BDS MEOSAR 接收機的設(shè)計與實現(xiàn)

閻逸堯，鄧 暉，楊東凱，張 波，景貴飛

（1. 北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100191；2. 北京航空航天大學(xué) 北斗絲路學(xué)院，北京 100191）

0 引言

全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)（cospas-sarsat，C/S）是由美國、蘇聯(lián)、加拿大和法國聯(lián)合發(fā)起的公益性全球衛(wèi)星遇險報警系統(tǒng)，旨在全球范圍內(nèi)提供免費的遇險報警服務(wù)。鑒于靜止軌道衛(wèi)星搜救系統(tǒng)（ geostationary Earth orbit search and rescue satellite system, GEOSAR）的技術(shù)局限和低極軌道衛(wèi)星搜救系統(tǒng)（low-altitude Earth orbit search and rescue satellite system, LEOSAR）空間資源的不足[1]，以及 2 者在傳輸實效性和定位精確度方面存在的缺陷，對搜索救援行動的影響日趨明顯，C/S 組織提出在中軌道導(dǎo)航衛(wèi)星上搭載搜救載荷，以實現(xiàn)更高定位精度和更短等待時間，同時解決了衛(wèi)星資源和軌道資源短缺的問題。自2000 年開始，C/S組織密切關(guān)注全球中軌道衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，并積極鼓勵美國、俄羅斯和歐盟在各自的中軌道衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中加入406 MHz 國際遇險報警業(yè)務(wù)。2018 年 2 月，C/S 委員會同意將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system, BDS）納入到全球中軌衛(wèi)星搜救系統(tǒng)（medium-altitude Earth orbit search and rescue satellite system，MEOSAR）中[2]。2018 年 9 月，BDS 第 37 顆及第 38 顆衛(wèi)星進(jìn)入預(yù)定軌道，這是我國首次發(fā)射裝載搜救載荷的BDS 導(dǎo)航衛(wèi)星，同時BDS MEOSAR 地面系統(tǒng)工程也正式展開建設(shè)。

目前針對 MEOSAR 搜救信號的接收處理，已有法國 Orolia Maritime 公司研制的 McMurdo SARSAT MEOLUT 和美國 Honeywell 公司生產(chǎn)的 MEOLUT-600[3]，而國內(nèi)還處于實現(xiàn)接收設(shè)備從無到有的起步階段。本文設(shè)計的接收機是基于BDS 中軌道衛(wèi)星搜救信號的接收處理，以軟件方式實現(xiàn)對搜救信號的檢測和接收，可成功解調(diào)出信標(biāo)信息，同時滿足地面系統(tǒng)工程建設(shè)中，有效載荷的質(zhì)量檢測需求，即測試載荷各項指標(biāo)是否滿足在軌運行期間的設(shè)計要求，完成穩(wěn)定性、可靠性試驗。

1 MEOSAR 系統(tǒng)及其信號格式

本文設(shè)計的 BDS MEOSAR 接收機是針對MEOSAR 搜救信號的，下面介紹MEOSAR 系統(tǒng)組成及搜救信號格式。

1.1 MEOSAR 系統(tǒng)組成

如圖1 所示，MEOSAR 系統(tǒng)主要由3 大部分組成：遇險位標(biāo)、空間段和地面系統(tǒng)[4]。

圖1 MEOSAR 系統(tǒng)組成

遇險位標(biāo)（一代/二代）：簡稱“信標(biāo)”，具備406 MHz 搜救信號的發(fā)射功能，在遇險事件發(fā)生時，以主動或被動方式觸發(fā)援救信號。

空間段（搜救衛(wèi)星星座）：搭載轉(zhuǎn)發(fā)器的衛(wèi)星，用以接收遇險信標(biāo)發(fā)出的406 MHz 搜救信號，并以1 544～1 545 MHz 的下行頻率向地面系統(tǒng)進(jìn)行透明轉(zhuǎn)發(fā)。

地面系統(tǒng)： 主要由中軌地面用戶終端（medium-altitude Earth orbit local user terminal，MEOLUT）和搜救任務(wù)控制中心（search and rescue mission control centre，SAR MCC）組成。MEOLUT接收和處理衛(wèi)星下行鏈路信號以生成遇險告警，SAR MCC 接收由 MEOLUT 產(chǎn)生的警報并將它們進(jìn)一步發(fā)送至救援中心。

1.2 搜救信標(biāo)信號體制

406 MHz 遇險信標(biāo)由數(shù)字消息產(chǎn)生器、調(diào)制器和406 MHz 發(fā)射器組成。信標(biāo)消息為脈沖式 曼徹斯特（Manchester）編碼信號，調(diào)制方式為二相移相鍵控（binary phase shift keying, BPSK）調(diào)制，信標(biāo)信號編碼和調(diào)制方式如圖 2 所示。信標(biāo)在傳輸信息的同時，也將攜帶的時鐘同步信號一起傳輸，因此具有良好的自同步能力和抗干擾性能。

圖2 信標(biāo)信號編碼和調(diào)制方式

信標(biāo)消息格式分為長消息和短消息 2 類[5]。2 類消息的前15 位固定為全“1”的編碼，作為位同步使用，16 到 24 位為幀同步。位25 是格式標(biāo)志位，值“0”表示短消息；值“1”表示長消息。信標(biāo)消息字段采用霍拉里斯代碼（Bose-Chaudhuri-Hocquenghem code,BCH）糾錯碼進(jìn)行編譯。具體信號參數(shù)如表1 所示。

表1 信標(biāo)信號參數(shù)

2 BDS MEOSAR 接收機設(shè)計

BDS MEOSAR 接收機設(shè)計框架如圖3 所示。主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、信號檢測模塊、載波同步模塊以及BCH 譯碼模塊等4 個模塊，共同完成搜救信號的接收處理。

圖3 接收機設(shè)計系統(tǒng)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊的主要功能是完成搜救信號從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，通過4 通道數(shù)據(jù)采集卡對10 MHz的中頻信號進(jìn)行采集存儲。

2.2 信號檢測模塊

信號檢測模塊的主要功能是，檢測是否存在遇險信標(biāo)信號并估計出數(shù)據(jù)比特起始位。由于搜救信號為猝發(fā)式且持續(xù)時間極短，周期不確定，因此信號檢測十分必要。此模塊采用雙滑動窗口法，即取2 相鄰窗口，以一定步進(jìn)滑動，當(dāng)2 個窗口都只包含噪聲時，它們的和與比值均是恒定的；當(dāng)猝發(fā)信號逐漸進(jìn)入第1 窗口中，其能量逐漸增大，此時第2 窗口只包涵噪聲，2 個窗口的能量比值逐漸增大；當(dāng)?shù)? 窗口剛好全部為猝發(fā)信號、第2 窗口全部包涵噪聲時，2 個窗口的能量比值達(dá)到最大；此后第2 窗口逐漸包含猝發(fā)信號，2 個窗口的能量比值逐漸下降。因此，2 個窗口數(shù)值的比值最大時刻即為猝發(fā)信號的起始時刻。

2.3 載波同步模塊

載波的捕獲跟蹤過程在信號出現(xiàn)的時刻即開始啟動，由于搜救信號持續(xù)不足1 s，且信號本身存在較大多普勒頻移，所以其載波同步方法不同于常規(guī)BDS 導(dǎo)航信號的接收處理[6]。當(dāng)接收信號多普勒頻移較大時，如果直接使用科斯塔斯（Costas）環(huán)進(jìn)行猝發(fā)信號的捕獲，同步時間較長且極有可能出現(xiàn)環(huán)路還未收斂信號就已結(jié)束的情況。除此之外，要對此類信號進(jìn)行捕獲，必須增加 Costas 環(huán)的環(huán)路帶寬，以保證較大頻偏或者帶有頻偏變化率的信號進(jìn)入環(huán)路的捕獲帶內(nèi)，但這會導(dǎo)致其精度難以滿足系統(tǒng)性能要求[7]，且環(huán)路噪聲功率也會隨帶寬的增大而增加，當(dāng)噪聲強度超過環(huán)路的噪聲容限時，環(huán)路將進(jìn)入失鎖狀態(tài)，無法完成載波跟蹤[8]。因此考慮先進(jìn)行載波頻偏的預(yù)估計，然后再進(jìn)行精確跟蹤。

傳統(tǒng)的頻率估計算法是直接對未分段的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換（fast Fourier transform, FFT），其結(jié)果的相關(guān)峰值衰減嚴(yán)重；因此，本設(shè)計采用短時相關(guān)匹配濾波器和 FFT 結(jié)合的信號捕獲算法，由匹配濾波器及 FFT 運算模塊組成。當(dāng)多段匹配濾波并結(jié)合FFT 模塊后，相關(guān)峰值的衰減變得緩慢，這會增加多普勒偏移的搜索范圍。

在信號的跟蹤階段，本地載波數(shù)控振蕩器（numerical controlled oscillator, NCO）輸出與接收信號混頻后，經(jīng)過低通濾波器可濾除高頻分量，當(dāng)接收信號與本地信號同步時，濾波器將輸出直流信號。由于信標(biāo)采用 Manchester 編碼方式，每一比特中間都會有符號的跳變，設(shè)計積分模塊可消掉跳變的影響。鑒相器用于鑒別本地載波與接收信號載波之間的差異，設(shè)計采用 4 個象限的反正切鑒相器，實現(xiàn)將差異反饋給載波NCO，載波NCO根據(jù)該差異調(diào)節(jié)本地載波，使其與接收信號載波保持一致。

在跟蹤環(huán)路的選擇上，一般會考慮設(shè)計的復(fù)雜程度，當(dāng)采用 2 階 Costas 環(huán)實現(xiàn)環(huán)路濾波時，可以實現(xiàn)跟蹤10 Hz 以內(nèi)的多普勒頻移。多普勒變化率將產(chǎn)生一定的穩(wěn)態(tài)相差，進(jìn)而給數(shù)據(jù)解調(diào)帶來誤差，為克服2 階環(huán)路的這個缺點，采用3 階環(huán)路對頻偏進(jìn)行預(yù)估計，之后對較小的多普勒頻移進(jìn)行跟蹤。仿真實驗結(jié)果表明，3 階環(huán)路的入鎖時間更短，更適于搜救信號的跟蹤。

為從接收信號中恢復(fù)信標(biāo)信息，找到數(shù)據(jù)位邊緣，需進(jìn)行位同步。采用內(nèi)插法實現(xiàn)位同步信號提取[9]，之后即開始數(shù)據(jù)解調(diào)，解調(diào)原理如下：

式中M為調(diào)制的數(shù)據(jù)位。后可以表示式為

把實部相加，虛部相減，然后對實部與虛部的比值進(jìn)行4 相限反切鑒相，得到相位φ，根據(jù)φ得到M值，即

2.4 BCH 譯碼模塊

二進(jìn)制的 BCH 譯碼一般采用彼得森（Perterson）算法、歐幾里德（Euclid）算法和布勒卡普-梅西（Blekamp-Massey,BM）算法。對于糾錯數(shù)較大的 BCH 譯碼器，一般采用 BM 算法和Euclid 算法，但相較于 Euclid 算法的復(fù)雜性，BM迭代算法較為簡單。過程分為 3 步：①通過接收多項式計算伴隨式；②由伴隨式求差錯位置多項式；③利用錢氏搜索法確定錯誤的位置，并對錯誤進(jìn)行糾正。

譯碼過程的關(guān)鍵在于第 2 步，通過伴隨多項式的系數(shù)sj求錯誤位置多項式σ(x)的系數(shù)σ1,(t為最多可糾正的錯誤個數(shù)），這一步若通過解線性方程組來求，計算量將會很大，當(dāng)碼長較長、糾錯能力較大時，計算量也隨之加大。BM 算法解決了求σ(x)的速度問題，工程上解決了BCH 的譯碼問題[10]。

3 BDS MEOSAR 接收機的實現(xiàn)及測試

2018 年 10 月 8 日—15 日在北京市云崗進(jìn)行了實際數(shù)據(jù)采集，采用國際衛(wèi)星搜救系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)信標(biāo)為系統(tǒng)提供全鏈路測試環(huán)境。

3.1 數(shù)據(jù)采集及信號檢測

數(shù)據(jù)采集模塊包含 4 個通道，最高支持每秒 12 500 萬次的采樣速率。模擬信號輸入采用交流耦合方式，輸入阻抗為50 Ω，滿刻度輸入電平峰峰值為2 V。模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換精度為14 位偏置碼，與主機傳輸速率高達(dá)1.2 GB/s。

當(dāng)開機接收時，2 相鄰滑動窗口長度取 0.1 s，均以 1 ms 的步進(jìn)滑動。圖 4 所示為本次測試數(shù)據(jù)接收處理的結(jié)果。檢測到信號起始時刻和終止時刻分別為1 110.53 和1 633.33 ms，總傳輸時間522.8 ms，滿足長消息格式信標(biāo)傳輸時長標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 信號檢測結(jié)果

3.2 數(shù)據(jù)同步及解調(diào)

接收處理采樣頻率為100 MHz，量化比特為16 位。搜救信號的前160 ms 信號為單載波信號，之后的信號是調(diào)制信號，則t時刻搜救信號可表示為

式中：A為幅值；為剩余的頻偏；為固定的隨機相位；為噪聲；為 Manchester 調(diào)制相位；j為虛數(shù)。

通過參數(shù)調(diào)試，以及FFT 點數(shù)至少為 2 倍的匹配濾波相關(guān)器個數(shù)時效果最佳的原則，最終選定FFT 點數(shù)81 920，匹配濾波相關(guān)器個數(shù)40 000，部分相關(guān)器長度200。求解的載波頻偏的估計值即傅里葉變換最大值為80 919 Hz，如圖5 所示。

圖5 FFT 最大值及其位置

跟蹤環(huán)路參數(shù)設(shè)計如表2 所示。

表2 跟蹤環(huán)路參數(shù)設(shè)計

跟蹤結(jié)果如圖6 所示。解調(diào)出數(shù)據(jù)信息的2 值化結(jié)果與發(fā)送數(shù)據(jù)的比對結(jié)果如圖7 所示，結(jié)果表明，接收處理系統(tǒng)可成功跟蹤信號，并可將原始信號正確解調(diào)且跟蹤性能良好，跟蹤頻率準(zhǔn)確，入鎖時間短。

圖6 跟蹤結(jié)果

圖7 解調(diào)結(jié)果

3.3 譯碼

測試采用 BM 迭代算法進(jìn)行譯碼，根據(jù)信標(biāo)信號體制分別進(jìn)行（82,61）和（38,26）的BCH 譯碼。圖8 所示為BCH 譯碼結(jié)果及各字段標(biāo)準(zhǔn)含義，結(jié)果與字段標(biāo)準(zhǔn)含義相符，表明接收機可成功糾錯譯碼。其中：前24 位為固定的位同步、幀同步字段；第25 位為1，表明此消息為長消息格式；第26 位為0，表明此信標(biāo)采用標(biāo)準(zhǔn)位置協(xié)議或國家位置協(xié)議；第 41 位到第85 位為信標(biāo)類別標(biāo)識以及編碼的位置信息；第 113 位到第 132 位為經(jīng)緯度的偏移量。

4 結(jié)束語

在搜索救援行動中，BDS 中軌道衛(wèi)星搜救系統(tǒng)與低極軌和靜止軌道衛(wèi)星相比，可以實現(xiàn)更高定位精度和更短等待時間，可以解決衛(wèi)星資源和軌道資源短缺的問題；接收機是實現(xiàn)其功能、確保其發(fā)揮作用的核心。本文在分析信號結(jié)構(gòu)、接收模塊的基礎(chǔ)上，給出了詳細(xì)的設(shè)計和實現(xiàn)過程，測試結(jié)果證明了其有效性。

圖8 BCH 譯碼結(jié)果