北斗卫星注入校验信息传输时延分析及优化

高士峰 郑晋军 汪路元 张睿 冯文婧 郭莹 闫旭

(1 北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

(2 中国空间技术研究院通信与导航卫星总体部,北京 100094)

(3 中国空间技术研究院卫星应用总体部,北京 100094)

北斗导航卫星系统利用星间链路、星地链路将卫星、测控站、运控站各信息终端有序连接,成为天地一体化卫星导航综合信息传输系统,完成各类信息的传输、处理[1-2]。北斗卫星导航系统所提供的导航定位服务依赖于卫星播发的广播星历、卫星钟差和卫星历书等导航电文,这类信息通过地面运控站上行注入至卫星进行处理、播发,注入信息正确性对维持导航系统运行有着重要意义[3]。导航卫星系统传输的信息按功能可分为导航卫星业务信息、卫星平台控制信息、卫星自主管理信息等。其中,导航卫星业务信息包括导航上行注入信息、下行导航业务信息、下行导航电文信息、星间链路信息等多种类型[4],各类信息传输频度、路径、实时性、信息量各不相同。下行导航业务信息中的注入校验信息用于验证上行注入数据的正确性,该信息通过卫星载荷注入天线接收,处理后通过平台测控天线下传,信息传输路径经过平台和载荷多个处理节点,传输路径复杂;且该信息用于上行注入数据闭环校验及错误重注,具有较高的实时性要求,要求卫星系统有较低的处理时延。因此,本文结合卫星系统信息流设计,重点针对注入校验这类典型信息的传输处理方法开展分析研究,进行优化设计。

1 上行注入校验信息传输需求

上行注入校验信息主要用于L 频段上行注入信息的闭环校验及错误重注。地面站将上行注入信息每个帧分成m 个子帧段,每个子帧长度为N(单位:bit),见图1。数据校验对每个子帧采用循环冗余校验方法,即在每个子帧后面加入循环冗余校验码(Cyclic Redundancy Check,CRC)校验值[5]。卫星每收到1个子帧的上行注入信息,即采用与地面站相同的校验方法计算每个子帧的CRC校验值,并与地面上注的CRC 校验结果进行比对,将CRC 校验结果正确与否的标识再通过下传通道发送给运控系统,运控系统将根据CRC校验结果判断此帧信息是否需要重注,见图2。

图1 上行注入CRC校验信息帧结构Fig.1 Structure of uploading data CRC

图2 上行注入及重注示意图Fig.2 Diagram of uploading and reloading

运控系统在上行注入导航信息的过程中,需要根据CRC 校验信息判断注入信息的正确性,对CRC校验错误的信息及时进行重注。因此,上行注入校验信息具有实时性要求高的特点,对卫星的信息处理时延提出了较高的要求。

2 基于星间链路的星座信息传输

北斗导航卫星星座采用基于星间链路的星座信息传输方案,实现全球星座星地一体化信息传输,可视卫星与非可视卫星之间利用全球系统星间链路,传输运控管理信息(包括运控上行注入和运控回传数据)、测控管理信息(包括遥控及星座管理数据上注分发和遥测数据下传)等,实现地面对整网卫星连续不间断的星座信息传输控制能力[6]。星座信息包括以下3部分[7],如图3所示。

图3 基于星间链路的星座信息传输Fig.3 Constellation information transmission based on inter-satellite links

(1)上行信息传输:通过S频段测控上行链路或者L频段上行链路进行传输,选取任意一颗节点卫星进行上注(为了减少星地链路切换次数,可以选取地面站可见时间最长的卫星),节点卫星负责将信息转发给地面站不可见卫星。

(2)下行信息传输:通过S频段测控下行链路进行传输,按照流量均匀分配的原则,按时隙维护一张下传节点卫星表,每个时隙各有对应的下传节点卫星,每个地面站对导航卫星星座可视情况为任意时刻至少可见6颗[8],卫星将需要下传到地面的信息通过星间路由转发给节点卫星,节点卫星再通过S频段测控下行链路将其转发至地面站。

(3)星间信息传输:利用Ka频段星间链路进行星间双向测距信息、L频段上行注入信息、S频段测控上下行信息、自主导航业务信息传输。

北斗导航卫星星座采用相控阵星间链路,是一种非连续的按时隙切换的星间链路网络。每个通信时隙周期为TX,即每个节点星与互连节点星传输时间为TX,在下一个时隙切换至下一个节点星,星座信息在网络中传输的次数用跳数P表示,星座信息的最大传输时延可表示为:

式中:TS为星座信息最大传输时延;P 为跳数(通常1≤P ≤5);TN为星内节点时延;TL为链路时延。

由于星内节点和链路的信息传输时延总和远小于通信时隙周期,因此,星座信息的的传输时延主要取决于跳数,对高实时性信息在路由规划时尽量减少跳数,或者不采用星间链路,直接通过本星下传。

3 星内信息传输流程

根据上行注入校验信息的处理需求,信息由L链路上注后通过S链路遥测下行,需要卫星载荷和平台处理设备协同完成信息传输处理,注入校验信息在卫星系统内的传输流程为:上行注入校验信息通过运控L通道上注至卫星导航业务处理单元,导航业务处理单元将CRC 校验结果信息传输至数据处理单元,由数据处理单元组成符合高级在轨系统[9](Advanced Orbit System,AOS)遥测格式的遥测数据后,通过测控应答机以及测控天线,最终发往地面,由地面站接收。整个流程如图4所示。

图4 卫星注入校验信息传输流程图Fig.4 Satellite injection verification informations transmission flow chart

4 星内信息传输时延分析

为了满足高实时性要求,将上行注入校验信息的生成/下传频度设计为1次/1 s。上行注入校验信息在导航卫星内各个处理节点及传输流程如图5所示,按照各个传输环节对传输时延进行逐项分析。

图5 卫星上行注入校验信息各个处理节点及传输流程Fig.5 Each processing node and transmission process for injection verification information

1)导航业务节点传输时延

导航业务节点时延按照上行注入单元与导航业务处理单元信息交互过程进行分析,从上行注入单元收到最后1 bit上行注入数据开始,需要经过如下的处理:

(1)上行注入单元对接收到的注入数据进行解调处理,再完成数据组包,等待导航业务处理单元读取,分析各环节及软件处理最大延时100 ms;

(2)导航业务处理单元每100 ms 通过内部1553B总线获取一次上行注入单元的数据,因此,该数据最大要等待100 ms才能被导航读取,最大延时100 ms;

(3)导航业务处理单元接收到上行注入数据后,生成注入校验信息,每秒定时给数据处理单元发送1次上行注入校验信息,因此,从导航接收到注入数据到完成校验信息组帧发送最大延时为1000 ms。

根据上述分析,将3个环节的延时累加,得到上行注入校验信息在星上的最大时延,约为1200 ms(图6)。

图6 导航业务节点处理时延Fig.6 Processing time delay of navigation node

2)中心数据节点传输时延

中心数据节点传输时延指的是数据处理单元硬件设备完整收到一次上行注入校验信息时刻起,到数据处理单元将包含该次上行注入校验信息的业务遥测数据通过硬件完整的发送至测控应答机为止时的时延。

数据处理单元生成业务遥测数据的时刻是由数据处理单元设备进行定时,而导航业务处理单元发送注入校验遥测的时刻是由导航业务处理单元定时发送,为异步时序关系。因此两个时间点的相对位置取决于两台设备的加电时间。

下面分析时延最小和最大的两种时序情况,如图7和图8所示,Ti(i＝0,1,2,3)表示遥测生成时刻(间隔1 s),Xi(i＝0,1,2,3)表示对应Ti时刻所生成的遥测帧开始发送的时刻(与生成周期一致间隔也为1 s),Ci(i＝0,1,2,3)表示数据处理单元收到注入校验信息时刻(间隔1 s)。图中T0时刻组织C0时刻收到的注入校验信息,X0时刻发送T0时刻组织的遥测帧。

图7 数据处理单元最小时延时序图Fig.7 Timing diagram of minimum delay for data processing unit

图8 数据处理单元最大时延时序图Fig.8 Timing diagram of maximum delay for data processing unit

设中心数据节点的传输时延为Td,则

式中:Δt为Ti和Ci之间的相对间隔,由导航业务处理单元和数据处理单元设备的加电时刻决定,范围大约为50～1000 ms;设500 ms为数据处理单元从组织遥测到开始下传的固定时延;Tc为向测控应答机发送业务遥测数据的处理时间,约为100 ms。

因此,中心数据节点的传输时延Td为650～1600 ms。

3)测控节点传输时延

测控应答机接收数据处理单元送来的整星遥测数据,直接调制在下行载波信号上,从接收到遥测数据到调制在载波信号上发射的时间不超过1 ms。

4)通道传输时延

根据传输数据量及通道传输速率分析通道传输时延累计不超过100 ms。

5)初步分析结论

根据上述分析结果,卫星接收到完整的上行注入信息至把校验信息通过测控天线发出的处理时延不超过3000 ms,如图9所示。

图9 卫星处理时延初步分析Fig.9 Preliminary analysis of satellite processing time delay

5 时延优化改进措施

5.1 导航业务节点传输时延优化

根据用户系统的反馈意见,3000 ms时延较难满足运控系统的要求,需要进行优化。因此在上述时延初步分析的基础上,对信息传输设计进行了优化改进,在满足工程实现性的基础上对传输时延进行了压缩,以满足用户要求。

根据第4节的分析过程,时延压缩主要从导航业务节点、数据处理节点、测控节点、通道传输4个方面进行。在通道速率固定的情况下,测控节点、通道传输时延均无压缩的空间,时延压缩主要从导航业务节点和中心数据节点着手考虑。

导航每秒给数据处理单元发送1次注入校验信息,因此从导航接收到注入数据到完成校验信息组帧发送最大延时为1 s,重点针对该项考虑压缩策略。

可行的策略为:通过运控对上行注入时间进行控制,在导航发送数据处理单元注入校验时刻前0～200 ms内生成校验信息,可将该项时间压缩至200 ms。

具体实现方式为(图10):星地时间同步以后,运控地面站可以根据卫星时间信息对上行注入时间进行控制,在卫星整秒脉冲时刻开始上行注入,在1 s内完成注入,考虑空间传输时延,最后1 bit信息最大会在下一个整秒脉冲时刻之后延时120 ms到达卫星,导航在整秒脉冲时刻后400～600 ms发送注入校验信息,这样可以实现在校验信息发送前及时更新,将导航业务节点的1200 ms压缩至最大600 ms(含星地传输时延)。

图10 压缩后导航业务节点处理时延Fig.10 Processing time delay of navigation node after compression

5.2 中心数据节点传输时延优化

数据处理单元时延主要部分为第4.2节中描述的Δt,该时延受导航业务处理单元和数据处理单元设备加电和软件任务运行周期相对时间的影响,取值范围大约为50～950 ms。可行的方案是通过有效的减小Δt,从而减少导航注入校验信息的下传时延。

由第4.2节中描述可知,目前Δt的时延取决于接收到导航注入校验信息的时刻Ci和遥测生成时刻Ti之前的差值,原有的设计将导航注入校验遥测的生成时刻固定,间隔为1000 ms。

中心数据节点设备和导航业务节点设备的硬件和软件任务独立,软件任务分别由各自独立的硬件时钟源驱动,独立运行。因此在改进方案权衡中,不采用工程可实现性较差的同步系统设计思路,而是主要针对遥测生成时刻进行改进设计,具体改进思路为将导航注入校验信息的生成时刻修改为动态,每个遥测周期都主动查询当前是否接收到注入校验信息,如果收到,本遥测周期内首先组织导航的注入校验信息,其他的遥测输入都依次后推。

下面分析优化改进后时延最小和最大的两种时序情况。如图11和图12所示,Tj(j＝0,1,2,3)表示遥测生成时刻(间隔1 s),Xj(j＝0,1,2,3)表示对应Tj时刻所生成的遥测帧开始发送的时刻(与生成周期一致间隔也为1 s),Cj(j＝0,1,2,3)表示数据处理单元收到注入校验信息时刻(间隔1000 ms)。图中T0时刻组织C0时刻收到的注入校验信息,X0时刻发送T0时刻组织的遥测帧。

图11 改进后最小时延时序图Fig.11 Timing diagram of minimum delay after improvement

图12 改进后最大时延时序图Fig.12 Timing diagram of maximum delay after improvement

设中心数据节点优化后时延为Ty,则

式中:Δt1为Tj和Cj之间的相对间隔,改进后约为50～500 ms;500 ms为数据处理单元从组织遥测到开始下传的固定时延;Tc为向测控应答机发送业务遥测数据的处理时间,约为100 ms。

因此,中心数据节点优化后时延Ty为650～1100 ms。

5.3 优化结论

采取压缩优化策略后,卫星接收到完整的上行注入信息至把校验信息通过测控天线发出的处理时延约为1200～1800 ms,如图13所示。

图13 压缩优化后卫星处理时延Fig.13 Satellite processing time delay after optimization

6 在轨验证

北斗导航卫星组网后,对卫星遥测数据进行了分析,图14给出了业务遥测数据的下传间隔遥测数据,范围为50～510 ms,对应5.2节优化后的Δt1,可见数据处理单元对注入校验信息进行了动态调度处理,接收后立即组织下传,验证了优化措施的有效性。

图14 业务遥测数据下传动态调度特性Fig.14 Dynamic scheduling characteristics of business telemetry data download

在遥测数据分析的基础上,根据地面站实时解算的星地时差对上行注入校验信息的传输时延进行分析计算,得出的实际传输时延范围为1310～1750 ms,见图15,进一步验证了时延分析结果的正确性。

图15 卫星在轨测试时延Fig.15 Satellite in-orbit test delay

7 结束语

本文设计了北斗卫星上行注入校验信息的传输方案和传输流程,对传输时延进行了分析评价,对关键节点提出优化改进措施,将传输时延优化压缩至1200～1800 ms,处理方法具有较好的工程实现性,可以有效地满足注入校验信息的高实时性要求。通过在轨测试数据的分析,验证了优化措施的有效性和分析数据的合理性,可以有效地满足卫星工程应用的需求。