導航衛星星間鏈路測試評估技術研究

王 威，高 昕，郎興康

(1.北京跟蹤與通信技術研究所，北京 100094；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

全球衛星導航系統越來越多地應用在各個領域，可以完成實時、高精度、全天候、連續快速的定位、導航和授時功能，引起了各國的廣泛重視[1-2]。

導航系統主要由空間設備、終端設備和地面設備3部分組成[3]。空間設備即空間導航衛星，向地面發送導航信號；終端設備即導航終端接收機，完成對導航信號的接收處理，計算得到相應的位置、方向、速度和時間等信息；地面設備是指地面測控站，完成對導航衛星的控制、監測和電文注入。然而，由于地面設備的位置固定，不可能做到對衛星的實時監測，一旦衛星處在各地面站不可見的位置或者地面通信鏈路出現中斷時，衛星信號的質量狀態難以得到保證，衛星只能依靠自身現有的參數完成對電文的計算，很難保證準確度，當衛星出現問題時，地面使用該衛星信號進行定位就會引入較大誤差。為了解決這一問題，美國從20世紀80年代中期便開始研究其全球定位系統(GPS)的星間鏈路技術，提供衛星間的通信和相互測距，對衛星位置和時間誤差進行修正，從而在一定時間內保持精確的定軌能力和時間同步能力，增強衛星自主導航能力[4-7]。與此同時，可以利用其他衛星代替地面站完成對相應衛星信號收發性能等指標的測量，并將相應結果傳回地面，從而保證非視衛星的完好性[8-9]。

隨著北斗導航衛星的陸續發射，導航設備功能逐步完善，衛星導航裝備性能的好壞變得愈加重要，導航衛星自身發射接收設備功能和性能指標的好壞直接影響該設備系統的應用性能。導航衛星星間鏈路測試評估系統在此背景下應運而生，該系統主要用于對衛星發射接收設備的性能指標進行測試并對其結果進行評估，使用戶能及時了解設備當前運行狀態，并根據實際情況進行調整。本文主要利用導航衛星星間鏈路對非視距導航衛星發射接收設備狀態進行監測，完成設備相應性能指標的測試評估，重點梳理了導航衛星星間鏈路接收性能指標、發射性能指標和測量性能指標的測試評估流程，對實現導航衛星狀態監測具有重要的參考價值。

1 衛星導航星間鏈路測試評估技術現狀

衛星導航星間鏈路(Inter-satellite Link，ISL)技術在導航領域中是指導航衛星不依賴于與地面站直接完成通信，而是通過其他導航衛星完成建鏈通信，發送和接收相關數據。星間鏈路示意如圖1所示。

圖1 星間鏈路示意Fig.1 Diagram of intersatellite link

星間鏈路將空間的設備連成一個整體，使衛星不依賴地面設備就可以連接其他衛星，利用此項技術不僅可以解決衛星不可見時的控制監測問題，還能夠利用星間測量和通信縮短衛星星歷更新周期，通過衛星間轉發，降低地面站的數量，并通過星間的數據傳輸，增大通信容量，實現衛星的自主導航。美國第二代GPS衛星在設計上加入了星間鏈路，Block IIR衛星利用自主導航能在6個月內保持URE小于6 m[10-11]；Block IIF衛星利用自主導航能在2個月內保持URE小于3 m[12]。鑒于GPS的成功，星間鏈路自主導航已成為俄羅斯GLONASS、歐洲GALILEO和我國北斗衛星導航系統(BDS)建設的熱門研究課題。目前國內外的研究人員針對星間鏈路的研究探討主要集中在以下5個方面：星間鏈路信號設計、星間鏈路發射接收性能、星間鏈路構建、星間網絡拓撲分析以及導航星座分析[15]，關于星間鏈路的測試評估技術并無太多相關文獻。

衛星導航測試評估系統一般用于對衛星接收性能、發射信號性能和測量性能等指標的測試評估，通過對衛星信號的采集和相關信息的解調，完成對衛星相關指標測量，并分析得出相應結論，在國外利用相應的信號監測系統完成對衛星性能的測試評估已經取得了廣泛的應用，美國聯邦航空局建設的廣域增強系統(Wide Area Augment System，WAAS)和局域增強系統(Local Area Augment System，LAAS)是典型的2個增強和監測系統[16]。以區域基準站網為基礎，結合相關監測技術，完成對衛星各項指標的測試，從而為用戶提供相應衛星的完好性信息，保障用戶的定位精度。此外，類似的完成對衛星信號監測的系統還有英國齊爾伯頓監測系統、荷蘭Noordwijk信號監測系統等，這些系統的基本原理都是類似的。

2 測試評估系統平臺架構

構建星間鏈路測試評估平臺，系統架構如圖2所示。由于測試評估平臺直接作用對象為可見衛星，故圖2未示意被測衛星。星間鏈路控制管理中心利用TT&C鏈路完成對可見與不可見衛星星間鏈路建鏈的規劃配置，并將衛星的相應回執配置傳送至測試評估平臺系統監控軟件；系統監控軟件負責完成對星間鏈路測試評估系統平臺的監視與控制，將相應的業務數據傳送至星間鏈路測試評估軟件，便于該軟件利用相應的分析評估設備完成相應指標測量，系統監控軟件還控制相應的基帶設備和收發信道，完成對可見衛星信號的接收；星間鏈路測試評估軟件完成對被測衛星接收性能、發射信號性能、測量性能等指標的測量，并結合對應的分析評估設備完成對衛星當前性能的分析評估。

圖2 星間鏈路測試評估系統平臺框架Fig.2 Platform diagram of intersatellite link test and evaluation system

星間鏈路可見節點衛星與被測衛星間的信號收發關系如圖3所示，利用衛星星間鏈路雙向通信和測量的特點，將被測衛星的相關接收參數以數據形式返回給可見節點衛星，并利用節點衛星發送測試信號，協助測量；被測衛星的發射參數則是利用節點衛星完成對其信號接收并處理等到相應測量結果，節點衛星對信號采樣，使用相關數字信號處理手段，完成對信號的頻域、時域、調制域和相關域的分析；對于衛星的測量性能則可以通過衛星雙方進行雙向測量，得到雙方的測距值，再結合星歷參數計算得到的測距理論值，得到相應的測量性能評估結果。

圖3 可見衛星與被測衛星間信號收發關系Fig.3 Signal transceiver relation between visible satellite and measured satellite

3 測試評估方法與工作流程

為了解衛星當前所處狀態，需要在地面站和衛星之間建鏈，針對不可見衛星，地面站監測衛星的手段可以采用星間鏈路輔助監測，即通過節點衛星協助轉發相應指令和信息，在某些情況下，還需要多個節點衛星協助轉發地面所需信息，才能完成相應指標的測試評估。

3.1 接收性能指標測試評估及精度誤差分析

衛星接收性能(例如接收載噪比、接收靈敏度等)是衛星完成星間鏈路收發的基本要求，若衛星接收性能較差或者處于較惡劣的鏈路環境中，不適合進行定位導航工作，所以需要利用相應手段完成對衛星接收性能的監測。比較常見的手段是利用地面與衛星完成建鏈，并發送測試信號，通過衛星的應答信號獲取相應信息，從而完成對相應指標的測試評估。接收性能測試評估流程如圖4所示。

圖4 接收性能測試評估流程Fig.4 Test and evaluation process of receiving performance

地面發起監測某個不可見衛星的相應指標的業務請求，發送給可見的導航衛星，該衛星利用已確定的轉發鏈路，由直接與被測衛星建鏈的衛星發起測試流程，其余節點衛星只進行數據轉發，節點衛星(發起測試的衛星)依據業務需求向被測衛星發送測試信號，被測衛星自身接收信號時，完成對需要監測指標的測量，并將測量值利用通信鏈路發送至節點衛星，最終測量結果通過其他節點衛星發送至地面站，測試評估軟件根據最終的測量結果完成核算。

以測量衛星接收G/T為例，首先在業務請求建立后，由星間鏈路控制管理中心完成對導航網絡中路由的建立，使轉發衛星與被測衛星間實現建鏈，系統監控軟件配置基帶與信道設備發送相應的業務數據至測試節點衛星，業務數據包括測試指標項、測試時長和測試所需原始數據等，然后利用轉發的可見衛星向被測衛星發送相應EIRP的信號被測衛星完成接收，并測量相應的C/No，通過星間鏈路回傳至測試節點衛星，測試節點衛星將接收到的數據發送至地面站，系統監控軟件配置基帶與信道設備完成接收，地面站的測試評估軟件利用G/T=C/No+10lgk+L-EIRP(式中，k為波爾茲曼常數，L為自由空間衰耗，由空間距離和工作頻率等數據進行核算)完成對被測衛星G/T值的測量。完成測試后，測試評估軟件對測試數據進行分析評估，生成相應的評估報告。

衛星接收G/T值測試精度誤差除受衛星外的指標影響外，主要取決于設備上行發射精度EIRP和導航信號自由空間衰落誤差L兩部分。其中，星間鏈路發射設備上行發射EIRP精度主要取決于上行鏈路中各單元功率精度，包括基帶中頻輸出電平精度，變頻器增益控制精度以及功放增益控制精度。衛星導航信號在自由空間傳輸中，受空間自由衰落、大氣損耗、電離層折射、雨衰和雪衰等影響，其中，自由空間衰落L=32.45+20lgd+20lgf，(式中，d為空間傳輸距離，單位km；f為載波頻率，單位MHz)，該公式為經驗公式，但依據目前可查的文獻及已有工程驗證，該衰落值核算精度可信度較高，但實際工程驗證中，受測試天線方向圖、地面多徑、收發天線法向對準精度和儀器測量誤差等影響，無法得到精確度在±0.2 dB以下的有效驗證。

3.2 發射性能指標測試評估及精度誤差分析

衛星的發射信號是地面終端完成定位的主要依據，若發射信號的質量出現問題，會極大地影響到定位誤差的大小，可利用測試的節點衛星完成對導航信號的接收，并對接收信號的相關指標(帶寬、功率電平和正交性等)進行測量、分析。利用星間鏈路測試衛星發射性能的流程如圖5所示。

圖5 發射性能測試評估流程Fig.5 Test and evaluation of transmitting performance

由地面發起監測衛星業務請求，測試節點衛星接收來自被測衛星的導航信號，并在接收過程中對信號進行采樣分析，分析的流程可以使用軟件的方式對信號進行相應處理(例如FFT變換，利用頻域信息對信號的帶寬、帶外的雜散、功率譜進行測量)，在接收解調的過程中，可以對信號的IQ分量的正交性和載波與偽隨機碼相位的相干程度進行測量。此外，還可以對信號進行相關處理，觀測信號的相關峰情況，將最后的觀測結果以數據的形式發送至地面站，由地面監測站進行分析評估，從而完成對衛星發射信號指標的評估。

以測量衛星發射EIRP為例，在發起業務請求、確定信號轉發和完成建鏈流程后，測試節點衛星將地面發送的業務數據信號轉發至被測衛星，被測衛星按照流程要求發送指定功率的單載波信號，測試中繼衛星完成接收，并測量功率電平，然后將測量值發送至地面，測試評估軟件利用公式EIRP=P+L-G(式中，P為測量的功率電平；L為空間損耗，利用星歷、頻率等數據進行核算；G為測試節點衛星的接收鏈路增益)完成對被測衛星發射EIRP的計算，并根據長期的監測結果完成對該指標的測試評估。

衛星星間發射EIRP值測試精度除衛星外的指標，取決于設備下行測試精度、自由空間傳輸誤差兩部分。其中，星間鏈路設備下行測試精度主要取決于頻譜儀測量精度(包括中頻精度和射頻精度)，下變頻器增益控制精度以及功放增益控制精度。信號在自由空間傳輸中，受空間自由衰落、大氣損耗、電離層折射、雨衰和雪衰等影響，詳細分析同3.1節。

3.3 測量性能指標測試評估及精度誤差分析

導航衛星本身主要的功能是利用測距值定位，所以衛星本身的測量性能也需要進行監測，在不可見衛星的監測中，可以利用星間鏈路本身具備的雙向測量和通信的功能，完成雙方的測距。以節點衛星的測距值和當前星歷計算得到的理論值作為基準，對被測衛星的測距性能進行分析評估。利用星間鏈路監測衛星測量性能的流程如圖6所示。

圖6 測量性能測試評估流程Fig.6 Test and evaluation of measurement performance

由地面監測站發起監測衛星業務請求，并確定信號轉發流程，發起測試的節點衛星向被測衛星發送正常工作信號，被測衛星完成捕獲跟蹤等相關流程后，得出相應的測距值，并將測距值通過通信鏈路發送至節點衛星；被測衛星的正常工作信號由節點衛星完成接收測距，得到另一組測距值。如果測試的節點衛星本身已被驗證具備良好的測距性能，則將其自身測距值作為評價被測衛星測量性能的基準，并將2組測距值都發送至地面，測試評估軟件利用星歷計算理論距離，設定相應的判決門限，然后比較被測衛星測距值與測試節點衛星測距值差值，并進行判決，從而得出被測衛星測量數據有效性的測試評估結果。

衛星測量性能指標除了測量數據的有效性，還包括導航衛星星間鏈路的測量隨機誤差和星間鏈路時延通道一致性。其中，星間鏈路的測量隨機誤差精度對測量性能指標測試評估有著重要影響，因此有必要對影響測量隨機誤差精度的因素展開分析。

隨機誤差值主要影響因素包括偽碼同步誤差、量化誤差和時間同步誤差。

① 偽碼同步誤差

由于采用載波輔助偽碼跟蹤，因此可忽略動態應力對偽碼同步誤差的影響。此時，偽碼同步誤差主要由熱噪聲導致，應用超前減滯后功率型鑒相器時的誤差均方根為：

典型接收情況下，Δ=0.5碼片，TCoh=1 ms,TI=1 ms，BL=5 Hz，當C/N0=48 dBHz時，σDLL≈0.04 m。

② 量化誤差

峰值信號功率與平均量化噪聲功率的比值為：

式中，L是量化電平級數。當量化位數≥8 bit時，量化誤差導致的測距誤差<0.02 m。

③ 時間同步誤差

目前，地面設備間的時間同步誤差一般小于0.1 ns(約為0.03 m)。于是，σR=0.04 m+0.02 m+0.03 m=0.09 m，即0.3 ns。

4 結束語

導航衛星信號的質量關系到衛星的定位精度，在衛星非視狀態下，傳統的地面監測手段無法完成對非視衛星相應指標的測試評估，本文提出了使用星間鏈路完成對導航衛星相應接收、發射、測量性能指標的測試評估方法，可使地面站及時監測到非視導航衛星發射接收設備的異常，并對設備進行相應調整，從而提升導航衛星信號的定位性能。本文提出的導航衛星星間鏈路測試評估技術是通過星間鏈路來實現對非視導航衛星信號的監測評估，為非視導航衛星信號的測試評估提供了一種新的技術思路。但是相應測試評估性能技術指標的有效性和適用性還需要仿真和試驗的進一步論證。