Mars EDL Sürecinde Doğrudan Dünyaya İletişim Performansı Araştırması
Zhang Tiansheng 1, Zhang Xiaolin 1, Li Zan 2
(1. Elektronik Bilgi Mühendisliği Okulu, Beihang Üniversitesi, Pekin 100191; 2. Pekin İzleme ve İletişim Teknolojisi Enstitüsü, Pekin 100094)
Giriş, iniş ve iniş (EDL) işlemi sırasında doğrudan yere iletişim için Mars Bilim Laboratuvarı tarafından kullanılan MFSK sinyali ve sinyal algılama algoritması ve veri ton frekans aralığının nasıl ayarlanacağı ve farklı Doppler dinamikleri altında modülasyon indeksinin nasıl ayarlanacağı analiz edildi. Karşılaştırmalı analiz yöntemi kullanılarak, MFSK modülasyon indeksinin, veri ton frekans aralığının ve taşıyıcı yakalama / izleme aşamasındaki Doppler frekans değişim oranının bilgi çözümü performansı üzerindeki etkisi incelenmiştir. Deneysel sonuçlar, veri tonu frekans aralığının bilgi algılama performansı üzerinde çok az etkiye sahip olduğunu göstermektedir.Veri tonu frekans aralığının 80 Hz'e ayarlanması tavsiye edilir; taşıyıcı-gürültü oranı 17 dB-Hz'den düşük olduğunda modülasyon indeksi 45 ° olarak ayarlanmalıdır, aksi takdirde ayarlanmalıdır. 48 ° 'dir; Taşıyıcı edinim / izleme aşamasındaki Doppler frekans değişim hızının büyüklüğü, bilgi algılama performansı üzerinde daha büyük bir etkiye sahiptir.Doppler frekans değişim hızının mutlak değeri 500 Hz / s'den yüksek olduğunda, sinyal algılama eşiği 3 dB artacaktır.
Mars keşfi; giriş, iniş, iniş; MFSK; frekans edinme ve izleme; bilgi hesaplama
Çin Kütüphanesi Sınıflandırma Numarası: TN911.23
Belge tanımlama kodu: Bir
DOI: 10.16157 / j.issn.0258-7998.2017.05.026
Çince alıntı biçimi: Zhang Tiansheng, Zhang Xiaolin, Li Zan.Mars EDL Sürecinde Doğrudan Dünyaya İletişim Performansı Araştırması. Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2017, 43 (5): 106-109, 118.
İngilizce alıntı biçimi: Zhang Tiansheng, Zhang Xiaolin, Li Zan.Mars EDL işlemi sırasında doğrudan dünyaya iletişim performansı üzerine araştırma.Elektronik Tekniğin Uygulanması, 2017, 43 (5): 106-109, 118.
0 Önsöz
Mars iniş görevleri için Mars gezgininin EDL (Giriş, İniş, İniş) aşamasında Dünya ile iletişim kurması çok zordur. Mars gezgini Mars atmosferine girdikten sonra şiddetli bir şekilde yavaşlayacak.Bu hızlanma ve titreşim, iletilen X-bandı sinyalinin (8.4 GHz) şiddetli Doppler dinamikleri üretmesine neden olur. 1999 yılında, Amerika Birleşik Devletleri tarafından başlatılan "Mars Polar Lander" (MPL), finansman kısıtlamaları nedeniyle EDL sürecinde iletişim sistemini tasarlamadı, görev başarısız olduktan sonra başarısızlığın temel nedenini bulmak zordu. O zamandan beri, Amerika Birleşik Devletleri tarafından yürütülen Mars keşif yumuşak iniş misyonları, EDL sürecinde MFSK iletişim yöntemini benimsemiştir. Bu nedenle, EDL sürecinde Mars gezgininin iletişim sistemini incelemek, Mars keşfinin Çin'de uygulanması için büyük önem taşıyan bir referans sağlayabilir.
Mars Rover'ın EDL işlemi sırasında, semafor benzeri bir MFSK sinyali göndermek için doğrudan yere bir iletişim bağlantısı kullanılır ve bu sinyal, veri tonu ile taşıyıcı arasındaki frekans aralığı aracılığıyla bilgi iletir. Son derece uzun iletişim mesafesi ve çok büyük Doppler dinamikleri nedeniyle, alınan sinyalin taşıyıcı-gürültü oranı genellikle 24 dB-Hz'nin altındadır.Bu kadar çok düşük sinyal-gürültü oranını ve yüksek dinamik sinyali tespit etme yöntemleri şunları içerir: (1) Maksimum olasılık (ML) Kriter tahmin algoritması: Geleneksel maksimum olasılık tahmin algoritması, yüksek hesaplama karmaşıklığına sahip olan ve pratikte uygulanması zor olan, çok boyutlu aramaya dayalı doğrusal olmayan bir optimizasyon problemidir. Literatür, yüksek dinamik zayıf sinyaller için maksimum olasılık yöntemine dayalı bir frekans tahmin yöntemi önermektedir.Bu algoritma, büyük miktarda hesaplama ile en temel maksimum olasılık tahmin algoritmasıdır; literatür, faz ağırlıklı toplamaya, birinci dereceden ikinci dereceden faz farkına dayalı bir yöntem önermektedir. Parametre tahmin algoritması, geleneksel maksimum olasılık tahmin algoritmasını basitleştirir; literatür, yüksek sıralı Doppler dinamik tahmini için kullanılabilen ayrı bir yüksek sıralı faz fonksiyonu yöntemi önerir, ancak bu yöntem yalnızca sinyal-gürültü oranı yüksek olduğunda taşıyıcı yakalama için uygundur. Literatür, geliştirilmiş taşıyıcı kurtarma ile maksimum olasılıklı bir Doppler frekans ofset algoritması önermektedir.Bu algoritma, aramayı veri tonu ve veri tonu fazının iki boyutunda artırarak sinyal algılama eşiğini 3 dB azaltır. Algoritmanın hesaplama karmaşıklığı 2.000 kat artacaktır ve sinyali gerçek zamanlı olarak tespit etmek imkansızdır; (2) FFT işleme ile maksimum olasılık algılama algoritması: Literatür, Zaman Alanı Eşleştirme-Ortalama Periyotogram algoritmasını (TDMAP) önermektedir. ), bu algoritma değişim eşleştirme doğruluğu gereksinimlerinin Doppler oranını azaltır, hesaplama karmaşıklığını azaltır ve taşıyıcı yakalama için uygundur. Ancak dinamik aralık genişlediğinde, eşleşen dal da orantılı olarak artar ve hesaplama karmaşıklığı artar, bu da Mars algılama sinyali taşıyıcısının gerçek zamanlı olarak edinilmesinde zorluklar getirir. Geleneksel zaman alanı eşleştirme ortalama periodogram algoritmasının yüksek hesaplama karmaşıklığına göre, literatür sıfır dolgulu geliştirilmiş bir frekans alanı kayması ortalama periodogram algoritması önermektedir. Orijinal algoritma ile karşılaştırıldığında, bu algoritmanın hesaplama karmaşıklığı, eşleşen dalların sayısının sıfır doldurma katına oranıyla azaltılır ve yakalama performansı neredeyse kaybolmaz. Literatür, yüksek dinamik zayıf sinyalin frekans edinimi tamamlandıktan sonra uyarlamalı bir sinyal izleme yöntemi önerir.
Yukarıdaki araştırma sonuçları esas olarak taşıyıcı yakalama / izleme ve son derece düşük sinyal-gürültü oranı ve yüksek dinamik sinyallerin bilgi tespiti için kullanılır.MFSK sinyallerinin farklı modülasyon indekslerinin sinyal sisteminden sinyal algılama performansı üzerindeki etkisini analiz etmemişler ve Mars'ın neden bilimsel olduğunu araştırmamışlardır. Laboratuvar (MSL), farklı frekans aralıklarının sinyal algılama performansı üzerinde etkisi olup olmadığına bakılmaksızın, MFSK veri tonları arasındaki frekans aralığını 76 Hz olarak belirler. Ek olarak, Doppler frekans değişim oranının sinyal algılama performansı üzerindeki etkisi kantitatif olarak analiz edilmemiştir.
Bu makale, Mars EDL işleminde doğrudan yere iletişim için MER, Phoenix ve MSL tarafından kullanılan MFSK sinyallerini ve MFSK sinyal tespiti için literatürde kullanılan zaman alanı eşleştirme ortalama periodogram algoritmasını analiz eder. Mars Bilim Laboratuvarı EDL işleminde Doppler simüle edilerek Le dynamics, MFSK modülasyon indeksinin, veri ton frekans aralığının ve edinim / izleme aşamasındaki Doppler frekans değişim oranının boyutunun bilgi çözümü performansı üzerindeki etkisini incelemiş ve araştırma sonuçlarına dayanarak aşağıdaki önerileri ortaya koymuştur: veri ton frekans aralığını 80 olarak ayarlayın. Hz Taşıyıcı-gürültü oranı ve gürültü oranı 17 dB-Hz'den düşük olduğunda, modülasyon indeksi 45 ° olarak ayarlanmalıdır, aksi takdirde 48 ° olarak ayarlanmalıdır Doppler frekansı değişim oranının bilgi algılama performansı üzerinde daha büyük bir etkisi vardır. Le frekans değişim oranının mutlak değeri 500 Hz / s'den yüksek olduğunda, sinyal algılama eşiği 3 dB artacaktır.
Mars EDL işlemi sırasında 1 MFSK sinyali
Mars Rover'ın EDL işlemi sırasında, doğrudan yere iletişim, özel bir çoklu alt taşıyıcı modülasyon sistemi benimser, sinyal MFSK yan ton sinyalidir ve sinyal modeli:
MFSK sinyalinin frekans spektrumunda veri tonunun harmonik bileşenleri vardır Bu harmonik bileşenler işe yaramaz, ancak sinyal enerjisinin bir kısmını işgal edeceklerdir. Sinyaldeki veri tonunun gücü ayrıca iki kısma ayrılır: temel dalganın işgal ettiği enerji Pdsc ve çoklu harmoniklerin kapladığı enerji Pdh. Hesaplama, iletilen toplam enerjide, 48 ° olduğunda, iletilen taşıyıcı enerji PT · cos2'nin, veri tonunun temel bileşeni tarafından kullanılan PT · sin2 · 8 / 2 enerjisine tam olarak eşit olduğunu gösterir. Şekil 1, 8 değeri 48 ° olduğunda MFSK sinyalinin bir spektrum diyagramıdır.
2 Mars EDL süreci sırasında iletişim performansı analizi
2.1 Simülasyon parametre ayarı
Literatüre göre, EDL işleminde Mars gezgininin X-bant doğrudan dünyaya iletişiminin Doppler kayma aralığı (iki yönlü) yaklaşık 90 kHz, ileri Doppler frekansı yaklaşık 50 kHz ve maksimum Doppler değişim oranı 700 Hz / s 1200 Hz / s, Doppler frekansının ikinci türevi yaklaşık -25 Hz / s2 40 Hz / s2'dir; 256 farklı veri tonu yayılır ve iletilen veri tonları her 10 saniyede bir değiştirilir . Temel bant simülasyonuna ayarlandığında, simüle edilmiş örnekleme hızı Fs = 100 kHz olarak ayarlanır ve sinyal parametresi ayarları Tablo 1'de gösterilmektedir.
Her simülasyon 1.000 s'dir ve her 10 saniyede bir rastgele bir veri tonu gönderilir.Doppler frekansı, Doppler frekansı değişim oranı, Doppler ikinci türevi ve EDL işlemindeki sinyalin diğer parametreleri literatürde referans alınmıştır. MER ve MSL'nin dinamik aralığını ayarlayın. İlk Doppler frekansının 20 kHz olduğu, başlangıç Doppler frekans değişim hızının -250 Hz / s olduğu ve simülasyon dinamik aralığının Doppler'in ikinci türevine göre doğru olduğu varsayıldığında, simülasyon Mars gezgini EDL işlemi sırasında alınan sinyali üretir.
EDL işleminde Doppler dinamik zarf ve veri tonunun ayarı Şekil 2'de gösterilmektedir. Bunlar arasında, 150 s ile 300 s arasındaki yüksek dinamikler, Mars gezgini Mars atmosferine girdiğinde meydana gelen şiddetli atmosferik sürtünmeden kaynaklanmaktadır.Şekil 2 (b) ve (c) 'deki yaklaşık 500 s'lik zirveler, paraşüt açıldığında Mars gezgini tarafından üretilmektedir. Şiddetli sarsıntı.
EDL sürecindeki Mars gezgininin farklı aşamalarına göre, literatürde tanıtılan TDMAP algoritması, taşıyıcı frekansını yakalamak ve izlemek ve bilgileri çözmek için kullanılır. Sinyal tespiti için TDMAP algoritması kullanıldığında, bazı parametreler Tablo 2'de gösterilmektedir.
2.2 Veri ses frekansı aralığının bilgi algılama performansı üzerindeki etkisi
Veri tonları arasındaki frekans aralığı, temel olarak taşıyıcı yakalama / izleme fazındaki Doppler frekansı, Doppler frekans değişim oranı çözünürlüğü ve sinyal bant genişliğinden etkilenir Teorik olarak, veri tonlarının frekans aralığı, frekans arama doğruluğundan daha büyük olduğu sürece tespit edilebilir. .
Taşıyıcı yakalama / izlemenin frekans çözünürlüğünü ve bilgi algılama işlemi sırasında gerçek sinyal bant genişliğini dikkate alarak modülasyon endeksini 48 ° 'ye ayarlayın, veri ses frekansı aralığı 50 Hz, 60 Hz, 70 Hz, 80 Hz, 90 Hz, 100 olarak ayarlanmıştır. Hz, 110 Hz, 120 Hz. Simülasyon, Şekil 3'te gösterildiği gibi, taşıyıcı-gürültü oranı 16 dB-Hz ila 20 dB-Hz olduğunda yanlış bilgi algılama oranını elde etmek için her ses frekansı aralığında 100 kez tekrarlanır.
Simülasyon sonuçlarından, MFSK bilgi algılama performansının farklı veri tonu frekans aralıklarında hemen hemen aynı olduğu, dolayısıyla bitişik veri tonları arasındaki frekans aralığının bilgi algılama performansı üzerinde daha az etkiye sahip olduğu görülebilir. Veri tonu frekans aralığı 80 Hz olduğunda, bilgi algılama eşiği 18.75 dB-Hz'dir ve bu, diğer algılama eşiklerinden biraz daha düşüktür. Sinyal bant genişliği kapsamlı olarak dikkate alındığında, bitişik veri tonları arasındaki frekans aralığının 80 Hz olarak ayarlanması tavsiye edilir.
2.3 Modülasyon indeksinin bilgi algılama performansı üzerindeki etkisi
Denklemlerden (4) ve (5), modülasyon indeksi azaltılırsa, taşıyıcının daha fazla güç işgal edeceği, bu da taşıyıcının frekans yakalama / izleme için yararlıdır, ancak veri tonlarının işgal ettiği gücün buna uygun olarak azalacağı, bu da veri tonlarının çözümüne elverişli olmadığı görülebilir. Bu nedenle, sinyal Doppler dinamikleri büyük ve sinyal-gürültü oranı düşük olduğunda, taşıyıcının temel bileşenleri tarafından kullanılan gücün makul bir tahsisi ve veri tonu, bilgi çözünürlük performansını iyileştirmek için faydalıdır.
Veri ses frekansı aralığını 80 Hz'e ve modülasyon indekslerini 44 °, 45 °, 46 °, 47 °, 48 °, 49 °, 50 ° olarak ayarlayın ve sırasıyla taşıyıcı-gürültü oranını elde etmek için simülasyonu her modülasyon indeksi altında 100 kez tekrarlayın 16 dB-Hz 20 dB-Hz'de veri tonunun yanlış algılama oranıdır. Şekil 4, modülasyon indeksi sırasıyla 45 ° ve 48 ° olduğunda MFSK bilgisi algılama sonuçlarını gösterir.
Şekil 4'ten, taşıyıcı-gürültü oranı 16,25 dB-Hz ve 16,5 dB-Hz olduğunda ve modülasyon indeksi 48 ° olduğunda, daha yüksek yanlış algılama oranına sahip veri tonlarının sayısı 45 ° 'de 3, 11, 12 ve 45 daha fazladır. , 61, 66, 85, 86, 88 veri tonları; taşıyıcı-gürültü oranı 19,5 dB-Hz ve 19,75 dB-Hz olduğunda ve modülasyon indeksi 45 ° olduğunda, 21. ve 30. veri tonları yine de yanlış algılanacaktır ve Modülasyon indeksi 48 ° olduğunda, yanlış algılama yoktur. Kapsamlı analiz, taşıyıcı-gürültü oranı 17 dB-Hz'den düşük olduğunda, modülasyon endeksini 45 ° 'ye ayarlamanın bilgi tespitine daha elverişli olduğunu; taşıyıcı-gürültü oranı 17 dB-Hz'den yüksek olduğunda, modülasyon endeksini 48 °' ye ayarlamak bilgi için daha elverişli olduğunu göstermektedir. Tespit etme.
2.4 Doppler frekans değişim oranının bilgi algılama performansı üzerindeki etkisi
Mars probunun EDL işlemi sırasında iletilen sinyalin Doppler frekans değişim oranının mutlak değerinin büyüklüğüne göre, Doppler dinamikleri 3 seviyeye bölünür, bunların arasında birinci, ikinci ve üçüncü seviyeler sırasıyla Doppler frekans değişim oranının mutlak değeridir. 0 100 Hz / s, 100 Hz / s 500 Hz / s, 500 Hz / s 1000 Hz / s arasındadır. Modülasyon indeksini 48 °, veri ton frekansı aralığını 80 Hz, taşıyıcı-gürültü oranı 11 dB-Hz 20 dB-Hz ve aralığı 0.25 dB olarak ayarlayın.Diğer simülasyon parametreleri Tablo 1 ve Tablo 2'de gösterilmektedir, tekrar Simülasyon 100 kez gerçekleştirildi ve Şekil 5'te gösterildiği gibi farklı C / N oranları altında üç tür Doppler dinamiğinin bilgi algılama sonuçları elde edildi.
Doppler frekans değişim oranının mutlak değeri 0 100 Hz / s, 100 Hz / s 500 Hz / s, 500 Hz / s 1000 Hz / s olduğunda bilgi algılama eşiği Şekil 5'ten görülebilmektedir. 15 dB-Hz, 16,25 dB-Hz, 19,5 dB-Hz, bu nedenle Doppler frekans değişim oranının dinamik aralığı bilgi algılama performansı üzerinde daha büyük bir etkiye sahiptir.
3 Sonuç
Doğrudan yere iletişim bağlantısının EDL sürecinde Mars sondası tarafından kullanılan MFSK iletişim yöntemine dayalı olarak, bu makale MFSK modülasyon indeksini, veri ton frekans aralığını ve taşıyıcı yakalama / izleme aşamasındaki Doppler frekans değişim oranının bilgi çözümü performansına olan büyüklüğünü inceler. Etki. Araştırma sonuçlarına göre aşağıdaki sonuçlara varılmıştır:
(1) Bitişik veri tonları arasındaki frekans aralığının algılama performansı üzerinde çok az etkisi vardır.Sinyal bant genişliği kapsamlı olarak düşünüldüğünde, bitişik veri tonlarının frekans aralığının 80 Hz olarak ayarlanması tavsiye edilir.
(2) Taşıyıcı tarafından kullanılan enerjinin makul bir tahsisi ve veri tonu, bilgi algılama performansını iyileştirmek için faydalıdır Taşıyıcı-gürültü oranı 17 dB-Hz'den düşük olduğunda, modülasyon indeksi 45 ° 'ye ayarlanır, aksi takdirde modülasyon indeksi 48 °' ye ayarlanır. Bilgi tespitine elverişlidir.
(3) Doppler frekansının boyutunun, bilginin doğru algılanması üzerinde hiçbir etkisi yoktur ve Doppler frekans değişim oranının boyutu, bilginin algılama ve algılama performansı üzerinde daha büyük bir etkiye sahiptir; Doppler frekansı değişim hızı 500 Hz / sn'nin üzerinde olduğunda veriler Tonun algılama eşiği 3 dB artırılmalıdır.
Taşıyıcı yakalama / izleme sırasında yalnızca Doppler frekansı ve Doppler frekansı değişim oranı dikkate alındığından ve Doppler frekansının ikinci ve daha yüksek türevleri dikkate alınmadığından, Doppler frekansının ikinci türevinin bilgi algılama performansının kantitatif olarak nasıl analiz edileceği Etki, bir sonraki araştırma yönüdür.
Referanslar
KORNLELD R P, UARCIA M D, CRAIG I E, ve diğerleri. 2007 Phoenix Mars Lander için giriş, iniş ve iniş muhabere. Journal of Spacecraft and Rockets, 2008, 45 (3): 534-547.
BRIAN C S, MELISSA S, PETER I. Mars bilim laboratuvarına giriş, iniş ve iniş sırasında telekomünikasyon performansı. Journal of Spacecraft and Rockets, 2014, 51 (4): 1237-1250.
VILNROTTER V A, HINEDI S, KUMAR R.Yüksek dinamik yörüngeler için frekans tahmin teknikleri.IEEE İşlemleri Havacılık ve Elektronik Sistemler, 1989, 25 (4): 559-577.
LI Y, FU H, KAM P Y. Cıvıl cıvıl sinyal parametrelerinin geliştirilmiş, yaklaşık, zamana dayalı ML tahminleyicileri ve performans analizi IEEE İşlemleri Sinyal İşleme, 2009, 57 (4): 1260-1272.
FARQUHARSON M, O'SHEA P, LEDWICH G. Gürültülü gözlemlerden polinom fazlı sinyallerin parametrelerini tahmin etmek için hesaplamalı1 verimli bir teknik IEEE İşlemleri Sinyal İşleme, 2000, 53 (8): 3337-3342.
CATTIVELLI F S, ESTABROOK P, SATORIUS E H, et al.Mars keşif görevlerinde maksimum olasılık Doppler kayması tahmini için taşıyıcı kurtarma ehancement IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing, 2008, 2 (5): 658-669.
SATORIUS E, ESTABROOK P, WILSON J, vd.Mars keşif gezgini girişi, inişi ve inişi için doğrudan dünyaya iletişim ve sinyal işleme Reston: The Interplanetary Network Progress, 2003: 42-153.
SORIANO M, FINLEY S, FORT D, et al. Giriş, iniş ve iniş sırasında Mars bilim laboratuvarı ile doğrudan dünyaya iletişim. IEEE Havacılık Konferansı, Big Sky, MT: AERO, 2013: 1-14.
Gan Hao, Zhang Xiaolin, Ma Yuehong, vd.Geliştirilmiş bir derin uzay yüksek dinamik zayıf sinyal frekansı edinme algoritması. Telemetri ve Uzaktan Kontrol, 2015, 36 (4): 6-11.
Duan Ruifeng, Liu Rongke, Zhou You, ve diğerleri Düşük karmaşıklık, son derece düşük sinyal-gürültü oranı ve yüksek dinamik sinyal taşıyıcı kaba edinim algoritması Acta Aeronautica Sinica, 2013, 34 (3): 662-669.
LOPES CG, SATORIUS E, ESTABROOK P, et al. Giriş, iniş ve iniş sırasında Mars'tan dünyaya haberleşme için verimli uyarlanabilir taşıyıcı takibi. IEEE / SP 14. Çalıştay Sinyal İşleme. Madison, WI: IEEE SSP, 2007, 1: 517-521 .
LOPES C G, SATORIUS E, ADED A H. Giriş, iniş ve iniş sırasında Mars'tan dünyaya iletişim için uyarlamalı taşıyıcı izleme Sinyal ve Bilgisayarlar Üzerine 40. Asiomar Konferansı Proc. Pacific Grove, CA: IEEE ACSSC, 2006: 1042-1046.
KORNFELD R P, PRAKASH R, DEVEREAUX AS, vd.Mars bilim laboratuvarı / merak gezgini girişinin, inişinin ve iniş sisteminin doğrulanması ve doğrulanması. Journal of Spacecraft and Rockets, 2014, 51 (4): 1251-1269.
