北斗導航星座星間通信速率控制方法

2020-06-01 09:04:48李獻斌王建范廣騰楊志璽

北京航空航天大學學報 2020年4期

李獻斌，王建，范廣騰，楊志璽

（軍事科學院國防科技創新研究院，北京100071）

衛星導航系統在交通、漁業、水文、氣象、林業、通信、電力、救援等諸多領域均取得了廣泛應用，深深地改變著人們的生活和生產方式［1］。位置、速度、授時（Position，Velocity and Time，PVT）的精度、完好性、連續性和可用性是評估衛星導航系統性能的四大指標［2］。導航系統革新與升級的過程也即是不斷采取新技術、新手段提升這些性能的過程。在眾多用于改進導航系統性能的技術中，星間鏈路技術成為近年來人們研究的熱點，在導航衛星間構建測距和傳輸鏈路可以大幅度提高星歷預報精度，使星座具備長時間自主定軌能力，建設星間鏈路已成為當前各個全球導航系統的重要共識［3-5］。

北斗導航星座在全球組網建設中，第18、19顆北斗導航衛星首次建立了基于Ka相控陣天線的星間鏈路，并在后續導航衛星上也配置了星間鏈路單元［6］，開始逐漸發揮作用。當前國內外關于北斗導航星間鏈路的研究熱點主要集中在星間精密測距［7-10］、自主定軌與星地聯合定軌［11-16］、星間組網規劃［17-18］等方面。但北斗導航星間鏈路的功能和定位不僅僅局限于精密測距和自主定軌，北斗衛星全球導航系統建成以后，將成為中國首個具備全球全天時覆蓋能力的星座，北斗導航衛星之間的數據傳輸不僅可以服務于導航系統本身，也可以用于全球任意地點信息的不落地回傳，實現“一星通，一網通”，對于破解中國無法全球布站的困境具有重要的現實意義。針對導航星座星間數據傳輸問題，也有一些相關的研究，涉及信號體制、傳輸協議、拓撲路由、編碼控制等。文獻

［19］提出了一種測距通信一體化的導航星座星間鏈路無線信號結構，該信號結構采用非均衡QPSK調制模式，包括測距信道和通信信道，測距信道和通信信道的信道功率根據鏈路預算進行配比，通信信道的速率也可進行調整，但沒有給出速率調整的算法和依據。文獻［20］借鑒了數字衛星廣播的思路，提出了通過采用自適應編碼控制的方式來提高全球導航系統的星間數據傳輸效益，起到了較好的效果，但該方法在帶來效益提升的同時，頻繁的編碼調整也給星上解調帶來較大的計算負擔。文獻［21］從組網協議設計的角度入手，提出了基于CCSDS（Consultative Comm ittee for Space Data System）的北斗全球衛星導航系統信息傳輸接入模型，來提高星間信息傳輸的時效性和可靠性，也是解決問題的一種有效方式，但解決的是接入層的問題。

本文針對北斗導航星座星間傳輸效能問題，從星間數據傳輸的信號模型入手，定量分析了星間信號通信速率與信道變化特性的關系，給出了基于星歷的星間距離計算過程，在此基礎上提出了基于導航星歷的星間通信速率控制方法，以北斗導航系統中的MEO星座為對象，區分同軌道面和異軌道面衛星，仿真評估了本文方法的傳輸效能，驗證了方法的有效性。

1 星間傳輸信號模型

衛星數字通信中，廣泛采用非平衡QPSK信號結構，其同相支路和正交支路傳輸不相干的兩路獨立數據流，可以采用不同的碼速率和功率，以較好的兼顧測距和通信功能，星間鏈路中也廣泛采用了此類信號結構［19］。該信號結構如圖1所示。圖中：i表示發射衛星，j表示接收衛星，測量幀對應同相支路，通信幀對應正交支路，測量幀的功率幅度AijC和通信幀的功率幅度AijP不同，可根據測量和通信的性能要求進行配比。其中，測量幀的數據速率遠低于通信幀的數據速率，且測距信道與通信信道嚴格時間同步，在測距信道同步后可完全實現通信信道位同步、幀同步，以降低硬件資源消耗。

圖1 星間測距通信一體化信號結構Fig.1 Integrated signal structure of inter-satellite ranging communication

2 基于星歷的星間通信速率控制方法

2.1 星間通信的速率計算

式中：發射機功率Pt、發射天線增益Gt、接收天線增益Gr、發射信號頻率f和接收機的噪聲溫度T可預先測定。因此，對于給定的誤碼率需求PBER，只要得知星間的距離dij，即可計算出信號的位通信速率Rb。

2.2 基于星歷的星間距離計算

其中：λ為軌道面傾角；ΔΩ為雙星的升交點赤經之差；ui、uj分別為兩星的相位。

綜上，星間距離可以表示為

根據北斗衛星空中接口控制文件［24］，上述參數均可從衛星播發的廣播星歷中獲得。這些廣播星歷也可以作為星間通信內容的一部分在星間傳輸。這樣，單顆衛星既有自身的星歷，又可通過星間通信獲得目標星的星歷，在此基礎上，根據式（12）即可計算得到星間距離。

2.3 星間通信速率控制方法流程

由于式（11）中雙星的相位ui、uj隨時間變化，衛星間距離是時變量，對于固定的兩顆衛星之間建鏈，隨著時間的不同，星間距離也不同；當某一衛星與不同衛星建鏈時，目標星不同，星間距離也存在差異。因此，星間通信時如果將通信速率設定為固定值，勢必要考慮距離最遠、Eb／N0最差的情況。但對于距離較近的星間鏈路，此時信號的空間衰減較小，接收信號的質量較好，如果仍采用最差情況下的通信速率，必然會造成傳輸能力的冗余和浪費。從這點出發，基于信號傳輸模型和星間距離的分析，提出一種基于導航星歷的星間通信速率控制方法，以適應星間傳輸特性的變化，方法流程如圖2所示。

為了使接收方能夠及時掌握傳輸信號的速率變化情況，準確解調信息，需要在發送的有效數據前加入速率指示位，如圖3所示。當接收方解析出速率指示后，可以根據信號速率對數據幀進行解調。

圖2 基于星歷的星間通信速率控制方法Fig.2 Inter-satellite communication rate control method based on ephemeris

圖3 星間通信數據幀結構Fig.3 Frame structure of inter-satellite communication data

3 仿真分析

3.1 北斗導航星座構型

北斗三號（全球組網星）標稱空間星座由3顆GEO衛星、3顆IGSO衛星和24顆MEO衛星組成，并視情部署在軌備份衛星。GEO衛星軌道高度為35 786 km，分別定點于東經80°、110.5°和140°。IGSO衛星軌道高度為35 786 km，軌道傾角為55°。MEO衛星軌道高度為21 528 km，軌道傾角為55°，回歸周期為7天13圈，相位從Walker24／3／1星座中選擇，第一軌道面升交點赤經為0°［25］。

根據星座設計，MEO衛星數量占到了星座衛星總數的80%，是導航星座提供全球服務能力的主要依托，因此仿真計算針對MEO衛星展開，其構型如圖4所示。

圖4 北斗導航星座MEO星座構型Fig.4 MEO constellation configuration of Beidou navigation constellation

3.2 同軌道面星間通信仿真分析

不失一般性，以第一軌道面的衛星為例進行分析，計算M11衛星與同軌道其他衛星之間的距離。對于同軌道面衛星，升交點赤經相同，此時ΔΩ＝0，根據式（10）、式（11）可得

cosα ＝cos（ui－uj）（13）

由于同軌道面衛星圍繞地球同向運動，相互之間的相位差ui－uj為固定值，如圖4所示，此時星間距離不隨時間變化。根據文獻［24］給定的參數，利用式（8）可以計算M11衛星與M12、M13、M14衛星之間的距離，結果如表1所示。由于M15與M11衛星被地球遮擋無法直視，計算時不予考慮。另外，M18、M17、M16與M12、M13、M14位置對稱，在此也不做重復計算。

基于表1中的星間距離，根據式（7）可以計算出信息通信速率Rb。計算時，各個參數的設置值如表2所示。

星間通信仿真計算時，通常將通信誤碼率設為10－6，本算例中也按該值設定［26］。根據式（7）計算得到星間通信速率分別為51.57、15.10和8.85 Kbit／s，對應的鏈路如圖5所示。

表1 M 11與同軌道面衛星之間的距離Tab le 1 Distances between M 11 and satellites in the sam e orbit

3.3 異軌道面星間通信仿真分析

北斗MEO衛星分布在3個軌道面，異軌道面衛星間距離是時變量，具體數值可以基于衛星星歷由式（12）計算得到。由于MEO衛星的星座構型為Walker星座，分析時以M11衛星到第二軌道面衛星距離為例展開，M11與第三軌道面衛星間的距離可參照進行。經過計算，星間距離變化情況如圖6所示。

計算結果表明，星間距離最大值為55 587 km，對應M11衛星與M23衛星之間的鏈路，星間距離最小值為21 443 km，對應M11衛星與M21衛星之間的鏈路。根據方法流程，基于表2中的參數配置，在給定誤碼率為10－6的情況下，可以根據式（7）計算得到星間通信速率，計算結果如圖7所示。可見，通信速率隨時間不斷發生變化，變化范圍為7.6～51.1 Kbit／s。

表2 星間通信鏈路中的參數設置Tab le 2 Param eter setting of in ter-satellite comm unication links

圖5 第一軌道面衛星間通信速率Fig.5 Inter-satellite communication rate in the first orbit plane

圖6 M11衛星與第二軌道面星間距離Fig.6 Distances between M 11 and satellites in the second orbit plane

系統實現時，并不要求通信速率完全隨時間瞬變，可以進行離散化采樣以簡化控制。以M11與M25衛星間通信為例，按照5 Kbit／s為一個量化階梯進行離散化處理。例如，通信速率在35～40 Kbit／s之間時取值35 Kbit／s，30～35 Kbit／s之間時取值30 Kbit／s。依次類推，經過離散化后的通信速率配置如圖8所示。

圖7 M 11衛星與第二軌道面衛星間通信速率Fig.7 Inter-satellite communication rate of M11 and satellites in the second orbit plane

圖8 離散化的M11衛星與M25衛星通信速率Fig.8 Discretized communication rate between M11 and M25

3.4 傳輸效能分析

對采用本文方法前后的2種情況進行對比分析，首先考慮同軌道面衛星間通信的情況。根據上述分析，如果未采用本文方法，而是利用固定速率傳輸，那么通信速率應該滿足距離最大的鏈路，即M11與M14之間的鏈路，此時通信速率為8.85 Kbit／s。采用本文方法后，不同衛星間的通信速率可以不同配置，M11與M12、M13、M14衛星之間的通信速率可分別配置為51.57、15.10和8.85 Kbit／s。那么，采用本文方法后的傳輸效率提高8.53倍。

以M11衛星與M21衛星之間的鏈路為例分析，采用本文方法得到的通信速率曲線如圖9中虛線所示，對應的S1為傳輸數據量。而未采用本文方法情況，通信速率固定，為最小值8.85 Kbit／s，傳輸的數據量如圖9中斜紋區域S2所示。根據式（14）定量分析，可以得到傳輸效率比為2.48。

依照此方法，對M11與第二軌道面其余衛星之間的鏈路進行分析，可得采用本文方法后帶來的傳輸效率提升，如圖10所示。

從圖10中可以看出，采用本文方法后傳輸效能帶來了明顯的增加，最低提高了1.43倍，最高提高了8.3倍。綜合考慮同軌道面和異軌道面2類情況，M11衛星與星座內其他衛星建鏈時，若采用固定速率，需要考慮最遠距離，即M11與M23通信時對應的最大距離55 587 km，此時通信速率為7.6 Kbit／s；采用本文方法后，通信速率隨信道變化而調整，最高速率可達51.57 Kbit／s，總體效能可提高1.92倍。