高動態擴頻測控信號快速捕獲技術研究

秦奮 魏文超 李廣才 王盛

摘要：本文論述了衛星高動態擴頻測控信號快速捕獲的基帶處理算法和具體實現，針對星載測控應答機高動態、弱信號和抗干擾的任務特點，重點討論了捕獲技術參數和快速捕獲算法處理流程，并在算法中設計了抗多址干擾處理，通過兩級門限判決解決誤捕問題，提高測控應答機在軌工作的可靠性和抗干擾性能，對我國衛星測控通信技術具有積極意義。

關鍵詞：高動態 擴頻 快速捕獲 抗干擾

中圖分類號：TN91 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）07-0028-02

1 前言

在我國研制的衛星型號中，星載測控應答機承擔著衛星測控系統星上部分的重要業務功能，完成包括衛星遙控、遙測、測距、測速等具體任務。近年來，非相干擴頻測控技術在測量精度、抗干擾、抗截獲方面具有突出的技術優勢，獲得了廣泛軍事應用[1][2][3]。

測控上行鏈路，地面站向衛星發送經偽碼擴頻調制的遙控信號和測距信號，應答機接收到遙控信號和測距信號后，完成解調、解擴，獲得上行遙控、測距和測速等信息，并將遙控信息輸出。測控下行鏈路工作中，擴頻應答機將解調、解擴得到測距、測速信息按規定的格式完成下行測量信息組幀，與下行遙測信號分別經過擴頻，通過載波調制向地面發送下行測控信號。

星上非相干擴頻測控算法，需要重點解決衛星高動態、信號微弱、抗干擾的技術難題[4][5]，本文分析了衛星高動態擴頻測控信號快速捕獲技術，對能夠解決高動態、弱信號以及抗干擾的一種星用擴頻測控快速捕獲算法和實現過程進行了技術研究，并在某衛星工程上實現了該算法。

2 信號處理過程與捕獲參數

星載擴頻測控應答機，由射頻模塊、基帶信號處理機和二次電源部套組成。來自地面測控站的多路擴頻測控信號到達擴頻應答機后，進入射頻模塊，在射頻模塊中依次經過低噪聲放大器、射頻混頻器和濾波器，將信號變頻到中頻后通過自動增益控制AGC（Auto Gain Control）輸出中頻模擬信號給基帶信號處理機。基帶信號處理機的A/D采集器，將中頻模擬信號轉換為中頻數字信號，接著進行信號處理。

基帶信號處理機的信號處理，由信號快捕單元和擴頻碼-載波跟蹤單元兩部分組成。中頻數字信號，經過數字下變頻處理，進行擴頻碼-載波二維快速捕獲，將擴頻碼相位和載波頻率信息傳遞給粗捕后估計單元，完成載波頻率的估計后，提供擴頻碼相位和估計后載波頻率信息給擴頻碼-載波跟蹤環路，待穩定跟蹤上各通道擴頻信號，從中連續、穩定解調出基帶信息，建立星地測控通信鏈路[6]。表1為捕獲特性參數表，表2為捕獲主要技術指標。

由于衛星測控通信鏈路的特殊性，在衛星高動態情況下，本文針對微弱擴頻測控信號進行多通道擴頻碼-載波快速捕獲算法研究，一方面要進行擴頻碼-載波二維搜索，在捕獲時間指標要求內，快速搜索到信號的載波頻率和擴頻碼相位，另一方面，需要克服通道間的多址干擾，防止發生誤捕獲[7][8]。

3 基于FFT的快速捕獲算法及抗多址干擾設計

非相干擴頻測控信號，具有高動態、偽碼速率高、擴頻碼-載波二維搜索、頻域搜索范圍大等特點，常規的信號捕獲方法如串行搜索捕獲法等往往捕獲時間較長，難以實現在要求的捕獲時間內搜索到信號。隨著Virtex2系列、Vertex4系列等宇航級百萬門可編程邏輯器件的出現，基于FFT技術快速捕獲算法具備了航天工程實現的基礎。

本文提出的基于FFT快速捕獲算法，是一種擴頻碼并行-載波串行捕獲算法。算法的核心思想，是利用FFT技術實現接收信號和本地信號相關運算。一次擴頻碼并行-載波串行捕獲過程，在一個載波頻率上并行搜索所有擴頻碼相位的相關值，選取最大值進行門限判決，如果通過門限判決，認定為信號；否則，以一定頻率增量搜索剩余的載波頻點，直至遍歷所有載波頻率范圍。同時，該快捕算法在門限檢測判決模塊中加入兩級門限作為抗多址干擾的手段，從而可以克服多址干擾造成的捕獲虛警。（圖1）

擴頻碼并行-載波串行快速捕獲方法，設置有下變頻子模塊、內插抽取子模塊、快速傅里葉變換（FFT，Fast Fourier Transform）子模塊、本地偽碼子模塊、本地偽碼FFT共軛子模塊、復乘子模塊、快速傅里葉逆變換（IFFT，Fast Fourier Transform）子模塊、模方選大子模塊、抗多址干擾的檢測判決子模塊和接口模塊。

抗多址干擾的快速捕獲過程包括兩級門限檢測過程，峰均比和主次峰值比兩者均大于各自預設門限時，判定為捕獲到信號；當滿足第一級門限而未滿足第二級門限時，則認定發生了多址干擾，發生誤捕，進行重捕過程。當未滿足第一級門限時，則認定信號未在該搜索單元頻率范圍內；重新設置新的本地載波頻率，重復上述過程，直至所有本地載波頻率范圍依次搜索完成。

4 結語

相對于傳統信號捕獲方法，本文研究的基于FFT快速捕獲算法，具有更快的捕獲速度，并適用于衛星在軌接收信號微弱的應用場景，能夠滿足衛星測控的高動態、高靈敏度接收的任務要求。算法中加入了抗多址干擾的處理，通過峰均比和主次峰值比的兩級門限判決，解決了誤捕問題。

本文研究的衛星高動態擴頻測控信號快速捕獲算法，已經成功應用于某衛星型號擴頻應答機，經歷了衛星產品研制全過程考核以及在軌三年任務考核。目前，該產品在軌工作功能、性能指標正常，實現了快速響應、高動態、高靈敏度接收解調、抗干擾的任務要求，驗證了該算法在航天測控通信應用的可行性和有效性。

參考文獻

[1]劉嘉興.飛行器測控通信工程[M].北京：國防工業出版社，2010.

[2]何世彪，譚曉衡.擴頻技術及其實現[M].北京：電子工業出版社，2007.

[3]朱永松，張海勇.直接序列擴頻通信及其軍事應用研究[J].艦船科學技術，2005.

[4]李玉紅，寇艷紅，張其善.微弱GPS信號捕獲算法研究[J] .遙測遙控，2005.

[5]徐穎，王菊，吳嗣亮.一種衛星擴頻信號的捕獲新算法[J].北京理工大學學報，2008.

[6]胡建波，楊莘元，盧滿宏.一種基于FFT的高動態擴頻信號的快速捕獲方法[J].遙測遙控，2004.

[7]方傳順.直接擴頻通信系統的抗干擾性能分析[J].現代通信技術，2005.

[8]吳明捷，謝祖榮，徐麗潔.擴頻系統抗干擾性能分析[J].遼寧工程技術大學學報，2001.