脉冲超宽带技术在航天测控系统中的应用*

廉　昕，王元钦，侯孝民，孟祥利

(装备学院 光电装备系，北京 101416)



脉冲超宽带技术在航天测控系统中的应用*

廉昕，王元钦，侯孝民，孟祥利

(装备学院 光电装备系，北京 101416)

针对当前航天测控系统安全性不足的问题，将脉冲超宽带技术应用于航天测控系统中，构建了一种新的脉冲超宽带测控体制。建立了基本的脉冲超宽带测控信号模型，对脉冲超宽带测控系统的性能和传输链路进行了分析。给出了脉冲超宽带测控系统结构框图，介绍了系统工作过程。针对并行信号捕获方法资源消耗大的不足，提出了两步并行捕获方法。分析表明，脉冲超宽带技术可用于航天测控系统中，完成测距测速和数据传输任务。脉冲超宽带测控系统可有效提高测控系统的隐蔽性和抗干扰能力，同时提高测距精度。在信号捕获方面，与并行捕获方法相比，两步并行捕获方法的硬件资源消耗得到大大降低，同时还可保证较快的捕获速度，但会产生一定的信噪比损失。

航天测控；脉冲超宽带技术；安全性；系统设计；信号捕获

1　引　言

随着航天技术的发展，世界各国在航天领域的竞争日趋激烈。航天测控系统负责对航天器进行跟踪、测量和控制，为一切航天活动提供有力的支持和保障，是航天工程系统中的重要组成部分。目前航天测控系统的安全性越来越受到重视，未来的测控系统需要在提高测量性能的同时，努力提高信息传输的隐蔽性和抗干扰性。

我国现行的航天测控系统主要有统一载波测控系统、统一扩频测控系统以及直扩/跳频混合扩频测控系统等，但系统的安全性一直是一个薄弱环节。统一载波测控系统由于信号带宽较窄，能量较为集中，信号隐蔽性和抗干扰性差，很容易被敌方干扰和截获。统一扩频测控系统利用直扩技术增大了信号带宽，在一定程度上增强了系统的隐蔽性和抗干扰性，但仍比较有限[1]；而且随着直扩信号截获技术的发展，该系统目前面临很大的威胁。而直扩/跳频混合扩频测控系统在统一扩频系统的基础上，结合跳频技术，以频域躲避的方式进一步提高了系统的抗干扰能力；但其信号瞬时带宽与统一扩频系统相比并未增大，测量精度并未提高，且系统实现的复杂度高，信号同步捕获的难度大、时间长[2]。

脉冲超宽带(ImpulseRadioUWB,IR-UWB)技术是20世纪90年代才开始快速发展起来的一项新兴的无线通信技术，被认为是无线电领域革命性的进展。它利用时域极窄的脉冲作为信息传输的载体，其信号带宽可达吉赫量级[3]。脉冲超宽带技术具有抗干扰、抗截获能力强、隐蔽性好、穿透能力强、定位精度高等诸多优点，目前已广泛应用于军用隐蔽通信、短距离高速数据传输、医疗救援、定位跟踪、射频识别等领域[4-5]。

将脉冲超宽带技术引入到航天测控系统中，可大大提高测控系统的隐蔽性和抗干扰性，同时还可提高测量精度。本文利用脉冲超宽带技术的独特优势，探讨脉冲超宽带技术在航天测控系统中的应用，构建脉冲超宽带测控新体制，并对整个测控系统的组成、原理及其实现方法进行设计与分析。

2　信号模型

直接序列-脉冲幅度调制(DirectSequence-PulseAmplitudeModulation,DS-PAM)信号是一种常用的脉冲超宽带信号体制，具有抗干扰能力强、传输距离远、信号形式简单等优点。它首先对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PAM调制。这里采用脉冲极性调制，即将信息调制到脉冲的极性上，也可认为是对脉冲的BPSK调制[6]。

由于无载波调制的脉冲超宽带信号包含直流分量，信号发射天线的增益不易做到很高。要想适用于远距离传输的测控系统，可对DS-PAM信号进行载波调制，将信号频谱搬移到射频上，得到载波调制DS-PAM信号，其表达式为[7]

(1)

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；Tf为一个信息比特持续时间；Tr为脉冲重复周期；fc为载波频率。

在该信号模型中，通常一个伪码码元对应一个脉冲，码元宽度等于脉冲重复周期，码速率Rc=1/Tr。而每个数据信息比特经一个周期的伪码进行调制后，最终由Nc个单脉冲表示，其持续时间为Tf=Tr·Nc，数据率Rb=1/Tf。其脉冲、伪码、数据之间的对应关系示意图如图1所示。

图1DS-PAM调制信号示意图

Fig.1SchematicdiagramofDS-PAMsignal

将DS-PAM信号与正弦载波信号相乘，即可得到载波调制DS-PAM信号。这里设脉冲宽度Tp=2ns，伪码速率Rc=102.3MHz，伪码码长Nc=1 023，载波频率fc=26GHz，则该信号的时域波形和功率谱密度如图2所示。

(a)时域波形

(b)功率谱密度

图2载波调制DS-PAM信号

Fig.2ThecarriermodulationDS-PAMsignal

3　可行性分析

3.1性能简析

下面对脉冲超宽带信号的隐蔽性、抗干扰性和测量性能进行简要分析。

简单来讲，信号的隐蔽性主要体现在其功率谱密度上。功率谱密度越低，以至藏在噪声之下，信号的隐蔽性越强。脉冲超宽带信号的带宽极宽，可达吉赫量级。在信号功率一定的情况下，其谱密度极低，隐蔽性极强。

信号的抗干扰性能可体现在系统处理增益上，处理增益越大，其抗干扰能力越强。DS-PAM信号的处理增益为[8]

(2)

式中：N为一个数据比特所占用的脉冲个数；L为脉冲占空比的倒数，即L=Tr/Tp。

可知，在码速率相同的情况下，DS-PAM信号的处理增益是直扩信号的L倍。脉冲超宽带信号更大的处理增益带来了其更强的抗干扰能力。

而对于信号的测量精度，直接取决于信号带宽，带宽越宽，其测距精度越高[9]。脉冲超宽带信号由时域极短的脉冲构成，带宽极宽，具有很高的测距精度。例如：脉冲宽度Tp=2ns的脉冲超宽带信号的距离分辨率为c·Tp/2=0.3m；当信号同步精度达脉冲宽度的1/3甚至更高时，其测距精度可达厘米量级。

综上，将脉冲超宽带技术引入到航天测控系统中，可有效提高测控系统的隐蔽性和抗干扰能力，在增强数据传输安全性的同时，还可提高测距精度，满足未来航天测控系统的需求。

另外，需要说明的是，目前国际上对超宽带系统的使用频段和信号发射功率有一定的限制[10]。然而，脉冲超宽带测控系统作为应急隐蔽测控系统，其优先级很高，所使用的频段和信号发射功率可不受约束。对于使用频段，目前Ka频段主要用于卫星通信、高速数传等，可用频带较宽，且干扰较少，适合脉冲超宽带测控系统进行远距离测控通信。

3.2链路计算

目前，脉冲超宽带通信系统大多用在短距离环境下。而对于测控系统，信号要在自由空间中传播相当遥远的距离。这里利用自由空间传输模型对脉冲超宽带系统的空间链路进行简要分析。

设信号发射功率为Pt，发射天线增益为Gt，经自由空间传播了距离d后，接收天线接收到的信号功率表达式为[11]

(3)

式中:Gr为接收天线增益；λ=c/f为信号波长,f为信号频率,c为光速。

由于脉冲超宽带信号的带宽极宽，其信号发射功率可表示为[12]

(4)

这里可只考虑-10dB带宽之内的信号功率。同时，考虑到信号的频率变化范围很大，不能将λ看作一个固定值。因此，对于脉冲超宽带信号，其接收信号功率的表达式为

(5)

式中:fH和fL分别为信号-10dB带宽对应的最高频率和最低频率。

由此可得脉冲超宽带信号的传播距离为

(6)

而接收机能顺利对信号进行接收处理所需要的最小接收功率为[12]

Pr=kTB·(S/N)=kT(Eb/N0)Rb。

(7)

式中:k为玻尔兹曼常数;T为等效热噪声温度;B为信号带宽;S/N为接收信噪比;Eb/N0为每比特信号能量与噪声功率谱的比值;Rb为信息速率。

因此，脉冲超宽带信号空间传播距离的最终表达式为

(8)

式中:(Eb/N0)thr为达到一定接收误码率要求所需要的Eb/N0;F=T/T0为噪声系数;T0=290K为室温;M为系统余量。

这里以载波调制DS-PAM信号为例进行仿真。设脉冲宽度Tp=2ns，伪码码长Nc=1 023，载波频率fc=27GHz，信号发射功率为5W，Gt=20dB，Gr=10dB，误码率要求BER=10-6(对应的(Eb/N0)thr≈11.3dB)，噪声系数F=6dB，系统余量M=5dB,可得信息传输速率Rb与信号传输距离的关系如图3所示。

图3载波调制DS-PAM信号的空间传输距离

Fig.3ThetransferringdistanceinfreespaceofcarriermodulationDS-PAMsignal

由图可知，信息传输速率越低，信号传播距离越远。当数据速率低于140kb/s时，信号的传输距离可达200km以上，满足低轨卫星测控的传输距离要求。通过增加发射信号功率或提高天线增益等措施，可进一步增大信号的传输距离。

4　系统组成及原理

脉冲超宽带测控系统由地面设备和星上应答机两部分构成。设备主要由天线、双工器、功率放大器、上变频器、低噪声放大器、下变频器、宽带滤波器以及基带扩频和脉冲调制解调器等组成。整个系统的结构框图如图4所示。

(a)地面设备

(b)星上应答机

图4脉冲超宽带测控系统框图

Fig.4BlockdiagramofIR-UWBTT&Csystem

地面设备负责发射上行遥控指令信息和测距信号，同时接收来自星上应答机的下行遥测信号和测距信号，通过对信号的捕获跟踪和解扩解调，得到测距测速信息和遥测数据信息。星上应答机接收上行遥控指令信号，通过数据解调得到遥控指令信息并送到星上执行机构，同时对测距信号进行转发，并发射下行遥测信号。

信号基本的调制方式为QPSK调制，根据不同的测控业务，两种信号可利用相互独立且正交的两路分别进行传输。在发射端，一方面上行遥控指令信息(下行遥测数据信息)经过伪码扩频调制，再对脉冲进行PAM调制；另一方面，由伪码产生器产生测距长码，直接对脉冲进行PAM调制。对以上两路信号进行QPSK调制后，统一进行上变频和宽带功率放大，最后被超宽带天线发射出去。而在接收端，由超宽带天线接收到的信号经场放放大，然后进行下变频和宽带滤波送给基带处理。基带部分通过伪码同步、载波同步、解扩和数据解调处理，最终获得遥控遥测数据信息和测距测速信息。

在脉冲超宽带测控系统中，测距方法主要采用脉冲伪码复合测距。利用脉冲测距可提高测量精度，利用伪码测距可解距离模糊，保证足够的无模糊测量距离。脉冲超宽带信号的测距精度主要与信噪比和脉冲宽度有关，而其最大无模糊距离与扩频伪码码长和码元持续时间成正比，即

(9)

式中:Tc为码元持续时间;c为光速。

而在测速方面，脉冲超宽带测控系统可仿照统一扩频测控系统，利用快速傅里叶变换等方法对载波多普勒频率进行估计，得到测速信息。但由于信号由时域极窄的脉冲构成，在测距性能优良的同时，其测速性能有所欠缺。经分析，在相同条件下，脉冲超宽带信号要想达到与直扩信号相同的测速精度，其所需信号积分时间为直扩信号的L倍。

在脉冲超宽带测控系统中，各信号参数可根据系统指标进行合理选取,如:根据测控距离需求选取合适的信号发射功率；根据抗干扰能力需求和最大无模糊距离要求选取合适的脉冲重复频率(伪码速率)和测距伪码码长；根据测距精度要求，选取合适的脉冲宽度。

5　信号的捕获

脉冲超宽带信号具有很强的隐蔽性，不易被检测和截获，但同时也给系统自身对信号的同步捕获带来了困难。由于窄脉冲信号仅存在于极短的时间内，导致对脉冲超宽带信号的捕获搜索空间很大，信号捕获所需时间很长。

对于DS-PAM信号，若伪码的码长为Nc，脉冲占空比的倒数为L，搜索步进为1/2脉冲宽度，则共需要搜索的相位空间数为D=2NcL。若采用串行捕获方法，则最长捕获时间达D个伪码时间周期。因此，对脉冲超宽带测控信号的捕获需采用并行捕获方法，在同一时间内对多个相位进行处理判决，以大大缩短捕获时间,其原理框图如图5所示[8]。

图5脉冲超宽带信号的并行捕获方法

Fig.5TheparallelacquisitionmethodofIR-UWBsignal

假设接收信号已经过下变频去除了载波，其表达式为

(10)

式中：τd为信号时延；n(t)为噪声。

本地并行产生D个模板信号，分别与接收信号进行相关运算，最后通过最大值判决找到最佳匹配信号，即完成了对信号的捕获。在图5中，si(t),si(t-τ),…si[t-(D-1)τ]为本地产生的D个模板信号，各信号之间仅相差1/2脉冲宽度的时间，即τ=0.5Tp。本地模板信号的表达式为

(11)

该并行捕获方法可在一个积分时间内同时对全部D个相位进行搜索，与串行捕获方法相比，其捕获时间缩短了D倍。但该方法需要D个相关器，硬件资源消耗巨大，实现难度大。

由于捕获搜索空间分为伪码相位和脉冲相位两部分，因此可采用两步并行捕获方法对信号进行捕获，第一步先对伪码相位进行捕获，第二步再对脉冲相位进行捕获。该方法的原理框图如图6所示。

首先对伪码相位进行捕获。本地并行产生Nc个模板信号，分别与接收信号进行相关运算，通过最大值判决即可捕获到伪码相位。这里的模板信号仅用伪码信号即可，不需调制脉冲，各路信号相差一个码元宽度。

在完成了伪码相位捕获后，再对脉冲相位进行捕获。本地再产生2L个模板信号，其表达式与式(11)相同，但其伪码相位已确定，各信号之间仅相差1/2脉冲宽度。各路再次与接收信号进行相关运算，再次进行最大值判决，即得到了脉冲相位，从而完成对整个信号的捕获。

图6脉冲超宽带信号的两步并行捕获方法

Fig.6Thetwo-stepparallelacquisitionmethodofIR-UWBsignal

下面对以上各捕获方法的性能进行简要对比分析。若采用单驻留时间捕获检测，其平均捕获时间为[13]

(12)

式中，Pd为检测概率；Pfa为虚警概率;K为虚警代价因子；D为搜索相位空间数；TL为单次驻留时间，这里为一个伪码时间周期。

可知，平均捕获时间主要与搜索相位空间数和单次驻留时间有关。这里设Pd=1，Pfa=0.01，K=100，D=2NcL，则各捕获方法的性能对比见表1。

表1各捕获方法的性能对比

Tab.1Performancecomparisonamongacquisitionmethods

方法平均捕获时间所需相关器个数串行捕获方法2NcLTL1并行捕获方法TL2NcL两步并行捕获方法2TLNc+2L

通过对比可知，本文提出的两步并行捕获法的平均捕获时间为并行捕获方法的2倍，但要比串行捕获方法短很多；而其所需相关器的个数仅为Nc+2L，硬件资源消耗与并行捕获方法相比大大减小。然而，由于该方法的第一步采用的模版信号为直扩伪码信号，在相关捕获时会造成10lg(Tr/Tp)dB的信噪比损失，从而影响捕获性能。

6　结束语

本文利用脉冲超宽带技术的优势，讨论了脉冲超宽带技术在航天测控系统中的应用，提出了脉冲超宽带测控新体制。经分析可知，脉冲超宽带信号的隐蔽性和抗干扰能力很强，其测距精度可达厘米量级。由于系统的优先级较高，其信号发射功率和使用频段可不受当前限制，其传输距离可满足测控系统的需求。脉冲超宽带测控系统通过对信号的捕获跟踪和解扩解调，可完成测距测速和遥测遥控数据传输任务。为了缩短信号捕获时间，可采用并行捕获方法对脉冲超宽带测控信号进行捕获，但其硬件资源消耗太大。而采用两步并行捕获法可大大降低硬件资源消耗，同时保证较短的捕获时间，但该方法会造成一定的信噪比损失。

总之，将脉冲超宽带技术引入到航天测控系统中，可有效提高测控系统的隐蔽性和抗干扰能力，同时提高系统的测距精度，可为未来应急隐蔽测控系统的构建提供一定的参考。但其测速精度较差，信号捕获难度大、时间长，在后续的工作中需对速度测量、信号的快速捕获等关键技术进行深入研究。

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廉昕(1987—)，男，吉林长春人，2012年获硕士学位，现为博士研究生，主要研究方向为航天测控系统、脉冲超宽带技术、高速数字信号处理；

LIANXinwasborninChangchun,JilinProvince,in1987.HereceivedtheM.S.degreein2012.HeiscurrentlyworkingtowardthePh.D.degree.HisresearchconcernsspaceTT&Csystem,impulseradioUWBtechnology,andhigh-speeddigitalsignalprocessing.

Email:lianxin20032002@aliyun.com

王元钦(1963—)，男，黑龙江牡丹江人，2012年获博士学位，现为教授、博士生导师，主要研究方向为航天测控系统、数字信号处理；

WANGYuanqinwasborninMudanjiang,HeilongjiangProvince,in1963.HereceivedthePh.D.degreein2012.HeisnowaprofessorandalsothePh.D.supervisor.HisresearchconcernsTT&Csystemanddigitalsignalprocessing.

侯孝民(1968—)，男，陕西韩城人，2006年获博士学位，现为教授、博士生导师，主要研究方向为航天测控系统、数字信号处理；

HOUXiaominwasborninHancheng,ShaanxiProvince,in1968.HereceivedthePh.D.degreein2006.HeisnowaprofessorandalsothePh.D.supervisor.HisresearchconcernsspaceTT&Csystemanddigitalsignalprocessing.

孟祥利(1991—)，男，山东潍坊人，2014年获学士学位，现为硕士研究生，主要研究方向为航天测控系统、脉冲超宽带技术。

MENGXiangliwasborninWeifang,ShandongProvince,in1991.HereceivedtheB.S.degreein2014.Heisnowagraduatestudent.HisresearchconcernsspaceTT&CsystemandimpulseradioUWBtechnology.

ApplicationofImpulseRadioUWBTechnologyinSpaceTT&CSystem

LIANXin，WANGYuanqin，HOUXiaomin，MENGXiangli

(DepartmentofOpticalandElectricalEquipment,TheAcademyofEquipment,Beijing101416,China)

AccordingtothesecurityshortcomingofcurrentspaceTT&Csystem,theimpulseradioultra-wideband(IR-UWB)technologyisintroducedintoTT&Csystem,andanewIR-UWBTT&Csystemisestablished.AbasicIR-UWBTT&Csignalmodelisbuilt,andtheperformanceandtransmissionlinkofthesystemareanalyzed.ThestructurediagramoftheIR-UWBTT&Csystemisgiven,andthewholeworkingprocessofthesystemisintroduced.Accordingtotheexcessiveresourceconsumptionoftheparallelsignalacquisitionmethod,anewtwo-stepparallelacquisitionmethodisproposed.AnalysisshowsthattheIR-UWBtechnologycanbeusedinTT&Csystemtoaccomplishrangeandrangeratemeasurementanddatatransmission.TheIR-UWBTT&Csystemcaneffectivelyimprovetheconcealmentperformanceandanti-interferenceabilityofTT&Csystem,andimprovetherangemeasurementaccuracyatthesametime.Asforsignalacquisition,comparedwithparallelacquisitionmethod,thehardwareresourceconsumptionofthetwo-stepparallelacquisitionmethodisgreatlyreduced,andthismethodcanalsoguaranteeafastacquisitionspeed,butitwillbearcertainsignal-to-noiseratio(SNR)loss.Keywords：spaceTT&C;impulseradioUWBtechnology;securityperformance;systemdesign;signalacquisition

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.09.010

2016-03-02；

2016-04-18Receiveddate:2016-03-02；Reviseddate：2016-04-18

V556.6；TN914.2

A

1001-893X(2016)09-1005-06

引用格式：廉昕，王元钦，侯孝民，等.脉冲超宽带技术在航天测控系统中的应用[J].电讯技术，2016,56(9):1005-1010.[LIANXin，WANGYuanqin，HOUXiaomin，etal.ApplicationofimpulseradioUWBtechnologyinspaceTT&Csystem[J].TelecommunicationEngineering,2016,56(9):1005-1010.]

**通信作者：lianxin20032002@aliyun.comCorrespondingauthor：lianxin20032002@aliyun.com