类噪声chirp扩频测控信号波形设计与接收技术研究

Fast establishment method of communication link (FEMCL) , as a key technique for launch vehicle and low earth-orbiting spacecraft via the next generation Ka-band space-based TT&C system, i.e. tracking and data acquisition relay satellite system (TDRSS), is mainly exposed to a series of technical problems. Such as short captured time of satellite and aircraft antenna bidirectional scanning, low received signal to noise ratio (SNR), large Doppler shift and Doppler dynamic range. Aiming at completing signal acquisition in low SNR, the receiver of traditional direct sequence spread spectrum signal (DSSS) requires two dimensional searching for pseudo-code phase and Doppler shift though many times, which hardly meets the needs of real-time monitoring scenarios. Based on the need of new TT&C signal waveform design and the characteristics of large Doppler tolerance of chirp signal, the project proposes a novel chirp noise waveform (CNW) with low spectral density and large Doppler tolerance by embedding pseudo-phase to the original chirp signal, which results in reducing the Doppler search unit and decreasing acquisition time dramatically. The project focuses on researching three key techniques: novel TT&C signal waveform design method, fast acquisition strategy based on orthogonal matched filters, high dynamic carrier tracking loop assisted by estimation of Doppler rate. Based on these techniques, we strive to provide technical storage for the development of Ka-band space-based TT&C systems.

快速建链通信是Ka频段天基平台（比如TDRSS）测控运载火箭、中低轨道飞行器的一项关键技术。它主要面临中继卫星与飞行器天线双向扫描捕获的时间短、接收信号信噪比低、多普勒频偏大、多普勒动态范围大等难题。传统直接序列扩频信号，其接收机终端在低信噪比环境下需要进行多次较大范围的伪码相位—多普勒二维搜索来完成信号捕获，难以满足对于运载火箭等需要全程测控、实时性要求高的应用场景。本项目从测控信号波形设计角度入手，利用chirp信号多普勒容限大的特点，通过对其加入相位随机扰动，提出了一种谱密度低、多普勒容限大的类噪声chirp测控信号扩频方式，从根本上减少多普勒搜索单元，大幅降低捕获时间。项目通过深入研究其①波形设计方法，②基于正交匹配滤波的快速捕获技术，③多普勒变化率估计值辅助的高动态载波跟踪技术等，力争为我国Ka频段天基测控技术的发展提供技术储备。

本项目主要针对Ka频段中继卫星系统（TDRSS）中遥测终端快速建链通信的问题展开研究。主要技术难点包括：①中继卫星与飞行器天线双向扫描捕获的时间短。②接收信号信噪比低。③多普勒频偏大。④多普勒动态范围大。.主要研究内容：1）研究类噪声chirp 信号波形设计技术。主要内容包括研究类噪声chirp 信号的伪随机相位调制方法，类噪声chirp 信号的自相关函数、模糊函数特性，类噪声chirp 信号的时频耦合特性，以及新体制测控信号的正交调制结构。2）研究大频偏情况下的快速捕获方法。主要内容包括研究利用时频耦合特性，设计正交匹配滤波器通过一维搜索完成时延-频偏联合估计。3）研究多普勒变化率估计值辅助的高动态载波跟踪技术。研究基于分数阶Fourier 变换的多普勒变化率极大似然估计方法，以及估计值辅助载波跟踪环路的方法。.重要结果：.传统遥控遥测信号主要是BPSK-PM以及CDMA-BPSK两类，因此本项目提出的类噪声chirp扩频信号很难应用于现有中继测控通信系统。2018年，项目组利用非协作商用同步轨道卫星进行了隐蔽测控通信实验。由于这类商用中继卫星是透明转发机制，因此可以进行测控通信波形的设计，实验中采用CDMA-BPSK、TDCS-CCSK、CNW-BPSK三种波形，其中本项目提出的CNW-BPSK在捕获时间上取得了明显优势。.科学意义：.利用非协作商用中继卫星进行隐蔽低码率通信，对提高测控通信抗干扰、抗截获等方面有突出的优势，在这种通信方式下，使得各种通信波形可以灵活运用。