上升段碼間多址干擾影響分析

龍 斌，楊俊武，陳紹軍，丁宏義

(1.中國人民解放軍63758部隊，福建 廈門361023；2.中國西安衛(wèi)星測控中心，陜西 西安 710043)

0 引言

隨著擴頻通信和擴頻碼分多址技術的發(fā)展，直接序列擴頻(簡稱直擴)技術在航天測控系統(tǒng)中得到了廣泛應用，特別是在航天器多目標測量和測控中，與傳統(tǒng)的統(tǒng)一載波測控系統(tǒng)相比具有無可比擬的優(yōu)勢。

針對直擴系統(tǒng)的抗干擾性能，各類文獻主要是對直擴系統(tǒng)的擴頻增益[1]或系統(tǒng)面對各類干擾的誤碼性能[2]進行了分析。文獻[3-4]從安全性能的角度進行了抗干擾分析，文獻[5]對直擴系統(tǒng)的多址干擾效應進行了研究，文獻[6]對直擴系統(tǒng)的抗多址能力進行了分析與驗證。

本文首先分析了衛(wèi)星直接序列擴頻抗碼間多址干擾的能力和衛(wèi)星天線角對碼間多址干擾的影響，然后結合某設備在雙星、三星和六星上升段接收衛(wèi)星遙測信號時受碼間多址干擾的實際情況，分析了影響碼間多址干擾的要素，并提出了提高抗碼間多址干擾的若干措施。

1 抗碼間多址干擾分析

1.1 直接序列擴頻系統(tǒng)抗碼間多址干擾分析

直擴系統(tǒng)的處理增益可表示為[7-9]：

Gp=10lg(BM/Bm)，

(1)

式中，BM為頻譜擴展后的信號帶寬；Bm為頻譜擴展前的信號帶寬。

假設偽碼擴頻碼率為R，信息速率為r，則：

BM=2R，Bm=2r。

干擾信號不同時，擴頻處理增益也會相應發(fā)生變化。通常干擾信號可分為高斯白噪聲、窄帶干擾和多址干擾等幾種?？紤]到上升段測控的特殊性，受到的干擾為多址干擾，因此本文只考慮多址干擾的情況。

根據(jù)文獻[6]，考慮到最惡劣的情況下，有用信號地址碼與干擾信號地址碼碼時鐘一致，此時的直接序列擴頻增益按照式(1)計算。

從擴頻通信原理[10]可以知道，滿足設備正常工作的條件為：

(S/N)in=Gk-Ls-Md，

(2)

式中，(S/N)in為接收機輸入端信噪比；Gk為擴頻處理增益；Ls為系統(tǒng)損耗；Md為多址干擾。

可計算出給定系統(tǒng)在指定參數(shù)下的抗多址干擾能力：

(S/N)inMd=Gk-Ls-(S/N)in。

(3)

通過式(1)和式(3)可以看出，系統(tǒng)抗干擾能力與擴頻處理增益直接相關，即偽碼擴頻碼率越高，系統(tǒng)抗多址干擾能力越大；信息速率越高，系統(tǒng)抗多址干擾能力越小。

1.2 衛(wèi)星天線角對碼間多址干擾的影響

在實際應用中，設備接收衛(wèi)星下行遙測信號幅度，可以按照雷達輻射方程[11]來計算：

(4)

對于上升段測控來說，由于衛(wèi)星在箭體上安裝位置已固定，此時星箭未分離，多星距離較近，式(4)中除(EIRP)T外其他要素完全一致，因此設備接收衛(wèi)星下行遙測信號幅度完全受(EIRP)T影響：

(EIRP)T=PT+GT-LT，

(5)

式中，PT為衛(wèi)星發(fā)射功率；GT為衛(wèi)星發(fā)射天線增益；LT為衛(wèi)星發(fā)射線路衰減。

由式(5)可知，衛(wèi)星發(fā)射的等效全向輻射功率，受到衛(wèi)星發(fā)射功率、衛(wèi)星發(fā)射天線增益和衛(wèi)星發(fā)射線路衰減的影響。

同一批次衛(wèi)星發(fā)射功率和發(fā)射線路衰減基本一致，但衛(wèi)星發(fā)射天線增益則與天線方向圖密切相關，可以用衛(wèi)星天線方向角來表示(在進行衛(wèi)星天線角計算時，定義衛(wèi)星天線角為衛(wèi)星到測站指向與星體坐標+Z軸的夾角)。由于衛(wèi)星天線方向角的不同，將導致天線增益發(fā)生變化，進而影響地面設備接收下行信號的幅度。

圖1為某衛(wèi)星發(fā)射天線方向圖。由圖1可以看出，發(fā)射天線增益最大可達3 dBi，最小可達-25 dBi，由于天線方向角導致的天線增益變化可達28 dBi。

圖1 某衛(wèi)星發(fā)射天線方向圖Fig.1 Satellite transmitting antenna pattern

綜上所述，在上升段多星任務測控中，抗碼間多址干擾能力主要受設備抗碼間多址干擾能力及衛(wèi)星天線方向角的影響。

2 多星碼間多址干擾對上升段測控的實例分析

2.1 某設備在多星任務中抗碼間多址干擾能力分析

某設備參加了數(shù)次多星上升段測控任務，選取典型的測控任務，分別用01組、02組、03組代表雙星、三星和六星共3次任務。其中01組包含01-A，01-B雙星；02組包含02-A，02-B，02-C三星；03組包含03-A，03-B，03-C，03-D，03-E，03-F六星。每組衛(wèi)星擴頻碼速率相同，信息速率相同，擴頻碼組不一致。根據(jù)3組衛(wèi)星的偽碼擴頻碼率及信息速率，以及式(3)計算得到某設備遙測理論抗干擾能力，如表1所示。其中多星遙測抗干擾能力對應01組、02組、03組分別為雙星、三星和六星狀態(tài)下的遙測抗干擾能力。

表1 某設備遙測抗碼間多址干擾能力

2.2 某設備在多星任務中遙測數(shù)據(jù)有效率分析

對某設備參加的01組、02組、03組上升段測控遙測數(shù)據(jù)有效率進行分析，可以得到如表2所示的結果(某設備跟蹤了01組雙星、02組三星及03組的A，F(xiàn)雙星)。

遙測數(shù)據(jù)有效率=正確解調(diào)的遙測數(shù)據(jù)幀數(shù)/應收到的遙測數(shù)據(jù)幀數(shù)。

表2 01～03組衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)有效率

從表2可以看出，01組衛(wèi)星中，B星受碼間多址干擾影響嚴重，A星未受到碼間多址干擾影響；02組衛(wèi)星中，B星、C星、A星受碼間多址干擾的程度依次降低；03組衛(wèi)星中，A星、F星基本未受到碼間多址干擾影響，B，C，D，E星由于未參與跟蹤，受碼間多址干擾影響未知。

根據(jù)衛(wèi)星天線角計算，01組～03組衛(wèi)星對某設備的影響情況如表3所示。

表3 01～03組衛(wèi)星天線角對某設備影響分析

結合表1～表3可以發(fā)現(xiàn)，當衛(wèi)星天線角全程可見時，碼間多址干擾影響較小，如01-A星、03-A星、03-F星；當衛(wèi)星被遮擋或處于天線干涉區(qū)時，碼間多址干擾影響程度明顯增大，如01-B星、02組三星。在碼間多址干擾的影響因素中，設備的抗碼間多址干擾能力隨著設備自身、衛(wèi)星參數(shù)、衛(wèi)星數(shù)目的確定而不再發(fā)生變化，可以視為一個靜態(tài)參數(shù)；衛(wèi)星天線角則是隨著上升段飛行過程的變化而變化，影響下行信號幅度從幾個dB至20多dB不等。因此在分析上升段碼間多址干擾對設備的影響時，除了考慮設備自身的抗碼間多址干擾能力外，衛(wèi)星天線角也是一個非常重要的因素。

3 降低上升段測控碼間多址干擾的應對措施

降低上升段碼間多址干擾的影響可以從以下幾方面采取措施。

3.1 提高衛(wèi)星的擴頻碼速率

擴頻碼率每增加一倍，系統(tǒng)抗多址干擾能力增加3 dB。一個參數(shù)為擴頻碼率3 Mbps的衛(wèi)星比參數(shù)為擴頻碼率10 Mbps的衛(wèi)星抗碼間多址干擾能力低了5.2 dB。因此在衛(wèi)星設計時就應考慮到這一因素的影響，盡可能采用高擴頻碼速率。

3.2 降低上升段衛(wèi)星的信息碼速率

信息速率每降低一倍，系統(tǒng)抗多址干擾能力增加3 dB。一個參數(shù)為信息碼速率16 000 bps的衛(wèi)星比參數(shù)為信息碼速率500 bps的衛(wèi)星抗碼間多址干擾能力低了15 dB。因此可以考慮使用可變信息碼速率，上升段時衛(wèi)星使用較低的信息碼速率，待衛(wèi)星進入軌道后再切換為較高的信息碼速率。

3.3 采用擴跳頻方式

直擴的擴頻增益有限，可以使用DS-FH(直接擴頻-跳頻)混合擴頻的方式增加擴頻增益[12-13]，得到更高的抗碼間多址干擾能力。根據(jù)文獻[14]可知DS-FH混合擴頻系統(tǒng)的總處理增益是直擴增益與跳頻增益的乘積，顯著提高了擴頻系統(tǒng)的性能。

3.4 采用合適的衛(wèi)星布局

從01組～03組衛(wèi)星的跟蹤情況來看，衛(wèi)星在火箭箭體的安裝結構布局對衛(wèi)星的天線角有影響。以01組雙星系統(tǒng)為例，由于雙星沿著箭體方向縱向排列時，01-B星被支架、01-A星遮擋，導致跟蹤時01-B星遙測數(shù)據(jù)丟失超過50%。而02組、03組衛(wèi)星由于是按垂直于箭體方向呈環(huán)形排列，導致跟蹤時遙測數(shù)據(jù)丟失最大為16%，因此采用合適的衛(wèi)星布局可以顯著降低數(shù)據(jù)損失。

3.5 計算衛(wèi)星天線角采用合適的測站設備進行跟蹤

通過實現(xiàn)根據(jù)衛(wèi)星布局、火箭彈道計算衛(wèi)星天線角，采用合適的測站設備進行跟蹤，可以有效避免天線干涉區(qū)等情況，降低碼間多址干擾的影響。

4 結束語

本文主要分析了上升段測控中碼間多址干擾的影響因素，得出以下結論：

① 設備自身的抗碼間多址干擾能力是影響碼間多址干擾的靜態(tài)因素，隨著設備自身、衛(wèi)星參數(shù)和衛(wèi)星數(shù)目的確定而不再發(fā)生變化。

② 衛(wèi)星天線角是影響碼間多址干擾的動態(tài)因素，隨著衛(wèi)星安裝布局、火箭彈道而發(fā)生變化，影響下行信號幅度可達到20 dB甚至更高。

③ 通過提高衛(wèi)星的擴頻碼速率、降低衛(wèi)星的信息速率、采用擴跳頻方式可以有效提高設備的抗碼間多址干擾能力。

④ 通過合理的衛(wèi)星安裝布局、采用衛(wèi)星天線角合適的測站設備跟蹤，可以有效降低上升段測控的碼間多址干擾。