張蕾 嚴(yán)林 高翠東 臧榮春 陸波

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司, 北京 100094)

一種繞飛編隊(duì)衛(wèi)星星間鏈路系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方法

張蕾 嚴(yán)林 高翠東 臧榮春 陸波

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司, 北京 100094)

為了建立高精度相對定位編隊(duì)衛(wèi)星的星間鏈路，提出了一種基于GPS的繞飛編隊(duì)衛(wèi)星星間鏈路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。針對我國首次以InSAR為背景的任務(wù)，以某繞飛編隊(duì)星座星間鏈路系統(tǒng)總體方案為例，利用STK/MATLAB分析軟件，對天線覆蓋區(qū)與組陣進(jìn)行了仿真分析，并根據(jù)分析結(jié)果做了系統(tǒng)優(yōu)化，包括星間軌道構(gòu)型、天線設(shè)計(jì)組陣圖、天線安裝位置、鏈路預(yù)算、星間通信措施設(shè)計(jì)分析以及電磁兼容性分析等。結(jié)果表明：基于GPS的編隊(duì)衛(wèi)星能夠從系統(tǒng)角度優(yōu)化設(shè)計(jì)建立星間鏈路，從而完成編隊(duì)跟飛、繞飛期間的星間通信與測量任務(wù)，為衛(wèi)星建立星座構(gòu)型、相對定位測量提供了可靠、穩(wěn)定的傳輸通道。該設(shè)計(jì)方法可為同類衛(wèi)星或其他類型衛(wèi)星星間鏈路系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

編隊(duì)飛行衛(wèi)星；星間鏈路；總體設(shè)計(jì)

1 引言

隨著我國航天技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星應(yīng)用遍布遙感、導(dǎo)航、通信、新技術(shù)試驗(yàn)等領(lǐng)域，衛(wèi)星也從單顆衛(wèi)星發(fā)展到雙星、星座衛(wèi)星，其中，由多顆小衛(wèi)星編隊(duì)飛行、建立構(gòu)型，共同執(zhí)行空間任務(wù)的衛(wèi)星系統(tǒng)稱為編隊(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)[1-2]。

InSAR編隊(duì)是編隊(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)的一種，它對基線范圍要求嚴(yán)格，編隊(duì)構(gòu)型的尺度較小，而且對兩星之間相對位置的測量精度提出了厘米級的高要求。目前，國內(nèi)外高精度厘米級相對定位測量大多采用基于GPS的星間鏈路系統(tǒng)完成，通過將副衛(wèi)星上的GPS原始測量信息經(jīng)由空-空通信傳遞給主衛(wèi)星，主衛(wèi)星進(jìn)行雙差載波相位處理，得到厘米級高精度相對定位結(jié)果，多應(yīng)用于交會對接領(lǐng)域。美國自20世紀(jì)90年代開始進(jìn)行GPS相對測量的應(yīng)用研究，該項(xiàng)技術(shù)已發(fā)展成熟，交會對接全面步入自主交會對接階段，日本、歐洲航天局和瑞典等也已開展了星間相對測量的在軌應(yīng)用[3]。國內(nèi)在軌編隊(duì)飛行衛(wèi)星星座目前主要采用基于星間通信測距碼方法完成相對距離測量，精度達(dá)不到厘米級，利用GPS進(jìn)行相對定位的神舟-8、神舟-9飛船等交會對接飛行器精度能夠達(dá)到厘米級，但是在跟飛狀態(tài)下進(jìn)行相對測量，且星座構(gòu)型簡單、在軌執(zhí)行任務(wù)時間較短；而厘米級高精度星間相對定位測量是長時間連續(xù)雙差載波相位解算的結(jié)果，連續(xù)定位時間越長，相對定位結(jié)果精度越高，因此如何長時間保持在繞飛構(gòu)型下的星間鏈路系統(tǒng)信道穩(wěn)定、暢通是實(shí)現(xiàn)高精度相對定位結(jié)果的充分必要條件。

國內(nèi)現(xiàn)有的星間鏈路設(shè)計(jì)主要集中于分析幾何參數(shù)的變化和鏈路的動態(tài)特性研究[4-7]，對于其系統(tǒng)設(shè)計(jì)、總體策略設(shè)計(jì)和天線的仿真分析不足，因此為了解決國內(nèi)首次以InSAR為背景任務(wù)，雙星在小尺度繞飛編隊(duì)(1000～5000 m)構(gòu)型下，采用基于GPS的星間鏈路系統(tǒng)技術(shù)，本文以某繞飛編隊(duì)小衛(wèi)星為例，利用STK/MATLAB分析軟件進(jìn)行仿真，對其星間鏈路系統(tǒng)進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)，主要包括：①分析衛(wèi)星星間鏈路天線覆蓋區(qū)、星間鏈路天線安裝形式、星間鏈路天線安裝布局、星間通信可靠性措施設(shè)計(jì)分析以及星座衛(wèi)星中突出的電磁兼容性問題，并在此基礎(chǔ)上研究通用的星間鏈路總體設(shè)計(jì)方法；②對編隊(duì)衛(wèi)星飛行過程中運(yùn)動軌道的仿真，分析星間鏈路天線之間的指向角度范圍，進(jìn)而提出優(yōu)化星間鏈路通信質(zhì)量的天線布局方式。

2 繞飛編隊(duì)衛(wèi)星星間鏈路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想

星間鏈路的規(guī)劃和設(shè)計(jì)是編隊(duì)飛行衛(wèi)星進(jìn)行星間通信的關(guān)鍵技術(shù)之一，星間鏈路的總體規(guī)劃首先是根據(jù)總體的需求決定分系統(tǒng)組成，例如，若需要星座間亞厘米級絕對定位精度，需要考慮星間激光測距的微波通信鏈路；若星座間需要數(shù)據(jù)傳輸速率大于10 Mbit/s時，需要考慮激光通信，若需要達(dá)到厘米級相對定位精度，需要采用基于GPS的微波通信鏈路。

設(shè)計(jì)繞飛編隊(duì)衛(wèi)星星間鏈路系統(tǒng)在國內(nèi)尚屬首次，星座的幾何構(gòu)型是分析的重點(diǎn)，通過對星座軌道進(jìn)行仿真分析，得到星座間的相對位置關(guān)系。

由于繞飛編隊(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)是傳送低碼速率的GPS原始測量信息，因此可以仿照星-地的測控設(shè)計(jì)，采用成熟的S頻段測控天線，設(shè)計(jì)合理的組陣的方式(星間通信天線的天線數(shù)量和安裝位置)，為星間通信提供穩(wěn)定可靠的射頻通道，盡量減小干涉區(qū)域和通信中斷區(qū)域；通過仿真分析，得到星座衛(wèi)星一個軌道周期內(nèi)相對距離和相對速度變化率，選擇合適指標(biāo)的星間通信機(jī)，可采用S頻段星地測控應(yīng)答機(jī)的射頻通道設(shè)計(jì)；選擇合適的星間通信機(jī)發(fā)射功率；估算星間通信機(jī)至天線間的射頻損耗；根據(jù)衛(wèi)星軌道和星座，計(jì)算空間損耗；估算接收系統(tǒng)的噪聲溫度；估算出鏈路能承受的數(shù)據(jù)傳輸速率，并根據(jù)所要求的數(shù)據(jù)率計(jì)算信噪比(Eb/N0)；根據(jù)誤碼率要求查出相應(yīng)的信噪比，選擇合適的調(diào)制和編碼技術(shù)；計(jì)算鏈路裕度，即算出的預(yù)計(jì)值與要求值之差；星座衛(wèi)星電磁兼容性分析，由于星座衛(wèi)星組網(wǎng)距離較近，星座射頻設(shè)備的電磁兼容問題就比較突出，除了要考慮單顆衛(wèi)星內(nèi)部的電磁兼容問題，還要考慮星座的電磁兼容。同時，還要設(shè)計(jì)簡單的星間通信校驗(yàn)措施和備份手段進(jìn)行星間通信可靠性設(shè)計(jì)。

3 應(yīng)用實(shí)例

以某繞飛編隊(duì)衛(wèi)星星間鏈路系統(tǒng)為例，其物理模型、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法及其分析驗(yàn)證如下。

3.1物理模型

兩顆衛(wèi)星各裝有一套星間鏈路系統(tǒng)裝置，主要包括星間通信機(jī)、星間鏈路天線陣等設(shè)備，如圖1所示。

繞飛編隊(duì)星間鏈路系統(tǒng)要與GPS接收機(jī)、星務(wù)主機(jī)以及星上總線等協(xié)同工作。

圖1 星間高精度測量裝置組成框圖

3.2仿真分析計(jì)算

3.2.1 星座軌道構(gòu)型分析

在STK仿真場景中[8]，選取A、B衛(wèi)星的軌道要素，均為低軌太陽同步軌道，對星座天線覆蓋區(qū)進(jìn)行分析，從仿真結(jié)果得到A、B衛(wèi)星連接矢量在一個軌道周期分別與各自本體坐標(biāo)系X、Y、Z軸的夾角。其中，A衛(wèi)星與B衛(wèi)星連線矢量與A衛(wèi)星本體坐標(biāo)系X、Y、Z軸矢量的夾角如圖2所示，B衛(wèi)星與A衛(wèi)星連線矢量與B衛(wèi)星本體坐標(biāo)系X、Y、Z軸矢量的夾角類似，也得到相似的圖形。

圖2 連線矢量與A衛(wèi)星本體坐標(biāo)系X軸、Y軸、Z軸矢量的夾角

通過仿真結(jié)果得到A衛(wèi)星和B衛(wèi)星連接矢量分別與各自本體坐標(biāo)系的夾角在軌道周期內(nèi)類似，也就是說對A衛(wèi)星星間鏈路天線方向圖和對B衛(wèi)星星間鏈路天線方向圖的要求是相同的，分別為要求A、B衛(wèi)星星間鏈路天線覆蓋衛(wèi)星本體坐標(biāo)系X軸0°～180°、Y軸38°～145°、Z軸55°～130°的范圍，才能保證繞飛期間全時段通信。

3.2.2 星座天線分析

為保持連續(xù)穩(wěn)定的星間通信，要求兩衛(wèi)星星間通信天線必須能夠覆蓋所有的空間飛行區(qū)域，因此對星座天線覆蓋區(qū)進(jìn)行分析。天線考慮固定安裝，為了在編隊(duì)飛行期間星間通信天線覆蓋全空域和保持良好的幅頻增益特性和相頻特性，在仿真場景設(shè)計(jì)中，分別仿真了天線安裝于衛(wèi)星±X面異旋組陣工作、±X面同旋組陣工作、±Z面同旋組陣工作3種方案。

(1)星間天線安裝于±X面、異旋天線組陣示意如圖3、圖4所示，仿真方向圖如圖5所示，其中紅色線圈為設(shè)計(jì)的天線增益指標(biāo)-10 dBi，黑色曲線為仿真測試值(藍(lán)、綠曲線為刻度線)。

圖3 衛(wèi)星一前一后飛行

圖4 衛(wèi)星平行飛行

注：60°～120°、240°～300°為腰帶區(qū)。圖5 異旋天線組陣方向圖(XOY面)

(2)星間天線安裝于±X面、同旋天線組陣仿真方向圖如圖6所示。

(3)天線安裝于±Z面，同旋天線組陣。

當(dāng)采用方案(3)時，其組陣后的天線仿真方向圖類似圖6，但A、B衛(wèi)星星間鏈路天線是安裝于±Z面進(jìn)行星間鏈路通信，A衛(wèi)星始終是組陣后的干涉區(qū)與B衛(wèi)星天線組陣后的干涉區(qū)通信，這樣雖然能保證星間通信鏈路所需的電平，但能量利用較低，因此不選擇這種方式。方案(1)異旋天線組陣方向圖與方案(2)同旋天線組陣方向圖比較，可以看到，兩種天線組陣方式都有些許干涉區(qū)，相比較而言，異旋組陣圖腰帶區(qū)(見圖5)存在較小干涉區(qū)。在軌飛行期間， A衛(wèi)星軌道機(jī)動狀態(tài)時，若采用異旋組陣方式，信號傳輸過程中當(dāng)左、右旋接收時，接收信號會降低20 dB，有可能產(chǎn)生數(shù)據(jù)中斷。因此選擇方案(2)安裝于±X面的同旋組陣天線較優(yōu)。

圖6 同旋天線輻射方向圖(XOY面)

3.2.3 星座天線安裝位置分析

星座天線安裝位置的布局分析可以進(jìn)一步優(yōu)化星間通信設(shè)計(jì)，由于A衛(wèi)星的電推進(jìn)系統(tǒng)也裝于衛(wèi)星的+X和-X面上，考慮到電推進(jìn)羽流[9]對星間通信天線的影響，為確保通信信號的質(zhì)量，在星間通信天線安裝過程中，必須遠(yuǎn)離羽流密集區(qū)域。同樣，利用A、B衛(wèi)星的繞飛軌道參數(shù)，仿真分析得到B衛(wèi)星運(yùn)行軌跡在A衛(wèi)星+X面和-X面上的投影，如圖7中的粗虛線所示，粗虛線附近即為繞飛過程中兩星之間通信信號大致所占的通信區(qū)域，其中粗虛線與Y軸的夾角α約為35°。適當(dāng)調(diào)整A衛(wèi)星星間通信天線的安裝位置，使得當(dāng)B衛(wèi)星和A衛(wèi)星星間通信天線的連線適當(dāng)遠(yuǎn)離A衛(wèi)星電推進(jìn)系統(tǒng)，盡量減少羽流對星間通信質(zhì)量的影響。

由上述分析可以確定A衛(wèi)星星間通信天線安裝的優(yōu)化原則：

(1)星間通信天線各一副安裝于衛(wèi)星本體坐標(biāo)系下的+X和-X面上，天線電軸線與±X軸平行；

(2)安裝位置適當(dāng)遠(yuǎn)離電推進(jìn)系統(tǒng)，即到圖7所示粗虛線的垂直距離盡量遠(yuǎn)；

(3)安裝過程中要考慮電推進(jìn)系統(tǒng)和其它設(shè)備的遮擋效應(yīng)，星間通信天線在圖7所示通信區(qū)域內(nèi)不能受遮擋，并具有較好的增益特性；

(4)在表面特性比較復(fù)雜的-X面，星間通信天線應(yīng)該高于-X面的推進(jìn)艙，也要保持天線到-X面的距離，即到圖7(b)中粗虛線的距離盡量遠(yuǎn)。

圖7 B衛(wèi)星運(yùn)行軌跡在A衛(wèi)星+X面和-X面上的投影

3.2.4 星間鏈路分析

ISL天線仿照星-地的測控天線設(shè)計(jì)，采用成熟的S頻段測控天線(四臂螺旋)，天線方向圖實(shí)測值(見圖8)，分別對衛(wèi)星進(jìn)行最大通信距離的鏈路預(yù)算和兩衛(wèi)星編隊(duì)飛行時(跟飛、繞飛)的鏈路預(yù)算，跟飛期間的鏈路分析參數(shù)見表1，跟飛期間的鏈路余量如圖9所示；繞飛期間的鏈路余量如圖10所示。

圖8 天線增益圖

圖9 跟飛期間星間鏈路余量

圖10 繞飛期間星間鏈路余量

表1 ISL預(yù)算

從表1可以看出，跟飛期間兩衛(wèi)星距離為200 km時能建立通信鏈路，在兩星慢慢靠近，建立編隊(duì)構(gòu)型并保持繞飛狀態(tài)后，從圖10可以看出，由于天線腰帶干涉區(qū)的影響，繞飛期間除了可能會有兩次短暫失鎖情況，其余時間均能保證通信鏈路的通暢。

3.3星間通信可靠性措施設(shè)計(jì)

星間通信機(jī)設(shè)計(jì)采用雙相移鍵控(BPSK)調(diào)制方式，使用雙備份通信體制，以及數(shù)據(jù)校驗(yàn)措施來應(yīng)對星間通信。A衛(wèi)星星間通信機(jī)設(shè)計(jì)由接收機(jī)、解調(diào)器和下位機(jī)、電源4個模塊組成，為保證星間通信鏈路的可靠性，設(shè)計(jì)接收機(jī)、解調(diào)器電源為雙機(jī)熱備份，下位機(jī)為雙路冷備份，提高整機(jī)的可靠性。兩路接收機(jī)分別接收來自天線的射頻信號，并處理成中頻信號輸出給解調(diào)器；解調(diào)器完成解調(diào)、同步、校驗(yàn)后分成兩路輸出給下位機(jī)；下位機(jī)對星間通信機(jī)各模塊進(jìn)行管理，并對解調(diào)器輸出的兩路數(shù)據(jù)的校驗(yàn)標(biāo)志碼情況進(jìn)行選擇，若A路和B路解調(diào)信息均正確，下位機(jī)默認(rèn)選擇A路解調(diào)信息；若兩路中有一路解調(diào)信息正確，另一路不正確，則輸出正確路的信息；若兩路解調(diào)信息都不正確，則也默認(rèn)輸出A路解調(diào)信息，但置出標(biāo)志，以此措施來提取正確的GPS信息。

3.4電磁兼容設(shè)計(jì)

由于編隊(duì)衛(wèi)星星座距離更近，星座間星間鏈路電磁兼容性也就更加突出?？紤]到星間鏈路采用S頻段，于是S頻段星間鏈路與星地鏈路的多向干擾問題就是電磁兼容性試驗(yàn)(EMC)分析的重點(diǎn)。表2計(jì)算了B衛(wèi)星星間通信機(jī)發(fā)射到A衛(wèi)星應(yīng)答機(jī)接收的功率電平為-122.5 dBm；表3計(jì)算了B衛(wèi)星應(yīng)答機(jī)發(fā)射到A衛(wèi)星星間通信機(jī)接收的功率電平為-120.5 dBm，均滿足應(yīng)答機(jī)的靈敏度門限設(shè)計(jì)指標(biāo)。

表2 B衛(wèi)星星間通信機(jī)發(fā)射對A衛(wèi)星應(yīng)答機(jī)的干擾分析

表3 B衛(wèi)星應(yīng)答機(jī)發(fā)射對A衛(wèi)星星間通信機(jī)的干擾分析

4 結(jié)束語

本文對繞飛編隊(duì)衛(wèi)星星間鏈路系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，包括星間軌道構(gòu)型分析、天線設(shè)計(jì)組陣圖、天線安裝位置、鏈路預(yù)算等。作為國內(nèi)首次基于GPS的繞飛編隊(duì)衛(wèi)星星間鏈路系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)方法合理、有效，并通過了在軌飛行驗(yàn)證，能夠?yàn)楹罄m(xù)星座衛(wèi)星工程應(yīng)用提供有益的支撐，并可以為其他類型的星間鏈路總體設(shè)計(jì)提供借鑒。

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(編輯：李多)

Top-level Inter-satellite Link Subsystem Design Method for Satellite Formation

ZHANG Lei YAN Lin GAO Cuidong ZANG Rongchun LU Bo

(DFH Satellite Co. Ltd., Beijing 100094, China)

GPS-based top-level ISLS(inter-satellite link subsystem)design method for satellite formation is proposed in this paper, in order to satisfy the high-precision relative positioning requirement. By taking China’s first flying-around InSAR satellite formation as the target system, the coverage area of the ISLS antenna array is analyzed by using STK/MATLAB. The system optimization work for orbit design, antenna pattern, link budget, positioning accuracy and electromagnetic compatibility is also done. The results show that GPS-based satellite formations can establish top-level optimized inter-satellite links to finish the communication and positioning task during the whole flying-around or with-flying by providing reliable communication and positioning links. The proposed method can be a valuable reference for satellite formations ISLS design.

formation satellites; inter-satellite link(ISL); top-level design

2014-04-02；

：2014-04-20

國家重大科技專項(xiàng)工程

張蕾，女，工程師，從事小衛(wèi)星測控、星間鏈路系統(tǒng)研究。Email：miyaner1981@aliyun.com。

443

：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2014.03.005