首次火星探测任务遥测帧同步参数设计_刘军.pdf

DOI:1020079/jissn1001893x211108001引用格式:刘军，强立，张伟，等首次火星探测任务遥测帧同步参数设计J 电讯技术，2023，63(2):165172LIU J，QIANG L，ZHANG W，et alParameter design for telemetry frame synchronization in the first Mars exploration missionJ Telecommunication Engineering，2023，63(2):165172首次火星探测任务遥测帧同步参数设计*刘军刘军1 1，2 2，强立，强立1 1，2 2，张伟，张伟1 1，2 2，3 3，吴宗清，吴宗清1 1，2 2，卢欧欣，卢欧欣4 4(1西安卫星测控中心，西安 710043;2宇航动力学国家重点实验室，西安 710043;3浙江大学 航空航天学院，杭州 310027;4中国西南电子技术研究所，成都 610036)摘要:针对深空探测任务的遥测帧同步问题，结合深空测控设备帧同步器实际参数结构，推导了平均正确入锁时间解析式。根据深空任务重要阶段中器地通信时长短的特殊需求，提出了采用数据有效处理时间占比的数据有效率定义和计算方法，用于计算帧同步器在不同链路通信时长下的综合性能。分析了平均正确入锁时间和数据有效率两项指标的特点和不足，提出通过设定数据有效率阈值再由平均正确入锁时间选优的参数设计方法。最后，根据首次火星探测“天问一号”任务链路条件，给出了最佳帧同步参数，结果表明参数在我国深空站应用效果良好，方法有效。关键词:火星探测;“天问一号”;遥测帧同步参数;正确入锁时间;数据有效率开放科学(资源服务)标识码(OSID):微信扫描二维码听独家语音释文与作者在线交流享本刊专属服务中图分类号:TN911;V556文献标志码:A文章编号:1001893X(2023)02016508Parameter Design for Telemetry Frame Synchronizationin the First Mars Exploration MissionLIU Jun1，2，QIANG Li1，2，ZHANG Wei1，2，3，WU Zongqing1，2，LU Ouxin4(1Xi an Satellite Control Center，Xi an 710043，China;2State Key Laboratory of Astronautic Dyanmics，Xi an 710043，China;3School of Aeronautics and Astronautics，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China;4Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China)Abstract:In order to solve the problem of telemetry frame synchronization in deep space exploration，theanalysis formula of average time of correct locking(ATCL)is derived based on frame synchronizerparameter structure of deep space TTC systemAccording to the special demand for short communicationduration in important stage of deep space detection，the concept of data efficiency is put forward forcalculating combination performance of various communication times，which is defined by proportion ofeffective processing timeThe features and deficiencies of ATCL and data efficiency analysis are completed，which contributes to proposing the method of parameter design based on threshold of data efficiency andATCLFinally，the best parameters of frame synchronizer with communication link conditions of the firstMars Exploration Mission(Tianwen-1)are providedThe effect of the method is proved by the applicationresults in China s deep space TTC stationKey words:Mars exploration;Tianwen-1;telemetry frame synchronization parameter;time of correctlocking;data efficiency561第 63 卷 第 2 期2023 年 2 月电讯技术Telecommunication EngineeringVol63，No2February，2023*收稿日期:20211108;修回日期:20220216通信作者:强立0引言帧同步是完成载波同步、位同步之后，在数据流中找到传输帧正确起止位置的过程，通过帧同步器三种状态的转移来实现。数据流输入帧同步器后，由相关器对帧同步码组进行相关运算，帧同步器以帧同步参数作为状态转移的判据，依据相关运算结果进行状态转移并实现帧同步入锁和失锁，并将成帧排列的数据送至译码器等单元处理。帧同步参数设计的合理性决定了帧同步器的性能，良好的帧同步参数设计能够降低帧同步器的虚同步率、漏同步率以及正确锁定状态下的失锁率。近地空间测控中，通常链路余量充足，传输误码率很低，一般以一组帧同步参数就可适应绝大部分任务场景。而在火星探测等 200 万公里以远的深空探测任务中，任务寿命周期内器地距离变化由百万到上亿公里，探测器姿态调整并切换不同增益天线，造成下行测控通信链路条件变化很大12，不存在一组帧同步参数能适应整个任务阶段。尤其是在探测器在变轨机动，以及进入、下降和着陆(Entry，Descent and Landing，EDL)等工作期，链路信噪比低，传输码速率低，器地通信时长较短，同时又对数据接收量、有效性有强烈需求3。这对深空测控设备的帧同步性能提出了较高要求。因此，研究遥测帧同步参数设计，对于首次火星探测等深空任务的遥测数据接收具有重要意义。针对 TPC 编码遥测、Turbo 编码数据接收中的帧同步参数设计问题，文献 46采用概率计算方式，通过计算正确入锁时间的数学期望、数据有效率等指标，建立帧同步性能衡量和参数设计方法;文献 7 采用仿真方法寻求最佳帧同步参数设置，对高误码率条件下的参数设置进行了分析。上述研究中帧同步器的搜索态和校核态合并为一个参数考虑，与深空测控设备帧同步器实际可独立设置三态参数不同，很难使深空测控设备帧同步器性能达到最优。此外，对于平均正确入锁时间解析式的推导、对衡量帧同步器入锁和数据有效率还有进一步完善定义和简化计算的必要。本文在上述研究的基础上，针对我国深空测控网的测控设备进行了其帧同步器三态转移过程的原理介绍。在此基础上，重新推导了帧同步器平均正确入锁时间计算解析式;针对帧同步器的入锁和锁定保持性能的综合衡量问题，提出了基于平均正确入锁时间的数据有效率的定义和计算方法。接着，分析了平均正确入锁时间和数据有效率两项指标对帧同步器性能的反映特点，提出了根据两项指标设计帧同步参数的方法。最后，针对首次火星探测任务设计了不同信噪比和编码方式下的遥测帧同步参数，并通过任务中遥测帧同步的实际情况验证了参数设计的合理性。1帧同步器的三态转移过程帧同步器通过搜索、校核、锁定三种状态的转移完成数据帧同步，涉及的主要概念和参数如下:(1)帧同步码组:在每帧中相同位置(本文中设为帧首)出现的一组固定码样组合，长度为 m 比特。(2)数据传输帧:由帧同步码组和数据区构成，长度记为 N 比特。数据区码样一般与帧同步码组相关性很低，经过伪随机化处理后可认为是随机的。(3)帧同步参数:包括搜索态、校核态、锁定态三种状态的检测帧数和容错位数，其中搜索态帧数一般默认为 1 帧，因此一组帧同步参数包括搜索态容错位数(记为 a 比特)、校核态容错位数(记为 b比特)、锁定态容错位数(记为 c 比特)、校核态帧数(记为 V 帧)、锁定态帧数(记为 L 帧)。(4)相关器:对送入相关器的码组，与标称帧同步码组作相关运算，实现码组检测。检测后得到被检码组与标称帧同步码组的汉明距离，用比特或位表示。(5)相关器检测码组的位置:每帧中，检测码组的第 1 比特相对于全帧第 1 比特的距离，记为检测码组的位置 s。检测码组的位置有周期性，取值范围为 0，N1。帧同步码组在每帧帧首，s=0 时检测码组是正确的帧同步码组，s 1，N1 时检测码组位于数据区，或数据区与帧同步码组共存区，称为随机码组。帧同步入锁的过程如图 1 所示。图 1帧同步器三态转移过程661wwwteleonlinecn电讯技术2023 年下面对帧同步器的状态转移逻辑作简要介绍:搜索态:从输入帧同步器的数据流中，逐比特截取长度为 m 比特的码组，送入相关器检测，若检测结果未超过搜索态容错位数 a，则帧同步器由搜索态进入校核态。校核态:搜索态进入校核态时，检测位置 s 不变，间隔整帧周期对该位置码组进行检测，若连续 V次检测结果均未超过容错位数 b，则帧同步器转移至锁定态;若出现一次检测结果超过容错位数 b，则直接转移至搜索态，从下一帧 s+1 位置重新开始搜索。锁定态:帧同步器进入锁定态后，检测位置 s 不变，间隔整帧周期对该位置码组进行检测，同时数据区被送至译码器处理。若连续 L 帧检测结果超过锁定态容错位数 c，则帧同步失锁，在完成当前帧的译码、数据上报处理后，帧同步器由锁定态转移至搜索态，从下一帧 s+1 位置重新开始搜索。三态转移中，任一节点的虚同步和漏同步都可能造成帧同步器状态反复，导致帧同步正确入锁时间长。正确同步锁定状态下，失锁会使帧同步器进入搜索态，从而降低数据有效率。帧同步参数设计的目标是，对于某一任务条件，使帧同步器工作在正确入锁时间短、数据有效率高的状态。2平均正确入锁时间和数据有效率计算根据上述分析计算帧同步器在一组参数下的正确入锁时间和数据有效率。由于帧同步器的入锁和失锁过程存在多种可能的状态组合，每种状态具有一定的发生概率和所需时间，为了衡量帧同步器在一组参数下的性能，应当计算的是正确入锁时间的数学期望，即平均正确入锁时间(Average Time ofCorrect Locking，ATCL)。除帧长 N、帧同步码组长度 m 外，影响帧同步性能的主要外部因素是帧同步码组误码率 Pe。推导前，作如下假设:(1)信号传播在对称信道，即 0 和 1 的误码概率相同;(2)数据区经过加扰后是随机的，每比特出现 0或 1 的概率均为 p=05;(3)截取 m 比特码组时，数据区与帧同步码组的共存区，也当作随机码组处理。推导计算过程根据正确帧同步码组的状态转移路径分阶段进行:首先计算帧同步码组进入搜索态，直到首次正确通过搜索所需要的平均时间，称为搜索时间，这里要考虑漏检情况;其次计算正确通过搜索态后，一次通过校核态，以及校核错误重新搜索、循环一至多次正确通过校核态的平均时间，即ATCL;最后