高动态扩频测控信号快速捕获技术研究

秦奋 魏文超 李广才 王盛

摘要：本文论述了卫星高动态扩频测控信号快速捕获的基带处理算法和具体实现，针对星载测控应答机高动态、弱信号和抗干扰的任务特点，重点讨论了捕获技术参数和快速捕获算法处理流程，并在算法中设计了抗多址干扰处理，通过两级门限判决解决误捕问题，提高测控应答机在轨工作的可靠性和抗干扰性能，对我国卫星测控通信技术具有积极意义。

关键词：高动态 扩频 快速捕获 抗干扰

中图分类号：TN91 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）07-0028-02

1 前言

在我国研制的卫星型号中，星载测控应答机承担着卫星测控系统星上部分的重要业务功能，完成包括卫星遥控、遥测、测距、测速等具体任务。近年来，非相干扩频测控技术在测量精度、抗干扰、抗截获方面具有突出的技术优势，获得了广泛军事应用[1][2][3]。

测控上行链路，地面站向卫星发送经伪码扩频调制的遥控信号和测距信号，应答机接收到遥控信号和测距信号后，完成解调、解扩，获得上行遥控、测距和测速等信息，并将遥控信息输出。测控下行链路工作中，扩频应答机将解调、解扩得到测距、测速信息按规定的格式完成下行测量信息组帧，与下行遥测信号分别经过扩频，通过载波调制向地面发送下行测控信号。

星上非相干扩频测控算法，需要重点解决卫星高动态、信号微弱、抗干扰的技术难题[4][5]，本文分析了卫星高动态扩频测控信号快速捕获技术，对能够解决高动态、弱信号以及抗干扰的一种星用扩频测控快速捕获算法和实现过程进行了技术研究，并在某卫星工程上实现了该算法。

2 信号处理过程与捕获参数

星载扩频测控应答机，由射频模块、基带信号处理机和二次电源部套组成。来自地面测控站的多路扩频测控信号到达扩频应答机后，进入射频模块，在射频模块中依次经过低噪声放大器、射频混频器和滤波器，将信号变频到中频后通过自动增益控制AGC（Auto Gain Control）输出中频模拟信号给基带信号处理机。基带信号处理机的A/D采集器，将中频模拟信号转换为中频数字信号，接着进行信号处理。

基带信号处理机的信号处理，由信号快捕单元和扩频码-载波跟踪单元两部分组成。中频数字信号，经过数字下变频处理，进行扩频码-载波二维快速捕获，将扩频码相位和载波频率信息传递给粗捕后估计单元，完成载波频率的估计后，提供扩频码相位和估计后载波频率信息给扩频码-载波跟踪环路，待稳定跟踪上各通道扩频信号，从中连续、稳定解调出基带信息，建立星地测控通信链路[6]。表1为捕获特性参数表，表2为捕获主要技术指标。

由于卫星测控通信链路的特殊性，在卫星高动态情况下，本文针对微弱扩频测控信号进行多通道扩频码-载波快速捕获算法研究，一方面要进行扩频码-载波二维搜索，在捕获时间指标要求内，快速搜索到信号的载波频率和扩频码相位，另一方面，需要克服通道间的多址干扰，防止发生误捕获[7][8]。

3 基于FFT的快速捕获算法及抗多址干扰设计

非相干扩频测控信号，具有高动态、伪码速率高、扩频码-载波二维搜索、频域搜索范围大等特点，常规的信号捕获方法如串行搜索捕获法等往往捕获时间较长，难以实现在要求的捕获时间内搜索到信号。随着Virtex2系列、Vertex4系列等宇航级百万门可编程逻辑器件的出现，基于FFT技术快速捕获算法具备了航天工程实现的基础。

本文提出的基于FFT快速捕获算法，是一种扩频码并行-载波串行捕获算法。算法的核心思想，是利用FFT技术实现接收信号和本地信号相关运算。一次扩频码并行-载波串行捕获过程，在一个载波频率上并行搜索所有扩频码相位的相关值，选取最大值进行门限判决，如果通过门限判决，认定为信号；否则，以一定频率增量搜索剩余的载波频点，直至遍历所有载波频率范围。同时，该快捕算法在门限检测判决模块中加入两级门限作为抗多址干扰的手段，从而可以克服多址干扰造成的捕获虚警。（图1）

扩频码并行-载波串行快速捕获方法，设置有下变频子模块、内插抽取子模块、快速傅里叶变换（FFT，Fast Fourier Transform）子模块、本地伪码子模块、本地伪码FFT共轭子模块、复乘子模块、快速傅里叶逆变换（IFFT，Fast Fourier Transform）子模块、模方选大子模块、抗多址干扰的检测判决子模块和接口模块。

抗多址干扰的快速捕获过程包括两级门限检测过程，峰均比和主次峰值比两者均大于各自预设门限时，判定为捕获到信号；当满足第一级门限而未满足第二级门限时，则认定发生了多址干扰，发生误捕，进行重捕过程。当未满足第一级门限时，则认定信号未在该搜索单元频率范围内；重新设置新的本地载波频率，重复上述过程，直至所有本地载波频率范围依次搜索完成。

4 结语

相对于传统信号捕获方法，本文研究的基于FFT快速捕获算法，具有更快的捕获速度，并适用于卫星在轨接收信号微弱的应用场景，能够满足卫星测控的高动态、高灵敏度接收的任务要求。算法中加入了抗多址干扰的处理，通过峰均比和主次峰值比的两级门限判决，解决了误捕问题。

本文研究的卫星高动态扩频测控信号快速捕获算法，已经成功应用于某卫星型号扩频应答机，经历了卫星产品研制全过程考核以及在轨三年任务考核。目前，该产品在轨工作功能、性能指标正常，实现了快速响应、高动态、高灵敏度接收解调、抗干扰的任务要求，验证了该算法在航天测控通信应用的可行性和有效性。

参考文献

[1]刘嘉兴.飞行器测控通信工程[M].北京：国防工业出版社，2010.

[2]何世彪，谭晓衡.扩频技术及其实现[M].北京：电子工业出版社，2007.

[3]朱永松，张海勇.直接序列扩频通信及其军事应用研究[J].舰船科学技术，2005.

[4]李玉红，寇艳红，张其善.微弱GPS信号捕获算法研究[J] .遥测遥控，2005.

[5]徐颖，王菊，吴嗣亮.一种卫星扩频信号的捕获新算法[J].北京理工大学学报，2008.

[6]胡建波，杨莘元，卢满宏.一种基于FFT的高动态扩频信号的快速捕获方法[J].遥测遥控，2004.

[7]方传顺.直接扩频通信系统的抗干扰性能分析[J].现代通信技术，2005.

[8]吴明捷，谢祖荣，徐丽洁.扩频系统抗干扰性能分析[J].辽宁工程技术大学学报，2001.