GPS星間鏈路及其數(shù)據(jù)的模擬方法研究

劉亞瓊，楊旭海

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GPS星間鏈路及其數(shù)據(jù)的模擬方法研究

劉亞瓊1,2,3，楊旭海1,2

（1. 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心，西安 710600；2. 中國(guó)科學(xué)院精密導(dǎo)航定位與定時(shí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600；3. 中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100039）

主要介紹了GPS星間鏈路（星間鏈路是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)行的一項(xiàng)重要的關(guān)鍵技術(shù)）的工作模式，重點(diǎn)討論了GPS星間鏈路數(shù)據(jù)的模擬方法。采用契比雪夫多項(xiàng)式擬合方法，獲得對(duì)IGS（International GPS Service）公布的GPS精密星歷加密到以1s為間隔的數(shù)據(jù)。由信號(hào)接收時(shí)刻獲得的兩顆衛(wèi)星間的距離作為初始值，反復(fù)迭代推算出發(fā)射信號(hào)的衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)的時(shí)刻，從而得到兩顆衛(wèi)星間的星間偽距觀測(cè)值，再加上各項(xiàng)約束條件（如噪聲，鐘差等）后獲得了兩顆衛(wèi)星間模擬的星間鏈路數(shù)據(jù)。

星間鏈路；時(shí)分多址；衛(wèi)星導(dǎo)航

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，特別是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與現(xiàn)代高精度武器裝備的結(jié)合越來(lái)越緊密，人們開(kāi)始關(guān)注衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的自主生存能力。也就是說(shuō)，當(dāng)?shù)孛嬲颈淮輾Щ虺霈F(xiàn)故障時(shí)，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)需要具有自主運(yùn)行功能，即由導(dǎo)航衛(wèi)星的星上設(shè)備，通過(guò)星間測(cè)距，結(jié)合衛(wèi)星軌道先驗(yàn)信息，保障自主運(yùn)行精密定軌和時(shí)間基準(zhǔn)的維持等系統(tǒng)工作，并能正常提供通信、導(dǎo)航等服務(wù)。

在一組導(dǎo)航衛(wèi)星之間，任意兩個(gè)相互可視的衛(wèi)星之間有距離測(cè)量值，稱在這組導(dǎo)航衛(wèi)星之間有星間鏈路觀測(cè)。星間鏈路資料具有重要的定軌意義，因?yàn)樗c少量的地面站（至少3個(gè)）的觀測(cè)資料相結(jié)合，就可以定出所有衛(wèi)星的軌道；亦可以在失去地面站的情況下，結(jié)合衛(wèi)星軌道先驗(yàn)信息，確定衛(wèi)星的軌道。本文以IGS（International GPS Service）提供的GPS精密星歷為基礎(chǔ)，研究星間鏈路數(shù)據(jù)的模擬方法。

1 GPS星間鏈路

1.1 GPS星間鏈路現(xiàn)狀

截至2007年7月，GPS星座擁有30顆在軌運(yùn)行衛(wèi)星，包括15顆GPS-2A衛(wèi)星、12顆GPS-2R衛(wèi)星和3顆GPS-2RM衛(wèi)星。其中，在第1至第4軌道面上各有5顆衛(wèi)星；在第5軌道面上有4顆衛(wèi)星；在第6軌道面上有6顆衛(wèi)星。當(dāng)前的GPS星座已不是早期設(shè)計(jì)的經(jīng)典Walker24/3/2星座構(gòu)型，而是趨向于一種6個(gè)軌道面的衛(wèi)星均勻分布與非均勻備份混合星座構(gòu)型。這樣的星座設(shè)計(jì)能夠保證導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的全球連續(xù)性覆蓋，滿足系統(tǒng)可用性指標(biāo)要求，有利于實(shí)現(xiàn)接收機(jī)自主完好性監(jiān)測(cè)（RAIM），從而獲得安全可靠的高精度導(dǎo)航信息。

GPS已經(jīng)在它的GPS-2R及后續(xù)衛(wèi)星上安裝了星間測(cè)距設(shè)備和星上處理器，這些衛(wèi)星能夠通過(guò)時(shí)分多址（TDMA）的方式進(jìn)行星間測(cè)距和通信，并每小時(shí)自主計(jì)算衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星鐘差，實(shí)現(xiàn)星上的自主定軌和自主守時(shí)，從而為用戶提供自主運(yùn)行180 d用戶測(cè)距誤差（URE）仍好于6 m的服務(wù)[1]。擬達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)為星間信息傳輸速率≤5 kbps，星間測(cè)距精度優(yōu)于1 ns，星間信息傳輸誤碼率優(yōu)于10-6 [2]。

1.2 星間鏈路體制

1.2.1 設(shè)備配置

對(duì)于星間鏈路的設(shè)備配置，GPS-2R衛(wèi)星采用10個(gè)螺旋天線陣元以相控陣方式[3-4]實(shí)現(xiàn)，安裝在衛(wèi)星的對(duì)地面，天線群延遲不確定度控制在0.5 ns以內(nèi)。星間鏈路發(fā)射天線采用獨(dú)立天線單元，而接收天線由9個(gè)單元組成的平面直射陣列組成，其中1個(gè)單元位于陣列中心，其余8個(gè)單元圍繞中心單元均勻布置，且饋電相位與中心單元反相，饋電幅度按比例配置。接收天線波束相位中心穩(wěn)定，波束邊緣增益可達(dá)到7 dBi左右[5]。

同時(shí)，配置星間鏈路轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)單元（CTDU）和星間鏈路收發(fā)設(shè)備（CTS），每顆GPS-2R衛(wèi)星均裝有兩個(gè)CTDU，CTDU是時(shí)分多址跳頻擴(kuò)頻通信系統(tǒng)，利用超高頻（UHF）頻段，采用5 Mcps偽隨機(jī)碼，產(chǎn)生108Ｗ的射頻發(fā)射功率，提供精密測(cè)距信號(hào)并進(jìn)行自主導(dǎo)航數(shù)據(jù)交換。

1.2.2 鏈路模式

GPS星間鏈路采用時(shí)分復(fù)用多址方式，通信頻段為超高頻（250～290 MHz），每顆導(dǎo)航衛(wèi)星分配一個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙維持1.5 s，在軌工作的24顆導(dǎo)航衛(wèi)星均分配不同的時(shí)隙，36 s時(shí)間內(nèi)可以對(duì)星座所有衛(wèi)星輪詢一遍，該時(shí)間定義為一幀。在36 s的時(shí)間周期內(nèi)就可以完成星座衛(wèi)星播發(fā)測(cè)距信號(hào)的遍歷，稱之為測(cè)距幀。下一個(gè)36 s時(shí)間周期用作星間數(shù)據(jù)通信，即完成星座衛(wèi)星播發(fā)數(shù)據(jù)信號(hào)的遍歷，稱之為數(shù)據(jù)幀。星間鏈路傳輸共有25幀：1個(gè)測(cè)距幀，24個(gè)數(shù)據(jù)幀[5]。對(duì)于24顆衛(wèi)星組成的星座，36s為一個(gè)子幀，900 s為一個(gè)主幀。GPS-2R/2R-M衛(wèi)星星間鏈路測(cè)距周期可選擇15 min、1 h、2 h、3 h、4 h和6 h，其中1 h為缺省值設(shè)置[6]。

GPS-2R衛(wèi)星實(shí)施雙頻單向測(cè)距，在測(cè)距幀期間，采用測(cè)距模式，任意一顆GPS-2R衛(wèi)星在分配的時(shí)隙里發(fā)射測(cè)距信號(hào)，其他所有可見(jiàn)的導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行接收，對(duì)UHF頻段的測(cè)距信號(hào)進(jìn)行處理，利用兩個(gè)不同頻率消除電離層效應(yīng)的影響，完成偽距測(cè)量。在數(shù)據(jù)幀期間，采用數(shù)據(jù)發(fā)送模式，每顆衛(wèi)星在其分配的時(shí)隙里發(fā)射與自身相關(guān)的數(shù)據(jù)參數(shù)，主要包括偽距測(cè)量的計(jì)算結(jié)果、估計(jì)出來(lái)的衛(wèi)星位置和時(shí)鐘參數(shù)及相應(yīng)的估計(jì)方差。

1.2.3 星間鏈路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)GPS星座構(gòu)型和星間鏈路天線賦形設(shè)計(jì)，星間鏈路距離可達(dá)到49 465 km。對(duì)于24顆衛(wèi)星星座，可以建立8～16條同軌道面前向和后向鏈路，以及異軌道面?zhèn)认蜴溌穂5]。

1.2.4 星鐘

對(duì)星載原子鐘，GPS衛(wèi)星采用銣鐘（質(zhì)量5.44 kg，功耗39Ｗ）和銫鐘（質(zhì)量13 kg，功耗30 W，壽命>3年），以銫鐘為主。星鐘或時(shí)間基準(zhǔn)裝置（AFS）是整個(gè)有效載荷的心臟，它提供確保GPS導(dǎo)航精度所需的精確時(shí)間。GPS-2R有2臺(tái)銣鐘和1臺(tái)銫鐘。GPS系統(tǒng)對(duì)星鐘的關(guān)鍵要求是星鐘時(shí)間與GPS時(shí)間之差保持在6ns之內(nèi)。為達(dá)到這一要求，將2臺(tái)銣鐘和1臺(tái)銫鐘集成到有效載荷中的時(shí)間保持系統(tǒng)（TKS）內(nèi)，3臺(tái)星鐘互為備份，以確保這一關(guān)鍵設(shè)備不會(huì)因1臺(tái)失效而導(dǎo)致全系統(tǒng)失靈[6-8]。

2 星間鏈路數(shù)據(jù)的模擬

我們利用2007年10月5日開(kāi)始的IGS提供的GPS衛(wèi)星的精密星歷來(lái)模擬星間鏈路數(shù)據(jù)。

為便于科學(xué)研究，我們假定導(dǎo)航衛(wèi)星星間鏈路的模式是：每顆GPS衛(wèi)星都必須向其他GPS衛(wèi)星發(fā)送信息，也要接收其他衛(wèi)星發(fā)出的信息。假定在給定時(shí)刻，星座中只有一顆GPS衛(wèi)星發(fā)送信號(hào)，而所有其他衛(wèi)星都處于接收模式。其次，每顆衛(wèi)星都分配一個(gè)指定的時(shí)間區(qū)間（1 s），在這個(gè)區(qū)間，只有它能發(fā)送信號(hào)，而其他衛(wèi)星只能接收信號(hào)，所有衛(wèi)星都按此指定的時(shí)間順序循環(huán)工作。IGS提供的是31顆衛(wèi)星的精密星歷，完成這樣一個(gè)發(fā)送序列稱作一個(gè)幀循環(huán)，需時(shí)31 s。

由IGS提供的精密星歷是按15 min的時(shí)間間隔給出在軌31顆衛(wèi)星在空間的三維坐標(biāo)、三維速度和衛(wèi)星鐘改正數(shù)等信息，不能滿足模擬時(shí)數(shù)據(jù)的需求。需要把下載的星歷加密成按10 s（甚至1 s）的時(shí)間間隔給出衛(wèi)星在空間的信息。

本文采用契比雪夫多項(xiàng)式擬合方法[9]，對(duì)下載的GPS精密星歷分別按10 s的時(shí)間間隔和1 s的時(shí)間間隔加密，加密到1 s的衛(wèi)星星歷如下：

加密后的GPS精密星歷格式與IGS公布的精密星歷格式一致。第1行的第2個(gè)字符為版本標(biāo)識(shí)符；第3-19個(gè)字符是歷元的日期和時(shí)間；“HLM”是軌道類型描述符，目前僅定義了4種類型，這是其中之一；“IGS”是軌道發(fā)布機(jī)構(gòu)描述符。第2行所包含的內(nèi)容有軌道數(shù)據(jù)首個(gè)歷元的GPS周及GPS周以內(nèi)的秒數(shù)，以秒為單位的歷元間隔、約化儒略日的整數(shù)部分及小數(shù)部分。第3-7行為衛(wèi)星的PRN號(hào)。這些標(biāo)識(shí)符為連續(xù)的字段，在列出了所有的PRN號(hào)后，剩下的位置用零值填充。第8-12行為衛(wèi)星軌道精度指數(shù)，若為0，則表示精度未知。衛(wèi)星軌道精度指數(shù)在第8-12行中的排列順序與第3-7行上衛(wèi)星的PRN號(hào)的排列順序相同。第13-18行以備將來(lái)其他的參數(shù)補(bǔ)充。第19-22行為任意內(nèi)容的注釋。第23行為歷元的日期和時(shí)間。自第24行開(kāi)始為衛(wèi)星的位置（或速度）和鐘差（或鐘漂）。第1個(gè)字符始終是“P”，位置的單位為km，并精確到1 mm。與鐘有關(guān)的值的單位為μs（微秒），并且精確到1 ps（皮秒）。第2、3、4組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)衛(wèi)星X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)方向的位置，第5組數(shù)據(jù)是衛(wèi)星的鐘差。

圖1給出一個(gè)我們?cè)谟?jì)算過(guò)程中所加白噪聲的例子，其RMS（均方根）值為0.3 m。

圖1 計(jì)算中所加白噪聲的例子

表1給出了在計(jì)算過(guò)程中所加的鐘差的一個(gè)例子，它是2007年10月5日00:00:00 IGS所給出的GPS衛(wèi)星的星鐘差（見(jiàn)igs14475.sp3文件）。

表1 計(jì)算中所加的1組GPS衛(wèi)星鐘差

注：原文件中沒(méi)有給出第15號(hào)星的鐘差，這里的50.000 000μs是我們加進(jìn)去的，只有補(bǔ)充完整的衛(wèi)星鐘差，才能用來(lái)模擬星間鏈路數(shù)據(jù)。

獲得了GPS星座中衛(wèi)星的星間鏈路數(shù)據(jù)，根據(jù)星間鏈路的通信模式，我們就能推算出星座中某顆星發(fā)送信息時(shí)，有多少顆衛(wèi)星可以與之建立星間鏈路及星間鏈路的具體值。運(yùn)用本文的模擬方法，得到的星間鏈路模擬值如表2所示，由表2中數(shù)據(jù)可知，此次模擬結(jié)果中接收衛(wèi)星和發(fā)射衛(wèi)星間距離最大值是51 242 645.97 m（在2007年10月5日00:00:01的接收時(shí)刻2號(hào)星收到3號(hào)星發(fā)射的信號(hào)），最小值是13 278 557.94 m（在2007年10月1日00:00:00的接收時(shí)刻，9號(hào)星接收到2號(hào)星發(fā)射的信號(hào)）。

表2 星間鏈路的模擬值

注：表格中的“接收衛(wèi)星和發(fā)射衛(wèi)星間的距離/m”就是獲得的星間鏈路模擬值

3 結(jié)語(yǔ)

在初步了解了GPS衛(wèi)星系統(tǒng)的星間鏈路工作模式后，本文詳細(xì)討論了星間鏈路資料的產(chǎn)生方法，在考慮可視、噪聲及鐘差的情況下得到了星間鏈路的模擬值。獲得了星間鏈路資料，再結(jié)合預(yù)報(bào)軌道資料就可以開(kāi)展下一步的定軌工作。

本文模擬星間鏈路數(shù)據(jù)時(shí)只考慮了可視、噪聲和鐘差，對(duì)等離子體延遲、相對(duì)論效應(yīng)和不同頻率的衛(wèi)星信號(hào)間的硬件延遲偏差等影響，在后續(xù)的工作中需要予以考慮和研究。

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GPS Inter–satellite Link and Simulation of ISL Data

LIU Ya-qiong1,2,3, YANG Xu-hai1,2

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;2. Key Laboratory of Precision Navigation and Timing Technology, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;3. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China)

The inter-satellite link (ISL) is one of key techniques in the autonomous operation of satellite navigation system. This article mainly describes the mode of GPS ISL and focuses on the simulation method of the GPS ISL data. The data from GPS precise ephemeris published by IGS is densified to a time interval of 1 s, by using Chebyshev polynomial fitting method. First, the distance between two satellites at the time of signal receiving is set as the initial value. Then the moment of signal transmitting for the transmitting satellite is calculated iteratively. Therefore the pseudo-range observation between two satellites can be obtained. Coupled with the constraint conditions (e.g. noise, clock offsets), the simulated inter-satellite link data are obtained finally.

inter-satellite link; TDMA(time division multiple access); satellite navigation

2009-09-28

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2006AA12Z322）；中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向資助項(xiàng)目（KJUX2-YW-T12）；中國(guó)科學(xué)院西部之光聯(lián)合學(xué)者資助項(xiàng)目（2007LH01）

劉亞瓊，女，碩士，主要從事衛(wèi)星測(cè)定軌的數(shù)據(jù)處理工作。

P228.4

A

1674-0637(2010)01-0039-08