脉冲超宽带测控体制研究

廉 昕 王元钦 侯孝民 孟祥利

装备学院，北京101416



脉冲超宽带测控体制研究

廉 昕 王元钦 侯孝民 孟祥利

装备学院，北京101416

针对当前航天测控系统安全性不足的问题，将脉冲超宽带技术引入到测控系统中，构建脉冲超宽带测控体制。在对脉冲超宽带技术及其性能进行研究的基础上，建立了测控信号模型。介绍了脉冲超宽带测控系统的构成与工作过程，并探讨了信号参数的选取。同时研究了新体制下测距测速和数据传输等功能的实现方法。分析表明，脉冲超宽带测控体制可大大提高测控系统的隐蔽性和抗干扰能力，同时提高测距精度，满足应急隐蔽测控的需求。 关键词 脉冲超宽带；测控体制；安全性；系统设计

航天测控技术是对航天器进行跟踪、测量和控制的综合技术，是航天活动中一项不可或缺的关键技术[1]。目前，世界各国在航天领域的竞争日趋激烈。面对未来可能发生的太空冲突与对抗，需要有安全性更高的应急隐蔽测控系统来保证航天器的安全运行。与现行测控系统相比，对应急测控系统的要求更高，不仅需要进一步提高测量精度，增大系统容量，尤其要提高系统的隐蔽性和抗干扰能力，以提高其战场生存能力[2-3]。

我国现行的统一载波测控系统实现了各测控业务的统一，简化了测控设备。但其抗干扰能力较差，很容易遭到敌方的破坏。而且由于信号带宽较窄，能量较为集中，测控信号的隐蔽性很差，很容易被敌方侦收、截获。为了提高测控系统的隐蔽性和抗干扰能力，可通过增大信号带宽来实现。统一扩频测控系统利用直扩技术增大了信号带宽，在一定程度上提高了信号的隐蔽性和抗干扰能力，但仍比较有限。且目前有很多针对直扩信号的截获方法，该系统面临很大的威胁。而直扩/跳频混合扩频测控系统在直扩基础上结合跳频技术，进一步提高了信号的抗干扰能力。但目前其信号带宽仍有限，且系统复杂，实现难度大[4-5]。

总之，现行的航天测控系统仍存在安全性缺陷。对于应急隐蔽测控系统，需进一步提高测控信号带宽，从而提高测控系统的隐蔽性和抗干扰能力。

1 脉冲超宽带技术概述

超宽带技术是20世纪60年代兴起的一项新型无线通信技术，美国军方一直在秘密开发利用，直至20世纪90年代才进入人们的视野，近年来成为通信领域的研究热点[6]。

对于超宽带的定义有很多种，目前公认的定义是：信号在-10dB处的分数带宽大于0.2或者绝对带宽大于500MHz[7]。其中分数带宽的表达式为：

(1)

式中，fh和fl分别为信号-10dB带宽对应的频率上限和下限，fc为信号的中心频率。

超宽带技术的最大特点就是信号带宽极宽，可达GHz量级。它具有隐蔽性好、抗干扰、抗截获能力强、数据容量大、抗多径效应能力强、穿透能力强和定位精度高等诸多优点[8]。

脉冲超宽带(IR-UWB)技术是传统意义上的超宽带技术。它利用持续时间极短的窄脉冲信号来进行通信，不再需要进行载波调制。通过对窄脉冲进行幅度调制或位置调制，可实现测量、信息传输和多用户组网等功能。脉冲超宽带技术被认为是无线电通信技术的革命性进展，在军用隐蔽通信、射频识别、医疗救援和定位跟踪等领域具有广阔的应用前景[9-11]。

2 性能分析

脉冲超宽带信号具有隐蔽性强、抗干扰能力强等诸多优点，若将它引入到航天测控系统中，可大大提高系统性能。现对脉冲超宽带信号的性能进行简要分析，并与现行测控系统信号进行对比。

对于信号的隐蔽性，可利用信号功率谱密度来评价。功率谱密度越低，信号越不易被检测，其隐蔽性越强。由香农定理可知，信息容量C与信号带宽B及信噪比S/N的关系为：

C=Blog2(1+S/N)

(2)

在信息容量相同的情况下，信号带宽越宽，所需的信噪比越低，其信号功率谱密度也就越低。若信息容量相同，信号带宽增大10倍，则信噪比降低约93%，即信号功率谱密度下降约11.4dB。脉冲超宽带信号的带宽可达GHz量级，信号隐蔽性强。

对于信号的抗干扰能力，可利用系统处理增益来评价。处理增益越大，其抗干扰能力越强。脉冲超宽带信号的处理增益为：

(3)

其中，B为调制信号带宽，Bd为信息带宽，N为1个数据比特所占用的脉冲个数，L为脉冲占空比的倒数。

脉冲超宽带信号的带宽极宽，可获得很大的系统处理增益，从而获得很强的抗干扰能力。对于10kbps速率的信息数据，调制到脉冲宽度1ns的脉冲超宽带信号可获得近50dB的处理增益。

而对于信号的测量精度，由脉冲雷达相关理论可知，脉冲宽度为T的单载频脉冲信号的距离分辨力为[12]：

(4)

其速度分辨力为[12]：

(5)

式中，f0为信号的载波频率。

由于脉冲超宽带信号由时域极窄的脉冲构成，其测距性能十分优秀，但测速性能有所欠缺，可采用多脉冲积累的方法进行测速。在相同时间内，脉冲超宽带信号的有效相关时宽为连续信号的1/L，即其速度分辨能力比连续信号低L倍。

现将脉冲超宽带信号潜在的性能指标与现行测控体制信号进行简要对比，如表1所示。假设条件如下：统一载波测控系统采用100kHz的侧音进行测距；统一扩频测控系统采用码速率10MHz的伪码，码长1023；DS/FH混合扩频系统采用码速率10MHz的伪码，码长1023，总信号带宽为100MHz；脉冲超宽带系统采用1ns的脉冲宽度和5ns的脉冲重复间隔。

表1 各测控系统性能指标对比

由表1可知，与现行测控系统相比，脉冲超宽带信号的隐蔽性和抗干扰能力明显更强。而1ns的脉冲信号的测距分辨力为0.1m，其测距精度可达厘米量级，只是测速性能有所欠缺。将脉冲超宽带技术引入到航天测控系统中，构建脉冲超宽带测控体制，可大大提高系统的隐蔽性和抗干扰能力，同时提高测距精度。

3 信号模型

目前脉冲超宽带信号一般直接利用基带传输，主要用于短距离的无线通信。常用的信号体制主要有DS-PAM和TH-PPM两种。前者是将信息调制在脉冲幅度上，后者是将信息调制在脉冲的相对位置上。相比而言，DS-PAM信号具有抗干扰能力更强、传输距离更远和信号形式更简单等优点[13]。

DS-PAM信号首先对信源产生的数据信息进行伪码扩频调制，再利用得到的扩频调制数据对脉冲进行脉冲幅度调制(PAM)，即把信息调制到脉冲的幅度上，通常可调制到脉冲的极性上。在脉冲超宽带测控体制中，为了使发射天线容易获得高增益，还需对DS-PAM信号进行载波调制，将信号频谱搬移到射频上。因此，可采用载波调制DS-PAM信号作为脉冲超宽带测控信号，其表达式为[14-15]：

(6)

式中，dn为二进制数据信息；cj为伪随机码序列，码长为Nc；p(t)为单脉冲信号，脉冲宽度为Tp；Tb为1个数据比特持续时间；Tr为脉冲重复周期；fc为载波频率。通常1个伪码码元对应1个脉冲重复周期，码速率Rc=1/Tr。而1个数据信息比特对应1个伪码周期，其持续时间为Tb=Tr·Nc，数据速率Rb=1/Tb。

该信号可看作是直扩信号与周期窄脉冲信号的乘积。与直扩信号相比，该信号在一个伪码码元宽度中只在脉冲宽度内存在信号。直扩信号可谓脉冲超宽带信号的一个特例，当脉冲占空比为1时，该信号即变为直扩信号。而与脉冲雷达信号相比，该信号可认为是利用伪码进行幅度调制的高重频高占空比的脉冲雷达信号，其占空比可达1/10甚至更高。当去掉伪码数据调制后，该信号形式与脉冲雷达信号基本相同，只是其脉冲宽度很窄，脉冲重复频率和脉冲占空比很高。

4 系统设计

将脉冲超宽带技术引入到航天测控系统中，可构建脉冲超宽带测控新体制。其系统结构见图1。

在发射端，根据不同的测控业务，将测控信号分为正交的I，Q两路：I路负责数据传输，Q路负责测距。分别对两路信号进行脉冲调制，然后进行QPSK调制得到超宽带已调信号，经Ka频段上变频和宽带功放后，被超宽带天线发射出去。系统选择Ka频段作为工作频段是因为Ka频段的频率高，可用频带较宽，干扰较少，适合脉冲超宽带测控系统工作。

而系统接收端利用天线对信号进行接收，信号经低噪声放大器放大，然后经下变频和滤波送给基带处理部分处理。在基带处理部分对信号进行捕获跟踪和解扩解调，可得到测距测速信息和数传信息。

下面讨论测控信号各参数的选取。

脉冲宽度：脉冲宽度决定着信号带宽，从而决定着系统安全性能和测量精度。脉冲宽度越窄，信号带宽越宽，系统安全性越好，测量精度越高。但脉冲宽度过窄会使系统实现难度过大。因此，需对信号的脉冲宽度进行合理选取，一般取纳秒量级。

占空比：为了满足测控系统的传输距离，需要很高的信号平均功率。若脉冲占空比过低，会导致发射信号的瞬时功率过大，给发射天线的设计和工程实现带来困难。因此，需采用占空比较高的脉冲超宽带信号。

图1 脉冲超宽带测控系统框图

伪码码长：伪码码长决定着1个数据比特对应的脉冲个数，从而影响系统处理增益和信号的抗干扰能力。若脉冲占空比相同，伪码码长越长，其系统处理增益就越大，但信号的捕获难度也越大。因此，需对伪码码长进行合理选取。

当脉冲宽度和占空比确定后，伪码速率即可确定。当脉冲宽度较窄，脉冲占空比较高时，对应的伪码速率也很高。而当伪码速率和码长确定后，信息速率即确定。当信息速率的需求不高时，可采用多个伪码周期对应1个比特数据的方式，这样还可降低解调误码率。

5 功能实现

5.1 测距

测距功能主要是对航天器的距离进行实时测量。在脉冲超宽带测控体制中，测距功能的实现可采用伪码脉冲复合测距方法，窄脉冲可保证较高的测距精度，而伪码可以用来解模糊。脉冲超宽带信号的距离分辨力如式(4)所示，最大无模糊距离与伪码码长Nc和码元宽度Tc(脉冲重复周期)成正比，其表达式为：

Rmax=NcTc·c/2

(7)

因此，可利用码长较长的测距伪码进行测距，以保证较长的无模糊距离。测距长伪码可采用截短的m序列，若码长为1023×256，码元宽度10ns，其无模糊测量距离为392.832km。但对于长伪码调制的脉冲超宽带信号，其捕获搜索空间很大，捕获时间长，难以满足测控系统的实时性要求。

因此，还可考虑采用数据帧计数+伪码+脉冲的方法进行测距，同样可以兼顾测距精度和无模糊距离。测距信号的1个伪码码元对应1个脉冲周期，1个数据比特对应1个伪码周期，1个数据帧由若干比特数据构成。信号接收时，对伪码和脉冲的相位进行捕获，可得到收发信号之间伪码码元和脉冲级别的时延，再将数据帧中的帧计数和位计数数据解调出来，即可得到帧级别和数据位级别的时延。若接收的数据帧计数为l，数据位计数为m，捕获的伪码相位偏移为n个码元，脉冲位置偏移Tτ，则可得到最终的测距时延：

τ=lTf+mTb+nTc+Tτ

(8)

其中，Tf为数据帧长。则其距离测量值为：

(9)

5.2 测速

测速功能主要是对航天器的速度进行测量，在测控系统中通常采用载波多普勒频移测速方法。而脉冲超宽带信号由时域极窄的脉冲构成，利用单脉冲测速的精度很低。因此，在脉冲超宽带测控体制中，可采用多脉冲累积测速方法提高测速精度。但其测速精度理论上仍要比连续信号(如直扩信号)低L倍。

由于系统工作频段为频率较高的Ka频段，其载波多普勒频移较大。假设载波频率fc=28GHz，测控目标的径向速度最大值为Vd=7.9km/s，则脉冲超宽带测控信号的最大多普勒频移为：

(10)

可见，较大的多普勒动态范围给多普勒频率的提取带来了困难。对于载波多普勒频率的提取，可模仿直扩系统，采用部分匹配滤波+FFT的方法，在捕获伪码和脉冲相位的同时，对载波多普勒频率进行捕获[16]。由于信号带宽很宽，在捕获时可采用并行处理方法，以资源换取捕获速度。此外，考虑到多普勒频率动态范围较大的问题，可采用多通道并行处理，利用多个频率槽同时进行多普勒频率的搜索，以兼顾频率捕获精度和多普勒频率动态范围。

5.3 数据传输

数据传输功能是指测控系统中遥控指令和遥测数据的传输。在脉冲超宽带测控体制中，以脉冲作为数据传输的载体，将遥控/遥测数据经伪码扩频调制后再调制到脉冲上进行传输。

对于采用的DS-PAM信号，虽然信号带宽很宽，但其数据传输效率并不高。由于1个伪码码元通常对应1个脉冲周期，而1个数据比特对应1个伪码周期。若脉冲重复频率(伪码速率)为100MHz，伪码码长1023，则数据传输速率仅为100kbps左右。

若想实现高速数据传输，可将伪码扩频调制部分省略，直接将信息调制到脉冲上进行传输。在信号接收时，本地利用周期脉冲串与接收信号进行相关解调，经取样判决即可得到传输的数据信息。但这样会带来解调误码率的下降，系统性能不佳。

此外，考虑到脉冲超宽带信号仅在极短的时间内存在信号，时间利用率较低。可在原信号基础上结合时分复用技术，在1个伪码码元宽度内将多路并行数据同时调制在多个脉冲之上，可成倍地提高数据传输速率。

6 结论

在脉冲超宽带测控系统中，采用载波调制DS-PAM信号作为测控信号。测距采用伪码脉冲复合测距方法，测速采用载波多普勒频移测速方法，而数据传输则采用脉冲调制方法，将数据信息调制到脉冲之上进行传输。脉冲超宽带测控体制具有隐蔽性好、抗干扰能力强及测距精度高等诸多优点，可大大提高测控系统的整体性能，满足应急隐蔽测控的需求。对该体制的研究可为未来航天测控系统的发展提供一定的参考。

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专稿 专人 专题

包为民院士、宋征宇院士曾为本刊创刊30周年时提供专稿文章，将自已在多年航天工作经历中积累的知识、经验、设想等和读者分享。

本刊特设“专稿”栏目，为在航天控制领域工作多年，经验丰富的专家、学者搭建一个平台，利用他们的学术创新带头示范作用和科研实践经验总结指导，从控制系统各领域基础理论延伸到工程试验可靠性操作等方面的独到见解，进一步展示出航天控制技术的博大精深，更深远地影响并提升期刊未来的稿件层次和方向。基于此，特长期诚邀航天控制系统各领域资深专家、学者、相关院士及各高校相关学术带头人等不吝为本刊“专稿”栏目投稿，期待您的高瞻远瞩不仅让更多的读者受益于专稿启奠，也为期刊的稿件质量和影响力丰羽填色！

Research on Impulse Radio UWB TT&C System

Lian Xin, Wang Yuanqin, Hou Xiaomin, Meng Xiangli

Equipment Academy, Beijing 101416, China

AccordingtothesecurityshortcomingofcurrentTT&Csystem,theimpulseradioUWB(Ultra-wideband)technologyisintroducedintotheTT&Csystem,andanewimpulseradioUWB TT&Csystemisestablished.OnthebasisofresearchonimpulseradioUWBtechnologyanditsperformance,theTT&Csignalmodelisbuilt.Then,thesystemstructureandworkingprocessofimpulseradioUWBsystemareintroducedandthesignalparameterselectionisdiscussed.Atthesametime,theimplementationmethodsofrange,rangeratemeasurementanddatatransmissionfunctionsunderthenewsystemareresearched.Regardingtheanalysis,itshowsthattheconcealmentandanti-interferenceperformanceofTT&CsystemcanbegreatlyimporvedbydeployingtheimpulseradioUWB TT&Csystem,whilerangemeasuringprecisionispromoted.Thus,therequirementofemergencycovertTT&Csystemcanbemet.

ImpulseradioUWB; TT&Csystem;Securityperformance;Systemdesign

2016-03-21

廉 昕(1987-)，男，长春人，博士研究生，主要研究方向为航天测控、脉冲超宽带技术；王元钦(1963-)，男，黑龙江牡丹江人，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为航天测控；侯孝民(1968-)，男，陕西韩城人，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为航天测控；孟祥利(1991-)，男，山东潍坊人，硕士研究生，主要研究方向为航天测控、脉冲超宽带技术。

V556.6；TN914.2

A

1006-3242(2016)05-0081-05