码间多址干扰对三星上升段测控影响分析

龙 斌，杨俊武，王宏伟，钱国俊

(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

随着航天技术的发展，扩频测控技术[1-3]因其优越的隐蔽性能、良好的抗干扰性能[4-6]以及抗衰落等优点得到了越来越广泛的应用。

针对扩频系统的抗干扰性能，很多文献都进行了分析，主要集中在对比系统对各类干扰的处理增益[7]或系统面对各类干扰的误码性能[8]。对于目前广泛使用的直接序列扩频系统，文献[9]提出了一种抗干扰的动态博弈模型研究；文献[10]提出了一种频域抗干扰技术；文献[11-12]从安全性能的角度进行了抗干扰分析；文献[13]对它的抗干扰能力进行了理论分析和仿真。

本文在分析某卫星扩频抗码间多址干扰能力的基础上，对设备的抗码间多址干扰能力进行了实际测量，并结合某三星上升段测控的实际情况，分析了码间多址干扰对测速测距、遥测及遥控等的影响，提出了应对干扰的解决对策。

1 抗码间多址干扰分析及测试

1.1 直接序列扩频系统抗码间多址干扰分析

扩频系统的处理增益又称为扩频处理增益或扩频增益，它等于频谱扩展后的信号带宽BM与频谱扩展前的信号带宽Bm之比[14-16]：

Gp=10lg(BM/Bm)。

(1)

假设伪码扩频码率为Rc，信息速率为r，则BM=2Rc,Bm=2r。

根据扩频通信原理，满足基带接收机能正常工作的条件是：

(S/N)in=G-Ls-Mj，

(2)

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

由式(2)可计算出给定系统在指定参数下的抗多址干扰能力：

Mj=G-Ls-(S/N)in=

G-(Ls+(S/N)in)。

(3)

通过将某卫星的扩频码率、遥测信息速率及设备的(S/N)in代入式(2)，可以得到某设备遥测抗多址干扰能力Mj=16.1 dB。

卫星的下行信号由遥测支路和测量支路组成，当遥测支路和测量支路的信噪比为4∶1时，在三目标情况下，设备的遥测支路理论抗干扰能力为11.7 dB，测量支路理论抗干扰能力为16.8 dB。

1.2 设备直扩系统码间多址干扰测试结果

利用某设备，进行了直扩系统码间多址干扰测试，测试原理如图1所示。

图1 某设备码间多址干扰测量示意Fig.1 Schematic diagram of inter-code multiple access interference measurement for the equipment

将三目标设备放置于标校塔上，通过可调衰减器后用合路器合成，送标校塔天线。地面天线接收后经信道变频送基带设备。测试步骤如下：

① 按某卫星技术状态设置要求配置参数；

② 使目标1输出单载波中强电平信号，使用频谱仪在基带入口测试该单载波信号，幅度值记为P1；

③ 调整衰减器，使基带接收的三目标(或双目标)单载波信号电平基本一致，均调整为P1；

④ 单独增大目标1的衰减器，使目标1信号逐步降低，直至基带无法锁定目标1遥测信号(或测量信号)，记录此时目标1单载波幅度值为P2，则目标1遥测支路(或测量支路)抗干扰能力为P2-P1；

⑤ 重复步骤③，再单独增大目标2衰减器，使目标2信号逐步降低，直至基带无法锁定目标2遥测信号(或测量信号)，记录此时目标2单载波幅度值为P3，则目标2遥测支路(或测量支路)抗干扰能力为P3-P1；

⑥ 重复步骤③，再单独增大目标3衰减器，使目标3信号逐步降低，直至基带无法锁定目标3遥测信号，记录此时目标3单载波幅度值为P4，则目标3遥测支路抗干扰能力为P4-P1。

三目标的遥测支路抗码间多址干扰测试结果如表1所示。双目标的测量支路抗码间多址干扰测试结果如表2所示。

表1 三目标遥测支路抗码间多址干扰测试结果

Tab.1Testresultsofanti-inter-codemultipleaccessinterferenceforthreetargettelemetrybranches

被测目标对应卫星测试结果/dB目标101星12目标202星12目标303星12

表2 双目标测量支路抗码间多址干扰测试结果

Tab.2Testresultsofanti-inter-codemultipleaccessinterferencefordual-targetmeasurementbranch

被测目标对应卫星测试结果/dB目标101星16目标202星16

由表1和表2可以看出，设备的测试结果与理论计算结果基本一致。

2 三星码间多址干扰对上升段测控的影响分析

设备参加了三星的上升段测控任务。该三星上、下行频率一致，采用不同的扩频码。设备跟踪卫星时间为T1～T1+550 s，T1为设备跟踪开始时刻。

2.1 测量支路受码间多址干扰的强度影响分析

在上升段任务中，设备使用01星测量支路作为主跟踪支路。在跟踪过程中，各目标的测量支路失锁情况为：01星失锁2次，02星失锁2次，03星失锁6次。设备记录的三星下行信噪比如图2所示(由于在失锁时无法记录下行信噪比，因此手动将失锁时下行信噪比记为0)。

图2 上升段某设备记录的三星下行信噪比Fig.2 Three-star downlink signal-to-noise ratio recorded by the equipment in the ascending segment

对三星测量支路失锁时刻的信噪比进行记录，对下行信噪比差值计算如表3所示，其中T1为某设备开始跟踪时刻。

表3 上升段某设备测量支路失锁时刻下行信噪比

Tab.3Downlinksignal-to-noiseratioatlossoflockofmeasurementbranchoftheequipmentinascendingsegment

对应卫星失锁时刻/s失锁时长/s下行信噪比/dB01星-02星02星-03星03星-01星01星T1+1840.510.43-12.231.80T1+4095-0.383.73-3.3502星T1+2454616.87-17.620.75T1+41195.76-12.336.5703星T1+1490.50.00-5.105.10T1+212115.2110.62-15.83T1+321614.192.45-16.64T1+36310-12.7213.31-0.59T1+3804-2.798.78-5.99T1+4092-7.4311.19-3.76

在T1+184 s，01星失锁0.5 s；T1+149 s，03星失锁0.5 s，初步判断这两次短暂失锁可能为下行信号过强导致。

在T1+409～T1+411 s，01星、02星、03星相继发生失锁，初步判断为星箭分离导致。

在其他时间段，三星分别发生失锁，初步判断为扩频码间多址干扰导致。失锁原因初步判断情况如表4所示。

表4 上升段某设备测量支路失锁原因初步判断

Tab.4Preliminaryjudgmentonreasonsforlossoflockingofmeasurementbranchoftheequipmentinascendingsection

对应卫星失锁时刻/s失锁原因初步判断01星T1+184下行信号过强T1+409星箭分离02星T1+245码间多址干扰T1+411星箭分离03星T1+149下行信号过强T1+212码间多址干扰T1+321码间多址干扰T1+363码间多址干扰T1+380码间多址干扰T1+409星箭分离

对表4中的码间多址干扰导致失锁的情况进行分析，结合表3计算，得到某设备测量支路失锁时干扰大小如表5所示。

表5 失锁时刻受到的码间多址干扰强度

Tab.5Inter-codemultipleaccessinterferenceintensityatlosinglocktime

对应卫星失锁时刻/s受干扰大小/dB01星无无02星T1+24520.303星T1+21217.0T1+32116.7T1+36313.5T1+38010.6

从上升段失锁时干扰信号大小看，失锁时最小干扰为10.6 dB，最大干扰为20.3 dB，设备抗干扰能力理论计算结果为16.8 dB，实际测试结果为13 dB，测试结果与实际跟踪结果存在一定差异，与测试条件、测试环境存在一定关系，可以认为实际跟踪结果与测试结果基本一致。

2.2 码间多址干扰对测角的影响分析

本次上升段测角跟踪01星，对测角数据进行二阶差分，如图3和图4所示。图3和图4中的大值出现在T1+409 s时刻，这是由01星下行测量支路失锁引起的。码间多址干扰对测角数据的影响很小，可以认为除失锁外，对测角数据无影响。

图3 测角方位二阶差分Fig.3 Second-order difference of the azimuth angle

图4 测角俯仰二阶差分Fig.4 Second-order difference of the pitching angle

2.3 码间多址干扰对测量支路影响分析

在上升段跟踪过程中，去除T1+409～T1+411 s期间01星、02星、03星相继发生失锁的时长，可以得到三星分别的失锁时长，如表6所示。

表6 码间多址干扰引起的测量支路失锁时长

Tab.6Measurementbranchlockoutdurationcausedbyinter-codemultipleaccessinterference

对应卫星失锁时长/s占跟踪时长的百分比/%01星0002星468.3603星305.45

由表6可以看出，码间多址干扰使三星的测量数据发生了丢失，程度从5.45%～8.36%不等。

对跟踪得到的测速数据进行随机差统计，发现码间多址干扰对测速数据基本没有影响。图5是01星上升段测速随机差图，对01星测速二阶差分数据每20点进行一次随机差计算得到。图中有3个大值分别出现在第1、第19和第41次，第1次大值为二级主发动机主令关机引起，第19次、第41次大值为01星测量支路两次失锁引起。由图5可以看出，其他时段的随机差变化不大。02星、03星测速随机差与01星图基本一致，测距为测速的积分，其随机差与测速基本一致。

图5 01星测速数据随机差Fig.5 Random difference of 01 star velocity measurement data

2.4 码间多址干扰对遥测支路的影响分析

码间多址干扰对遥测支路的影响比对测量支路的影响更为严重。表7是对遥测支路失锁、错锁时间的统计。从结果来看，码间多址干扰引起遥测支路失锁，导致遥测数据发生丢帧、错帧，最严重时可导致数据丢失达到16%。

表7 码间多址干扰引起的遥测失锁错锁时长

Tab.7Telemetryunlockandmislockdurationcausedbyinter-codemultipleaccessinterference

对应卫星失锁时长/s占跟踪时长的百分比%01星234.1802星881603星5510

2.5 码间多址干扰对上行遥控的影响分析

码间多址干扰由接收多个信号引起。由于地面设备同时发送三目标上行信号，因此卫星也会受到多址码间多址干扰的影响。与地面受到的码间多址干扰不同，卫星收到的三目标信号来自同一发射天线，因此三目标信号基本一致。发射的上行信号分为测量支路和遥控支路，按照测量支路和遥控支路功率比为1∶1计算，卫星受到的遥控码间多址干扰为7 dB，卫星设计指标为抗码间多址干扰能力大于15 dB，从理论上来说，码间多址干扰对上行遥控没有影响。

本次上升段遥控发令从T1+412～T1+511 s，发令时间长达99 s，地面设备跟踪至俯仰4.6°才完成发令。由于本次遥测失锁时间段主要在星箭分离前，对判断遥控指令执行情况无较大影响。如果遥测失锁时间段在星箭分离后，将影响遥控指令执行情况的判断，使发令时间增加，导致上行遥控发令无法完成。

3 解决对策

针对码间多址干扰对多星上升段测控的影响，可以采取以下对策：

① 提升设备本身的抗干扰能力。由式(1)可以看出，扩频处理增益与系统的扩频码率成正比，与信息速率成反比。因此可以采用提高卫星的扩频码速率、降低卫星的信息速率来提高系统的扩频增益。经过计算，采用合适的扩频码速率和遥测码速率可以使设备的遥测支路抗干扰能力提升20 dB以上。

② 由码间干扰对测量支路和遥测支路的影响可以看出，由于测量支路比遥测支路的抗干扰能力高5 dB左右，测量支路的失锁时间比遥测支路的失锁时间少20 s左右，因此跟踪时可以使用测量支路作为主跟踪支路，减少测角的失锁时间，提高测角数据质量。

③ 由于设备的测速测距、遥测数据都有不同程度的丢失，可以采用多套设备跟踪卫星，来减小数据的损失率。

④ 码间多址干扰对上行遥控没有直接影响，但其对遥测的影响可以间接影响到遥控发令的完成。因此需要合理安排遥控发令的时间和发令时长。

4 结束语

本文主要分析了码间多址干扰对多星上升段测控的影响，对于设备制定跟踪条件分析、应急方案、事后数据处理等都有一定的作用，并已经在设备的后续多星上升段测控测控任务中得到了实际应用，取得了较好的效果。