北斗ka星間鏈路高動(dòng)態(tài)應(yīng)用輔助接收技術(shù)

蔡文炳，張中英，盧樟健，陳玲玲，陳宜穩(wěn)，同 釗，徐連軍

（1.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094；2.中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院，陜西 西安 710100）

0 引言

北斗全球系統(tǒng)作為我國(guó)第一個(gè)全球覆蓋的天基信息系統(tǒng)，為全球用戶(hù)提供PNT與高價(jià)值用戶(hù)的數(shù)據(jù)傳輸能力，已經(jīng)形成真正意義上的航天裝備體系能力。尤其北斗三號(hào)ka星間鏈路在滿(mǎn)足星座內(nèi)的通信測(cè)量需求之外，規(guī)劃了對(duì)擴(kuò)展服務(wù)用戶(hù)測(cè)控?cái)?shù)傳支持服務(wù)能力，能夠?yàn)楦咚僖苿?dòng)目標(biāo)提供全球范圍內(nèi)的通信服務(wù)。

北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星間鏈路系統(tǒng)采用ka單頻單波束相控陣體制，衛(wèi)星以北斗時(shí)為時(shí)間基準(zhǔn)按照時(shí)分復(fù)用的方式與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)建立測(cè)量通信。星間鏈路運(yùn)管中心將系統(tǒng)北斗時(shí)分成若干時(shí)隙片，規(guī)劃時(shí)隙路由表，衛(wèi)星根據(jù)時(shí)隙路由表在規(guī)定的時(shí)隙內(nèi)與規(guī)定節(jié)點(diǎn)建立測(cè)量通信，如圖1所示。

圖1 星間鏈路時(shí)隙片劃分示意圖

北斗三號(hào)ka星間鏈路是短突發(fā)信號(hào)，需要在百毫秒內(nèi)完成信號(hào)同步，對(duì)于高速移動(dòng)目標(biāo)，高動(dòng)態(tài)輔助接收技術(shù)是實(shí)現(xiàn)鏈路同步的關(guān)鍵。

本文提出了基于“GNSS+微慣性單元”的高動(dòng)態(tài)輔助接收技術(shù)，產(chǎn)生用于ka星間鏈路超高動(dòng)態(tài)下的輔助信息，并對(duì)產(chǎn)生的輔助信息精度進(jìn)行分析。

1 基于北斗ka星間鏈路航天器測(cè)控?cái)?shù)傳服務(wù)

基于ka星間鏈路的航天器測(cè)控?cái)?shù)傳支持服務(wù)業(yè)務(wù)是將高速移動(dòng)目標(biāo)等用戶(hù)視為星間鏈路網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)新增節(jié)點(diǎn)，納入星間鏈路網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，給高速移動(dòng)目標(biāo)分配SCID編號(hào)、建鏈時(shí)隙和建鏈路由。高速移動(dòng)目標(biāo)按照規(guī)劃與北斗衛(wèi)星建鏈。高速移動(dòng)目標(biāo)地面測(cè)控系統(tǒng)將前向數(shù)據(jù)通過(guò)境內(nèi)節(jié)點(diǎn)衛(wèi)星進(jìn)入北斗網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過(guò)星間中繼到達(dá)境外節(jié)點(diǎn)衛(wèi)星，在建鏈時(shí)刻發(fā)送給高速移動(dòng)目標(biāo)；同時(shí)境外節(jié)點(diǎn)衛(wèi)星將接收到反向數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)星間中繼到達(dá)境內(nèi)節(jié)點(diǎn)衛(wèi)星，再建鏈時(shí)隙傳輸至高速移動(dòng)目標(biāo)地面中心，如圖2所示。

圖2 北斗ka星間鏈路的測(cè)控?cái)?shù)傳支持服務(wù)架構(gòu)

2 高動(dòng)態(tài)輔助信息接收技術(shù)

2.1 “GNSS+微慣性單元”的開(kāi)環(huán)輔助接收技術(shù)

當(dāng)高速移動(dòng)目標(biāo)動(dòng)態(tài)較大時(shí)（速度為12 km/s，加速度為11 kHz/s），采用普通的信號(hào)跟蹤技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)要求。采用“GNSS+微慣性單元”對(duì)接收機(jī)的概略位置、速度/加速度進(jìn)行估計(jì)，結(jié)合衛(wèi)星星歷，計(jì)算用于ka星間鏈路接收的時(shí)間、距離、速度和加速度、天線(xiàn)指向的預(yù)報(bào)值，開(kāi)環(huán)輔助ka星間鏈路的接收，輔助之后的速度誤差小于1 kHz，滿(mǎn)足ka星間鏈路短突發(fā)信號(hào)的接收要求。

圖3是“GNSS+微慣性單元”的輔助接收單元框圖。利用微慣性單元（INS）的速度、加速度測(cè)量結(jié)果，與GNSS構(gòu)成超緊組合，輸出位置、速度、加速度、時(shí)間信息，結(jié)合衛(wèi)星星歷，歸算出ka星間鏈路時(shí)間、距離、速度和加速度、天線(xiàn)指向的預(yù)報(bào)值，輔助ka星間鏈路信號(hào)的接收，使ka頻段接收環(huán)路采用噪聲帶寬較窄的跟蹤濾波器快速實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)同步。

圖3 基于“GNSS+微慣性單元”的輔助信息生成

慣性系統(tǒng)誤差決定了輔助信息的精度，需要根據(jù)慣性系統(tǒng)的誤差評(píng)估載體測(cè)量的速度精度。

慣性器件誤差主要包括安裝誤差、刻度系數(shù)誤差、零偏誤差與隨機(jī)噪聲。按照上述誤差因素對(duì)設(shè)備采用的慣性系統(tǒng)誤差進(jìn)行理論仿真。慣性導(dǎo)航姿態(tài)精度如圖4、圖5所示，圖4中縱軸單位是角秒，圖5中縱軸單位是角分。

圖4 水平姿態(tài)精度

圖5 航向角精度

由圖可知慣性器件水平姿態(tài)（俯仰角和橫滾角）精度在0.05°以?xún)?nèi)，航向角在0.1°以?xún)?nèi)。

由于慣導(dǎo)是直接測(cè)量加速度計(jì)的設(shè)備，在器件量測(cè)范圍內(nèi)，加速度計(jì)的測(cè)量精度基本不變。圖6是慣性器件的三維加速度計(jì)測(cè)量精度仿真圖。

圖6 三維加速度精度

2.2 GNSS超緊組合導(dǎo)航技術(shù)

利用“GNSS+微慣性單元”輔助信息產(chǎn)生單元，關(guān)鍵技術(shù)是GNSS的超緊組合技術(shù)，用于產(chǎn)生終端的位置、速度、加速度信息，進(jìn)而用于產(chǎn)生ka星間鏈路的輔助信息。

2.2.1 超緊組合跟蹤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

GNSS接收機(jī)跟蹤環(huán)路更新速率較高（通?？蛇_(dá)到1 kHz）、瞬態(tài)響應(yīng)誤差大且易受環(huán)境影響，因此用于輔助跟蹤環(huán)路的信息應(yīng)當(dāng)具備數(shù)據(jù)率高、短時(shí)精度高、動(dòng)態(tài)特性好且完全自主不受外界環(huán)境影響的特點(diǎn)，慣性導(dǎo)航信息滿(mǎn)足上述所有條件。慣性信息輔助跟蹤環(huán)路技術(shù)是GNSS/INS超緊組合的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是超緊組合區(qū)別松組合與緊組合的主要特征，GNSS/INS超緊組合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就是如何將INS輔助信息引入到接收機(jī)跟蹤環(huán)路。本文設(shè)計(jì)如圖7所示的超緊組合結(jié)構(gòu)。

圖7 GNSS/INS超緊組合結(jié)構(gòu)

其中，GPS接收機(jī)與INS各自獨(dú)立工作，接收機(jī)天線(xiàn)接收到的信號(hào)依次經(jīng)過(guò)射頻前端、基帶數(shù)字信號(hào)處理和導(dǎo)航定位解算之后輸出載體的位置與速度，輸出速率為1 Hz；慣性導(dǎo)航系統(tǒng)則工作在較高的速率下，IMU不斷測(cè)量載體加速度與角速率信息并依次經(jīng)過(guò)誤差補(bǔ)償、初始對(duì)準(zhǔn)與慣導(dǎo)機(jī)械編排解算后得到高速率（100 Hz/1 000 Hz）的載體位置、速度和姿態(tài)。更高的慣導(dǎo)解算和輔助精度可以提高環(huán)路對(duì)動(dòng)態(tài)的適應(yīng)性，但是需要更多的計(jì)算資源。

接收機(jī)設(shè)計(jì)采用矢量跟蹤環(huán)進(jìn)行深耦合實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)基于矢量跟蹤的頻率鎖定環(huán)路以提高環(huán)路的動(dòng)態(tài)適應(yīng)性。

2.2.2 基于矢量跟蹤的高動(dòng)態(tài)跟蹤環(huán)路

矢量跟蹤結(jié)構(gòu)的框圖如圖8所示。對(duì)于圖中所示的接收機(jī)，信號(hào)跟蹤和導(dǎo)航狀態(tài)估計(jì)的任務(wù)不再是單獨(dú)的過(guò)程。單個(gè)擴(kuò)展卡爾曼濾波器（EKF）可同時(shí)跟蹤接收到的信號(hào)并估算接收器的位置、速度等。矢量延遲鎖定環(huán)（VDLL）僅通過(guò)中央濾波器跟蹤PRN碼相位。載波跟蹤任務(wù)仍由VDLL中每個(gè)通道中的標(biāo)量跟蹤循環(huán)處理。矢量延遲/頻率鎖定環(huán)（VDFLL）使用集中濾波器跟蹤PRN碼相位和載波頻率。

圖8 矢量跟蹤結(jié)構(gòu)

矢量跟蹤根據(jù)接收機(jī)的估計(jì)位置和速度預(yù)測(cè)接收信號(hào)的相位和頻率。通過(guò)獲取預(yù)測(cè)信號(hào)和接收信號(hào)之間的差異，在每個(gè)通道中形成殘差；然后使用殘差更新接收器位置和速度的估算值。矢量跟蹤方法利用了接收者動(dòng)態(tài)與跟蹤環(huán)路所預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)之間的關(guān)系，不是跟蹤接收器的每個(gè)通道來(lái)跟蹤各個(gè)信號(hào)的動(dòng)態(tài)，而是跟蹤引起信號(hào)變化的用戶(hù)動(dòng)態(tài)。

所使用的擴(kuò)展卡爾曼濾波器可以以位置、速度、鐘差相關(guān)參數(shù)為狀態(tài)量，也可以以偽距、偽距率為狀態(tài)量。本文采用后者以實(shí)現(xiàn)對(duì)高動(dòng)態(tài)信號(hào)的跟蹤。

2.2.3 高動(dòng)態(tài)超緊組合性能仿真

終端使用的慣性器件采用100 Hz和1 000 Hz可變的慣性多普勒頻率輔助頻度，在速度為12 km/s，加速度為11 kHz/s的使用場(chǎng)景下，使用Matlab對(duì)超緊組合方案進(jìn)行仿真，三維速度誤差優(yōu)于0.2 m/s，三維位置誤差優(yōu)于10 m，仿真結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 超緊組合導(dǎo)航速度誤差仿真分析

圖10 超緊組合導(dǎo)航位置誤差仿真分析

3 輔助信息精度仿真驗(yàn)證

3.1 定位授時(shí)精度分析

北斗三號(hào)系統(tǒng)的廣播電文誤差URE為0.5 m，接收機(jī)測(cè)量噪聲為0.33 m（1σ），根據(jù)北斗三號(hào)全球幾何精度因子，利用“GNSS+微慣性單元”輔助信息生成方法產(chǎn)生的定位精度預(yù)算為水平6 m，高程9 m，定位誤差估算如表1所示。

表1 定位誤差估算

GNSS授時(shí)誤差（1 pps誤差）來(lái)源主要為用戶(hù)等效測(cè)距誤差（UERE），用戶(hù)等效測(cè)距誤差造成的時(shí)間同步誤差計(jì)算公式為：

式中：TDOP=1，c為光速，因此鐘差測(cè)量精度δt=1.89 c=6.3 ns。綜合考慮采集誤差、標(biāo)校等誤差大約為10 ns，時(shí)間同步度為16.3 ns，授時(shí)誤差不超過(guò)20 ns。

3.2 天線(xiàn)指向輔助精度分析

天線(xiàn)指向受兩部分因素影響：載體自身的姿態(tài)測(cè)量精度以及由于衛(wèi)星星歷誤差與載體定位測(cè)量誤差引起的指向誤差。

衛(wèi)星星歷誤差小于1 m，載體定位誤差優(yōu)于10 m，由于載體與衛(wèi)星間的軌道差20 000 km，10 m量級(jí)位置誤差對(duì)于指向的影響幾乎可以忽略。

姿態(tài)測(cè)量精度引入的指向誤差小于俯仰角誤差+橫滾角誤差+航向角誤差≈0.465°。因此在衛(wèi)星導(dǎo)航模塊可用條件下，天線(xiàn)指向輔助精度＜0.465°。

3.3 TOA預(yù)報(bào)精度分析

ka星間鏈路TOA預(yù)報(bào)分為偽距、速度和加速度預(yù)報(bào)精度三類(lèi)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。

偽距是載體與衛(wèi)星之間的徑向距離，其預(yù)報(bào)精度由載體位置測(cè)量精度和衛(wèi)星星歷徑向精度決定。根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航模塊精度分析，位置精度優(yōu)于10 m，星歷徑向精度為0.1 m。因此衛(wèi)星導(dǎo)航模塊可用條件下，預(yù)報(bào)精度主要由載體位置測(cè)量精度決定，僅考慮位置誤差的情況下偽距預(yù)報(bào)精度優(yōu)于10 m即33 ns，優(yōu)于建鏈66 μs要求。

同理分析，速度和加速度預(yù)報(bào)精度都是指載體與衛(wèi)星之間的徑向相對(duì)速度和徑向相對(duì)加速度，衛(wèi)星星歷引入的誤差都在厘米級(jí)，可忽略，主要誤差為載體自身的速度和加速度測(cè)量誤差引入。徑向速度測(cè)量精度＜載體三維速度測(cè)量誤差，根據(jù)前面分析，在組合導(dǎo)航條件下，速度測(cè)量誤差小于0.2 m/s，因此速度預(yù)報(bào)精度小于0.2 m/s，對(duì)于星間鏈路的ka頻段為15 Hz。

組合導(dǎo)航條件下，加速度測(cè)量誤差主要取決于慣性器件，根據(jù)前面分析，加速度測(cè)量誤差＜20mg≈0.2 m/s2，ka頻段為15 Hz/s2。

利用飛行器終端“GNSS+微慣性”模塊，產(chǎn)生位置、速度、時(shí)間、姿態(tài)信息，結(jié)合衛(wèi)星星歷，計(jì)算TOA預(yù)報(bào)值、速度和加速度預(yù)報(bào)、天線(xiàn)指向參數(shù)的精度如表2所示。

表2 輔助參數(shù)精度

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)北斗ka星間鏈路為高速移動(dòng)目標(biāo)提供測(cè)控服務(wù)研究的基礎(chǔ)上，得出系統(tǒng)在使用時(shí)面臨的難點(diǎn)在于高動(dòng)態(tài)的接收技術(shù)。在飛行器速度為12 km/s，加速度為11 kHz/s時(shí)，現(xiàn)有信號(hào)同步技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足要求，針對(duì)該難點(diǎn)，本文提出一種“GNSS+微慣性單元”高動(dòng)態(tài)輔助信息接收技術(shù)，超緊組合導(dǎo)航算法，結(jié)合衛(wèi)星星歷，解算出與ka星間鏈路建鏈所需的位置、距離、時(shí)間、速度、加速度、天線(xiàn)指向信息，高動(dòng)態(tài)條件下，在百毫秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)信號(hào)快速同步。本文提出的高動(dòng)態(tài)應(yīng)用輔助接收技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)北斗三號(hào)ka星間鏈路高動(dòng)態(tài)快速建鏈的需求。