航天器微弱DS/FH测控信号长时间相干累积捕获技术

doi:10.7527/S1000-6893.2026.32839

Abstract

Abstract:

To address the problem that chip range walk exceeds half a chip period due to large Doppler shifts and long-time integration in high-dynamic scenarios， which degrades coherent integration gain and detection performance， this paper proposes a long-time coherent integration acquisition technology for weak DS/FH （Direct Sequence/Frequency Hopping） TTC （Telemetry， Tracking， and Command） signals of spacecraft. Based on the traditional half-chip sliding cross-correlation matrix， a sliding-window matrix to be corrected is constructed first. Then， an extraction matrix is designed using 0/1 logic operations， and the sliding cross-correlation correction matrix is obtained by extracting from the sliding-window matrix to be corrected. Subsequently， chip range walk correction is completed by combining fractional delay compensation. Notably， the proposed technology maintains a computational complexity comparable to that of existing fast coherent integration acquisition technologies， while significantly improving frequency hopping coherent integration gain and detection performance. Verified by comprehensive simulation analyses under various conditions， the proposed method can effectively resolve the bottlenecks of coherent integration gain and detection performance in high-dynamic， large Doppler， and long-time integration scenarios. It not only provides a reliable technical solution for capturing weak DS/FH TTC signals but also offers important theoretical guidance and practical value for the engineering implementation of related spacecraft telemetry and tracking systems.

Key words: DS/FH TTC signals, sliding cross-correlation matrix extraction, range walk correction, coherent integration acquisition, Doppler effect

CLC Number:

Tian YUAN, Lihua NI, Tian LIU, Wei XIE, Mou WANG, Yan ZHANG. Long-time coherent integration acquisition technique for weak DS/FH TTC signals of spacecraft[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2026, 47(12): 332839.

Figures/Tables 10

Fig.1

Fig.2

Fig.3

Table 1

Comparison of computational complexity among three algorithms

算法	$I$ 跳码片滑动互相关	时延/多普勒估计
文献［30］	$3 I J H 2 N τ l o g 2 2 N τ + 2 N τ$	$I N τ J H$
文献［26］	$3 I 2 N τ l o g 2 2 N τ + 2 N τ$	$I N τ J H$
本文算法	$3 I 2 N τ l o g 2 2 N τ + 2 N τ$	$I N τ J H$

Table 1

Table 2

Parameter settings for DS/FH hybrid spread spectrum signals

符号	参数	数值
$f h$	跳频速率（10⁴跳·s^-1）	10
$T h$	跳频周期/ $μ s$	10
$B h$	跳频带宽/MHz	$± 400$
$f c$	直扩码速率/MHz	100
$T c$	直扩码周期/ $μ s$	10
$f s$	采样率/GHz	1
$f R F$	载波频率/GHz	2
$v 0$	目标径向速度/（m·s^-1）	4 000
$N c$	单跳符号数	1 000
$N h$	单跳采样点数	10 000
$I$	信号分段数/跳频点数	$≥ 50$
$T$	总累积时长/ms	$≥$ 0.5

Table 2

Fig.4

Fig.5

Fig.6

Fig.7

Fig.8

References 30

[1]	丁纪昕，白雪，姜军，等. 航天测运指控系统关键技术研究进展［J］. 航空学报， 2025， 46（14）： 031529.
	DING J X， BAI X， JIANG J， et al. Research progress of key technologies in aerospace TTC and command system［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2025， 46（14）： 031529 （in Chinese）.
[2]	吴伟仁，李海涛，李赞，等. 中国深空测控网现状与展望［J］. 中国科学（信息科学）， 2020，50（1）：87-108．
	WU W R， LI H T， LI Z， et al. Status and prospect of China’ s deep space TTC network［J］.Scientia Sinica（Informationis）， 2020， 50（1）： 87-108 （in Chinese）.
[3]	孙刚，彭双，陈浩，等. 面向测控数传资源一体化场景的卫星地面站资源多目标优化方法［J］. 航空学报， 2022， 43（9）： 326114.
	SUN G， PENG S， CHEN H， et al. Multi-objective optimization method for satellite ground station resources in integrated TTC and data transmission scenarios［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2022， 43（9）： 326114 （in Chinese）.
[4]	SIMONE L， SALERNO N， MAFFEU M. Frequency-hopping techniques for secure satellite TT＆C：System analysis＆trade-offs［C］∥ 2006 International Workshop on Satellite and Space Communications. Piscataway： IEEE Press， 2006： 13-17．
[5]	CHERUBINI G， MILSTEIN L B. Performance analysis of both hybrid and frequency-hopped phase-coherent spread-spectrum systems. Part Ⅰ： A hybrid DS/FH system［J］. IEEE Transactions on Communications， 1989， 37（6）：600-611．
[6]	CHEN X， LI G X， LI Z Q，et al. Fast acquisition of a phase-coherent DS/FH satellite signal ［C］∥ 2015 12th International Computer Conference on Wavelet Active Media Technology and Information Processing（ICCWAMTIP）. Piscataway： IEEE Press， 2016 ：115-120．
[7]	CHEN U， HURD W J， STATMAN J I. Spread-spectrum code acquisition in the presence of Doppler shift and data modulation［J］. IEEE Transactions on Communication， 1990， 38（2）： 241-250.
[8]	VAN NEE D J R， COENEN A J R M. New fast GPS code-acquisition technique using FFT［J］. Electronics Letters， 1991， 27（2）： 158-160.
[9]	邢涛，胡庆荣，李军，等. 距离走动校正的距离空变分析与补偿［J］. 信号处理， 2015， 31（8）： 962-967.
	XING T， HU Q R， LI J， et al. Range-dependent range walk correction analysis and compensation［J］. Journal of Signal Processing， 2015， 31（8）： 962-967 （in Chinese）.
[10]	武国强. DS/FH混合扩频信号捕获技术的研究［D］. 北京：北京交通大学， 2018.
	WU G Q. Research on acquisition technology of DS/FH hybrid spread spectrum signals［D］. Beijing： Beijing Jiaotong University， 2018 （in Chinese）.
[11]	徐环，尚尚，石依山，等. 基于距离走动校正的高速目标检测算法［J］. 江苏科技大学学报（自然科学版）， 2025， 39（2）： 51-57.
	XU H， SHANG S， SHI Y S， et al. High-speed target detection algorithm based on distance walk correction［J］. Journal of Jiangsu University of Science and Technology （Natural Science Edition）， 2025， 39（2）： 51-57 （in Chinese）.
[12]	孟骞，刘建业，曾庆化，等. 一种改进双块补零北斗导航接收机弱信号捕获方法［J］. 航空学报， 2017， 38 （8）：320833.
	MENG Q， LIU J Y， ZENG Q H， et al. BeiDou navigation receiver weak signal acquisition aided by block improved DBZP［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2017， 38（8）： 320833 （in Chinese）.
[13]	赵瀛洲. 高动态DS/FH混合扩频通信关键技术研究及FPGA设计［D］. 西安：西安电子科技大学， 2010.
	ZHAO Y Z. Research on key techniques for high dynamic DS/FH spread spectrum communication and its FPGA design［D］. Xi’an： Xidian University， 2010 （in Chinese）.
[14]	毛良驹. 深空测控DS/FH混合扩频信号捕获技术研究与实现［D］. 成都：电子科技大学， 2013.
	MAO L J. Research and realization on acquisition technique of DS/FH hybrid spread spectrum signal for deep-space TTC［D］. Chengdu： University of Electronic Science and Technology of China， 2013 （in Chinese）.
[15]	孙慧贤，张玉华，赵禹博，等. 双通道局部序列相关跳频同步捕获方法［J］. 探测与控制学报， 2023， 45（5）： 82-87.
	SUN H X， ZHANG Y H， ZHAO Y B， et al. A frequency hopping synchronization acquisition method based on dual-channel local sequence correlation［J］. Journal of Detection Control， 2023， 45（5）： 82-87 （in Chinese）.
[16]	任鹏，周锦. 宽带跳扩信号跳频时隙补偿机制研究［J］. 长江信息通信， 2023， 36（2）： 72-74.
	REN P， ZHOU J. Research on compensation mechanism of frequency hopping timeslot for broadband DS/FH signal［J］. Changjiang Information Communications， 2023， 36（2）： 72-74 （in Chinese）.
[17]	XIAO X B， GUO F C. Joint estimation of time delay， Doppler velocity and Doppler rate of unknown wideband signals［J］. Circuits， Systems， and Signal Processing， 2019， 38（1）： 85-104.
[18]	袁田，刘田，苏新军. 基于重叠缓冲预解跳的DS/FH扩频信号快速捕获［J］. 电讯技术， 2020， 60（7）： 815 -819．
	YUAN T， LIU T， SU X J. Rapid acquisition of DS/FH spread spectrum signals based on double buffer pre-dehopping［J］. Telecommunication Engineering， 2020， 60（7）： 815-819 （in Chinese）.
[19]	赵达伟. 宽窄带干扰下扩频信号捕获算法研究与实现［D］. 北京：北京理工大学， 2016.
	ZHAO D W. Research on spread spectrum signal acquisition algorithm and implementation technology in broad and narrow band interference［D］. Beijing： Beijing Institute of Technology， 2016 （in Chinese）.
[20]	房静伟. 大动态DS/FH混合扩频信号捕获研究［D］. 成都：电子科技大学， 2025.
	FANG J W. Research on acquisition of large dynamic DS/FH mixed spread spectrum signals［D］. Chengdu： University of Electronic Science and Technology of China， 2025 （in Chinese）.
[21]	孙晓峰，刘云飞，万达. 一种 DS/FH 混合扩频信号的并行捕获方法［J］. 飞行器测控学报， 2012， 31（1）： 55-59.
	SUN X F， LIU Y F， WAN D. A parallel acquisition method for DS/FH hybrid spread spectrum signals［J］. Journal of Spacecraft TTC Technology， 2012， 31（1）： 55-59 （in Chinese）.
[22]	张世龙，倪祖耀，葛宁. 基于译码的DS/FH/TH扩频系统同步捕获方法研究［J］. 科学技术与工程， 2014， 14（22）： 52-55，72.
	ZHANG S L， NI Z Y， GE N. Synchronization acquisition method based on decoding method in DS/FH/TH spread spectrum system［J］. Science Technology and Engineering， 2014， 14（22）： 52-55， 72 （in Chinese）.
[23]	WANG W T， SHEN Y Y， WANG Y Q. Keystone transform-based parameter search for wide-band hybrid DS/FH systems［J］. IEEE Access， 2019， 7， 108223-108231.
[24]	陈希信. 基于Keystone变换的捷变频LFM回波信号距离走动校正［J］. 现代雷达， 2022， 44（9）： 29-32.
	CHEN X X. Range migration correction of frequency agility LFM echos based on Keystone transform［J］. Modern Radar， 2022， 44（9）： 29-32 （in Chinese）.
[25]	吴宇飞，刘琰，高军军. 高动态猝发扩频信号低复杂度快速捕获技术［J］．计算机仿真， 2021， 38（10）： 43-47．
	WU Y F， LIU Y， GAO J J. High-dynamic burst spread spectrum signal low-complexity fast acquisition technology［J］. Computer Simulation， 2021， 38（10）： 43-47 （in Chinese）.
[26]	陈啸，李广侠，李志强，等. 基于FFT和相干累积的DS/FH测控信号捕获算法［J］．计算机应用研究， 2017， 34（2）： 548-551， 560．
	CHEN X， LI G X， LI Z Q， et al. FFT and coherent-accumulation-based acquisition of DS/FH TTC signal ［J］. Application Research of Computers， 2017， 34（2）： 548-551，560 （in Chinese）.
[27]	孙振辉. 高动态低信噪比条件下DSSS信号接收机捕获技术的研究［D］. 西安：西安电子科技大学， 2020.
	SUN Z H. Research on acquisition process of DSSS receiver under high-dynamic and low SNR circumstances［D］. Xi’an： Xidian University， 2020 （in Chinese）.
[28]	王屹伟，张波，黄智刚. DS/FH信号跟踪的频率相位修正技术［J］. 国防科技大学学报， 2024， 46（3）： 195-204.
	WANG Y W， ZHANG B， HUANG Z G. Frequency and phase revision technique of DS/FH signal tracking［J］. Journal of National University of Defense Technology， 2024， 46（3）： 195-204 （in Chinese）.
[29]	JIN X， YANG X， LUO S， et al. A novel differential coherent FFH/DS acquisition strategy for LEO satellite-enabled internet of things［J］.IEEE Internet of Things Journal， 2023， 10（23）： 20297-20310.
[30]	朱毅，吴癸周，张源，等. 基于相参积累的宽带跳频信号时差和速度差联合估计方法［J］. 信号处理， 2023， 39（5）： 849-857.
	ZHU Y， WU G Z， ZHANG Y， et al.A joint estimation method of time difference and velocity difference for wideband frequency hopping signals based on coherent integration［J］. Journal of Signal Processing， 2023， 39（5）： 849-857 （in Chinese）.

Long-time coherent integration acquisition technique for weak DS/FH TTC signals of spacecraft

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[1]	TANG Zhengzhao, DONG Chunxi, CHANG Xin, LIU Mingming, ZHAO Guoqing. ISAR micro-Doppler scatter-wave jamming method based on towed jammer [J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2018, 39(7): 322007-322007.
[2]	DU Xiaoping, SONG Yishuo, ZENG Zhaoyang. Methods for Relative Distance and Radial Velocity Information Extraction in LFM/CW Laser Radar [J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2014, 35(2): 523-531.
[3]	JIANG Xiangwen, ZHAO Qijun, MENG Chen. Effect of Helicopter Rotor Blade Shape on Its Radar Signal Characteristics [J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2014, 35(11): 3123-3136.
[4]	JIA Xingjiang;GUO Fucheng;Zhou Yiyu. Passive Localization Based on Short Time TDOA Sequence [J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2011, 32(2): 291-298.
[5]	Meng Hongtao;Chen Dirong;Liu Hongying. OFDM System Based on Local Trigonometric Transform [J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2009, 30(6): 1126-1130.