全球?qū)Ш叫亲情g鏈路技術(shù)發(fā)展建議

林益明 何善寶 鄭晉軍 初海彬

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

1 引言

當(dāng)今,世界上有4 大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS),分別是美國全球定位系統(tǒng)(GPS)、俄羅斯全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GLONASS)、歐洲伽利略(Galileo)系統(tǒng)和我國北斗(Compass)系統(tǒng)。在全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中,維持較高的衛(wèi)星軌道和鐘差確定精度,是確保導(dǎo)航接收終端獲得系統(tǒng)要求的定位或授時(shí)精度的關(guān)鍵。通常獲得精確軌道和鐘差參數(shù)需要在全球范圍布設(shè)大量地面站進(jìn)行連續(xù)觀測(cè),而我國目前尚不具備這樣的全球性戰(zhàn)略地理資源。因此,我國迫切需要建設(shè)導(dǎo)航星座星間鏈路來彌補(bǔ)這一不足。

在全球?qū)Ш叫亲鶅?nèi)部建設(shè)星間鏈路后,通過少數(shù)的監(jiān)測(cè)站即可獲得精密軌道參數(shù),星間鏈路還可以增加星歷注入頻度,而這兩點(diǎn)均直接影響導(dǎo)航定位精度。當(dāng)注入數(shù)據(jù)無法上注到星上導(dǎo)航任務(wù)處理單元時(shí),通過星間距離觀測(cè)值和預(yù)報(bào)星歷、時(shí)鐘數(shù)據(jù)可以提高星座自主運(yùn)行能力。此外,地面站的測(cè)控信息可以通過星間鏈路進(jìn)行傳輸,可大大增強(qiáng)地面站對(duì)星座的測(cè)控管理能力。

導(dǎo)航星座星間鏈路涉及到通信/電子、微波/天線、計(jì)算機(jī)/網(wǎng)絡(luò)、結(jié)構(gòu)/機(jī)構(gòu)、軌道/定軌、控制/航天器總體設(shè)計(jì)等多學(xué)科多專業(yè),技術(shù)難度大。國內(nèi)目前對(duì)導(dǎo)航星間鏈路的研究正在進(jìn)行,文獻(xiàn)[1-2]對(duì)導(dǎo)航星間鏈路的幾何特性(星間距離、俯仰角和方位角)、星間頻段、鏈路預(yù)算進(jìn)行了初步分析,文獻(xiàn)[3-6]對(duì)導(dǎo)航星間網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c路由技術(shù)進(jìn)行了初步的研究,文獻(xiàn)[7]對(duì)GPS 星間鏈路做了較為詳細(xì)的描述,文獻(xiàn)[8]提出了星間網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞年P(guān)聯(lián)矩陣表示方法。但是這些研究?jī)H著眼于某些技術(shù)細(xì)節(jié),在導(dǎo)航衛(wèi)星星間鏈路系統(tǒng)體制層面的戰(zhàn)略性研究顯得不足。

2 國外導(dǎo)航星座星間鏈路的分析

GPS是目前在軌導(dǎo)航星座中唯一實(shí)現(xiàn)了星間鏈路的系統(tǒng),自Block IIR衛(wèi)星開始,安裝了具有自主導(dǎo)航功能的星間鏈路收發(fā)設(shè)備。星間鏈路采用時(shí)分多址(TDMA)和擴(kuò)頻體制,星間頻段為UHF(250～290M Hz)。每顆衛(wèi)星分配1.5s 的時(shí)間間隔,用于雙頻測(cè)距或通信。對(duì)于24顆衛(wèi)星星座,36s為1個(gè)子幀,900s為1個(gè)主幀。第0子幀為測(cè)距幀;第1子幀用于星間測(cè)量偽距誤差修正;第2子幀用于星座測(cè)量與處理數(shù)據(jù)通信;第3子幀為預(yù)留時(shí)間,可以用于數(shù)據(jù)處理和通信數(shù)據(jù)準(zhǔn)備;第4～9子幀用于星座衛(wèi)星星歷及時(shí)鐘參數(shù)交換;第10～24子幀為星間鏈路信號(hào)收發(fā)機(jī)預(yù)留時(shí)間,可以用于Kalman 濾波處理和導(dǎo)航電文編制等。GPS ⅡR/ ⅡRM 衛(wèi)星星間鏈路測(cè)距周期可選擇15min、1h、2h、3h、4h和6h,其中1h為缺省值設(shè)置。星間測(cè)距與通信鏈路由星間信號(hào)發(fā)射機(jī)、信號(hào)接收機(jī)、饋電網(wǎng)絡(luò)、發(fā)射天線單元、接收天線單元以及信號(hào)與數(shù)據(jù)處理單元組成。星間鏈路發(fā)射采用雙繞螺旋天線,接收采用陣列天線,要求天線波束相位中心穩(wěn)定,波束邊緣增益可達(dá)到7dBi 左右。

GPS 目前的UHF頻段星間鏈路存在如下幾點(diǎn)不足:1)數(shù)據(jù)速率較低,難以滿足未來更多的需求;2)所選擇的UHF頻段不是國際電聯(lián)(ITU)分配給星間鏈路使用的合法頻段,其使用不受保護(hù);3)寬波束的星間鏈路抗干擾能力難以提升;4)單個(gè)陣元發(fā)射的寬波束星間鏈路對(duì)地面UHF頻段合法用戶存在干擾。因此,美國已經(jīng)計(jì)劃在GPS III 衛(wèi)星上開發(fā)高頻段窄波束的星間鏈路。

除了GPS 在發(fā)展星間鏈路外,俄羅斯G LONASS 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和歐盟的Galileo 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也在規(guī)劃和開發(fā)各自導(dǎo)航星座的星間鏈路。

本文將在國外多種類型衛(wèi)星星間鏈路研究的基礎(chǔ)上,對(duì)發(fā)展我國全球?qū)Ш叫亲情g鏈路提出幾點(diǎn)建議,以期明確國內(nèi)在導(dǎo)航星座星間鏈路領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展方向。

國外在通信衛(wèi)星星座、偵察編隊(duì)飛行系統(tǒng)和全球?qū)Ш叫l(wèi)星星座中均建有星間鏈路,除通信星座外,后兩者均有星間通信和星間測(cè)距功能,而且全球?qū)Ш叫l(wèi)星星座還具有自主導(dǎo)航功能。

3 高頻段星間鏈路是國內(nèi)空間技術(shù)發(fā)展的需要

空間無線電技術(shù)正在向更高頻段發(fā)展,有兩個(gè)主要原因:1)更高頻段尤其是Ka 及其以上頻段尚未被大規(guī)模開發(fā),干擾較少且易于申請(qǐng);2)高頻自身也有很多優(yōu)點(diǎn),如波長(zhǎng)短帶來的設(shè)備尺寸小和重量輕。

表1是通常衛(wèi)星業(yè)務(wù)的頻率名稱,目前實(shí)用的衛(wèi)星系統(tǒng)基本上都在Ka 及其以下頻段,Ka頻段系統(tǒng)呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì),美國地球靜止軌道衛(wèi)星已經(jīng)開始采用V頻段的星間鏈路系統(tǒng)。

表1 通常衛(wèi)星業(yè)務(wù)頻率名稱Table1 Frequency designation of satellite services

按照2008版的《無線電規(guī)則》頻率劃分表,國際電聯(lián)(ITU)分配給星間研究與操作業(yè)務(wù)的頻段有:

1)UHF頻段 400.15～401M Hz,410～420M Hz,僅限于空間研究;

2)S頻段2.025～2.11GHz,2.20～2.29GHz,只能用于空間操作、衛(wèi)星地球探測(cè)和空間研究;

3)C頻段5.01～5.03GHz,同時(shí)該頻段也分配給航空無線電頻段、衛(wèi)星下行導(dǎo)航頻段;

4)Ka頻段(含表中部分K頻段)22.55～23.55GHz,24.45～24.75GHz,25.25～27.5GHz

和32.3～33G Hz 均分配給星間使用;

5)V頻段54.25～58.2GHz 和59～71GHz 均分配給星間使用;

6)毫米波頻段116～123G Hz,130～134GHz,167～182GHz,185～190GHz 和191.8～200GHz均分配給星間使用。

另外,激光譜段也有分配星間使用的,光譜波長(zhǎng)為0.8～0.9μm,1.06μm,0.532μm 和9.6μm 的光譜可用于星間鏈路[9]。

結(jié)合國際電聯(lián)以往分配星間鏈路的頻段來看,現(xiàn)在分配給星間鏈路使用的頻段數(shù)目在增加,而且總的帶寬也在增加。表2是國外具有星間鏈路的典型空間系統(tǒng)采用的星間鏈路頻段。

從表2可以看出國外星間鏈路有UHF、S、Ku、Ka 和V頻段,而且新一代的系統(tǒng)逐漸采用Ka 和V頻段。

從技術(shù)本身發(fā)展趨勢(shì)來看,星間鏈路也在向更高的頻段、更寬的帶寬和更大的信道容量三個(gè)方向發(fā)展。導(dǎo)航衛(wèi)星采用Ka 和V頻段星間鏈路有明顯的優(yōu)點(diǎn):1)符合國際電聯(lián)頻率使用規(guī)范,可申請(qǐng)、受保護(hù);2)可用帶寬寬,約20GHz,是低頻可用頻段的100倍,通信容量大;3)大氣對(duì)該頻段無線電波吸收能力強(qiáng),不易受地面干擾;4)天線波束窄,具有很強(qiáng)的抗干擾特性;5)波長(zhǎng)小,射頻設(shè)備尺寸小和重量輕,易于星載使用;6)受等離子體影響較小,可以單頻測(cè)距且星間測(cè)量精度高。雖然在Ka 及其以上頻段的研制基礎(chǔ)相對(duì)較低頻段要薄弱,而且還將面臨窄波束帶來的工程實(shí)施難題,但是高頻段星間鏈路是空間無線電技術(shù)的發(fā)展方向,也能更好滿足系統(tǒng)對(duì)星間鏈路的需求。

表2 國外星間鏈路典型頻段Table2 Representative frequency of worldwide inter-satellite links

4 星間天線與衛(wèi)星總體的聯(lián)合設(shè)計(jì)是工程實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵

導(dǎo)航星座星間鏈路的設(shè)計(jì)與衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)是密不可分的,尤其對(duì)于窄波束體制的星間鏈路而言。星間天線與衛(wèi)星總體的聯(lián)合設(shè)計(jì)將是工程實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。

1)星間鏈路天線與星座網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞穆?lián)合設(shè)計(jì)

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)一般都是中高度地球軌道(MEO)星座,其中GPS系統(tǒng)6個(gè)軌道面,每個(gè)軌道面有4顆衛(wèi)星,GLON ASS系統(tǒng)采用3個(gè)軌道面,每個(gè)軌道面需要8顆衛(wèi)星,Galileo系統(tǒng)3個(gè)軌道面,每個(gè)軌道面9顆衛(wèi)星,我國Compass系統(tǒng)也包含有多顆MEO衛(wèi)星組成的全球?qū)Ш叫亲?/p>

在GPS 現(xiàn)有的UHF頻段星間鏈路系統(tǒng)中采用時(shí)分多址的方式,每個(gè)時(shí)刻只有1顆衛(wèi)星發(fā)送廣播數(shù)據(jù)或測(cè)距信息,拓?fù)浜?jiǎn)單,星間鏈路天線的內(nèi)外張角與拓?fù)涞幕ハ嗉s束也較為簡(jiǎn)單。如果全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用高頻段的窄波束天線,每顆衛(wèi)星將有多個(gè)窄波束天線,這時(shí)星間鏈路天線與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系復(fù)雜,需要總體設(shè)計(jì)解決。

星座網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)將緊密圍繞星間鏈路通信與定軌功能需求,同時(shí)又受到星間鏈路天線工程實(shí)施的約束。星座網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞拇_定又將對(duì)天線的某些指標(biāo)提出需求,比如增益、波束寬度、掃描角度和掃描速度等。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)的Walker(24/3/2)導(dǎo)航星座Fig.1 Constellation of Walker(24/3/2)

圖2 星間鏈路連接關(guān)系Fig.2 Atopology of crosslinks

舉一個(gè)例子來說明天線掃描角度與星座網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞募s束關(guān)系。圖1是標(biāo)準(zhǔn)的Walker 24/3/2 星座構(gòu)型圖,假設(shè)異軌道面之間的星間鏈路天線掃描角度限制在±60°,可以通過簡(jiǎn)單的仿真分析(見圖3和圖4,為軟件仿真所得)得到衛(wèi)星11(即第一軌道面第1顆衛(wèi)星)與異軌道面衛(wèi)星的可見時(shí)間,如果需要建一個(gè)持續(xù)可見的星間鏈路,則衛(wèi)星11 必須從衛(wèi)星24、衛(wèi)星37、衛(wèi)星21 和衛(wèi)星34 中選取建立鏈路。圖2即是滿足異軌道面星間鏈路天線掃描角度小于±60°、同軌道面天線掃描角度小于±70°的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D。圖2中同軌道衛(wèi)星首尾相連,為便于鏈路清晰顯示,第三軌道面畫了2 列,每顆衛(wèi)星均為4條窄波束天線。圖3和圖4的仿真結(jié)果同時(shí)也考慮了剔除地球及其周圍電離層以后的可見性。

圖3 衛(wèi)星11 相對(duì)衛(wèi)星2j 的天線間可見性(計(jì)算機(jī)仿真圖)Fig.3 Antenna visibility between satellite 11 and satellite 2j(by computer simulation)

圖4 衛(wèi)星11 相對(duì)衛(wèi)星3k 的天線間可見性(計(jì)算機(jī)仿真圖)Fig.4 Antenna visibility between satellite 11 and satellite 3k(by computer simulation)

該例中,如果增加星間鏈路天線的掃描范圍,衛(wèi)星11 與異軌道面可見衛(wèi)星數(shù)目將增加,固定連接的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵⒂懈嗟倪x擇。同樣,如果天線的掃描范圍很小,則圖2的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵⒖赡茉谡麄€(gè)周期內(nèi)無法持續(xù)建立鏈路。對(duì)于需要建立動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞那闆r,星間天線的掃描范圍同樣影響拓?fù)涞慕?反之網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?duì)星間天線的掃描范圍有一定的要求。星間鏈路天線的其它多個(gè)指標(biāo)也與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆兄芮械南嗷ゼs束關(guān)系,在此不再一一舉例說明。

因此,星間鏈路天線的設(shè)計(jì)必須緊密結(jié)合星座網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞脑O(shè)計(jì),而且星座網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)也離不開星間鏈路天線的約束條件。

2)星間鏈路天線與總裝布局的迭代設(shè)計(jì)

不管是地面電性衛(wèi)星還是在軌驗(yàn)證衛(wèi)星和正樣衛(wèi)星,其星間鏈路硬件設(shè)備最終將裝載在衛(wèi)星上,而在星間鏈路設(shè)備中與衛(wèi)星總裝布局關(guān)系最為密切的就是星間鏈路天線。無論何種類型的導(dǎo)航衛(wèi)星平臺(tái),衛(wèi)星對(duì)地板上的空間一般都是有限的。在有限的空間里,除安裝星間鏈路天線外,還需要安裝導(dǎo)航有效載荷天線、功率增強(qiáng)天線、測(cè)控天線和其它必須安裝的設(shè)備等。不同類型的天線安裝在艙板上需要綜合考慮仿真分析視場(chǎng)角遮擋、星間鏈路天線互相干擾以及其它設(shè)備對(duì)無線電信號(hào)的反射等情況。

為了便于說明天線安裝與整個(gè)衛(wèi)星布局的關(guān)系,我們畫一個(gè)簡(jiǎn)單的示意圖。圖5在衛(wèi)星對(duì)地板上僅畫出星間鏈路天線、搜救天線和導(dǎo)航有效載荷天線。紅色區(qū)域是星間鏈路天線波束視場(chǎng)范圍,黃色區(qū)域是有效載荷天線的視場(chǎng)范圍,粉紅色區(qū)域是搜救天線的視場(chǎng)范圍。圖中星間鏈路天線是在極限旋轉(zhuǎn)角度情況下的視場(chǎng)。顯然,多種設(shè)備在衛(wèi)星對(duì)地板上如何布局與視場(chǎng)是否遮擋有著密切的關(guān)系,在設(shè)計(jì)中還要考慮收攏狀態(tài),星間鏈路天線需要與衛(wèi)星布局反復(fù)多次迭代設(shè)計(jì)。

圖5 極限位置下星間鏈路天線視場(chǎng)遮擋情況Fig.5 Antenna visual angle of utmost position

因此,衛(wèi)星平臺(tái)選型確定后對(duì)星間鏈路天線的構(gòu)型、尺寸、波束寬度等元素將有一個(gè)約束,衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)與星間鏈路天線設(shè)計(jì)存在耦合和迭代關(guān)系。

3)星間鏈路天線與衛(wèi)星姿態(tài)的聯(lián)合控制

為了保證太陽電池翼對(duì)日定向,導(dǎo)航星座衛(wèi)星在軌道運(yùn)行過程中需要對(duì)偏航角進(jìn)行實(shí)時(shí)機(jī)動(dòng)控制,偏航角變換范圍可達(dá)180°。對(duì)于衛(wèi)星來說,太陽高度角不同,其偏航角度也相差較大。一年中有兩次太陽高度角很小的時(shí)候,衛(wèi)星在軌道面內(nèi)運(yùn)行其偏航角達(dá)到最大。星間鏈路采用窄波束天線時(shí),需要對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)進(jìn)行高精度控制與測(cè)量,并實(shí)時(shí)將測(cè)量角度傳輸給天線控制系統(tǒng)。在星間鏈路天線轉(zhuǎn)動(dòng)過程中對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)產(chǎn)生擾動(dòng),由于波束角很窄,為了保證精確指向,需要研究聯(lián)合控制技術(shù)。

利用衛(wèi)星高精度星歷數(shù)據(jù),星間鏈路天線與衛(wèi)星姿態(tài)的聯(lián)合控制技術(shù)可以保證開環(huán)星間鏈路高精度對(duì)準(zhǔn)。

5 星間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的靈活性有利于多種功能的實(shí)現(xiàn)

導(dǎo)航星座的星間鏈路承擔(dān)著輔助地面精密定軌、增加星歷注入頻度、增強(qiáng)衛(wèi)星測(cè)控管理和支持衛(wèi)星自主運(yùn)行等多種功能,這就決定了星間鏈路有多種工作模式和多種數(shù)據(jù)類型。

導(dǎo)航星座網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的無線網(wǎng)絡(luò),與地面其它無線網(wǎng)絡(luò)相比有4個(gè)顯著特點(diǎn):1)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間距離遠(yuǎn);2)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目少;3)節(jié)點(diǎn)之間不僅傳輸數(shù)據(jù),還要進(jìn)行測(cè)距;4)網(wǎng)絡(luò)可維修性差。導(dǎo)航星間網(wǎng)絡(luò)的這4個(gè)特點(diǎn)和導(dǎo)航星間鏈路的多種功能,決定了導(dǎo)航星間網(wǎng)絡(luò)需要采取一種靈活的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,以便于滿足星載靈活組網(wǎng)和空間高可靠性的需求。

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)開發(fā)的開放系統(tǒng)互連(OSI)參考模型將基本的通信功能分成7層,分別為應(yīng)用層、表示層、會(huì)話層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層[10]。對(duì)于星間無線網(wǎng)絡(luò),應(yīng)該盡量簡(jiǎn)化其參考模型并適當(dāng)修改滿足測(cè)距功能需求,圖6給出了一個(gè)導(dǎo)航星間無線網(wǎng)絡(luò)建議的協(xié)議分層,包括5層協(xié)議。導(dǎo)航星間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的靈活性不僅體現(xiàn)在應(yīng)用層,還體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)層等其它幾個(gè)分層上。

導(dǎo)航星間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的應(yīng)用層,將直接面對(duì)星間鏈路的實(shí)際應(yīng)用。雖然星間鏈路僅承擔(dān)星間測(cè)距與星間數(shù)據(jù)傳輸功能,但是在星間鏈路上需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)來源有很多種,而且每一種對(duì)業(yè)務(wù)質(zhì)量(QoS)的要求又不盡相同。比如,遙控指令要求誤碼率小于10-8,且地面發(fā)出指令到執(zhí)行該指令的目的衛(wèi)星之間通信延遲要求不得小于600ms;而衛(wèi)星遙測(cè)參數(shù)下傳地面誤碼率僅要求達(dá)到10-6,甚至更差即可,通信延遲要求100s,顯然在應(yīng)用層設(shè)計(jì)時(shí)需要具有針對(duì)性和靈活性。

圖6 導(dǎo)航星間無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分層建議Fig.6 Suggestion of layered protocol betw een navigation satellites

網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計(jì)同樣需要靈活性。導(dǎo)航衛(wèi)星在軌運(yùn)行,難免某個(gè)時(shí)刻某顆衛(wèi)星發(fā)生小的短暫故障或者更嚴(yán)重的故障,這時(shí)網(wǎng)絡(luò)層中的路由算法就得需要具備一定的抗毀能力,如果設(shè)置成固定路由,則許多有用數(shù)據(jù)將無法通過中斷的鏈路到達(dá)目的衛(wèi)星。

跨層設(shè)計(jì)是近年來研究的一項(xiàng)新技術(shù),它是指多層協(xié)議之間不像以前那樣接口定義清楚后獨(dú)立設(shè)計(jì),而是在協(xié)議的兩層或者更多層之間展開聯(lián)合設(shè)計(jì),這樣將能獲取全局最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)性能,同時(shí)跨層設(shè)計(jì)也為協(xié)議的靈活性注入新的元素和契機(jī)。最常見的一種跨層設(shè)計(jì)就是數(shù)據(jù)鏈路層與網(wǎng)絡(luò)層的聯(lián)合設(shè)計(jì),可變速率編碼、網(wǎng)絡(luò)編碼等新技術(shù)可以為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)增加靈活性,為不同類型數(shù)據(jù)提供不同的業(yè)務(wù)質(zhì)量。

6 采用狀態(tài)一致的星間鏈路設(shè)備有利于長(zhǎng)期可持續(xù)運(yùn)行

導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)與其它類型衛(wèi)星的一個(gè)重要區(qū)別,就是衛(wèi)星數(shù)目多,且每一顆衛(wèi)星都要加入到星座中組網(wǎng)。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的最終性能不僅決定于單顆衛(wèi)星的性能,而且還決定于星座組網(wǎng)用戶的幾何精度因子。

導(dǎo)航星座一般采用Walker 星座或者Walker星座的變形,不管是何種星座,均存在第一顆衛(wèi)星發(fā)射到某軌道的某位置處,其同軌道和異軌道導(dǎo)航衛(wèi)星的相位均確定,不同相位處衛(wèi)星的發(fā)射時(shí)間已經(jīng)基本確定。然而,導(dǎo)航衛(wèi)星在研制過程中,每顆衛(wèi)星的研制進(jìn)度很難與發(fā)射順序完全匹配,此時(shí)希望每顆衛(wèi)星的狀態(tài)是一致的或者至少是分批一致的。

導(dǎo)航星座正樣衛(wèi)星組網(wǎng)成功后,還需要在軌備份衛(wèi)星和地面存儲(chǔ)備份衛(wèi)星,但是在軌備份衛(wèi)星的數(shù)目是有限的,按照慣例至多每個(gè)軌道面?zhèn)浞?顆衛(wèi)星,這就需要該顆衛(wèi)星可以替代該軌道面內(nèi)任意1顆運(yùn)行衛(wèi)星。地面存儲(chǔ)備份的衛(wèi)星數(shù)目也是有限的,需要存儲(chǔ)備份的衛(wèi)星最好可以替代星座中所有軌道中任意1顆衛(wèi)星。

針對(duì)星座組網(wǎng)和備份的需求,導(dǎo)航星間鏈路設(shè)備也要具備靈活可變的特點(diǎn)。對(duì)于星間鏈路硬件設(shè)備來說,主要就是星間頻率配置問題。如果采用收發(fā)分時(shí)方案,所有的星間鏈路中心頻率可以采用同樣的一個(gè)頻點(diǎn),易于做到星間鏈路設(shè)備狀態(tài)一致。如果采用收發(fā)同時(shí)進(jìn)行的模式,某顆衛(wèi)星的星間發(fā)射頻率和接收頻率是不同的,這樣相互連接的兩顆衛(wèi)星在軌工作后的收發(fā)頻率是互補(bǔ)的。在星間收發(fā)頻率配置方案中,還需要考慮星間天線互相干擾問題以及星座網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋯栴}。星間鏈路設(shè)備作為衛(wèi)星系統(tǒng)的重要設(shè)備,其狀態(tài)直接決定衛(wèi)星狀態(tài)。

因此,采用狀態(tài)一致的星間鏈路設(shè)備是星座持續(xù)運(yùn)行的保證。

7 總結(jié)與展望

建立星間鏈路系統(tǒng)是GNSS的發(fā)展趨勢(shì),也是建設(shè)GNSS的難點(diǎn)與關(guān)鍵技術(shù),當(dāng)前各大GNSS 都在建設(shè)或規(guī)劃著自己的星間鏈路已經(jīng)是不爭(zhēng)的事實(shí)。本文依據(jù)GNSS的特點(diǎn),開展了導(dǎo)航星座星間鏈路技術(shù)的發(fā)展戰(zhàn)略研究,提出了建設(shè)星間鏈路的幾點(diǎn)建議。

要建設(shè)一個(gè)可工程實(shí)施、高性能且技術(shù)先進(jìn)的導(dǎo)航星座星間鏈路絕非易事,需要星間鏈路與衛(wèi)星系統(tǒng)的各個(gè)層面開展更多的研究。展望未來,希望國內(nèi)能夠盡早開展以下幾方面的研究,并早日應(yīng)用到實(shí)際工程系統(tǒng)中。

1)提高導(dǎo)航衛(wèi)星姿態(tài)的控制精度與測(cè)量精度;

2)加強(qiáng)星間鏈路天線的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可靠性研究;

3)開展聯(lián)合定軌和自主定軌對(duì)星間網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞男枨笱芯俊?/p>

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