基于射频的导航卫星星间链路信息传输与仿真研究

张国柱

（国防科技大学，湖南长沙410073）

1 引 言

作为应用广泛的空间信息基础设施，卫星导航系统的稳定运行和精准服务在军事国防和国民经济中都发挥着举足轻重的作用。 导航卫星的轨道确定和时间同步是导航系统运行控制的核心任务，依赖于星间精密测距和数据高效传输实现。 星间链路是为实现星间测距和通信而建立的射频链路或光学链路，逐渐成为增强地面系统管控能力和自主运行能力的关键技术。

目前，导航卫星的星间链路研究和建设主要基于射频波段。 作为最早实现星间测距和通信的卫星导航系统，美国的GPS 在Block －IIR 系列卫星上搭载了UHF 频段的星间链路［1，2］。 其他GNSS 系统同样将从超高频（UHF）到极高频（EHF）的若干频段作为星间链路建设初期的选择。 射频波段的星间链路技术成熟度高，失败风险小，但无线电带宽低也限制了其数据传输效率，而激光链路具有极高的载波频率和带宽，数据传输率更高，设备更小更紧凑，更加适合空间网络通信［3，4］。

本文在对导航星座网络星间链路技术分析的基础上，研究星间链路频段选择对导航信息传输效率的影响，从天线特征，多址控制方式和链路分配等方面分析了射频链路的工作体制，并应用OPNET平台建立导航信息传输仿真模型，通过信息传输实验结果的分析，验证了基于射频链路导航信息传输的可行性和有效性。

2 星间链路工作体制分析

星间链路是实现星间信息传输和数据交换的通信链路，最早应用于跟踪与数据中继卫星系统以及各种通信卫星网络系统。 根据采用的传输介质，星间链路分为射频链路和激光链路［2］。 本节针对不同频段的星间链路，从天线波束，信息传输性能以及建链策略等方面，对不同频段星间链路的工作体制进行分析。

2.1 星间链路频段分析

目前，导航卫星的星间链路研究和建设主要基于射频波段，根据国际电联对星间业务的频段划分，导航卫星的射频链路由主要集中在UHF 频段和Ka 频段［5］。 空间激光测量和通信技术具有通信速率高、容量大、抗干扰和保密性好等显著特点，逐步应用到卫星导航系统星间链路的研究和建设。 根据全球导航卫星系统建设和星间链路频段选择的研究情况，可以看出导航卫星星间链路采用的频段呈现向高频发展的趋势。 下面分别从物理属性、卫星平台以及技术特征方面比较三种频段的星间链路，见表1。

表1 三种频段星间链路的特征比较Tab.1 Characteristic comparison of three bands of inter satellite links

通过三种频段星间链路的特征分析，可以看到激光链路由于频带宽，波束窄，通信容量大，因此具有更加精密的测距精度和更好的数据传输率。 但由于其发射波束窄不易捕获，终端精确对准困难，对拓扑结构建立带来很大的挑战。 由于激光链路的技术复杂度较高，使得现阶段研究更多地集中在星地信息传输和星间点对点的通信，而基于激光链路的导航网络星间测距和信息传输研究较少［6，7］。

根据前向性设计原则及射频链路研究现状，本文着重介绍基于射频链路的导航信息传输效率问题。

2.2 宽波束时分体制

采用UHF 频段的射频链路通常装配宽波束天线，在天线覆盖范围内的可视卫星均可选择建链，因此宽波束星间链路组网方式较多，拓扑结构容易建立。 对于宽波束天线的星间链路，通常采用时分多址的工作体制，将运行周期划分为合理的时隙，然后再规划各卫星的星间测距和通信业务时序。由于导航卫星的运行具有周期性和可预测性，基于时分体制的宽波束链路可以借鉴FSA 的思想［8］。

整个星座周期（Constellation Period）根据星间可见性划分为m 个等间隔拓扑时段（Topo State），在每个时段内认为星间拓扑固定不变。 每个拓扑时段再划分为n 个建链周期（ Lc），建链周期进一步划分为k 个建链时隙（Slot），卫星在每个时隙内选择合适对象建链，进行星间测距和通信。 对于宽波束射频链路，整个星座的导航卫星按照建链时隙轮流发射信号，与其他可视卫星进行测距，并完成信息传输。 因此，这种星间链路的工作体制称为轮询时分体制，如图1所示。

图1 宽波束链路的轮询时分体制示意图Fig.1 Schematic diagram of polling time-division scheme for wide-beam links

3 星间链路拓扑结构设计

导航卫星之间存在相对运动，使得空间网络具有高动态性和时变特性。 因此，导航卫星的天线指向决定了能否快速地完成星间链路的建立。 UHF频段链路利用天线波束较宽的优点，可以在波束覆盖范围内进行组网选择，链路设计较为容易。 针对UHF 频段链路的特点，在工作体制分析的基础上，研究相应的拓扑结构设计方法，为导航信息传输提供结构基础。

宽波束链路分配方法：导航卫星之间的配对关系构成了网络拓扑结构，决定着信息传输的结构基础。 基于时分体制的宽波束链路，网络拓扑具有时变特征。 由于导航卫星星上能源和计算能力有限，每颗卫星所能携带链路数量受限，任意时刻导航星座组成的星间网络具有非联通性，构成了典型的延迟容忍网络（Delay Tolerant Network，DTN）。 对于时分宽波束链路的导航卫星网络，建链过程可用一个链路分配矩阵L 描述，如图2所示。 链路分配矩阵中行代表卫星编号i，列代表建链时隙k。 若Li，k＝j，则表示卫星i 在时隙k 与卫星j 配对建链。

图2 基于时分宽波束天线的链路分配矩阵示意图Fig.2 Link allocation matrix based on time division wide beam antenna

4 仿真实验

根据星间链路频段、工作体制及拓扑结构的分析，未来导航卫星网络建设应着重发展星间链路技术，充分利用星间测距和通信的优势，提升系统服务精度和自主导航能力。 在前文理论分析的基础上，本节针对北斗全球导航系统，应用OPNET 仿真平台分析射频链路的导航信息传输效率。

首先，根据北斗全球导航系统组网情况构建网络模型，如图3所示。 北斗全球导航系统由GEO、IGSO和MEO 三个轨道的卫星组成，卫星轨道参数见表2。其中GEO 星座和IGSO 星座均由3 颗卫星组成，具有对全球覆盖性，MEO 星座由24 颗MEO 卫星组成，采用Walker 24／3／1 构型。 按照表2 中的轨道配置参数构建STK 仿真场景，将相关轨道信息导入OPNET 网络模型，导航卫星将沿着导入的轨道自主运行。

图3 北斗导航系统网络层模型示意图Fig.3 Network Layer Model of Beidou Navigation System

表2 卫星轨道参数Tab.2 Satellite orbital parameter

然后，结合各通信节点功能特性，构建其节点域模型和进程域模型，通过进程域模型进行导航信息传输效率的仿真实验。 星间链路属性在节点层的收发天线模块设置为：微波链路型，信道速率10Mbps，信道带宽50MHz，观测周期1d。

为充分验证射频链路的通信性能，仿真中选择数据传输的时延和跳数作为统计指标，同时统计实验结果的平均值，如图4 至图7所示。 仿真结果证明射频链路数据传输性能稳定且技术成熟，现有卫星星间链路采用射频链路完全可行。

图4 射频链路数据传输跳数随仿真周期变化曲线图Fig.4 Data transmission hops of radio frequency link vary with simulation period

图5 射频链路数据传输跳数平均值随仿真周期变化曲线图Fig.5 The average hop number of radio frequency link data transmission varies with the simulation period

图6 射频链路数据传输时延平均值随仿真周期变化曲线图Fig.6 The mean data delay of radio frequency link varies with the period of simulation

图7 射频链路数据传输时延随仿真周期变化曲线图Fig.7 Data transmission delay of radio frequency link varies with simulation period

5 结束语

针对全球导航卫星系统的建设情况和发展趋势，本文在理论上分析了不同频段星间链路的技术特征，工作体制和拓扑结构，并基于OPNET 的仿真实验证明了基于射频链路导航信息传输的可行性和有效性。 根据导航系统空间组网和信息传输需求，导航卫星网络采用星间链路能够提升系统服务精度和自主导航能力。 基于射频链路的星间链路技术成熟，可以在卫星导航系统中大规模应用。