再生偽碼測距技術研究綜述

彭保童，馬 宏

(中國人民解放軍裝備學院， 北京 101416)

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【信息科學與控制工程】

再生偽碼測距技術研究綜述

彭保童，馬 宏

(中國人民解放軍裝備學院， 北京 101416)

針對深空測距信噪比低，測距精度差等問題，提出了再生偽碼測距的思想；通過對再生偽碼測距的基本原理的分析，介紹了再生偽碼測距的優勢；測距碼方面主要分析了測距復合碼的發展歷程、組合方式，針對權重平衡Tausworthe碼中的T2B以及T4B碼的特點進行了分析，對測距碼的捕獲技術和原理進行了概述；同時，分析了再生偽碼測距的最新研究成果；最后，針對再生偽碼測距中子碼序列捕獲的最大值搜索算法以及測距信號傳輸過程中與遙測遙控的兼容性問題進行了表述，為接下來的研究提供了方向。

再生偽碼測距；測距碼；捕獲

測距技術是深空測控中的一個重要方面，其目的是確定地球和航天器之間的距離，測量的距離在數百萬公里的量級上，具有m級精度[1]。在深空探測過程中采用脈沖測距的方式顯然無法滿足測距需求[2]。目前的深空測距方式主要有連續波測距和偽隨機碼測距兩大類[3]。隨著人類對更遠距離的深空的探測，一些常用測距技術已經無法滿足要求。例如用側音測距，它通過側音實現結模糊度，隨著探測距離的延伸，為了保證足夠的解模糊能力，需要發射的側音數量也會相應增加[4]，造成測距技術繁瑣，因此，側音測距適用于近空探測。再生偽碼測距有效解決了解模糊能力和測距精度問題[5]，本文在目前的研究基礎上，針對再生偽碼測距技術中存在的問題提出了下一步的研究方向。

1 再生偽碼測距技術

在地面深空站，采用相位調制的方式將測距復合碼以線性調制的方式調制到上行鏈路遙控副載波上[6]，在有效帶寬范圍內，為了保證測距信號的碼速率，需對上行信號進行基帶濾波[7]。如圖1所示，當上行信號被目標航天器接收后，位于航天器上的應答機可以實現對上行載波的跟蹤和處理，通過解調獲取測距信號復合碼的速率、相位等信息，在應答機上實現測距偽碼的再生[8]，通過調制將再生測距碼調整到下行鏈路的遙測副載波上[9]。當地面深空站接收到再生偽碼測距信號后，將接收到的測距偽碼與本地偽碼序列進行相關處理，經過計算得到時延值，根據時延值即可得到航天器與地面測控站的距離信息[10]。地面測控站通過對時延的相關處理得到航天器的距離信息。

圖1 再生偽碼測距原理框圖

再生偽碼測距相對于傳統的非再生偽碼測距具有多方面的優勢。首先，再生偽碼測距在低信噪比條件下能夠得到更高的測距精度；其次，再生偽碼測距通過子碼的邏輯組合獲得的周期很長，為所有子碼碼周期的乘積。周期長，測距的無模糊距離也就越大，解模糊能力也就越強[11]。由于測距信號通過調相的方式調制到遙測/遙控載波上，使得效率增高。最后，由于在航天器的應答機實現了測距偽碼的再生，消除了上行信號引入的熱噪聲，提高了下行測距信號的信噪比[12]。

再生偽碼測距具有其他非再生偽碼測距的優點：

1) 由于再生了信號，不存在因為測距通道的前端濾波器濾掉信號高次諧波引起信號質量下降的問題；

2) 由于再生測距碼跟蹤的環路帶寬非常小，噪聲大大減少；

3) 根據上行信號強度不同，再生方法最高能將返回到測距設備的測距信號信噪比提高30 dB[13]，這部分增益可以分配到3個方面提高性能，一是測距時間和下行測距信號調制度不變，提高測距精度；二是減少測距信號的調制度，從而增加遙測信號的功率；三是提高捕獲概率，減小捕獲時間，從而減少測距時間[14]。

2 測距碼分析

2.1 測距碼

NASA在Apollo登月初期論證階段提出的測距PN碼為單碼結構，很顯然為了保證足夠的解模糊能力，偽碼碼長很長，為了保證測量精度，碼元寬度很窄，當時選取的PN碼碼長是3 305 636和3 402 265[15]。按照該碼長設計的測距系統盡管可以工作，但捕獲時間過長，為此采用復合碼測距技術。

復合碼由多個子碼按照布爾代數運算邏輯構成，復合碼周期為組成復合碼的各子碼周期之積，但復合碼捕獲時間僅為各子碼捕獲時間之和。因此，復合碼測距可以克服單碼測距捕獲時間過長的問題，保證較強的解模糊能力。

1963年R.C.Tisworth在“最佳測距碼”報告中對子碼選擇原則進行了研究。根據R.C.Tisworth研究報告，當子碼周期vi=n(p)t/2=e時，系統獲得最佳捕獲時間[14]。實際上，由于組成復合碼的各子碼必須互質，因此，R.C.Tisworth研究報告中設定的條件無法使系統獲得最佳捕獲時間，系統設計只能在理論與實際之間平衡選擇各個子碼，以使系統捕獲時間接近最佳捕獲時間。在R.C.Tisworth研究報告中，推薦的組成復合碼的各子碼碼長分別為：2，7，11，15，19，23，31，……[16]。最早應用偽碼測距的是美國的NASA深空測控站，服務于Apollo登月任務。按照R.C.Tisworth子碼選擇原則，Apollo登月任務時的測距偽碼采用4個子碼和1個鐘碼組合成復合碼，子碼長度如下：組合邏輯為cl⊕x·(a·b+b·c+a·c)，其中cl為時鐘碼，頻率設置為496 kHz；a，b，c，d分別為4個子碼；復合碼的周期為5.4 s，對應的最大無模糊距離為1.62×107km[17]。

Apollo號執行任務時，遙控數據經復合偽碼擴頻后調制于上行載波，變頻、放大后由地面測控站發送給Apollo飛船，Apollo飛船解擴偽碼信號后，二次調制于下行載波，變頻、放大后向地面發送。地面接收機接收該信號，并對其進行放大、變頻后送解擴接收機。解擴接收機首先對時鐘信號捕獲，然后逐步實現x碼，a碼，b碼和c碼的捕獲，最終實現接收偽碼和本地偽碼的相關[18]。

鑒于復合偽碼測距的優勢，在1973年前后，噴氣推進實驗室(JPL)選取長度為2，7，11，15，19和23的偽隨機碼，如圖2所示，通過新的邏輯組合方式將6個偽隨機碼復合成新的測距碼(JPL99碼)，在接下來的行星以及月球航天器的測距系統中得到應用。其邏輯組合方式：C=C1∪(C2∩C3∩C4∩C5∩C6)[19]。

同時，國際空間系統咨詢委員會(CCSDS)在JPL99碼的基礎上再次對測距碼提出了改進，制定了相應的測距碼標準，采用與JPL99碼相同的偽隨機子碼序列。但是，采用的邏輯組合方式不同。其邏輯組合方式為：C=sign(v×C1+C2-C3-C4+C5-C6)，命名為權重Tausworthe碼。在CCSDS 建議書中，主要采用兩種權重Tausworthe碼，即v=2或v=4兩種方案，分別命名為T2B碼和T4B碼[20]。

圖2 6個子碼序列

2.2 權重T2B/T4B碼

由上節可以得知，v=2或v=4時可以得到兩種權重Tausworthe碼，其邏輯公式分別為：

T2B=sign(2C1+C2-C3-C4+C5-C6)

T4B=sign(4C1+C2-C3-C4+C5-C6)

根據邏輯公式可以清楚的看出，T4B的碼鐘序列的權重是T2B的兩倍，通過仿真比較T2B和T4B的頻譜可以發現，T4B的碼鐘分量的功率更大[21]。

T2B碼相對于T4B碼具有較弱的測距時鐘分量，并且將以測距測量中的較大抖動為代價而具有較快的捕獲時間[22]。T2B碼應該用于捕獲時間是主要關注的測距系統，例如，在預期測距SNR非常低的任務中，采用T2B碼可以在一定的測距精度范圍內實現快速捕獲。

T4B碼相對于T2B碼具有更強的測距時鐘分量，并且以稍長的捕獲時間為代價而具有更高的測距精度。T4B碼應該用于測距精度是主要關注的測距系統，例如用于無線電科學[23]。

3 測距碼捕獲技術分析

通過Tausworthe碼的邏輯公式可以看出，測距碼中包含了1個時鐘碼，存在顯著的碼鐘分量，因此在進行測距碼同步時首先跟蹤解調測距碼中的時鐘分量，實現時鐘碼的同步，即讓接收偽碼的鐘碼和本地偽碼的鐘碼初始相位一致，然后再進行其余子序列的同步，這些功能主要在碼跟蹤環(chiptrackingloop，CTL)中實現[24]。碼跟蹤環完成對接收到的測距碼信號中時鐘碼的捕獲和跟蹤，即實現碼元的初始相位的捕獲[25]。碼跟蹤環輸出的恢復時鐘驅動子碼生成器恢復各子碼序列，接收的碼序列分別與本地生成的6個子碼序列做相關工作，經過多次相位累加，輸出值經過最大值檢測，確定本條子碼最大值對應的相位，然后輸出這6個實時的相位值，即可求出復合碼的相位[26]。

接收到的碼序列與本地子碼序列的相關工作由子碼相關器組來完成，如圖3所示。在航天器的應答機上，再生偽碼測距采用串并行捕獲的方法，即碼間并行捕獲，碼內串行捕獲[27]。因此，航天器上采用6個相關器組并行捕獲。在地面站，由于忽略了體積的限制，采用全并行捕獲的方式，即76個相關器組并行捕獲，因此，地面站相比航天器上的捕獲時間要短得多[28]。

圖3 相關器組

4 子碼捕獲原理

子碼的捕獲成功與否取決于相關器組，相關器組通過將本地生成的偽碼序列與接收到的序列進行互相關處理，由于子碼具有m序列的部分特性，因此，在處理過程中子碼與復合碼的互相關處理會出現相關峰值。同時，子碼序列的所有循環移位分別與接收序列進行互相關處理，共得到Li組相關值，CCSDS建議采用最大值搜索法，通過比較Li組相關值，取相關值最大的一組本地子序列的循環移位為確定的子碼相位，這就實現了子碼的捕獲。同理，當6組子碼均確定捕獲后，子碼會被送到再生偽碼模塊，生成下行測距偽碼序列，實現了測距偽碼的再生。

5 再生偽碼測距技術最新研究

目前，基于再生偽碼測距的捕獲算法，部分研究成果對其進行了理論方面的改進，主要表現為：再生偽碼測距的自適應捕獲技術，通過奈曼-皮爾遜準則設置自適應門限值，通過最大似然估計理論進行最優估計[28]；提出了基于再生偽碼測距的遙測信號測距方案，通過將遙測信息與下行測距合并，在只存在遙測信號的情況下實現遙測功能和測距功能。實驗表明，其測距精度較傳統的再生偽碼測距方式有了一定程度的提高[29-30]。

6 存在的問題及研究方向

再生偽碼測距對于深空測距具有重要意義，目前CCSDS規定的再生偽碼測距標準還存在一定的不足。針對再生偽碼測距的缺點，依據測距技術的發展，可以對再生偽碼測距提供新的技術支持。根據本文所論述的技術，可以針對以下問題進行研究：

1) 在測距碼的捕獲方法中，以碼相關器組實現接收偽碼序列與本地偽碼序列的相關。經過多次相位累加，輸出值經過最大值檢測，確定本條子碼最大值對應的相位。基于最大值檢測的算法給出偽碼信號捕獲的最優算法。然而，該算法存在一個限制：沒有有用輸入信號的情況下，它也會給出一個最大值。偽碼捕獲是在碼跟蹤環(CTL)鎖定后執行的，但是一個錯誤的CTL鎖定會帶來一個錯誤的偽碼捕獲。為了最小化這種錯誤概率，可以采用下述方法：比較多種捕獲算法；綜合比較各種捕獲方法；可以基于捕獲時間、捕獲性能等方面預置門限，通過比較選擇的最大值與預置門限的方法確認偽碼是否捕獲；可以在進入跟蹤模式后，持續檢測捕獲的偽碼相位對每個Ci碼是否與最大值一致。多次確認后，可以確認偽碼捕獲結果。

2) 再生偽碼測距過程中，由于測距信號與遙測遙控信號同時調制在載波上，因此，在傳輸過程中，測距信號與遙測遙控信號之間存在一定干擾。為了保證測距精度，需要對測距信號與遙測遙控信號的互干擾進行分析。

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(責任編輯 楊繼森)

Overview of the Research on Regenerative PN Code Ranging

PENG Baotong, MA Hong

(Department of Equipment Acquisition of PLA, Beijing 101416, China)

Aiming at the problem of low SNR and poor accuracy of ranging, the idea of regenerative PN ranging is proposed. Based on the analysis of the basic principle of regenerative PN ranging, the advantages of regenerative pseudo-code ranging are introduced. In this paper, the development process and combination of distance measurement code are analyzed, and the characteristics of T2B and T4B in Tausworthe code are analyzed, and the capture technique and principle of distance code are summarized. At the same time, the latest research results of regenerative PN ranging are analyzed. Finally, the maximum value search algorithm for regenerative PN ranging neutron code sequence acquisition and the compatibility problem of telemetry remote control during transmission of ranging signal are presented, which provides the direction for the following research.

regenerative PN ranging；ranging code；acquisition

10.11809/scbgxb2017.07.024

2017-03-05；

2017-04-12

彭保童(1992—)，男，碩士研究生，主要從事通信與信息系統研究。

format:PENG Baotong, MA Hong.Overview of the Research on Regenerative PN Code Ranging[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(7):107-110.

TN919

A

2096-2304(2017)07-0107-04

本文引用格式：彭保童，馬宏.再生偽碼測距技術研究綜述[J].兵器裝備工程學報，2017(7):107-110.