衛(wèi)星通導(dǎo)一體化技術(shù)及其在探月中的應(yīng)用

謝浩然，詹亞鋒，王曉偉，陳 曦

（1.清華大學(xué) 電子工程系，北京 100084；2.北京信息科學(xué)與技術(shù)國家研究中心，北京 100084）

引 言

隨著“萬物互聯(lián)”時代的到來，在正確的時間、正確的地點傳遞正確的信息已經(jīng)成為基本需求。通信衛(wèi)星和導(dǎo)航衛(wèi)星在其中發(fā)揮了重要的作用，無論是生產(chǎn)、軍事還是人們的日常生活，離開通信衛(wèi)星和導(dǎo)航衛(wèi)星的輔助將變得不可想象。為了達到高精度的導(dǎo)航，人們要付出巨大的代價，目前GPS導(dǎo)航星座有32顆衛(wèi)星，北斗三代衛(wèi)星星座有35顆衛(wèi)星，構(gòu)建、發(fā)射和維護這些衛(wèi)星都代價不菲[1-3]?，F(xiàn)有導(dǎo)航衛(wèi)星的信號容易被干擾，且在特種場景下（如地下、月球表面等）信號無法覆蓋，而通信衛(wèi)星的信號帶寬更寬、功率更大、方向性更強、應(yīng)用面更廣[4]，將通信衛(wèi)星的信號分配一定的資源用于導(dǎo)航，實現(xiàn)通信導(dǎo)航一體化[5]，無論對衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的突破亦或?qū)πl(wèi)星通信技術(shù)的進步，都有著理論意義和應(yīng)用價值。

20世紀(jì)90年代Noreen等[6]提出了通導(dǎo)一體的概念。通信衛(wèi)星發(fā)送通信信號，導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)送導(dǎo)航信號，采用一種簡易的圓極化天線同時接收導(dǎo)航和通信信號[7]，集成衛(wèi)星廣播、尋呼、雙向通信和導(dǎo)航等功能。但其本質(zhì)上是兩條鏈路分別傳輸信號，只是簡單地將導(dǎo)航通信共同使用，并不是真正的融合。

近年來，北斗衛(wèi)星已經(jīng)實現(xiàn)了通信、導(dǎo)航兩種信號的傳輸，在為用戶提供導(dǎo)航服務(wù)的同時提供雙向短報文通信服務(wù)[8-9]。雖然北斗系統(tǒng)已經(jīng)具備了通導(dǎo)一體化的雛形，但其通信系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)是相對獨立的兩個子系統(tǒng)，并且所提供的短報文通信能力已無法滿足日益增長的通信需求；目前在大部分衛(wèi)星測控通信系統(tǒng)中也具備了通信導(dǎo)航一體化的功能，其不僅可以傳輸測控信息，還可以測量衛(wèi)星與地面站之間的距離，也可以為衛(wèi)星授時，但是授時精度非常有限，距離真正的通導(dǎo)一體還存在著一定的差距[10]。

隨著人類對空間利用和深空探索的不斷深入，如何利用現(xiàn)有的衛(wèi)星通信系統(tǒng)實現(xiàn)空間通信和導(dǎo)航，使航天器、用戶在地月空間甚至太陽系空間中實現(xiàn)自動組網(wǎng)、自主導(dǎo)航、寬帶通信，已成為航天科技和信息科技未來發(fā)展的主要焦點之一。

本文在介紹現(xiàn)有通導(dǎo)一體系統(tǒng)并分析其能力不足的基礎(chǔ)上，提出了一種基于衛(wèi)星通信的通導(dǎo)一體架構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)，可在完成通信的同時，提供高精度的定位和授時服務(wù)，并以未來的載人登月作為背景，給出了利用月球中繼通信系統(tǒng)實現(xiàn)月面導(dǎo)航的案例，最后對通導(dǎo)一體技術(shù)的未來發(fā)展給出了建議。

1 基于衛(wèi)星通信的通導(dǎo)一體化系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)一共由35顆衛(wèi)星組成，其中30顆運行在非靜止軌道上，5顆運行在靜止軌道上，其不但可以為用戶提供和GPS系統(tǒng)精度相當(dāng)?shù)亩ㄎ粚?dǎo)航和授時服務(wù)，同時還能提供類似于通信衛(wèi)星的雙向短報文服務(wù)，是全球首個在導(dǎo)航衛(wèi)星上實現(xiàn)通信的系統(tǒng)[9]。但其通信傳輸還存在如下不足：①通信間隔時間長、可申請核準(zhǔn)的報文長度受限，通信靈活性受到較大的制約；②通信均需要利用地面中心站進行轉(zhuǎn)發(fā)，所需的時延較大，平均約為4 s；③通信資源非常有限，無法提供語音和寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，難以滿足用戶日益增長的通信需求。

衛(wèi)星測控通信系統(tǒng)是為衛(wèi)星傳輸測控數(shù)據(jù)、話音、圖像及提供標(biāo)準(zhǔn)時間、頻率等信息的專用通信系統(tǒng)，其可以在地面站與衛(wèi)星進行通信的同時測量衛(wèi)星與地面站之間的距離，并為衛(wèi)星進行授時，是目前在通信系統(tǒng)中實現(xiàn)的通信導(dǎo)航一體化[11]。

美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）擬構(gòu)建基于月球中繼衛(wèi)星的導(dǎo)航和通信系統(tǒng)C&N[12]。該系統(tǒng)包括月球中繼衛(wèi)星（Lunar Relay Satellite，LRS）、月球通信站（Lunar Communications Terminal，LCT）、用戶接收機和地面地基系統(tǒng)。C&N期望利用在軌的兩顆12 h橢圓傾斜軌道LRS和位于著陸區(qū)附近的2個LCT對月面用戶提供導(dǎo)航服務(wù)。每個LRS可以連續(xù)廣播自己的星歷、位置、時鐘模型和其它輔助信息，通過偽隨機（Pseudo-random Number，PN）序列進行測距，利用不同頻段傳輸不同信號，同時實現(xiàn)低速率通信和對月面用戶的跟蹤。

1.1 測距及授時方案

現(xiàn)有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)通常采用單向測距的方法對目標(biāo)進行定位，用戶按照一定的模型自主計算單向傳播時延，路徑上的各種誤差均會對時延的估計產(chǎn)生影響，從而降低最終定位的精度。與傳統(tǒng)的單向測距，雙向測距的發(fā)射路徑與接收路徑基本相同，且方向相反，可以最大程度消除傳播路徑誤差的影響，實現(xiàn)兩終端之間的精密測量。用戶與衛(wèi)星之間的通信本身就是一個雙向的過程，因此本文利用衛(wèi)星通信信號的“雙向”特性開展了基于衛(wèi)星通信的通導(dǎo)一體系統(tǒng)設(shè)計，可以在高精度測距的同時實現(xiàn)時間同步。

本文所提出的基于衛(wèi)星通信的通導(dǎo)一體系統(tǒng)是一種連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，其基本原理如圖1所示。當(dāng)授時信源為地面錨固站時，授時信宿可以為衛(wèi)星；當(dāng)授時信源為衛(wèi)星時，授時信宿可以為衛(wèi)星，也可以為其它航天器、用戶終端等。

圖1 基于衛(wèi)星通信的通導(dǎo)一體系統(tǒng)測距及授時方案框圖Fig.1 Diagram of ranging and timing in integrated communicationnavigation system based on satellite communication

雖然上述4個發(fā)送信道或接收信道的時延可以通過標(biāo)定得到，但解調(diào)器定時恢復(fù)的抖動會對輸出相關(guān)峰的位置造成隨機抖動，從而引起一定的標(biāo)定誤差。信源和信宿之間鐘差的計算可以通過授時信宿本地的絕對時間和授時信源的絕對時間以及星地延時計算得到。授時信源發(fā)送查詢幀的幀內(nèi)包含授時信源本地的絕對時間Tsrc，授時信宿發(fā)送應(yīng)答幀的幀內(nèi)包含收到查詢幀的相關(guān)峰的絕對時間tdes（即圖1中的箭頭位置），因此，信源信宿之間的鐘差可由授時信源或授時信宿通過式（2）計算得到

查詢幀和應(yīng)答幀的幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中前導(dǎo)碼用于實現(xiàn)時鐘同步和比特流同步；源端編號用于指示授時信源；目的編號用于指示授時信宿；幀編號用于幀計數(shù)，同一輪次的查詢幀和應(yīng)答幀的編號一致；幀體由待發(fā)送的數(shù)據(jù)、幀校驗序列、獨特字組成，其中幀校驗序列用于檢測或校驗數(shù)據(jù)傳輸中可能出現(xiàn)的錯誤，獨特字用于信道均衡保護和相位跟蹤，m個數(shù)據(jù)幀中，第1個數(shù)據(jù)幀用于授時幀傳輸，后面m–1個用于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 基于衛(wèi)星通信的通導(dǎo)一體系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Diagram of frame structure based on integrated communication-navigation system

在測距及授時的相關(guān)方法中，現(xiàn)有的雙向距離和鐘差測量方法要求兩個通信節(jié)點同時發(fā)送測距幀，并假設(shè)測距信號在兩個通信節(jié)點的發(fā)射設(shè)備和接收設(shè)備中傳輸時延，以及兩個通信節(jié)點之間的鐘差在雙向路徑上傳播時相同[13]。但是，在實際工程運用中，由于某一通信節(jié)點或兩通信節(jié)點的高速運動，鐘差在雙向路徑上的傳播將不再相同，當(dāng)鐘差偏差較大時，將難以滿足低誤差測距和高精度鐘差測量的要求。本文提出的“查詢–應(yīng)答”式距離和鐘差測量方案，無需兩個通信節(jié)點在同一時間發(fā)送測距信息，避免了兩測距終端因為鐘差帶來的影響，降低了測量誤差，有效提高了距離和鐘差的測量精度。

1.2 不同覆蓋重數(shù)下的用戶定位方案

對于衛(wèi)星通信網(wǎng)中的用戶，可以利用其與不同衛(wèi)星之間的通導(dǎo)一體信號來進行導(dǎo)航，包括時鐘誤差的測量及修正、用戶位置的確定。本節(jié)重點討論在不同信源覆蓋重數(shù)下用戶的定位方案。

1.2.1 三重覆蓋下的定位方案

采用傳統(tǒng)GNSS導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)對用戶進行定位，至少需要4顆以上的可視GNSS衛(wèi)星。對于本文所提的通導(dǎo)一體測距及授時方案，用戶在得到與通信衛(wèi)星偽距的同時，可以解算出自己與衛(wèi)星之間的鐘差?ti，因此利用通導(dǎo)一體系統(tǒng)進行導(dǎo)航定位最少僅需3顆可視的通信衛(wèi)星即可，如圖3所示。

圖3 基于衛(wèi)星通信的通導(dǎo)一體系統(tǒng)三重覆蓋下定位方案Fig.3 Scheme of positioning in triple covering multiplicity based on integrated communication-navigation system

假定通信衛(wèi)星i是可視范圍內(nèi)可與用戶建鏈的衛(wèi)星，對于每顆衛(wèi)星的位置，用戶均可通過通導(dǎo)一體信號廣播的星歷得到，Ri為衛(wèi)星i到用戶之間的距離，由于衛(wèi)星通信信號在傳播過程中會受到來自電離層和對流層產(chǎn)生的大氣延遲、多徑效應(yīng)、接收機相關(guān)峰抖動、鐘差測量誤差等影響，因此求得的距離并不為實際的 Ri，記該測量值為偽距ρi。假設(shè)用戶與衛(wèi)星1～3進行雙向測距授時，得到聯(lián)立的方程組

則方程組（7）可表示為

通過解算上述三元一次方程組，可得

1.2.2 單重/雙重覆蓋下的定位方案

雖然在三重覆蓋下的用戶定位精度較高，但用戶同時和3顆衛(wèi)星建鏈的代價較大，實際工程應(yīng)用中往往只會和1～2顆衛(wèi)星建鏈。雙重覆蓋下，用戶和兩顆衛(wèi)星進行雙向測距和授時，計算出自己與建鏈衛(wèi)星之間的鐘差；如果要得到用戶的三維坐標(biāo)，必須借助其它輔助手段測定用戶所處地面的大地高（如通過測量用戶所在位置的大氣壓反演出大地高），如圖4所示。

圖4 基于衛(wèi)星通信的通導(dǎo)一體系統(tǒng)雙重覆蓋下定位方案Fig.4 Scheme of positioning in double covering multiplicity based on integrated communication-navigation system

基于衛(wèi)星通信的通導(dǎo)一體系統(tǒng)在雙重覆蓋下的用戶定位解算可以采用經(jīng)典的相似橢球法[15]，如圖5所示。

圖5 相似橢球法示意圖Fig.5 Diagram of similar to ellipsoid method

用戶在相似橢球上滿足如下方程

記地球的半長軸為ae，半短長軸為be，卯酉圈曲率半徑為 Ne，相似橢球的半長軸為a，半短長軸為b，H 為用戶測得的高程，e 為地球子午圈偏心率，由相似性可得

由此可得到相似橢球法的3個方程為

其中：φ 為高程測量誤差。

在進行定位解算時，利用泰勒級數(shù)將其在近似位置處展開，并去掉二次以上的高次項，則式（12）可表示為下述方程組的形式

將式（13）和式（14）利用矩陣的形式描述

解算上述三元一次方程組，可得

通過ξ 可以更新用戶位置坐標(biāo)新的估計值，如果定位精度未達到預(yù)先設(shè)定，即ξ≥預(yù)定精度，則重新迭代上述過程，直至定位精度達到預(yù)先設(shè)定需求。

在單重覆蓋下，除了需要知道衛(wèi)星和用戶之間的偽距值、用戶所處地面的大地高，還需要另一個觀測量才能對用戶進行有效定位。隨著衛(wèi)星的高速移動，用戶與衛(wèi)星之間會因為相對運動的存在而產(chǎn)生多普勒頻移，構(gòu)成等頻錐面[16]，如圖6所示，由此可構(gòu)建新的觀測方程。

圖6 等頻錐面示意圖Fig.6 Diagram of equal frequency conical surface

其中：其中Vi為衛(wèi)星的速度；θi為衛(wèi)星和地面用戶連線與衛(wèi)星速度方向的夾角。

結(jié)合雙重覆蓋得到的結(jié)論，單重覆蓋的3個方程為

其中：ε1為接收機熱噪聲、處理時延標(biāo)定、接收機相關(guān)峰抖動等導(dǎo)致的測距誤差；ε2為測頻噪聲誤差；ε3為氣壓計或數(shù)字高程模型引入的高程測量誤差。

在進行定位解算時，利用泰勒級數(shù)將其在近似位置處展開，并去掉二次以上的高次項，利用矩陣的形式可以描述如下

其中：P是地心地固坐標(biāo)系下地面用戶的空間坐標(biāo)。解算上述三元一次方程組，可得

2 通導(dǎo)一體的月面中繼通信系統(tǒng)

月球作為人類進入深空的前哨站，載人探測的意義重大，但其能實施的前提條件是可以為月面的宇航員和月球車提供全程通信和導(dǎo)航服務(wù)。我國現(xiàn)有的地面深空測控網(wǎng)可以為月面探測目標(biāo)提供90%左右的測控弧段，不能全時段、快速準(zhǔn)確地支持宇航員獲取自身位置的三維坐標(biāo)，不能完全滿足未來月球開發(fā)的需求，特別是復(fù)雜的探月活動，如尋找前期發(fā)射的月球車、進行月面上長距離的探測、建立月球基地等。

2.1 月面中繼通信系統(tǒng)設(shè)計

本文所提出的通導(dǎo)一體月面中繼通信系統(tǒng)由地球深空站、地月拉格朗日L1點衛(wèi)星、繞月軌道器3個部分構(gòu)成，如圖7所示。3個部分通過一體化的網(wǎng)絡(luò)緊密連接在一起，用戶在不同的階段可以自行選擇相應(yīng)的單元完成通信和導(dǎo)航任務(wù)。由于采用一體化的思想，用戶可以“平滑”地從一個單元過渡到另一個單元，具有很好的靈活性和冗余度。

圖7 通導(dǎo)一體的月面中繼通信系統(tǒng)示意圖Fig.7 Diagram of lunar relay communication system based on integrated communication-navigation system

本方案建議在運載火箭發(fā)射階段、地球軌道環(huán)繞階段、奔月過渡階段可以使用地球深空站進行測控通信和導(dǎo)航；在初始環(huán)月軌道機動段，采用地球深空站與地月L1點衛(wèi)星相結(jié)合的方式進行測控通信和導(dǎo)航；一旦月球探測器抵達環(huán)繞軌道，主要的測控通信和導(dǎo)航則由地月L1點衛(wèi)星提供；在軟著陸及著陸后各種復(fù)雜的探月活動期間，月面目標(biāo)可以通過2個繞月軌道器或1個繞月軌道器與1個地月L1點衛(wèi)星相結(jié)合的方式完成測控通信和導(dǎo)航，在地球深空站與月面目標(biāo)可視時，通信和導(dǎo)航可以通過多鏈路實現(xiàn)，測控和通信任務(wù)由與地球建立的主干通信鏈路完成，導(dǎo)航任務(wù)由月面目標(biāo)和繞月軌道器之間的前、返向通信鏈路完成。

以兩顆繞月軌道器對宇航員提供通信及導(dǎo)航服務(wù)為例進行性能仿真，當(dāng)繞月軌道器和宇航員可視時，繞月軌道器在通信的同時主動發(fā)起時頻傳遞，每隔400個數(shù)據(jù)幀發(fā)送一個查詢幀，并等待接收來自宇航員的應(yīng)答幀，宇航員接收到查詢幀并檢測到幀頭相關(guān)峰后，在最短時間內(nèi)回復(fù)應(yīng)答幀。通過1.1節(jié)設(shè)計的測距授時方案，宇航員可以得到相應(yīng)的偽距和鐘差信息，基于1.2節(jié)雙重覆蓋下用戶的定位方案完成定位解算。

2.2 仿真結(jié)果及其分析

具體的仿真參數(shù)如表1所示。本文假定電離層和對流層產(chǎn)生的大氣延遲、多徑效應(yīng)、高程測量誤差均已通過建模精確修正，僅考慮鐘差測量、處理時延測量、接收機相關(guān)峰抖動、定軌誤差帶來的影響。

表1 仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameters

月球環(huán)繞器在雙重覆蓋下對月面目標(biāo)進行導(dǎo)航定位的結(jié)果如圖8所示，時頻傳遞性能如圖9所示。同時對月球環(huán)繞器不同定軌精度下月面用戶的定位能力進行了仿真，如圖10所示。

從圖8可以看出，三軸誤差均能夠較好地收斂，X方向的誤差在–5～10 m之間，Y方向的誤差在–14～20 m之間，Z方向的誤差在–20～20 m之間；水平定位偏差的均方根誤差約為2.77 m，三維定位偏差的均方根誤差約為3.65 m，具體統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。從圖9可以看出，利用通導(dǎo)一體月面中繼通信系統(tǒng)對月面目標(biāo)進行授時，系統(tǒng)與月面目標(biāo)之間的鐘差不會超過20 ns，最大值為18.6 ns。仿真結(jié)果表明，通導(dǎo)一體月面中繼通信系統(tǒng)對月面目標(biāo)進行授時和導(dǎo)航定位有很好的可行性。從圖10可以看出，隨著定軌殘差的增加，水平定位和三維定位均方根誤差也逐漸增大，但即使在定軌殘差達到100 m的時候，水平定位偏差和三維定位偏差的均方根誤差均未超過20 m。

表2 通導(dǎo)一體月面中繼通信系統(tǒng)雙重覆蓋下用戶位置解算偏差Table 2 Positioning bias in double covering multiplicity based on lunar relay communication system

圖8 通導(dǎo)一體月面中繼通信系統(tǒng)在雙重覆蓋下對月面目標(biāo)進行導(dǎo)航定位結(jié)果Fig.8 Positioning results in double covering multiplicity based on lunar relay communication system

圖9 通導(dǎo)一體月面中繼通信系統(tǒng)雙重覆蓋下對月面目標(biāo)授時結(jié)果Fig.9 Timing results in double covering multiplicity based on lunar relay communication system

圖10 通導(dǎo)一體月面中繼通信系統(tǒng)在不同定軌精度下對月面目標(biāo)導(dǎo)航定位能力Fig.10 Positioning results in different precision of orbit determination based on lunar relay communication system

在此基礎(chǔ)上，本文對單重覆蓋場景也進行了性能仿真，以驗證在突發(fā)情況下系統(tǒng)的服務(wù)能力，仿真參數(shù)與雙重覆蓋下相同（見表1所示。月球環(huán)繞器1在單重覆蓋下對月面目標(biāo)進行導(dǎo)航定位的結(jié)果如圖11所示。仿真結(jié)果表明，相較于雙重覆蓋的情況，定位解算結(jié)果精度較低，但仍能滿足一定的定位需求。

圖11 通導(dǎo)一體月面中繼通信系統(tǒng)在單重覆蓋下對月面目標(biāo)進行導(dǎo)航定位結(jié)果Fig.11 Positioning results in single covering multiplicity based on lunar relay communication system

本文利用現(xiàn)存的地面測控網(wǎng)絡(luò)和月球中繼系統(tǒng)，減小了構(gòu)建、發(fā)射和維護月球?qū)Ш叫l(wèi)星的費用；通過雙向距離和鐘差測量，最大限度地消除傳播路徑誤差的影響，使得時頻傳遞精度可達ns量級，并可實現(xiàn)在單/雙重覆蓋下的導(dǎo)航定位；采用的“查詢–應(yīng)答”式的測量策略，無需授時信源和授時信宿在同一時刻發(fā)送測距信息，避免了收發(fā)測距終端存在的潛在風(fēng)險，有效地提高了距離和鐘差的測量精度。宇航員可以在不接收地面指令的情況下實現(xiàn)自我定位、自主導(dǎo)航，大大提高了宇航員在月面的活動范圍以及處理各種意外情況的靈活性。

3 結(jié) 論

本文對現(xiàn)有通導(dǎo)一體系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀進行了簡述，分析了其在通信或?qū)Ш侥芰ι洗嬖诘牟蛔?，基于現(xiàn)有衛(wèi)星通信系統(tǒng)提出了一種新的通導(dǎo)一體架構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)，并介紹了該架構(gòu)在三重覆蓋和單/雙重覆蓋下的用戶導(dǎo)航定位方法，最后以載人登月為背景，給出了利用月面中繼通信系統(tǒng)實現(xiàn)通信、測控、導(dǎo)航的設(shè)計案例并進行了性能仿真。結(jié)果表明，利用通導(dǎo)一體月面中繼通信系統(tǒng)對月面目標(biāo)進行導(dǎo)航定位有較高的精度，可用于未來載人登月信息系統(tǒng)的設(shè)計。

隨著通信衛(wèi)星星座的蓬勃發(fā)展，借助于衛(wèi)星通信信號開展通導(dǎo)一體服務(wù)將成為通信衛(wèi)星星座一個重要的特色和贏利點，有必要提前布局。由于通信導(dǎo)航一體化系統(tǒng)的定位精度和服務(wù)容量之間存在相互制衡的關(guān)系，在單星定位時，系統(tǒng)總?cè)萘孔畲蠖脩舳ㄎ痪容^低；當(dāng)采用多顆通信衛(wèi)星進行導(dǎo)航時，雖然精度有所提升，但容量迅速下降，未來需要結(jié)合用戶等級和需求探索高效的資源調(diào)度模式。此外還可深入研究時頻傳遞原理和定位解算方法，以提升單/雙星覆蓋下的定位精度。