上升段码间多址干扰影响分析

2020-02-27杨俊武陈绍军丁宏义

无线电工程 2020年3期

龙斌，杨俊武，陈绍军，丁宏义

(1.中国人民解放军63758部队，福建厦门361023；2.中国西安卫星测控中心，陕西西安 710043)

0 引言

随着扩频通信和扩频码分多址技术的发展，直接序列扩频(简称直扩)技术在航天测控系统中得到了广泛应用，特别是在航天器多目标测量和测控中，与传统的统一载波测控系统相比具有无可比拟的优势。

针对直扩系统的抗干扰性能，各类文献主要是对直扩系统的扩频增益[1]或系统面对各类干扰的误码性能[2]进行了分析。文献[3-4]从安全性能的角度进行了抗干扰分析，文献[5]对直扩系统的多址干扰效应进行了研究，文献[6]对直扩系统的抗多址能力进行了分析与验证。

本文首先分析了卫星直接序列扩频抗码间多址干扰的能力和卫星天线角对码间多址干扰的影响，然后结合某设备在双星、三星和六星上升段接收卫星遥测信号时受码间多址干扰的实际情况，分析了影响码间多址干扰的要素，并提出了提高抗码间多址干扰的若干措施。

1 抗码间多址干扰分析

1.1 直接序列扩频系统抗码间多址干扰分析

直扩系统的处理增益可表示为[7-9]：

Gp=10lg(BM/Bm)，

(1)

式中，BM为频谱扩展后的信号带宽；Bm为频谱扩展前的信号带宽。

假设伪码扩频码率为R，信息速率为r，则：

BM=2R，Bm=2r。

干扰信号不同时，扩频处理增益也会相应发生变化。通常干扰信号可分为高斯白噪声、窄带干扰和多址干扰等几种。考虑到上升段测控的特殊性，受到的干扰为多址干扰，因此本文只考虑多址干扰的情况。

根据文献[6]，考虑到最恶劣的情况下，有用信号地址码与干扰信号地址码码时钟一致，此时的直接序列扩频增益按照式(1)计算。

从扩频通信原理[10]可以知道，满足设备正常工作的条件为：

(S/N)in=Gk-Ls-Md，

(2)

式中，(S/N)in为接收机输入端信噪比；Gk为扩频处理增益；Ls为系统损耗；Md为多址干扰。

可计算出给定系统在指定参数下的抗多址干扰能力：

(S/N)inMd=Gk-Ls-(S/N)in。

(3)

通过式(1)和式(3)可以看出，系统抗干扰能力与扩频处理增益直接相关，即伪码扩频码率越高，系统抗多址干扰能力越大；信息速率越高，系统抗多址干扰能力越小。

1.2 卫星天线角对码间多址干扰的影响

在实际应用中，设备接收卫星下行遥测信号幅度，可以按照雷达辐射方程[11]来计算：

(4)

对于上升段测控来说，由于卫星在箭体上安装位置已固定，此时星箭未分离，多星距离较近，式(4)中除(EIRP)T外其他要素完全一致，因此设备接收卫星下行遥测信号幅度完全受(EIRP)T影响：

(EIRP)T=PT+GT-LT，

(5)

式中，PT为卫星发射功率；GT为卫星发射天线增益；LT为卫星发射线路衰减。

由式(5)可知，卫星发射的等效全向辐射功率，受到卫星发射功率、卫星发射天线增益和卫星发射线路衰减的影响。

同一批次卫星发射功率和发射线路衰减基本一致，但卫星发射天线增益则与天线方向图密切相关，可以用卫星天线方向角来表示(在进行卫星天线角计算时，定义卫星天线角为卫星到测站指向与星体坐标+Z轴的夹角)。由于卫星天线方向角的不同，将导致天线增益发生变化，进而影响地面设备接收下行信号的幅度。

图1为某卫星发射天线方向图。由图1可以看出，发射天线增益最大可达3 dBi，最小可达-25 dBi，由于天线方向角导致的天线增益变化可达28 dBi。

图1 某卫星发射天线方向图Fig.1 Satellite transmitting antenna pattern

综上所述，在上升段多星任务测控中，抗码间多址干扰能力主要受设备抗码间多址干扰能力及卫星天线方向角的影响。

2 多星码间多址干扰对上升段测控的实例分析

2.1 某设备在多星任务中抗码间多址干扰能力分析

某设备参加了数次多星上升段测控任务，选取典型的测控任务，分别用01组、02组、03组代表双星、三星和六星共3次任务。其中01组包含01-A，01-B双星；02组包含02-A，02-B，02-C三星；03组包含03-A，03-B，03-C，03-D，03-E，03-F六星。每组卫星扩频码速率相同，信息速率相同，扩频码组不一致。根据3组卫星的伪码扩频码率及信息速率，以及式(3)计算得到某设备遥测理论抗干扰能力，如表1所示。其中多星遥测抗干扰能力对应01组、02组、03组分别为双星、三星和六星状态下的遥测抗干扰能力。

表1 某设备遥测抗码间多址干扰能力

2.2 某设备在多星任务中遥测数据有效率分析

对某设备参加的01组、02组、03组上升段测控遥测数据有效率进行分析，可以得到如表2所示的结果(某设备跟踪了01组双星、02组三星及03组的A，F双星)。

遥测数据有效率=正确解调的遥测数据帧数/应收到的遥测数据帧数。

表2 01～03组卫星遥测数据有效率

从表2可以看出，01组卫星中，B星受码间多址干扰影响严重，A星未受到码间多址干扰影响；02组卫星中，B星、C星、A星受码间多址干扰的程度依次降低；03组卫星中，A星、F星基本未受到码间多址干扰影响，B，C，D，E星由于未参与跟踪，受码间多址干扰影响未知。

根据卫星天线角计算，01组～03组卫星对某设备的影响情况如表3所示。

表3 01～03组卫星天线角对某设备影响分析

结合表1～表3可以发现，当卫星天线角全程可见时，码间多址干扰影响较小，如01-A星、03-A星、03-F星；当卫星被遮挡或处于天线干涉区时，码间多址干扰影响程度明显增大，如01-B星、02组三星。在码间多址干扰的影响因素中，设备的抗码间多址干扰能力随着设备自身、卫星参数、卫星数目的确定而不再发生变化，可以视为一个静态参数；卫星天线角则是随着上升段飞行过程的变化而变化，影响下行信号幅度从几个dB至20多dB不等。因此在分析上升段码间多址干扰对设备的影响时，除了考虑设备自身的抗码间多址干扰能力外，卫星天线角也是一个非常重要的因素。

3 降低上升段测控码间多址干扰的应对措施

降低上升段码间多址干扰的影响可以从以下几方面采取措施。

3.1 提高卫星的扩频码速率

扩频码率每增加一倍，系统抗多址干扰能力增加3 dB。一个参数为扩频码率3 Mbps的卫星比参数为扩频码率10 Mbps的卫星抗码间多址干扰能力低了5.2 dB。因此在卫星设计时就应考虑到这一因素的影响，尽可能采用高扩频码速率。

3.2 降低上升段卫星的信息码速率

信息速率每降低一倍，系统抗多址干扰能力增加3 dB。一个参数为信息码速率16 000 bps的卫星比参数为信息码速率500 bps的卫星抗码间多址干扰能力低了15 dB。因此可以考虑使用可变信息码速率，上升段时卫星使用较低的信息码速率，待卫星进入轨道后再切换为较高的信息码速率。

3.3 采用扩跳频方式

直扩的扩频增益有限，可以使用DS-FH(直接扩频-跳频)混合扩频的方式增加扩频增益[12-13]，得到更高的抗码间多址干扰能力。根据文献[14]可知DS-FH混合扩频系统的总处理增益是直扩增益与跳频增益的乘积，显著提高了扩频系统的性能。

3.4 采用合适的卫星布局

从01组～03组卫星的跟踪情况来看，卫星在火箭箭体的安装结构布局对卫星的天线角有影响。以01组双星系统为例，由于双星沿着箭体方向纵向排列时，01-B星被支架、01-A星遮挡，导致跟踪时01-B星遥测数据丢失超过50%。而02组、03组卫星由于是按垂直于箭体方向呈环形排列，导致跟踪时遥测数据丢失最大为16%，因此采用合适的卫星布局可以显著降低数据损失。