北斗導(dǎo)航星座星間通信速率控制方法研究

劉壹

（北京睿信豐科技有限公司 北京市 100089）

1 北斗導(dǎo)航通信速控的研究現(xiàn)狀

北斗導(dǎo)航在全世界通信組網(wǎng)體系中，進(jìn)行了星座技術(shù)建設(shè)，確定了北斗導(dǎo)航衛(wèi)星首批建設(shè)方案，即18、19 位北斗星。以Ka 為基礎(chǔ)，構(gòu)建了相控陣天線體系，形成了星間鏈路。與此同時，在導(dǎo)航衛(wèi)星后續(xù)項(xiàng)目的建設(shè)期間，同樣裝置了星間鏈路單元，使其發(fā)揮出通信作用。現(xiàn)階段，關(guān)于北斗導(dǎo)航、星間鏈路的各項(xiàng)研究工作，普遍集中在星間測距精確性、自動化確定軌跡、星地完成軌跡聯(lián)合、組網(wǎng)間優(yōu)化設(shè)計等。

然而，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)中的星間鏈路技術(shù)，其功能與使用范圍，并未局限在星間距離測算、軌道自動化確定兩個方向。北斗衛(wèi)星以全世界組網(wǎng)視角，完成建設(shè)之后，將會作為國內(nèi)首個全球聯(lián)網(wǎng)、24小時網(wǎng)絡(luò)覆蓋的星座。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)中，各衛(wèi)星之間進(jìn)行傳輸信息時，將會在原有導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)行基礎(chǔ)上，同時在全球各地區(qū)完成信息持續(xù)性回傳，達(dá)成星與網(wǎng)互通狀態(tài)。針對國內(nèi)無法全規(guī)模進(jìn)行組網(wǎng)覆蓋的問題，具有有效整改意義。導(dǎo)航星座完成數(shù)據(jù)傳輸時，使用了星間傳輸技術(shù)，此類研究略有涉及，具體研究項(xiàng)目表現(xiàn)為：信號有效控制、通信傳輸協(xié)議等。

2 構(gòu)建星間信道模型

2.1 星間信道模型的構(gòu)建思路

在衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)字化通信傳輸時，有效完成了QPSK 信號形式應(yīng)用，此種形式具有不平衡性，其在平行正交各類方向的支路中，形成了不具相關(guān)性的數(shù)據(jù)流。可使用差異表現(xiàn)的速率、功率，以此準(zhǔn)確獲取通信功能。在星間鏈路中有效沿用了此種信號結(jié)構(gòu)。此種信號組成方式，含有發(fā)射、接收信息的兩類衛(wèi)星，測量幀與平行支路相互對應(yīng)。通信幀與相交支路形成對應(yīng)關(guān)系。測量幀與通信幀，在功率漲幅方向表現(xiàn)出差異性，能夠結(jié)合測量、通信情況，進(jìn)行合理配比設(shè)計。在此期間，測量幀相比通信幀，在數(shù)據(jù)傳輸速度方面有所下降。同時信道測量所需時間，與通信信道測量產(chǎn)生的時間，具有相同性。在星距信道測量形成同步狀態(tài)時，應(yīng)采取信道位、幀的同步，以此節(jié)約硬件資源[2]。

2.2 測算方式

假設(shè)傳輸?shù)男盘枮镾i，在某時間點(diǎn)傳輸?shù)男盘枮镾i（ti），表達(dá)測算方式為：

在測算表達(dá)式中，Ci（t）表示的是衛(wèi)星i 在測距指令下形成的擴(kuò)頻碼；Pi（t）對應(yīng)的是：衛(wèi)星i 在通信指令下形成的擴(kuò)頻碼；Dic（t）表示衛(wèi)星i 在測距指令下形成的數(shù)據(jù)碼；Dip（t）表示衛(wèi)星i 在通信指令下形成的數(shù)據(jù)碼；f 表示載波頻率，對應(yīng)的信號是星間鏈路；φic 對應(yīng)的是衛(wèi)星i 在測距指令下形成的載波相位；φip 對應(yīng)的是衛(wèi)星i 在通信指令下形成的載波相位。

情況二：如圖5，作△ADB的外接圓⊙E，假設(shè)點(diǎn)E與點(diǎn)D在AB的同側(cè)，連接DE、AE、BE，在⊙E中，∠DEA=2∠DBA=60°，又因?yàn)镈E=AE，所以△ADE為等邊三角形，所以∠DAE=60°，因?yàn)锳D=AE，CD=AD，AE=BE，所以CD=BE，又因?yàn)锳C=AB，所以△ADC≌△AEB，所以∠BAE=∠CAD=11°，所以∠BAC=∠DAE-∠CAD+∠BAE=∠DAE=60°，又因?yàn)锳C=AB，所以

瀝青道路的盡頭，停車場北面矗立著一座現(xiàn)代建筑——“銅綠山古銅礦遺址博物館”。館題行書字體俊朗沉雄，是已故考古大家、被考古學(xué)界尊稱為“七國院士”的夏鼐手筆。

在此關(guān)系式中，mk對應(yīng)的是±m(xù) 后，獲取的n 序列幅度。可以認(rèn)定在任意時間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行的測算，比如t 為零。p（t-nT）是一種函數(shù)，對應(yīng)的是脈沖波形。n=t/T，此種關(guān)系式表明了n 的取值方式，以向下取整為主。對于關(guān)系式中的整數(shù)部分，T 表示在特定符號節(jié)點(diǎn)的時間，T 與通信速率R 存在的關(guān)系表達(dá)式為：

針對通信信道而言，數(shù)據(jù)信息Dip（t），可認(rèn)定為二進(jìn)制位序列，具有數(shù)據(jù)隨機(jī)性、雙極性非回歸等特點(diǎn)。同時，時間變量的表示方法為：幅度取值為m、寬值為Tb，借助正負(fù)極方形脈沖予以描述。在時間t 動態(tài)變化作用下，關(guān)系式為：

3 以星歷背景的通信速控方式

3.1 計算通信速率

公式（1）給出的信號形式，在忽略編碼效率的情況，誤碼率Pwu 的計算表達(dá)示為：Pwu=Q（2（E/N0）-1） （4）

在（4）關(guān)系式中，E 表示的是單位比特信號能量均值；N0 表示噪音初始密度。處理表達(dá)式（4），對于誤碼率Pwu值在固定情況下，其通信信號獲得結(jié)果E/N0，表達(dá)方式為：

獨(dú)立學(xué)院英語專業(yè)學(xué)生目前最大的問題是學(xué)習(xí)比較被動，從實(shí)際授課情況看，特別是人數(shù)比較多的班級，課堂氣氛比較沉悶，教學(xué)過程中的絕大部分時間是由教師講授。商務(wù)英語的專業(yè)定位是培養(yǎng)應(yīng)用型人才，這個目標(biāo)只有在學(xué)生具有一定積極性的前提下才有可能實(shí)現(xiàn)。因此，在眾多教學(xué)方法中，最適合在獨(dú)立學(xué)院教學(xué)需要的首先應(yīng)該是案例教學(xué)法。

在此關(guān)系式中，c 表示的時光傳播速度；Pi 表示的是衛(wèi)星i 發(fā)射信息號的功率對應(yīng)值；Gr 表示的是接收信號產(chǎn)生的增益；dih 表示通信進(jìn)行期間衛(wèi)星i、h 形成的通信間隔距離；k 對應(yīng)的時皮爾茲曼常數(shù)；T 表示信號接收端口運(yùn)行時的噪音溫度。

結(jié)合關(guān)系式（5）、（6），進(jìn)行關(guān)系式轉(zhuǎn)化，能夠獲取信息位通信數(shù)據(jù)傳輸速率的測算方式：

以初始軌道面衛(wèi)星為仿真實(shí)例，測算M11 衛(wèi)星與相同軌道中任意衛(wèi)星之間的間隔。相同軌道的一組衛(wèi)星，具有升交點(diǎn)赤經(jīng)一致的特點(diǎn)。此時ΔΩ 取值為零，結(jié)合關(guān)系式（10）、（11）的計算方法，能夠獲取cosx=cos（ui-uh）計算結(jié)果。同時，在關(guān)系式（13）的計算條件下，基于相同軌道衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)方向相同的思想，能夠獲取相位差值為固定數(shù)，即ui-uh 結(jié)果為固定值。在時間作用下，倆衛(wèi)星間距發(fā)生浮動，借助星歷參數(shù)取值形式，使用關(guān)系式（8）進(jìn)行計算，能夠獲取M11 與其他衛(wèi)星的間距，比如M11-M12=21351.61 千米，M11-M13=39455.56 千米，M11-M14=51523.12 千米等。

Y=6.47628+2.74429X1+0.02565X2+0.03299X3-0.21197X5-0.27737X6

3.2 測算星距

對于ih 導(dǎo)航衛(wèi)星的延長線，會匯集形成地心角x，則間距表達(dá)式為：

在關(guān)系式中，li、lh 對應(yīng)的是地心與衛(wèi)星間距。

醫(yī)學(xué)生無論在校學(xué)習(xí)期間還是將來成為醫(yī)生，由于需要頻繁接觸各種死亡案例，因此會頻繁地處于死亡凸顯狀態(tài)。 基于醫(yī)學(xué)生群體這一特殊性，研究死亡凸顯狀態(tài)下的醫(yī)學(xué)生具有更強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

經(jīng)上述計算，能夠確定星間距離計算表達(dá)式為

在此關(guān)系式中的變量表達(dá)式為：

通過椎角逸出的等離子(氦離子、電子等)進(jìn)入強(qiáng)磁場發(fā)生遍轉(zhuǎn)，分別打在正、負(fù)極板上、接通外電路，行成電流。這叫磁流體發(fā)電。

在關(guān)系式（11）中，λ 表示的是軌道間形成的傾斜角；△Ω 表示的是兩個衛(wèi)星交匯位置赤經(jīng)參數(shù)的差值；ui、uh 對應(yīng)的是兩個衛(wèi)星的所在相位。

在關(guān)系式中，a 表示衛(wèi)星的軸長度、e 對應(yīng)的是衛(wèi)星離心率，M 表示衛(wèi)星真近點(diǎn)角。地心角x 由衛(wèi)星ih 所形成，其計算表達(dá)式為：

在星間鏈路進(jìn)行通信傳輸時，通信傳輸信號E/N0 的計算表達(dá)方式為：

洪澤湖現(xiàn)狀汛限水位為12.50 m（廢黃河高程，下同），警戒水位13.50 m，設(shè)計洪水位 16.0 m，校核洪水位17.0 m。其洪水調(diào)度按照2008年國家防汛抗旱總指揮部批復(fù)的淮河洪水調(diào)度方案（國汛〔2008〕8號）執(zhí)行，在汛期預(yù)報淮河上中游發(fā)生較大洪水時洪澤湖應(yīng)提前預(yù)泄，盡可能降低湖水位；根據(jù)不同洪澤湖水位，相應(yīng)利用淮河入江水道、入海水道、分淮入沂、蘇北灌溉總渠及廢黃河行洪。

3.3 通信速控

在關(guān)系式（11）中，在時間浮動情況下，兩個衛(wèi)星相位ui、uh有所改變。衛(wèi)星間距是以時間為基礎(chǔ)的變量，針對固定搭配衛(wèi)星間的鏈路通信，在時間作用下，會產(chǎn)生差異性的衛(wèi)星間距。在特定衛(wèi)星與其他各類衛(wèi)星進(jìn)行通信鏈路時，引起目標(biāo)星的差異性，同時改變了星間距。因此，在星間完成信息通信時，設(shè)定通信速率取值的固定性，應(yīng)結(jié)合間距最大、E/N0 取值不佳的因素，予以考量。

結(jié)合北斗衛(wèi)星內(nèi)部接入位置的控制信息，此類參數(shù)的具體取值，在衛(wèi)星信號發(fā)送的星歷中可查獲。此類廣播星歷，同樣可視為星間通信形式，或者是節(jié)選星間傳輸。如此可知：每顆衛(wèi)星與各自星歷相互匹配，在星間通信中，能夠準(zhǔn)確捕獲目標(biāo)衛(wèi)星的星歷信息；同時結(jié)合關(guān)系式（12）的計算方法，求得衛(wèi)星間距。

然而，在進(jìn)行近距離衛(wèi)星鏈路時，信號空間壓縮的情況下，接收信號品質(zhì)優(yōu)異。如若使用通信速率不佳的方案，將會引起傳輸資源產(chǎn)生浪費(fèi)事件。以通信品質(zhì)為出發(fā)點(diǎn)，開展信號傳輸、衛(wèi)星間距之間關(guān)系的分析與研究，嘗試以星歷為節(jié)點(diǎn)，開展通信速控調(diào)試，以期順應(yīng)星間傳輸屬性的浮動需求[4]。

在研究期間，應(yīng)保障信號接收端，能夠準(zhǔn)確獲取信號速率浮動變化，提升解調(diào)信息準(zhǔn)確性，在有效數(shù)據(jù)傳輸前期，完成速率指示位植入。在信號接收方能夠獲取速率指示時，方可結(jié)合信號傳輸速率，有序調(diào)試數(shù)據(jù)幀。

4 仿真分析

4.1 構(gòu)建北斗星座模型

北斗衛(wèi)星在進(jìn)行全球組網(wǎng)建設(shè)時，其空間星座要素具體包括：GEO 衛(wèi)星×3，IGSO 衛(wèi)星×3，MEO 衛(wèi)星×24。與此同時，在軌道備份衛(wèi)星上完成視情部署。GEO 衛(wèi)星的軌道整體高度約為35711千米，節(jié)點(diǎn)含有三個位置，其一為東經(jīng)80 度，其二為東經(jīng)110 度，其三為東經(jīng)140 度。IGSO 衛(wèi)星軌道的整體高度約為35815 千米。軌道之間夾角為55 度。MEO 衛(wèi)星軌道的整體高度約為21516 千米，軌道間夾角同樣為55 度。回歸周期為一星期，能夠完成13 圈轉(zhuǎn)移，相位選擇方式以 Walk-er24/3/1 星座為主。初始軌道面上升形成的交匯點(diǎn)赤經(jīng)參數(shù)為零。結(jié)合星座設(shè)計結(jié)果，MEO 衛(wèi)星24 顆的數(shù)量，在星座衛(wèi)星整體中占據(jù)4/5。作為導(dǎo)航星座，能夠?yàn)槿蚪M網(wǎng)提供通信服務(wù)。因此，在進(jìn)行仿真計算時，以MEO 衛(wèi)星為基礎(chǔ)。

4.2 相同軌道星間通信仿真模擬

圖1：M11 與異軌各衛(wèi)星的通信傳輸情況

在關(guān)系式（7）中，Pi 對應(yīng)的是發(fā)射機(jī)運(yùn)行功率值，Gi 表示發(fā)射信號時產(chǎn)生的增加收益，Gr 表示信號接收時形成的增加收益，f 對應(yīng)的是信號發(fā)射時的頻率，T 表示信號接收端噪音形成的設(shè)備溫度，此類參數(shù)可在事前逐一測定。因此，針對誤碼率的測算需求Pwu，應(yīng)提前獲取星間距離，方可完成通信速率R 的準(zhǔn)確計算[3]。

由于M11、M15 兩個衛(wèi)星處于被地球遮擋的位置，難以完成直視，兩個衛(wèi)星間距的計算可忽略。同時，M18 與M12 位置相對應(yīng)，M17 與M13 位置相對應(yīng)，M16 與M14 位置相對應(yīng)，可直接獲取相應(yīng)星距值，減少計算重復(fù)問題[5]。以M11 對應(yīng)M12~M14 的距離為基礎(chǔ)，結(jié)合公式（7）進(jìn)行通信速率計算。在計算期間，各參數(shù)取值為：傳輸誤碼率Pwu=10-6，通信頻率f=30GHz，發(fā)射功率Pi=20dBW，發(fā)射天線增益Gi=25.5dB，接收天線增益Gr=20dB，接收端噪音溫度T=300K。賦值運(yùn)算公式（7），獲取M11-M12 的星間通信傳輸速率為51.52Kbit/s，M11-M13 的星間通信傳輸速率為12.13Kbit/s，M11-M14 的星間通信傳輸速率為10.8Kbit/s。

4.3 不同軌道星間通信模擬分析

北斗MEO 衛(wèi)星并未在相同軌道面上，異軌衛(wèi)星間隔作為時間變量，此變量可運(yùn)算公式（12）獲得。以M11 衛(wèi)星、第二軌道衛(wèi)星間距的計算為視角。計算發(fā)現(xiàn)：星距間隔最大值為55518 千米，是M11 與M22 之間的鏈路長度，星距間隔最小值為21411 千米，是M11 與M20 之間的鏈路長度。

以同軌面公式（7）的賦值形式為參考，誤碼率Pwu=10-6為固定值，結(jié)合公式（7）測算獲得星間通信速率，測算結(jié)果通信速率最大值為51.3Kbit/s，通信速率最小值為7.8Kbit/s。以M11-M25 的通信傳輸為例，設(shè)定5Kbit/s 作為階梯離散處理單元，完成量化處理，提升計算便利性。

4.4 分析星間傳輸能力

對于同軌、異軌通信傳輸速度開展對比分析，應(yīng)側(cè)重分析相同軌道衛(wèi)星傳輸項(xiàng)目。使用固定速率進(jìn)行通信傳輸時，通信速率計算結(jié)果，能夠順應(yīng)鏈路長度最大值的情況，即M11-M14 衛(wèi)星間隔鏈路。此時的通信傳輸速率為10.8Kbit/s。使用通信速控方式，對各衛(wèi)星通信速率加以配置，傳輸效率可有效提升至少8.7 倍。

針對異面軌道衛(wèi)星間隔信息傳輸?shù)那闆r，可采取效能分析形式。設(shè)定通信速率為Rihb（t），在使用速率進(jìn)行計算時，應(yīng)以最大傳輸距離為首要考量因素，此時通信傳輸速率為最小值，即Rihb（t）min，在通信傳輸周期范圍T 內(nèi)，通信傳輸速率的計算方法為：

基于傳統(tǒng)建筑工程施工中，各項(xiàng)工作均獨(dú)立完善，極易導(dǎo)致信息不對稱現(xiàn)象的發(fā)生，如若這一現(xiàn)象發(fā)生便會工程施工造成不利影響，在這種情況下通過BIM技術(shù)的運(yùn)用可使數(shù)據(jù)不對稱問題得到解決，可提高數(shù)據(jù)的精確度，從而不難發(fā)現(xiàn)，BIM技術(shù)可提高數(shù)據(jù)計算的靈活性及有效性，在土建工程施工中運(yùn)用BIM技術(shù)可減少施工成本，確保工程工作效率的提升。將BIM技術(shù)運(yùn)用到建筑工程施工中可起到三維渲染、快速算量的作用，詳情如下：

以M11 與M21 兩個衛(wèi)星間隔鏈路為視角，開展通信能力分析。在通信速率不變時，最小值為10.8Kbit/s。結(jié)合關(guān)系式（14）的定量分析形式，能夠計算獲得傳輸速率值為2.13。依據(jù)此種分析方式，可獲取各衛(wèi)星鏈路的通信能力，如圖1 所示。

由圖1 可知：在使用通信速控方法后，顯著提升了M11 與各異軌之間的通信傳輸能力，通信傳輸最小值增漲了1.43 倍、通信傳輸最大值增漲了8.3 倍。結(jié)合相同軌道、異面軌道的通信傳輸情況觀之，M11 衛(wèi)星在鏈路其他衛(wèi)星時，可使用固定速率，考量最大鏈路長度，即M11-M22=55518 千米，此時通信傳輸速率最小=7.62Kbit/s。在使用通信速控方法后，此最大通信傳輸速率值增長至51.53Kbit/s，通信效能至少增漲了1.93 倍。

4.5 仿真討論

北斗導(dǎo)航信息傳輸?shù)乃倏胤椒ǎ墙柚倍沸l(wèi)星存儲的電文信息，進(jìn)行信道動態(tài)變化評估，形成了實(shí)時控制方案。以星間信號傳輸速率為基礎(chǔ)，進(jìn)行動態(tài)調(diào)控時，能夠顯著衛(wèi)星之間的通信傳輸能力，由此說明：

GC-MS分析方法步驟如下：將475 mL水樣加入1000 mL分液漏斗中，測定pH值為6.5～7.0，加入50 mL二氯甲烷，振蕩萃取5 min，靜置10 min，將有機(jī)層收集到燒瓶中。分別用硫酸和10 mol/L氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)水樣pH值為1.5和10，使用50 mL二氯甲烷依次進(jìn)行酸性和堿性條件下的萃取，振蕩5 min，靜置10 min，合并所有萃取液，經(jīng)無水Na2SO4除水后取1 mL加入進(jìn)樣瓶中上機(jī)進(jìn)樣分析。

（1）星間信息傳輸連接而成的鏈路，具有時變可能性，在使用通信速率參數(shù)固定時，能夠引起傳輸資源的重復(fù)使用，不利于節(jié)約通信資源。

（2）在導(dǎo)航衛(wèi)星自身資源獲得充分分析時，能夠保障用戶的通信品質(zhì)，有效提升星間傳輸速率。使用傳輸速控方法，傳輸速率至少提升1.93 倍。

（3）結(jié)合北斗導(dǎo)航星座的運(yùn)行特點(diǎn)，可在其他導(dǎo)航系統(tǒng)中進(jìn)行同類研究。在研究期間，應(yīng)簡化分析程序，關(guān)注方法設(shè)計思路的清晰性。

微信群是一個即時的交流平臺，在群中可以發(fā)文字、視頻和音頻，實(shí)現(xiàn)良好的交流效果。建構(gòu)主義認(rèn)為，交流可以實(shí)現(xiàn)意義的建構(gòu)，交流是為了檢驗(yàn)交流的目的是為了檢驗(yàn)或確證自我觀點(diǎn),獲得某種認(rèn)同。社會建構(gòu)主義堅信,意義的建構(gòu)是學(xué)習(xí)者/參與者之間通過對話與交流的協(xié)商過程,學(xué)習(xí)本質(zhì)上是一種社會性對話/交流的過程，這種對話/交流在知識建構(gòu)群體或?qū)W習(xí)共同體中最為有效。Kafai&Resnik(1996)強(qiáng)調(diào)在交流的過程中，要以學(xué)生為中心，充分發(fā)揮學(xué)生自主性，教師在整個學(xué)習(xí)過程中主要充當(dāng)組織者、指導(dǎo)者和幫助者的角色[4]。

在后續(xù)研究中，應(yīng)以GEO 衛(wèi)星、IGSO 衛(wèi)星為方向，探索星間傳輸速控的有效形式，以期在全網(wǎng)中完成通信傳輸效率控制的部署，維持人們通信品質(zhì)的同時，盡可能地提升通信傳輸速度，以期發(fā)揮北斗導(dǎo)航通信技術(shù)優(yōu)勢，為通信傳輸控制、星歷高效使用奠定基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

綜上所述，結(jié)合北斗導(dǎo)航的通信特點(diǎn)，以星歷為背景下，開展了星間傳輸速控的研究與仿真實(shí)踐，經(jīng)研究實(shí)踐發(fā)現(xiàn)：同軌面、異軌面的星間鏈路，存在差異性特點(diǎn)，在傳輸速控方法的作用下，能夠顯著提升通信傳輸能效，使其傳輸速度是原有傳輸速率的1.93 倍。