航天器测控通道抗干扰通用化测试系统设计

方凯 王希 闫金栋 于澎 胡帆

(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

低、中、高轨航天器处于电磁环境复杂的太空之中，其面临的不同频段、不同种类的干扰信号日益增多[1-3]。航天器受到的空间电磁干扰包括地面干扰、空间干扰、自然干扰、人为干扰等，其中最普遍的就是地面干扰[4]。随着我国经济不断发展、城市化进程不断加快、国防基础设施不断增强，使得地面上有越来越多的通信站、广播站、雷达地面站等，其发射的信号很容易对在轨航天器的测控通道造成影响，极易造成航天器与地面通信不稳定、服务中断等严重后果。因此，具备航天器与地面通信、测距功能的测控分系统，其健壮性与稳定性直接决定了航天器的在轨寿命和生存能力，在地面测试时需要着重关注测控通道抗干扰测试的结果[5-6]。

目前，国内航天器测控体制包含统一S频段(USB)、统一C频段(UCB)、测控数传一体化及直接序列扩频(简称直扩)，其中，抗干扰能力较强的是直扩体制。它的原理是将扩频后的信号分散在信号的宽频带之中，与噪声融为一体[7-9]。这样可以将有用信号隐蔽在噪声内，从而抵制航天器与地面通信中的各种干扰。但是，由于扩频体制传统测试项目中通常只测试抗同频异码多址干扰与抗同频单载波干扰2种工况，导致无法全面验证航天器测控通道的抗干扰性能。

为了更加全面地验证航天器直扩体制下的测控通道抗干扰能力，本文提出了一种抗干扰通用化测试系统，将干扰信号的种类扩充至8种，在原有的同频异码多址干扰和同频单载波干扰之外，添加了宽带阻塞干扰、窄带脉冲干扰、白噪声干扰、扫频干扰、梳状谱干扰及梳状谱扫频干扰，利用抗干扰开关矩阵实现有用信号与干扰信号的衰减、合路、分路、监视和调整干信比的功能，通过对S频段接收机进行捕获时间与捕获概率的测试来验证上行测控通道的抗干扰性能。同时，借助于虚拟仪器与远程控制技术，实现对地面测试设备的集中式管理，以及程控与实时监视的功能，以提升抗干扰测试的自动化能力，提高测试效率。

1 测试系统设计

对于直扩体制而言，抗干扰能力在接收机端的解扩过程中获取。其中，扩频增益的表达式为

(1)

式中：B1为扩频前数字基带信号带宽；B2为扩频信号带宽。

当遥控码速率为4000 bit/s时，进行卷积编码后采用直扩的方式扩频至3 069 000 chip/s,从而完成BPSK调制，其扩频增益Gp根据式(1)计算，约为28.8 dB。

受到接收机系统损耗等影响，遥控通道的抗干扰能力约为15.8 dB。也就是说，当干信比为15.8 dB时，将导致上行遥控信号无法正常捕获进入稳定的跟踪状态，并产生大量误码使得上行通信中断。

在上述理论分析的基础上，本文设计抗干扰通用化测试系统，并分别在干信比10 dB和15 dB时对被测件进行8种抗干扰测试，形成测试结果。

为了加强各个测试设备的集中式管理，将若干测试设备集成至机柜中并集中供电，通过测试网络交换机实现各个测试设备与测试计算机间的交互。

1.1 总体设计

传统的直扩体制抗干扰测试系统通常只涵盖了同频异码多址干扰与同频单载波干扰2种干扰信号，其测试设备单一，没有产生更多种类的干扰信号的能力。同时，测试设备需要分立式管理，具有无法集中控制、参数监视复杂与运营维护较差的缺点。这使得不同轨道高度的卫星无法充足、全面地验证测控通道的抗干扰性能。传统直扩体制抗干扰测试系统设备组成如图1所示。

图1 传统直扩体制抗干扰测试系统设备组成Fig.1 Traditional anti-interference test system components of DSSS system

为了解决传统直扩体制抗干扰测试系统的不足，提高其通用性与便捷操作性，本文设计并搭建了一种适用于直扩体制的抗干扰通用化测试系统。它主要由S频段接收机(被测件)、直扩信号基带设备、上变频器、抗干扰开关矩阵、干扰源1(用于产生宽带阻塞干扰和窄带脉冲干扰)、干扰源2(用于产生白噪声干扰、扫频干扰、梳状谱干扰及梳状谱扫频干扰等雷达干扰信号)、频谱仪、合路器、交换机、高频电缆、转接头、测试计算机等组成，利用测试计算机与测试局域网，通过传输控制协议/因特网协议(TCP/IP)实现对各个测试设备的集中控制、管理与监视的功能。设备间连接关系示意如图2所示。

图2 适用于直扩体制的抗干扰通用化测试系统连接示意Fig.2 Connection diagram of universal anti-interference test system for DSSS system

通用化测试系统首先通过直扩信号基带设备产生70 MHz中频上行信号，通过上变频器后产生上行遥控射频信号送入抗干扰开关矩阵，同时2路干扰源的射频信号通过高频电缆送入开关矩阵之中。通过对抗干扰开关矩阵中的衰减器、微波开关、合路器、功分器等程控设置，实现上行遥控信号和2路干扰信号从输出口输出，经过合路器后由高频电缆送入S频段接收机中，通过频谱仪可以实时监视上行信号的输出频谱和功率。通过手动设置抗干扰开关矩阵中的程控衰减器的值，实现3路信号分别从输出口4、5、6输出，通过合路器将3路信号合路后送至S频段接收机中，经过其内部滤波、转发、放大后，输出70 MHz中频下行信号，经过高频电缆送至直扩信号基带设备。通过测试计算机及利用虚拟仪器技术实现的测试软件，达到程控测试设备、自动化完成捕获时间、捕获概率测试项目的目的。

1.2 核心设备监视软件设计

本文设计的抗干扰通用化测试系统的核心硬件设备为干扰源与抗干扰开关矩阵。干扰源可以产生更多种类的干扰信号，以实现全面验证航天器测控通道抗干扰能力的目标；抗干扰开关矩阵可以通过切换内部的微波开关及调整各个支路的衰减，以达到不同干信比的测试需求。所有测试设备均统一集成至机柜之中，集中供电、集中管理。

传统的干扰源与抗干扰开关矩阵通常无法实时监视设备参数，当需要设置干扰信号的类别，以及设置抗干扰开关矩阵的衰减量、切换通道时，远程遥控与监视不够便捷，往往需要到设备旁进行确认并手动设置，往往使测试时间延长，导致测试效率低。本文通过测试局域网的交互技术实现对干扰源与抗干扰开关矩阵的实时控制与遥测监视，通过测试计算机设置相关参数并可监测到设备的实时状态，如图3所示。利用测试计算机集中控制的方式，对干扰源的干扰信号参数进行设置，同时通过调整衰减值来控制输出信号功率的大小；实现对抗干扰开关矩阵内部结构的图形化显示，既可以通过上位机软件控制内部衰减器的值，又可以实现不同信号之间的组合、干信比大小设置及内部器件遥测参数的监视，提高操作的便捷性与测试效率。

利用虚拟仪器技术，可以实时监视上行遥控信号的频谱；通过内部的虚拟仪器软件结构(VISA)协议，实现控制与显示频谱仪参数的功能。专用于产生宽带阻塞干扰和窄带脉冲干扰信号的干扰源，可以通过软件无线电的方式进行对不同干扰信号的设置，也可以利用测试计算机通过远程的方式进行控制和监视干扰源状态。以宽带阻塞干扰信号为例，产生中心频点2.1 GHz、信号带宽40 MHz、积分功率-33 dBm的宽带干扰信号，如图4所示。用于产生雷达干扰信号的干扰源，具体包含了白噪声干扰、扫频干扰、梳状谱干扰及梳状谱扫频干扰。至于控制方式，可以利用上位机，也可以通过远程的方式进行独立控制与监视。以白噪声干扰信号为例，产生时域连续、幅度特征为随机起伏、中心频率2.1 GHz、调频带宽20 MHz、幅度起伏周期为0.2 ms、积分输出功率为-33 dBm的干扰信号，如图5所示。

图3 干扰源和抗干扰开关矩阵界面Fig.3 Interface of interference source and anti-interference switch matrix

图4 宽带干扰信号示例Fig.4 Demonstration of broadband interference signal

图5 白噪声干扰信号示例Fig.5 Demonstration of white noise interference signal

1.3 自动化测试软件设计

在进行抗干扰测试时，需要对上行捕获时间和捕获概率进行测量。测试计算机中所含的自动化测试软件，通过测试局域网实现对抗干扰通用化测试系统内的各个设备进行集中化管理、控制与监视，并完成相关测试项目，生成测试数据。

传统测试软件通常只针对某种特定的测控体制进行测试，具有通用化与自动化程度较低、人机交互不够友好及操作繁琐等缺点；同时，测试系统内的各个设备厂家不同、类型不同，一键式集中控制所有设备的能力较差。针对抗干扰通用化测试系统，本文设计并实现了自动化测试软件。首先，定义并编写测试系统中直扩信号基带设备、频谱仪、抗干扰开关矩阵及干扰源的插件库，使测试计算机可以通过测试局域网进行控制及状态参数的观测；然后，整合并形成测试序列，为抗干扰测试捕获时间、捕获概率作好准备。当具备测试状态时，调用驱动函数执行控制命令并开始运行测试序列库，测试结束后产生测试数据并对其进行整理和分析。该自动化测试软件可以实现统一集中控制测试系统内不同厂家、不同类型的设备，通用化程度较高，具备解放人力、提高测试效率的优点。自动化测试软件原理如图6所示。

在进行抗干扰测试时，利用虚拟仪器技术，通过实验室虚拟仪器工程工作平台(LabVIEW)软件实现对于直扩体制下抗干扰项目中捕获时间和捕获概率的测试。其具体流程为：首先，进行初始化参数配置、测试设备的初始化；然后，通过远程控制技术完成相关参数的选定、改变、赋值，从而完成在不同种工况下的抗干扰测试。每种工况下的抗干扰测试结束后，需要生成测试结果并将地面测试设备复位。测试流程如图7所示。

图6 自动化测试软件原理Fig.6 Schematic diagram of automated test software

图7 测试捕获时间、捕获概率流程Fig.7 Flow of capture time and capture probability test

2 测试系统验证

为了对抗干扰通用化测试系统进行验证，搭建如图8所示的测试系统。为了方便管理测试设备，将S频段接收机、上变频器、直扩信号基带设备、干扰源、抗干扰开关矩阵、交换机、频谱仪等统一集成至机柜中。对直扩体制信号进行抗干扰试验验证，在不同的测试条件下完成相关抗干扰试验，进行扩频测控系统的捕获跟踪性能测试，具体过程见图9。

以梳状谱扫频干扰为例，干扰源2输出的干扰信号具体参数如表1所示。通过有用信号与干扰信号合路输出后，上行监视口通过频谱仪测量到的上行遥控射频信号频谱如图10所示。

在进行抗干扰测试时，借助LabVIEW软件实现的测试软件对捕获时间与捕获概率进行测量。首先，输出干扰信号，此时下行接收通道处于失锁状态，如图11所示。调整抗干扰开关矩阵衰减值，使S频段接收机入口处中强电平直扩信号功率为-78 dBm、干信比为15 dB时，下行通道成功捕获，捕获时间1.432 s，并进入到稳定的跟踪状态。

通过观察码锁定状态、载波锁定状态、下行功率、接收自动增益控制(AGC)电平、信噪比(SNR)指示，可以观察直扩信号捕获跟踪后的相关状态，如图12所示。

图8 抗干扰通用化测试系统实物Fig.8 Physical diagram of universal anti-interference test system

图9 抗干扰通用化测试过程Fig.9 Test process of universal anti-interference

表1 梳状谱扫频干扰信号参数Table 1 Parameters of comb spectrum sweeping interference signal

图10 受梳状谱扫频干扰的上行遥控信号Fig.10 Uplink remote control signal interfered by comb spectrum sweeping

图11 下行失锁示意Fig.11 Diagram of downlink unable to capture

利用本文设计并搭建的抗干扰通用化测试系统，在8种信号的干扰下进行干信比在10 dB /15 dB、S频段接收机直扩信号接收功率-48 dBm/-78 dBm条件下的捕获时间和捕获概率测试，捕获时间均小于4 s，3次捕获概率均为100%，表明测试结果一切正常，优于传统抗干扰测试系统的测试结果。具体测试结果见表2。

表2 测试结果对比Table 2 Comparison of test results

从表2可以看出：与传统抗干扰测试系统相比，本文设计的抗干扰通用化测试系统可以实现8类干扰信号在不同干信比下的测试，可以较为全面地验证航天器上行测控通道的抗干扰能力，捕获时间、捕获概率测试结果均正常。同时，利用监视软件和自动化测试软件，测试时间缩短了20%以上，提高了测试效率及地面测试设备的操纵便捷性、直观性与通用性。

3 结束语

本文设计了航天器测控通道抗干扰通用化测试系统，通过上位机软件可以实时且直观地观测到测试数据与测试结果，通过自动化测试软件可以实现一键式自动化测试，提高了测试效率，同时也可以根据测试设备关键遥测参数的变化、频谱监视、远程控制等方式实现抗干扰测试系统的集中控制与判读。通过抗干扰试验的捕获时间、捕获概率验证结果表明：本文提出的抗干扰通用化测试系统覆盖干扰信号的种类较为全面，能充分验证航天器测控通道的抗干扰能力，可应用于后续航天器测控通道抗干扰性能试验。