基于龍芯處理板的星間鏈路管理實(shí)現(xiàn)

范玲玲，林寶軍

（1.中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 上海200050；2.上海微小衛(wèi)星工程中心 上海 201203）

基于龍芯處理板的星間鏈路管理實(shí)現(xiàn)

范玲玲1，2，林寶軍2

（1.中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 上海200050；2.上海微小衛(wèi)星工程中心 上海 201203）

針對(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)中，Ka窄波束星間鏈路對(duì)指向控制模型精度需求，通過(guò)了對(duì)時(shí)間系統(tǒng)模型及空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型的深入研究采用衛(wèi)星直接控制的方法利用整網(wǎng)歷書(shū)計(jì)算衛(wèi)星位置，并通過(guò)時(shí)間和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到高精度的指向角度，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)通信。結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并與STK仿真結(jié)果對(duì)比，及在龍芯處理板上應(yīng)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(zhí)行時(shí)間為0.002 6 s，滿(mǎn)足Ka鏈路4°和星間數(shù)據(jù)處理時(shí)間50 ms的要求，具有工程可實(shí)現(xiàn)性。

衛(wèi)星系統(tǒng)；星間鏈路；指向；龍芯處理板

導(dǎo)航系統(tǒng)星間鏈路是全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，它可以解決地面測(cè)控站較少的問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)行?？梢蕴岣邔?dǎo)航衛(wèi)星星座系統(tǒng)生存能力[1]。為此，中國(guó)已計(jì)劃在全球?qū)Ш较到y(tǒng)中建設(shè)星間鏈路，以實(shí)現(xiàn)依靠較少地面站實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)行和全球覆蓋[2-3]。

GPS系統(tǒng)是全球?qū)Ш较到y(tǒng)最早實(shí)現(xiàn)星間鏈路的，自Block IIR衛(wèi)星開(kāi)始便安裝了具有自主導(dǎo)航功能的星間鏈路收發(fā)設(shè)備，星間頻段為UHF（250～290 MHz）。到目前為止，UFH星間鏈路已經(jīng)發(fā)展成熟，但由于UHF本身存在干擾嚴(yán)重、擁擠，傳輸速率低的缺點(diǎn)，使得其不得不往更高頻段發(fā)展，美國(guó)已經(jīng)計(jì)劃在GPS III衛(wèi)星上開(kāi)發(fā)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(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和歐盟的Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以及中國(guó)的北斗系統(tǒng)也在規(guī)劃和開(kāi)發(fā)各自導(dǎo)航星座的星間鏈路。其中俄羅斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的GLONASS-K已具備了星間鏈路功能[4]。

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)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(guān)鍵之一?，F(xiàn)有對(duì)星間鏈路指向的研究多為天線(xiàn)的物理結(jié)構(gòu)及衛(wèi)星星間幾何關(guān)系對(duì)指向精度上午影響，而對(duì)于星間鏈路指向程控精度的研究則較少[5]。用戶(hù)星中繼終端天線(xiàn)指向算法[10]雖然指向精度只有0.06度，但由于其輸入為衛(wèi)星慣性系下坐標(biāo)，不滿(mǎn)足本研究衛(wèi)星歷書(shū)作為輸入的需求，且地心地固系與J2000慣性系的轉(zhuǎn)換本身就存在很大的誤差。

文中將詳細(xì)描述一種適用于本場(chǎng)景的工程可實(shí)現(xiàn)的高精度窄帶星建鏈路指向模型算法。

1 坐標(biāo)系統(tǒng)與時(shí)間系統(tǒng)

1.1 坐標(biāo)系統(tǒng)及時(shí)間系統(tǒng)概述

為得到精確的建鏈指向角度，作為準(zhǔn)備知識(shí)這里先介紹一些坐標(biāo)系統(tǒng)及時(shí)間系統(tǒng)的知識(shí)。

1.1.1 坐標(biāo)系統(tǒng)

文中涉及到的坐標(biāo)系主要有地心地固坐標(biāo)系[11]，J2000慣性坐標(biāo)系，星體坐標(biāo)系，天線(xiàn)本體坐標(biāo)系。

1）地心地固坐標(biāo)系

地心地固坐標(biāo)系是以地球球心作為原點(diǎn)，以赤道面作為基準(zhǔn)平面，x軸指向格林尼治子午線(xiàn)（即0經(jīng)度）方向，而y軸指向東經(jīng)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(biāo)系是隨著地球一起旋轉(zhuǎn)的。

2）J2000慣性坐標(biāo)系

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

3）星體坐標(biāo)系

已知質(zhì)心軌道坐標(biāo)系以衛(wèi)星質(zhì)心為原點(diǎn)，以軌道平面為基準(zhǔn)平面，x軸為衛(wèi)星飛行速度方向，z軸指向地心，y軸與x軸、z軸構(gòu)成右手系。假設(shè)衛(wèi)星姿態(tài)參考坐標(biāo)系與質(zhì)心軌道坐標(biāo)系重合，則星體坐標(biāo)系與衛(wèi)星姿態(tài)參考坐標(biāo)系的關(guān)系由姿態(tài)角（滾動(dòng)角、俯仰角、偏航角）來(lái)決定。圖 1中sxoyozo坐標(biāo)系為星體坐標(biāo)系，oxyz為J2000慣性坐標(biāo)系。

圖1 J2000系與星體系幾何關(guān)系

4）天線(xiàn)本體坐標(biāo)系

天線(xiàn)本體系是與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系固連的坐標(biāo)系，原點(diǎn)位于天線(xiàn)質(zhì)心，當(dāng)天線(xiàn)處于零位時(shí)，x軸、y軸、z軸方向與衛(wèi)星本體系方向是一致的。

1.1.2 時(shí)間系統(tǒng)

對(duì)于導(dǎo)航系統(tǒng)而言時(shí)間具有非常重要的意義，所以有必要對(duì)常用的時(shí)間系統(tǒng)做一些了解。下面對(duì)文中用到的一些時(shí)間系統(tǒng)做簡(jiǎn)單介紹。

1）國(guó)際原子時(shí)TAI

國(guó)際原子時(shí)是建立在原子能躍遷的基礎(chǔ)上的時(shí)間系統(tǒng)，具有極高的穩(wěn)定性和精密度。它是一個(gè)均勻的時(shí)間尺度，但是它不能反映地球自轉(zhuǎn)的特性。故在計(jì)算衛(wèi)星系統(tǒng)的有關(guān)問(wèn)題時(shí)不太適用。

2）世界時(shí)

世界時(shí)[12]UT1是根據(jù)地球自轉(zhuǎn)建立的時(shí)間系統(tǒng)。它是一個(gè)非均勻的時(shí)間尺度，是用來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)24小時(shí)固定的平均的太陽(yáng)日長(zhǎng)度，長(zhǎng)期來(lái)看比原子時(shí)的秒長(zhǎng)要長(zhǎng)。為了能方便的描述衛(wèi)星系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，需要一種既具有均勻時(shí)間尺度又能反映地球自轉(zhuǎn)特性的時(shí)間系統(tǒng)，即協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC。

UTC是從1972年1月1日世界時(shí)0時(shí)開(kāi)始實(shí)施，它與原子時(shí)具有相同的秒長(zhǎng)，并通過(guò)跳秒在時(shí)刻上與UT1保持在0.9 s之內(nèi)以反映地球自轉(zhuǎn)特性。因此UTC實(shí)際上是一種原子時(shí)系統(tǒng)，并與TAI相差整秒數(shù)。

3）恒星時(shí)

格林尼治恒星時(shí)就是通常所說(shuō)的格林尼治時(shí)角SG，指的是瞬時(shí)平春分點(diǎn)和格林尼治子午圈之間的夾角，它是地球自轉(zhuǎn)最之間的度量，可以用角度或時(shí)間來(lái)表示。

4）GPS時(shí)和北斗時(shí)BDT

GPS時(shí)間和BDT時(shí)間都是一種原子時(shí)系統(tǒng)。GPS時(shí)間在1980年6月6日時(shí)與UTC相同，故它與原子時(shí)TAI慢19 s，而B(niǎo)DT是從2006年1月1日起算，并在當(dāng)時(shí)與UTC相同，故它與TAI相差33 s。

1.2 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

1.2.1 地固系到J2000慣性系轉(zhuǎn)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(gè)格林尼治恒星時(shí)角，即地球自轉(zhuǎn)矩陣（ER）T。然而由于地球瞬時(shí)自轉(zhuǎn)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(dòng)，故轉(zhuǎn)換過(guò)程中需要加入極移矩陣（EP）T。同時(shí)由于歲差、章動(dòng)的影響使得地心赤道慣性系不斷變化，故地固系轉(zhuǎn)到J2000慣性系還需加入歲差矩陣（PR）T和章動(dòng)矩陣（NR）T[13]。其轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖 2所示。

圖2 地心赤道轉(zhuǎn)換關(guān)系

1.2.2 J2000慣性系到發(fā)送星本體系轉(zhuǎn)換

從J2000慣性系轉(zhuǎn)換到衛(wèi)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(yùn)算量較低[4]。故本算法采用直接法。

直接轉(zhuǎn)換方法是根據(jù)J2000慣性系和星體系幾何關(guān)系得到的，如圖1所示，可得其轉(zhuǎn)化矩陣R[][]計(jì)算公式：

其中r為發(fā)送星在慣性系中的位置矢量，r˙為發(fā)送星的速度矢量。

1.2.3 衛(wèi)星本體系到天線(xiàn)本體系轉(zhuǎn)換

由天線(xiàn)本體系的定義可知從衛(wèi)星本體系到天線(xiàn)本體系的轉(zhuǎn)換只需要經(jīng)過(guò)衛(wèi)星姿態(tài)轉(zhuǎn)換即可。轉(zhuǎn)換矩陣為：

其中，θ，φ，φ為俯仰角、滾動(dòng)角和偏航角。

2 星間鏈路指向模型

目前，天線(xiàn)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(dǎo)航星之間實(shí)現(xiàn)星間鏈路要求其具有實(shí)時(shí)性，則選擇星上自主控制作為導(dǎo)航系統(tǒng)星間鏈路天線(xiàn)指向控制方案。

要想實(shí)現(xiàn)星上自主控制天線(xiàn)指向，建鏈星需要具備以下條件：

1）建鏈的兩顆衛(wèi)星的發(fā)送時(shí)刻和接收時(shí)刻；

2）發(fā)送星發(fā)送時(shí)刻的位置和接受星接收時(shí)刻的位置；3）信號(hào)傳輸時(shí)延。

2.1 指向模型

在導(dǎo)航系統(tǒng)中每顆衛(wèi)星都可以通過(guò)計(jì)算本星歷書(shū)獲得自身地固系位置，同時(shí)也可獲得整網(wǎng)衛(wèi)星的歷書(shū)，在此基礎(chǔ)上本星只需讀取建鏈規(guī)劃表以獲得衛(wèi)星的建鏈時(shí)刻，即可以實(shí)現(xiàn)本星程控指向它星實(shí)現(xiàn)通信的目的。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖 3所示。該算法首先從建鏈規(guī)劃表中獲取下一時(shí)刻需要建鏈的衛(wèi)星號(hào)，并從整網(wǎng)歷書(shū)中提取對(duì)應(yīng)時(shí)刻衛(wèi)星歷書(shū)。

圖3 星間鏈路指向模型

利用衛(wèi)星歷書(shū)計(jì)算出衛(wèi)星地固系位置[2]，并依據(jù)第1章中介紹的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換理論將坐標(biāo)經(jīng)過(guò)地固系、慣性系、衛(wèi)星本體系、天線(xiàn)本體系轉(zhuǎn)換，最后得到衛(wèi)星指向矢量（xAB，yAB，zAB），則有衛(wèi)星程控指向離軸角和方位角為：

整個(gè)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是以BDT為時(shí)間基準(zhǔn)，但是每顆衛(wèi)星使用的時(shí)鐘與真正的BDT又有差別，稱(chēng)為鐘差。如圖 4所示，這里假設(shè)通道時(shí)延為0，Δt為測(cè)量的傳播時(shí)延，δtA和δtB為發(fā)送星和接收星的鐘差修正，則toa為真正的信號(hào)傳輸時(shí)延。

圖4 傳輸時(shí)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(jī)上VC環(huán)境下進(jìn)行仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)中一組歷書(shū)使用一周，利用本研究算法每1.5 s輸出一組值，時(shí)間上符合實(shí)際衛(wèi)星星座建鏈時(shí)隙。并且選擇STK仿真作為標(biāo)準(zhǔn)參考，利用AGI網(wǎng)上公報(bào)的TLE歷書(shū)對(duì)本算法進(jìn)行驗(yàn)證。分析其誤差可知其方位角Az，俯仰角Ei，到達(dá)時(shí)間TOA與STK仿真結(jié)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(dá)時(shí)間誤差為10e-5，具有較高精度，滿(mǎn)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(dá)時(shí)間TOA及其與STK比較誤差error-TOA

同時(shí)，將該指向控制算法在龍芯處理板上實(shí)現(xiàn)，最后生成的o文件大小為18 kbyte，運(yùn)行1次的時(shí)間大概為0.002 6 s。滿(mǎn)足衛(wèi)星50 ms數(shù)據(jù)處理需求。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)窄帶星間鏈路對(duì)指向精度要求，文中提出一種詳細(xì)的工程可實(shí)現(xiàn)的建鏈控制指向算法，并在某型號(hào)衛(wèi)星的龍芯處理板上得到實(shí)現(xiàn)，滿(mǎn)足時(shí)間，空間復(fù)雜度要求且精度小于0.04度，具有工程可實(shí)現(xiàn)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(hào)：201512111

范玲玲（1989—），女，山西大同人，碩士。研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用與技術(shù)。