李龍龍，　耿國桐

(中國國防科技信息中心, 北京 100142)

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衛(wèi)星導航系統(tǒng)星間鏈路發(fā)展的關鍵影響因素分析

李龍龍，耿國桐

(中國國防科技信息中心, 北京 100142)

建設有星間鏈路支持的導航星座已經(jīng)成為新一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展趨勢之一。各國發(fā)展衛(wèi)星導航系統(tǒng)的戰(zhàn)略意圖、綜合國力、技術水平、國土分布等情況不同，導致導航系統(tǒng)對星間鏈路有不同的需求和約束，各系統(tǒng)發(fā)展論證的星間鏈路技術方案也各有不同。通過梳理國外衛(wèi)星導航系統(tǒng)星間鏈路的發(fā)展論證過程，歸納出國外建設衛(wèi)星導航系統(tǒng)星間鏈路考慮的3個共性關鍵因素：需求、技術與經(jīng)濟，并分析了以上因素對星間鏈路發(fā)展的影響。

衛(wèi)星導航系統(tǒng); 星間鏈路; 需求; 技術; 經(jīng)濟

星間鏈路是提升衛(wèi)星導航系統(tǒng)服務性能，增強其生存能力的重要途徑，建設有星間鏈路支持的導航星座已經(jīng)成為新一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展趨勢之一。美國從GPS IIR開始就具備UHF頻段星間鏈路功能，下一代GPS III衛(wèi)星又將增加更先進的Ka頻段星間鏈路。俄羅斯GLONASS在最新發(fā)射的GLONASS-M衛(wèi)星上安裝了S頻段星間鏈路收發(fā)裝置，并在GLONASS-K上加裝激光星間鏈路設備，以驗證星間鏈路功能。歐洲Galileo第一代衛(wèi)星雖不采用星間鏈路，但歐洲航天局已全面開展Galileo星間鏈路各項技術研究，并已初步形成幾種可選設計方案。我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)也在積極發(fā)展星間鏈路，并在2015年3月成功發(fā)射了第一顆具備星間鏈路功能的新一代導航衛(wèi)星；同年8月首次建立了星間鏈路，驗證了全球導航衛(wèi)星星座的星間測距、通信能力[1]。

雖然全球的主要衛(wèi)星導航系統(tǒng)都在積極發(fā)展星間鏈路，但出于對星間鏈路的需求、國家技術水平和經(jīng)濟實力等諸多方面的現(xiàn)實考慮，各系統(tǒng)發(fā)展論證的星間鏈路技術方案也各有不同。本文通過梳理國外衛(wèi)星導航系統(tǒng)星間鏈路的發(fā)展論證過程，分析了國外在設計星間鏈路技術方案時考慮的共性關鍵因素,并以此為鑒，結合我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的實際情況提出一些建議，為我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)星間鏈路的發(fā)展提供參考。

1　系統(tǒng)需求是星間鏈路發(fā)展的主要動因

衛(wèi)星導航系統(tǒng)星間鏈路的迅速發(fā)展主要是由于需求的牽引和推動。而衛(wèi)星導航系統(tǒng)對星間鏈路的需求主要體現(xiàn)在兩方面，一是提升導航系統(tǒng)的導航服務能力，這也是衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展星間鏈路的根本需求；二是擴展導航系統(tǒng)在其他領域的服務能力，這對星間通信提出了新的需求。

1.1提升導航服務能力是發(fā)展星間鏈路的根本需求

提升導航系統(tǒng)導航服務能力對星間鏈路的需求大致可分為3類：(1)實現(xiàn)導航星座自主導航;(2)優(yōu)化系統(tǒng)運行控制;(3)提升服務性能，包括導航精度、完好性等。但是由于各國的國土分布，以及所處的政治環(huán)境等情況不同，其衛(wèi)星導航系統(tǒng)對星間鏈路的需求也有不同的側重點。

1.1.1GPS在實現(xiàn)自主導航的基礎上增強系統(tǒng)運營能力

美國在20世紀80年代就提出為GPS IIA安裝傳輸核爆監(jiān)測信息的星間通信鏈路，形成了現(xiàn)在所說的星間通信測距鏈路雛形。在星間通信鏈路的概念提出后不久，美國航空航天公司、IBM公司、Rockwell公司等迅速展開關于星間鏈路的其他用途研究[2]223。此時正處于冷戰(zhàn)時期，美國更關注GPS的抗摧毀能力，而地面控制段是GPS系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。因此，上述機構研究的重點是基于星間測距和通信實現(xiàn)導航系統(tǒng)的自主導航。1984年1月，美國航空航天公司提出了星間測距通信鏈路以及自主導航的概念設計[3]。同年4月，美空軍GPS聯(lián)合項目辦公室委托Rockwell公司研究了上述概念設計在GPS IIR衛(wèi)星上實施的可行性[2]224。1985年初,美空軍空間系統(tǒng)部委托IBM公司深入研究了自主導航算法。IBM公司沿用了上述可行性研究中提出的星間鏈路體系結構，并提出了星間測量體制和誤差校正體制[4]。星間通信測距鏈路隨后在GPS IIR上得到應用，使導航星座具備自主運行180天的能力。

基于星間鏈路的自主導航不能校正導航星座整體旋轉帶來的整體誤差，導航星座難脫離地面長時間自主運行。而且衛(wèi)星導航系統(tǒng)十分復雜，能否在自主導航模式下實現(xiàn)零失誤的自主運行尚未得到實踐驗證。因此，運營商只將自主導航作為地面運控系統(tǒng)失效時的備選解決方案，并不將其作為系統(tǒng)主要工作模式。出于這種考量，GPS運營商在GPS IIF研制過程中提出利用星間鏈路輔助地面段對導航星座的運行控制，提升導航性能。因此，GPS IIF在GPS IIR星間鏈路的基礎上，增加了傳輸通用指令、遙測信息、上行數(shù)據(jù)和用于校正下行導航信息的差分數(shù)據(jù)能力，在一定程度上增強了導航系統(tǒng)的運行控制能力[5]。

隨著軍民用戶對GPS精度、完好性等需求日益增長，2000年5月，美空軍GPS項目聯(lián)合辦公室宣布啟動GPS III計劃，并委托美國航空航天公司負責頂層設計[6]。航空航天公司提出“連接一顆衛(wèi)星即連接整個星座”的運營理念，發(fā)展新型高速星間鏈路構建星座網(wǎng)絡，同時結合高速的上行、下行鏈路實現(xiàn)星地一體化，使地面段可近乎實時的對整個星座進行星歷更新、狀態(tài)監(jiān)視和指揮控制[7-9]。美空軍采納了這一架構，并計劃在GPS IIIB上增加通信速率高、抗干擾能力強的Ka頻段星間鏈路[10]。Ka頻段星間鏈路能夠傳輸導航上載數(shù)據(jù)、控制指令、測距信息、傳感器數(shù)據(jù)、軟件更新信息、多任務通信等多種信息，改變了GPS原有的運行控制架構，使運控能力得到顯著提升。

2015年底，美空軍又在2016年小企業(yè)創(chuàng)新研究(Small Business Innovation Research, SBIR)的項目招標中，尋求“認知超高頻無線電星間鏈路”等創(chuàng)新型星間鏈路解決方案，主要也是為了能夠快速更新星歷與時鐘信息，并實現(xiàn)對星座的實時監(jiān)視與控制，增強系統(tǒng)運營能力。

1.1.2GLONASS克服區(qū)域監(jiān)測跟蹤局限，提升服務性能

由于國土限制及政治因素，GLONASS地面段不具備全球布站條件，對導航星座的監(jiān)測跟蹤控制區(qū)域受限，嚴重影響了系統(tǒng)定位精度。在這種條件下，通過星間鏈路提升定軌和時間同步精度是提升GLONASS系統(tǒng)服務性能的重要途徑。俄羅斯從GLONASS-M開始安裝S頻段星間鏈路以輔助提高定軌精度，保障自主完好性監(jiān)測，同時實現(xiàn)自主運行。但是基于S頻段星間鏈路的時間同步精度難以滿足GLONASS系統(tǒng)需求，俄羅斯又提出激光精密測距和時間同步的需求，以提高時間同步精度，同時提高通信速率和通信實時性，為提升完好性提供可能。

GLONASS發(fā)展星間鏈路的主要目的是克服區(qū)域監(jiān)測跟蹤網(wǎng)的局限性問題，星間鏈路也主要采用測距為主、兼顧通信的設計方案。例如，GLONASS-K安裝的激光星間鏈路顯著提升了星間測距精度，達到3 cm，但對星間通信速率要求不高，僅50 kbit/s[11]88。

1.1.3Galileo提升系統(tǒng)服務性能，逐步實現(xiàn)自主導航

Galileo地面段采用全球布站方式，對星間鏈路需求不強烈，因此第一代Galileo系統(tǒng)中不采用星間鏈路。為增強Galileo在全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)中的競爭力，歐空局于2007年啟動歐洲GNSS演進計劃(European GNSS Evolution Programme，EGEP)，擬通過在第二代Galileo衛(wèi)星上使用星間鏈路、高精度星載原子鐘等新技術來提升系統(tǒng)性能[12-13]。與此同時，歐空局在一般性研究項目(General Study Programme，GSP)框架下啟動了大量探索性研究，評估通過星間鏈路提升定軌和時間同步精度以及降低星座對地面段依賴的可行性。其中，比較有代表性的是由DEIMOS Space負責的GNSS+項目和ADVISE項目[14]，旨在提出一種基于星間鏈路的改進型Galileo系統(tǒng)架構，在以下幾個方面提升導航系統(tǒng)性能：(1)增強系統(tǒng)自主運行能力；(2)減少地面段基礎設施；(3)提升定軌和時間同步精度；(4)增加導航數(shù)據(jù)的更新速率；(5)降低運營成本[15]9。在該方案中，除增加星間鏈路外，對地面段進行改造，使地面運控系統(tǒng)具有處理星間觀測量的能力，對星地觀測量的處理結果進行校正，從而提升定軌和時間同步精度。在自主運行模式下，將地面監(jiān)測站作為偽衛(wèi)星納入星間鏈路網(wǎng)絡，也是為了保障服務性能。雖然自主導航模式并沒有完全擺脫對地面段的依賴，但歐空局表示自主導航模式是建設自主導航系統(tǒng)的重要一步。

在研究無線電星間鏈路的同時，歐空局2011年開展了“光量子星間鏈路(Optical Quantum Links)在GNSS中的應用研究”，并于2014年完成[16]。研究中歐空局對Galileo光量子星間鏈路的要求主要有以下兩點：(1)與目前Galileo系統(tǒng)相比，顯著提升定軌和時間同步精度；(2)與無線電星間鏈路相比，顯著提升安全性[17]，進而提升系統(tǒng)的服務性能。

綜上所述，各衛(wèi)星導航系統(tǒng)在不同時間段對星間鏈路具有不同的需求，也因而導致了不同的技術方案，如表1所示。

表1　衛(wèi)星導航系統(tǒng)的星間鏈路需求

1.2拓展服務對星間鏈路提出新需求

利用全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)全球性、全天時、全天候的優(yōu)勢，搭載附加載荷拓展導航系統(tǒng)的服務是衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展的重要趨勢之一。例如，GPS III、GLONASS-K、Galileo都搭載全球搜索救援系統(tǒng)(Cospas-Sarsat)載荷，為全球用戶提供搜索救援服務。通過星間鏈路傳輸求助信息和回執(zhí)信息將有效縮短求助/回執(zhí)信息的傳播時間。

此外，在GPS III設計過程中，美國海岸警衛(wèi)隊導航中心發(fā)布的《GPS III系統(tǒng)定義與降低風險目標聲明》進一步指出GPS III應促進整合額外的任務功能，比如核爆探測、藍軍跟蹤(Blue Force Tracking，BFT)等[18]。因此，GPS III采用模塊化設計，未來可根據(jù)需要增加新的載荷；同時要求星間鏈路具有傳輸多任務數(shù)據(jù)的能力，且具有足夠的通信帶寬和靈活性，可滿足未來30天的通信需求。歐空局則在論證Galileo星間鏈路時則構想利用星間鏈路支持GNSS掩星跟蹤全球大氣分布，以改善全球氣候預報[19]69。

2　技術水平是星間鏈路發(fā)展的重要基礎

每一個星間鏈路技術方案的實施都需要當時先進技術的支撐，當然也不可避免會受到技術水平的限制。國外衛(wèi)星導航系統(tǒng)在設計星間鏈路技術方案時，都會考慮已有技術成果，發(fā)展一代技術成熟的低頻段寬波束星間鏈路，論證一代有一定技術基礎但尚不成熟的高性能星間鏈路。

2.1GPS發(fā)展完善UHF頻段星間鏈路，開發(fā)Ka頻段星間鏈路

GPS IIR星間鏈路是基于20世紀80年代的技術基礎，采用技術成熟、便于工程實施的UHF頻段。隨著技術的進步，GPS IIF采用窄帶晶體濾波器改善了星間鏈路轉發(fā)數(shù)據(jù)單元，提升了星間測距精度[20]。但是，UHF頻段寬波束星間鏈路通信速率低、抗干擾能力弱等固有缺點并沒有得到解決。

在21世紀初美國論證GPS III星間鏈路時，其技術基礎已經(jīng)有能力發(fā)展高頻段星間鏈路。在空間無線電技術領域，美國已有多個系統(tǒng)建成無線電星間鏈路，如表2所示，使GPS在建設高頻段星間鏈路方面有較多的技術成果可以繼承。在空間激光通信測距領域，美國發(fā)展相對滯后。2000年，美國低軌衛(wèi)星STRV2激光通信試驗失敗[21]；直到2013年才建立月地激光鏈路[11]88，但是星間組網(wǎng)測距通信仍有待進一步發(fā)展。出于上述考慮，GPS III最終采用Ka頻段星間鏈路，但美國仍在繼續(xù)開展GPS激光測距的研究。

表2　美國具有星間鏈路的衛(wèi)星系統(tǒng)

2.2GLONASS發(fā)展S頻段星間鏈路的同時率先試驗激光星間鏈路

GLONASS第一代星間鏈路采用了S頻段寬波束星間鏈路，與GPS UHF頻段星間鏈路技術方案相近。俄羅斯也在中繼星系統(tǒng)、通信衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展中為射頻星間鏈路積累了豐富的經(jīng)驗，如表3所示。但是俄羅斯發(fā)展的星間鏈路使用的最高頻段僅達到Ku頻段，反映出俄羅斯高頻星間鏈路研制基礎薄弱。這也是俄羅斯在發(fā)展S頻段星間鏈路后直接發(fā)展激光星間鏈路的原因之一。

GLONASS率先在GLONASS-K上成功試驗了激光星間鏈路，主要得益于俄先進的激光測距技術和衛(wèi)星平臺姿態(tài)控制技術。在發(fā)展激光星間鏈路之前，GLONASS衛(wèi)星上就已安裝激光反射鏡，由地面激光跟蹤站對衛(wèi)星進行測距，為星間激光測距積累了經(jīng)驗。另外，GLONASS-K衛(wèi)星又采用新型“快車-1000”衛(wèi)星平臺，姿態(tài)控制精度0.1°，位置保持精度0.05°[22]，為激光鏈路的捕獲、跟蹤和對準提供了保障。但是GLONASS-K激光星間鏈路在試驗中通信速率僅達到50 kbit/s，未能發(fā)揮激光鏈路高通信速率的優(yōu)勢，星間激光通信測距技術仍有待發(fā)展完善。

表3　俄羅斯具有星間鏈路的衛(wèi)星系統(tǒng)

2.3Galileo論證C頻段星間鏈路和光量子星間鏈路

歐空局正在論證的Galileo無線電星間鏈路擬工作在C頻段。目前Galileo的上行鏈路就工作在C頻段，而且C頻段有源天線也已在歐洲通信衛(wèi)星上得到應用[15]38，為C頻段星間通信測距鏈路奠定了一定基礎。

光量子星間鏈路領域，歐空局是最早開始研究星間光通信的機構，也是第一個取得光通信成功的機構，在星間激光通信領域處于領先地位，為Galileo光量子星間鏈路奠定了基礎[23]。ARTEMIS 與SPOT4星間激光通信試驗[24]、ARTEMIS與地面站之間激光通信試驗[25]，以及歐洲數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)光通信終端的研制成功鼓舞了歐空局研制Galileo激光星間鏈路的信心，并計劃將激光鏈路與量子密鑰分發(fā)相結合，發(fā)展超高安全的光量子星間鏈路。但由于技術水平限制，多衛(wèi)星之間通過激光鏈路組網(wǎng)的高速通信工作模式還無法實現(xiàn)[26]，量子通信距實用化還有一定距離[27]，歐洲光量子星間鏈路還處于概念論證階段。

3　經(jīng)濟實力是星間鏈路發(fā)展的重要保障

衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建設需要巨額資金的投入，其功能的發(fā)展完善，包括星間鏈路的發(fā)展，離不開國家強大經(jīng)濟實力的支持。國外在論證衛(wèi)星導航系統(tǒng)的星間鏈路時都要考慮本國的經(jīng)濟實力及對衛(wèi)星導航系統(tǒng)的經(jīng)濟投入，從而決定是否建設星間鏈路及選擇什么樣的技術方案。

3.1國家經(jīng)濟實力影響衛(wèi)星導航系統(tǒng)星間鏈路的發(fā)展決策

20世紀80年代，美國經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展，并大力發(fā)展科技，有雄厚的資本支撐GPS及其星間鏈路的發(fā)展。因此，GPS從GPS IIR開始就發(fā)展了星間鏈路。而GLONASS在蘇聯(lián)解體后，由于俄羅斯經(jīng)濟困難，連及時發(fā)射衛(wèi)星補網(wǎng)都無法保證，更沒能力發(fā)展星間鏈路。直到進入21世紀，俄羅斯經(jīng)濟復蘇，實施GLONASS現(xiàn)代化計劃時，才考慮在GLONASS-M上安裝S頻段星間鏈路收發(fā)設備，驗證星間鏈路功能。歐空局在發(fā)展論證第一代Galileo時也曾考慮過安裝星間鏈路功能，最終也是由于經(jīng)濟原因而沒有實施[19]69，直到2006年才論證在下一代Galileo衛(wèi)星上安裝星間鏈路的可行性。

3.2國防經(jīng)濟投入對衛(wèi)星成本的約束影響星間鏈路技術方案的選擇

星間鏈路只是衛(wèi)星導航系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，其技術方案必然受到衛(wèi)星研制成本的約束。國外衛(wèi)星導航系統(tǒng)在保證星間鏈路能達到需求的基礎上都傾向于采用低成本的星間鏈路技術方案。比如，在星間鏈路多址方式上，相比于碼分多址、頻分多址，時分多址方式因星間鏈路設備可復制而具有低成本的優(yōu)勢[28]，國外衛(wèi)星導航系統(tǒng)星間鏈路皆采用時分多址體制或時分與頻分相結合的多址方式。此外，衛(wèi)星導航系統(tǒng)研制過程中的預算縮減也可能導致項目管理員降低對導航系統(tǒng)性能的要求，進而影響星間鏈路的技術方案。因國防費縮減，GPS III項目經(jīng)費連年縮減，美空軍提議重新設計GPS星座，并決定將GPS 完好性的故障率由最初要求的10-7/d降低到10-5/d，從而星間鏈路可以舍棄激光鏈路而選用成本較低的無線電星間鏈路[29]。

4　結 束 語

衛(wèi)星導航系統(tǒng)的星間鏈路技術方案是運營商綜合考慮系統(tǒng)需求、技術水平、經(jīng)濟實力等諸多因素的折中結果。提升導航系統(tǒng)的精度、完好性，增強導航系統(tǒng)的自主運行能力是衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展星間鏈路的根本原因，擴展導航系統(tǒng)的服務則為星間鏈路提出了新的需求；技術水平、經(jīng)濟實力是星間鏈路發(fā)展的基礎和保障。在發(fā)展論證衛(wèi)星導航系統(tǒng)的星間鏈路時，應根據(jù)本國實際情況，評估導航系統(tǒng)對星間鏈路的真正需求，同時結合本國的技術水平和經(jīng)濟實力，權衡需求與約束，發(fā)展與本國衛(wèi)星導航系統(tǒng)相適應的星間鏈路技術方案。

對北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)而言，地面段暫不具備全球布站條件，迫切需要通過星間鏈路克服區(qū)域監(jiān)測跟蹤網(wǎng)的局限性問題，星間鏈路可以采用類似GLONASS測距為主、兼顧通信的技術方案。星間鏈路的發(fā)展宜采用發(fā)展一代、論證一代的策略。在推進實施現(xiàn)行星間鏈路的基礎上，論證發(fā)展更高性能的激光星間鏈路和量子星間鏈路，以期在未來占據(jù)技術制高點。隨著星間鏈路技術的成熟，未來也可以通過星間鏈路傳輸短報文信息、搜索救援信息，拓展北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的服務，提升競爭力。

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(編輯：李江濤)

Analysis of the Key Factors That Influence the Development of GNSS ISLs

LI Longlong,GENG Guotong

(China Defense Science and Technology Information Center, Beijing 100142, China)

The construction of navigation constellation with inter-satellite links has become one of the development trends for next generation of satellite navigation system. In different countries, strategic intention of satellite navigation system, comprehensive national strength, technology level, geographical layout and some other aspects are different, which cause different requirements and constraints of the navigation system on the inter-satellite links. By sorting the development demonstration process of inter-satellite links of overseas satellite navigation systems, the paper induces three common key factors to be considered in overseas construction of inter-satellite links: demand, technology and economy and analyzes the influence of above factors on the development of the links.

global navigation satellite systems (GNSS); inter-satellite links (ISLs); requirement; technical foundation; economic strength

2016-01-12

李龍龍(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向為軍事技術情報。

V11

2095-3828(2016)05-0079-06

A DOI10.3783/j.issn.2095-3828.2016.05.017