導航衛(wèi)星星間鏈路測試評估技術(shù)研究

王 威，高 昕，郎興康

(1.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)越來越多地應用在各個領域，可以完成實時、高精度、全天候、連續(xù)快速的定位、導航和授時功能，引起了各國的廣泛重視[1-2]。

導航系統(tǒng)主要由空間設備、終端設備和地面設備3部分組成[3]。空間設備即空間導航衛(wèi)星，向地面發(fā)送導航信號；終端設備即導航終端接收機，完成對導航信號的接收處理，計算得到相應的位置、方向、速度和時間等信息；地面設備是指地面測控站，完成對導航衛(wèi)星的控制、監(jiān)測和電文注入。然而，由于地面設備的位置固定，不可能做到對衛(wèi)星的實時監(jiān)測，一旦衛(wèi)星處在各地面站不可見的位置或者地面通信鏈路出現(xiàn)中斷時，衛(wèi)星信號的質(zhì)量狀態(tài)難以得到保證，衛(wèi)星只能依靠自身現(xiàn)有的參數(shù)完成對電文的計算，很難保證準確度，當衛(wèi)星出現(xiàn)問題時，地面使用該衛(wèi)星信號進行定位就會引入較大誤差。為了解決這一問題，美國從20世紀80年代中期便開始研究其全球定位系統(tǒng)(GPS)的星間鏈路技術(shù)，提供衛(wèi)星間的通信和相互測距，對衛(wèi)星位置和時間誤差進行修正，從而在一定時間內(nèi)保持精確的定軌能力和時間同步能力，增強衛(wèi)星自主導航能力[4-7]。與此同時，可以利用其他衛(wèi)星代替地面站完成對相應衛(wèi)星信號收發(fā)性能等指標的測量，并將相應結(jié)果傳回地面，從而保證非視衛(wèi)星的完好性[8-9]。

隨著北斗導航衛(wèi)星的陸續(xù)發(fā)射，導航設備功能逐步完善，衛(wèi)星導航裝備性能的好壞變得愈加重要，導航衛(wèi)星自身發(fā)射接收設備功能和性能指標的好壞直接影響該設備系統(tǒng)的應用性能。導航衛(wèi)星星間鏈路測試評估系統(tǒng)在此背景下應運而生，該系統(tǒng)主要用于對衛(wèi)星發(fā)射接收設備的性能指標進行測試并對其結(jié)果進行評估，使用戶能及時了解設備當前運行狀態(tài)，并根據(jù)實際情況進行調(diào)整。本文主要利用導航衛(wèi)星星間鏈路對非視距導航衛(wèi)星發(fā)射接收設備狀態(tài)進行監(jiān)測，完成設備相應性能指標的測試評估，重點梳理了導航衛(wèi)星星間鏈路接收性能指標、發(fā)射性能指標和測量性能指標的測試評估流程，對實現(xiàn)導航衛(wèi)星狀態(tài)監(jiān)測具有重要的參考價值。

1 衛(wèi)星導航星間鏈路測試評估技術(shù)現(xiàn)狀

衛(wèi)星導航星間鏈路(Inter-satellite Link，ISL)技術(shù)在導航領域中是指導航衛(wèi)星不依賴于與地面站直接完成通信，而是通過其他導航衛(wèi)星完成建鏈通信，發(fā)送和接收相關(guān)數(shù)據(jù)。星間鏈路示意如圖1所示。

圖1 星間鏈路示意Fig.1 Diagram of intersatellite link

星間鏈路將空間的設備連成一個整體，使衛(wèi)星不依賴地面設備就可以連接其他衛(wèi)星，利用此項技術(shù)不僅可以解決衛(wèi)星不可見時的控制監(jiān)測問題，還能夠利用星間測量和通信縮短衛(wèi)星星歷更新周期，通過衛(wèi)星間轉(zhuǎn)發(fā)，降低地面站的數(shù)量，并通過星間的數(shù)據(jù)傳輸，增大通信容量，實現(xiàn)衛(wèi)星的自主導航。美國第二代GPS衛(wèi)星在設計上加入了星間鏈路，Block IIR衛(wèi)星利用自主導航能在6個月內(nèi)保持URE小于6 m[10-11]；Block IIF衛(wèi)星利用自主導航能在2個月內(nèi)保持URE小于3 m[12]。鑒于GPS的成功，星間鏈路自主導航已成為俄羅斯GLONASS、歐洲GALILEO和我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BDS)建設的熱門研究課題。目前國內(nèi)外的研究人員針對星間鏈路的研究探討主要集中在以下5個方面：星間鏈路信號設計、星間鏈路發(fā)射接收性能、星間鏈路構(gòu)建、星間網(wǎng)絡拓撲分析以及導航星座分析[15]，關(guān)于星間鏈路的測試評估技術(shù)并無太多相關(guān)文獻。

衛(wèi)星導航測試評估系統(tǒng)一般用于對衛(wèi)星接收性能、發(fā)射信號性能和測量性能等指標的測試評估，通過對衛(wèi)星信號的采集和相關(guān)信息的解調(diào)，完成對衛(wèi)星相關(guān)指標測量，并分析得出相應結(jié)論，在國外利用相應的信號監(jiān)測系統(tǒng)完成對衛(wèi)星性能的測試評估已經(jīng)取得了廣泛的應用，美國聯(lián)邦航空局建設的廣域增強系統(tǒng)(Wide Area Augment System，WAAS)和局域增強系統(tǒng)(Local Area Augment System，LAAS)是典型的2個增強和監(jiān)測系統(tǒng)[16]。以區(qū)域基準站網(wǎng)為基礎，結(jié)合相關(guān)監(jiān)測技術(shù)，完成對衛(wèi)星各項指標的測試，從而為用戶提供相應衛(wèi)星的完好性信息，保障用戶的定位精度。此外，類似的完成對衛(wèi)星信號監(jiān)測的系統(tǒng)還有英國齊爾伯頓監(jiān)測系統(tǒng)、荷蘭Noordwijk信號監(jiān)測系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)的基本原理都是類似的。

2 測試評估系統(tǒng)平臺架構(gòu)

構(gòu)建星間鏈路測試評估平臺，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。由于測試評估平臺直接作用對象為可見衛(wèi)星，故圖2未示意被測衛(wèi)星。星間鏈路控制管理中心利用TT&C鏈路完成對可見與不可見衛(wèi)星星間鏈路建鏈的規(guī)劃配置，并將衛(wèi)星的相應回執(zhí)配置傳送至測試評估平臺系統(tǒng)監(jiān)控軟件；系統(tǒng)監(jiān)控軟件負責完成對星間鏈路測試評估系統(tǒng)平臺的監(jiān)視與控制，將相應的業(yè)務數(shù)據(jù)傳送至星間鏈路測試評估軟件，便于該軟件利用相應的分析評估設備完成相應指標測量，系統(tǒng)監(jiān)控軟件還控制相應的基帶設備和收發(fā)信道，完成對可見衛(wèi)星信號的接收；星間鏈路測試評估軟件完成對被測衛(wèi)星接收性能、發(fā)射信號性能、測量性能等指標的測量，并結(jié)合對應的分析評估設備完成對衛(wèi)星當前性能的分析評估。

圖2 星間鏈路測試評估系統(tǒng)平臺框架Fig.2 Platform diagram of intersatellite link test and evaluation system

星間鏈路可見節(jié)點衛(wèi)星與被測衛(wèi)星間的信號收發(fā)關(guān)系如圖3所示，利用衛(wèi)星星間鏈路雙向通信和測量的特點，將被測衛(wèi)星的相關(guān)接收參數(shù)以數(shù)據(jù)形式返回給可見節(jié)點衛(wèi)星，并利用節(jié)點衛(wèi)星發(fā)送測試信號，協(xié)助測量；被測衛(wèi)星的發(fā)射參數(shù)則是利用節(jié)點衛(wèi)星完成對其信號接收并處理等到相應測量結(jié)果，節(jié)點衛(wèi)星對信號采樣，使用相關(guān)數(shù)字信號處理手段，完成對信號的頻域、時域、調(diào)制域和相關(guān)域的分析；對于衛(wèi)星的測量性能則可以通過衛(wèi)星雙方進行雙向測量，得到雙方的測距值，再結(jié)合星歷參數(shù)計算得到的測距理論值，得到相應的測量性能評估結(jié)果。

圖3 可見衛(wèi)星與被測衛(wèi)星間信號收發(fā)關(guān)系Fig.3 Signal transceiver relation between visible satellite and measured satellite

3 測試評估方法與工作流程

為了解衛(wèi)星當前所處狀態(tài)，需要在地面站和衛(wèi)星之間建鏈，針對不可見衛(wèi)星，地面站監(jiān)測衛(wèi)星的手段可以采用星間鏈路輔助監(jiān)測，即通過節(jié)點衛(wèi)星協(xié)助轉(zhuǎn)發(fā)相應指令和信息，在某些情況下，還需要多個節(jié)點衛(wèi)星協(xié)助轉(zhuǎn)發(fā)地面所需信息，才能完成相應指標的測試評估。

3.1 接收性能指標測試評估及精度誤差分析

衛(wèi)星接收性能(例如接收載噪比、接收靈敏度等)是衛(wèi)星完成星間鏈路收發(fā)的基本要求，若衛(wèi)星接收性能較差或者處于較惡劣的鏈路環(huán)境中，不適合進行定位導航工作，所以需要利用相應手段完成對衛(wèi)星接收性能的監(jiān)測。比較常見的手段是利用地面與衛(wèi)星完成建鏈，并發(fā)送測試信號，通過衛(wèi)星的應答信號獲取相應信息，從而完成對相應指標的測試評估。接收性能測試評估流程如圖4所示。

圖4 接收性能測試評估流程Fig.4 Test and evaluation process of receiving performance

地面發(fā)起監(jiān)測某個不可見衛(wèi)星的相應指標的業(yè)務請求，發(fā)送給可見的導航衛(wèi)星，該衛(wèi)星利用已確定的轉(zhuǎn)發(fā)鏈路，由直接與被測衛(wèi)星建鏈的衛(wèi)星發(fā)起測試流程，其余節(jié)點衛(wèi)星只進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，節(jié)點衛(wèi)星(發(fā)起測試的衛(wèi)星)依據(jù)業(yè)務需求向被測衛(wèi)星發(fā)送測試信號，被測衛(wèi)星自身接收信號時，完成對需要監(jiān)測指標的測量，并將測量值利用通信鏈路發(fā)送至節(jié)點衛(wèi)星，最終測量結(jié)果通過其他節(jié)點衛(wèi)星發(fā)送至地面站，測試評估軟件根據(jù)最終的測量結(jié)果完成核算。

以測量衛(wèi)星接收G/T為例，首先在業(yè)務請求建立后，由星間鏈路控制管理中心完成對導航網(wǎng)絡中路由的建立，使轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星與被測衛(wèi)星間實現(xiàn)建鏈，系統(tǒng)監(jiān)控軟件配置基帶與信道設備發(fā)送相應的業(yè)務數(shù)據(jù)至測試節(jié)點衛(wèi)星，業(yè)務數(shù)據(jù)包括測試指標項、測試時長和測試所需原始數(shù)據(jù)等，然后利用轉(zhuǎn)發(fā)的可見衛(wèi)星向被測衛(wèi)星發(fā)送相應EIRP的信號被測衛(wèi)星完成接收，并測量相應的C/No，通過星間鏈路回傳至測試節(jié)點衛(wèi)星，測試節(jié)點衛(wèi)星將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送至地面站，系統(tǒng)監(jiān)控軟件配置基帶與信道設備完成接收，地面站的測試評估軟件利用G/T=C/No+10lgk+L-EIRP(式中，k為波爾茲曼常數(shù)，L為自由空間衰耗，由空間距離和工作頻率等數(shù)據(jù)進行核算)完成對被測衛(wèi)星G/T值的測量。完成測試后，測試評估軟件對測試數(shù)據(jù)進行分析評估，生成相應的評估報告。

衛(wèi)星接收G/T值測試精度誤差除受衛(wèi)星外的指標影響外，主要取決于設備上行發(fā)射精度EIRP和導航信號自由空間衰落誤差L兩部分。其中，星間鏈路發(fā)射設備上行發(fā)射EIRP精度主要取決于上行鏈路中各單元功率精度，包括基帶中頻輸出電平精度，變頻器增益控制精度以及功放增益控制精度。衛(wèi)星導航信號在自由空間傳輸中，受空間自由衰落、大氣損耗、電離層折射、雨衰和雪衰等影響，其中，自由空間衰落L=32.45+20lgd+20lgf，(式中，d為空間傳輸距離，單位km；f為載波頻率，單位MHz)，該公式為經(jīng)驗公式，但依據(jù)目前可查的文獻及已有工程驗證，該衰落值核算精度可信度較高，但實際工程驗證中，受測試天線方向圖、地面多徑、收發(fā)天線法向?qū)示群蛢x器測量誤差等影響，無法得到精確度在±0.2 dB以下的有效驗證。

3.2 發(fā)射性能指標測試評估及精度誤差分析

衛(wèi)星的發(fā)射信號是地面終端完成定位的主要依據(jù)，若發(fā)射信號的質(zhì)量出現(xiàn)問題，會極大地影響到定位誤差的大小，可利用測試的節(jié)點衛(wèi)星完成對導航信號的接收，并對接收信號的相關(guān)指標(帶寬、功率電平和正交性等)進行測量、分析。利用星間鏈路測試衛(wèi)星發(fā)射性能的流程如圖5所示。

圖5 發(fā)射性能測試評估流程Fig.5 Test and evaluation of transmitting performance

由地面發(fā)起監(jiān)測衛(wèi)星業(yè)務請求，測試節(jié)點衛(wèi)星接收來自被測衛(wèi)星的導航信號，并在接收過程中對信號進行采樣分析，分析的流程可以使用軟件的方式對信號進行相應處理(例如FFT變換，利用頻域信息對信號的帶寬、帶外的雜散、功率譜進行測量)，在接收解調(diào)的過程中，可以對信號的IQ分量的正交性和載波與偽隨機碼相位的相干程度進行測量。此外，還可以對信號進行相關(guān)處理，觀測信號的相關(guān)峰情況，將最后的觀測結(jié)果以數(shù)據(jù)的形式發(fā)送至地面站，由地面監(jiān)測站進行分析評估，從而完成對衛(wèi)星發(fā)射信號指標的評估。

以測量衛(wèi)星發(fā)射EIRP為例，在發(fā)起業(yè)務請求、確定信號轉(zhuǎn)發(fā)和完成建鏈流程后，測試節(jié)點衛(wèi)星將地面發(fā)送的業(yè)務數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)發(fā)至被測衛(wèi)星，被測衛(wèi)星按照流程要求發(fā)送指定功率的單載波信號，測試中繼衛(wèi)星完成接收，并測量功率電平，然后將測量值發(fā)送至地面，測試評估軟件利用公式EIRP=P+L-G(式中，P為測量的功率電平；L為空間損耗，利用星歷、頻率等數(shù)據(jù)進行核算；G為測試節(jié)點衛(wèi)星的接收鏈路增益)完成對被測衛(wèi)星發(fā)射EIRP的計算，并根據(jù)長期的監(jiān)測結(jié)果完成對該指標的測試評估。

衛(wèi)星星間發(fā)射EIRP值測試精度除衛(wèi)星外的指標，取決于設備下行測試精度、自由空間傳輸誤差兩部分。其中，星間鏈路設備下行測試精度主要取決于頻譜儀測量精度(包括中頻精度和射頻精度)，下變頻器增益控制精度以及功放增益控制精度。信號在自由空間傳輸中，受空間自由衰落、大氣損耗、電離層折射、雨衰和雪衰等影響，詳細分析同3.1節(jié)。

3.3 測量性能指標測試評估及精度誤差分析

導航衛(wèi)星本身主要的功能是利用測距值定位，所以衛(wèi)星本身的測量性能也需要進行監(jiān)測，在不可見衛(wèi)星的監(jiān)測中，可以利用星間鏈路本身具備的雙向測量和通信的功能，完成雙方的測距。以節(jié)點衛(wèi)星的測距值和當前星歷計算得到的理論值作為基準，對被測衛(wèi)星的測距性能進行分析評估。利用星間鏈路監(jiān)測衛(wèi)星測量性能的流程如圖6所示。

圖6 測量性能測試評估流程Fig.6 Test and evaluation of measurement performance

由地面監(jiān)測站發(fā)起監(jiān)測衛(wèi)星業(yè)務請求，并確定信號轉(zhuǎn)發(fā)流程，發(fā)起測試的節(jié)點衛(wèi)星向被測衛(wèi)星發(fā)送正常工作信號，被測衛(wèi)星完成捕獲跟蹤等相關(guān)流程后，得出相應的測距值，并將測距值通過通信鏈路發(fā)送至節(jié)點衛(wèi)星；被測衛(wèi)星的正常工作信號由節(jié)點衛(wèi)星完成接收測距，得到另一組測距值。如果測試的節(jié)點衛(wèi)星本身已被驗證具備良好的測距性能，則將其自身測距值作為評價被測衛(wèi)星測量性能的基準，并將2組測距值都發(fā)送至地面，測試評估軟件利用星歷計算理論距離，設定相應的判決門限，然后比較被測衛(wèi)星測距值與測試節(jié)點衛(wèi)星測距值差值，并進行判決，從而得出被測衛(wèi)星測量數(shù)據(jù)有效性的測試評估結(jié)果。

衛(wèi)星測量性能指標除了測量數(shù)據(jù)的有效性，還包括導航衛(wèi)星星間鏈路的測量隨機誤差和星間鏈路時延通道一致性。其中，星間鏈路的測量隨機誤差精度對測量性能指標測試評估有著重要影響，因此有必要對影響測量隨機誤差精度的因素展開分析。

隨機誤差值主要影響因素包括偽碼同步誤差、量化誤差和時間同步誤差。

① 偽碼同步誤差

由于采用載波輔助偽碼跟蹤，因此可忽略動態(tài)應力對偽碼同步誤差的影響。此時，偽碼同步誤差主要由熱噪聲導致，應用超前減滯后功率型鑒相器時的誤差均方根為：

典型接收情況下，Δ=0.5碼片，TCoh=1 ms,TI=1 ms，BL=5 Hz，當C/N0=48 dBHz時，σDLL≈0.04 m。

② 量化誤差

峰值信號功率與平均量化噪聲功率的比值為：

式中，L是量化電平級數(shù)。當量化位數(shù)≥8 bit時，量化誤差導致的測距誤差<0.02 m。

③ 時間同步誤差

目前，地面設備間的時間同步誤差一般小于0.1 ns(約為0.03 m)。于是，σR=0.04 m+0.02 m+0.03 m=0.09 m，即0.3 ns。

4 結(jié)束語

導航衛(wèi)星信號的質(zhì)量關(guān)系到衛(wèi)星的定位精度，在衛(wèi)星非視狀態(tài)下，傳統(tǒng)的地面監(jiān)測手段無法完成對非視衛(wèi)星相應指標的測試評估，本文提出了使用星間鏈路完成對導航衛(wèi)星相應接收、發(fā)射、測量性能指標的測試評估方法，可使地面站及時監(jiān)測到非視導航衛(wèi)星發(fā)射接收設備的異常，并對設備進行相應調(diào)整，從而提升導航衛(wèi)星信號的定位性能。本文提出的導航衛(wèi)星星間鏈路測試評估技術(shù)是通過星間鏈路來實現(xiàn)對非視導航衛(wèi)星信號的監(jiān)測評估，為非視導航衛(wèi)星信號的測試評估提供了一種新的技術(shù)思路。但是相應測試評估性能技術(shù)指標的有效性和適用性還需要仿真和試驗的進一步論證。