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(wèi)星測控中心，陜西 西安 710043)

0 引言

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，擴頻測控技術(shù)[1-3]因其優(yōu)越的隱蔽性能、良好的抗干擾性能[4-6]以及抗衰落等優(yōu)點得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

針對擴頻系統(tǒng)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(tǒng)對各類干擾的處理增益[7]或系統(tǒng)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(tǒng)，文獻[9]提出了一種抗干擾的動態(tài)博弈模型研究；文獻[10]提出了一種頻域抗干擾技術(shù)；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(wèi)星擴頻抗碼間多址干擾能力的基礎(chǔ)上，對設(shè)備的抗碼間多址干擾能力進行了實際測量，并結(jié)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(yīng)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(tǒng)抗碼間多址干擾分析

擴頻系統(tǒng)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(shè)偽碼擴頻碼率為Rc，信息速率為r，則BM=2Rc,Bm=2r。

根據(jù)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(tǒng)損耗；Mj為多址干擾。

由式(2)可計算出給定系統(tǒng)在指定參數(shù)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(wèi)星的擴頻碼率、遙測信息速率及設(shè)備的(S/N)in代入式(2)，可以得到某設(shè)備遙測抗多址干擾能力Mj=16.1 dB。

衛(wèi)星的下行信號由遙測支路和測量支路組成，當(dāng)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(shè)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(shè)備直擴系統(tǒng)碼間多址干擾測試結(jié)果

利用某設(shè)備，進行了直擴系統(tǒng)碼間多址干擾測試，測試原理如圖1所示。

圖1 某設(shè)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(shè)備放置于標校塔上，通過可調(diào)衰減器后用合路器合成，送標校塔天線。地面天線接收后經(jīng)信道變頻送基帶設(shè)備。測試步驟如下：

① 按某衛(wèi)星技術(shù)狀態(tài)設(shè)置要求配置參數(shù)；

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(diào)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(diào)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(fù)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(fù)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(jié)果如表1所示。雙目標的測量支路抗碼間多址干擾測試結(jié)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(jié)果

Tab.1Testresultsofanti-inter-codemultipleaccessinterferenceforthreetargettelemetrybranches

被測目標對應(yīng)衛(wèi)星測試結(jié)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(jié)果

Tab.2Testresultsofanti-inter-codemultipleaccessinterferencefordual-targetmeasurementbranch

被測目標對應(yīng)衛(wèi)星測試結(jié)果/dB目標101星16目標202星16

由表1和表2可以看出，設(shè)備的測試結(jié)果與理論計算結(jié)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(shè)備參加了三星的上升段測控任務(wù)。該三星上、下行頻率一致，采用不同的擴頻碼。設(shè)備跟蹤衛(wèi)星時間為T1～T1+550 s，T1為設(shè)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(wù)中，設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)備開始跟蹤時刻。

表3 上升段某設(shè)備測量支路失鎖時刻下行信噪比

Tab.3Downlinksignal-to-noiseratioatlossoflockofmeasurementbranchoftheequipmentinascendingsegment

對應(yīng)衛(wèi)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(dǎo)致。

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

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

表4 上升段某設(shè)備測量支路失鎖原因初步判斷

Tab.4Preliminaryjudgmentonreasonsforlossoflockingofmeasurementbranchoftheequipmentinascendingsection

對應(yīng)衛(wèi)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(dǎo)致失鎖的情況進行分析，結(jié)合表3計算，得到某設(shè)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(yīng)衛(wèi)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(shè)備抗干擾能力理論計算結(jié)果為16.8 dB，實際測試結(jié)果為13 dB，測試結(jié)果與實際跟蹤結(jié)果存在一定差異，與測試條件、測試環(huán)境存在一定關(guān)系，可以認為實際跟蹤結(jié)果與測試結(jié)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(shù)據(jù)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(xiàn)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(shù)據(jù)的影響很小，可以認為除失鎖外，對測角數(shù)據(jù)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(fā)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(yīng)衛(wèi)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(shù)據(jù)發(fā)生了丟失，程度從5.45%～8.36%不等。

對跟蹤得到的測速數(shù)據(jù)進行隨機差統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)碼間多址干擾對測速數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xiàn)在第1、第19和第41次，第1次大值為二級主發(fā)動機主令關(guān)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(shù)據(jù)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(tǒng)計。從結(jié)果來看，碼間多址干擾引起遙測支路失鎖，導(dǎo)致遙測數(shù)據(jù)發(fā)生丟幀、錯幀，最嚴重時可導(dǎo)致數(shù)據(jù)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(yīng)衛(wèi)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(shè)備同時發(fā)送三目標上行信號，因此衛(wèi)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(wèi)星收到的三目標信號來自同一發(fā)射天線，因此三目標信號基本一致。發(fā)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(wèi)星受到的遙控碼間多址干擾為7 dB，衛(wèi)星設(shè)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(fā)令從T1+412～T1+511 s，發(fā)令時間長達99 s，地面設(shè)備跟蹤至俯仰4.6°才完成發(fā)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(zhí)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(zhí)行情況的判斷，使發(fā)令時間增加，導(dǎo)致上行遙控發(fā)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(shè)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(tǒng)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(wèi)星的擴頻碼速率、降低衛(wèi)星的信息速率來提高系統(tǒng)的擴頻增益。經(jīng)過計算，采用合適的擴頻碼速率和遙測碼速率可以使設(shè)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(shù)據(jù)質(zhì)量。

③ 由于設(shè)備的測速測距、遙測數(shù)據(jù)都有不同程度的丟失，可以采用多套設(shè)備跟蹤衛(wèi)星，來減小數(shù)據(jù)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(fā)令的完成。因此需要合理安排遙控發(fā)令的時間和發(fā)令時長。

4 結(jié)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(shè)備制定跟蹤條件分析、應(yīng)急方案、事后數(shù)據(jù)處理等都有一定的作用，并已經(jīng)在設(shè)備的后續(xù)多星上升段測控測控任務(wù)中得到了實際應(yīng)用，取得了較好的效果。