碼間多址干擾對(duì)三星上升段測(cè)控影響分析

龍 斌，楊俊武，王宏偉，錢國(guó)俊

(1.中國(guó)人民解放軍 63758部隊(duì)，福建 廈門361023；2.中國(guó)西安衛(wèi)星測(cè)控中心，陜西 西安 710043)

0 引言

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，擴(kuò)頻測(cè)控技術(shù)[1-3]因其優(yōu)越的隱蔽性能、良好的抗干擾性能[4-6]以及抗衰落等優(yōu)點(diǎn)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

針對(duì)擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗干擾性能，很多文獻(xiàn)都進(jìn)行了分析，主要集中在對(duì)比系統(tǒng)對(duì)各類干擾的處理增益[7]或系統(tǒng)面對(duì)各類干擾的誤碼性能[8]。對(duì)于目前廣泛使用的直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)，文獻(xiàn)[9]提出了一種抗干擾的動(dòng)態(tài)博弈模型研究；文獻(xiàn)[10]提出了一種頻域抗干擾技術(shù)；文獻(xiàn)[11-12]從安全性能的角度進(jìn)行了抗干擾分析；文獻(xiàn)[13]對(duì)它的抗干擾能力進(jìn)行了理論分析和仿真。

本文在分析某衛(wèi)星擴(kuò)頻抗碼間多址干擾能力的基礎(chǔ)上，對(duì)設(shè)備的抗碼間多址干擾能力進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量，并結(jié)合某三星上升段測(cè)控的實(shí)際情況，分析了碼間多址干擾對(duì)測(cè)速測(cè)距、遙測(cè)及遙控等的影響，提出了應(yīng)對(duì)干擾的解決對(duì)策。

1 抗碼間多址干擾分析及測(cè)試

1.1 直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)抗碼間多址干擾分析

擴(kuò)頻系統(tǒng)的處理增益又稱為擴(kuò)頻處理增益或擴(kuò)頻增益，它等于頻譜擴(kuò)展后的信號(hào)帶寬BM與頻譜擴(kuò)展前的信號(hào)帶寬Bm之比[14-16]：

Gp=10lg(BM/Bm)。

(1)

假設(shè)偽碼擴(kuò)頻碼率為Rc，信息速率為r，則BM=2Rc,Bm=2r。

根據(jù)擴(kuò)頻通信原理，滿足基帶接收機(jī)能正常工作的條件是：

(S/N)in=G-Ls-Mj，

(2)

式中，(S/N)in為接收機(jī)輸入端信噪比；G為擴(kuò)頻處理增益；Ls為系統(tǒng)損耗；Mj為多址干擾。

由式(2)可計(jì)算出給定系統(tǒng)在指定參數(shù)下的抗多址干擾能力：

Mj=G-Ls-(S/N)in=

G-(Ls+(S/N)in)。

(3)

通過(guò)將某衛(wèi)星的擴(kuò)頻碼率、遙測(cè)信息速率及設(shè)備的(S/N)in代入式(2)，可以得到某設(shè)備遙測(cè)抗多址干擾能力Mj=16.1 dB。

衛(wèi)星的下行信號(hào)由遙測(cè)支路和測(cè)量支路組成，當(dāng)遙測(cè)支路和測(cè)量支路的信噪比為4∶1時(shí)，在三目標(biāo)情況下，設(shè)備的遙測(cè)支路理論抗干擾能力為11.7 dB，測(cè)量支路理論抗干擾能力為16.8 dB。

1.2 設(shè)備直擴(kuò)系統(tǒng)碼間多址干擾測(cè)試結(jié)果

利用某設(shè)備，進(jìn)行了直擴(kuò)系統(tǒng)碼間多址干擾測(cè)試，測(cè)試原理如圖1所示。

圖1 某設(shè)備碼間多址干擾測(cè)量示意Fig.1 Schematic diagram of inter-code multiple access interference measurement for the equipment

將三目標(biāo)設(shè)備放置于標(biāo)校塔上，通過(guò)可調(diào)衰減器后用合路器合成，送標(biāo)校塔天線。地面天線接收后經(jīng)信道變頻送基帶設(shè)備。測(cè)試步驟如下：

① 按某衛(wèi)星技術(shù)狀態(tài)設(shè)置要求配置參數(shù)；

② 使目標(biāo)1輸出單載波中強(qiáng)電平信號(hào)，使用頻譜儀在基帶入口測(cè)試該單載波信號(hào)，幅度值記為P1；

③ 調(diào)整衰減器，使基帶接收的三目標(biāo)(或雙目標(biāo))單載波信號(hào)電平基本一致，均調(diào)整為P1；

④ 單獨(dú)增大目標(biāo)1的衰減器，使目標(biāo)1信號(hào)逐步降低，直至基帶無(wú)法鎖定目標(biāo)1遙測(cè)信號(hào)(或測(cè)量信號(hào))，記錄此時(shí)目標(biāo)1單載波幅度值為P2，則目標(biāo)1遙測(cè)支路(或測(cè)量支路)抗干擾能力為P2-P1；

⑤ 重復(fù)步驟③，再單獨(dú)增大目標(biāo)2衰減器，使目標(biāo)2信號(hào)逐步降低，直至基帶無(wú)法鎖定目標(biāo)2遙測(cè)信號(hào)(或測(cè)量信號(hào))，記錄此時(shí)目標(biāo)2單載波幅度值為P3，則目標(biāo)2遙測(cè)支路(或測(cè)量支路)抗干擾能力為P3-P1；

⑥ 重復(fù)步驟③，再單獨(dú)增大目標(biāo)3衰減器，使目標(biāo)3信號(hào)逐步降低，直至基帶無(wú)法鎖定目標(biāo)3遙測(cè)信號(hào)，記錄此時(shí)目標(biāo)3單載波幅度值為P4，則目標(biāo)3遙測(cè)支路抗干擾能力為P4-P1。

三目標(biāo)的遙測(cè)支路抗碼間多址干擾測(cè)試結(jié)果如表1所示。雙目標(biāo)的測(cè)量支路抗碼間多址干擾測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表1 三目標(biāo)遙測(cè)支路抗碼間多址干擾測(cè)試結(jié)果

Tab.1Testresultsofanti-inter-codemultipleaccessinterferenceforthreetargettelemetrybranches

被測(cè)目標(biāo)對(duì)應(yīng)衛(wèi)星測(cè)試結(jié)果/dB目標(biāo)101星12目標(biāo)202星12目標(biāo)303星12

表2 雙目標(biāo)測(cè)量支路抗碼間多址干擾測(cè)試結(jié)果

Tab.2Testresultsofanti-inter-codemultipleaccessinterferencefordual-targetmeasurementbranch

被測(cè)目標(biāo)對(duì)應(yīng)衛(wèi)星測(cè)試結(jié)果/dB目標(biāo)101星16目標(biāo)202星16

由表1和表2可以看出，設(shè)備的測(cè)試結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本一致。

2 三星碼間多址干擾對(duì)上升段測(cè)控的影響分析

設(shè)備參加了三星的上升段測(cè)控任務(wù)。該三星上、下行頻率一致，采用不同的擴(kuò)頻碼。設(shè)備跟蹤衛(wèi)星時(shí)間為T1～T1+550 s，T1為設(shè)備跟蹤開(kāi)始時(shí)刻。

2.1 測(cè)量支路受碼間多址干擾的強(qiáng)度影響分析

在上升段任務(wù)中，設(shè)備使用01星測(cè)量支路作為主跟蹤支路。在跟蹤過(guò)程中，各目標(biāo)的測(cè)量支路失鎖情況為：01星失鎖2次，02星失鎖2次，03星失鎖6次。設(shè)備記錄的三星下行信噪比如圖2所示(由于在失鎖時(shí)無(wú)法記錄下行信噪比，因此手動(dòng)將失鎖時(shí)下行信噪比記為0)。

圖2 上升段某設(shè)備記錄的三星下行信噪比Fig.2 Three-star downlink signal-to-noise ratio recorded by the equipment in the ascending segment

對(duì)三星測(cè)量支路失鎖時(shí)刻的信噪比進(jìn)行記錄，對(duì)下行信噪比差值計(jì)算如表3所示，其中T1為某設(shè)備開(kāi)始跟蹤時(shí)刻。

表3 上升段某設(shè)備測(cè)量支路失鎖時(shí)刻下行信噪比

Tab.3Downlinksignal-to-noiseratioatlossoflockofmeasurementbranchoftheequipmentinascendingsegment

對(duì)應(yīng)衛(wèi)星失鎖時(shí)刻/s失鎖時(shí)長(zhǎng)/s下行信噪比/dB01星-02星02星-03星03星-01星01星T1+1840.510.43-12.231.80T1+4095-0.383.73-3.3502星T1+2454616.87-17.620.75T1+41195.76-12.336.5703星T1+1490.50.00-5.105.10T1+212115.2110.62-15.83T1+321614.192.45-16.64T1+36310-12.7213.31-0.59T1+3804-2.798.78-5.99T1+4092-7.4311.19-3.76

在T1+184 s，01星失鎖0.5 s；T1+149 s，03星失鎖0.5 s，初步判斷這兩次短暫失鎖可能為下行信號(hào)過(guò)強(qiáng)導(dǎo)致。

在T1+409～T1+411 s，01星、02星、03星相繼發(fā)生失鎖，初步判斷為星箭分離導(dǎo)致。

在其他時(shí)間段，三星分別發(fā)生失鎖，初步判斷為擴(kuò)頻碼間多址干擾導(dǎo)致。失鎖原因初步判斷情況如表4所示。

表4 上升段某設(shè)備測(cè)量支路失鎖原因初步判斷

Tab.4Preliminaryjudgmentonreasonsforlossoflockingofmeasurementbranchoftheequipmentinascendingsection

對(duì)應(yīng)衛(wèi)星失鎖時(shí)刻/s失鎖原因初步判斷01星T1+184下行信號(hào)過(guò)強(qiáng)T1+409星箭分離02星T1+245碼間多址干擾T1+411星箭分離03星T1+149下行信號(hào)過(guò)強(qiáng)T1+212碼間多址干擾T1+321碼間多址干擾T1+363碼間多址干擾T1+380碼間多址干擾T1+409星箭分離

對(duì)表4中的碼間多址干擾導(dǎo)致失鎖的情況進(jìn)行分析，結(jié)合表3計(jì)算，得到某設(shè)備測(cè)量支路失鎖時(shí)干擾大小如表5所示。

表5 失鎖時(shí)刻受到的碼間多址干擾強(qiáng)度

Tab.5Inter-codemultipleaccessinterferenceintensityatlosinglocktime

對(duì)應(yīng)衛(wèi)星失鎖時(shí)刻/s受干擾大小/dB01星無(wú)無(wú)02星T1+24520.303星T1+21217.0T1+32116.7T1+36313.5T1+38010.6

從上升段失鎖時(shí)干擾信號(hào)大小看，失鎖時(shí)最小干擾為10.6 dB，最大干擾為20.3 dB，設(shè)備抗干擾能力理論計(jì)算結(jié)果為16.8 dB，實(shí)際測(cè)試結(jié)果為13 dB，測(cè)試結(jié)果與實(shí)際跟蹤結(jié)果存在一定差異，與測(cè)試條件、測(cè)試環(huán)境存在一定關(guān)系，可以認(rèn)為實(shí)際跟蹤結(jié)果與測(cè)試結(jié)果基本一致。

2.2 碼間多址干擾對(duì)測(cè)角的影響分析

本次上升段測(cè)角跟蹤01星，對(duì)測(cè)角數(shù)據(jù)進(jìn)行二階差分，如圖3和圖4所示。圖3和圖4中的大值出現(xiàn)在T1+409 s時(shí)刻，這是由01星下行測(cè)量支路失鎖引起的。碼間多址干擾對(duì)測(cè)角數(shù)據(jù)的影響很小，可以認(rèn)為除失鎖外，對(duì)測(cè)角數(shù)據(jù)無(wú)影響。

圖3 測(cè)角方位二階差分Fig.3 Second-order difference of the azimuth angle

圖4 測(cè)角俯仰二階差分Fig.4 Second-order difference of the pitching angle

2.3 碼間多址干擾對(duì)測(cè)量支路影響分析

在上升段跟蹤過(guò)程中，去除T1+409～T1+411 s期間01星、02星、03星相繼發(fā)生失鎖的時(shí)長(zhǎng)，可以得到三星分別的失鎖時(shí)長(zhǎng)，如表6所示。

表6 碼間多址干擾引起的測(cè)量支路失鎖時(shí)長(zhǎng)

Tab.6Measurementbranchlockoutdurationcausedbyinter-codemultipleaccessinterference

對(duì)應(yīng)衛(wèi)星失鎖時(shí)長(zhǎng)/s占跟蹤時(shí)長(zhǎng)的百分比/%01星0002星468.3603星305.45

由表6可以看出，碼間多址干擾使三星的測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)生了丟失，程度從5.45%～8.36%不等。

對(duì)跟蹤得到的測(cè)速數(shù)據(jù)進(jìn)行隨機(jī)差統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)碼間多址干擾對(duì)測(cè)速數(shù)據(jù)基本沒(méi)有影響。圖5是01星上升段測(cè)速隨機(jī)差圖，對(duì)01星測(cè)速二階差分?jǐn)?shù)據(jù)每20點(diǎn)進(jìn)行一次隨機(jī)差計(jì)算得到。圖中有3個(gè)大值分別出現(xiàn)在第1、第19和第41次，第1次大值為二級(jí)主發(fā)動(dòng)機(jī)主令關(guān)機(jī)引起，第19次、第41次大值為01星測(cè)量支路兩次失鎖引起。由圖5可以看出，其他時(shí)段的隨機(jī)差變化不大。02星、03星測(cè)速隨機(jī)差與01星圖基本一致，測(cè)距為測(cè)速的積分，其隨機(jī)差與測(cè)速基本一致。

圖5 01星測(cè)速數(shù)據(jù)隨機(jī)差Fig.5 Random difference of 01 star velocity measurement data

2.4 碼間多址干擾對(duì)遙測(cè)支路的影響分析

碼間多址干擾對(duì)遙測(cè)支路的影響比對(duì)測(cè)量支路的影響更為嚴(yán)重。表7是對(duì)遙測(cè)支路失鎖、錯(cuò)鎖時(shí)間的統(tǒng)計(jì)。從結(jié)果來(lái)看，碼間多址干擾引起遙測(cè)支路失鎖，導(dǎo)致遙測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)生丟幀、錯(cuò)幀，最嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失達(dá)到16%。

表7 碼間多址干擾引起的遙測(cè)失鎖錯(cuò)鎖時(shí)長(zhǎng)

Tab.7Telemetryunlockandmislockdurationcausedbyinter-codemultipleaccessinterference

對(duì)應(yīng)衛(wèi)星失鎖時(shí)長(zhǎng)/s占跟蹤時(shí)長(zhǎng)的百分比%01星234.1802星881603星5510

2.5 碼間多址干擾對(duì)上行遙控的影響分析

碼間多址干擾由接收多個(gè)信號(hào)引起。由于地面設(shè)備同時(shí)發(fā)送三目標(biāo)上行信號(hào)，因此衛(wèi)星也會(huì)受到多址碼間多址干擾的影響。與地面受到的碼間多址干擾不同，衛(wèi)星收到的三目標(biāo)信號(hào)來(lái)自同一發(fā)射天線，因此三目標(biāo)信號(hào)基本一致。發(fā)射的上行信號(hào)分為測(cè)量支路和遙控支路，按照測(cè)量支路和遙控支路功率比為1∶1計(jì)算，衛(wèi)星受到的遙控碼間多址干擾為7 dB，衛(wèi)星設(shè)計(jì)指標(biāo)為抗碼間多址干擾能力大于15 dB，從理論上來(lái)說(shuō)，碼間多址干擾對(duì)上行遙控沒(méi)有影響。

本次上升段遙控發(fā)令從T1+412～T1+511 s，發(fā)令時(shí)間長(zhǎng)達(dá)99 s，地面設(shè)備跟蹤至俯仰4.6°才完成發(fā)令。由于本次遙測(cè)失鎖時(shí)間段主要在星箭分離前，對(duì)判斷遙控指令執(zhí)行情況無(wú)較大影響。如果遙測(cè)失鎖時(shí)間段在星箭分離后，將影響遙控指令執(zhí)行情況的判斷，使發(fā)令時(shí)間增加，導(dǎo)致上行遙控發(fā)令無(wú)法完成。

3 解決對(duì)策

針對(duì)碼間多址干擾對(duì)多星上升段測(cè)控的影響，可以采取以下對(duì)策：

① 提升設(shè)備本身的抗干擾能力。由式(1)可以看出，擴(kuò)頻處理增益與系統(tǒng)的擴(kuò)頻碼率成正比，與信息速率成反比。因此可以采用提高衛(wèi)星的擴(kuò)頻碼速率、降低衛(wèi)星的信息速率來(lái)提高系統(tǒng)的擴(kuò)頻增益。經(jīng)過(guò)計(jì)算，采用合適的擴(kuò)頻碼速率和遙測(cè)碼速率可以使設(shè)備的遙測(cè)支路抗干擾能力提升20 dB以上。

② 由碼間干擾對(duì)測(cè)量支路和遙測(cè)支路的影響可以看出，由于測(cè)量支路比遙測(cè)支路的抗干擾能力高5 dB左右，測(cè)量支路的失鎖時(shí)間比遙測(cè)支路的失鎖時(shí)間少20 s左右，因此跟蹤時(shí)可以使用測(cè)量支路作為主跟蹤支路，減少測(cè)角的失鎖時(shí)間，提高測(cè)角數(shù)據(jù)質(zhì)量。

③ 由于設(shè)備的測(cè)速測(cè)距、遙測(cè)數(shù)據(jù)都有不同程度的丟失，可以采用多套設(shè)備跟蹤衛(wèi)星，來(lái)減小數(shù)據(jù)的損失率。

④ 碼間多址干擾對(duì)上行遙控沒(méi)有直接影響，但其對(duì)遙測(cè)的影響可以間接影響到遙控發(fā)令的完成。因此需要合理安排遙控發(fā)令的時(shí)間和發(fā)令時(shí)長(zhǎng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要分析了碼間多址干擾對(duì)多星上升段測(cè)控的影響，對(duì)于設(shè)備制定跟蹤條件分析、應(yīng)急方案、事后數(shù)據(jù)處理等都有一定的作用，并已經(jīng)在設(shè)備的后續(xù)多星上升段測(cè)控測(cè)控任務(wù)中得到了實(shí)際應(yīng)用，取得了較好的效果。