基于龍芯處理板的星間鏈路管理實現

范玲玲，林寶軍

（1.中國科學院上海微系統與信息技術研究所 上海200050；2.上海微小衛星工程中心 上海 201203）

基于龍芯處理板的星間鏈路管理實現

范玲玲1，2，林寶軍2

（1.中國科學院上海微系統與信息技術研究所 上海200050；2.上海微小衛星工程中心 上海 201203）

針對衛星系統中，Ka窄波束星間鏈路對指向控制模型精度需求，通過了對時間系統模型及空間坐標轉換模型的深入研究采用衛星直接控制的方法利用整網歷書計算衛星位置，并通過時間和坐標轉換得到高精度的指向角度，實現全網通信。結合仿真實驗驗證并與STK仿真結果對比，及在龍芯處理板上應用，得出該算法的指向方位角精度為0.01°、俯仰角精度為0.04°且在龍芯板上執行時間為0.002 6 s，滿足Ka鏈路4°和星間數據處理時間50 ms的要求，具有工程可實現性。

衛星系統；星間鏈路；指向；龍芯處理板

導航系統星間鏈路是全球衛星導航系統的重要基礎設施，它可以解決地面測控站較少的問題，從而實現自主運行。可以提高導航衛星星座系統生存能力[1]。為此，中國已計劃在全球導航系統中建設星間鏈路，以實現依靠較少地面站實現自主運行和全球覆蓋[2-3]。

GPS系統是全球導航系統最早實現星間鏈路的，自Block IIR衛星開始便安裝了具有自主導航功能的星間鏈路收發設備，星間頻段為UHF（250～290 MHz）。到目前為止，UFH星間鏈路已經發展成熟，但由于UHF本身存在干擾嚴重、擁擠，傳輸速率低的缺點，使得其不得不往更高頻段發展，美國已經計劃在GPS III衛星上開發高頻段窄波束的星間鏈路，備選頻段為Ka或V頻段。此外，俄羅斯GLONASS衛星導航系統和歐盟的Galileo衛星導航系統以及中國的北斗系統也在規劃和開發各自導航星座的星間鏈路。其中俄羅斯衛星導航系統的GLONASS-K已具備了星間鏈路功能[4]。

北斗導航系統將采用Ka星間鏈路，由于ka波束較窄（≤4°），故能否建立精確的指向模型成為了能否成功建鏈的關鍵之一。現有對星間鏈路指向的研究多為天線的物理結構及衛星星間幾何關系對指向精度上午影響，而對于星間鏈路指向程控精度的研究則較少[5]。用戶星中繼終端天線指向算法[10]雖然指向精度只有0.06度，但由于其輸入為衛星慣性系下坐標，不滿足本研究衛星歷書作為輸入的需求，且地心地固系與J2000慣性系的轉換本身就存在很大的誤差。

文中將詳細描述一種適用于本場景的工程可實現的高精度窄帶星建鏈路指向模型算法。

1 坐標系統與時間系統

1.1 坐標系統及時間系統概述

為得到精確的建鏈指向角度，作為準備知識這里先介紹一些坐標系統及時間系統的知識。

1.1.1 坐標系統

文中涉及到的坐標系主要有地心地固坐標系[11]，J2000慣性坐標系，星體坐標系，天線本體坐標系。

1）地心地固坐標系

地心地固坐標系是以地球球心作為原點，以赤道面作為基準平面，x軸指向格林尼治子午線（即0經度）方向，而y軸指向東經90度方向，z軸垂直于赤道面指向地球北極。因此地心地固坐標系是隨著地球一起旋轉的。

2）J2000慣性坐標系

J2000慣性坐標系也是以地心作為原點，以2000年1月1日時的地球平赤道作為基準平面，x軸指向2000年1月1日的春分點，z軸垂直于基本平面指向北極方向，y軸與x軸、z軸構成右手系。

3）星體坐標系

已知質心軌道坐標系以衛星質心為原點，以軌道平面為基準平面，x軸為衛星飛行速度方向，z軸指向地心，y軸與x軸、z軸構成右手系。假設衛星姿態參考坐標系與質心軌道坐標系重合，則星體坐標系與衛星姿態參考坐標系的關系由姿態角（滾動角、俯仰角、偏航角）來決定。圖 1中sxoyozo坐標系為星體坐標系，oxyz為J2000慣性坐標系。

圖1 J2000系與星體系幾何關系

4）天線本體坐標系

天線本體系是與衛星本體坐標系固連的坐標系，原點位于天線質心，當天線處于零位時，x軸、y軸、z軸方向與衛星本體系方向是一致的。

1.1.2 時間系統

對于導航系統而言時間具有非常重要的意義，所以有必要對常用的時間系統做一些了解。下面對文中用到的一些時間系統做簡單介紹。

1）國際原子時TAI

國際原子時是建立在原子能躍遷的基礎上的時間系統，具有極高的穩定性和精密度。它是一個均勻的時間尺度，但是它不能反映地球自轉的特性。故在計算衛星系統的有關問題時不太適用。

2）世界時

世界時[12]UT1是根據地球自轉建立的時間系統。它是一個非均勻的時間尺度，是用來實現一個24小時固定的平均的太陽日長度，長期來看比原子時的秒長要長。為了能方便的描述衛星系統運行狀態，需要一種既具有均勻時間尺度又能反映地球自轉特性的時間系統，即協調世界時UTC。

UTC是從1972年1月1日世界時0時開始實施，它與原子時具有相同的秒長，并通過跳秒在時刻上與UT1保持在0.9 s之內以反映地球自轉特性。因此UTC實際上是一種原子時系統，并與TAI相差整秒數。

3）恒星時

格林尼治恒星時就是通常所說的格林尼治時角SG，指的是瞬時平春分點和格林尼治子午圈之間的夾角，它是地球自轉最之間的度量，可以用角度或時間來表示。

4）GPS時和北斗時BDT

GPS時間和BDT時間都是一種原子時系統。GPS時間在1980年6月6日時與UTC相同，故它與原子時TAI慢19 s，而BDT是從2006年1月1日起算，并在當時與UTC相同，故它與TAI相差33 s。

1.2 坐標系轉換

1.2.1 地固系到J2000慣性系轉換

由地心地固系和J2000慣性系的定義可知，地固系與慣性系之間相差一個格林尼治恒星時角，即地球自轉矩陣（ER）T。然而由于地球瞬時自轉軸與其慣量橢球的最短慣量主軸不重合使得赤道面不停地變動，故轉換過程中需要加入極移矩陣（EP）T。同時由于歲差、章動的影響使得地心赤道慣性系不斷變化，故地固系轉到J2000慣性系還需加入歲差矩陣（PR）T和章動矩陣（NR）T[13]。其轉換關系如圖 2所示。

圖2 地心赤道轉換關系

1.2.2 J2000慣性系到發送星本體系轉換

從J2000慣性系轉換到衛星本體系有兩種方法，直接法和間接法[14]。由于直接法具有較高的精度且運算量較低[4]。故本算法采用直接法。

直接轉換方法是根據J2000慣性系和星體系幾何關系得到的，如圖1所示，可得其轉化矩陣R[][]計算公式：

其中r為發送星在慣性系中的位置矢量，r˙為發送星的速度矢量。

1.2.3 衛星本體系到天線本體系轉換

由天線本體系的定義可知從衛星本體系到天線本體系的轉換只需要經過衛星姿態轉換即可。轉換矩陣為：

其中，θ，φ，φ為俯仰角、滾動角和偏航角。

2 星間鏈路指向模型

目前，天線指向控制多采用星地大回路指向控制和星上自主控制兩種[15]。在導航星之間實現星間鏈路要求其具有實時性，則選擇星上自主控制作為導航系統星間鏈路天線指向控制方案。

要想實現星上自主控制天線指向，建鏈星需要具備以下條件：

1）建鏈的兩顆衛星的發送時刻和接收時刻；

2）發送星發送時刻的位置和接受星接收時刻的位置；3）信號傳輸時延。

2.1 指向模型

在導航系統中每顆衛星都可以通過計算本星歷書獲得自身地固系位置，同時也可獲得整網衛星的歷書，在此基礎上本星只需讀取建鏈規劃表以獲得衛星的建鏈時刻，即可以實現本星程控指向它星實現通信的目的。具體實現過程如圖 3所示。該算法首先從建鏈規劃表中獲取下一時刻需要建鏈的衛星號，并從整網歷書中提取對應時刻衛星歷書。

圖3 星間鏈路指向模型

利用衛星歷書計算出衛星地固系位置[2]，并依據第1章中介紹的坐標轉換理論將坐標經過地固系、慣性系、衛星本體系、天線本體系轉換，最后得到衛星指向矢量（xAB，yAB，zAB），則有衛星程控指向離軸角和方位角為：

整個北斗導航系統是以BDT為時間基準，但是每顆衛星使用的時鐘與真正的BDT又有差別，稱為鐘差。如圖 4所示，這里假設通道時延為0，Δt為測量的傳播時延，δtA和δtB為發送星和接收星的鐘差修正，則toa為真正的信號傳輸時延。

圖4 傳輸時延

2.2 模型誤差分析

為了研究指向模型算法的精度，在PC機上VC環境下進行仿真試驗，試驗中一組歷書使用一周，利用本研究算法每1.5 s輸出一組值，時間上符合實際衛星星座建鏈時隙。并且選擇STK仿真作為標準參考，利用AGI網上公報的TLE歷書對本算法進行驗證。分析其誤差可知其方位角Az，俯仰角Ei，到達時間TOA與STK仿真結果比較的誤差分別如圖 5，圖 6和圖 7所示。指向角度誤差為0.04度，到達時間誤差為10e-5，具有較高精度，滿足ka星間鏈路4°的需求。

圖5 方位角Az及其與STK比較誤差error-Az

圖6 俯仰角Ei及其與STK比較誤差error-Ei

圖7 到達時間TOA及其與STK比較誤差error-TOA

同時，將該指向控制算法在龍芯處理板上實現，最后生成的o文件大小為18 kbyte，運行1次的時間大概為0.002 6 s。滿足衛星50 ms數據處理需求。

3 結束語

針對窄帶星間鏈路對指向精度要求，文中提出一種詳細的工程可實現的建鏈控制指向算法，并在某型號衛星的龍芯處理板上得到實現，滿足時間，空間復雜度要求且精度小于0.04度，具有工程可實現性。

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Implementation of inter-satellite link management based on godson processing board

FAN Ling-ling1，2，LIN Bao-jun2
（1.Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 200050，China；2.Shanghai Engineering Center for Microsatellites，Shanghai 201203，China）

In satellite systems，for the problem of precision demand on pointing control model from Ka narrow beam intersatellite link.Through the depth research of time system model and space coordinate system conversion model，using the satellite direct control method.Firstly，we use the whole network almanac to compute the satellite position，and then obtain the precise pointing degree through time and coordinate conversation，and come true the communication of whole network. Combining the simulation of the algorithm and compared with STK simulation results，and the application on the godson board，this algorithm has the azimuth accuracy of 0.01°，the pitch angle of 0.04°，and the execution time on the godson process board of 0.002 6 s，so it can meet the requirement of 4°on Ka link and 50 ms processing time between satellites.

satellite system；inter-satellite link；pointing；godson processing board

TNV19

A

1674－6236（2016）23-0032-03

2015-12-09稿件編號：201512111

范玲玲（1989—），女，山西大同人，碩士。研究方向：計算機應用與技術。