擴頻測控信號抗干擾性能評價方法研究

孟生云,楊文革

(裝備學院測控工程研究中心,北京 101416)

擴頻測控信號抗干擾性能評價方法研究

孟生云,楊文革

(裝備學院測控工程研究中心,北京 101416)

在分析有源干擾機理和擴頻測控信號處理原理的基礎上,提出以基于模糊圖的有效面積和一定高度下切割面積評價擴頻測控信號固有抗干擾性能的方法。模糊圖的有效面積和切割面積越小,則擴頻測控信號的固有抗干擾性能越強。仿真示例表明,所提面積指標均可有效反映信號固有抗干擾性能。該方法具有可計算性,可為擴頻測控信號的抗干擾性能評價提供方法依據。

測控系統;擴頻信號;固有抗干擾性能;模糊函數

1 引 言

空間電子對抗理論與技術的不斷發展要求空間信息平臺的測控系統應具備較強抗干擾能力。抗干擾測控系統的研究與開發已成為我國測控界關注的重點之一,如已走向實用的直擴統一測控系統,以及近年來提出的抗干擾測控體制如基于混沌擴頻技術[1]、基于直擴/跳頻混擴技術[2]、基于多載波技術[3]等。

對擴頻測控系統的抗干擾性能分析主要集中于分析系統的信息傳輸功能的抗干擾性能[4],未見文獻從信號自身特征的角度考察擴頻測控信號抗干擾性能。文獻[5]從模糊函數的角度提出了引信的固有抗干擾性能評價方法。受其啟發,本文從信號自身特性出發,研究了擴頻測控信號固有抗干擾性能的評價問題。

模糊函數[6]反映了信號在時延-多普勒頻移二維聯合域中的分辨情況。擴頻測控系統完成信息傳輸及測量任務的基礎均是基于信號相關處理理論。本文以信號模糊分辨特性為紐帶,建立了基于模糊圖有效面積和切割面積的信號固有抗干擾性能評價指標,給出了仿真實例,分析說明指標的客觀合理性。

2 有源干擾機理及模型

航天測控系統通常采用連續波體制,其發射信號為周期信號,但在接收處理過程中是以單周期或整周期的時間長度信號為對象,因此接收處理信號可歸屬為有限時間信號。

設有限時間信號x(t,·)的集合記為S(TD),可表示為

式中,TD為信號持續時間,α為信號的n維的獨立特征參量,A為包括信號時間、頻率和空域的獨立特征參量的完備矢量集合。

式中,δi為信號特征參量α′i不分辨距離的度量,區域V為接收信號x(t,α′)在特征參量空間 Χ中的不分辨區域,即接收方不能分辨落在區域內的兩個參量 α′1、α′2。

若干擾的參量也落在不分辨區域內,則接收方將分辨不了該干擾信號,則對參量 α′的分辨形成了有效干擾,故不分辨域 V也稱為干擾有效區域。于是有效干擾條件是干擾的特征參量αJ需要落在接收信號特征參量空間Χ的干擾有效區域V內。

式中,δ為干擾有效區間距離度量的矢量形式?？梢娋嚯x測度 δ越大即干擾有效區域越大,干擾特征參量越容易進入區域 V,信號就越容易受到干擾,則信號的固有抗干擾性能越弱。圖1給出特征參量為二維時的干擾有效區域示意圖。干擾aJ(τ′,η′)落在 V外,干擾與信號能分開,干擾aJ(τ,η)落在有效干擾區域V內,干擾與信號不能分開則干擾有效。

圖1 干擾有效區域示意圖Fig.1 Effective jamming domain

3 擴頻測控信號固有抗干擾性能評價指標

3.1 擴頻測控信號處理原理

統一擴頻測控系統利用一路載波、一副天線完成對航天器的跟蹤測量、遙控遙測和數傳的打包傳輸等任務。在測控系統完成系統捕獲基礎上,包括天線伺服系統完成角捕獲、星上應答機鎖定上行信號、地面跟蹤接收機鎖定下行信號等,地面測控站通過上行信道發送遙控測距信號,星上應答機利用擴頻序列良好的相關特性,完成對上行信號的高精度跟蹤、解擴解調及時延和多普勒提取,解調出的遙控信息送給執行單元,并將時延多普勒、遙測數傳信息通過下行信道轉發給地面測控站,地面測控站從下行信號中提取時延和多普勒頻移,從而解算出地面站與航天器間的距離和相對速度,同時解調出遙測和數傳信息,實時監控航天器自身及運行的狀態。

擴頻測控系統實現測距測速和遙測遙控等任務均是以信號相關處理為基礎,利用了擴頻序列良好的二維相關特性。測控系統關注的參量為收發信號間的相對時延和多普勒,故測控信號的特征參量限定為時延和多普勒兩維。模糊函數反映了發射信號與帶有時延和多普勒頻移副本信號間的相關關系,可用于分析信號在時延維和頻率維的模糊特性及分辨特性?；诟蓴_機理的認知,模糊函數在時延-多普勒的主瓣越尖銳,干擾特征參量越難落在主瓣中,此時表明信號特征參量空間避開干擾特征參量的能力越強,則擴頻測控信號固有抗干擾性能越好。

3.2 固有抗干擾性能評價指標

式(4)中度量δ是對干擾有效區域各維度距離的度量,不適用于對時延-多普勒聯合區域評價。為了便于衡量時延-多普勒聯合域的分辨能力或尖銳程度,需要建立能反映干擾有效區域V面積的指標,指標應該遵從聯合分辨越好或者模糊圖越尖銳指標值越低的原則。本節給出兩個衡量信號固有抗干擾性能指標,即模糊圖的有效面積和一定高度下的切割面積,兩者均在不考慮干擾類型的情況下,從信號自身特性出發,評價信號固有抗干擾能力。

(1)模糊圖有效面積

定義干擾有效區域面積為對模糊函數進行一定操作后的二維積分,故也稱模糊圖有效面積:

式中,A(τ,η)為信號單周期模糊函數的模方,即

式中,＊為復數共軛運算,TD為信號周期,τ為時延,η為多普勒頻移。

根據模糊函數的體積不變性,并進行歸一化得

在式(7)的約束下,當模糊函數在有限域內均勻分布時即對于離散情況取值1/NM,模糊圖有效面積達最大值(MN)q-1(Δτ Δη)q,其中 N 、M 、Δτ、Δη分別為時延和多普勒的采樣點數和采樣間隔;而當模糊函數為沖激函數時,有效面積為最小值(Δτ Δη)q;模糊函數在 N1≤N 離散點上均勻分布時的有效面積大于同點數的其他模糊函數的有效面積,且要比在N2≤N1點上均勻分布時的指標值大,兩個的比值為(N1/N2)q-1。由此可知,模糊圖有效面積確實反映了模糊函數值的集中程度,面積越小,模糊圖越尖銳。

信號模糊函數中存在較小的值,可發現當q取大數值時,這些較小的模糊函數值對有效面積的貢獻不可忽略,但在計算過程中由于積分域的局限性,往往會忽略掉較小的值而使得有效面積有偏真實。為了提高計算的魯棒性,q的值不宜取大,取2或4。

(2)模糊圖切割面積

模糊圖在一定高度下的切割面積為[5]

在一定高度下切割模糊圖形成的區域作為有效干擾區域,也符合聯合分辨越好或者模糊圖越尖銳指標值越低的原則。該度量指標與高度h有關,而高度與信號體制及接收機的信號處理方法和抗干擾措施有關。

3.3 與擴頻增益的關系

擴頻增益G定義為擴頻信號經過相關器前后信噪比的比值。在白噪聲環境中,擴頻增益為信號帶寬Bc與信息帶寬Bb之比。經過相關處理,擴頻信號在時間上得到壓縮并產生相關峰進而提高輸出信噪比。從信號模糊函數理論知,信號的時延分辨率δτ與信號帶寬近似呈反比關系,于是GBb=Bc≈1/δτ,則擴頻增益實際上是對信號在時延維度上的分辨能力的度量。不考慮多普勒維,模糊圖有效面積和切割面積的一維表示為

式中,Rc(τ)為時延相關函數。式(9)表明,有效面積和切割面積在時間維度上的表示,也衡量了信號對時延的分辨情況,因此,擴頻增益是有效面積和切割面積退化為時間維上的表示,而有效面積和切割面積是擴頻增益向時延-多普勒頻移的二維擴展形式。

4 仿真與分析

不同碼長和碼速率下,有效面積和切割面積曲線如圖3所示,(a)、(b)中碼長為2p-1,p取4～11,碼速率1 Mchip/s,(c)、(d)中碼率為1～10 Mchip/s。由圖3可知,模糊圖有效面積及切割面積基本是隨著碼長增加而減小,即碼長越長,信號固有抗干擾性能越好。信號帶寬保持恒定,信號在時延維中的分辨寬度不變,但隨著碼長的增加,在多普勒頻移維的分辨寬帶減少,有效干擾區域減少。值得注意的是在碼長小于63時有效面積取值趨勢反向,其原因是模糊圖能量太分散而致使數值計算中漏掉很多有用值,故其不適合評價模糊函數值分布偏分散的信號;而當碼長較長時,切割面積變化不明顯,故其較難區別對比具有良好分辨性能的信號,因此兩者對評價信號固有抗干擾性能具有互補特性。從(c)、(d)中可見,有效面積和切割面積幾乎不隨碼速率的變化而變化。信號帶寬隨碼率增加而增加,但信號時長在縮短,其時延-多普勒聯合分辨能力不變,信號固有抗干擾性能不變。

圖3 有效面積、切割面積與碼長、碼率的關系Fig.3 Effective and incision areas vs chirp lengths and rates

圖4給出了碼長為31和255、碼速率為1 MHz的直擴信號模糊圖及-3 dB切割圖,可直觀地表現模糊圖有效面積及切割面積隨碼長的變化情況。

圖4 信號模糊圖及切割面示意圖Fig.4 Ambiguity plots and incision areas

5 結 論

通過對有源干擾的機理分析和擴頻測控信號基于相關理論的處理過程的闡述,建立了模糊函數與信號固有抗干擾性能的聯系,采用模糊圖有效面積及其在一定切割高度下切割面積來度量信號固有抗干擾性能,并指出所提指標實際上是擴頻增益向時延-多普勒頻移聯合域的二維拓展。仿真分析結果表明,模糊圖的有效面積和切割面積均可有效反映擴頻測控信號固有抗干擾性能,而由于數值計算的近似作用,有效面積不適合評價模糊函數值分布偏分散的信號,而切割面積則較難區分具有良好分辨性能的信號,故兩者具有互補特性。該方法既適用于擴頻測控信號的評價,也適用于雷達信號、通信信號和引信等。

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MENG Sheng-yun was born in Maanshan,Anhui Province,in 1983.He is currently working toward the Ph.D.degree.His research interests include TT&C and interference suppression.

Emial:msy-ttc@163.com

楊文革(1966—),男,江西金溪人,教授、博士生導師,主要研究方向為航天器測量與控制、信號處理。

YANG Wen-ge was born in Jinxi,Jiangxi Province,in 1966.He is now a professor and also the Ph.D.supervisor.His research interests include TT&C and signal processing.

Research on Anti-jamming Capability Evaluation Method for Spread Spectrum TT&C Signals

MENG Sheng-yun,YANG Wen-ge
(TT&C Research Center,Equipment Academy,Beijing 101416,China)

Based on the analysis of active jamming mechanism and spread spectrum Tracking Telemetry and Command(SS TT&C)signals processing principle,a method using the ambiguity plots effective areas and the incision areas at a certain level to evaluate inherent anti-jamming capability of SS TT&C signalsis put forward.The smaller the computed areas become,the stronger the anti-jamming performance gets.Simulation results show that the proposed metrics are effective to assess signals anti-jamming performance.The methodology is computable,which provides reference for signals anti-jamming capability evaluation.

TT&C system;spread spectrum signal;inherent anti-jamming capability;ambiguity function

TN974

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.010

1001-893X(2012)06-0883-05

2011-10-31;

2012-04-09

孟生云(1983—),男,安徽馬鞍山人,博士研究生,主要研究方向為航天器測量與控制、干擾抑制;