首次火星探測任務(wù)遙測幀同步參數(shù)設(shè)計(jì)*

劉 軍，強(qiáng) 立，張 偉,3，吳宗清，盧歐欣

(1.西安衛(wèi)星測控中心，西安 710043；2.宇航動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710043；3.浙江大學(xué) 航空航天學(xué)院，杭州 310027；4.中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

0 引 言

幀同步是完成載波同步、位同步之后，在數(shù)據(jù)流中找到傳輸幀正確起止位置的過程，通過幀同步器三種狀態(tài)的轉(zhuǎn)移來實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)流輸入幀同步器后，由相關(guān)器對(duì)幀同步碼組進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，幀同步器以幀同步參數(shù)作為狀態(tài)轉(zhuǎn)移的判據(jù)，依據(jù)相關(guān)運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移并實(shí)現(xiàn)幀同步入鎖和失鎖，并將成幀排列的數(shù)據(jù)送至譯碼器等單元處理。幀同步參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性決定了幀同步器的性能，良好的幀同步參數(shù)設(shè)計(jì)能夠降低幀同步器的虛同步率、漏同步率以及正確鎖定狀態(tài)下的失鎖率。

近地空間測控中，通常鏈路余量充足,傳輸誤碼率很低，一般以一組幀同步參數(shù)就可適應(yīng)絕大部分任務(wù)場景。而在火星探測等200萬公里以遠(yuǎn)的深空探測任務(wù)中，任務(wù)壽命周期內(nèi)器地距離變化由百萬到上億公里，探測器姿態(tài)調(diào)整并切換不同增益天線，造成下行測控通信鏈路條件變化很大[1-2]，不存在一組幀同步參數(shù)能適應(yīng)整個(gè)任務(wù)階段。尤其是在探測器在變軌機(jī)動(dòng)，以及進(jìn)入、下降和著陸(Entry，Descent and Landing，EDL)等工作期，鏈路信噪比低，傳輸碼速率低，器地通信時(shí)長較短，同時(shí)又對(duì)數(shù)據(jù)接收量、有效性有強(qiáng)烈需求[3]。這對(duì)深空測控設(shè)備的幀同步性能提出了較高要求。因此，研究遙測幀同步參數(shù)設(shè)計(jì)，對(duì)于首次火星探測等深空任務(wù)的遙測數(shù)據(jù)接收具有重要意義。

針對(duì)TPC編碼遙測、Turbo編碼數(shù)據(jù)接收中的幀同步參數(shù)設(shè)計(jì)問題，文獻(xiàn)[4-6]采用概率計(jì)算方式，通過計(jì)算正確入鎖時(shí)間的數(shù)學(xué)期望、數(shù)據(jù)有效率等指標(biāo)，建立幀同步性能衡量和參數(shù)設(shè)計(jì)方法;文獻(xiàn)[7]采用仿真方法尋求最佳幀同步參數(shù)設(shè)置，對(duì)高誤碼率條件下的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行了分析。

上述研究中幀同步器的搜索態(tài)和校核態(tài)合并為一個(gè)參數(shù)考慮，與深空測控設(shè)備幀同步器實(shí)際可獨(dú)立設(shè)置三態(tài)參數(shù)不同，很難使深空測控設(shè)備幀同步器性能達(dá)到最優(yōu)。此外，對(duì)于平均正確入鎖時(shí)間解析式的推導(dǎo)、對(duì)衡量幀同步器入鎖和數(shù)據(jù)有效率還有進(jìn)一步完善定義和簡化計(jì)算的必要。

本文在上述研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)我國深空測控網(wǎng)的測控設(shè)備進(jìn)行了其幀同步器三態(tài)轉(zhuǎn)移過程的原理介紹。在此基礎(chǔ)上，重新推導(dǎo)了幀同步器平均正確入鎖時(shí)間計(jì)算解析式；針對(duì)幀同步器的入鎖和鎖定保持性能的綜合衡量問題，提出了基于平均正確入鎖時(shí)間的數(shù)據(jù)有效率的定義和計(jì)算方法。接著，分析了平均正確入鎖時(shí)間和數(shù)據(jù)有效率兩項(xiàng)指標(biāo)對(duì)幀同步器性能的反映特點(diǎn)，提出了根據(jù)兩項(xiàng)指標(biāo)設(shè)計(jì)幀同步參數(shù)的方法。最后，針對(duì)首次火星探測任務(wù)設(shè)計(jì)了不同信噪比和編碼方式下的遙測幀同步參數(shù)，并通過任務(wù)中遙測幀同步的實(shí)際情況驗(yàn)證了參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性。

1 幀同步器的三態(tài)轉(zhuǎn)移過程

幀同步器通過搜索、校核、鎖定三種狀態(tài)的轉(zhuǎn)移完成數(shù)據(jù)幀同步，涉及的主要概念和參數(shù)如下：

(1)幀同步碼組：在每幀中相同位置(本文中設(shè)為幀首)出現(xiàn)的一組固定碼樣組合，長度為m比特。

(2)數(shù)據(jù)傳輸幀：由幀同步碼組和數(shù)據(jù)區(qū)構(gòu)成，長度記為N比特。數(shù)據(jù)區(qū)碼樣一般與幀同步碼組相關(guān)性很低，經(jīng)過偽隨機(jī)化處理后可認(rèn)為是隨機(jī)的。

(3)幀同步參數(shù)：包括搜索態(tài)、校核態(tài)、鎖定態(tài)三種狀態(tài)的檢測幀數(shù)和容錯(cuò)位數(shù)，其中搜索態(tài)幀數(shù)一般默認(rèn)為1幀，因此一組幀同步參數(shù)包括搜索態(tài)容錯(cuò)位數(shù)(記為a比特)、校核態(tài)容錯(cuò)位數(shù)(記為b比特)、鎖定態(tài)容錯(cuò)位數(shù)(記為c比特)、校核態(tài)幀數(shù)(記為V幀)、鎖定態(tài)幀數(shù)(記為L幀)。

(4)相關(guān)器：對(duì)送入相關(guān)器的碼組，與標(biāo)稱幀同步碼組作相關(guān)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)碼組檢測。檢測后得到被檢碼組與標(biāo)稱幀同步碼組的漢明距離，用比特或位表示。

(5)相關(guān)器檢測碼組的位置：每幀中，檢測碼組的第1比特相對(duì)于全幀第1比特的距離，記為檢測碼組的位置s。檢測碼組的位置有周期性，取值范圍為[0,N-1]。幀同步碼組在每幀幀首，s=0時(shí)檢測碼組是正確的幀同步碼組，s∈[1,N-1]時(shí)檢測碼組位于數(shù)據(jù)區(qū)，或數(shù)據(jù)區(qū)與幀同步碼組共存區(qū)，稱為隨機(jī)碼組。幀同步入鎖的過程如圖1所示。

圖1 幀同步器三態(tài)轉(zhuǎn)移過程

下面對(duì)幀同步器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移邏輯作簡要介紹：

搜索態(tài)：從輸入幀同步器的數(shù)據(jù)流中，逐比特截取長度為m比特的碼組，送入相關(guān)器檢測，若檢測結(jié)果未超過搜索態(tài)容錯(cuò)位數(shù)a，則幀同步器由搜索態(tài)進(jìn)入校核態(tài)。

校核態(tài)：搜索態(tài)進(jìn)入校核態(tài)時(shí)，檢測位置s不變，間隔整幀周期對(duì)該位置碼組進(jìn)行檢測，若連續(xù)V次檢測結(jié)果均未超過容錯(cuò)位數(shù)b，則幀同步器轉(zhuǎn)移至鎖定態(tài)；若出現(xiàn)一次檢測結(jié)果超過容錯(cuò)位數(shù)b，則直接轉(zhuǎn)移至搜索態(tài)，從下一幀s+1位置重新開始搜索。

鎖定態(tài)：幀同步器進(jìn)入鎖定態(tài)后，檢測位置s不變，間隔整幀周期對(duì)該位置碼組進(jìn)行檢測，同時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)被送至譯碼器處理。若連續(xù)L幀檢測結(jié)果超過鎖定態(tài)容錯(cuò)位數(shù)c，則幀同步失鎖，在完成當(dāng)前幀的譯碼、數(shù)據(jù)上報(bào)處理后，幀同步器由鎖定態(tài)轉(zhuǎn)移至搜索態(tài)，從下一幀s+1位置重新開始搜索。

三態(tài)轉(zhuǎn)移中，任一節(jié)點(diǎn)的虛同步和漏同步都可能造成幀同步器狀態(tài)反復(fù)，導(dǎo)致幀同步正確入鎖時(shí)間長。正確同步鎖定狀態(tài)下，失鎖會(huì)使幀同步器進(jìn)入搜索態(tài)，從而降低數(shù)據(jù)有效率。幀同步參數(shù)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是，對(duì)于某一任務(wù)條件，使幀同步器工作在正確入鎖時(shí)間短、數(shù)據(jù)有效率高的狀態(tài)。

2 平均正確入鎖時(shí)間和數(shù)據(jù)有效率計(jì)算

根據(jù)上述分析計(jì)算幀同步器在一組參數(shù)下的正確入鎖時(shí)間和數(shù)據(jù)有效率。由于幀同步器的入鎖和失鎖過程存在多種可能的狀態(tài)組合，每種狀態(tài)具有一定的發(fā)生概率和所需時(shí)間，為了衡量幀同步器在一組參數(shù)下的性能，應(yīng)當(dāng)計(jì)算的是正確入鎖時(shí)間的數(shù)學(xué)期望，即平均正確入鎖時(shí)間(Average Time of Correct Locking， ATCL)。

除幀長N、幀同步碼組長度m外，影響幀同步性能的主要外部因素是幀同步碼組誤碼率Pe。推導(dǎo)前，作如下假設(shè)：

(1)信號(hào)傳播在對(duì)稱信道，即0和1的誤碼概率相同；

(2)數(shù)據(jù)區(qū)經(jīng)過加擾后是隨機(jī)的，每比特出現(xiàn)0或1的概率均為p=0.5；

(3)截取m比特碼組時(shí)，數(shù)據(jù)區(qū)與幀同步碼組的共存區(qū)，也當(dāng)作隨機(jī)碼組處理。

推導(dǎo)計(jì)算過程根據(jù)正確幀同步碼組的狀態(tài)轉(zhuǎn)移路徑分階段進(jìn)行：首先計(jì)算幀同步碼組進(jìn)入搜索態(tài)，直到首次正確通過搜索所需要的平均時(shí)間，稱為搜索時(shí)間，這里要考慮漏檢情況；其次計(jì)算正確通過搜索態(tài)后，一次通過校核態(tài)，以及校核錯(cuò)誤重新搜索、循環(huán)一至多次正確通過校核態(tài)的平均時(shí)間，即ATCL；最后計(jì)算鎖定態(tài)中，誤檢失鎖并再次正確入鎖的時(shí)間，以及幀同步器保持正確鎖定直至誤檢失鎖的平均時(shí)間(稱為平均失鎖間隔時(shí)間)，根據(jù)上述兩個(gè)時(shí)間計(jì)算數(shù)據(jù)有效率。

與文獻(xiàn)[4-6]相比，本文考慮了一般場景和較短通信時(shí)長場景下，數(shù)據(jù)有效率反映幀同步器性能的不同要求，提出了基于ATCL和平均失鎖時(shí)間的數(shù)據(jù)有效率計(jì)算方法，便于針對(duì)不同場景作指標(biāo)計(jì)算。此外，在ATCL計(jì)算過程中，除區(qū)別考慮搜索態(tài)和校核態(tài)參數(shù)外，對(duì)搜索時(shí)間、入鎖時(shí)間等公式重新進(jìn)行了推導(dǎo)。

2.1 單次檢測概率

幀同步碼組在誤碼率Pe的條件下，被檢測通過的概率P1(x)為

(1)

隨機(jī)碼組被虛檢通過的概率P2(x)為

(2)

式中：自變量x為容錯(cuò)位數(shù)，在搜索態(tài)、校核態(tài)、鎖定態(tài)分別對(duì)a、b、c。

2.2 幀同步器正確通過搜索態(tài)時(shí)間推導(dǎo)

在幀同步器找到正確的幀同步碼組前，隨機(jī)碼組有被虛檢通過的可能。平均每個(gè)位置的隨機(jī)碼組在搜索態(tài)被虛檢通過直至退出幀同步器的平均時(shí)間Tf為[4]

(3)

式(3)中，第一項(xiàng)為隨機(jī)碼組搜索檢測未通過的概率，與搜索該隨機(jī)碼組耗費(fèi)時(shí)間(1比特)的乘積，即該路徑下耗費(fèi)時(shí)間的數(shù)學(xué)期望；第二項(xiàng)為隨機(jī)碼組通過搜索態(tài)進(jìn)入校核態(tài)并在校核第一幀檢測錯(cuò)誤，重新退回搜索態(tài)的耗費(fèi)時(shí)間的數(shù)學(xué)期望，后續(xù)項(xiàng)依次類推；最后一項(xiàng)為隨機(jī)碼組通過搜索態(tài)、校核態(tài)進(jìn)入鎖定態(tài)，并在鎖定態(tài)中某一節(jié)點(diǎn)失鎖，總耗費(fèi)時(shí)間的數(shù)學(xué)期望。需要注意，這里考慮了解鎖后仍需完成當(dāng)前幀處理才進(jìn)入搜索，因此最短解鎖時(shí)間為L+1幀。Tf為上述各種路徑的概率時(shí)間和，即每個(gè)隨機(jī)碼組在幀同步器中耗費(fèi)的平均時(shí)間。每個(gè)位置的隨機(jī)碼組平均耗費(fèi)時(shí)間相同。

搜索至幀同步碼組后，考慮到幀同步碼組可能因誤碼而漏檢，幀同步器會(huì)重復(fù)在隨機(jī)碼組進(jìn)行檢測和三態(tài)轉(zhuǎn)移，因此首次搜索正確通過的平均時(shí)間為

(4)

式(4)中第一個(gè)等號(hào)右邊第1項(xiàng)為首次搜索到幀同步碼組就檢測正確的平均用時(shí)，第2項(xiàng)為幀同步碼組第1次漏檢、第2次正確通過搜索的平均用時(shí)，依次類推。

2.3 幀同步器正確通過校核態(tài)時(shí)間推導(dǎo)

第2.2節(jié)計(jì)算了從隨機(jī)位置開始，幀同步器正確通過搜索態(tài)的平均時(shí)間。接著上述推導(dǎo)，得到幀同步器在正確幀同步碼組位置校核錯(cuò)誤、鎖定態(tài)失鎖時(shí)，重新于s=1位置開始搜索，此時(shí)幀同步器正確通過搜索態(tài)的時(shí)間為

(5)

利用遞推公式表示校核態(tài)，連續(xù)x次校核均通過的平均時(shí)間Tx為

Tx=P1(b)(Tx-1+1)+(1-P1(b))P1(b)×2(Tx-1+1)+…+

(1-P1(b))2P1(b)×3(Tx-1+1)+…=

(6)

式中：Tx-1為連續(xù)x-1次校核通過的平均時(shí)間；T1為第1次校核通過的平均時(shí)間。第一個(gè)等號(hào)右邊第1項(xiàng)為第x次校核一次通過的概率時(shí)間；第2項(xiàng)為第x次校核未通過且第2次連續(xù)x-1次檢測通過時(shí)第x次校核一次通過的概率時(shí)間，依次類推。

第1次校核通過的平均時(shí)間為

代入式(4)中有

(7)

當(dāng)x=V時(shí)，TV即幀同步碼組在幀同步器中通過校核的平均時(shí)間。

結(jié)合2.2節(jié)中對(duì)搜索時(shí)間的計(jì)算結(jié)果，得到平均正確入鎖時(shí)間ATCL0為

(8)

式(8)中等式右邊第1項(xiàng)為搜索和校核均一次通過的概率時(shí)間，第2項(xiàng)為校核態(tài)第一次校核錯(cuò)誤、重新返回搜索態(tài)并通過再次搜索和校核的概率時(shí)間，依次類推，最后一項(xiàng)為校核態(tài)第V次校核錯(cuò)誤、重新返回搜索態(tài)并通過再次搜索和校核的概率時(shí)間。式(8)為幀同步碼組在搜索態(tài)、校核態(tài)經(jīng)過各類路徑入鎖的總平均時(shí)間。

2.4 幀同步器正確入鎖時(shí)間推導(dǎo)

上一節(jié)推導(dǎo)得出的ATCL0可以衡量幀同步器在一組參數(shù)下的入鎖性能。下面考慮幀同步器對(duì)幀同步碼組的鎖定態(tài)保持時(shí)間(從入鎖至失鎖的時(shí)間)。由于幀同步器工作時(shí)，入鎖完成前處于失鎖狀態(tài)，因此該時(shí)間可以定義為平均失鎖間隔時(shí)間。

參考隨機(jī)碼組平均解鎖時(shí)間的Toutlock1推導(dǎo)，平均失鎖間隔時(shí)間為

(9)

幀同步器失鎖后轉(zhuǎn)入搜索態(tài)，起始搜索位置距離下一個(gè)同步字N-1位，因此，除首次正確入鎖外，后續(xù)幀同步器再次正確入鎖的平均時(shí)間為

(10)

2.5 數(shù)據(jù)有效率的定義和計(jì)算

文獻(xiàn)[4]中提出了一種數(shù)據(jù)有效率的定義，根據(jù)數(shù)據(jù)在不同狀態(tài)下的分布概率，計(jì)算數(shù)據(jù)有效率。本節(jié)根據(jù)ATCL和平均失鎖間隔時(shí)間，提出一種數(shù)據(jù)有效率的定義和計(jì)算方法。

數(shù)據(jù)有效率含義為進(jìn)入幀同步器的數(shù)據(jù)，被正確送入譯碼器有效處理的比例。如果知道一段時(shí)間內(nèi)花費(fèi)在入鎖狀態(tài)的時(shí)間和有效處理的時(shí)間，自然也就得到了數(shù)據(jù)有效率。而根據(jù)上述計(jì)算，平均失鎖時(shí)間實(shí)際上代表了數(shù)據(jù)被正確送入譯碼器有效處理的時(shí)間，因此數(shù)據(jù)有效率E可以定義為

(11)

因此，在一般應(yīng)用場景中，數(shù)據(jù)有效率通過下面的公式計(jì)算：

(12)

特別地，對(duì)于器地通信時(shí)長較短的場景，需要研究其在一定時(shí)間T0內(nèi)的數(shù)據(jù)有效率，采用下式計(jì)算：

(13)

3 指標(biāo)性能分析與幀同步參數(shù)設(shè)計(jì)方法

根據(jù)上述推導(dǎo)，可以由幀同步碼組誤碼率計(jì)算出一組同步參數(shù)下幀同步器的ATCL和數(shù)據(jù)有效率。下面就兩指標(biāo)對(duì)幀同步器性能的反映特點(diǎn)進(jìn)行分析，提出根據(jù)兩指標(biāo)選擇同步參數(shù)的方法。

一方面，由ATCL計(jì)算中可看出，由于未考慮鎖定態(tài)失鎖情況，且隨機(jī)碼組虛檢并進(jìn)入鎖定態(tài)的概率很小，因此ATCL對(duì)鎖定態(tài)容錯(cuò)位數(shù)c和幀數(shù)L的變化不敏感。

圖2是幀同步碼組誤碼率為6.6×10-2時(shí)選擇的一組同步參數(shù)，固定參數(shù)a、b、V，改變參數(shù)c、L，比較數(shù)據(jù)有效率與ATCL在不同參數(shù)組合下的離均差率(離均差除以均值，用于衡量指標(biāo)對(duì)變量區(qū)別的程度)，橫坐標(biāo)為控制c、L分別在8～0、11～0之間變化形成的不同參數(shù)組合序號(hào)。從圖中可看出，ATCL對(duì)參數(shù)c、L變化的反映明顯不如數(shù)據(jù)有效率敏感。實(shí)際信號(hào)接收過程中，由于載波同步、位同步處理也需要時(shí)間，尤其是低信噪比下耗費(fèi)的時(shí)間較長，幀同步失鎖的時(shí)間成本實(shí)際上比上述計(jì)算的更大，因此單獨(dú)利用ATCL不能全面反映幀同步器性能。

圖2 兩指標(biāo)對(duì)鎖定容錯(cuò)c、鎖定幀數(shù)L變化的離均差率(a=4,b=8,V=1,c=8～0,L=11～0)

另一方面，數(shù)據(jù)有效率由于考慮了鎖定態(tài)情況，對(duì)幀同步器性能的衡量相對(duì)更全面。圖3是固定搜索態(tài)和校核態(tài)參數(shù)條件下數(shù)據(jù)有效率與鎖定態(tài)容錯(cuò)位數(shù)和幀數(shù)的關(guān)系，可見平均失鎖時(shí)間越長，數(shù)據(jù)有效率值越大，且隨鎖定容錯(cuò)c和幀數(shù)L變大單調(diào)收斂于1。因此，數(shù)據(jù)有效率雖然能夠?qū)θ繀?shù)均有所區(qū)別，但在已經(jīng)接近1的情況下，再取更大的鎖定容錯(cuò)和鎖定幀數(shù)擇優(yōu)意義不大。

圖3 數(shù)據(jù)有效率隨鎖定態(tài)容錯(cuò)位數(shù)和幀數(shù)變化(Pe=6.60×10-2,a=4,b=8,V=1)

根據(jù)以上分析，在一定幀同步碼組誤碼率下，提出由ATCL和數(shù)據(jù)有效率設(shè)計(jì)幀同步參數(shù)的方法。

(1)對(duì)一般場景(T取無窮時(shí))，選定數(shù)據(jù)有效率閾值(例如，指標(biāo)>0.999 9)，在數(shù)據(jù)有效率均小于閾值時(shí)，直接以使數(shù)據(jù)有效率最大的幀同步參數(shù)為優(yōu)選參數(shù)；當(dāng)有多組參數(shù)的數(shù)據(jù)有效率大于閾值時(shí)，在這些參數(shù)組合中，再以ATCL最短為準(zhǔn)則優(yōu)選參數(shù)。

(2)對(duì)器地短時(shí)長通信場景(T取固定時(shí)間)，以使數(shù)據(jù)有效率最大的幀同步參數(shù)為優(yōu)選參數(shù)。

4 首次火星探測任務(wù)典型條件與幀同步參數(shù)設(shè)計(jì)

4.1 任務(wù)條件

首次火星探測任務(wù)是典型的深空測控場景，測控鏈路信噪比極低，數(shù)據(jù)幀采用高增益信道編碼[8]，保證了數(shù)據(jù)區(qū)傳輸質(zhì)量，但同時(shí)由于幀同步碼組未完全參與信道編碼，造成幀同步碼組誤碼率遠(yuǎn)高于數(shù)據(jù)區(qū)。以遙測副載波BPSK調(diào)制、某一信道傳輸碼率為例，不同編碼方式下幀同步碼組誤碼率隨鏈路信噪比S/N0變化曲線如圖4所示，其中考慮了解調(diào)損失。

圖4 不同信噪比和編碼方式下幀同步碼組誤碼率

4.2 不同鏈路信噪比下的幀同步參數(shù)設(shè)計(jì)

下面就上述鏈路條件進(jìn)行作幀同步參數(shù)設(shè)計(jì)。幀同步參數(shù)設(shè)計(jì)的取值范圍為搜索、校核、鎖定容錯(cuò)0～15位，校核、鎖定幀數(shù)1～8幀。

表1是根據(jù)第3節(jié)幀同步參數(shù)設(shè)計(jì)方法得到的部分鏈路信噪比下的優(yōu)選參數(shù)。表2是在與表1相同條件下，以近火捕獲30 min內(nèi)信號(hào)接收時(shí)長(約15幀)為背景設(shè)計(jì)的優(yōu)選幀同步參數(shù)。

表1 不同鏈路信噪比下優(yōu)選幀同步參數(shù)(LDPC編碼)

表2 短接收時(shí)段優(yōu)選幀同步參數(shù)(RS與卷積級(jí)聯(lián)編碼)

上述結(jié)果經(jīng)過碼速率關(guān)系推導(dǎo)，參數(shù)可以適用于任務(wù)過程中各檔位碼速率遙測場景。

4.3 任務(wù)實(shí)踐中參數(shù)設(shè)置的討論

表1和表2所示參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果應(yīng)用在實(shí)際任務(wù)中時(shí)，還需考慮兩點(diǎn)需求：一是深空測控設(shè)備在任務(wù)過程中狀態(tài)切換多，同一跟蹤弧段內(nèi)應(yīng)當(dāng)盡量避免因小范圍信噪比變化而切換幀同步參數(shù)；二是實(shí)際信號(hào)接收過程中，鏈路信噪比估算、測量都存在誤差，準(zhǔn)確得到幀頭誤碼率Pe比較困難,且測控鏈路受到空間輻射的瞬時(shí)干擾可能造成瞬時(shí)誤碼率跳變。因此，應(yīng)當(dāng)選取2～3套參數(shù)，以適應(yīng)一定鏈路條件范圍的任務(wù)場景，并防止因鏈路抖動(dòng)而敏感失鎖。

依據(jù)上述分析，在表1、表2參數(shù)的基礎(chǔ)上，選取一定范圍內(nèi)性能較好的同步參數(shù)，避免鎖定幀數(shù)小于2幀的設(shè)計(jì)以保證幀同步器對(duì)鏈路不穩(wěn)定的魯棒性。表3和表4是根據(jù)上述原則給出的幀同步參數(shù)設(shè)置建議。

表3 幀同步參數(shù)設(shè)置建議(LDPC編碼)

表4 幀同步參數(shù)設(shè)置建議(RS與卷積級(jí)聯(lián)編碼)

4.4 實(shí)際應(yīng)用效果

以RS與卷積級(jí)聯(lián)編碼為例，對(duì)我國深空站地面設(shè)備在接收火星環(huán)繞器較低信噪比遙測的幀同步時(shí)間進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表5。

表5 火星任務(wù)中深空測控設(shè)備實(shí)際幀同步時(shí)間

任務(wù)中，地面深空設(shè)備采用4.3節(jié)所示的參數(shù)設(shè)計(jì)，實(shí)際幀同步時(shí)間平均值為1.72幀，與理論最優(yōu)時(shí)間接近，幀同步入鎖后未出現(xiàn)過異常失鎖，可以驗(yàn)證幀同步參數(shù)設(shè)計(jì)方法合理有效。

5 結(jié) 論

本文根據(jù)深空測控系統(tǒng)實(shí)際幀同步器結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)了平均正確入鎖時(shí)間解析式。通過分析，平均正確入鎖時(shí)間對(duì)幀同步器鎖定態(tài)容錯(cuò)c和鎖定幀數(shù)L的變化不敏感。結(jié)合平均失鎖間隔時(shí)間計(jì)算數(shù)據(jù)有效率，兩個(gè)指標(biāo)結(jié)合可以更好表現(xiàn)幀同步器性能，設(shè)計(jì)合理的幀同步參數(shù)。

本文針對(duì)首次火星探測任務(wù)的鏈路條件和信道編碼，設(shè)計(jì)了不同場景的幀同步參數(shù)，并針對(duì)探測器變軌機(jī)動(dòng)、EDL等工作期設(shè)計(jì)了適應(yīng)短時(shí)間數(shù)據(jù)接收要求的參數(shù)。相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)在我國深空測控站得到應(yīng)用，幀同步入鎖時(shí)間平均值為1.72幀，入鎖后未出現(xiàn)過異常失鎖，表明參數(shù)合理、方法有效。

幀同步參數(shù)效果與幀同步碼組誤碼率有直接關(guān)系。對(duì)于深空測控通信等采用高增益信道編碼的系統(tǒng)，對(duì)信道損失和傳輸質(zhì)量估計(jì)的準(zhǔn)確性非常重要，而這一狀態(tài)是連續(xù)變化的。若可以實(shí)時(shí)估計(jì)信道情況，動(dòng)態(tài)調(diào)整幀同步器參數(shù)，可能會(huì)有效增強(qiáng)幀同步器對(duì)不同場景的適應(yīng)性，從而提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)的能力。