基于射頻的導(dǎo)航衛(wèi)星星間鏈路信息傳輸與仿真研究

張國(guó)柱

（國(guó)防科技大學(xué)，湖南長(zhǎng)沙410073）

1 引 言

作為應(yīng)用廣泛的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和精準(zhǔn)服務(wù)在軍事國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)中都發(fā)揮著舉足輕重的作用。 導(dǎo)航衛(wèi)星的軌道確定和時(shí)間同步是導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)行控制的核心任務(wù)，依賴于星間精密測(cè)距和數(shù)據(jù)高效傳輸實(shí)現(xiàn)。 星間鏈路是為實(shí)現(xiàn)星間測(cè)距和通信而建立的射頻鏈路或光學(xué)鏈路，逐漸成為增強(qiáng)地面系統(tǒng)管控能力和自主運(yùn)行能力的關(guān)鍵技術(shù)。

目前，導(dǎo)航衛(wèi)星的星間鏈路研究和建設(shè)主要基于射頻波段。 作為最早實(shí)現(xiàn)星間測(cè)距和通信的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，美國(guó)的GPS 在Block －IIR 系列衛(wèi)星上搭載了UHF 頻段的星間鏈路［1，2］。 其他GNSS 系統(tǒng)同樣將從超高頻（UHF）到極高頻（EHF）的若干頻段作為星間鏈路建設(shè)初期的選擇。 射頻波段的星間鏈路技術(shù)成熟度高，失敗風(fēng)險(xiǎn)小，但無(wú)線電帶寬低也限制了其數(shù)據(jù)傳輸效率，而激光鏈路具有極高的載波頻率和帶寬，數(shù)據(jù)傳輸率更高，設(shè)備更小更緊湊，更加適合空間網(wǎng)絡(luò)通信［3，4］。

本文在對(duì)導(dǎo)航星座網(wǎng)絡(luò)星間鏈路技術(shù)分析的基礎(chǔ)上，研究星間鏈路頻段選擇對(duì)導(dǎo)航信息傳輸效率的影響，從天線特征，多址控制方式和鏈路分配等方面分析了射頻鏈路的工作體制，并應(yīng)用OPNET平臺(tái)建立導(dǎo)航信息傳輸仿真模型，通過(guò)信息傳輸實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，驗(yàn)證了基于射頻鏈路導(dǎo)航信息傳輸?shù)目尚行院陀行浴?/p>

2 星間鏈路工作體制分析

星間鏈路是實(shí)現(xiàn)星間信息傳輸和數(shù)據(jù)交換的通信鏈路，最早應(yīng)用于跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)以及各種通信衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 根據(jù)采用的傳輸介質(zhì)，星間鏈路分為射頻鏈路和激光鏈路［2］。 本節(jié)針對(duì)不同頻段的星間鏈路，從天線波束，信息傳輸性能以及建鏈策略等方面，對(duì)不同頻段星間鏈路的工作體制進(jìn)行分析。

2.1 星間鏈路頻段分析

目前，導(dǎo)航衛(wèi)星的星間鏈路研究和建設(shè)主要基于射頻波段，根據(jù)國(guó)際電聯(lián)對(duì)星間業(yè)務(wù)的頻段劃分，導(dǎo)航衛(wèi)星的射頻鏈路由主要集中在UHF 頻段和Ka 頻段［5］。 空間激光測(cè)量和通信技術(shù)具有通信速率高、容量大、抗干擾和保密性好等顯著特點(diǎn)，逐步應(yīng)用到衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星間鏈路的研究和建設(shè)。 根據(jù)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)和星間鏈路頻段選擇的研究情況，可以看出導(dǎo)航衛(wèi)星星間鏈路采用的頻段呈現(xiàn)向高頻發(fā)展的趨勢(shì)。 下面分別從物理屬性、衛(wèi)星平臺(tái)以及技術(shù)特征方面比較三種頻段的星間鏈路，見表1。

表1 三種頻段星間鏈路的特征比較Tab.1 Characteristic comparison of three bands of inter satellite links

通過(guò)三種頻段星間鏈路的特征分析，可以看到激光鏈路由于頻帶寬，波束窄，通信容量大，因此具有更加精密的測(cè)距精度和更好的數(shù)據(jù)傳輸率。 但由于其發(fā)射波束窄不易捕獲，終端精確對(duì)準(zhǔn)困難，對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)。 由于激光鏈路的技術(shù)復(fù)雜度較高，使得現(xiàn)階段研究更多地集中在星地信息傳輸和星間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，而基于激光鏈路的導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)星間測(cè)距和信息傳輸研究較少［6，7］。

根據(jù)前向性設(shè)計(jì)原則及射頻鏈路研究現(xiàn)狀，本文著重介紹基于射頻鏈路的導(dǎo)航信息傳輸效率問(wèn)題。

2.2 寬波束時(shí)分體制

采用UHF 頻段的射頻鏈路通常裝配寬波束天線，在天線覆蓋范圍內(nèi)的可視衛(wèi)星均可選擇建鏈，因此寬波束星間鏈路組網(wǎng)方式較多，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)容易建立。 對(duì)于寬波束天線的星間鏈路，通常采用時(shí)分多址的工作體制，將運(yùn)行周期劃分為合理的時(shí)隙，然后再規(guī)劃各衛(wèi)星的星間測(cè)距和通信業(yè)務(wù)時(shí)序。由于導(dǎo)航衛(wèi)星的運(yùn)行具有周期性和可預(yù)測(cè)性，基于時(shí)分體制的寬波束鏈路可以借鑒FSA 的思想［8］。

整個(gè)星座周期（Constellation Period）根據(jù)星間可見性劃分為m 個(gè)等間隔拓?fù)鋾r(shí)段（Topo State），在每個(gè)時(shí)段內(nèi)認(rèn)為星間拓?fù)涔潭ú蛔儭?每個(gè)拓?fù)鋾r(shí)段再劃分為n 個(gè)建鏈周期（ Lc），建鏈周期進(jìn)一步劃分為k 個(gè)建鏈時(shí)隙（Slot），衛(wèi)星在每個(gè)時(shí)隙內(nèi)選擇合適對(duì)象建鏈，進(jìn)行星間測(cè)距和通信。 對(duì)于寬波束射頻鏈路，整個(gè)星座的導(dǎo)航衛(wèi)星按照建鏈時(shí)隙輪流發(fā)射信號(hào)，與其他可視衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)距，并完成信息傳輸。 因此，這種星間鏈路的工作體制稱為輪詢時(shí)分體制，如圖1所示。

圖1 寬波束鏈路的輪詢時(shí)分體制示意圖Fig.1 Schematic diagram of polling time-division scheme for wide-beam links

3 星間鏈路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

導(dǎo)航衛(wèi)星之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使得空間網(wǎng)絡(luò)具有高動(dòng)態(tài)性和時(shí)變特性。 因此，導(dǎo)航衛(wèi)星的天線指向決定了能否快速地完成星間鏈路的建立。 UHF頻段鏈路利用天線波束較寬的優(yōu)點(diǎn)，可以在波束覆蓋范圍內(nèi)進(jìn)行組網(wǎng)選擇，鏈路設(shè)計(jì)較為容易。 針對(duì)UHF 頻段鏈路的特點(diǎn)，在工作體制分析的基礎(chǔ)上，研究相應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，為導(dǎo)航信息傳輸提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

寬波束鏈路分配方法：導(dǎo)航衛(wèi)星之間的配對(duì)關(guān)系構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，決定著信息傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。 基于時(shí)分體制的寬波束鏈路，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚哂袝r(shí)變特征。 由于導(dǎo)航衛(wèi)星星上能源和計(jì)算能力有限，每顆衛(wèi)星所能攜帶鏈路數(shù)量受限，任意時(shí)刻導(dǎo)航星座組成的星間網(wǎng)絡(luò)具有非聯(lián)通性，構(gòu)成了典型的延遲容忍網(wǎng)絡(luò)（Delay Tolerant Network，DTN）。 對(duì)于時(shí)分寬波束鏈路的導(dǎo)航衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，建鏈過(guò)程可用一個(gè)鏈路分配矩陣L 描述，如圖2所示。 鏈路分配矩陣中行代表衛(wèi)星編號(hào)i，列代表建鏈時(shí)隙k。 若Li，k＝j(luò)，則表示衛(wèi)星i 在時(shí)隙k 與衛(wèi)星j 配對(duì)建鏈。

圖2 基于時(shí)分寬波束天線的鏈路分配矩陣示意圖Fig.2 Link allocation matrix based on time division wide beam antenna

4 仿真實(shí)驗(yàn)

根據(jù)星間鏈路頻段、工作體制及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析，未來(lái)導(dǎo)航衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)建設(shè)應(yīng)著重發(fā)展星間鏈路技術(shù)，充分利用星間測(cè)距和通信的優(yōu)勢(shì)，提升系統(tǒng)服務(wù)精度和自主導(dǎo)航能力。 在前文理論分析的基礎(chǔ)上，本節(jié)針對(duì)北斗全球?qū)Ш较到y(tǒng)，應(yīng)用OPNET 仿真平臺(tái)分析射頻鏈路的導(dǎo)航信息傳輸效率。

首先，根據(jù)北斗全球?qū)Ш较到y(tǒng)組網(wǎng)情況構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)模型，如圖3所示。 北斗全球?qū)Ш较到y(tǒng)由GEO、IGSO和MEO 三個(gè)軌道的衛(wèi)星組成，衛(wèi)星軌道參數(shù)見表2。其中GEO 星座和IGSO 星座均由3 顆衛(wèi)星組成，具有對(duì)全球覆蓋性，MEO 星座由24 顆MEO 衛(wèi)星組成，采用Walker 24／3／1 構(gòu)型。 按照表2 中的軌道配置參數(shù)構(gòu)建STK 仿真場(chǎng)景，將相關(guān)軌道信息導(dǎo)入OPNET 網(wǎng)絡(luò)模型，導(dǎo)航衛(wèi)星將沿著導(dǎo)入的軌道自主運(yùn)行。

圖3 北斗導(dǎo)航系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層模型示意圖Fig.3 Network Layer Model of Beidou Navigation System

表2 衛(wèi)星軌道參數(shù)Tab.2 Satellite orbital parameter

然后，結(jié)合各通信節(jié)點(diǎn)功能特性，構(gòu)建其節(jié)點(diǎn)域模型和進(jìn)程域模型，通過(guò)進(jìn)程域模型進(jìn)行導(dǎo)航信息傳輸效率的仿真實(shí)驗(yàn)。 星間鏈路屬性在節(jié)點(diǎn)層的收發(fā)天線模塊設(shè)置為：微波鏈路型，信道速率10Mbps，信道帶寬50MHz，觀測(cè)周期1d。

為充分驗(yàn)證射頻鏈路的通信性能，仿真中選擇數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延和跳數(shù)作為統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，同時(shí)統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值，如圖4 至圖7所示。 仿真結(jié)果證明射頻鏈路數(shù)據(jù)傳輸性能穩(wěn)定且技術(shù)成熟，現(xiàn)有衛(wèi)星星間鏈路采用射頻鏈路完全可行。

圖4 射頻鏈路數(shù)據(jù)傳輸跳數(shù)隨仿真周期變化曲線圖Fig.4 Data transmission hops of radio frequency link vary with simulation period

圖5 射頻鏈路數(shù)據(jù)傳輸跳數(shù)平均值隨仿真周期變化曲線圖Fig.5 The average hop number of radio frequency link data transmission varies with the simulation period

圖6 射頻鏈路數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延平均值隨仿真周期變化曲線圖Fig.6 The mean data delay of radio frequency link varies with the period of simulation

圖7 射頻鏈路數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延隨仿真周期變化曲線圖Fig.7 Data transmission delay of radio frequency link varies with simulation period

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的建設(shè)情況和發(fā)展趨勢(shì)，本文在理論上分析了不同頻段星間鏈路的技術(shù)特征，工作體制和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并基于OPNET 的仿真實(shí)驗(yàn)證明了基于射頻鏈路導(dǎo)航信息傳輸?shù)目尚行院陀行浴?根據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)空間組網(wǎng)和信息傳輸需求，導(dǎo)航衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)采用星間鏈路能夠提升系統(tǒng)服務(wù)精度和自主導(dǎo)航能力。 基于射頻鏈路的星間鏈路技術(shù)成熟，可以在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中大規(guī)模應(yīng)用。