再生伪码测距技术研究综述

彭保童，马 宏

(中国人民解放军装备学院， 北京 101416)



【信息科学与控制工程】

再生伪码测距技术研究综述

彭保童，马 宏

(中国人民解放军装备学院， 北京 101416)

针对深空测距信噪比低，测距精度差等问题，提出了再生伪码测距的思想；通过对再生伪码测距的基本原理的分析，介绍了再生伪码测距的优势；测距码方面主要分析了测距复合码的发展历程、组合方式，针对权重平衡Tausworthe码中的T2B以及T4B码的特点进行了分析，对测距码的捕获技术和原理进行了概述；同时，分析了再生伪码测距的最新研究成果；最后，针对再生伪码测距中子码序列捕获的最大值搜索算法以及测距信号传输过程中与遥测遥控的兼容性问题进行了表述，为接下来的研究提供了方向。

再生伪码测距；测距码；捕获

测距技术是深空测控中的一个重要方面，其目的是确定地球和航天器之间的距离，测量的距离在数百万公里的量级上，具有m级精度[1]。在深空探测过程中采用脉冲测距的方式显然无法满足测距需求[2]。目前的深空测距方式主要有连续波测距和伪随机码测距两大类[3]。随着人类对更远距离的深空的探测，一些常用测距技术已经无法满足要求。例如用侧音测距，它通过侧音实现结模糊度，随着探测距离的延伸，为了保证足够的解模糊能力，需要发射的侧音数量也会相应增加[4]，造成测距技术繁琐，因此，侧音测距适用于近空探测。再生伪码测距有效解决了解模糊能力和测距精度问题[5]，本文在目前的研究基础上，针对再生伪码测距技术中存在的问题提出了下一步的研究方向。

1 再生伪码测距技术

在地面深空站，采用相位调制的方式将测距复合码以线性调制的方式调制到上行链路遥控副载波上[6]，在有效带宽范围内，为了保证测距信号的码速率，需对上行信号进行基带滤波[7]。如图1所示，当上行信号被目标航天器接收后，位于航天器上的应答机可以实现对上行载波的跟踪和处理，通过解调获取测距信号复合码的速率、相位等信息，在应答机上实现测距伪码的再生[8]，通过调制将再生测距码调整到下行链路的遥测副载波上[9]。当地面深空站接收到再生伪码测距信号后，将接收到的测距伪码与本地伪码序列进行相关处理，经过计算得到时延值，根据时延值即可得到航天器与地面测控站的距离信息[10]。地面测控站通过对时延的相关处理得到航天器的距离信息。

图1 再生伪码测距原理框图

再生伪码测距相对于传统的非再生伪码测距具有多方面的优势。首先，再生伪码测距在低信噪比条件下能够得到更高的测距精度；其次，再生伪码测距通过子码的逻辑组合获得的周期很长，为所有子码码周期的乘积。周期长，测距的无模糊距离也就越大，解模糊能力也就越强[11]。由于测距信号通过调相的方式调制到遥测/遥控载波上，使得效率增高。最后，由于在航天器的应答机实现了测距伪码的再生，消除了上行信号引入的热噪声，提高了下行测距信号的信噪比[12]。

再生伪码测距具有其他非再生伪码测距的优点：

1) 由于再生了信号，不存在因为测距通道的前端滤波器滤掉信号高次谐波引起信号质量下降的问题；

2) 由于再生测距码跟踪的环路带宽非常小，噪声大大减少；

3) 根据上行信号强度不同，再生方法最高能将返回到测距设备的测距信号信噪比提高30 dB[13]，这部分增益可以分配到3个方面提高性能，一是测距时间和下行测距信号调制度不变，提高测距精度；二是减少测距信号的调制度，从而增加遥测信号的功率；三是提高捕获概率，减小捕获时间，从而减少测距时间[14]。

2 测距码分析

2.1 测距码

NASA在Apollo登月初期论证阶段提出的测距PN码为单码结构，很显然为了保证足够的解模糊能力，伪码码长很长，为了保证测量精度，码元宽度很窄，当时选取的PN码码长是3 305 636和3 402 265[15]。按照该码长设计的测距系统尽管可以工作，但捕获时间过长，为此采用复合码测距技术。

复合码由多个子码按照布尔代数运算逻辑构成，复合码周期为组成复合码的各子码周期之积，但复合码捕获时间仅为各子码捕获时间之和。因此，复合码测距可以克服单码测距捕获时间过长的问题，保证较强的解模糊能力。

1963年R.C.Tisworth在“最佳测距码”报告中对子码选择原则进行了研究。根据R.C.Tisworth研究报告，当子码周期vi=n(p)t/2=e时，系统获得最佳捕获时间[14]。实际上，由于组成复合码的各子码必须互质，因此，R.C.Tisworth研究报告中设定的条件无法使系统获得最佳捕获时间，系统设计只能在理论与实际之间平衡选择各个子码，以使系统捕获时间接近最佳捕获时间。在R.C.Tisworth研究报告中，推荐的组成复合码的各子码码长分别为：2，7，11，15，19，23，31，……[16]。最早应用伪码测距的是美国的NASA深空测控站，服务于Apollo登月任务。按照R.C.Tisworth子码选择原则，Apollo登月任务时的测距伪码采用4个子码和1个钟码组合成复合码，子码长度如下：组合逻辑为cl⊕x·(a·b+b·c+a·c)，其中cl为时钟码，频率设置为496 kHz；a，b，c，d分别为4个子码；复合码的周期为5.4 s，对应的最大无模糊距离为1.62×107km[17]。

Apollo号执行任务时，遥控数据经复合伪码扩频后调制于上行载波，变频、放大后由地面测控站发送给Apollo飞船，Apollo飞船解扩伪码信号后，二次调制于下行载波，变频、放大后向地面发送。地面接收机接收该信号，并对其进行放大、变频后送解扩接收机。解扩接收机首先对时钟信号捕获，然后逐步实现x码，a码，b码和c码的捕获，最终实现接收伪码和本地伪码的相关[18]。

鉴于复合伪码测距的优势，在1973年前后，喷气推进实验室(JPL)选取长度为2，7，11，15，19和23的伪随机码，如图2所示，通过新的逻辑组合方式将6个伪随机码复合成新的测距码(JPL99码)，在接下来的行星以及月球航天器的测距系统中得到应用。其逻辑组合方式：C=C1∪(C2∩C3∩C4∩C5∩C6)[19]。

同时，国际空间系统咨询委员会(CCSDS)在JPL99码的基础上再次对测距码提出了改进，制定了相应的测距码标准，采用与JPL99码相同的伪随机子码序列。但是，采用的逻辑组合方式不同。其逻辑组合方式为：C=sign(v×C1+C2-C3-C4+C5-C6)，命名为权重Tausworthe码。在CCSDS 建议书中，主要采用两种权重Tausworthe码，即v=2或v=4两种方案，分别命名为T2B码和T4B码[20]。

图2 6个子码序列

2.2 权重T2B/T4B码

由上节可以得知，v=2或v=4时可以得到两种权重Tausworthe码，其逻辑公式分别为：

T2B=sign(2C1+C2-C3-C4+C5-C6)

T4B=sign(4C1+C2-C3-C4+C5-C6)

根据逻辑公式可以清楚的看出，T4B的码钟序列的权重是T2B的两倍，通过仿真比较T2B和T4B的频谱可以发现，T4B的码钟分量的功率更大[21]。

T2B码相对于T4B码具有较弱的测距时钟分量，并且将以测距测量中的较大抖动为代价而具有较快的捕获时间[22]。T2B码应该用于捕获时间是主要关注的测距系统，例如，在预期测距SNR非常低的任务中，采用T2B码可以在一定的测距精度范围内实现快速捕获。

T4B码相对于T2B码具有更强的测距时钟分量，并且以稍长的捕获时间为代价而具有更高的测距精度。T4B码应该用于测距精度是主要关注的测距系统，例如用于无线电科学[23]。

3 测距码捕获技术分析

通过Tausworthe码的逻辑公式可以看出，测距码中包含了1个时钟码，存在显著的码钟分量，因此在进行测距码同步时首先跟踪解调测距码中的时钟分量，实现时钟码的同步，即让接收伪码的钟码和本地伪码的钟码初始相位一致，然后再进行其余子序列的同步，这些功能主要在码跟踪环(chiptrackingloop，CTL)中实现[24]。码跟踪环完成对接收到的测距码信号中时钟码的捕获和跟踪，即实现码元的初始相位的捕获[25]。码跟踪环输出的恢复时钟驱动子码生成器恢复各子码序列，接收的码序列分别与本地生成的6个子码序列做相关工作，经过多次相位累加，输出值经过最大值检测，确定本条子码最大值对应的相位，然后输出这6个实时的相位值，即可求出复合码的相位[26]。

接收到的码序列与本地子码序列的相关工作由子码相关器组来完成，如图3所示。在航天器的应答机上，再生伪码测距采用串并行捕获的方法，即码间并行捕获，码内串行捕获[27]。因此，航天器上采用6个相关器组并行捕获。在地面站，由于忽略了体积的限制，采用全并行捕获的方式，即76个相关器组并行捕获，因此，地面站相比航天器上的捕获时间要短得多[28]。

图3 相关器组

4 子码捕获原理

子码的捕获成功与否取决于相关器组，相关器组通过将本地生成的伪码序列与接收到的序列进行互相关处理，由于子码具有m序列的部分特性，因此，在处理过程中子码与复合码的互相关处理会出现相关峰值。同时，子码序列的所有循环移位分别与接收序列进行互相关处理，共得到Li组相关值，CCSDS建议采用最大值搜索法，通过比较Li组相关值，取相关值最大的一组本地子序列的循环移位为确定的子码相位，这就实现了子码的捕获。同理，当6组子码均确定捕获后，子码会被送到再生伪码模块，生成下行测距伪码序列，实现了测距伪码的再生。

5 再生伪码测距技术最新研究

目前，基于再生伪码测距的捕获算法，部分研究成果对其进行了理论方面的改进，主要表现为：再生伪码测距的自适应捕获技术，通过奈曼-皮尔逊准则设置自适应门限值，通过最大似然估计理论进行最优估计[28]；提出了基于再生伪码测距的遥测信号测距方案，通过将遥测信息与下行测距合并，在只存在遥测信号的情况下实现遥测功能和测距功能。实验表明，其测距精度较传统的再生伪码测距方式有了一定程度的提高[29-30]。

6 存在的问题及研究方向

再生伪码测距对于深空测距具有重要意义，目前CCSDS规定的再生伪码测距标准还存在一定的不足。针对再生伪码测距的缺点，依据测距技术的发展，可以对再生伪码测距提供新的技术支持。根据本文所论述的技术，可以针对以下问题进行研究：

1) 在测距码的捕获方法中，以码相关器组实现接收伪码序列与本地伪码序列的相关。经过多次相位累加，输出值经过最大值检测，确定本条子码最大值对应的相位。基于最大值检测的算法给出伪码信号捕获的最优算法。然而，该算法存在一个限制：没有有用输入信号的情况下，它也会给出一个最大值。伪码捕获是在码跟踪环(CTL)锁定后执行的，但是一个错误的CTL锁定会带来一个错误的伪码捕获。为了最小化这种错误概率，可以采用下述方法：比较多种捕获算法；综合比较各种捕获方法；可以基于捕获时间、捕获性能等方面预置门限，通过比较选择的最大值与预置门限的方法确认伪码是否捕获；可以在进入跟踪模式后，持续检测捕获的伪码相位对每个Ci码是否与最大值一致。多次确认后，可以确认伪码捕获结果。

2) 再生伪码测距过程中，由于测距信号与遥测遥控信号同时调制在载波上，因此，在传输过程中，测距信号与遥测遥控信号之间存在一定干扰。为了保证测距精度，需要对测距信号与遥测遥控信号的互干扰进行分析。

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(责任编辑 杨继森)

Overview of the Research on Regenerative PN Code Ranging

PENG Baotong, MA Hong

(Department of Equipment Acquisition of PLA, Beijing 101416, China)

Aiming at the problem of low SNR and poor accuracy of ranging, the idea of regenerative PN ranging is proposed. Based on the analysis of the basic principle of regenerative PN ranging, the advantages of regenerative pseudo-code ranging are introduced. In this paper, the development process and combination of distance measurement code are analyzed, and the characteristics of T2B and T4B in Tausworthe code are analyzed, and the capture technique and principle of distance code are summarized. At the same time, the latest research results of regenerative PN ranging are analyzed. Finally, the maximum value search algorithm for regenerative PN ranging neutron code sequence acquisition and the compatibility problem of telemetry remote control during transmission of ranging signal are presented, which provides the direction for the following research.

regenerative PN ranging；ranging code；acquisition

10.11809/scbgxb2017.07.024

2017-03-05；

2017-04-12

彭保童(1992—)，男，硕士研究生，主要从事通信与信息系统研究。

format:PENG Baotong, MA Hong.Overview of the Research on Regenerative PN Code Ranging[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(7):107-110.

TN919

A

2096-2304(2017)07-0107-04

本文引用格式：彭保童，马宏.再生伪码测距技术研究综述[J].兵器装备工程学报，2017(7):107-110.