基于測控基帶備機(jī)的防錯(cuò)鎖方法改進(jìn)

韓雷，岳世磊，謝承伯，李彬，李魁杰

（西安衛(wèi)星測控中心，陜西西安，710043）

0 引言

某型測控站在測控活動過程中，當(dāng)測控基帶主機(jī)A機(jī)完成雙捕后，發(fā)現(xiàn)基帶備機(jī)B機(jī)載波錯(cuò)鎖。在后續(xù)測控活動中對此載波錯(cuò)鎖現(xiàn)象進(jìn)行了重點(diǎn)關(guān)注，發(fā)現(xiàn)雙捕完成后，備機(jī)有一定概率出現(xiàn)錯(cuò)鎖?？v觀多次錯(cuò)鎖現(xiàn)象，載波錯(cuò)鎖信號有一定隨機(jī)性，不能單純界定為外界干擾引起。為保證測控基帶在測控活動過程中，能夠穩(wěn)定準(zhǔn)確鎖定目標(biāo)信號，確保信號接收質(zhì)量，遂需研究測控基帶備機(jī)雙捕過程中防錯(cuò)鎖的方法。

1 原理及錯(cuò)鎖原因分析

1.1 接收機(jī)載波鎖定原理

標(biāo)準(zhǔn)TT&C接收機(jī)原理如圖1所示，下行信號經(jīng)天線、低噪聲放大、下變頻后，測控和路中頻信號送測控基帶分機(jī)：首先由頻率快速捕獲（頻率引導(dǎo)）單元完成載波頻率及載波頻率變化率測量，實(shí)時(shí)將測量結(jié)果送主接收機(jī)載波鎖相環(huán)，輔助載波環(huán)捕獲跟蹤，載波鎖定后解調(diào)出遙測副載波及測距信號，送遙測單元及測距單元。[1]

圖1 標(biāo)準(zhǔn)TT&C接收機(jī)原理框圖

當(dāng)雙捕流程開始時(shí)，調(diào)制器以預(yù)設(shè)的掃描速率進(jìn)行頻率掃描，基帶監(jiān)控軟件會根據(jù)雙向光行時(shí)進(jìn)行延時(shí)后將頻率掃描參數(shù)信息發(fā)送給接收機(jī)和頻率捕獲模塊，作為預(yù)報(bào)的先驗(yàn)信息輔助頻率捕獲模塊進(jìn)行快速正確的捕獲，從而輔助接收機(jī)中的載波環(huán)路對載波進(jìn)行捕獲和鎖定。

載波環(huán)路在頻率捕獲單元提供的多普勒信息輔助下對載波進(jìn)行捕獲后會進(jìn)行防錯(cuò)鎖判斷。鎖定后的載波環(huán)路除非再次失鎖，否則不會再對頻率捕獲單元的捕獲結(jié)果進(jìn)行判定和使用處理。頻率捕獲單元和載波環(huán)路單元的具體工作流程如下所述。

圖2 頻率捕獲單元結(jié)構(gòu)原理流程圖

1.1.1 頻率捕獲單元工作流程

頻率捕獲單元結(jié)構(gòu)原理流程見圖2，首先根據(jù)下發(fā)的多普勒信息輔助數(shù)據(jù)對信號進(jìn)行濾波采樣和下變頻處理，輸出零中頻信號寫入數(shù)據(jù)緩存空間；然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行載波多普勒頻率及其變化率的雙重補(bǔ)償，多輪次地復(fù)用FFT資源；最后對FFT后的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜峰值比較，得出頻譜峰值進(jìn)行頻率解算，最終得到當(dāng)前時(shí)刻的載波多普勒頻率值[2]。

1.1.2 接收機(jī)工作流程

接收機(jī)中載波環(huán)根據(jù)頻率捕獲模塊給的多普勒信息來設(shè)置環(huán)路中心頻率進(jìn)行跟蹤。目前設(shè)計(jì)狀態(tài)下，頻率捕獲模塊輸出的多普勒信息的取用分兩種情況：

（1）若載波環(huán)失鎖，立即取當(dāng)前的捕獲結(jié)果來設(shè)置環(huán)路中心頻率，并對載波環(huán)進(jìn)行復(fù)位。

（2）若載波環(huán)鎖定，則判斷環(huán)路錯(cuò)鎖指示信號是否有效，若有效，則立即取當(dāng)前的捕獲結(jié)果來設(shè)置環(huán)路中心頻率，并對載波環(huán)進(jìn)行復(fù)位；否則，保持上一次的中心頻率值，不做其他操作。

環(huán)路錯(cuò)鎖判決只在環(huán)路從失鎖到鎖定的過程中判決1次，一直鎖定后將不進(jìn)行判決（不進(jìn)行判決時(shí)錯(cuò)鎖指示信號無效）。環(huán)路錯(cuò)鎖判決過程如下：

（1）計(jì)算當(dāng)前頻率捕獲模塊輸出的多普勒和載波環(huán)輸出的多普勒的差值；

（2）判斷兩者的差值是否大于設(shè)定的門限；

（3）連續(xù)統(tǒng)計(jì)3次，若有兩次差值大于門限，則認(rèn)為環(huán)路錯(cuò)鎖，錯(cuò)鎖指示信號有效；否則，認(rèn)為環(huán)路正常鎖定，錯(cuò)鎖指示信號無效。

1.2 錯(cuò)鎖原因分析

在測控基帶主機(jī)進(jìn)行雙捕時(shí)，接收機(jī)和頻率捕獲單元會在調(diào)制器的掃描信息輔助下對載波頻率進(jìn)行正確的捕獲和跟蹤，然而由于測控基帶備機(jī)并不發(fā)出上行信號和起掃，因此其接收機(jī)和頻率捕獲單元無法獲取掃描信息預(yù)報(bào)。鑒于系統(tǒng)接收機(jī)和頻率捕獲模塊在無掃描信息輔助下所能適應(yīng)多普勒變化率有限(舉例為A)當(dāng)外界信號多普勒及變化率小于等于A時(shí)，捕獲單元能捕獲到正確的多普勒值及變化率，從而引導(dǎo)接收機(jī)正確捕獲跟蹤，當(dāng)外界信號多普勒及變化率大于A且無預(yù)報(bào)信息時(shí)，捕獲單元將無法捕獲到正確的多普勒值以及變化率，不能輔助載波環(huán)路對載波頻率進(jìn)行正確的捕獲跟蹤。

由于掃描過程中信號頻率一直變化，當(dāng)頻率捕獲單元捕到頻譜中的一個(gè)信號頻率時(shí)，并引導(dǎo)載波鎖相環(huán)進(jìn)行鎖定。當(dāng)載波環(huán)路跟蹤到的頻率與頻率捕獲單元的捕獲結(jié)果恰好滿足判錯(cuò)鎖條件時(shí)，載波環(huán)路便鎖定在了該錯(cuò)誤的頻率上。由于一旦鎖定只要不再次失鎖則捕獲將鎖定出的頻率與捕獲單元的捕獲結(jié)果進(jìn)行比較判斷，因此即便掃描結(jié)束后，頻率捕獲單元捕獲到了真實(shí)正確的載波信號后，載波環(huán)路也會一直鎖定在之前的錯(cuò)誤頻率上。[3]

2 模擬測試試驗(yàn)及軟硬件修改驗(yàn)證

2.1 模擬測試試驗(yàn)

針對測控基帶備機(jī)錯(cuò)鎖現(xiàn)象，進(jìn)行了多次反復(fù)測試，主機(jī)均未出現(xiàn)錯(cuò)鎖。具體模擬測試試驗(yàn)環(huán)境如圖3所示。其中基帶A用于模擬指定場景下的主機(jī)，基帶B用于模擬指定場景下的備機(jī)?；鶐機(jī)的上行信號經(jīng)信道模擬器模擬上行鏈路環(huán)境后送入聯(lián)試應(yīng)答機(jī)，經(jīng)聯(lián)試應(yīng)答機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)后模擬下行鏈路環(huán)境并加入噪聲后功分兩路分別輸入基帶A機(jī)和基帶B機(jī)。

圖3 模擬測試試驗(yàn)環(huán)境框圖

進(jìn)行了50次雙捕流程試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)雙捕完成后基帶A機(jī)和基帶B機(jī)的鎖定是否正確。50次試驗(yàn)中，基帶A機(jī)全部正確鎖定，基帶B機(jī)出現(xiàn)18次錯(cuò)鎖。

2.2 軟硬件修改驗(yàn)證

針對測控基帶備機(jī)錯(cuò)鎖問題，進(jìn)行如下軟硬件修改及驗(yàn)證：

（1）修改備機(jī)模式下軟件邏輯流程，即當(dāng)基帶處于備機(jī)狀態(tài)時(shí)，“判錯(cuò)鎖”開關(guān)打開。

（2）修改測控接收機(jī)DSP程序代碼邏輯（見圖4），將備機(jī)的捕獲和載波環(huán)路工作方式設(shè)置為一直判錯(cuò)鎖，這樣可以保證即使在掃描過程中有錯(cuò)鎖可能，在掃描信號回零后，備機(jī)能夠正確鎖定。

圖4 DSP程序代碼邏輯修改前后對比

（3）新增基帶監(jiān)控與接收機(jī)之間的主備機(jī)狀態(tài)接口，對基帶監(jiān)控軟件進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整。

修改完成后進(jìn)行了50次雙捕流程試驗(yàn)，測控基帶B機(jī)（備機(jī)）在雙捕完成后均未出現(xiàn)錯(cuò)鎖。

3 結(jié)論

本次測控基帶軟硬件修改，從根本上解決了，當(dāng)掃描速率超過了頻率捕獲單元的捕獲能力時(shí)，頻率捕獲單元無法捕獲到正確的多普勒值以及變化率，也不能輔助載波環(huán)路對載波頻率進(jìn)行正確的捕獲跟蹤，導(dǎo)致測控基帶備機(jī)錯(cuò)鎖的問題。既是對測控基帶備機(jī)雙捕過程中防錯(cuò)鎖的方法改進(jìn)優(yōu)化的有益嘗試，也為復(fù)雜電磁環(huán)境下測控活動的正常捕獲跟蹤提供有效保障，對于其他測控裝備性能改進(jìn)也有一定的借鑒意義。