《電子技術(shù)應(yīng)用》
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火星EDL過(guò)程中直接對(duì)地通信性能研究
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第5期
張?zhí)靹?,,張曉林1,,李 贊2
1.北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,北京100191,;2.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所,,北京100094
摘要: 分析了火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)入、下降,、著陸(EDL)過(guò)程中直接對(duì)地通信使用的MFSK信號(hào)及其信號(hào)檢測(cè)算法,,針對(duì)如何設(shè)置數(shù)據(jù)音頻率間隔以及在不同多普勒動(dòng)態(tài)下如何設(shè)置調(diào)制指數(shù)的問(wèn)題,利用對(duì)比分析的方法,,研究了MFSK調(diào)制指數(shù),、數(shù)據(jù)音頻率間隔以及載波捕獲/跟蹤階段多普勒頻率變化率的大小對(duì)信息解算性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,,數(shù)據(jù)音頻率間隔對(duì)信息檢測(cè)性能影響較小,,建議將數(shù)據(jù)音頻率間隔設(shè)為80 Hz;當(dāng)載噪比低于17 dB-Hz時(shí),,調(diào)制指數(shù)應(yīng)設(shè)為45°,,否則應(yīng)設(shè)為48°;載波捕獲/跟蹤階段多普勒頻率變化率的大小對(duì)信息檢測(cè)性能影響較大,,當(dāng)多普勒頻率變化率絕對(duì)值高于500 Hz/s時(shí),,信號(hào)檢測(cè)門限會(huì)增加3 dB。
中圖分類號(hào): TN911.23
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.05.026
中文引用格式: 張?zhí)靹?,張曉林,,李? 火星EDL過(guò)程中直接對(duì)地通信性能研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2017,43(5):106-109,,118.
英文引用格式: Zhang Tiansheng,,Zhang Xiaolin,Li Zan. Research on direct-to-earth communication performance during mars EDL process[J].Application of Electronic Technique,,2017,,43(5):106-109,118.
Research on direct-to-earth communication performance during mars EDL process
Zhang Tiansheng1,,Zhang Xiaolin1,,Li Zan2
1.School of Electronic and Information Engineering,Beihang University,,Beijing 100191,,China; 2.Beijing Institute of Tracking and Telecommunication Technology,,Beijing 100094,,China
Abstract: A specialized form of frequency-shift keying-MFSK used on the X-band direct-to-earth communication link during entry, descent, and landing(EDL) of Mars probe and its detection algorithm are analysed. For the problem of how to set the modulation indexes based on Doppler dynamics and the frequency interval between data tones, a lot of research work on how MFSK signal processing performance will be influenced by different modulation indexes, the frequency interval between data tones and the range of Doppler frequency rate during frequency acquisition and tracking has been done. The experiment results are showed as follows. First, the frequency interval between data tones has little influence on signal processing performance and is recommended to be set 80 Hz. Second, the modulation index should be set 45 deg when CNR is below 17 dB-Hz, otherwise, it should be set 48 deg. Third, the value of Doppler frequency rate during carrier frequency acquisition and tracking has large influence on signal processing performance. It may cause signal detection threshold rising by 3 dB when Doppler frequency rate is larger than 500 Hz/s.
Key words : mars exploration;EDL,;MFSK,;carrier frequency acquisition and tracking,;signal detection

0 引言

    對(duì)于火星著陸任務(wù),,火星探測(cè)器在EDL(Entry,Descent,,Landing)階段與地球通信非常具有挑戰(zhàn)性,。火星探測(cè)器進(jìn)入火星大氣后會(huì)劇烈減速,,這種加速度和抖動(dòng)使發(fā)送的X波段信號(hào)(8.4 GHz)產(chǎn)生嚴(yán)重的多普勒動(dòng)態(tài),。1999年,美國(guó)發(fā)射的“火星極地探測(cè)器”(Mars Polar Lander,,MPL)由于經(jīng)費(fèi)限制,,沒(méi)有設(shè)計(jì)EDL過(guò)程中的通信系統(tǒng),任務(wù)失敗后難以找到失敗的根本原因[1],。此后,,美國(guó)進(jìn)行的火星探測(cè)軟著陸任務(wù)在EDL過(guò)程中都采用了MFSK通信方式。因此,,研究火星探測(cè)器在EDL過(guò)程中的通信體制能為我國(guó)火星探測(cè)的實(shí)施提供借鑒,,具有重要意義。

    火星探測(cè)器EDL過(guò)程中,,利用直接對(duì)地通信鏈路發(fā)送一種類似于旗語(yǔ)的MFSK信號(hào),,通過(guò)數(shù)據(jù)音與載波之間的頻率間隔來(lái)傳遞信息,。由于通信距離極遠(yuǎn),且多普勒動(dòng)態(tài)非常大,,接收信號(hào)載噪比通常在24 dB-Hz以下[2],,進(jìn)行這種極低信噪比、高動(dòng)態(tài)信號(hào)檢測(cè)的方法有:(1)最大似然(ML)準(zhǔn)則估計(jì)算法:傳統(tǒng)的最大似然估計(jì)算法是基于多維搜索的非線性優(yōu)化問(wèn)題,,運(yùn)算復(fù)雜度較高,,很難進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。文獻(xiàn)[3]針對(duì)高動(dòng)態(tài)微弱信號(hào)提出了基于最大似然法的頻率估計(jì)方法,,該算法是最基本的最大似然估計(jì)算法,,運(yùn)算量龐大;文獻(xiàn)[4]提出了基于相位加權(quán)求和,、1階2階相位差的參數(shù)估計(jì)算法,,簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)的最大似然估計(jì)算法;文獻(xiàn)[5]提出了一種離散的高階相位函數(shù)法,,可用于高階多普勒動(dòng)態(tài)估計(jì),,但該方法只適用于中高信噪比時(shí)載波捕獲;文獻(xiàn)[6]提出了一種載波恢復(fù)增強(qiáng)的最大似然多普勒頻率偏移算法,,該算法通過(guò)增加數(shù)據(jù)音,、數(shù)據(jù)音相位兩個(gè)維度的搜索,將信號(hào)檢測(cè)門限降低了3 dB,,但是這種方法的運(yùn)算量會(huì)擴(kuò)大2 000倍,,不可能進(jìn)行信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè);(2)含F(xiàn)FT處理的最大似然檢測(cè)算法:文獻(xiàn)[7-8]提出了時(shí)域匹配平均周期圖算法(Time-Domain Matching-Average Periodogram algorithm,,TDMAP),,這種算法減弱了多普勒變化率匹配精度要求,運(yùn)算復(fù)雜度降低,,適用于載波捕獲,。但當(dāng)動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)大時(shí),匹配支路也成比例增加,,運(yùn)算復(fù)雜度擴(kuò)大,,從而給火星探測(cè)信號(hào)的載波實(shí)時(shí)捕獲帶來(lái)困難。文獻(xiàn)[9-10]針對(duì)傳統(tǒng)的時(shí)域匹配平均周期圖算法計(jì)算復(fù)雜度高的問(wèn)題,,提出了一種改進(jìn)的帶有補(bǔ)零的頻域移位平均周期圖算法,。該算法與原算法相比,其計(jì)算復(fù)雜度降低倍數(shù)為匹配支路數(shù)與補(bǔ)零倍數(shù)之比,,捕獲性能幾乎不損失,。文獻(xiàn)[11-12]對(duì)高動(dòng)態(tài)微弱信號(hào)完成頻率捕獲后提出了一種自適應(yīng)的信號(hào)跟蹤方法。

    以上研究成果主要用于對(duì)極低信噪比、高動(dòng)態(tài)信號(hào)進(jìn)行載波捕獲/跟蹤,、信息檢測(cè),,沒(méi)有從信號(hào)體制上分析研究MFSK信號(hào)不同的調(diào)制指數(shù)對(duì)信號(hào)檢測(cè)性能的影響,沒(méi)有研究為什么火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室(MSL)將MFSK數(shù)據(jù)音之間的頻率間隔設(shè)為76 Hz,,不同的頻率間隔對(duì)信號(hào)檢測(cè)性能是否有影響,。另外,多普勒頻率變化率的大小對(duì)信號(hào)檢測(cè)性能的影響也未進(jìn)行定量分析,。

    本文分析了MER,、Phoenix、MSL在火星EDL過(guò)程中直接對(duì)地通信使用的MFSK信號(hào)及文獻(xiàn)[7-8]中用于MFSK信號(hào)檢測(cè)的時(shí)域匹配平均周期圖算法,,通過(guò)仿真火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室EDL過(guò)程中的多普勒動(dòng)態(tài),,研究了MFSK調(diào)制指數(shù)、數(shù)據(jù)音頻率間隔以及捕獲/跟蹤階段多普勒頻率變化率的大小對(duì)信息解算性能的影響,,并根據(jù)研究成果提出以下建議:將數(shù)據(jù)音頻率間隔設(shè)為80 Hz,,當(dāng)載噪比噪比低于17 dB-Hz時(shí),調(diào)制指數(shù)應(yīng)設(shè)為45°,,否則應(yīng)設(shè)為48°,,多普勒頻率變化率的大小對(duì)信息檢測(cè)性能影響較大,當(dāng)多普勒頻率變化率絕對(duì)值高于500 Hz/s時(shí),,信號(hào)檢測(cè)門限會(huì)增加3 dB,。

1 火星EDL過(guò)程中MFSK信號(hào)

    火星探測(cè)器EDL過(guò)程中直接對(duì)地通信采用一種特殊的多子載波調(diào)制體制[2],其信號(hào)是MFSK側(cè)音信號(hào),,信號(hào)模型為:

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    MFSK信號(hào)的頻譜中存在著數(shù)據(jù)音的諧波分量,,這些諧波分量是無(wú)用的,然而會(huì)占用一部分信號(hào)能量,。進(jìn)一步將信號(hào)中的數(shù)據(jù)音的功率細(xì)分為兩部分:基波所占的能量Pdsc,、多次諧波所占的能量Pdh,。通過(guò)計(jì)算可知,,在傳輸?shù)目偰芰恐校?dāng)Δ≈48°時(shí),,傳輸?shù)妮d波能量PT·cos2Δ正好等于數(shù)據(jù)音的基波分量所占的能量PT·sin2Δ·8/π2,。圖1是Δ值為48°時(shí)MFSK信號(hào)的頻譜圖[7]

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2 火星EDL過(guò)程中通信性能分析

2.1 仿真參數(shù)設(shè)置

    根據(jù)文獻(xiàn)[13]可知,,火星探測(cè)器在EDL過(guò)程中X波段直接對(duì)地通信的多普勒偏移范圍(雙向)大約為90 kHz,,正向多普勒頻率大約為50 kHz,多普勒變化率最大為700 Hz/s~1 200 Hz/s,,多普勒頻率的二階導(dǎo)數(shù)大約為-25 Hz/s2~40 Hz/s2,;共發(fā)出256個(gè)不同的數(shù)據(jù)音,每隔10 s切換發(fā)射的數(shù)據(jù)音。設(shè)定為基帶仿真,,仿真的采樣率設(shè)為Fs=100 kHz,,信號(hào)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

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    每次仿真1 000 s,,每隔10 s發(fā)送一個(gè)[1,,256]之間的隨機(jī)數(shù)據(jù)音,信號(hào)在EDL過(guò)程中的多普勒頻率,、多普勒頻率變化率,、多普勒二階導(dǎo)數(shù)等參數(shù),參照文獻(xiàn)[7-8]中MER和MSL的動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行設(shè)置,。假設(shè)初始多普勒頻率為20 kHz,、初始多普勒頻率變化率為-250 Hz/s,仿真動(dòng)態(tài)范圍精確到多普勒二階導(dǎo)數(shù)tx1-t2-s1.gif,,仿真產(chǎn)生火星探測(cè)器EDL過(guò)程中接收到的信號(hào),。

    EDL過(guò)程中的多普勒動(dòng)態(tài)包絡(luò)和數(shù)據(jù)音的設(shè)置如圖2所示。其中150 s~300 s之間的高動(dòng)態(tài)是火星探測(cè)器進(jìn)入火星大氣層時(shí),,劇烈的大氣摩擦所致,,圖2(b)、(c)中500 s左右的尖峰是降落傘打開(kāi)時(shí)火星探測(cè)器產(chǎn)生的劇烈抖動(dòng),。

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    根據(jù)火星探測(cè)器在EDL過(guò)程中的不同階段,,利用文獻(xiàn)[7-8]中介紹的TDMAP算法進(jìn)行載波頻率的捕獲、跟蹤,,以及信息的解算,。利用TDMAP算法進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)時(shí),部分參數(shù)如表2所示,。

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2.2 數(shù)據(jù)音頻率間隔對(duì)信息檢測(cè)性能的影響

    數(shù)據(jù)音之間的頻率間隔主要受到載波捕獲/跟蹤階段多普勒頻率,、多普勒頻率變化率分辨率和信號(hào)帶寬的影響,理論上數(shù)據(jù)音的頻率間隔只要大于頻率搜索精度就能完成信息檢測(cè),。

    將調(diào)制指數(shù)設(shè)為48°,,考慮到信息檢測(cè)過(guò)程中載波捕獲/跟蹤的頻率分辨率以及實(shí)際信號(hào)帶寬,數(shù)據(jù)音頻率間隔分別設(shè)為50 Hz,、60 Hz,、70 Hz、80 Hz,、90 Hz,、100 Hz,、110 Hz、120 Hz。每個(gè)數(shù)據(jù)音頻率間隔下重復(fù)仿真100次,,得到載噪比為16 dB-Hz~20 dB-Hz時(shí)的信息誤檢率,如圖3所示。

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    通過(guò)仿真結(jié)果可以看出:不同數(shù)據(jù)音頻率間隔時(shí),MFSK信息檢測(cè)性能幾乎相同,,因此相鄰數(shù)據(jù)音之間的頻率間隔對(duì)信息檢測(cè)性能的影響較小。當(dāng)數(shù)據(jù)音頻率間隔為80 Hz時(shí),,它的信息檢測(cè)門限為18.75 dB-Hz,,較其他的檢測(cè)門限稍低。綜合考慮信號(hào)帶寬,,建議相鄰數(shù)據(jù)音的頻率間隔設(shè)為80 Hz,。

2.3 調(diào)制指數(shù)對(duì)信息檢測(cè)性能的影響

    由式(4)、(5)可知,,減小調(diào)制指數(shù),,載波將占有更多功率,有利于載波的頻率捕獲/跟蹤,,但是數(shù)據(jù)音占有的功率相應(yīng)減少,,不利于數(shù)據(jù)音的解算。因此當(dāng)信號(hào)多普勒動(dòng)態(tài)較大,、信噪比較低時(shí),,合理地分配載波與數(shù)據(jù)音的基波分量所占有的功率有利于提高信息的解算性能。

    將數(shù)據(jù)音頻率間隔設(shè)為80 Hz,,調(diào)制指數(shù)分別為44°,、45°、46°,、47°,、48°、49°,、50°,,每個(gè)調(diào)制指數(shù)下重復(fù)仿真100次,得到載噪比分別為16 dB-Hz~20 dB-Hz時(shí)的數(shù)據(jù)音誤檢率,。圖4為調(diào)制指數(shù)分別為45°和48°時(shí)MFSK信息檢測(cè)結(jié)果,。

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    從圖4可以看出:當(dāng)載噪比為16.25 dB-Hz和16.5 dB-Hz,調(diào)制指數(shù)為48°時(shí)誤檢率較高的數(shù)據(jù)音比45°時(shí)多了第3,、11,、12,、45,、61、66,、85,、86、88個(gè)數(shù)據(jù)音;當(dāng)載噪比為19.5 dB-Hz和19.75 dB-Hz時(shí),,調(diào)制指數(shù)為45°仍會(huì)在第21,、30個(gè)數(shù)據(jù)音發(fā)生誤檢,而調(diào)制指數(shù)為48°時(shí)則沒(méi)有發(fā)生誤檢,。綜合分析可得,,載噪比低于17 dB-Hz時(shí),把調(diào)制指數(shù)設(shè)為45°更利于信息檢測(cè),,當(dāng)載噪比高于17 dB-Hz時(shí),,把調(diào)制指數(shù)設(shè)為48°更利于信息檢測(cè)。

2.4 多普勒頻率變化率對(duì)信息檢測(cè)性能的影響

    根據(jù)火星探測(cè)器EDL過(guò)程中發(fā)射信號(hào)多普勒頻率變化率絕對(duì)值的大小,,將多普勒動(dòng)態(tài)劃分為3個(gè)級(jí)別,,其中第一、二,、三級(jí)分別為多普勒頻率變化率的絕對(duì)值為0~100 Hz/s,、100 Hz/s~500 Hz/s、500 Hz/s~1 000 Hz/s之間,。將調(diào)制指數(shù)設(shè)為48°,,數(shù)據(jù)音頻率間隔設(shè)為80 Hz,載噪比分別為11 dB-Hz~20 dB-Hz,,間隔為0.25 dB,,其余仿真參數(shù)如表1和表2所示,重復(fù)仿真100次,,得到不同載噪比下3種多普勒動(dòng)態(tài)時(shí)的信息檢測(cè)結(jié)果,,如圖5所示。

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    從圖5可以看出,,多普勒頻率變化率絕對(duì)值在0~100 Hz/s,、100 Hz/s~500 Hz/s、500 Hz/s~1 000 Hz/s時(shí)的信息檢測(cè)門限大約為15 dB-Hz,、16.25 dB-Hz,、19.5 dB-Hz,因此多普勒頻率變化率的動(dòng)態(tài)范圍對(duì)信息檢測(cè)性能影響較大,。

3 結(jié)束語(yǔ)

    本文針對(duì)火星探測(cè)器在EDL過(guò)程中直接對(duì)地通信鏈路采用的MFSK通信方式,,研究了MFSK調(diào)制指數(shù)、數(shù)據(jù)音頻率間隔以及載波捕獲/跟蹤階段多普勒頻率變化率的大小對(duì)信息解算性能的影響,。根據(jù)研究結(jié)果,,得出以下結(jié)論:

    (1)相鄰數(shù)據(jù)音之間的頻率間隔對(duì)檢測(cè)性能的影響較小,綜合考慮信號(hào)帶寬,,建議相鄰數(shù)據(jù)音的頻率間隔設(shè)為80 Hz,。

    (2)合理分配載波與數(shù)據(jù)音所占能量,,有利于提高信息檢測(cè)性能,當(dāng)載噪比低于17 dB-Hz時(shí),,將調(diào)制指數(shù)設(shè)為45°,,否則將調(diào)制指數(shù)設(shè)為48°,更有利于信息檢測(cè),。

    (3)多普勒頻率的大小對(duì)信息的正確檢測(cè)沒(méi)有影響,,多普勒頻率變化率的大小對(duì)信息的檢測(cè)檢測(cè)性能有較大影響;多普勒頻率變化率在500 Hz/s以上時(shí)數(shù)據(jù)音的檢測(cè)門限要提高3 dB,。

由于載波捕獲/跟蹤時(shí)只考慮了多普勒頻率,、多普勒頻率變化率,沒(méi)有考慮多普勒頻率的二階及高階導(dǎo)數(shù),,如何定量分析多普勒頻率的二階導(dǎo)數(shù)對(duì)信息檢測(cè)性能的影響是下一步的研究方向,。

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張?zhí)靹?,,張曉林1,李  贊2

(1.北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,,北京100191,;2.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所,北京100094)

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