王春鋒

（中國空間技術(shù)研究院 錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

衛(wèi)星編隊(duì)自主相對導(dǎo)航與通信一體化系統(tǒng)探討

王春鋒

（中國空間技術(shù)研究院 錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

探討了一種新的衛(wèi)星編隊(duì)自主相對導(dǎo)航與通信系統(tǒng)一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，提出了基于軟件無線電的半雙工CDMA測量通信一體化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自主相對導(dǎo)航和星間通信的一體化功能，通信數(shù)據(jù)和導(dǎo)航測量數(shù)據(jù)也統(tǒng)一在一個(gè)數(shù)據(jù)幀中傳輸，不需要獨(dú)立的星間網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)和增加額外的通信頻段進(jìn)行通信數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)采用S波段，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)架構(gòu)和工作原理，分析了系統(tǒng)性能，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

衛(wèi)星編隊(duì)；相對導(dǎo)航；自主導(dǎo)航；導(dǎo)航通信一體化；GNSS

0 引 言

導(dǎo)航通信一體化技術(shù)在空間和水下探測中有著重要應(yīng)用，衛(wèi)星導(dǎo)航通信一體化技術(shù)的核心是測量和通信的一體化，一般包括射頻測量通信一體化技術(shù)[1]和激光測量通信一體化技術(shù)[2-3]，而射頻測量通信一體化技術(shù)就是要在同一信道上實(shí)現(xiàn)測距與通信功能，目前的研究還比較少，尤其是針對衛(wèi)星編隊(duì)?wèi)?yīng)用的自主導(dǎo)航與通信一體化系統(tǒng)。

衛(wèi)星編隊(duì)可以完成單個(gè)衛(wèi)星無法完成的各種空間任務(wù)，在深空探測、對地觀測等領(lǐng)域有不可替代的作用。衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)是衛(wèi)星未來發(fā)展的方向之一。

在衛(wèi)星編隊(duì)中，由于衛(wèi)星的加入和離開、編隊(duì)重構(gòu)等，衛(wèi)星相對位置變化比較大，尤其在編隊(duì)形成和重構(gòu)時(shí)變化相對頻繁，衛(wèi)星編隊(duì)飛行需要考慮衛(wèi)星空間相對運(yùn)動(dòng)、多普勒效應(yīng)，圍繞地球的衛(wèi)星編隊(duì)還要考慮衛(wèi)星受軌道約束等，所以衛(wèi)星編隊(duì)在控制、導(dǎo)航、數(shù)據(jù)處理方面更為復(fù)雜[7-9]。

衛(wèi)星編隊(duì)相對導(dǎo)航技術(shù)和星間通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星編隊(duì)飛行的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。目前衛(wèi)星編隊(duì)的相對導(dǎo)航和通信系統(tǒng)一般都是獨(dú)立的兩個(gè)系統(tǒng)，且傳統(tǒng)的基于載波相位差分GNSS方法由于依賴導(dǎo)航星座有其應(yīng)用的局限性，如果能設(shè)計(jì)一種相對導(dǎo)航和星間網(wǎng)絡(luò)通信一體化的系統(tǒng)，在功耗和重量上都有很大的優(yōu)勢，所以研究衛(wèi)星編隊(duì)自主相對導(dǎo)航和通信一體化方法有著重要的意義。

本文第1節(jié)分析了衛(wèi)星精確編隊(duì)任務(wù)過程的分解，以及衛(wèi)星編隊(duì)對自主相對導(dǎo)航的測量條件要求；第2節(jié)探討了基于軟件無線電的測量通信一體化系統(tǒng)架構(gòu)和工作原理；第3節(jié)進(jìn)行了軟件仿真和分析；第4節(jié)給出了結(jié)論。

1 衛(wèi)星編隊(duì)任務(wù)分析及通信和測量要求

航天器精確編隊(duì)任務(wù)過程可以分3個(gè)階段：編隊(duì)初始部署階段，主要任務(wù)是航天器的鄰居發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行航天器之間通信連接建立；編隊(duì)捕獲階段，即編隊(duì)任務(wù)發(fā)現(xiàn)，航天器向目標(biāo)編隊(duì)飛行方式運(yùn)動(dòng)，主要實(shí)現(xiàn)航天器避免碰撞等任務(wù)實(shí)現(xiàn)，這個(gè)階段是粗測量相對導(dǎo)航過程；編隊(duì)維護(hù)，即在航天器飛行過程中保持精確編隊(duì)隊(duì)形，這個(gè)過程是精確測量相對導(dǎo)航過程。在初始部署階段，航天器之間可能被分開相隔很遠(yuǎn)的距離，一些航天器可能超出其他航天器的通信范圍。在編隊(duì)捕獲階段，航天器向目標(biāo)編隊(duì)方式進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)，最終發(fā)現(xiàn)其他航天器。在編隊(duì)維持階段，所有飛船是精確編隊(duì)的連接方式，通過精確測量維持編隊(duì)運(yùn)行。

在衛(wèi)星編隊(duì)飛行過程中，編隊(duì)拓?fù)渲貥?gòu)、編隊(duì)保持和編隊(duì)維護(hù)都要進(jìn)行衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂?，在衛(wèi)星編隊(duì)構(gòu)形變化和飛行過程中需要保持衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的連通性。衛(wèi)星編隊(duì)過程如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星編隊(duì)過程Fig.1 Process of satellite formation

在衛(wèi)星編隊(duì)飛行過程中，通過精確測量，進(jìn)行衛(wèi)星相對位置和速度的解算，進(jìn)行相對運(yùn)動(dòng)的精確描述和控制，以維持精確編隊(duì)運(yùn)行。相對運(yùn)動(dòng)包括相對軌道運(yùn)動(dòng)和相對姿態(tài)運(yùn)動(dòng)控制。衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的6個(gè)軌道根數(shù)為：半長軸a，軌道傾角i，軌道偏心率e，升交點(diǎn)赤經(jīng)Ω，近地點(diǎn)幅角ω，平近點(diǎn)角M。相對軌道運(yùn)動(dòng)最常用的方法就是Clohessy-Wiltshire方程[9]（即C-W方程），衛(wèi)星Si對于參考星Sc的相對運(yùn)動(dòng)方程如下：

其中：ω為衛(wèi)星Si的軌道角速度；x，y，z為相對運(yùn)動(dòng)矢量在衛(wèi)星Si的軌道坐標(biāo)系中的投影；fx，fy，fz是主動(dòng)控制或攝動(dòng)力的分量。

2 系統(tǒng)架構(gòu)及工作原理

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)采用軟件無線電系統(tǒng)架構(gòu)，系統(tǒng)功能框圖如圖2所示。系統(tǒng)包括發(fā)送信道、接收信道、頻率合成器、信號發(fā)送處理模塊、信道接收處理模塊。系統(tǒng)采用S波段，使用2.2 Ghz頻率，實(shí)現(xiàn)基于CDMA方式的測量與通信一體化集成系統(tǒng)，采用半雙工通信機(jī)制，把測量導(dǎo)航數(shù)據(jù)和通信數(shù)據(jù)在一個(gè)數(shù)據(jù)幀發(fā)送傳輸。信號的產(chǎn)生和處理是通過一個(gè)可編程的微處理器基于軟件方法來完成。系統(tǒng)采用GPS C/A碼作為偽隨機(jī)碼（PRN），碼片速率為1.023 Mcps（1.023×106碼片/秒），碼長度為1 023，C/A碼周期比P碼周期短很多，所以搜索和捕獲C/A碼的時(shí)間要比P碼快很多。

圖2 基于CDMA的測量導(dǎo)航與通信一體化系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Integrated system architecture of measurement navigation and communication based on CDMA

1）頻率合成器功能模塊

頻率合成器可以產(chǎn)生發(fā)送頻率Jtx，中頻信號（IF）JIF，采樣速率Jsamping，以及碼率速率Jchipping。

2）發(fā)送信道

包括前置放大器（PA）、帶通濾波器（BPF）、數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC）。完成生成載波和偽隨機(jī)碼調(diào)制的信號。

3）接收信道

包括低噪聲放大器（LNA）、帶通濾波器（BPF）、下變頻器（Down conversion）、自動(dòng)增益控制（AGC），以及模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）。

4）信號發(fā)送處理模塊

包括生成偽隨機(jī)碼、信號調(diào)制、導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)信道復(fù)用。

5）信號接收處理模塊

包括信號捕獲、跟蹤和解碼。信號捕獲完成并行碼相位搜索，精細(xì)頻率解搜索，信道分配。跟蹤完成延遲鎖定環(huán)（DLL）、鎖相環(huán)（PLL）、載波輔助碼環(huán)。解碼完成位同步、幀頭尋找、校驗(yàn)、偽距、偽距率、相位提取。最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)恢復(fù)和偽距解算。

2.2 信號捕獲

信號捕獲過程是一個(gè)在兩維搜索空間上對多普勒頻移和碼相位估計(jì)值的全局搜索過程。碼和頻率一維搜索使用快速傅立葉變換（FFT）實(shí)現(xiàn)。在捕獲后，切換到延遲鎖定環(huán)（DLL）和鎖相環(huán)（PLL），它可產(chǎn)生碼和載波相位連續(xù)變化的精細(xì)估計(jì)，跟蹤由于衛(wèi)星之間動(dòng)態(tài)軌道運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的變化。通信比特可從跟蹤環(huán)提取，之后完成偽距解算。

2.3 測量過程

在衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)過程中，有編隊(duì)捕獲階段和編隊(duì)維護(hù)階段。編隊(duì)捕獲階段是粗測量過程，粗測量過程使用碼測量，測量精度為米量級，測量歷程時(shí)間進(jìn)度如圖3所示，其中初始化時(shí)間包括了同步和捕獲過程；編隊(duì)維護(hù)階段是精確測量過程，精確測量過程使用相位測量，測量精度為厘米量級，測量歷程時(shí)間進(jìn)度如圖4所示，其中初始化時(shí)間包括了同步、捕獲、整模糊度解算，以及多徑糾錯(cuò)過程，時(shí)間約分鐘量級。

圖3 碼測量歷程Fig.3 Code measurement processes

圖4 相位測量歷程Fig.4 Phase measurement

2.4 時(shí)間同步問題

系統(tǒng)要求在衛(wèi)星編隊(duì)之間實(shí)現(xiàn)精確的同步，采用動(dòng)態(tài)雙向時(shí)間同步算法實(shí)現(xiàn)。當(dāng)進(jìn)行同步的兩顆衛(wèi)星A和B同時(shí)向?qū)Ψ桨l(fā)射時(shí)間同步信號，若衛(wèi)星A、B互發(fā)定時(shí)信號的頻率接近，鏈路對稱，傳播時(shí)延近似相等，同時(shí)忽略其他時(shí)延的影響時(shí)，即可求得兩個(gè)衛(wèi)星鐘差Δt。采用這種方法對兩兩之間的衛(wèi)星鐘差Δt進(jìn)行調(diào)整，即可保持精確的同步。

2.5 相對導(dǎo)航過程

測量過程中，碼字測量和相位測量采用不同的初始化同步方式。碼字測量的初始化僅需要捕獲過程，而相位測量的初始化過程中還包括整周期模糊度解算和多徑糾錯(cuò)過程，所以相位測量初始化需要更長的時(shí)間。采用擴(kuò)展的卡爾曼濾波器來消除相對位置誤差，這個(gè)過程使用了數(shù)值積分方案，并從前一個(gè)循環(huán)的插值獲得估計(jì)的相對位置狀態(tài)矢量，基于ti和ti+ 1之間所有測量，可以得到表示軌跡的一個(gè)連續(xù)多項(xiàng)式，作為下一次濾波更新的輸入值和軌道預(yù)測[4]。此外傳輸時(shí)延或周期（propagation period）越小則相對狀態(tài)矢量估計(jì)越好。

2.6 相對導(dǎo)航共享和通信一體化實(shí)現(xiàn)

兩個(gè)相鄰衛(wèi)星的位置進(jìn)行捕獲和跟蹤，完成后建立通信鏈路，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)送測距信息到多方進(jìn)行相對位置判定，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信息共享。由于衛(wèi)星在預(yù)定的軌道上運(yùn)行，其空間位置可通過軌道預(yù)報(bào)得到。因此，一顆衛(wèi)星捕獲另一顆衛(wèi)星（目標(biāo)衛(wèi)星）可采用在較小的預(yù)定空域內(nèi)進(jìn)行掃描搜索的模式。首先測量確定衛(wèi)星的空間位置和姿態(tài)，然后計(jì)算出星間天線沿目標(biāo)衛(wèi)星運(yùn)行軌跡的指向角度，程序控制天線跟蹤目標(biāo)衛(wèi)星。待所有衛(wèi)星均至少與一顆衛(wèi)星保持連結(jié)狀態(tài)時(shí)，則進(jìn)入編隊(duì)捕獲模式。最終，有一顆衛(wèi)星被選作中心星，執(zhí)行時(shí)鐘周期參考、相對導(dǎo)航、編隊(duì)控制等功能。整個(gè)衛(wèi)星編隊(duì)實(shí)現(xiàn)中心型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此時(shí)系統(tǒng)中所有的衛(wèi)星顯示為連結(jié)完成狀態(tài)，則所有衛(wèi)星自動(dòng)進(jìn)入編隊(duì)保持模式，同時(shí)傳輸導(dǎo)航共享信息和通信數(shù)據(jù)信息。

3 系統(tǒng)仿真與分析

3.1 衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)數(shù)與通信距離關(guān)系分析與仿真

為了對半雙工CDMA通信與導(dǎo)航一體化系統(tǒng)進(jìn)行性能驗(yàn)證，利用MATLAB和衛(wèi)星工具開發(fā)包STK的軌道參數(shù)要求設(shè)計(jì)2～20顆衛(wèi)星的組網(wǎng)方案。衛(wèi)星軌道所在高度為6 375 km。衛(wèi)星發(fā)射節(jié)點(diǎn)按照指定的泊松分布模型產(chǎn)生給定包格式的數(shù)據(jù)包，并由發(fā)射天線進(jìn)行信號放大和發(fā)射。天線波束寬度為45°的射頻天線。傳輸信道采用加性高斯白噪聲信道。發(fā)射機(jī)損耗及接收機(jī)損耗均為2%，傳輸波長為2.2 GHz，頻率間隔為9.5 MHz，采樣速率為38.19 MHz，發(fā)射功率為2 W，CDMA數(shù)據(jù)碼重為3，幀長為1 000。如果采用C/A碼進(jìn)行相位測量，可采用幀長為1 500 bit，播送速率為50 bit/s，發(fā)送一個(gè)幀需要30 s。每個(gè)幀導(dǎo)航電文包括5個(gè)子幀，每個(gè)子幀由10個(gè)碼字組成，每個(gè)碼長為30 bit。由于系統(tǒng)的噪聲主要是接收機(jī)電噪聲的影響，其噪聲幅度服從高斯分布，因此信道模型采用AWGN信道。系統(tǒng)的誤碼率表達(dá)式為

其中：w為判決碼重；th為判決門限；L為傳輸距離；u0和u1分別為接收0和1時(shí)的電平；σ0和σ1分別為發(fā)送信號“0”和信號“1”時(shí)的噪聲方差；Q為概率密度函數(shù)。

仿真結(jié)果如圖5、6所示。圖5顯示了星間平均距離d分別選取1 km、2 km、5 km三種情況時(shí)，誤碼率隨著衛(wèi)星個(gè)數(shù)增加而變化的情況。由于CDMA系統(tǒng)具有軟容量特性，因此在CDMA衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)中，用戶數(shù)的增加相當(dāng)于背景噪聲的增加，造成系統(tǒng)性能的下降。圖6顯示當(dāng)用戶數(shù)為5、10、20三種情況時(shí)，誤碼率隨通信距離變化的情況。隨著星間距離的增加，信號的接收信噪比變小，因此誤碼率會進(jìn)一步上升。

圖5 系統(tǒng)誤碼率與衛(wèi)星個(gè)數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationship between the system error rate and the number of satellites

圖6 系統(tǒng)誤碼率與傳輸距離的關(guān)系Fig.6 Relationship between system error rate and transmission distance

3.2 多普勒頻移分析與仿真

在衛(wèi)星編隊(duì)過程中，當(dāng)衛(wèi)星與衛(wèi)星之間存在相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收端收到的發(fā)射端載頻會發(fā)生多普勒頻移。如果多普勒頻移過大，會導(dǎo)致通信中發(fā)射和接收的頻率不一致，從而使得加載在頻率上的信號無法正確接收。此外，對于CDMA系統(tǒng)，多普勒頻移會影響頻率之間的互相關(guān)性。由于CDMA系統(tǒng)要求強(qiáng)的自相關(guān)性和弱的互相關(guān)性，當(dāng)無多普勒頻偏時(shí)，最強(qiáng)互相關(guān)系數(shù)為–24 dB，平均互相關(guān)系數(shù)為–30 dB；多普勒頻偏存在時(shí)，互相關(guān)系數(shù)會惡化為–21.1 dB。文獻(xiàn)[5]指出：軌內(nèi)星間鏈路的多普勒頻移基本為零；軌間同層高度星間鏈路的多普勒頻移大致呈正弦變化，變化周期為軌道周期的一半；軌間不同高度星間鏈路的多普勒頻移有不同的變化，例如銥星星間鏈路的多普勒頻移變化范圍約為± 190 kHz，頻移值比較大；中軌衛(wèi)星頻移變化范圍相對較小，約為± 21 kHz。

對于CDMA系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)數(shù)N與多普勒頻移之間存在下列關(guān)系（參見文獻(xiàn)[6]）：

其中：R是衛(wèi)星與最遠(yuǎn)的第一個(gè)衛(wèi)星的距離；L是相鄰兩衛(wèi)星之間的距離；W是頻譜寬度；n為偽碼長度；Tc為碼元間隔；γmin為系統(tǒng)要求的最小信噪比。在仿真中，組網(wǎng)衛(wèi)星數(shù)N分別取N=10和N=8兩種情況，R=10 km，L=1 km，W=40 MHz，n=511，γmin=10 dB，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 衛(wèi)星編隊(duì)多普勒頻移分析Fig.7 Analysis of Doppler shift on the system

4 結(jié) 論

本文分析了衛(wèi)星編隊(duì)的任務(wù)分解過程以及對相對導(dǎo)航的要求，探討了自主相對導(dǎo)航與通信一體化系統(tǒng)方案，設(shè)計(jì)了基于軟件無線電的衛(wèi)星編隊(duì)測量與通信的一體化系統(tǒng)，采用半雙工CDMA的偽距和相位測量方法，闡述了系統(tǒng)架構(gòu)、設(shè)計(jì)原理，說明了測量與相對導(dǎo)航過程，以及導(dǎo)航共享和通信實(shí)現(xiàn)過程。該方案實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星編隊(duì)的自主相對導(dǎo)航，不依賴衛(wèi)星導(dǎo)航星座，基于半雙工的CDMA方法把導(dǎo)航和通信數(shù)據(jù)集成在一起，不再需要獨(dú)立的星間鏈路傳輸導(dǎo)航測量數(shù)據(jù)，在功耗、重量等方面更有優(yōu)勢。

[1]羅續(xù)成.編隊(duì)飛行航天器的測量通信一體化系統(tǒng)––射頻收發(fā)器[J].飛行器測控學(xué)報(bào)，2006，25（2）：1-8.Luo X C.RF transceiver：an integrated sensing and telecommunications system for formation flight spacecraft[J].Journal of Spacecraft TT&C Technology，2006，25（2）：1-8.

[2]劉陽，溫冠宇.空間探測中測距與通信一體化研究[J].無線光通信，2014，38（12）：42-44.Liu Y，Wen G Y.Study on space target detection and measurement integration of communication[J].Hans Journal of Wireless Communications，2014，38（12）：42-44.

[3]趙馨，?？∑拢瑒⒃魄?，等.導(dǎo)航衛(wèi)星中激光通信/測距一體化技術(shù)及鏈路特性分析[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2015（6）：79-85.Zhao X，Niu J P，Liu Y Q，et al.Laser communication/ranging integrated technology and link characteristics in navigation satellite system[J].Laser & Optoelectronics Progress，2015（6）：79-85.

[4]Sun R，Guo J，Gill E，et al.Characterizing network architecture for intersatellite communication and relative navigation in precise formation flying[J].Iaria，2011，27（1）：21-36.

[5]王克鋒，何翔宇，趙洪利.衛(wèi)星星間鏈路多普勒頻移仿真[J].無線電工程，2007，37（3）：36-38.Wang K F，He X Y，Zhao H L.The simulation of doppler shift in intersatellite links[J].Radio Engineering，2007，37（3）：36-38.

[6]蘇小敏.多普勒頻移對CDMA系統(tǒng)信道容量影響的分析[J].火控雷達(dá)技術(shù)，2009，38（1）：81-83.Su X M.Analysis of doppler shift effect on channel capacity of CDMA system[J].Fire Control Radar Technology，2009，38（1）：81-83.

[7]Kapila V，Sparks A G，James B，et al.Spacecraft formation flying：dynamics and control[C]// Proceedings of the American Control Conference.San Diego，California：[s.n.]，1999.

[8]Moshtagh N，Mehra R，Mesbahi M.Topology control of dynamic networks in the presence of local and global constraints[C]//IEEE International Conference on Robotics and Automation Anchorage Convention District.Anchorage，Alaska，USA：IEEE，2010.

[9]Alfriend K T，Vadali S R，Gurfil P，et al.Spacecraft formation flying：dynamics，control and navigation [M].Oxford: Butterworth-Heinemann: 2009.

王春鋒（1966– ），男，博士，高級工程師。主要研究方向：空間信息網(wǎng)絡(luò)。

通信地址：北京市海淀區(qū)友誼路104號院5142信箱222分箱（100094）

電話：18910739578

E-mail：jessen-wang@163.com

Discussion on Autonomous Relative Navigation and Communication Integrated System for Satellite Formation

WANG Chunfeng
（Qian Xuesen Laboratory of Space Technology，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）

In this paper, a new design for relative navigation and communication system integration system was discussed, and a relative measurement and communication integration system of half duplex CDMA based software radio was proposed to realize the integration of relative achieve navigation and inter-satellite communication, and the communication data and navigation measurement data were transmitted in one data frame, sothe new system did not require a separate inter-satellite communication and extra frequency.The system architecture and working principles were described in detail.The system performance was analyzed, and the simulation was done.

satellite formation；relative navigation；autonomous navigation；navigation and communication integration；GNSS

TN929.12

：A

：2095-7777（2017）01-0038-05

10.15982/j.issn.2095-7777.2017.01.006

王春鋒.衛(wèi)星編隊(duì)自主相對導(dǎo)航與通信一體化系統(tǒng)探討[J].深空探測學(xué)報(bào)，2017，4（1）：38-42.

Reference format：Wang C F.Discussion on autonomous relative navigation and communication integrated system for satellite formation [J].Journal of Deep Space Exploration，2017，4（1）：38-42.

[責(zé)任編輯：高莎，英文審校：朱魯青]

2016-11-01

2017-01-10