GPS星間鏈路及其數(shù)據(jù)的模擬方法研究

劉亞瓊，楊旭海

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GPS星間鏈路及其數(shù)據(jù)的模擬方法研究

劉亞瓊1,2,3，楊旭海1,2

（1. 中國科學院國家授時中心，西安 710600；2. 中國科學院精密導航定位與定時重點實驗室，西安 710600；3. 中國科學院研究生院，北京 100039）

主要介紹了GPS星間鏈路（星間鏈路是衛(wèi)星導航系統(tǒng)實現(xiàn)自主運行的一項重要的關鍵技術）的工作模式，重點討論了GPS星間鏈路數(shù)據(jù)的模擬方法。采用契比雪夫多項式擬合方法，獲得對IGS（International GPS Service）公布的GPS精密星歷加密到以1s為間隔的數(shù)據(jù)。由信號接收時刻獲得的兩顆衛(wèi)星間的距離作為初始值，反復迭代推算出發(fā)射信號的衛(wèi)星發(fā)射信號的時刻，從而得到兩顆衛(wèi)星間的星間偽距觀測值，再加上各項約束條件（如噪聲，鐘差等）后獲得了兩顆衛(wèi)星間模擬的星間鏈路數(shù)據(jù)。

星間鏈路；時分多址；衛(wèi)星導航

隨著衛(wèi)星導航系統(tǒng)的廣泛應用，特別是衛(wèi)星導航系統(tǒng)與現(xiàn)代高精度武器裝備的結合越來越緊密，人們開始關注衛(wèi)星導航系統(tǒng)的自主生存能力。也就是說，當?shù)孛嬲颈淮輾Щ虺霈F(xiàn)故障時，衛(wèi)星導航系統(tǒng)需要具有自主運行功能，即由導航衛(wèi)星的星上設備，通過星間測距，結合衛(wèi)星軌道先驗信息，保障自主運行精密定軌和時間基準的維持等系統(tǒng)工作，并能正常提供通信、導航等服務。

在一組導航衛(wèi)星之間，任意兩個相互可視的衛(wèi)星之間有距離測量值，稱在這組導航衛(wèi)星之間有星間鏈路觀測。星間鏈路資料具有重要的定軌意義，因為它與少量的地面站（至少3個）的觀測資料相結合，就可以定出所有衛(wèi)星的軌道；亦可以在失去地面站的情況下，結合衛(wèi)星軌道先驗信息，確定衛(wèi)星的軌道。本文以IGS（International GPS Service）提供的GPS精密星歷為基礎，研究星間鏈路數(shù)據(jù)的模擬方法。

1 GPS星間鏈路

1.1 GPS星間鏈路現(xiàn)狀

截至2007年7月，GPS星座擁有30顆在軌運行衛(wèi)星，包括15顆GPS-2A衛(wèi)星、12顆GPS-2R衛(wèi)星和3顆GPS-2RM衛(wèi)星。其中，在第1至第4軌道面上各有5顆衛(wèi)星；在第5軌道面上有4顆衛(wèi)星；在第6軌道面上有6顆衛(wèi)星。當前的GPS星座已不是早期設計的經(jīng)典Walker24/3/2星座構型，而是趨向于一種6個軌道面的衛(wèi)星均勻分布與非均勻備份混合星座構型。這樣的星座設計能夠保證導航衛(wèi)星信號的全球連續(xù)性覆蓋，滿足系統(tǒng)可用性指標要求，有利于實現(xiàn)接收機自主完好性監(jiān)測（RAIM），從而獲得安全可靠的高精度導航信息。

GPS已經(jīng)在它的GPS-2R及后續(xù)衛(wèi)星上安裝了星間測距設備和星上處理器，這些衛(wèi)星能夠通過時分多址（TDMA）的方式進行星間測距和通信，并每小時自主計算衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星鐘差，實現(xiàn)星上的自主定軌和自主守時，從而為用戶提供自主運行180 d用戶測距誤差（URE）仍好于6 m的服務[1]。擬達到的技術指標為星間信息傳輸速率≤5 kbps，星間測距精度優(yōu)于1 ns，星間信息傳輸誤碼率優(yōu)于10-6 [2]。

1.2 星間鏈路體制

1.2.1 設備配置

對于星間鏈路的設備配置，GPS-2R衛(wèi)星采用10個螺旋天線陣元以相控陣方式[3-4]實現(xiàn)，安裝在衛(wèi)星的對地面，天線群延遲不確定度控制在0.5 ns以內。星間鏈路發(fā)射天線采用獨立天線單元，而接收天線由9個單元組成的平面直射陣列組成，其中1個單元位于陣列中心，其余8個單元圍繞中心單元均勻布置，且饋電相位與中心單元反相，饋電幅度按比例配置。接收天線波束相位中心穩(wěn)定，波束邊緣增益可達到7 dBi左右[5]。

同時，配置星間鏈路轉發(fā)數(shù)據(jù)單元（CTDU）和星間鏈路收發(fā)設備（CTS），每顆GPS-2R衛(wèi)星均裝有兩個CTDU，CTDU是時分多址跳頻擴頻通信系統(tǒng)，利用超高頻（UHF）頻段，采用5 Mcps偽隨機碼，產(chǎn)生108Ｗ的射頻發(fā)射功率，提供精密測距信號并進行自主導航數(shù)據(jù)交換。

1.2.2 鏈路模式

GPS星間鏈路采用時分復用多址方式，通信頻段為超高頻（250～290 MHz），每顆導航衛(wèi)星分配一個時隙，每個時隙維持1.5 s，在軌工作的24顆導航衛(wèi)星均分配不同的時隙，36 s時間內可以對星座所有衛(wèi)星輪詢一遍，該時間定義為一幀。在36 s的時間周期內就可以完成星座衛(wèi)星播發(fā)測距信號的遍歷，稱之為測距幀。下一個36 s時間周期用作星間數(shù)據(jù)通信，即完成星座衛(wèi)星播發(fā)數(shù)據(jù)信號的遍歷，稱之為數(shù)據(jù)幀。星間鏈路傳輸共有25幀：1個測距幀，24個數(shù)據(jù)幀[5]。對于24顆衛(wèi)星組成的星座，36s為一個子幀，900 s為一個主幀。GPS-2R/2R-M衛(wèi)星星間鏈路測距周期可選擇15 min、1 h、2 h、3 h、4 h和6 h，其中1 h為缺省值設置[6]。

GPS-2R衛(wèi)星實施雙頻單向測距，在測距幀期間，采用測距模式，任意一顆GPS-2R衛(wèi)星在分配的時隙里發(fā)射測距信號，其他所有可見的導航衛(wèi)星進行接收，對UHF頻段的測距信號進行處理，利用兩個不同頻率消除電離層效應的影響，完成偽距測量。在數(shù)據(jù)幀期間，采用數(shù)據(jù)發(fā)送模式，每顆衛(wèi)星在其分配的時隙里發(fā)射與自身相關的數(shù)據(jù)參數(shù)，主要包括偽距測量的計算結果、估計出來的衛(wèi)星位置和時鐘參數(shù)及相應的估計方差。

1.2.3 星間鏈路拓撲結構

根據(jù)GPS星座構型和星間鏈路天線賦形設計，星間鏈路距離可達到49 465 km。對于24顆衛(wèi)星星座，可以建立8～16條同軌道面前向和后向鏈路，以及異軌道面?zhèn)认蜴溌穂5]。

1.2.4 星鐘

對星載原子鐘，GPS衛(wèi)星采用銣鐘（質量5.44 kg，功耗39Ｗ）和銫鐘（質量13 kg，功耗30 W，壽命>3年），以銫鐘為主。星鐘或時間基準裝置（AFS）是整個有效載荷的心臟，它提供確保GPS導航精度所需的精確時間。GPS-2R有2臺銣鐘和1臺銫鐘。GPS系統(tǒng)對星鐘的關鍵要求是星鐘時間與GPS時間之差保持在6ns之內。為達到這一要求，將2臺銣鐘和1臺銫鐘集成到有效載荷中的時間保持系統(tǒng)（TKS）內，3臺星鐘互為備份，以確保這一關鍵設備不會因1臺失效而導致全系統(tǒng)失靈[6-8]。

2 星間鏈路數(shù)據(jù)的模擬

我們利用2007年10月5日開始的IGS提供的GPS衛(wèi)星的精密星歷來模擬星間鏈路數(shù)據(jù)。

為便于科學研究，我們假定導航衛(wèi)星星間鏈路的模式是：每顆GPS衛(wèi)星都必須向其他GPS衛(wèi)星發(fā)送信息，也要接收其他衛(wèi)星發(fā)出的信息。假定在給定時刻，星座中只有一顆GPS衛(wèi)星發(fā)送信號，而所有其他衛(wèi)星都處于接收模式。其次，每顆衛(wèi)星都分配一個指定的時間區(qū)間（1 s），在這個區(qū)間，只有它能發(fā)送信號，而其他衛(wèi)星只能接收信號，所有衛(wèi)星都按此指定的時間順序循環(huán)工作。IGS提供的是31顆衛(wèi)星的精密星歷，完成這樣一個發(fā)送序列稱作一個幀循環(huán)，需時31 s。

由IGS提供的精密星歷是按15 min的時間間隔給出在軌31顆衛(wèi)星在空間的三維坐標、三維速度和衛(wèi)星鐘改正數(shù)等信息，不能滿足模擬時數(shù)據(jù)的需求。需要把下載的星歷加密成按10 s（甚至1 s）的時間間隔給出衛(wèi)星在空間的信息。

本文采用契比雪夫多項式擬合方法[9]，對下載的GPS精密星歷分別按10 s的時間間隔和1 s的時間間隔加密，加密到1 s的衛(wèi)星星歷如下：

加密后的GPS精密星歷格式與IGS公布的精密星歷格式一致。第1行的第2個字符為版本標識符；第3-19個字符是歷元的日期和時間；“HLM”是軌道類型描述符，目前僅定義了4種類型，這是其中之一；“IGS”是軌道發(fā)布機構描述符。第2行所包含的內容有軌道數(shù)據(jù)首個歷元的GPS周及GPS周以內的秒數(shù)，以秒為單位的歷元間隔、約化儒略日的整數(shù)部分及小數(shù)部分。第3-7行為衛(wèi)星的PRN號。這些標識符為連續(xù)的字段，在列出了所有的PRN號后，剩下的位置用零值填充。第8-12行為衛(wèi)星軌道精度指數(shù)，若為0，則表示精度未知。衛(wèi)星軌道精度指數(shù)在第8-12行中的排列順序與第3-7行上衛(wèi)星的PRN號的排列順序相同。第13-18行以備將來其他的參數(shù)補充。第19-22行為任意內容的注釋。第23行為歷元的日期和時間。自第24行開始為衛(wèi)星的位置（或速度）和鐘差（或鐘漂）。第1個字符始終是“P”，位置的單位為km，并精確到1 mm。與鐘有關的值的單位為μs（微秒），并且精確到1 ps（皮秒）。第2、3、4組數(shù)據(jù)對應衛(wèi)星X、Y、Z三個坐標方向的位置，第5組數(shù)據(jù)是衛(wèi)星的鐘差。

圖1給出一個我們在計算過程中所加白噪聲的例子，其RMS（均方根）值為0.3 m。

圖1 計算中所加白噪聲的例子

表1給出了在計算過程中所加的鐘差的一個例子，它是2007年10月5日00:00:00 IGS所給出的GPS衛(wèi)星的星鐘差（見igs14475.sp3文件）。

表1 計算中所加的1組GPS衛(wèi)星鐘差

注：原文件中沒有給出第15號星的鐘差，這里的50.000 000μs是我們加進去的，只有補充完整的衛(wèi)星鐘差，才能用來模擬星間鏈路數(shù)據(jù)。

獲得了GPS星座中衛(wèi)星的星間鏈路數(shù)據(jù)，根據(jù)星間鏈路的通信模式，我們就能推算出星座中某顆星發(fā)送信息時，有多少顆衛(wèi)星可以與之建立星間鏈路及星間鏈路的具體值。運用本文的模擬方法，得到的星間鏈路模擬值如表2所示，由表2中數(shù)據(jù)可知，此次模擬結果中接收衛(wèi)星和發(fā)射衛(wèi)星間距離最大值是51 242 645.97 m（在2007年10月5日00:00:01的接收時刻2號星收到3號星發(fā)射的信號），最小值是13 278 557.94 m（在2007年10月1日00:00:00的接收時刻，9號星接收到2號星發(fā)射的信號）。

表2 星間鏈路的模擬值

注：表格中的“接收衛(wèi)星和發(fā)射衛(wèi)星間的距離/m”就是獲得的星間鏈路模擬值

3 結語

在初步了解了GPS衛(wèi)星系統(tǒng)的星間鏈路工作模式后，本文詳細討論了星間鏈路資料的產(chǎn)生方法，在考慮可視、噪聲及鐘差的情況下得到了星間鏈路的模擬值。獲得了星間鏈路資料，再結合預報軌道資料就可以開展下一步的定軌工作。

本文模擬星間鏈路數(shù)據(jù)時只考慮了可視、噪聲和鐘差，對等離子體延遲、相對論效應和不同頻率的衛(wèi)星信號間的硬件延遲偏差等影響，在后續(xù)的工作中需要予以考慮和研究。

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GPS Inter–satellite Link and Simulation of ISL Data

LIU Ya-qiong1,2,3, YANG Xu-hai1,2

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;2. Key Laboratory of Precision Navigation and Timing Technology, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;3. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China)

The inter-satellite link (ISL) is one of key techniques in the autonomous operation of satellite navigation system. This article mainly describes the mode of GPS ISL and focuses on the simulation method of the GPS ISL data. The data from GPS precise ephemeris published by IGS is densified to a time interval of 1 s, by using Chebyshev polynomial fitting method. First, the distance between two satellites at the time of signal receiving is set as the initial value. Then the moment of signal transmitting for the transmitting satellite is calculated iteratively. Therefore the pseudo-range observation between two satellites can be obtained. Coupled with the constraint conditions (e.g. noise, clock offsets), the simulated inter-satellite link data are obtained finally.

inter-satellite link; TDMA(time division multiple access); satellite navigation

2009-09-28

國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）資助項目（2006AA12Z322）；中國科學院知識創(chuàng)新工程重要方向資助項目（KJUX2-YW-T12）；中國科學院西部之光聯(lián)合學者資助項目（2007LH01）

劉亞瓊，女，碩士，主要從事衛(wèi)星測定軌的數(shù)據(jù)處理工作。

P228.4

A

1674-0637(2010)01-0039-08