北斗導(dǎo)航星座星間通信速率控制方法

李獻斌，王建，范廣騰，楊志璽

（軍事科學(xué)院 國防科技創(chuàng)新研究院，北京100071）

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在交通、漁業(yè)、水文、氣象、林業(yè)、通信、電力、救援等諸多領(lǐng)域均取得了廣泛應(yīng)用，深深地改變著人們的生活和生產(chǎn)方式［1］。位置、速度、授時（Position，Velocity and Time，PVT）的精度、完好性、連續(xù)性和可用性是評估衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能的四大指標(biāo)［2］。導(dǎo)航系統(tǒng)革新與升級的過程也即是不斷采取新技術(shù)、新手段提升這些性能的過程。在眾多用于改進導(dǎo)航系統(tǒng)性能的技術(shù)中，星間鏈路技術(shù)成為近年來人們研究的熱點，在導(dǎo)航衛(wèi)星間構(gòu)建測距和傳輸鏈路可以大幅度提高星歷預(yù)報精度，使星座具備長時間自主定軌能力，建設(shè)星間鏈路已成為當(dāng)前各個全球?qū)Ш较到y(tǒng)的重要共識［3-5］。

北斗導(dǎo)航星座在全球組網(wǎng)建設(shè)中，第18、19顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星首次建立了基于Ka相控陣天線的星間鏈路，并在后續(xù)導(dǎo)航衛(wèi)星上也配置了星間鏈路單元［6］，開始逐漸發(fā)揮作用。當(dāng)前國內(nèi)外關(guān)于北斗導(dǎo)航星間鏈路的研究熱點主要集中在星間精密測距［7-10］、自主定軌與星地聯(lián)合定軌［11-16］、星間組網(wǎng)規(guī)劃［17-18］等方面。但北斗導(dǎo)航星間鏈路的功能和定位不僅僅局限于精密測距和自主定軌，北斗衛(wèi)星全球?qū)Ш较到y(tǒng)建成以后，將成為中國首個具備全球全天時覆蓋能力的星座，北斗導(dǎo)航衛(wèi)星之間的數(shù)據(jù)傳輸不僅可以服務(wù)于導(dǎo)航系統(tǒng)本身，也可以用于全球任意地點信息的不落地回傳，實現(xiàn)“一星通，一網(wǎng)通”，對于破解中國無法全球布站的困境具有重要的現(xiàn)實意義。針對導(dǎo)航星座星間數(shù)據(jù)傳輸問題，也有一些相關(guān)的研究，涉及信號體制、傳輸協(xié)議、拓撲路由、編碼控制等。文獻

［19］提出了一種測距通信一體化的導(dǎo)航星座星間鏈路無線信號結(jié)構(gòu)，該信號結(jié)構(gòu)采用非均衡QPSK調(diào)制模式，包括測距信道和通信信道，測距信道和通信信道的信道功率根據(jù)鏈路預(yù)算進行配比，通信信道的速率也可進行調(diào)整，但沒有給出速率調(diào)整的算法和依據(jù)。文獻［20］借鑒了數(shù)字衛(wèi)星廣播的思路，提出了通過采用自適應(yīng)編碼控制的方式來提高全球?qū)Ш较到y(tǒng)的星間數(shù)據(jù)傳輸效益，起到了較好的效果，但該方法在帶來效益提升的同時，頻繁的編碼調(diào)整也給星上解調(diào)帶來較大的計算負擔(dān)。文獻［21］從組網(wǎng)協(xié)議設(shè)計的角度入手，提出了基于CCSDS（Consultative Comm ittee for Space Data System）的北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信息傳輸接入模型，來提高星間信息傳輸?shù)臅r效性和可靠性，也是解決問題的一種有效方式，但解決的是接入層的問題。

本文針對北斗導(dǎo)航星座星間傳輸效能問題，從星間數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘柲Ｐ腿胧?，定量分析了星間信號通信速率與信道變化特性的關(guān)系，給出了基于星歷的星間距離計算過程，在此基礎(chǔ)上提出了基于導(dǎo)航星歷的星間通信速率控制方法，以北斗導(dǎo)航系統(tǒng)中的MEO星座為對象，區(qū)分同軌道面和異軌道面衛(wèi)星，仿真評估了本文方法的傳輸效能，驗證了方法的有效性。

1 星間傳輸信號模型

衛(wèi)星數(shù)字通信中，廣泛采用非平衡QPSK信號結(jié)構(gòu)，其同相支路和正交支路傳輸不相干的兩路獨立數(shù)據(jù)流，可以采用不同的碼速率和功率，以較好的兼顧測距和通信功能，星間鏈路中也廣泛采用了此類信號結(jié)構(gòu)［19］。該信號結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中：i表示發(fā)射衛(wèi)星，j表示接收衛(wèi)星，測量幀對應(yīng)同相支路，通信幀對應(yīng)正交支路，測量幀的功率幅度AijC和通信幀的功率幅度AijP不同，可根據(jù)測量和通信的性能要求進行配比。其中，測量幀的數(shù)據(jù)速率遠低于通信幀的數(shù)據(jù)速率，且測距信道與通信信道嚴(yán)格時間同步，在測距信道同步后可完全實現(xiàn)通信信道位同步、幀同步，以降低硬件資源消耗。

圖1 星間測距通信一體化信號結(jié)構(gòu)Fig.1 Integrated signal structure of inter-satellite ranging communication

2 基于星歷的星間通信速率控制方法

2.1 星間通信的速率計算

式中：發(fā)射機功率Pt、發(fā)射天線增益Gt、接收天線增益Gr、發(fā)射信號頻率f和接收機的噪聲溫度T可預(yù)先測定。因此，對于給定的誤碼率需求PBER，只要得知星間的距離dij，即可計算出信號的位通信速率Rb。

2.2 基于星歷的星間距離計算

其中：λ為軌道面傾角；ΔΩ為雙星的升交點赤經(jīng)之差；ui、uj分別為兩星的相位。

綜上，星間距離可以表示為

根據(jù)北斗衛(wèi)星空中接口控制文件［24］，上述參數(shù)均可從衛(wèi)星播發(fā)的廣播星歷中獲得。這些廣播星歷也可以作為星間通信內(nèi)容的一部分在星間傳輸。這樣，單顆衛(wèi)星既有自身的星歷，又可通過星間通信獲得目標(biāo)星的星歷，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)式（12）即可計算得到星間距離。

2.3 星間通信速率控制方法流程

由于式（11）中雙星的相位ui、uj隨時間變化，衛(wèi)星間距離是時變量，對于固定的兩顆衛(wèi)星之間建鏈，隨著時間的不同，星間距離也不同；當(dāng)某一衛(wèi)星與不同衛(wèi)星建鏈時，目標(biāo)星不同，星間距離也存在差異。因此，星間通信時如果將通信速率設(shè)定為固定值，勢必要考慮距離最遠、Eb／N0最差的情況。但對于距離較近的星間鏈路，此時信號的空間衰減較小，接收信號的質(zhì)量較好，如果仍采用最差情況下的通信速率，必然會造成傳輸能力的冗余和浪費。從這點出發(fā)，基于信號傳輸模型和星間距離的分析，提出一種基于導(dǎo)航星歷的星間通信速率控制方法，以適應(yīng)星間傳輸特性的變化，方法流程如圖2所示。

為了使接收方能夠及時掌握傳輸信號的速率變化情況，準(zhǔn)確解調(diào)信息，需要在發(fā)送的有效數(shù)據(jù)前加入速率指示位，如圖3所示。當(dāng)接收方解析出速率指示后，可以根據(jù)信號速率對數(shù)據(jù)幀進行解調(diào)。

圖2 基于星歷的星間通信速率控制方法Fig.2 Inter-satellite communication rate control method based on ephemeris

圖3 星間通信數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)Fig.3 Frame structure of inter-satellite communication data

3 仿真分析

3.1 北斗導(dǎo)航星座構(gòu)型

北斗三號（全球組網(wǎng)星）標(biāo)稱空間星座由3顆GEO衛(wèi)星、3顆IGSO衛(wèi)星和24顆MEO衛(wèi)星組成，并視情部署在軌備份衛(wèi)星。GEO衛(wèi)星軌道高度為35 786 km，分別定點于東經(jīng)80°、110.5°和140°。IGSO衛(wèi)星軌道高度為35 786 km，軌道傾角為55°。MEO衛(wèi)星軌道高度為21 528 km，軌道傾角為55°，回歸周期為7天13圈，相位從Walker24／3／1星座中選擇，第一軌道面升交點赤經(jīng)為0°［25］。

根據(jù)星座設(shè)計，MEO衛(wèi)星數(shù)量占到了星座衛(wèi)星總數(shù)的80%，是導(dǎo)航星座提供全球服務(wù)能力的主要依托，因此仿真計算針對MEO衛(wèi)星展開，其構(gòu)型如圖4所示。

圖4 北斗導(dǎo)航星座MEO星座構(gòu)型Fig.4 MEO constellation configuration of Beidou navigation constellation

3.2 同軌道面星間通信仿真分析

不失一般性，以第一軌道面的衛(wèi)星為例進行分析，計算M11衛(wèi)星與同軌道其他衛(wèi)星之間的距離。對于同軌道面衛(wèi)星，升交點赤經(jīng)相同，此時ΔΩ＝0，根據(jù)式（10）、式（11）可得

cosα ＝cos（ui－uj） （13）

由于同軌道面衛(wèi)星圍繞地球同向運動，相互之間的相位差ui－uj為固定值，如圖4所示，此時星間距離不隨時間變化。根據(jù)文獻［24］給定的參數(shù)，利用式（8）可以計算M11衛(wèi)星與M12、M13、M14衛(wèi)星之間的距離，結(jié)果如表1所示。由于M15與M11衛(wèi)星被地球遮擋無法直視，計算時不予考慮。另外，M18、M17、M16與M12、M13、M14位置對稱，在此也不做重復(fù)計算。

基于表1中的星間距離，根據(jù)式（7）可以計算出信息通信速率Rb。計算時，各個參數(shù)的設(shè)置值如表2所示。

星間通信仿真計算時，通常將通信誤碼率設(shè)為10－6，本算例中也按該值設(shè)定［26］。根據(jù)式（7）計算得到星間通信速率分別為51.57、15.10和8.85 Kbit／s，對應(yīng)的鏈路如圖5所示。

表1 M 11與同軌道面衛(wèi)星之間的距離Tab le 1 Distances between M 11 and satellites in the sam e orbit

3.3 異軌道面星間通信仿真分析

北斗MEO衛(wèi)星分布在3個軌道面，異軌道面衛(wèi)星間距離是時變量，具體數(shù)值可以基于衛(wèi)星星歷由式（12）計算得到。由于MEO衛(wèi)星的星座構(gòu)型為Walker星座，分析時以M11衛(wèi)星到第二軌道面衛(wèi)星距離為例展開，M11與第三軌道面衛(wèi)星間的距離可參照進行。經(jīng)過計算，星間距離變化情況如圖6所示。

計算結(jié)果表明，星間距離最大值為55 587 km，對應(yīng)M11衛(wèi)星與M23衛(wèi)星之間的鏈路，星間距離最小值為21 443 km，對應(yīng)M11衛(wèi)星與M21衛(wèi)星之間的鏈路。根據(jù)方法流程，基于表2中的參數(shù)配置，在給定誤碼率為10－6的情況下，可以根據(jù)式（7）計算得到星間通信速率，計算結(jié)果如圖7所示?？梢姡ㄐ潘俾孰S時間不斷發(fā)生變化，變化范圍為7.6～51.1 Kbit／s。

表2 星間通信鏈路中的參數(shù)設(shè)置Tab le 2 Param eter setting of in ter-satellite comm unication links

圖5 第一軌道面衛(wèi)星間通信速率Fig.5 Inter-satellite communication rate in the first orbit plane

圖6 M11衛(wèi)星與第二軌道面星間距離Fig.6 Distances between M 11 and satellites in the second orbit plane

系統(tǒng)實現(xiàn)時，并不要求通信速率完全隨時間瞬變，可以進行離散化采樣以簡化控制。以M11與M25衛(wèi)星間通信為例，按照5 Kbit／s為一個量化階梯進行離散化處理。例如，通信速率在35～40 Kbit／s之間時取值35 Kbit／s，30～35 Kbit／s之間時取值30 Kbit／s。依次類推，經(jīng)過離散化后的通信速率配置如圖8所示。

圖7 M 11衛(wèi)星與第二軌道面衛(wèi)星間通信速率Fig.7 Inter-satellite communication rate of M11 and satellites in the second orbit plane

圖8 離散化的M11衛(wèi)星與M25衛(wèi)星通信速率Fig.8 Discretized communication rate between M11 and M25

3.4 傳輸效能分析

對采用本文方法前后的2種情況進行對比分析，首先考慮同軌道面衛(wèi)星間通信的情況。根據(jù)上述分析，如果未采用本文方法，而是利用固定速率傳輸，那么通信速率應(yīng)該滿足距離最大的鏈路，即M11與M14之間的鏈路，此時通信速率為8.85 Kbit／s。采用本文方法后，不同衛(wèi)星間的通信速率可以不同配置，M11與M12、M13、M14衛(wèi)星之間的通信速率可分別配置為51.57、15.10和8.85 Kbit／s。那么，采用本文方法后的傳輸效率提高8.53倍。

以M11衛(wèi)星與M21衛(wèi)星之間的鏈路為例分析，采用本文方法得到的通信速率曲線如圖9中虛線所示，對應(yīng)的S1為傳輸數(shù)據(jù)量。而未采用本文方法情況，通信速率固定，為最小值8.85 Kbit／s，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量如圖9中斜紋區(qū)域S2所示。根據(jù)式（14）定量分析，可以得到傳輸效率比為2.48。

依照此方法，對M11與第二軌道面其余衛(wèi)星之間的鏈路進行分析，可得采用本文方法后帶來的傳輸效率提升，如圖10所示。

從圖10中可以看出，采用本文方法后傳輸效能帶來了明顯的增加，最低提高了1.43倍，最高提高了8.3倍。綜合考慮同軌道面和異軌道面2類情況，M11衛(wèi)星與星座內(nèi)其他衛(wèi)星建鏈時，若采用固定速率，需要考慮最遠距離，即M11與M23通信時對應(yīng)的最大距離55 587 km，此時通信速率為7.6 Kbit／s；采用本文方法后，通信速率隨信道變化而調(diào)整，最高速率可達51.57 Kbit／s，總體效能可提高1.92倍。

圖9 M11衛(wèi)星與M21衛(wèi)星間傳輸效能對比Fig.9 Comparison of transmission efficiency between M11 and M21

圖10 M 11與第二軌道面衛(wèi)星間傳輸效能對比Fig.10 Comparison of transmission efficiency between M 11 and satellites in the second orbit plane

4 結(jié) 論

北斗導(dǎo)航星座星間通信速率控制方法利用北斗衛(wèi)星自有的導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)來估計信道狀態(tài)的實時變化，而后基于此估計動態(tài)調(diào)整星間信號通信速率，以提高數(shù)據(jù)傳輸效能，分析表明：

1）導(dǎo)航星座星間通信傳輸鏈路具有時變特性，采用固定通信速率會造成傳輸能力的冗余和浪費。

2）充分利用了導(dǎo)航衛(wèi)星自身具有的導(dǎo)航電文資源，在滿足用戶通信質(zhì)量需求的前提下調(diào)整星間通信速率。采用本文方法后，星間數(shù)據(jù)傳輸效能可提高1.92倍。

3）針對北斗導(dǎo)航星座進行了特定分析，但原理和思想可拓展應(yīng)用到其他全球?qū)Ш较到y(tǒng)中。

為了簡化分析，突出方法設(shè)計和流程，在分析時未考慮北斗導(dǎo)航系統(tǒng)中的GEO衛(wèi)星和IGSO衛(wèi)星，可在后續(xù)的研究中加以補充。此外，傳輸效能分析時未結(jié)合星座星間組網(wǎng)規(guī)劃，也可作為后續(xù)研究的方向。