李獻(xiàn)斌,王建,范廣騰,楊志璽
(軍事科學(xué)院 國(guó)防科技創(chuàng)新研究院,北京100071)
衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在交通、漁業(yè)、水文、氣象、林業(yè)、通信、電力、救援等諸多領(lǐng)域均取得了廣泛應(yīng)用,深深地改變著人們的生活和生產(chǎn)方式[1]。位置、速度、授時(shí)(Position,Velocity and Time,PVT)的精度、完好性、連續(xù)性和可用性是評(píng)估衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能的四大指標(biāo)[2]。導(dǎo)航系統(tǒng)革新與升級(jí)的過(guò)程也即是不斷采取新技術(shù)、新手段提升這些性能的過(guò)程。在眾多用于改進(jìn)導(dǎo)航系統(tǒng)性能的技術(shù)中,星間鏈路技術(shù)成為近年來(lái)人們研究的熱點(diǎn),在導(dǎo)航衛(wèi)星間構(gòu)建測(cè)距和傳輸鏈路可以大幅度提高星歷預(yù)報(bào)精度,使星座具備長(zhǎng)時(shí)間自主定軌能力,建設(shè)星間鏈路已成為當(dāng)前各個(gè)全球?qū)Ш较到y(tǒng)的重要共識(shí)[3-5]。
北斗導(dǎo)航星座在全球組網(wǎng)建設(shè)中,第18、19顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星首次建立了基于Ka相控陣天線(xiàn)的星間鏈路,并在后續(xù)導(dǎo)航衛(wèi)星上也配置了星間鏈路單元[6],開(kāi)始逐漸發(fā)揮作用。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外關(guān)于北斗導(dǎo)航星間鏈路的研究熱點(diǎn)主要集中在星間精密測(cè)距[7-10]、自主定軌與星地聯(lián)合定軌[11-16]、星間組網(wǎng)規(guī)劃[17-18]等方面。但北斗導(dǎo)航星間鏈路的功能和定位不僅僅局限于精密測(cè)距和自主定軌,北斗衛(wèi)星全球?qū)Ш较到y(tǒng)建成以后,將成為中國(guó)首個(gè)具備全球全天時(shí)覆蓋能力的星座,北斗導(dǎo)航衛(wèi)星之間的數(shù)據(jù)傳輸不僅可以服務(wù)于導(dǎo)航系統(tǒng)本身,也可以用于全球任意地點(diǎn)信息的不落地回傳,實(shí)現(xiàn)“一星通,一網(wǎng)通”,對(duì)于破解中國(guó)無(wú)法全球布站的困境具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。針對(duì)導(dǎo)航星座星間數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題,也有一些相關(guān)的研究,涉及信號(hào)體制、傳輸協(xié)議、拓?fù)渎酚?、編碼控制等。文獻(xiàn)
[19]提出了一種測(cè)距通信一體化的導(dǎo)航星座星間鏈路無(wú)線(xiàn)信號(hào)結(jié)構(gòu),該信號(hào)結(jié)構(gòu)采用非均衡QPSK調(diào)制模式,包括測(cè)距信道和通信信道,測(cè)距信道和通信信道的信道功率根據(jù)鏈路預(yù)算進(jìn)行配比,通信信道的速率也可進(jìn)行調(diào)整,但沒(méi)有給出速率調(diào)整的算法和依據(jù)。文獻(xiàn)[20]借鑒了數(shù)字衛(wèi)星廣播的思路,提出了通過(guò)采用自適應(yīng)編碼控制的方式來(lái)提高全球?qū)Ш较到y(tǒng)的星間數(shù)據(jù)傳輸效益,起到了較好的效果,但該方法在帶來(lái)效益提升的同時(shí),頻繁的編碼調(diào)整也給星上解調(diào)帶來(lái)較大的計(jì)算負(fù)擔(dān)。文獻(xiàn)[21]從組網(wǎng)協(xié)議設(shè)計(jì)的角度入手,提出了基于CCSDS(Consultative Comm ittee for Space Data System)的北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信息傳輸接入模型,來(lái)提高星間信息傳輸?shù)臅r(shí)效性和可靠性,也是解決問(wèn)題的一種有效方式,但解決的是接入層的問(wèn)題。
本文針對(duì)北斗導(dǎo)航星座星間傳輸效能問(wèn)題,從星間數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘?hào)模型入手,定量分析了星間信號(hào)通信速率與信道變化特性的關(guān)系,給出了基于星歷的星間距離計(jì)算過(guò)程,在此基礎(chǔ)上提出了基于導(dǎo)航星歷的星間通信速率控制方法,以北斗導(dǎo)航系統(tǒng)中的MEO星座為對(duì)象,區(qū)分同軌道面和異軌道面衛(wèi)星,仿真評(píng)估了本文方法的傳輸效能,驗(yàn)證了方法的有效性。
衛(wèi)星數(shù)字通信中,廣泛采用非平衡QPSK信號(hào)結(jié)構(gòu),其同相支路和正交支路傳輸不相干的兩路獨(dú)立數(shù)據(jù)流,可以采用不同的碼速率和功率,以較好的兼顧測(cè)距和通信功能,星間鏈路中也廣泛采用了此類(lèi)信號(hào)結(jié)構(gòu)[19]。該信號(hào)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中:i表示發(fā)射衛(wèi)星,j表示接收衛(wèi)星,測(cè)量幀對(duì)應(yīng)同相支路,通信幀對(duì)應(yīng)正交支路,測(cè)量幀的功率幅度AijC和通信幀的功率幅度AijP不同,可根據(jù)測(cè)量和通信的性能要求進(jìn)行配比。其中,測(cè)量幀的數(shù)據(jù)速率遠(yuǎn)低于通信幀的數(shù)據(jù)速率,且測(cè)距信道與通信信道嚴(yán)格時(shí)間同步,在測(cè)距信道同步后可完全實(shí)現(xiàn)通信信道位同步、幀同步,以降低硬件資源消耗。
圖1 星間測(cè)距通信一體化信號(hào)結(jié)構(gòu)Fig.1 Integrated signal structure of inter-satellite ranging communication
式中:發(fā)射機(jī)功率Pt、發(fā)射天線(xiàn)增益Gt、接收天線(xiàn)增益Gr、發(fā)射信號(hào)頻率f和接收機(jī)的噪聲溫度T可預(yù)先測(cè)定。因此,對(duì)于給定的誤碼率需求PBER,只要得知星間的距離dij,即可計(jì)算出信號(hào)的位通信速率Rb。
其中:λ為軌道面傾角;ΔΩ為雙星的升交點(diǎn)赤經(jīng)之差;ui、uj分別為兩星的相位。
綜上,星間距離可以表示為
根據(jù)北斗衛(wèi)星空中接口控制文件[24],上述參數(shù)均可從衛(wèi)星播發(fā)的廣播星歷中獲得。這些廣播星歷也可以作為星間通信內(nèi)容的一部分在星間傳輸。這樣,單顆衛(wèi)星既有自身的星歷,又可通過(guò)星間通信獲得目標(biāo)星的星歷,在此基礎(chǔ)上,根據(jù)式(12)即可計(jì)算得到星間距離。
由于式(11)中雙星的相位ui、uj隨時(shí)間變化,衛(wèi)星間距離是時(shí)變量,對(duì)于固定的兩顆衛(wèi)星之間建鏈,隨著時(shí)間的不同,星間距離也不同;當(dāng)某一衛(wèi)星與不同衛(wèi)星建鏈時(shí),目標(biāo)星不同,星間距離也存在差異。因此,星間通信時(shí)如果將通信速率設(shè)定為固定值,勢(shì)必要考慮距離最遠(yuǎn)、Eb/N0最差的情況。但對(duì)于距離較近的星間鏈路,此時(shí)信號(hào)的空間衰減較小,接收信號(hào)的質(zhì)量較好,如果仍采用最差情況下的通信速率,必然會(huì)造成傳輸能力的冗余和浪費(fèi)。從這點(diǎn)出發(fā),基于信號(hào)傳輸模型和星間距離的分析,提出一種基于導(dǎo)航星歷的星間通信速率控制方法,以適應(yīng)星間傳輸特性的變化,方法流程如圖2所示。
為了使接收方能夠及時(shí)掌握傳輸信號(hào)的速率變化情況,準(zhǔn)確解調(diào)信息,需要在發(fā)送的有效數(shù)據(jù)前加入速率指示位,如圖3所示。當(dāng)接收方解析出速率指示后,可以根據(jù)信號(hào)速率對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解調(diào)。
圖2 基于星歷的星間通信速率控制方法Fig.2 Inter-satellite communication rate control method based on ephemeris
圖3 星間通信數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)Fig.3 Frame structure of inter-satellite communication data
北斗三號(hào)(全球組網(wǎng)星)標(biāo)稱(chēng)空間星座由3顆GEO衛(wèi)星、3顆IGSO衛(wèi)星和24顆MEO衛(wèi)星組成,并視情部署在軌備份衛(wèi)星。GEO衛(wèi)星軌道高度為35 786 km,分別定點(diǎn)于東經(jīng)80°、110.5°和140°。IGSO衛(wèi)星軌道高度為35 786 km,軌道傾角為55°。MEO衛(wèi)星軌道高度為21 528 km,軌道傾角為55°,回歸周期為7天13圈,相位從Walker24/3/1星座中選擇,第一軌道面升交點(diǎn)赤經(jīng)為0°[25]。
根據(jù)星座設(shè)計(jì),MEO衛(wèi)星數(shù)量占到了星座衛(wèi)星總數(shù)的80%,是導(dǎo)航星座提供全球服務(wù)能力的主要依托,因此仿真計(jì)算針對(duì)MEO衛(wèi)星展開(kāi),其構(gòu)型如圖4所示。
圖4 北斗導(dǎo)航星座MEO星座構(gòu)型Fig.4 MEO constellation configuration of Beidou navigation constellation
不失一般性,以第一軌道面的衛(wèi)星為例進(jìn)行分析,計(jì)算M11衛(wèi)星與同軌道其他衛(wèi)星之間的距離。對(duì)于同軌道面衛(wèi)星,升交點(diǎn)赤經(jīng)相同,此時(shí)ΔΩ=0,根據(jù)式(10)、式(11)可得
cosα =cos(ui-uj) (13)
由于同軌道面衛(wèi)星圍繞地球同向運(yùn)動(dòng),相互之間的相位差ui-uj為固定值,如圖4所示,此時(shí)星間距離不隨時(shí)間變化。根據(jù)文獻(xiàn)[24]給定的參數(shù),利用式(8)可以計(jì)算M11衛(wèi)星與M12、M13、M14衛(wèi)星之間的距離,結(jié)果如表1所示。由于M15與M11衛(wèi)星被地球遮擋無(wú)法直視,計(jì)算時(shí)不予考慮。另外,M18、M17、M16與M12、M13、M14位置對(duì)稱(chēng),在此也不做重復(fù)計(jì)算。
基于表1中的星間距離,根據(jù)式(7)可以計(jì)算出信息通信速率Rb。計(jì)算時(shí),各個(gè)參數(shù)的設(shè)置值如表2所示。
星間通信仿真計(jì)算時(shí),通常將通信誤碼率設(shè)為10-6,本算例中也按該值設(shè)定[26]。根據(jù)式(7)計(jì)算得到星間通信速率分別為51.57、15.10和8.85 Kbit/s,對(duì)應(yīng)的鏈路如圖5所示。
表1 M 11與同軌道面衛(wèi)星之間的距離Tab le 1 Distances between M 11 and satellites in the sam e orbit
北斗MEO衛(wèi)星分布在3個(gè)軌道面,異軌道面衛(wèi)星間距離是時(shí)變量,具體數(shù)值可以基于衛(wèi)星星歷由式(12)計(jì)算得到。由于MEO衛(wèi)星的星座構(gòu)型為Walker星座,分析時(shí)以M11衛(wèi)星到第二軌道面衛(wèi)星距離為例展開(kāi),M11與第三軌道面衛(wèi)星間的距離可參照進(jìn)行。經(jīng)過(guò)計(jì)算,星間距離變化情況如圖6所示。
計(jì)算結(jié)果表明,星間距離最大值為55 587 km,對(duì)應(yīng)M11衛(wèi)星與M23衛(wèi)星之間的鏈路,星間距離最小值為21 443 km,對(duì)應(yīng)M11衛(wèi)星與M21衛(wèi)星之間的鏈路。根據(jù)方法流程,基于表2中的參數(shù)配置,在給定誤碼率為10-6的情況下,可以根據(jù)式(7)計(jì)算得到星間通信速率,計(jì)算結(jié)果如圖7所示??梢?jiàn),通信速率隨時(shí)間不斷發(fā)生變化,變化范圍為7.6~51.1 Kbit/s。
表2 星間通信鏈路中的參數(shù)設(shè)置Tab le 2 Param eter setting of in ter-satellite comm unication links
圖5 第一軌道面衛(wèi)星間通信速率Fig.5 Inter-satellite communication rate in the first orbit plane
圖6 M11衛(wèi)星與第二軌道面星間距離Fig.6 Distances between M 11 and satellites in the second orbit plane
系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí),并不要求通信速率完全隨時(shí)間瞬變,可以進(jìn)行離散化采樣以簡(jiǎn)化控制。以M11與M25衛(wèi)星間通信為例,按照5 Kbit/s為一個(gè)量化階梯進(jìn)行離散化處理。例如,通信速率在35~40 Kbit/s之間時(shí)取值35 Kbit/s,30~35 Kbit/s之間時(shí)取值30 Kbit/s。依次類(lèi)推,經(jīng)過(guò)離散化后的通信速率配置如圖8所示。
圖7 M 11衛(wèi)星與第二軌道面衛(wèi)星間通信速率Fig.7 Inter-satellite communication rate of M11 and satellites in the second orbit plane
圖8 離散化的M11衛(wèi)星與M25衛(wèi)星通信速率Fig.8 Discretized communication rate between M11 and M25
對(duì)采用本文方法前后的2種情況進(jìn)行對(duì)比分析,首先考慮同軌道面衛(wèi)星間通信的情況。根據(jù)上述分析,如果未采用本文方法,而是利用固定速率傳輸,那么通信速率應(yīng)該滿(mǎn)足距離最大的鏈路,即M11與M14之間的鏈路,此時(shí)通信速率為8.85 Kbit/s。采用本文方法后,不同衛(wèi)星間的通信速率可以不同配置,M11與M12、M13、M14衛(wèi)星之間的通信速率可分別配置為51.57、15.10和8.85 Kbit/s。那么,采用本文方法后的傳輸效率提高8.53倍。
以M11衛(wèi)星與M21衛(wèi)星之間的鏈路為例分析,采用本文方法得到的通信速率曲線(xiàn)如圖9中虛線(xiàn)所示,對(duì)應(yīng)的S1為傳輸數(shù)據(jù)量。而未采用本文方法情況,通信速率固定,為最小值8.85 Kbit/s,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量如圖9中斜紋區(qū)域S2所示。根據(jù)式(14)定量分析,可以得到傳輸效率比為2.48。
依照此方法,對(duì)M11與第二軌道面其余衛(wèi)星之間的鏈路進(jìn)行分析,可得采用本文方法后帶來(lái)的傳輸效率提升,如圖10所示。
從圖10中可以看出,采用本文方法后傳輸效能帶來(lái)了明顯的增加,最低提高了1.43倍,最高提高了8.3倍。綜合考慮同軌道面和異軌道面2類(lèi)情況,M11衛(wèi)星與星座內(nèi)其他衛(wèi)星建鏈時(shí),若采用固定速率,需要考慮最遠(yuǎn)距離,即M11與M23通信時(shí)對(duì)應(yīng)的最大距離55 587 km,此時(shí)通信速率為7.6 Kbit/s;采用本文方法后,通信速率隨信道變化而調(diào)整,最高速率可達(dá)51.57 Kbit/s,總體效能可提高1.92倍。
圖9 M11衛(wèi)星與M21衛(wèi)星間傳輸效能對(duì)比Fig.9 Comparison of transmission efficiency between M11 and M21
圖10 M 11與第二軌道面衛(wèi)星間傳輸效能對(duì)比Fig.10 Comparison of transmission efficiency between M 11 and satellites in the second orbit plane
北斗導(dǎo)航星座星間通信速率控制方法利用北斗衛(wèi)星自有的導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)來(lái)估計(jì)信道狀態(tài)的實(shí)時(shí)變化,而后基于此估計(jì)動(dòng)態(tài)調(diào)整星間信號(hào)通信速率,以提高數(shù)據(jù)傳輸效能,分析表明:
1)導(dǎo)航星座星間通信傳輸鏈路具有時(shí)變特性,采用固定通信速率會(huì)造成傳輸能力的冗余和浪費(fèi)。
2)充分利用了導(dǎo)航衛(wèi)星自身具有的導(dǎo)航電文資源,在滿(mǎn)足用戶(hù)通信質(zhì)量需求的前提下調(diào)整星間通信速率。采用本文方法后,星間數(shù)據(jù)傳輸效能可提高1.92倍。
3)針對(duì)北斗導(dǎo)航星座進(jìn)行了特定分析,但原理和思想可拓展應(yīng)用到其他全球?qū)Ш较到y(tǒng)中。
為了簡(jiǎn)化分析,突出方法設(shè)計(jì)和流程,在分析時(shí)未考慮北斗導(dǎo)航系統(tǒng)中的GEO衛(wèi)星和IGSO衛(wèi)星,可在后續(xù)的研究中加以補(bǔ)充。此外,傳輸效能分析時(shí)未結(jié)合星座星間組網(wǎng)規(guī)劃,也可作為后續(xù)研究的方向。