刘晓敏 闫金栋 刘鹤

(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

直接序列扩频/跳频(direct sequence spread spectrum/frequency hopping，DS/FH)混合扩频体制以其保密性强、抗干扰能力强和抗截获能力强等显著特点，在卫星测控领域得到越来越广泛的应用[1-2]。DS/FH测控信号具有载波跳变、多普勒频率跳变、载波初始相位不连续等特点，信号捕获同步方式与常规测控系统有很大不同[3-4]；同时，航天测控系统中收发信机之间存在高动态以及较大的通信时延，且信号捕获受到空间衰落、电离层色散及各种干扰的影响均比单一扩频信号复杂。由于这些特殊问题的存在，其地面测试方法和测试系统的设计也较常规测控系统复杂，难度大大增加。

目前，国外的军用DS/FH技术主要应用于全球定位系统(GPS)和保密通信、联合战术信息分发系统(JTIDS)等多种系统中，但因领域的特殊性，有关其测试的相关公开性资料目前没有查询到，所以对其测试方法和细节无法了解。而国内DS/FH体制在航天测控领域正处于初始应用阶段，关于卫星DS/FH测控系统综合性能的评价与测试，还没有一个通用的测试平台，也没有准确、统一的测试方法。

本文针对卫星DS/FH测控系统工作特点和测试技术难点，提出了一种卫星DS/FH测控系统自动化测试方法，并设计了通用的自动化测试系统，解决了卫星DS/FH测控系统捕获性能、动态性能及抗干扰性能测试的难题，并大幅提升了测试效率。

1 测试方法设计

DS/FH测控系统在带来优良性能的同时，也导致其系统测试复杂化，主要表现在：

(1)DS/FH测控系统同步方式与传统的直接搜索同步方式不同，它一般需要借助时间作为辅助信息完成同步；同时，DS/FH测控系统星地传输距离远、时间不确定度范围大。如何根据卫星同步策略，并模拟星地时间偏差全面考核系统的捕获性能是地面测试的难点之一。

(2)由于DS/FH信号载波频率持续跳变，其信号捕获、跟踪受到多普勒、空间衰落及电离层影响均比单一扩频信号复杂；地面测试时须模拟在星地之间射频链路中的主要传输现象，包括空间信道传输时延、空间信道衰减、射频多普勒频率、信噪比、电离层色散等特性的模拟，为地面测试提供真实飞行引起的信号多普勒和时间延迟变化。

(3)DS/FH测控系统面临的干扰形式复杂，包括单频干扰、窄带干扰、宽带干扰、脉冲干扰及转发干扰等多种强干扰信号，干信比一般可达100 dB以上[5-6]，地面测试需模拟产生各类不同形式的强干扰信号。

因此，地面测试时需要充分考虑以上工作特点和测试难点，全面考核DS/FH测控系统的综合性能。本文设计的方法将上述分析的星地时间不确定度、动态、空间衰落、电离层色散及干扰作为测试条件，在不同测试条件下考核DS/FH测控系统的捕获性能、测量性能及传输性能，具体技术指标包括捕获时间、捕获概率、测距精度和准确度、测速精度和准确度、遥测误码率和遥控误指令率等，测试原理如图1所示。

图1 DS/FH测控系统测试原理图

作为一个复杂的测控系统，其各项技术指标是相互关联、相互影响的。因此，衡量测控系统能够正常工作的基本条件是需要同时满足各项最低性能指标，当其中某一项指标超出范围时，则认为系统不满足性能指标要求。测试时，地面叠加不同的测试条件，在系统的最低性能指标全部满足要求的前提下，综合考核DS/FH测控系统的捕获性能、动态性能及抗干扰性能。

捕获性能测试时，地面模拟星地时间不确定度、多普勒变化、上行功率变化及电离层电子浓度，调整各测试条件参数范围，进行捕获时间、捕获概率测试。最终测试得到满足捕获时间、捕获概率技术指标要求的最大星地时间不确定度，最大多普勒范围、多普勒变化率、最大电离层电子浓度即为系统的动态性能，最小功率电平则为系统的捕获门限。

抗干扰性能测试时，地面模拟产生宽带、窄带、脉冲、转发等干扰，同时模拟星地时间不确定度、多普勒变化、上行功率变化及电离层电子浓度，调整干扰类型、干信比及各测试条件参数范围，在系统捕获时间、捕获概率、测距、测速、遥控误指令率、遥测误码率均满足指标要求时的最大信干比即为系统的抗干扰能力(即干扰抑制度)，最小功率电平则为系统的抗干扰门限。

2 测试系统设计

2.1 系统总体设计

根据以上设计的测试方法，同时以提升设备通用性、降低成本、提高测试效率为目标，设计了一种基于软件无线电和通用仪器的自动化测试系统，如图2所示。该系统以DS/FH基带设备为核心，完成DS/FH测控信号的调制、解调、捕获、跟踪和测距、测速等各种功能，并完成星地时间不确定度模拟。采用宽带信道模拟器和宽带综合干扰源用于搭建星地测控链路模拟测试环境，模拟链路传输时延、功率衰减、多普勒变化、电离层色散及干扰等动态信息。改变信道模拟器和综合干扰源的参数设置，使测控信号叠加时延、多普勒、干扰等动态信息，这样等效于卫星相对地面站运动和各种空间干扰，完成信号动态性能测试和抗干扰测试。同时，为满足大规模的自动化快速测试需求，利用射频开关矩阵来实现地面测试系统各种工作模式的自动切换,并采用快速可重构的自动化测试软件实现所有功能和性能指标的自动化测试。

注：RF为射频。图2 DS/FH自动化测试系统组成结构图Fig.2 Structure of DS/FH automated test system

另外，程控衰减器用于上、下行射频信号和干扰信号的功率衰减和控制，以满足上、下行链路动态范围和干信比要求；时频单元主要用于提供内部时间码(IRIG-B码)和10 MHz频率源，为系统提供统一的时间信号和频率参考；校零转发器用于完成测试前的系统自检和距离零值自校；中心监控计算机则通过网络完成对系统各单机的远程自动化监视、控制和管理，并与自动化测试软件通信，支持系统的自动化测试。

2.2 核心设备设计

2.2.1 DS/FH基带设备

DS/FH基带设备采用先进的软件无线电技术，集射频信号收发、DS/FH伪码产生、中频接收、上行调制、测距、测速、测时差、遥测、遥控和小环接收比对等多种功能于一体，通过配置大规模现场可编程门阵列(FPGA)电路和高速数字信号处理器(DSP)的程序设计，并与应用软件相配合，实现DS/FH信号的遥测、遥控、测距、测速等各种功能。

设备采用紧凑型外设部件互连标准(CPCI)总线式架构，完成上行信号发送和下行信号接收处理功能，上、下行射频信号均由变频板完成射频与中频之间的转换，上行信号中频调制器主要包含上行传输帧组帧及信道编码单元、直扩调制单元和跳扩调制单元等；下行信号中频接收机主要包含干扰抑制、捕获单元、跟踪单元、测量计算单元、下行信道译码单元和数据同步分发单元等组成，其原理组成如图3所示。

图3 DS/FH基带设备工作原理图Fig.3 Working principle of DS/FH baseband device

为获得DS/FH测量性能及抗干扰性能，DS/FH体制采用复合长周期序列和无周期特性的混沌码，传统的直接搜索同步方式难以建立链路同步，因此，采用扩跳短码引导扩跳长码方式实现DS/FH信号的快速捕获，即利用扩跳短码携带时间信息作为同步辅助信息，利用星地时间同步实现星地扩跳长码信号的快速同步。同时，为测试DS/FH测控系统星地时间不确定度指标，DS/FH基带设备设计了上注时间偏移功能，通过将地面长码与短码注入时间设置固定偏移量，满足星地时间偏移设置要求，DS/FH基带设备具体上行数据与伪码直扩调制流程如图4所示。

图4 上行数据与伪码直扩调制流程Fig.4 Modulation process of uplink data and pseudo-code

由图4可知，在伪码支路，由于设备内部取码模块从码服务器中取码有一定的延时，所以发送给码服务器的“取码指令”中的取码时间统一设计为：T1+t，码服务器据此产生的伪码对应的时间为T1+t，且程序设置为在T=T1+t时刻驱动伪码码钟，获取直扩长码。故在T=T1+t时刻，输出的直扩长码与当前时刻是对应的。在数据支路，在T=T1+t时刻，将当前时间T与上注时间偏移量τ相加得到上注时间，将其填充到数据帧中得到上行数据帧。故在T=T1+t时刻，上行数据帧中上注时间字段填充的内容为T1+t+τ。所以，上行长码对应的时刻为T时，上行数据帧中的注入时间为T+τ，当τ=0时，两者是严格对齐的。

2.2.2 宽带信道模拟器

关于卫星信道模拟器，目前国外已有少数商用产品，国内的一些科研机构也对此进行了相关研究，但这些信道模拟器带宽较窄，适用频带范围小，无法对宽带的DS/FH测控系统进行模拟，且模拟器组成复杂，成本较高[7]。本文设计的宽带信道模拟器采用软件无线电架构实现，使得模拟器功能更加灵活，可以根据工作频率、有效全向辐射功率(EIRP)、航天器的轨道或按预先设定曲线，模拟空间传输中各种变化信息，包括距离、多普勒、电平、信噪比和电离层色散等变化情况；航天器轨道数据采用弹道格式，可以通过网络接口远程注入轨道数据，或通过文件方式导入。

设备采用标准CPCI总线式架构，所有硬件板卡均通过CPCI总线互联，包括一块高性能频率基准及上下变频一体板、一块中频信道板、一块高精度宽带信道模拟平台、一块时码转接板、一块计算机主板和一块计算机后I/O传输板，如图5所示。

信道模拟器按照功能划分主要由变频单元、中频信道单元、基带信号处理单元、数据存储单元和接口单元组成，如图6所示。变频单元完成中频与射频之间的频率转换；中频信道单元主要完成中频信号滤波和增益控制；基带信号处理单元完成信号的模数采样、距离延迟、多普勒频移、噪声调制、幅度均衡及数模变换和信息交互；数据存储单元完成对前端接口模块采集的高速数据流的实时存储功能，采用大规模第三代双倍数据率同步动态随机存取存储器(DDR3)模组实现，具有高带宽、高容量、实时存储等特点，能够完成系统所需的时延模拟要求；接口单元完成与上位机软件的数据交互，实现各功能模块参数设置和状态监视。

图5 宽带信道模拟器硬件组成原理图Fig.5 Hardware components of broadband channel simulator

图6 信道模拟器功能组成图Fig.6 Composition of broadband channel simulator

2.2.3 干扰信号生成

本系统采用商业化的通用仪器宽带干扰信号源(如美国Keysight公司的N5172B-506等)实现输出单频、窄带、宽带及脉冲干扰等多种场景的干扰形式。宽带综合干扰源可通过中心监控计算机的系统监控软件进行远程控制，生成任意要求的干扰信号，满足测试需求的变更和扩展。干扰信号直接射频输出给卫星DS/FH测控系统，最高干信比满足100 dB以上要求。

转发干扰主要通过DS/FH基带设备产生，通过将上行射频信号增加固定时延，可输出一路转发干扰信号，信号和转发干扰通过各自通道的衰减器进行功率控制，满足抗转发干扰测试需求。

2.3 自动化测试软件设计

自动化测试软件与系统中心监控计算机通信，通过中心监控计算机对系统各单机进行程控，完成自动化功能和性能测试、数据处理和事后分析。

本系统的自动化测试软件克服了传统测试软件通用化不足的弊端[8]，采用可扩展和快速可重构的思想，实现测试执行环境与测试用例设计环境的分离，所有测试设备的接口通讯功能进行通用化封装，提炼出测试设备的控制命令表和状态参数表，形成测试插件库，测试人员根据具体测试任务和测试要求调用测试插件即可自主开发各性能指标的测试用例，随时适应变化的测试需求。自动化测试软件工作原理如图7所示。其中，测试用例设计环境主要完成测试设备的管理和调配、测试项目和测试用例的设计和管理，测试人员根据不同项目的测试需求通过拖放插件节点的方式即可任意组装测试序列，并形成测试序列库，完成测试用例的统一管理。测试用例执行环境完成测试计划的管理、测试用例的执行、测试数据分析、管理、入库及测试报告生成。测试资源库则对系统内的测试资源进行统一管理，对资源的标识、类型、型号、驱动程序版本等属性进行修改和维护。

图7 自动化测试软件工作原理图Fig.7 Working principle of automated test software

3 测试验证与分析

DS/FH测控系统地面测试时，通过自动化测试软件控制DS/FH基带设备、宽带信道模拟器、宽带综合干扰源等设备完成星地时间不确定度、多普勒、信号功率、电离层电子浓度及干扰等各测试条件的参数设置，即可完成任意不同测试条件组合下的捕获、抗干扰等性能测试。

以抗干扰性能测试为例介绍测试系统工作流程及自动化用例执行流程，如图8所示。测试时，首先进行初始参数配置，具体包括卫星型号、测试阶段、参数代号、参数赋值等；对测试设备进行初始化；然后通过控制各设备参数改变，完成不同测试条件下的抗干扰能力测试；待测试完毕后将测试数据入库，并输出测试报告；最后复位地面设备。当测试需求变化时，测试用例可根据测试条件变化改变相应设备参数，实现测试用例的可扩展和快速重构，而无须重新设计测试用例。

该DS/FH自动化测试方法已经过某卫星整星各阶段测试验证。经验证，该测试方法实际验证的技术指标覆盖了卫星DS/FH测控系统基本性能检查的所有技术指标，测试方法和测试系统设计满足测试要求。实际验证结果如表1所示。

同时，该自动化测试方法在通用性、可重构性及提升测试效率方面具有明显的优势，见表2。利用该方法，测试设计和数据处理时间大大减少，测试实施时间缩短40%，大幅提升了测试效率。

数字混频器包括数字乘法器和NCO。NCO产生目标频率的正交正余弦本振信号,将此正余弦信号和AD采样后的中频信号相乘达到混频的目的,将中频信号搬移到零频。可以通过查找表法和坐标旋转数字计算法(CORDIC)实现数控振荡器。由于基于ROM查找表法会消耗一部分存储资源,而利用CORDIC矢量旋转迭代的方法,通过移位和迭代运算产生一组严格正交、稳定、频率可控的正余弦信号,很好的解决了查找表法消耗存储器资源的问题。图8为基于坐标旋转数字计算法的数字混频器FPGA实现结构,包括频率控制单元、相位累加器单元以及CORDIC流水线型电路。

注：N为干扰，S为信号。图8 抗干扰测试流程图Fig.8 Testing flow of anti-jamming performance

DS/FH测控系统基本性能实际测试验证技术指标测试系统技术指标验证结果捕获性能捕获时间具备捕获时间统计功能满足测试要求捕获概率具备捕获概率统计功能满足测试要求捕获门限/dBm最小输出功率-130满足测试要求动态性能星地时间不确定度/ms±30满足测试要求多普勒频率范围/kHz±70满足测试要求多普勒变化率/(kHz/s)±3满足测试要求电离层电子浓度0～1000TEC满足测试要求抗干扰性能干扰类型宽带、窄带、脉冲、转发干扰满足测试要求干扰门限/dBm最小输出功率-130满足测试要求干扰抑制度(干信比)/dB>100满足测试要求测量性能测距精度/m≤1满足测试要求测速精度/(cm/s)≤1满足测试要求传输性能遥控误指令率具备误指令率统计功能满足测试要求遥测误码率具备误码率统计功能满足测试要求

表2 验证结果比对

4 结束语

本文提出了一种卫星DS/FH测控系统自动化测试方法，并设计了一种基于软件无线电和通用仪器的通用自动化测试系统。采用DS/FH基带设备完成DS/FH信号的调制、解调、捕获、跟踪和测距、测速功能；宽带信道模拟器、宽带综合干扰源用于搭建天地测控链路模拟测试环境，模拟链路传输时延、功率衰减、多普勒变化、电离层色散及干扰等动态信息；并采用可重构的自动化测试软件实现快速自动化测试；该测试方法可全面、灵活地考核DS/FH测控系统的综合性能，解决了卫星DS/FH测控系统捕获性能、动态性能及抗干扰性能测试的难题，测试方法通用性好，可重构能力强、测试效率大幅提升，具有未来推广应用前景。

参考文献(References)

[1] 潘点飞，郝建华，程乃平．DS/FH测控系统综合性能评估方法研究[J]．飞行器测控学报，2013，32(2)：111-116

Pan Dianfei,Hao Jianhua,Cheng Naiping. A synthetic performance evaluation method for DS/FH TT&C systems[J]．Journal of Spacecraft TT&C Technology, 2013, 32(2): 111-116 (in Chinese)

[2] 陈静.DS/FH混合扩频测控信号同步及抗干扰研究[D].成都：电子科技大学，2009

Chen Jing. Research on the synchronization and anti-jamming of DS/FH hybrid spread spectrum signal[D]. Chengdu:University of Electronic Science and Technology of China, 2009 (in Chinese)

[3] 王金宝，杨文革，章兰英．直扩/跳频测控信号捕获算法研究[J]．现代防御技术，2013，41(1)：92-98

Wang Jinbao,Yang Wenge,Zhang Lanying. Acquisition algorithm of DS/FH signal for TT&C[J]． Modern Defense Technology, 2013,41(1): 92-98 (in Chinese)

Mao Liangju. Research and realization on acquisition technique of DS/FH hybrid spread spectrum signal for deep-space TT&C[D]. Chengdu:University of Electronic Science and Technology of China, 2013 (in Chinese)

[5] 周烨.扩/跳频抗干扰自动测试系统设计与实现[D].成都：电子科技大学，2016

Zhou Ye. DS/FH systems design and implementation of automatic test immunity[D]. Chengdu:University of Electronic Science and Technology of China, 2016 (in Chinese)

[6] 潘点飞，程乃平，郝建华．DS/FH测控系统抗干扰性能分析与测试[J]．空间科学学报，2013，33(5)：540-547

Pan Dianfei,Cheng Naiping,Hao Jianhua. Analysis and test of anti-jamming performance for DS/FH TT&C system[J]．Chinese Journal of Space Science, 2013, 33(5): 540-547 (in Chinese)

[7] 蒋剑.宽带卫星信道模拟器关键技术研究[D].成都：电子科技大学，2015

Jiang Jian. Research on key techniques of broadband satellite channel simulator[D]. Chengdu:University of Electronic Science and Technology of China, 2015 (in Chinese)

[8] 蔡远文，同江，姚静波，等．我国航天自动测试系统体系结构研究[J]．装备学院学报，2012，23(6)：1-5

Cai Yuanwen, Tong Jiang,Yao Jingbo,et al. Research on the architecture of aerospace automatic test system in our country[J]．Journal of Academy of Equipment, 2012,23(6):1-5 (in Chinese)