無人飛行器擴頻角跟蹤技術研究與應用

趙呈哲，何源潔

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

直接序列擴頻系統可以工作在負信噪比下，信號淹沒在噪聲中，因此具有很高的隱蔽性、抗干擾性、抗多徑和抗截獲的能力，在無人飛行器測控系統中得到廣泛應用。單通道單脈沖角跟蹤技術因其技術優點，同樣廣泛應用于飛行器測控領域。如何直接利用當前的擴頻技術和跟蹤技術，在不降低系統指標的前提下，實現對角度誤差信號的提取，準確、及時地完成對飛行目標的測角跟蹤，是無人飛行器測控系統需要解決的一個問題。

1 擴頻角跟蹤系統組成

對于單通道單脈沖跟蹤體制，地面多喇叭定向天線和差網絡輸出一對方位、俯仰誤差信號和和信號。射頻誤差信號和地面跟蹤接收機輸出的一對正交低頻方波信號在地面站信道雙工器內，完成0/π調制，然后與和信號耦合，再經過下變頻，送給地面跟蹤接收機，進行角誤差的解算［1］。

地面跟蹤接收機首先需要完成對偽隨機碼的解擴，之后是方位、俯仰角誤差信號的同步解調，最后將解算出的數字角誤差組幀，輸出給伺服系統，實現對飛行器的跟蹤測角，從而保證測控鏈路的暢通。擴頻角跟蹤系統組成框圖如圖1所示。

圖1 擴頻角跟蹤系統組成

2 原理分析

在單通道擴頻跟蹤接收通道中，和路信號表示為［2］:

式中，V∑為和路信號強度;ωc為載波角頻率;φ0為信號初相;n∑為和路的噪聲分量;c(t)為擴頻偽隨機碼序列;m(t)為調制數據。

誤差信號表示為:

式中，VA、VE分別為對V∑的歸一化方位、俯仰角誤差電壓;nA、nE分別為方位、俯仰支路的噪聲分量。

2路差信號經過0/π調制，與和信號耦合，形成單通道的復合信號:

復合信號經低噪聲放大、下變頻和放大濾波后，信號的中心頻率變為ω0，噪聲為窄帶高斯噪聲，信號表達式如下:

式中，D(t)和D(t+90°)為正交的低頻方波信號;nc(t)、ns(t)為帶限白高斯噪聲的同相和正交分量，雙邊功率譜密度為n0/2。

然后進入相關解擴單元，解擴后變為:

經載波跟蹤后I支路輸出信號為:

由于低頻方波信號，頻率一般為1 kHz左右，遠低于數據速率，因此，角誤差信息仍然保留在解擴后的信號中。將解調后的遙測基帶信號m(t)與跟蹤后的I支路信號再相乘，去掉數據得到:

再分別與本地D(t)、D(t+90°)同步處理，經低通濾波后得:

利用信號能量歸一化得:

式中，PAO、PEO即為跟蹤系統的角誤差信號。

3 解決方案

3.1 擴頻角跟蹤系統問題分析

考慮無人飛行器測控系統角跟蹤的應用條件，地面跟蹤天線首先需要對目標進行搜索，捕獲到飛行器的無線電遙測信號，同時地面跟蹤接收機解算出角誤差，輸出給伺服設備，然后才能切換到無線電的自跟蹤狀態，實現地面跟蹤天線對飛行器的閉環跟蹤。

這種特殊的應用環境，對于擴頻角跟蹤系統，就需要地面跟蹤接收機在天線主波束掃過飛行器的極短時間內，完成對偽碼的捕獲、跟蹤并解算出角度誤差電壓，實現無線電跟蹤環路的閉環跟蹤。因此，地面跟蹤接收機需要對擴頻信號實現快速捕獲和解擴。

對于較短偽隨機碼的擴頻角跟蹤系統，傳統的偽碼相位滑動解擴所需的時間也不長，可以滿足跟蹤系統對地面跟蹤接收機的時延要求［3］。然而，隨著擴頻角跟蹤系統中長偽隨機碼的選用，使得滑動相關解擴需要的時間變長。因此，對于擴頻角跟蹤系統，偽碼的捕獲、跟蹤處理應當考慮其他的方式。

下面給出應用實例。信息傳輸速率20.48 kbps;信號形式:BPSK;偽隨機碼:256位平衡GOLD碼;偽碼速率:5.242 88 Mcps。地面跟蹤天線采用工程中常用的C波段車載1.8 m余割平方賦形天線。天線波束3°，伺服機構的最大轉動角速度為50°/s。地面跟蹤天線掃過半個波束時需要的最短時間為:

通常，地面跟蹤天線應該在掃過飛行目標的半個波束內完成閉環跟蹤，因此，地面跟蹤接收機輸出數字角誤差幀的時延必須小于0.03 s。考慮到跟蹤接收機誤差信號的解算同樣也需要一定的時間，就需要對擴頻信號實現快速解擴。

對于解擴系統，為了使得系統能夠在信噪比較低的情況下完成對擴頻信號的解擴，在解擴程序部分，中頻能量累積之后增加了多倍的視頻累積，進行信號的搜索、捕獲判決，以提高解擴的靈敏度。均衡考慮性能的提升和硬件資源的消耗，選取8倍視頻能量累積。

傳統的解擴系統采用偽碼滑動捕獲的設計方法，如圖2所示。通過調整偽碼發生器，遍歷偽碼的所有相位，從而實現對擴頻信號的捕獲［4］。

對于傳統的偽碼滑動解擴，解擴的時延主要在偽碼的搜索階段，以搜索一個偽碼周期，8倍視頻累計為例，完成解擴所需要的時間可以近似為:

從時間上看，不考慮誤差電壓的解算，僅僅完成解擴所需要的時間0.1 s，已經遠大于地面跟蹤天線掃過半個波束所需要的時間0.03 s。這樣，就會發生地面跟蹤天線搜索到飛行器時，誤差電壓確還沒有正常輸出，從而丟失目標。因此，需要重新考慮解擴的信號處理方式，以降低解擴部分的處理時延。

圖2 偽碼串行搜索捕獲原理

3.2 快速解擴方案

考慮解擴部分的時延主要在偽碼的搜索階段，為了降低該處的時延，同時考慮硬件資源的消耗，選取偽碼相位部分并行搜索的方式。偽碼相位部分并行搜索捕獲原理如圖3所示。

圖3 偽碼部分并行搜索捕獲原理

例如，采用8路相位并行搜索的方式，8個支路的相位分別為 PN0、PN1、…、PN7;PN8、PN9、…、PN15;…;PN248、PN249、…、PN255。偽碼時鐘每調整一次，地面跟蹤接收機可以同時完成8個支路偽碼相位的并行處理，因此，搜索階段所占用的時間為相位串行滑動的1/8。完成解擴處理所需要的時間可以近似為256/20 480=0.012 5 s。因此平均解擴時間約為0.012 5 s。

3.3 角誤差解算

對解擴后的信號進行角誤差電壓的解算如圖4所示。解擴后的對準支路I(k)和Q(k)數據，先進行相關運算，消除掉數據和頻偏對誤差電壓的影響，然后積分抽取，對能量歸一化，濾波，除去低頻方波，最后再濾波，解算出角度誤差電壓U(e)［5］。

誤差電壓解算程序，除了最后一級的n級FIR濾波器，其他的處理的時鐘都在幾十kHz，故誤差電壓解算的處理時延都集中到最后一級低通濾波器［6］。通常這一級低通濾波器的處理時鐘為10 kHz，n一般選取64，故誤差電壓解算的處理延時約為:

整個擴頻角跟蹤接收機誤差電壓解算的時延為:

小于0.03 s的地面跟蹤天線掃過半個波束需要的最短時間。

圖4 角誤差電壓解算

4 結束語

通過在不同信噪比下對地面跟蹤接收機解擴鎖定時間的觀察可以看出，采用偽碼相位部分并行搜索，使得解擴鎖定的時間與傳統滑動解擴相比有了顯著降低，而同時解擴的靈敏度沒有受到影響。目前，單通道單脈沖擴頻角跟蹤系統已經成功地應用于多個工程中。在外場飛行過程中，角跟蹤系統表現良好，性能穩定、可靠。

［1］李瑞榜.擴頻信號跟蹤測角技術研究［J］.無線電工程，2004，34(1):31 －32.

［2］王麗韞，文運豐.直擴信號跟蹤測角技術研究［J］.無線電工程，2005，35(5):36 －38.

［3］耿 炎.基于直擴頻技術的角跟蹤設計與實現［J］.無線電工程，2008，38(10):47 －49.

［4］查光明，熊賢祚.擴頻通信［M］.西安:西安電子科技大學出版社，1990.

［5］李瑞榜.地空高速數據鏈跟蹤測角技術研究［J］.無線電工程，2005，35(2):23 －25.

［6］丁玉美，高西全.數字信號處理［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2001.