申景詩左莉華賀瑞康旭輝

（1山東航天電子技術(shù)研究所，山東煙臺 264670）（2航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094）

基于Proximity－1協(xié)議的星間測距與時間同步技術(shù)研究

申景詩1左莉華2賀瑞1康旭輝1

（1山東航天電子技術(shù)研究所，山東煙臺 264670）（2航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094）

衛(wèi)星之間信息交互、星間相對測距及時間同步是衛(wèi)星星座與編隊衛(wèi)星飛行任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)。文章利用空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會（CCSDS）Proximity－1協(xié)議中給出的時間業(yè)務(wù)，提出了一種非相干雙向測距／時間同步方法，在星間信息傳輸?shù)耐瑫r完成星間高精度測距，并詳細(xì)給出了算法的計算公式推導(dǎo)和模型誤差分析，理論分析和實驗仿真結(jié)果表明：文章提出的方法具有較高的測距／時間同步精度，且功能集成度高，可為星間鏈路的建設(shè)提供技術(shù)支持。

Proximity－1協(xié)議；星間通信；非相干測距；時間同步

1 引言

為實現(xiàn)空間目標(biāo)的精確測量、準(zhǔn)確跟蹤、全空域覆蓋、實時操控，以及提高測控系統(tǒng)的生存能力，衛(wèi)星星座［1－2］與編隊衛(wèi)星飛行技術(shù)［3－5］已成為當(dāng)前研究的重點。星座以及編隊中各衛(wèi)星之間的協(xié)同控制、自主運行的重要前提是，實現(xiàn)星間相對測距和時間同步并建立信息交互鏈路［6］。

星間測距和時間同步的傳統(tǒng)方式是利用地面設(shè)備對衛(wèi)星星座進(jìn)行測量，存在成本高、同步精度低、設(shè)備復(fù)雜等問題。利用星間鏈路進(jìn)行星間相對自主測量可以使衛(wèi)星無須依賴地面測控設(shè)備，僅依靠自身跟蹤與測量設(shè)備完成測距和時間同步以及信息的交互。這樣可以減輕地面的工作負(fù)擔(dān)，同時還能有效避免大氣層引入的測量誤差，有利于提高測量精度。

CCSDS Proximity－1協(xié)議是CCSDS開發(fā)的一個應(yīng)用于空間任務(wù)的雙向空間鏈路協(xié)議［7－9］，充分考慮了近距鏈路具有的信號延遲小、強(qiáng)度適中、通信時間短且不受約束等特點，為建立一個穩(wěn)定可靠的空間傳輸鏈路提供了一種實現(xiàn)手段。CCSDS Proximity－1協(xié)議的時間業(yè)務(wù)能完成星間時鐘的傳遞，進(jìn)而實現(xiàn)時差相對測距、時鐘校準(zhǔn)。

本文針對CCSDS Proximity－1協(xié)議中提供的時間業(yè)務(wù)展開研究，重點是主星和從星之間時間校準(zhǔn)和雙星之間時差相對測距的實現(xiàn)方法。參考CCSDS Proximity－1協(xié)議提供的非相干時差測距方法，在星間信息傳輸?shù)耐瑫r實現(xiàn)星間高精度測距。并在指定的信號體制和時鐘穩(wěn)定度條件下，優(yōu)化電文的設(shè)計、捕獲、跟蹤算法設(shè)計，盡可能提高測距精度。

2 CCSDS Proximity－1協(xié)議

CCSDS Proximity－1協(xié)議支持多種空間數(shù)據(jù)在各種近距離空間鏈路上的有效可靠傳遞。其分層模型由兩層組成，分別是物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，其中數(shù)據(jù)鏈路層又分為五個子層，即編碼和同步子層、傳輸幀子層、介質(zhì)訪問控制（Media Access Control，MAC）子層、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)子層和輸入輸出子層。各層的主要功能如圖1所示［10］。

圖1 Proximity－1協(xié)議分層結(jié)構(gòu)功能示意圖Fig.1 Schematic of hierarchical structure of proximity－1protocol

Proximity－1協(xié)議提供兩類業(yè)務(wù)［11－12］：數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和定時業(yè)務(wù)。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)包括CCSDS標(biāo)準(zhǔn)包業(yè)務(wù)和用戶自定義的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；定時業(yè)務(wù)根據(jù)鄰近鏈路傳輸單元的發(fā)送／接收，實現(xiàn)定時標(biāo)志獲取、提供通信單元間的時鐘校正數(shù)據(jù)、實現(xiàn)時差測距。

Proximity－1協(xié)議為應(yīng)用過程提供的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)有CCSDS包傳輸業(yè)務(wù)、用戶定義數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)和時間業(yè)務(wù)。上述所有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可以在前向和返向鏈路同時發(fā)生，如發(fā)送命令的同時可以接收遙測數(shù)據(jù)等。定時業(yè)務(wù)則為時間相關(guān)數(shù)據(jù)和基于時間的測距過程提供航天器時間。航天器之間的近距離操作需要定時業(yè)務(wù)提供下列功能：星載近距離時鐘相關(guān)；世界標(biāo)準(zhǔn)時間傳遞；非相干時差測距等。這三種功能均在收發(fā)機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)操作時實現(xiàn)，并可與其它數(shù)據(jù)操作同時完成，工作于雙工、半雙工、單工模式。

3 基于Proximity－1協(xié)議的星間測距與時間同步技術(shù)

多數(shù)任務(wù)中，衛(wèi)星組網(wǎng)拓?fù)錁?gòu)形一般尺度不太大，最遠(yuǎn)兩星距離一般在幾百千米以內(nèi)（本文取300km），星間通信鏈路適合采用CCSDS Proximity－1近距空間鏈路通信協(xié)議。數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)采用CCSDS Proximity－1版本3定義的傳輸幀［11］。

3.1 近距鏈路時間業(yè)務(wù)

Proximity－1協(xié)議中把時間業(yè)務(wù)作為一種獨立的業(yè)務(wù)來進(jìn)行描述，突出了時間業(yè)務(wù)在協(xié)議中的重要性。由于近距鏈路協(xié)議完成的是近距的、實時的通信，所以要求通信雙方要達(dá)到高度的時間統(tǒng)一。完成時間業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)是使用相同的時間標(biāo)志捕獲方法，這種方法要求收發(fā)雙方具有對所有傳輸幀同步碼的最后比特位收／發(fā)時間的跟蹤能力。

3.1.1 時間捕獲方法

本地控制器發(fā)送設(shè)置控制參數(shù)（本地時間標(biāo)記）的指令給發(fā)送端，使其以規(guī)定的時間間隔去捕獲本地參考事件和相關(guān)的幀序列號。一旦收到此指令，MAC子層將變量時間收集由“未激活”設(shè)置為“收集數(shù)據(jù)”，以表示時間搜集開始。

發(fā)送端產(chǎn)生并傳輸設(shè)置控制參數(shù)（時間采集）指令。以規(guī)定的時間間隔每發(fā)出一幀，發(fā)送端就會捕獲每一傳輸幀的時間結(jié)點和幀序列號。在應(yīng)用這些收集到的數(shù)據(jù)時，還必須知道發(fā)射過程中的內(nèi)部信號路徑的延遲信息。一旦達(dá)到了規(guī)定的時間間隔（已經(jīng)捕獲到了足夠的時間結(jié)點），MAC子層將時間收集設(shè)置為“收集完成”，表明可以傳遞這些時間和相對應(yīng)的幀序列號。這時，接收方接收到了設(shè)置控制參數(shù)指令，確認(rèn)并解碼指令，隨后在規(guī)定時間間隔內(nèi)捕獲每個傳輸幀的時間和幀序列號。接收端也將跟蹤每個內(nèi)部信號路徑的延遲，一直到讀出所收集的數(shù)據(jù)，將時間收集設(shè)置為“未激活”為止。

當(dāng)時間收集過程完成時，發(fā)送端和接收端都會把它們捕獲的時間和幀序列號傳送給各自的本地控制器。本地控制器將會生成一個近距時間關(guān)系包，包含有本地收發(fā)機(jī)在規(guī)定時間內(nèi)收到的一系列點（幀時間結(jié)點、幀序列號）。另外，在收發(fā)鏈路中的內(nèi)部信號路徑延遲要求能事先確定。

3.1.2 測距傳輸幀格式定義

版本3傳輸幀包括結(jié)構(gòu)固定的40bit導(dǎo)頭和長度小于16 344bit的數(shù)據(jù)域，如圖2所示。由于須要在本地傳輸幀同步碼（0xFAF320）發(fā)送時刻提取本地距離測量值，因此定義傳輸幀的長度為1Kbit的整數(shù)倍，包括24bit傳輸幀同步碼、數(shù)據(jù)導(dǎo)頭、循環(huán)冗余校驗碼、數(shù)據(jù)域。

圖2 Proximity－1鏈路協(xié)議傳輸幀結(jié)構(gòu)Fig.2 Proximity－1link protocol transmission frame structure

為了實現(xiàn)星間的高精度測距和時間同步，在數(shù)據(jù)域內(nèi)定義順序排列的3段：勤務(wù)段、傳輸模式段和任務(wù)信息段。勤務(wù)段用于高精度測距和時間同步（如圖3所示），傳輸模式段用于定義信息發(fā)送模式，任務(wù)信息段為有效數(shù)據(jù)內(nèi)容。

圖3 用于測距／時間同步定義的勤務(wù)段結(jié)構(gòu)Fig.3 Service segments structure in ranging／time synchronization

3.2 非相干雙向測距與時間同步原理

非相干雙向測距與時間同步方法描述如下：①建立鏈路的兩顆衛(wèi)星分別以各自的星載頻標(biāo)為基準(zhǔn)，在發(fā)射時隙到來時刻向?qū)Ψ桨l(fā)送結(jié)構(gòu)相同的信息幀，本地的基帶時鐘、載波頻率均由本地頻率綜合器產(chǎn)生，不與對方衛(wèi)星相參，雙方無頻率、相位關(guān)系約束；②衛(wèi)星在接收時隙內(nèi)，對收到的對方信號進(jìn)行捕獲、跟蹤、解調(diào)，恢復(fù)出信息幀，并在信息幀同步頭最后1位下降沿時刻提取本地歷元時，聯(lián)合對方信息幀發(fā)送歷元時計算出本地偽距，并將其嵌入到本地信息幀中發(fā)送給對方；③兩星各自獨立地利用本地測得的偽距和接收信息幀中解調(diào)出來的對方偽距，通過算法計算獲得星間幾何距離和時間同步差（兩星鐘差），進(jìn)行時間同步調(diào)整。圖4給出了兩顆衛(wèi)星（定義為A星和B星）進(jìn)行星間距離與鐘差測量的原理及時序關(guān)系。

圖4 雙向非相干測距與鐘差測量原理及時序關(guān)系Fig.4 Timing of non－coherent ranging and clock offset measurement

圖4 中各參數(shù)的定義如下：Δt是兩星的鐘差，τBA是指從星B到主星A天線間的電磁波傳播時延，τAB是指主星A到從星B天線間的電磁波傳播時延，tA和tB是指主星A和從星B的發(fā)射設(shè)備時延，rA和rB是指主星A和從星B的接收設(shè)備時延，ρA和ρB分別是主星A和從星B測量得到的本地偽距。在圖4中，主星A和從星B分別以自身時鐘為基準(zhǔn)，在各自的分配時隙內(nèi)發(fā)射測距信號。由于雙方時間不一致，雙方發(fā)送的測距信息幀之間存在時間差Δt。由圖4的時序關(guān)系，可以得到兩星的本地偽距的表達(dá)式如下：

本地偽距ρA和ρB是接收方在發(fā)送本地幀同步碼后沿時刻提取的偽距，反映此刻兩星之間的幾何距離。其中誤差項zBA＝tB＋rA和zAB＝tA＋rB是單向組合零值，變化范圍很小，且可以精確標(biāo)定。εA和εB是指由于星載頻標(biāo)的準(zhǔn)確度引起的不確定項［2］。

式中：t1＝tB＋τBA＋rA；t2＝tA＋τAB＋rB；fA（t1）和fB（t2）是指主星A和從星B隨時間變化的本地頻標(biāo)；f0為標(biāo)稱的頻標(biāo)值。

采用雙向測距方法進(jìn)行距離與鐘差解耦時，如果兩星之間的作用距離小，從而可以忽略由衛(wèi)星運動引起的測量誤差，因此，簡單地利用式（1）中等式的相加和相減運算便可求解星間距離和鐘差。

如果2顆衛(wèi)星之間有相對運動且模型未知，上述方法已不再適合系統(tǒng)的星間距離與鐘差的解耦，必須對衛(wèi)星運動引起的誤差進(jìn)行分析與建模，從而通過誤差修正獲得較高的星間測距與時間同步精度。設(shè)兩顆衛(wèi)星之間相對速度為v（t），c為真空電磁波傳播速度，根據(jù)剛體運動學(xué)理論，令

式中：vave是鐘差Δt時間段內(nèi)兩顆衛(wèi)星在給定慣性系和時間系統(tǒng)內(nèi)的相對運動平均速度。根據(jù)式（1）可得

3.3 誤差分析

式（7）和式（8）給出了星間距離與鐘差的解耦計算公式，其中包含的誤差項如下：

1）組合零值誤差

zBA和zAB是以系統(tǒng)零值的組合形式對星間測量帶來影響。組合零值可以事先由地面進(jìn)行精確的校準(zhǔn)后注入星載設(shè)備，校準(zhǔn)精度可達(dá)0.1ns。

2）星載原子鐘誤差

由式（2）和式（3）可知，誤差項εA和εB的影響與星載原子鐘的準(zhǔn)確度和星間傳播延遲有關(guān)。根據(jù)不等式法則得到此誤差大小為

衛(wèi)星均采用高穩(wěn)定原子頻標(biāo)作為星上頻率基準(zhǔn)，一般具備優(yōu)于μmax≤e－11μ≤1×10－11的頻率準(zhǔn)確度，假設(shè)星間最遠(yuǎn)傳播延遲τmax≈1ms（相當(dāng)于約300km距離），分析原子鐘在星間測量時的準(zhǔn)確度，只需要根據(jù)其秒級穩(wěn)定度指標(biāo)即可。因此誤差項的影響最大值約為皮秒級（相當(dāng)于毫米級距離），可以忽略。

3）相對運動誤差

相對運動誤差是指由于衛(wèi)星之間的相對運動而引起的測距與時間同步誤差。相對運動誤差與兩顆衛(wèi)星的相對運動平均速度vave、鐘差的尺度成正比。通常衛(wèi)星成員之間的相對運動速度不會過大，可定為λ＝｜0.5vave／c｜，若｜vave｜≤34km／s，則λ≤6× 10－5。由于式（7）和式（8）計算模型的不確定項是一微小量，如果在計算中作為模型誤差忽略，引起的鐘差估計相對誤差≤6×10－5，對絕大多數(shù)任務(wù)的星間測距和鐘差測量能夠滿足精度要求。對于其它必須考慮衛(wèi)星動態(tài)誤差影響的星間測量系統(tǒng)，衛(wèi)星的徑向速度可以由存儲的星歷計算得到，星歷誤差直接影響修正誤差，該誤差精度為厘米級每秒，要進(jìn)行運動補(bǔ)償。

4）測量誤差

原始偽距觀測量ρA和ρB是星間鏈路接收設(shè)備從跟蹤環(huán)路中提取的，因此環(huán)路的熱噪聲誤差和動態(tài)應(yīng)力誤差直接影響到偽距測量的誤差。偽碼跟蹤環(huán)（通常采用延遲鎖定環(huán)），總的1σ跟蹤誤差為

式中：σtDLL表示熱噪聲引起的跟蹤誤差；θe為相對運動引起的動態(tài)應(yīng)力誤差。由于載波和偽碼相參，故采用載波輔助碼環(huán)技術(shù)來消除絕大部分動態(tài)，因此，動態(tài)應(yīng)力誤差可以忽略不計。熱噪聲引起的跟蹤誤差為［13］

式中：BL為環(huán)路等效噪聲帶寬；d為相關(guān)間距；CN0為接收信號載噪比；T為預(yù)檢測積分時間；fcode為偽碼速率。

4 實驗驗證

4.1 地面實驗的設(shè)計與組成

為驗證理論分析的正確性，地面驗證平臺包括2臺星間組網(wǎng)通信／測距終端，功能與星載終端任務(wù)相同，并能模擬無線信道的距離衰減和傳輸延遲、信道噪聲與干擾、相對運動引起的多普勒頻移等。每臺星間通信與測量終端包括：中頻信號處理單元、基帶處理單元、CCSDS協(xié)議處理單元、精密測距與時間同步處理單元、射頻發(fā)射／接收單元、上位機(jī)信息綜合處理單元等。星間通信／測距實驗系統(tǒng)如圖5所示，2個星間通信／測距終端使用高頻電纜連接、通過射頻接口進(jìn)行通信。測試驗證系統(tǒng)模擬星載數(shù)據(jù)系統(tǒng)功能，提供星載數(shù)據(jù)接口與終端進(jìn)行通信，完成對終端的命令控制、狀態(tài)監(jiān)測、協(xié)議分析、收發(fā)數(shù)據(jù)的實時比對、測距精度計算分析等功能。

圖5 星間通信與測距地面驗證平臺Fig.5 Inter－satellite communication and ranging ground verification platform

4.2 實驗結(jié)果及分析

圖6 星間距離測量誤差Fig.6 Measurement error of inter－satellite range

測試時，使用定制的已知長度線纜測出信號的傳輸時延，然后根據(jù)信號的時延反算電纜長度。圖6和圖7分別給出了星間距離與鐘差的測量誤差。

對1000個測量結(jié)果進(jìn)行隨機(jī)誤差統(tǒng)計的結(jié)果表明：最大測距誤差為0.26m，方差1σ為0.08m；最大鐘差為0.86ns，方差1σ為0.26ns。鐘差與測距精度量級相同。

根據(jù)發(fā)射功率、天線增益、工作頻點并結(jié)合星間距離計算出鏈路的空間傳播損耗，疊加上指向損耗、饋線損耗等，得到接收端接收信號載噪比（CN0）約為56dB／Hz，將其帶入式（11）可計算出環(huán)路的熱噪聲測量誤差為：0.043m（1σ）?？梢?，測量誤差主要受熱噪聲的影響。以上結(jié)果表明，非相干雙向測距方法的理論分析與實驗結(jié)果基本一致，驗證了理論分析的正確性。

圖7 鐘差測量誤差Fig.7 Measurement error of clock offset

5 結(jié)束語

通過地面驗證平臺的實驗，結(jié)果顯示測距精度優(yōu)于0.3m，證明了理論分析的正確性。本文提出的方法功能集成度較高，易于工程化設(shè)計，為星間鏈路系統(tǒng)提供了一種新的方法，可用以實現(xiàn)星間組網(wǎng)通信、測距、時間同步、相對定位等功能。

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（編輯：張小琳）

Study of Inter－satellite Ranging and Time Synchronization Technology Based on CCSDS Proximity－1Protocol

SHEN Jingshi1ZUO Lihua2HE Rui1KANG Xuhui1
（1Shandong Aerospace Electro－technology Institute，Yantai，Shandong 264670，China）（2DFH Satellite Co.，Ltd.，Beijing 100094，China）

Inter－satellite information interacting，ranging measurement and time synchronization are key technologies for the satellite constellations and satellite formation flying missions.In this paper，a method of non－coherent precisely ranging and time synchronization is proposed based on the timing services as given in CCSDS proximity－1protocol，then the detailed formular derivation and model error of the algorithm are proposed and analyzed.The theoretical analysis and experiment results show that the method presented in the paper achieves higher precision of ranging measurement and time synchyonization，and can easily integrates the functions.Further more，it can provide an advantage design approach for the inter－satellite link.

Proximity－1；inter－satellite communication；non－coherent ranging；time synchronization

TN915

：ADOI：10.3969／j.issn.1673－8748.2016.01.010

2015－12－08；

：2016－01－07

申景詩，男，碩士，高級工程師，從事衛(wèi)星通信、天基組網(wǎng)技術(shù)研究工作。Email：shenjingshi＠hotmail.com。