基于GEO的低軌航天器星間通信鏈路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫鶴鋒，周學(xué)軍

(延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，陜西 延安 716000)

0 引言

近幾年航天工業(yè)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，包括如人類空間和探月高新技術(shù)也在不斷發(fā)展，因此低軌道的飛船數(shù)量和種類大量增加。

有些大型的低軌道航天器需要下載大量的各種科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[1]，而傳統(tǒng)的低軌道航天器則相對(duì)簡(jiǎn)單。從衛(wèi)星上下載的信息通常依靠衛(wèi)星之間的鏈路傳送到地面的全球站。這種方式會(huì)受到衛(wèi)星數(shù)量、衛(wèi)星成本等多方面因素的影響[2-3]，為此就需要拓展新型、高效的傳輸方式，解決這類低軌道航天器所面臨的海量科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)下載問題。

通過研究國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)得知，低軌航天器可以采用一種新的基于靜止軌道(GEO)通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的傳輸方式，即利用 GEO通信衛(wèi)星向地面轉(zhuǎn)發(fā)信息[4-5]。由于 GEO通信衛(wèi)星在低軌航天器中傳輸困難，主要原因是上下行帶寬不對(duì)稱，可用鏈路時(shí)間有限，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化頻繁，難以達(dá)到傳統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所能達(dá)到的服務(wù)質(zhì)量和可靠性要求[6]。本文在研究網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新的低軌航天器星間通信鏈路控制系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行研究，并通過實(shí)驗(yàn)研究了系統(tǒng)的可行性。

結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，提出了近低軌道航天器可以在地球同步軌道通信衛(wèi)星傳輸?shù)幕A(chǔ)上，采用一種新的傳輸方式，即利用地球靜止軌道(GEO)通信衛(wèi)星將信息傳送到地面。GEO通信衛(wèi)星在低軌道航天器中存在傳輸困難、上下帶寬不對(duì)稱、可用鏈路長(zhǎng)度有限、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多變等問題，無法滿足傳統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)服務(wù)質(zhì)量和可靠性的要求。本文基于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的研究，設(shè)計(jì)了一種低軌道航天器星間通信鏈路控制系統(tǒng)，研究了該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)，并對(duì)其可行性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

1 基于GEO的低軌航天器星間通信鏈路控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于GEO的低軌航天器的星間通信主要通過星間通信鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，基本原理如圖1所示。

圖1 基于GEO的低軌航天器星間通信鏈路示意圖

該鏈路由地面信號(hào)接收站、GEO 通信衛(wèi)星低軌航天器、地面及衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)鏈路等組成。低軌航天器分布在衛(wèi)星和地面接收站之間，因此，低軌航天器有兩種渠道可以進(jìn)行信息的傳輸：第一，通過和通信衛(wèi)星之間的鏈路將信息傳給衛(wèi)星，再由衛(wèi)星傳輸給地面接收主站；第二則是直接傳輸給對(duì)接的地面接收站[7-8]。

從圖1中可以看出，低軌航天器在空間中是不斷運(yùn)行的低軌節(jié)點(diǎn)，因此，通信鏈路相對(duì)具有一定的空間移動(dòng)范圍和動(dòng)態(tài)捕捉功能，以便能夠?qū)崟r(shí)與低軌航天器進(jìn)行對(duì)接和信號(hào)傳輸[9-10]。

一般大型低軌航天器數(shù)據(jù)傳輸數(shù)量規(guī)模較大，需要依靠星間通信鏈路和通訊接收站等將信息層層下傳傳輸?shù)降孛?。這個(gè)過程會(huì)受到空間衛(wèi)星數(shù)量、鏈路傳輸能力和通信接收站儲(chǔ)存量等多方面條件限制。對(duì)此，針對(duì)傳統(tǒng)的星間鏈路系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在的問題，本文對(duì)低軌航天器的星間鏈路傳輸系統(tǒng)硬件設(shè)施進(jìn)行了改造設(shè)計(jì)。

星間鏈路的主要設(shè)備大致包括星間信號(hào)發(fā)射器、信號(hào)接收傳感器、發(fā)射天線、接收天線和高增益天線等。本文改進(jìn)的鏈路系統(tǒng)，首先通過運(yùn)算程序提前將信號(hào)發(fā)射角度與距離計(jì)算出來，然后將空間信號(hào)發(fā)射器、接收天線按照計(jì)算結(jié)果進(jìn)行角度和方位調(diào)整。這樣能夠使星間信號(hào)發(fā)射波束能更準(zhǔn)確快速傳輸?shù)较乱粋€(gè)節(jié)點(diǎn)，減小方位誤差造成信號(hào)接收失誤的可能。

在發(fā)射器內(nèi)部系統(tǒng)中，將設(shè)備通信編碼方式改為卷積編碼。在星間信號(hào)發(fā)射器上，通過卷積編碼程序?qū)Σ杉降男畔⑦M(jìn)行分析運(yùn)算，得到解算篩選后的數(shù)據(jù)編碼，然后再進(jìn)行信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸。這種二次數(shù)據(jù)代碼編譯方法降低了信號(hào)數(shù)據(jù)的復(fù)雜和混亂程度，使星間通信鏈路接收到錯(cuò)誤數(shù)據(jù)代碼的概率下降，同時(shí)也使鏈路通信的效率更高。星間鏈路的設(shè)計(jì)思路如圖2所示。

圖2 星間鏈路設(shè)計(jì)思路

圖2為本文設(shè)計(jì)的星間發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)與接收天線的安裝結(jié)構(gòu)[11]。假設(shè)A為星間鏈路的發(fā)射系統(tǒng)，B為星間接收系統(tǒng)，在進(jìn)行系統(tǒng)安裝設(shè)計(jì)時(shí)，計(jì)算發(fā)射信號(hào)波束的角度和方位，將發(fā)射角度記為a，則發(fā)射系統(tǒng)天線調(diào)整角度為-X方向的a角度，星間接收系統(tǒng)天線的方位調(diào)整為+X方向的a角度，從而使星間天線處于一條水平線上，減少了信號(hào)方向迷失和環(huán)境干擾造成的誤差，使星間信號(hào)傳輸路徑更直接準(zhǔn)確。

圖3是星間發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)的工作運(yùn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。星間發(fā)射系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行基本篩選分析之后，再通過卷積編碼程序進(jìn)行數(shù)據(jù)代碼編譯重組，再通過擴(kuò)頻設(shè)備對(duì)發(fā)射波束進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)散和方位調(diào)制，然后發(fā)射成型的信號(hào)波束，并通過信號(hào)過濾設(shè)施過濾雜余信號(hào)形成完整的發(fā)射濾波，在調(diào)整放大變頻和發(fā)射功率之后，信號(hào)波束即能通過星間發(fā)射天線向目標(biāo)方位進(jìn)行輻射傳輸。而星間接收器在星間接收天線接收到信號(hào)輻射后，通過系統(tǒng)內(nèi)部降噪除雜，將信號(hào)數(shù)據(jù)放大并調(diào)整降低變頻，使信號(hào)穩(wěn)定清晰，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行分解拓展，通過維特比譯碼對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析破譯，重組之后得到信號(hào)發(fā)射系統(tǒng)所要傳輸?shù)木唧w信息[12-13]。

圖3 星間鏈路系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

2 基于GEO的低軌航天器星間通信鏈路控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

空間網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)研究是低軌航天器空間鏈路通信系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中的重要一環(huán)。針對(duì)空間網(wǎng)絡(luò)所具有的動(dòng)態(tài)性、不穩(wěn)定性和資源有限等問題，基于GEO通信衛(wèi)星低軌航天器運(yùn)行軌跡和數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，實(shí)現(xiàn)在低軌航天器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自由轉(zhuǎn)換[14]。

雙協(xié)議棧傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：

1)星地鏈路協(xié)議設(shè)計(jì)。由于低軌航天器向地球傳輸信息時(shí)容易受到大氣環(huán)境、地面遮蓋物和磁場(chǎng)引力等影響，會(huì)導(dǎo)致地面接收到的信息出現(xiàn)遺漏缺失等誤差，因此，不僅要在星間也要在星地之間設(shè)計(jì)雙協(xié)議棧，減少低軌航天器高速運(yùn)動(dòng)和外部環(huán)境等因素造成的影響，以保證向地面?zhèn)鬏數(shù)臄?shù)據(jù)信息更加完整可靠。

一般低軌航天器與地面接收站的距離較遠(yuǎn)，且位置并不固定，動(dòng)態(tài)性較強(qiáng)。SCPS-TP傳輸協(xié)議能夠減少空間通信傳輸時(shí)間延長(zhǎng)、數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率高等現(xiàn)象，而且針對(duì)動(dòng)態(tài)運(yùn)行的低軌節(jié)點(diǎn)，能夠更好地完成信號(hào)對(duì)接與數(shù)據(jù)傳輸。

2)星間鏈路協(xié)議設(shè)計(jì)。星間鏈路通信環(huán)境相對(duì)比較統(tǒng)一，受到意外干擾因素較少，但星間鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r(shí)性較大。因此，選擇在縮短延時(shí)方面比較有優(yōu)勢(shì)的LTP協(xié)議，作為星間鏈路配置的協(xié)議。低軌航天器雙協(xié)議棧傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖如圖4所示。

圖4 雙協(xié)議棧傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

如圖4所示，在裝置了雙協(xié)議棧的低軌航天器傳輸信息時(shí)，首先要采集并檢測(cè)所傳輸信息的下一站節(jié)點(diǎn)，判斷航天器是向通信衛(wèi)星傳輸信息，還是向地面接收站傳輸信息[15]。若下一站節(jié)點(diǎn)是通信衛(wèi)星，那么啟動(dòng)LTP協(xié)議配置；如果下一站節(jié)點(diǎn)是地面接收站，則啟動(dòng)SCPS-TP協(xié)議配置。兩種協(xié)議能根據(jù)信息傳送的不同對(duì)象進(jìn)行靈活轉(zhuǎn)換，極大地提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和時(shí)效性。

對(duì)于地面網(wǎng)絡(luò)接收系統(tǒng)，采用Bundle+TCP/SCPS TP+IP網(wǎng)關(guān)協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)這兩種協(xié)議在地面網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)自由的轉(zhuǎn)換。地面網(wǎng)絡(luò)接收星間傳輸信號(hào)時(shí)，Bundle層需編寫相應(yīng)的 SCPS-TP匯聚程序才能與SCPS-TP協(xié)議進(jìn)行信號(hào)通信；同樣，需要通過相應(yīng)LTP匯聚層系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)星間通信。

星間鏈路與地面網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信之前，需要根據(jù)該地面網(wǎng)絡(luò)的Bundle層服務(wù)配置對(duì)傳輸信息進(jìn)行調(diào)整，使數(shù)據(jù)符合Bundle協(xié)議的接收型號(hào)要求。再通過匯聚層程序?qū)邮招盘?hào)進(jìn)行分類處理，傳交給地面TCP協(xié)議，根據(jù)協(xié)議要求檢測(cè)信號(hào)，若符合要求即可與星間通信設(shè)備進(jìn)行通信鏈路對(duì)接和網(wǎng)絡(luò)搭建。建立好通信鏈路之后，Bundle層接收來自星間的數(shù)據(jù)信號(hào)碎片，接收完畢后通過數(shù)據(jù)組裝編譯程序形成完整的數(shù)據(jù)信息，并將其通過TCP協(xié)議傳輸給地面網(wǎng)關(guān)工作人員的服務(wù)器通信系統(tǒng)中。

上述內(nèi)容是低軌航天器的星間鏈路與星地鏈路控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的基本設(shè)計(jì)思路。由此可見，本文提出的雙協(xié)議棧傳輸通信軟件設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)的星間通信鏈路控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)性能更優(yōu)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為探討本文提出的基于GEO的低軌航天器星間通信鏈路控制系統(tǒng)的有效性，設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

3.1 實(shí)驗(yàn)步驟及方法

利用終端PC和網(wǎng)絡(luò)損傷儀組成實(shí)驗(yàn)環(huán)境，針對(duì)連接時(shí)間和斷開時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，分析協(xié)議的運(yùn)行性能。設(shè)定的實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

根據(jù)圖5實(shí)驗(yàn)環(huán)境，對(duì)低軌航天器星間通信鏈路進(jìn)行控制，設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)，如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

在誤碼率為10-6的條件下，分別使用本文提出的基于GEO的低軌航天器星間通信鏈路控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的基于天線跟蹤的低軌航天器星間通信鏈路控制系統(tǒng)、基于自擾控制器的低軌航天器星間通信鏈路控制系統(tǒng)對(duì)航天器進(jìn)行控制，采集不同控制系統(tǒng)的傳輸速率，分析控制系統(tǒng)俯仰角和方位角的響應(yīng)曲線，最后得到航天器星間鏈路的角速度、角加速度、角度指向的誤差曲線。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

得到的傳輸速率如圖6所示。

圖6 傳輸速率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分析圖6可知，在誤碼率為10-6的情況下，本文提出的基于GEO的低軌航天器星間通信鏈路控制系統(tǒng)的下行平均傳輸速率為4.8 Mbit/s，傳統(tǒng)的基于天線跟蹤的低軌航天器星間通信鏈路控制系統(tǒng)的下行平均傳輸速率為3.1 Mbit/s，基于自擾控制器的低軌航天器星間通信鏈路控制系統(tǒng)的下行平均傳輸速率為2.7 Mbit/s.由此可見，本文提出的控制系統(tǒng)能夠有效提高低軌航天器對(duì)于信息的傳輸速率，加強(qiáng)信息傳輸能力。

在確定不同控制系統(tǒng)對(duì)傳輸速率的控制效果后，對(duì)星間鏈路通信現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，針對(duì)A星和B星的鏈路通信進(jìn)行控制，設(shè)定A星發(fā)射面為-X面，B星的接收面為+X面，天線在A星的上方位角為180°，在B星的上方位角為0°，在A星的俯仰角為0°，在B星的俯仰角為0°。使用不同的控制系統(tǒng)對(duì)低軌航天器星間通信鏈路間進(jìn)行控制，分析不同系統(tǒng)下的俯仰角和方位角響應(yīng)曲線，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

根據(jù)圖7可知，基于GEO的低軌航天器星間通信鏈路控制系統(tǒng)能夠有效分析不同鏈路之間的行駛軌跡，以平滑的模式處理各個(gè)模式，本文提出的方式針對(duì)俯仰角和方位角通道進(jìn)行控制解耦。

通過圖7得到角速度、角加速度、角度指向的誤差曲線。

圖7 俯仰角和方位角響應(yīng)曲線

分析圖8可知，本文提出的控制系統(tǒng)對(duì)于角速度誤差控制能力高于傳統(tǒng)系統(tǒng)。由于通信衛(wèi)星體積相對(duì)較小，儲(chǔ)存與通信能力受到功率和衛(wèi)星硬件設(shè)施質(zhì)量等因素制約，低軌航天器與衛(wèi)星之間的星間鏈路和通信傳輸也會(huì)受到相應(yīng)程度的限制。因此，低軌航天器星間鏈路的發(fā)射器、星間天線、接收器等設(shè)備，按照計(jì)算調(diào)整好的角度方向進(jìn)行安裝配置，并調(diào)整發(fā)射數(shù)據(jù)信號(hào)為窄信號(hào)波束，采用高增益的發(fā)射功率、卷積編碼和維特比譯碼等數(shù)據(jù)編譯重組程序，能夠使信號(hào)發(fā)射方向更準(zhǔn)確，信號(hào)接收準(zhǔn)確率更高，受到空間環(huán)境影響的情況大大減少。除雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)減少了多余信號(hào)對(duì)傳輸信息的干擾，通過二次編譯后的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確可靠，錯(cuò)誤代碼接收情況也得到了良好的改善。

圖8 角速度誤差曲線

根據(jù)圖9可知，本文提出的控制系統(tǒng)通過雙協(xié)議棧技術(shù)，低軌航天器動(dòng)態(tài)運(yùn)行的不穩(wěn)定性對(duì)通信鏈路和信號(hào)接收的影響得到良好改善；受空間環(huán)境、磁場(chǎng)等因素導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸代碼錯(cuò)誤的情況也大大減少，能夠很好地減少角加速度誤差。

圖9 角加速度誤差曲線

由圖10可知，在跟蹤狀態(tài)下，不同的控制系統(tǒng)控制能力都很強(qiáng)，控制誤差能夠達(dá)到0.001°數(shù)量級(jí)，但是在穩(wěn)態(tài)后，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)控制誤差過大，控制數(shù)量級(jí)在0.002°甚至更高。由此可見，本文提出的控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的指向控制能力，對(duì)內(nèi)部控制參數(shù)的變化有很強(qiáng)的魯棒性，能夠抑制耦合干擾，實(shí)現(xiàn)高精度的控制目標(biāo)。

圖10 角度指向誤差曲線

綜上所述，所提方法的控制系統(tǒng)能夠在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)控制，指向控制能力較好，下一步將針對(duì)控制精度對(duì)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)做出進(jìn)一步完善，以期在穩(wěn)定控制的基礎(chǔ)上提升低軌航天器星間通信鏈路控制的精度。

4 結(jié)束語

本文基于GEO設(shè)計(jì)了一種低軌航天器星間通信鏈路控制系統(tǒng)，在綜合分析了低軌航天器的可行性和傳輸能力后，探討傳輸性能。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文提出的基于GEO的低軌航天器星間通信鏈路控制系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)，信息傳輸速率高于傳統(tǒng)系統(tǒng)傳輸速率。