基于Proximity－1協(xié)議的星間測(cè)距與時(shí)間同步技術(shù)研究

申景詩(shī)左莉華賀瑞康旭輝

（1山東航天電子技術(shù)研究所，山東煙臺(tái) 264670）（2航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094）

基于Proximity－1協(xié)議的星間測(cè)距與時(shí)間同步技術(shù)研究

申景詩(shī)1左莉華2賀瑞1康旭輝1

（1山東航天電子技術(shù)研究所，山東煙臺(tái) 264670）（2航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094）

衛(wèi)星之間信息交互、星間相對(duì)測(cè)距及時(shí)間同步是衛(wèi)星星座與編隊(duì)衛(wèi)星飛行任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)。文章利用空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)（CCSDS）Proximity－1協(xié)議中給出的時(shí)間業(yè)務(wù)，提出了一種非相干雙向測(cè)距／時(shí)間同步方法，在星間信息傳輸?shù)耐瑫r(shí)完成星間高精度測(cè)距，并詳細(xì)給出了算法的計(jì)算公式推導(dǎo)和模型誤差分析，理論分析和實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明：文章提出的方法具有較高的測(cè)距／時(shí)間同步精度，且功能集成度高，可為星間鏈路的建設(shè)提供技術(shù)支持。

Proximity－1協(xié)議；星間通信；非相干測(cè)距；時(shí)間同步

1 引言

為實(shí)現(xiàn)空間目標(biāo)的精確測(cè)量、準(zhǔn)確跟蹤、全空域覆蓋、實(shí)時(shí)操控，以及提高測(cè)控系統(tǒng)的生存能力，衛(wèi)星星座［1－2］與編隊(duì)衛(wèi)星飛行技術(shù)［3－5］已成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)。星座以及編隊(duì)中各衛(wèi)星之間的協(xié)同控制、自主運(yùn)行的重要前提是，實(shí)現(xiàn)星間相對(duì)測(cè)距和時(shí)間同步并建立信息交互鏈路［6］。

星間測(cè)距和時(shí)間同步的傳統(tǒng)方式是利用地面設(shè)備對(duì)衛(wèi)星星座進(jìn)行測(cè)量，存在成本高、同步精度低、設(shè)備復(fù)雜等問(wèn)題。利用星間鏈路進(jìn)行星間相對(duì)自主測(cè)量可以使衛(wèi)星無(wú)須依賴地面測(cè)控設(shè)備，僅依靠自身跟蹤與測(cè)量設(shè)備完成測(cè)距和時(shí)間同步以及信息的交互。這樣可以減輕地面的工作負(fù)擔(dān)，同時(shí)還能有效避免大氣層引入的測(cè)量誤差，有利于提高測(cè)量精度。

CCSDS Proximity－1協(xié)議是CCSDS開(kāi)發(fā)的一個(gè)應(yīng)用于空間任務(wù)的雙向空間鏈路協(xié)議［7－9］，充分考慮了近距鏈路具有的信號(hào)延遲小、強(qiáng)度適中、通信時(shí)間短且不受約束等特點(diǎn)，為建立一個(gè)穩(wěn)定可靠的空間傳輸鏈路提供了一種實(shí)現(xiàn)手段。CCSDS Proximity－1協(xié)議的時(shí)間業(yè)務(wù)能完成星間時(shí)鐘的傳遞，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)時(shí)差相對(duì)測(cè)距、時(shí)鐘校準(zhǔn)。

本文針對(duì)CCSDS Proximity－1協(xié)議中提供的時(shí)間業(yè)務(wù)展開(kāi)研究，重點(diǎn)是主星和從星之間時(shí)間校準(zhǔn)和雙星之間時(shí)差相對(duì)測(cè)距的實(shí)現(xiàn)方法。參考CCSDS Proximity－1協(xié)議提供的非相干時(shí)差測(cè)距方法，在星間信息傳輸?shù)耐瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)星間高精度測(cè)距。并在指定的信號(hào)體制和時(shí)鐘穩(wěn)定度條件下，優(yōu)化電文的設(shè)計(jì)、捕獲、跟蹤算法設(shè)計(jì)，盡可能提高測(cè)距精度。

2 CCSDS Proximity－1協(xié)議

CCSDS Proximity－1協(xié)議支持多種空間數(shù)據(jù)在各種近距離空間鏈路上的有效可靠傳遞。其分層模型由兩層組成，分別是物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，其中數(shù)據(jù)鏈路層又分為五個(gè)子層，即編碼和同步子層、傳輸幀子層、介質(zhì)訪問(wèn)控制（Media Access Control，MAC）子層、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)子層和輸入輸出子層。各層的主要功能如圖1所示［10］。

圖1 Proximity－1協(xié)議分層結(jié)構(gòu)功能示意圖Fig.1 Schematic of hierarchical structure of proximity－1protocol

Proximity－1協(xié)議提供兩類業(yè)務(wù)［11－12］：數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和定時(shí)業(yè)務(wù)。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)包括CCSDS標(biāo)準(zhǔn)包業(yè)務(wù)和用戶自定義的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；定時(shí)業(yè)務(wù)根據(jù)鄰近鏈路傳輸單元的發(fā)送／接收，實(shí)現(xiàn)定時(shí)標(biāo)志獲取、提供通信單元間的時(shí)鐘校正數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)時(shí)差測(cè)距。

Proximity－1協(xié)議為應(yīng)用過(guò)程提供的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)有CCSDS包傳輸業(yè)務(wù)、用戶定義數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)和時(shí)間業(yè)務(wù)。上述所有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可以在前向和返向鏈路同時(shí)發(fā)生，如發(fā)送命令的同時(shí)可以接收遙測(cè)數(shù)據(jù)等。定時(shí)業(yè)務(wù)則為時(shí)間相關(guān)數(shù)據(jù)和基于時(shí)間的測(cè)距過(guò)程提供航天器時(shí)間。航天器之間的近距離操作需要定時(shí)業(yè)務(wù)提供下列功能：星載近距離時(shí)鐘相關(guān)；世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間傳遞；非相干時(shí)差測(cè)距等。這三種功能均在收發(fā)機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)操作時(shí)實(shí)現(xiàn)，并可與其它數(shù)據(jù)操作同時(shí)完成，工作于雙工、半雙工、單工模式。

3 基于Proximity－1協(xié)議的星間測(cè)距與時(shí)間同步技術(shù)

多數(shù)任務(wù)中，衛(wèi)星組網(wǎng)拓?fù)錁?gòu)形一般尺度不太大，最遠(yuǎn)兩星距離一般在幾百千米以內(nèi)（本文取300km），星間通信鏈路適合采用CCSDS Proximity－1近距空間鏈路通信協(xié)議。數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)采用CCSDS Proximity－1版本3定義的傳輸幀［11］。

3.1 近距鏈路時(shí)間業(yè)務(wù)

Proximity－1協(xié)議中把時(shí)間業(yè)務(wù)作為一種獨(dú)立的業(yè)務(wù)來(lái)進(jìn)行描述，突出了時(shí)間業(yè)務(wù)在協(xié)議中的重要性。由于近距鏈路協(xié)議完成的是近距的、實(shí)時(shí)的通信，所以要求通信雙方要達(dá)到高度的時(shí)間統(tǒng)一。完成時(shí)間業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)是使用相同的時(shí)間標(biāo)志捕獲方法，這種方法要求收發(fā)雙方具有對(duì)所有傳輸幀同步碼的最后比特位收／發(fā)時(shí)間的跟蹤能力。

3.1.1 時(shí)間捕獲方法

本地控制器發(fā)送設(shè)置控制參數(shù)（本地時(shí)間標(biāo)記）的指令給發(fā)送端，使其以規(guī)定的時(shí)間間隔去捕獲本地參考事件和相關(guān)的幀序列號(hào)。一旦收到此指令，MAC子層將變量時(shí)間收集由“未激活”設(shè)置為“收集數(shù)據(jù)”，以表示時(shí)間搜集開(kāi)始。

發(fā)送端產(chǎn)生并傳輸設(shè)置控制參數(shù)（時(shí)間采集）指令。以規(guī)定的時(shí)間間隔每發(fā)出一幀，發(fā)送端就會(huì)捕獲每一傳輸幀的時(shí)間結(jié)點(diǎn)和幀序列號(hào)。在應(yīng)用這些收集到的數(shù)據(jù)時(shí)，還必須知道發(fā)射過(guò)程中的內(nèi)部信號(hào)路徑的延遲信息。一旦達(dá)到了規(guī)定的時(shí)間間隔（已經(jīng)捕獲到了足夠的時(shí)間結(jié)點(diǎn)），MAC子層將時(shí)間收集設(shè)置為“收集完成”，表明可以傳遞這些時(shí)間和相對(duì)應(yīng)的幀序列號(hào)。這時(shí)，接收方接收到了設(shè)置控制參數(shù)指令，確認(rèn)并解碼指令，隨后在規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi)捕獲每個(gè)傳輸幀的時(shí)間和幀序列號(hào)。接收端也將跟蹤每個(gè)內(nèi)部信號(hào)路徑的延遲，一直到讀出所收集的數(shù)據(jù)，將時(shí)間收集設(shè)置為“未激活”為止。

當(dāng)時(shí)間收集過(guò)程完成時(shí)，發(fā)送端和接收端都會(huì)把它們捕獲的時(shí)間和幀序列號(hào)傳送給各自的本地控制器。本地控制器將會(huì)生成一個(gè)近距時(shí)間關(guān)系包，包含有本地收發(fā)機(jī)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)收到的一系列點(diǎn)（幀時(shí)間結(jié)點(diǎn)、幀序列號(hào)）。另外，在收發(fā)鏈路中的內(nèi)部信號(hào)路徑延遲要求能事先確定。

3.1.2 測(cè)距傳輸幀格式定義

版本3傳輸幀包括結(jié)構(gòu)固定的40bit導(dǎo)頭和長(zhǎng)度小于16 344bit的數(shù)據(jù)域，如圖2所示。由于須要在本地傳輸幀同步碼（0xFAF320）發(fā)送時(shí)刻提取本地距離測(cè)量值，因此定義傳輸幀的長(zhǎng)度為1Kbit的整數(shù)倍，包括24bit傳輸幀同步碼、數(shù)據(jù)導(dǎo)頭、循環(huán)冗余校驗(yàn)碼、數(shù)據(jù)域。

圖2 Proximity－1鏈路協(xié)議傳輸幀結(jié)構(gòu)Fig.2 Proximity－1link protocol transmission frame structure

為了實(shí)現(xiàn)星間的高精度測(cè)距和時(shí)間同步，在數(shù)據(jù)域內(nèi)定義順序排列的3段：勤務(wù)段、傳輸模式段和任務(wù)信息段。勤務(wù)段用于高精度測(cè)距和時(shí)間同步（如圖3所示），傳輸模式段用于定義信息發(fā)送模式，任務(wù)信息段為有效數(shù)據(jù)內(nèi)容。

圖3 用于測(cè)距／時(shí)間同步定義的勤務(wù)段結(jié)構(gòu)Fig.3 Service segments structure in ranging／time synchronization

3.2 非相干雙向測(cè)距與時(shí)間同步原理

非相干雙向測(cè)距與時(shí)間同步方法描述如下：①建立鏈路的兩顆衛(wèi)星分別以各自的星載頻標(biāo)為基準(zhǔn)，在發(fā)射時(shí)隙到來(lái)時(shí)刻向?qū)Ψ桨l(fā)送結(jié)構(gòu)相同的信息幀，本地的基帶時(shí)鐘、載波頻率均由本地頻率綜合器產(chǎn)生，不與對(duì)方衛(wèi)星相參，雙方無(wú)頻率、相位關(guān)系約束；②衛(wèi)星在接收時(shí)隙內(nèi)，對(duì)收到的對(duì)方信號(hào)進(jìn)行捕獲、跟蹤、解調(diào)，恢復(fù)出信息幀，并在信息幀同步頭最后1位下降沿時(shí)刻提取本地歷元時(shí)，聯(lián)合對(duì)方信息幀發(fā)送歷元時(shí)計(jì)算出本地偽距，并將其嵌入到本地信息幀中發(fā)送給對(duì)方；③兩星各自獨(dú)立地利用本地測(cè)得的偽距和接收信息幀中解調(diào)出來(lái)的對(duì)方偽距，通過(guò)算法計(jì)算獲得星間幾何距離和時(shí)間同步差（兩星鐘差），進(jìn)行時(shí)間同步調(diào)整。圖4給出了兩顆衛(wèi)星（定義為A星和B星）進(jìn)行星間距離與鐘差測(cè)量的原理及時(shí)序關(guān)系。

圖4 雙向非相干測(cè)距與鐘差測(cè)量原理及時(shí)序關(guān)系Fig.4 Timing of non－coherent ranging and clock offset measurement

圖4 中各參數(shù)的定義如下：Δt是兩星的鐘差，τBA是指從星B到主星A天線間的電磁波傳播時(shí)延，τAB是指主星A到從星B天線間的電磁波傳播時(shí)延，tA和tB是指主星A和從星B的發(fā)射設(shè)備時(shí)延，rA和rB是指主星A和從星B的接收設(shè)備時(shí)延，ρA和ρB分別是主星A和從星B測(cè)量得到的本地偽距。在圖4中，主星A和從星B分別以自身時(shí)鐘為基準(zhǔn)，在各自的分配時(shí)隙內(nèi)發(fā)射測(cè)距信號(hào)。由于雙方時(shí)間不一致，雙方發(fā)送的測(cè)距信息幀之間存在時(shí)間差Δt。由圖4的時(shí)序關(guān)系，可以得到兩星的本地偽距的表達(dá)式如下：

本地偽距ρA和ρB是接收方在發(fā)送本地幀同步碼后沿時(shí)刻提取的偽距，反映此刻兩星之間的幾何距離。其中誤差項(xiàng)zBA＝tB＋rA和zAB＝tA＋rB是單向組合零值，變化范圍很小，且可以精確標(biāo)定。εA和εB是指由于星載頻標(biāo)的準(zhǔn)確度引起的不確定項(xiàng)［2］。

式中：t1＝tB＋τBA＋rA；t2＝tA＋τAB＋rB；fA（t1）和fB（t2）是指主星A和從星B隨時(shí)間變化的本地頻標(biāo)；f0為標(biāo)稱的頻標(biāo)值。

采用雙向測(cè)距方法進(jìn)行距離與鐘差解耦時(shí)，如果兩星之間的作用距離小，從而可以忽略由衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)引起的測(cè)量誤差，因此，簡(jiǎn)單地利用式（1）中等式的相加和相減運(yùn)算便可求解星間距離和鐘差。

如果2顆衛(wèi)星之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)且模型未知，上述方法已不再適合系統(tǒng)的星間距離與鐘差的解耦，必須對(duì)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)引起的誤差進(jìn)行分析與建模，從而通過(guò)誤差修正獲得較高的星間測(cè)距與時(shí)間同步精度。設(shè)兩顆衛(wèi)星之間相對(duì)速度為v（t），c為真空電磁波傳播速度，根據(jù)剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)理論，令

式中：vave是鐘差Δt時(shí)間段內(nèi)兩顆衛(wèi)星在給定慣性系和時(shí)間系統(tǒng)內(nèi)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)平均速度。根據(jù)式（1）可得

3.3 誤差分析

式（7）和式（8）給出了星間距離與鐘差的解耦計(jì)算公式，其中包含的誤差項(xiàng)如下：

1）組合零值誤差

zBA和zAB是以系統(tǒng)零值的組合形式對(duì)星間測(cè)量帶來(lái)影響。組合零值可以事先由地面進(jìn)行精確的校準(zhǔn)后注入星載設(shè)備，校準(zhǔn)精度可達(dá)0.1ns。

2）星載原子鐘誤差

由式（2）和式（3）可知，誤差項(xiàng)εA和εB的影響與星載原子鐘的準(zhǔn)確度和星間傳播延遲有關(guān)。根據(jù)不等式法則得到此誤差大小為

衛(wèi)星均采用高穩(wěn)定原子頻標(biāo)作為星上頻率基準(zhǔn)，一般具備優(yōu)于μmax≤e－11μ≤1×10－11的頻率準(zhǔn)確度，假設(shè)星間最遠(yuǎn)傳播延遲τmax≈1ms（相當(dāng)于約300km距離），分析原子鐘在星間測(cè)量時(shí)的準(zhǔn)確度，只需要根據(jù)其秒級(jí)穩(wěn)定度指標(biāo)即可。因此誤差項(xiàng)的影響最大值約為皮秒級(jí)（相當(dāng)于毫米級(jí)距離），可以忽略。

3）相對(duì)運(yùn)動(dòng)誤差

相對(duì)運(yùn)動(dòng)誤差是指由于衛(wèi)星之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而引起的測(cè)距與時(shí)間同步誤差。相對(duì)運(yùn)動(dòng)誤差與兩顆衛(wèi)星的相對(duì)運(yùn)動(dòng)平均速度vave、鐘差的尺度成正比。通常衛(wèi)星成員之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度不會(huì)過(guò)大，可定為λ＝｜0.5vave／c｜，若｜vave｜≤34km／s，則λ≤6× 10－5。由于式（7）和式（8）計(jì)算模型的不確定項(xiàng)是一微小量，如果在計(jì)算中作為模型誤差忽略，引起的鐘差估計(jì)相對(duì)誤差≤6×10－5，對(duì)絕大多數(shù)任務(wù)的星間測(cè)距和鐘差測(cè)量能夠滿足精度要求。對(duì)于其它必須考慮衛(wèi)星動(dòng)態(tài)誤差影響的星間測(cè)量系統(tǒng)，衛(wèi)星的徑向速度可以由存儲(chǔ)的星歷計(jì)算得到，星歷誤差直接影響修正誤差，該誤差精度為厘米級(jí)每秒，要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。

4）測(cè)量誤差

原始偽距觀測(cè)量ρA和ρB是星間鏈路接收設(shè)備從跟蹤環(huán)路中提取的，因此環(huán)路的熱噪聲誤差和動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差直接影響到偽距測(cè)量的誤差。偽碼跟蹤環(huán)（通常采用延遲鎖定環(huán)），總的1σ跟蹤誤差為

式中：σtDLL表示熱噪聲引起的跟蹤誤差；θe為相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差。由于載波和偽碼相參，故采用載波輔助碼環(huán)技術(shù)來(lái)消除絕大部分動(dòng)態(tài)，因此，動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差可以忽略不計(jì)。熱噪聲引起的跟蹤誤差為［13］

式中：BL為環(huán)路等效噪聲帶寬；d為相關(guān)間距；CN0為接收信號(hào)載噪比；T為預(yù)檢測(cè)積分時(shí)間；fcode為偽碼速率。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 地面實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與組成

為驗(yàn)證理論分析的正確性，地面驗(yàn)證平臺(tái)包括2臺(tái)星間組網(wǎng)通信／測(cè)距終端，功能與星載終端任務(wù)相同，并能模擬無(wú)線信道的距離衰減和傳輸延遲、信道噪聲與干擾、相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的多普勒頻移等。每臺(tái)星間通信與測(cè)量終端包括：中頻信號(hào)處理單元、基帶處理單元、CCSDS協(xié)議處理單元、精密測(cè)距與時(shí)間同步處理單元、射頻發(fā)射／接收單元、上位機(jī)信息綜合處理單元等。星間通信／測(cè)距實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖5所示，2個(gè)星間通信／測(cè)距終端使用高頻電纜連接、通過(guò)射頻接口進(jìn)行通信。測(cè)試驗(yàn)證系統(tǒng)模擬星載數(shù)據(jù)系統(tǒng)功能，提供星載數(shù)據(jù)接口與終端進(jìn)行通信，完成對(duì)終端的命令控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、協(xié)議分析、收發(fā)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)比對(duì)、測(cè)距精度計(jì)算分析等功能。

圖5 星間通信與測(cè)距地面驗(yàn)證平臺(tái)Fig.5 Inter－satellite communication and ranging ground verification platform

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖6 星間距離測(cè)量誤差Fig.6 Measurement error of inter－satellite range

測(cè)試時(shí)，使用定制的已知長(zhǎng)度線纜測(cè)出信號(hào)的傳輸時(shí)延，然后根據(jù)信號(hào)的時(shí)延反算電纜長(zhǎng)度。圖6和圖7分別給出了星間距離與鐘差的測(cè)量誤差。

對(duì)1000個(gè)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行隨機(jī)誤差統(tǒng)計(jì)的結(jié)果表明：最大測(cè)距誤差為0.26m，方差1σ為0.08m；最大鐘差為0.86ns，方差1σ為0.26ns。鐘差與測(cè)距精度量級(jí)相同。

根據(jù)發(fā)射功率、天線增益、工作頻點(diǎn)并結(jié)合星間距離計(jì)算出鏈路的空間傳播損耗，疊加上指向損耗、饋線損耗等，得到接收端接收信號(hào)載噪比（CN0）約為56dB／Hz，將其帶入式（11）可計(jì)算出環(huán)路的熱噪聲測(cè)量誤差為：0.043m（1σ）。可見(jiàn)，測(cè)量誤差主要受熱噪聲的影響。以上結(jié)果表明，非相干雙向測(cè)距方法的理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了理論分析的正確性。

圖7 鐘差測(cè)量誤差Fig.7 Measurement error of clock offset

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)地面驗(yàn)證平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示測(cè)距精度優(yōu)于0.3m，證明了理論分析的正確性。本文提出的方法功能集成度較高，易于工程化設(shè)計(jì)，為星間鏈路系統(tǒng)提供了一種新的方法，可用以實(shí)現(xiàn)星間組網(wǎng)通信、測(cè)距、時(shí)間同步、相對(duì)定位等功能。

（References）

［1］黃波，胡修林.北斗2導(dǎo)航衛(wèi)星星間測(cè)距與時(shí)間同步技術(shù)［J］.宇航學(xué)報(bào)，2011，32（6）：1271－1275 Huang Bo，Hu Xiulin.Inter－satellite ranging and time synchronization technique for BD2［J］.Journal of Astronautics，2011，32（6）：1271－1275（in Chinese）

［2］徐勇，常青，于志堅(jiān).GNSS星間鏈路測(cè)量與通信新方法研究［J］.中國(guó)科學(xué)，2012，42（2）：230－240 Xu Yong，Chang Qing，Yu Zhijian.On new measurement and communication techniques of GNSS intersatellite links［J］.Sci China Tech Sci，2012，42（2）：230－240（in Chinese）

［3］王世練，張爾揚(yáng).CCSDS Proximity－1及其在編隊(duì)飛行小衛(wèi)星群中的應(yīng)用［J］.遙測(cè)遙控，2003，24（3）：10－14 Wang Shilian，Zhang Eryang.CCSDS Proximity－1and its use insmall satellites cluster in formation flying［J］.Journal of Telemetry，Tracking and Command，2003，24（3）：10－14（in Chinese）

［4］張蕾，嚴(yán)林，高翠東，等.一種繞飛編隊(duì)衛(wèi)星星間鏈路系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方法［J］.航天器工程，2014，23（3）：23－28 Zhang Lei，Yan Lin，Gao Cuidong，et al.Top－level intersatellite link subsystem design method for satellite formation［J］.Spacecraft Engineering，2014，23（3）：23－28（in Chinese）

［5］吳國(guó)強(qiáng)，孫兆偉，趙丹等.編隊(duì)小衛(wèi)星星間通信系統(tǒng)的發(fā)展和趨勢(shì)［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，39（11）：1699－1703 Wu Guoqiang，Sun Zhaowei，Zhao Dan，et al.Development and trend research of inter－satellite communication system on formation small satellites［J］.Journal of Har－bin Institute of Technology，2007，39（11）：1699－1703（in Chinese）

［6］Jeongrae K and Tapley B D.Simulation of dual one－way ranging measurements［J］.Journal of Spacecraft and Rockets，2003，40（3）：419－425

［7］任放，趙和平，陳曦.基于CCSDS Proximity－1協(xié)議的動(dòng)態(tài)變幀長(zhǎng)策略研究［J］.航天器工程，2013，22（4）：72－76 Ren Fang，Zhao Heping，Chen Xi.Strategy study of dynamic variable frame length based on CCSDS proximity－1protocol［J］.Spacecraft Engineering，2013，22（4）：72－76（in Chinese）

［8］王娜，張建華，張國(guó)華.近距空間鏈路協(xié)議概述［J］.空間電子技術(shù)，2011，1：51－55 Wang Na，Zhang Jianhua，Zhang Guohua.The overviews on proximity－space link protocol［J］.Space Electronic Technology，2011，1：51－55（in Chinese）

［9］譚維熾，顧瑩琦.空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)［M］.北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2004：170－173 Tan Weizhi，Gu Yingqi.Space data system［M］.Beijing：China Science and Technology Press，2004：170－173（in Chinese）

［10］CCSDS.CCSDS 211.0－B－5Proximity－1space link protocol－data link layer［S］.Washington D.C.：CCSDS，2013

［11］CCSDS.CCSDS 211.2－B－2Proximity－1space link protocol－coding and synchronization sublayer［S］.Washington D.C.：CCSDS，2013

［12］CCSDS.CCSDS 211.1－B－4Proximity－1space link protocol－physical layer［S］.Washington D.C.：CCSDS，2013

［13］Kaplan E D，Hegarty C J.Understanding GPS principles and applications［M］.Boston：Artech House，2007

（編輯：張小琳）

Study of Inter－satellite Ranging and Time Synchronization Technology Based on CCSDS Proximity－1Protocol

SHEN Jingshi1ZUO Lihua2HE Rui1KANG Xuhui1
（1Shandong Aerospace Electro－technology Institute，Yantai，Shandong 264670，China）（2DFH Satellite Co.，Ltd.，Beijing 100094，China）

Inter－satellite information interacting，ranging measurement and time synchronization are key technologies for the satellite constellations and satellite formation flying missions.In this paper，a method of non－coherent precisely ranging and time synchronization is proposed based on the timing services as given in CCSDS proximity－1protocol，then the detailed formular derivation and model error of the algorithm are proposed and analyzed.The theoretical analysis and experiment results show that the method presented in the paper achieves higher precision of ranging measurement and time synchyonization，and can easily integrates the functions.Further more，it can provide an advantage design approach for the inter－satellite link.

Proximity－1；inter－satellite communication；non－coherent ranging；time synchronization

TN915

：ADOI：10.3969／j.issn.1673－8748.2016.01.010

2015－12－08；

：2016－01－07

申景詩(shī)，男，碩士，高級(jí)工程師，從事衛(wèi)星通信、天基組網(wǎng)技術(shù)研究工作。Email：shenjingshi＠hotmail.com。