BDS MEOSAR 接收机的设计与实现

阎逸尧，邓 晖，杨东凯，张 波，景贵飞

（1. 北京航空航天大学 电子信息工程学院，北京 100191；2. 北京航空航天大学 北斗丝路学院，北京 100191）

0 引言

全球卫星搜救系统（cospas-sarsat，C/S）是由美国、苏联、加拿大和法国联合发起的公益性全球卫星遇险报警系统，旨在全球范围内提供免费的遇险报警服务。鉴于静止轨道卫星搜救系统（ geostationary Earth orbit search and rescue satellite system, GEOSAR）的技术局限和低极轨道卫星搜救系统（low-altitude Earth orbit search and rescue satellite system, LEOSAR）空间资源的不足[1]，以及 2 者在传输实效性和定位精确度方面存在的缺陷，对搜索救援行动的影响日趋明显，C/S 组织提出在中轨道导航卫星上搭载搜救载荷，以实现更高定位精度和更短等待时间，同时解决了卫星资源和轨道资源短缺的问题。自2000 年开始，C/S组织密切关注全球中轨道卫星导航系统的发展，并积极鼓励美国、俄罗斯和欧盟在各自的中轨道卫星导航系统中加入406 MHz 国际遇险报警业务。2018 年 2 月，C/S 委员会同意将北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system, BDS）纳入到全球中轨卫星搜救系统（medium-altitude Earth orbit search and rescue satellite system，MEOSAR）中[2]。2018 年 9 月，BDS 第 37 颗及第 38 颗卫星进入预定轨道，这是我国首次发射装载搜救载荷的BDS 导航卫星，同时BDS MEOSAR 地面系统工程也正式展开建设。

目前针对 MEOSAR 搜救信号的接收处理，已有法国 Orolia Maritime 公司研制的 McMurdo SARSAT MEOLUT 和美国 Honeywell 公司生产的 MEOLUT-600[3]，而国内还处于实现接收设备从无到有的起步阶段。本文设计的接收机是基于BDS 中轨道卫星搜救信号的接收处理，以软件方式实现对搜救信号的检测和接收，可成功解调出信标信息，同时满足地面系统工程建设中，有效载荷的质量检测需求，即测试载荷各项指标是否满足在轨运行期间的设计要求，完成稳定性、可靠性试验。

1 MEOSAR 系统及其信号格式

本文设计的 BDS MEOSAR 接收机是针对MEOSAR 搜救信号的，下面介绍MEOSAR 系统组成及搜救信号格式。

1.1 MEOSAR 系统组成

如图1 所示，MEOSAR 系统主要由3 大部分组成：遇险位标、空间段和地面系统[4]。

图1 MEOSAR 系统组成

遇险位标（一代/二代）：简称“信标”，具备406 MHz 搜救信号的发射功能，在遇险事件发生时，以主动或被动方式触发援救信号。

空间段（搜救卫星星座）：搭载转发器的卫星，用以接收遇险信标发出的406 MHz 搜救信号，并以1 544～1 545 MHz 的下行频率向地面系统进行透明转发。

地面系统： 主要由中轨地面用户终端（medium-altitude Earth orbit local user terminal，MEOLUT）和搜救任务控制中心（search and rescue mission control centre，SAR MCC）组成。MEOLUT接收和处理卫星下行链路信号以生成遇险告警，SAR MCC 接收由 MEOLUT 产生的警报并将它们进一步发送至救援中心。

1.2 搜救信标信号体制

406 MHz 遇险信标由数字消息产生器、调制器和406 MHz 发射器组成。信标消息为脉冲式 曼彻斯特（Manchester）编码信号，调制方式为二相移相键控（binary phase shift keying, BPSK）调制，信标信号编码和调制方式如图 2 所示。信标在传输信息的同时，也将携带的时钟同步信号一起传输，因此具有良好的自同步能力和抗干扰性能。

图2 信标信号编码和调制方式

信标消息格式分为长消息和短消息 2 类[5]。2 类消息的前15 位固定为全“1”的编码，作为位同步使用，16 到 24 位为帧同步。位25 是格式标志位，值“0”表示短消息；值“1”表示长消息。信标消息字段采用霍拉里斯代码（Bose-Chaudhuri-Hocquenghem code,BCH）纠错码进行编译。具体信号参数如表1 所示。

表1 信标信号参数

2 BDS MEOSAR 接收机设计

BDS MEOSAR 接收机设计框架如图3 所示。主要包括数据采集模块、信号检测模块、载波同步模块以及BCH 译码模块等4 个模块，共同完成搜救信号的接收处理。

图3 接收机设计系统

2.1 数据采集模块

数据采集模块的主要功能是完成搜救信号从模拟到数字的转换，通过4 通道数据采集卡对10 MHz的中频信号进行采集存储。

2.2 信号检测模块

信号检测模块的主要功能是，检测是否存在遇险信标信号并估计出数据比特起始位。由于搜救信号为猝发式且持续时间极短，周期不确定，因此信号检测十分必要。此模块采用双滑动窗口法，即取2 相邻窗口，以一定步进滑动，当2 个窗口都只包含噪声时，它们的和与比值均是恒定的；当猝发信号逐渐进入第1 窗口中，其能量逐渐增大，此时第2 窗口只包涵噪声，2 个窗口的能量比值逐渐增大；当第1 窗口刚好全部为猝发信号、第2 窗口全部包涵噪声时，2 个窗口的能量比值达到最大；此后第2 窗口逐渐包含猝发信号，2 个窗口的能量比值逐渐下降。因此，2 个窗口数值的比值最大时刻即为猝发信号的起始时刻。

2.3 载波同步模块

载波的捕获跟踪过程在信号出现的时刻即开始启动，由于搜救信号持续不足1 s，且信号本身存在较大多普勒频移，所以其载波同步方法不同于常规BDS 导航信号的接收处理[6]。当接收信号多普勒频移较大时，如果直接使用科斯塔斯（Costas）环进行猝发信号的捕获，同步时间较长且极有可能出现环路还未收敛信号就已结束的情况。除此之外，要对此类信号进行捕获，必须增加 Costas 环的环路带宽，以保证较大频偏或者带有频偏变化率的信号进入环路的捕获带内，但这会导致其精度难以满足系统性能要求[7]，且环路噪声功率也会随带宽的增大而增加，当噪声强度超过环路的噪声容限时，环路将进入失锁状态，无法完成载波跟踪[8]。因此考虑先进行载波频偏的预估计，然后再进行精确跟踪。

传统的频率估计算法是直接对未分段的数据进行快速傅里叶变换（fast Fourier transform, FFT），其结果的相关峰值衰减严重；因此，本设计采用短时相关匹配滤波器和 FFT 结合的信号捕获算法，由匹配滤波器及 FFT 运算模块组成。当多段匹配滤波并结合FFT 模块后，相关峰值的衰减变得缓慢，这会增加多普勒偏移的搜索范围。

在信号的跟踪阶段，本地载波数控振荡器（numerical controlled oscillator, NCO）输出与接收信号混频后，经过低通滤波器可滤除高频分量，当接收信号与本地信号同步时，滤波器将输出直流信号。由于信标采用 Manchester 编码方式，每一比特中间都会有符号的跳变，设计积分模块可消掉跳变的影响。鉴相器用于鉴别本地载波与接收信号载波之间的差异，设计采用 4 个象限的反正切鉴相器，实现将差异反馈给载波NCO，载波NCO根据该差异调节本地载波，使其与接收信号载波保持一致。

在跟踪环路的选择上，一般会考虑设计的复杂程度，当采用 2 阶 Costas 环实现环路滤波时，可以实现跟踪10 Hz 以内的多普勒频移。多普勒变化率将产生一定的稳态相差，进而给数据解调带来误差，为克服2 阶环路的这个缺点，采用3 阶环路对频偏进行预估计，之后对较小的多普勒频移进行跟踪。仿真实验结果表明，3 阶环路的入锁时间更短，更适于搜救信号的跟踪。

为从接收信号中恢复信标信息，找到数据位边缘，需进行位同步。采用内插法实现位同步信号提取[9]，之后即开始数据解调，解调原理如下：

式中M为调制的数据位。后可以表示式为

把实部相加，虚部相减，然后对实部与虚部的比值进行4 相限反切鉴相，得到相位φ，根据φ得到M值，即

2.4 BCH 译码模块

二进制的 BCH 译码一般采用彼得森（Perterson）算法、欧几里德（Euclid）算法和布勒卡普-梅西（Blekamp-Massey,BM）算法。对于纠错数较大的 BCH 译码器，一般采用 BM 算法和Euclid 算法，但相较于 Euclid 算法的复杂性，BM迭代算法较为简单。过程分为 3 步：①通过接收多项式计算伴随式；②由伴随式求差错位置多项式；③利用钱氏搜索法确定错误的位置，并对错误进行纠正。

译码过程的关键在于第 2 步，通过伴随多项式的系数sj求错误位置多项式σ(x)的系数σ1,(t为最多可纠正的错误个数），这一步若通过解线性方程组来求，计算量将会很大，当码长较长、纠错能力较大时，计算量也随之加大。BM 算法解决了求σ(x)的速度问题，工程上解决了BCH 的译码问题[10]。

3 BDS MEOSAR 接收机的实现及测试

2018 年 10 月 8 日—15 日在北京市云岗进行了实际数据采集，采用国际卫星搜救系统标准信标为系统提供全链路测试环境。

3.1 数据采集及信号检测

数据采集模块包含 4 个通道，最高支持每秒 12 500 万次的采样速率。模拟信号输入采用交流耦合方式，输入阻抗为50 Ω，满刻度输入电平峰峰值为2 V。模拟数字转换精度为14 位偏置码，与主机传输速率高达1.2 GB/s。

当开机接收时，2 相邻滑动窗口长度取 0.1 s，均以 1 ms 的步进滑动。图 4 所示为本次测试数据接收处理的结果。检测到信号起始时刻和终止时刻分别为1 110.53 和1 633.33 ms，总传输时间522.8 ms，满足长消息格式信标传输时长标准。

图4 信号检测结果

3.2 数据同步及解调

接收处理采样频率为100 MHz，量化比特为16 位。搜救信号的前160 ms 信号为单载波信号，之后的信号是调制信号，则t时刻搜救信号可表示为

式中：A为幅值；为剩余的频偏；为固定的随机相位；为噪声；为 Manchester 调制相位；j为虚数。

通过参数调试，以及FFT 点数至少为 2 倍的匹配滤波相关器个数时效果最佳的原则，最终选定FFT 点数81 920，匹配滤波相关器个数40 000，部分相关器长度200。求解的载波频偏的估计值即傅里叶变换最大值为80 919 Hz，如图5 所示。

图5 FFT 最大值及其位置

跟踪环路参数设计如表2 所示。

表2 跟踪环路参数设计

跟踪结果如图6 所示。解调出数据信息的2 值化结果与发送数据的比对结果如图7 所示，结果表明，接收处理系统可成功跟踪信号，并可将原始信号正确解调且跟踪性能良好，跟踪频率准确，入锁时间短。

图6 跟踪结果

图7 解调结果

3.3 译码

测试采用 BM 迭代算法进行译码，根据信标信号体制分别进行（82,61）和（38,26）的BCH 译码。图8 所示为BCH 译码结果及各字段标准含义，结果与字段标准含义相符，表明接收机可成功纠错译码。其中：前24 位为固定的位同步、帧同步字段；第25 位为1，表明此消息为长消息格式；第26 位为0，表明此信标采用标准位置协议或国家位置协议；第 41 位到第85 位为信标类别标识以及编码的位置信息；第 113 位到第 132 位为经纬度的偏移量。

4 结束语

在搜索救援行动中，BDS 中轨道卫星搜救系统与低极轨和静止轨道卫星相比，可以实现更高定位精度和更短等待时间，可以解决卫星资源和轨道资源短缺的问题；接收机是实现其功能、确保其发挥作用的核心。本文在分析信号结构、接收模块的基础上，给出了详细的设计和实现过程，测试结果证明了其有效性。

图8 BCH 译码结果