(fā)布的偽碼測距綠皮書，介紹了一種新型的碼跟蹤環(huán)的實現(xiàn)方式。通過對環(huán)路參數(shù)的分析，詳細闡述了碼片跟蹤環(huán)中關(guān)鍵功能模塊和關(guān)鍵參數(shù)的設計方法。以T2B碼為例給出了仿真測試結(jié)果，驗證了分析和設計的有效性，可用于深空探測應答機和高靈敏通信機。

碼跟蹤環(huán)；2倍加權(quán)平衡陶思沃斯碼（T2B）；中相積分器；相關(guān)累加器

0 引言

航天器測控系統(tǒng)最核心的任務是測量航天器相對地面站的位置和速度。在深空探測任務中，由于星地距離遠，路徑損耗非常大，探測器下行功率受限，直接轉(zhuǎn)發(fā)上行信號將導致下行信號信噪比過低，地面站難以解調(diào)。在探測器上通過再生偽碼，將測距上行鏈路和下行鏈路分隔開，使得下行鏈路的信號中不再包括轉(zhuǎn)發(fā)噪聲和殘留遙控信號，從而提高下行信號的信噪比。

根據(jù)空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會CCSDS于2009年3月發(fā)布的偽碼測距的藍皮書（正式建議書）[1]和2010年3月發(fā)布的偽碼測距的綠皮書（技術(shù)原理報告）[2]的建議，星上偽碼跟蹤主要采用碼片跟蹤環(huán)（chip tracking loop）實現(xiàn)。碼跟蹤環(huán)完成對接收到的偽碼信號中的鐘碼的跟蹤，即獲得數(shù)據(jù)碼元的初相。本文以T2B碼為例闡明碼跟蹤環(huán)的實現(xiàn)。

1 碼跟蹤環(huán)的工作原理

1.1 偽碼結(jié)構(gòu)

CCSDS建議選擇兩種偽隨機碼[1]，被稱為權(quán)重平衡陶思沃斯碼（weighted-voting balanced Tausworthe），即T4B碼（權(quán)重因子4）和T2B碼（權(quán)重因子2）。權(quán)重平衡陶思沃斯碼由6個周期的二進制子碼序列通過組合算法組合而成，其中子碼結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 子碼結(jié)構(gòu)

偽碼的表達式為

碼片信噪比為

各分量碼與T2B偽碼的相關(guān)性是非常重要的。同相相關(guān)表示本地分量碼與接收到的碼同步的情況，異相相關(guān)表示本地分量碼比接收到的碼延遲了1到-1（為偽碼周期長度）個碼片。同相相關(guān)值一般在判定碼同步時作為判據(jù)。為了在判定同步時去除幅度的影響，一般采用歸一化的相關(guān)值。同相和異相歸一化相關(guān)值如表2所示。

表2 分量碼相關(guān)值

1.2 碼跟蹤環(huán)組成

偽碼再生首先要實現(xiàn)碼的捕獲，而碼捕獲要首先實現(xiàn)碼片的捕獲。根據(jù)CCSDS標準，T2B碼中包含了1個時鐘碼，存在顯著的碼鐘分量，因此在進行測距碼同步時可以首先跟蹤解調(diào)測距碼中的時鐘分量，實現(xiàn)碼片同步，即使接收偽碼的鐘碼和本地偽碼的鐘碼初始相位一致，然后再進行其余子序列的同步，這是碼跟蹤環(huán)（chip tracking loop，CTL）的主要功能。圖1是測距碼同步系統(tǒng)框圖。

圖1 測距碼同步系統(tǒng)框圖

測距同步系統(tǒng)由中相支路和同相支路組成。其中中相支路包括中相積分器、相關(guān)累加器、環(huán)路濾波器、數(shù)控振蕩器（numerically controlled oscillator，NCO）、定時邏輯等單元，稱為碼跟蹤環(huán)。碼跟蹤環(huán)類似數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換跟蹤環(huán)（data transition tracking loop，DTTL）。碼跟蹤環(huán)完成對接收到的偽碼信號中時鐘碼的捕獲和跟蹤，即獲得數(shù)據(jù)碼元的初相。

中相積分器在相鄰2個碼片的半個周期上積分?？紤]到時鐘碼已知，為+1，-1交替序列，故可用+1，-1交替序列代替同相積分支路的積分值，與中相積分器的輸出相乘來對環(huán)路進行校正，完成鑒相功能，總積分長度為1個碼片的長度。由于輸入信號的信噪比太低，相關(guān)累加器需要完成多次鑒相誤差的累加。環(huán)路濾波器對累加器的輸出進行低通濾波，降低帶外噪聲和干擾等影響。碼片速率的變化主要是多普勒效應引起的，利用碼片速率和載波頻率相干的相關(guān)關(guān)系，將載波鎖定后得到的多普勒頻差除以載波頻率與碼片速率的比值，得到由多普勒效應引起的碼片速率的偏差，碼片速率偏差與標稱碼片速率相加后得到實際的碼片速率。碼片速率的跟蹤主要是得到碼片起始位置的精確值。由于中相積分為2個相鄰碼片分別半周期積分相加，在不超前和滯后的情況下相加值為0，因此NCO根據(jù)積分相加值的正負控制本地偽碼的超前和滯后的移動方向，完成本地偽碼初始相位的調(diào)整，使其最終與接收偽碼達到精確同步。

1.3 碼跟蹤環(huán)的性能

方差與測距的精度有直接的關(guān)系，方差越小，測距精度越高，反之，方差越大，測距精度越低。

2 碼跟蹤環(huán)的設計

碼跟蹤環(huán)的設計包含多方面的工作，這里我們僅介紹中相積分器、相關(guān)累加器、環(huán)路濾波器等關(guān)鍵功能模塊的設計。

2.1 中相積分器的設計

圖2是中相積分器原理示意圖。

圖2 中相積分器原理示意圖

在圖2中，假設接收偽碼第個碼片周期中心對應時刻為

本地偽碼第個碼片周期中心對應時刻為

圖3 中相積分器設計示意圖

2.2 相關(guān)累加器設計

相關(guān)累加器采用串行方式工作，所需積分碼片數(shù)取決于碼片信噪比和誤碼率要求。在信噪比一定的情況下，相關(guān)累加器累加周期越長，濾波器輸入端的信噪比越大，從而環(huán)路濾波器輸出的方差越小。反之，累加周期越短，環(huán)路濾波器輸出方差越大。為提高測距的精度，希望方差盡可能小，這就要求累加周期盡可能長。但在深空測距中，由于星體對地球存在加速度，從而碼片速率存在由多普勒效應引起的變化。在碼跟蹤環(huán)性能分析中，通常假設相關(guān)累加器的一個累加周期內(nèi)，碼片速率是不變的。但當累加周期太長時，碼片速率不變的假設將不再成立。因此，要適當選取累加周期的長度，使其既滿足測距精度的要求又可忽略碼片速率受多普勒效應的影響。

2.3 環(huán)路濾波器設計

環(huán)路濾波器的設計對系統(tǒng)性能也有很大的影響。需要折中考慮環(huán)路頻率的變化范圍和環(huán)路的復雜性。這里考慮采用二階鎖相環(huán)中常用的環(huán)路濾波器。圖4是環(huán)路濾波器設計示意圖。

圖4 環(huán)路濾波器設計示意圖

這里環(huán)路更新周期實際上也是串行相關(guān)累加器的累積周期。

2.4 數(shù)控振蕩器

由上文的分析可知，本地偽碼滯后時，中相積分器輸出小于0，對應環(huán)路濾波器輸出也小于0，這時要增大本地偽碼初始相位；反之，當本地偽碼超前時，要減小本地偽碼的初始相位[4]。

3 仿真結(jié)果

PN碼CTL跟蹤環(huán)路的頂層仿真如圖5所示，主要包括PN碼發(fā)生模塊、加噪模塊和CTL環(huán)路部分。仿真時可以設置加噪模塊從而得到不同的輸入信噪比。

圖5 PN碼CTL跟蹤環(huán)路頂層仿真原理框圖

圖6 碼片速率為1 M時的仿真結(jié)果

圖7 碼片速率為2 M時的仿真結(jié)果

4 結(jié)語

本文根據(jù)CCSDS標準（國際標準）文件的指導，開發(fā)了一種新型的應用于再生偽碼測距的碼跟蹤環(huán)的實現(xiàn)技術(shù)，已應用于當今宇航發(fā)展探索方向——深空探測測控系統(tǒng)，也可用于各種高靈敏通信機。再生偽碼測距的關(guān)鍵在于時鐘碼的捕獲和同步。本文介紹了碼跟蹤環(huán)關(guān)鍵單元的設計方法，仿真結(jié)果表明采用該設計方法得到碼跟蹤環(huán)路是可行的，并在實際的工程中已得到應用。

[1] Pseudo-Noise(PN) Ranging Systems. Recommendation for Space Data System Standards CCSDS 414.1-B-1[S]. Washington: CCSDS, 2009.

[2] Pseudo-Noise(PN) Ranging Systems. Informational Report CCSDS 414.0-G-1[S]. Washington: CCSDS, 2010．

[3] 張厥盛. 鎖相技術(shù)[M]. 西安: 西安電子科技大學出版社, 1994.

[4] 王永慶, 高磊, 吳嗣亮. 航天器擴頻測控應答機偽碼跟蹤環(huán)設計[J]. 北京郵電大學學報, 2010, 33(4): 49-53.

A realization of code tracking loop in PN code ranging

LIU Han-chao1, JIAN Wei2, HOU Jian-wen3

(1. Shanghai Aerospace Research Institute for Electric Communication, Shanghai 201109, China;2.PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China;3. Shanghai Academy of Spaceflight Technology, Shanghai 201109, China)

The design of code tracking loop is the key point in the regenerative PN ranging system. A new code tracking loop is presented according to the Green Book published by CCSDS. Through the analysis of theparameters of the loop, the method of designing the key function model and key parameters of the chip tracking loop is expounded in detail. Simulations are given by taking T2B code as an example. The analyses and design are verified to be effective, and can be applied to the deep space transponder and high sensitive communication equipment.

code tracking loop;weighted-voting balanced Tausworthe code,=2(T2B); mid-phase integrator;accumulator

TN965

A

1674-0637(2014)02-0104-07

2013-07-24

劉晗超，女，碩士，主要從事深空探測測控技術(shù)研究。