謝浩然，詹亞鋒，王曉偉，陳 曦

（1.清華大學(xué) 電子工程系，北京 100084；2.北京信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家研究中心，北京 100084）

引 言

隨著“萬(wàn)物互聯(lián)”時(shí)代的到來(lái)，在正確的時(shí)間、正確的地點(diǎn)傳遞正確的信息已經(jīng)成為基本需求。通信衛(wèi)星和導(dǎo)航衛(wèi)星在其中發(fā)揮了重要的作用，無(wú)論是生產(chǎn)、軍事還是人們的日常生活，離開(kāi)通信衛(wèi)星和導(dǎo)航衛(wèi)星的輔助將變得不可想象。為了達(dá)到高精度的導(dǎo)航，人們要付出巨大的代價(jià)，目前GPS導(dǎo)航星座有32顆衛(wèi)星，北斗三代衛(wèi)星星座有35顆衛(wèi)星，構(gòu)建、發(fā)射和維護(hù)這些衛(wèi)星都代價(jià)不菲[1-3]?，F(xiàn)有導(dǎo)航衛(wèi)星的信號(hào)容易被干擾，且在特種場(chǎng)景下（如地下、月球表面等）信號(hào)無(wú)法覆蓋，而通信衛(wèi)星的信號(hào)帶寬更寬、功率更大、方向性更強(qiáng)、應(yīng)用面更廣[4]，將通信衛(wèi)星的信號(hào)分配一定的資源用于導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)通信導(dǎo)航一體化[5]，無(wú)論對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的突破亦或?qū)πl(wèi)星通信技術(shù)的進(jìn)步，都有著理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

20世紀(jì)90年代Noreen等[6]提出了通導(dǎo)一體的概念。通信衛(wèi)星發(fā)送通信信號(hào)，導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)送導(dǎo)航信號(hào)，采用一種簡(jiǎn)易的圓極化天線同時(shí)接收導(dǎo)航和通信信號(hào)[7]，集成衛(wèi)星廣播、尋呼、雙向通信和導(dǎo)航等功能。但其本質(zhì)上是兩條鏈路分別傳輸信號(hào)，只是簡(jiǎn)單地將導(dǎo)航通信共同使用，并不是真正的融合。

近年來(lái)，北斗衛(wèi)星已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了通信、導(dǎo)航兩種信號(hào)的傳輸，在為用戶提供導(dǎo)航服務(wù)的同時(shí)提供雙向短報(bào)文通信服務(wù)[8-9]。雖然北斗系統(tǒng)已經(jīng)具備了通導(dǎo)一體化的雛形，但其通信系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)是相對(duì)獨(dú)立的兩個(gè)子系統(tǒng)，并且所提供的短報(bào)文通信能力已無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的通信需求；目前在大部分衛(wèi)星測(cè)控通信系統(tǒng)中也具備了通信導(dǎo)航一體化的功能，其不僅可以傳輸測(cè)控信息，還可以測(cè)量衛(wèi)星與地面站之間的距離，也可以為衛(wèi)星授時(shí)，但是授時(shí)精度非常有限，距離真正的通導(dǎo)一體還存在著一定的差距[10]。

隨著人類對(duì)空間利用和深空探索的不斷深入，如何利用現(xiàn)有的衛(wèi)星通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)空間通信和導(dǎo)航，使航天器、用戶在地月空間甚至太陽(yáng)系空間中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)組網(wǎng)、自主導(dǎo)航、寬帶通信，已成為航天科技和信息科技未來(lái)發(fā)展的主要焦點(diǎn)之一。

本文在介紹現(xiàn)有通導(dǎo)一體系統(tǒng)并分析其能力不足的基礎(chǔ)上，提出了一種基于衛(wèi)星通信的通導(dǎo)一體架構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)，可在完成通信的同時(shí)，提供高精度的定位和授時(shí)服務(wù)，并以未來(lái)的載人登月作為背景，給出了利用月球中繼通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)月面導(dǎo)航的案例，最后對(duì)通導(dǎo)一體技術(shù)的未來(lái)發(fā)展給出了建議。

1 基于衛(wèi)星通信的通導(dǎo)一體化系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)一共由35顆衛(wèi)星組成，其中30顆運(yùn)行在非靜止軌道上，5顆運(yùn)行在靜止軌道上，其不但可以為用戶提供和GPS系統(tǒng)精度相當(dāng)?shù)亩ㄎ粚?dǎo)航和授時(shí)服務(wù)，同時(shí)還能提供類似于通信衛(wèi)星的雙向短報(bào)文服務(wù)，是全球首個(gè)在導(dǎo)航衛(wèi)星上實(shí)現(xiàn)通信的系統(tǒng)[9]。但其通信傳輸還存在如下不足：①通信間隔時(shí)間長(zhǎng)、可申請(qǐng)核準(zhǔn)的報(bào)文長(zhǎng)度受限，通信靈活性受到較大的制約；②通信均需要利用地面中心站進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，所需的時(shí)延較大，平均約為4 s；③通信資源非常有限，無(wú)法提供語(yǔ)音和寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，難以滿足用戶日益增長(zhǎng)的通信需求。

衛(wèi)星測(cè)控通信系統(tǒng)是為衛(wèi)星傳輸測(cè)控?cái)?shù)據(jù)、話音、圖像及提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間、頻率等信息的專用通信系統(tǒng)，其可以在地面站與衛(wèi)星進(jìn)行通信的同時(shí)測(cè)量衛(wèi)星與地面站之間的距離，并為衛(wèi)星進(jìn)行授時(shí)，是目前在通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的通信導(dǎo)航一體化[11]。

美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）擬構(gòu)建基于月球中繼衛(wèi)星的導(dǎo)航和通信系統(tǒng)C&N[12]。該系統(tǒng)包括月球中繼衛(wèi)星（Lunar Relay Satellite，LRS）、月球通信站（Lunar Communications Terminal，LCT）、用戶接收機(jī)和地面地基系統(tǒng)。C&N期望利用在軌的兩顆12 h橢圓傾斜軌道LRS和位于著陸區(qū)附近的2個(gè)LCT對(duì)月面用戶提供導(dǎo)航服務(wù)。每個(gè)LRS可以連續(xù)廣播自己的星歷、位置、時(shí)鐘模型和其它輔助信息，通過(guò)偽隨機(jī)（Pseudo-random Number，PN）序列進(jìn)行測(cè)距，利用不同頻段傳輸不同信號(hào)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)低速率通信和對(duì)月面用戶的跟蹤。

1.1 測(cè)距及授時(shí)方案

現(xiàn)有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)通常采用單向測(cè)距的方法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位，用戶按照一定的模型自主計(jì)算單向傳播時(shí)延，路徑上的各種誤差均會(huì)對(duì)時(shí)延的估計(jì)產(chǎn)生影響，從而降低最終定位的精度。與傳統(tǒng)的單向測(cè)距，雙向測(cè)距的發(fā)射路徑與接收路徑基本相同，且方向相反，可以最大程度消除傳播路徑誤差的影響，實(shí)現(xiàn)兩終端之間的精密測(cè)量。用戶與衛(wèi)星之間的通信本身就是一個(gè)雙向的過(guò)程，因此本文利用衛(wèi)星通信信號(hào)的“雙向”特性開(kāi)展了基于衛(wèi)星通信的通導(dǎo)一體系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以在高精度測(cè)距的同時(shí)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。

本文所提出的基于衛(wèi)星通信的通導(dǎo)一體系統(tǒng)是一種連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，其基本原理如圖1所示。當(dāng)授時(shí)信源為地面錨固站時(shí)，授時(shí)信宿可以為衛(wèi)星；當(dāng)授時(shí)信源為衛(wèi)星時(shí)，授時(shí)信宿可以為衛(wèi)星，也可以為其它航天器、用戶終端等。

圖1 基于衛(wèi)星通信的通導(dǎo)一體系統(tǒng)測(cè)距及授時(shí)方案框圖Fig.1 Diagram of ranging and timing in integrated communicationnavigation system based on satellite communication

雖然上述4個(gè)發(fā)送信道或接收信道的時(shí)延可以通過(guò)標(biāo)定得到，但解調(diào)器定時(shí)恢復(fù)的抖動(dòng)會(huì)對(duì)輸出相關(guān)峰的位置造成隨機(jī)抖動(dòng)，從而引起一定的標(biāo)定誤差。信源和信宿之間鐘差的計(jì)算可以通過(guò)授時(shí)信宿本地的絕對(duì)時(shí)間和授時(shí)信源的絕對(duì)時(shí)間以及星地延時(shí)計(jì)算得到。授時(shí)信源發(fā)送查詢幀的幀內(nèi)包含授時(shí)信源本地的絕對(duì)時(shí)間Tsrc，授時(shí)信宿發(fā)送應(yīng)答幀的幀內(nèi)包含收到查詢幀的相關(guān)峰的絕對(duì)時(shí)間tdes（即圖1中的箭頭位置），因此，信源信宿之間的鐘差可由授時(shí)信源或授時(shí)信宿通過(guò)式（2）計(jì)算得到

查詢幀和應(yīng)答幀的幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中前導(dǎo)碼用于實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步和比特流同步；源端編號(hào)用于指示授時(shí)信源；目的編號(hào)用于指示授時(shí)信宿；幀編號(hào)用于幀計(jì)數(shù)，同一輪次的查詢幀和應(yīng)答幀的編號(hào)一致；幀體由待發(fā)送的數(shù)據(jù)、幀校驗(yàn)序列、獨(dú)特字組成，其中幀校驗(yàn)序列用于檢測(cè)或校驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤，獨(dú)特字用于信道均衡保護(hù)和相位跟蹤，m個(gè)數(shù)據(jù)幀中，第1個(gè)數(shù)據(jù)幀用于授時(shí)幀傳輸，后面m–1個(gè)用于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 基于衛(wèi)星通信的通導(dǎo)一體系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Diagram of frame structure based on integrated communication-navigation system

在測(cè)距及授時(shí)的相關(guān)方法中，現(xiàn)有的雙向距離和鐘差測(cè)量方法要求兩個(gè)通信節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送測(cè)距幀，并假設(shè)測(cè)距信號(hào)在兩個(gè)通信節(jié)點(diǎn)的發(fā)射設(shè)備和接收設(shè)備中傳輸時(shí)延，以及兩個(gè)通信節(jié)點(diǎn)之間的鐘差在雙向路徑上傳播時(shí)相同[13]。但是，在實(shí)際工程運(yùn)用中，由于某一通信節(jié)點(diǎn)或兩通信節(jié)點(diǎn)的高速運(yùn)動(dòng)，鐘差在雙向路徑上的傳播將不再相同，當(dāng)鐘差偏差較大時(shí)，將難以滿足低誤差測(cè)距和高精度鐘差測(cè)量的要求。本文提出的“查詢–應(yīng)答”式距離和鐘差測(cè)量方案，無(wú)需兩個(gè)通信節(jié)點(diǎn)在同一時(shí)間發(fā)送測(cè)距信息，避免了兩測(cè)距終端因?yàn)殓姴顜?lái)的影響，降低了測(cè)量誤差，有效提高了距離和鐘差的測(cè)量精度。

1.2 不同覆蓋重?cái)?shù)下的用戶定位方案

對(duì)于衛(wèi)星通信網(wǎng)中的用戶，可以利用其與不同衛(wèi)星之間的通導(dǎo)一體信號(hào)來(lái)進(jìn)行導(dǎo)航，包括時(shí)鐘誤差的測(cè)量及修正、用戶位置的確定。本節(jié)重點(diǎn)討論在不同信源覆蓋重?cái)?shù)下用戶的定位方案。

1.2.1 三重覆蓋下的定位方案

采用傳統(tǒng)GNSS導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)用戶進(jìn)行定位，至少需要4顆以上的可視GNSS衛(wèi)星。對(duì)于本文所提的通導(dǎo)一體測(cè)距及授時(shí)方案，用戶在得到與通信衛(wèi)星偽距的同時(shí)，可以解算出自己與衛(wèi)星之間的鐘差?ti，因此利用通導(dǎo)一體系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航定位最少僅需3顆可視的通信衛(wèi)星即可，如圖3所示。

圖3 基于衛(wèi)星通信的通導(dǎo)一體系統(tǒng)三重覆蓋下定位方案Fig.3 Scheme of positioning in triple covering multiplicity based on integrated communication-navigation system

假定通信衛(wèi)星i是可視范圍內(nèi)可與用戶建鏈的衛(wèi)星，對(duì)于每顆衛(wèi)星的位置，用戶均可通過(guò)通導(dǎo)一體信號(hào)廣播的星歷得到，Ri為衛(wèi)星i到用戶之間的距離，由于衛(wèi)星通信信號(hào)在傳播過(guò)程中會(huì)受到來(lái)自電離層和對(duì)流層產(chǎn)生的大氣延遲、多徑效應(yīng)、接收機(jī)相關(guān)峰抖動(dòng)、鐘差測(cè)量誤差等影響，因此求得的距離并不為實(shí)際的 Ri，記該測(cè)量值為偽距ρi。假設(shè)用戶與衛(wèi)星1～3進(jìn)行雙向測(cè)距授時(shí)，得到聯(lián)立的方程組

則方程組（7）可表示為

通過(guò)解算上述三元一次方程組，可得

1.2.2 單重/雙重覆蓋下的定位方案

雖然在三重覆蓋下的用戶定位精度較高，但用戶同時(shí)和3顆衛(wèi)星建鏈的代價(jià)較大，實(shí)際工程應(yīng)用中往往只會(huì)和1～2顆衛(wèi)星建鏈。雙重覆蓋下，用戶和兩顆衛(wèi)星進(jìn)行雙向測(cè)距和授時(shí)，計(jì)算出自己與建鏈衛(wèi)星之間的鐘差；如果要得到用戶的三維坐標(biāo)，必須借助其它輔助手段測(cè)定用戶所處地面的大地高（如通過(guò)測(cè)量用戶所在位置的大氣壓反演出大地高），如圖4所示。

圖4 基于衛(wèi)星通信的通導(dǎo)一體系統(tǒng)雙重覆蓋下定位方案Fig.4 Scheme of positioning in double covering multiplicity based on integrated communication-navigation system

基于衛(wèi)星通信的通導(dǎo)一體系統(tǒng)在雙重覆蓋下的用戶定位解算可以采用經(jīng)典的相似橢球法[15]，如圖5所示。

圖5 相似橢球法示意圖Fig.5 Diagram of similar to ellipsoid method

用戶在相似橢球上滿足如下方程

記地球的半長(zhǎng)軸為ae，半短長(zhǎng)軸為be，卯酉圈曲率半徑為 Ne，相似橢球的半長(zhǎng)軸為a，半短長(zhǎng)軸為b，H 為用戶測(cè)得的高程，e 為地球子午圈偏心率，由相似性可得

由此可得到相似橢球法的3個(gè)方程為

其中：φ 為高程測(cè)量誤差。

在進(jìn)行定位解算時(shí)，利用泰勒級(jí)數(shù)將其在近似位置處展開(kāi)，并去掉二次以上的高次項(xiàng)，則式（12）可表示為下述方程組的形式

將式（13）和式（14）利用矩陣的形式描述

解算上述三元一次方程組，可得

通過(guò)ξ 可以更新用戶位置坐標(biāo)新的估計(jì)值，如果定位精度未達(dá)到預(yù)先設(shè)定，即ξ≥預(yù)定精度，則重新迭代上述過(guò)程，直至定位精度達(dá)到預(yù)先設(shè)定需求。

在單重覆蓋下，除了需要知道衛(wèi)星和用戶之間的偽距值、用戶所處地面的大地高，還需要另一個(gè)觀測(cè)量才能對(duì)用戶進(jìn)行有效定位。隨著衛(wèi)星的高速移動(dòng)，用戶與衛(wèi)星之間會(huì)因?yàn)橄鄬?duì)運(yùn)動(dòng)的存在而產(chǎn)生多普勒頻移，構(gòu)成等頻錐面[16]，如圖6所示，由此可構(gòu)建新的觀測(cè)方程。

圖6 等頻錐面示意圖Fig.6 Diagram of equal frequency conical surface

其中：其中Vi為衛(wèi)星的速度；θi為衛(wèi)星和地面用戶連線與衛(wèi)星速度方向的夾角。

結(jié)合雙重覆蓋得到的結(jié)論，單重覆蓋的3個(gè)方程為

其中：ε1為接收機(jī)熱噪聲、處理時(shí)延標(biāo)定、接收機(jī)相關(guān)峰抖動(dòng)等導(dǎo)致的測(cè)距誤差；ε2為測(cè)頻噪聲誤差；ε3為氣壓計(jì)或數(shù)字高程模型引入的高程測(cè)量誤差。

在進(jìn)行定位解算時(shí)，利用泰勒級(jí)數(shù)將其在近似位置處展開(kāi)，并去掉二次以上的高次項(xiàng)，利用矩陣的形式可以描述如下

其中：P是地心地固坐標(biāo)系下地面用戶的空間坐標(biāo)。解算上述三元一次方程組，可得

2 通導(dǎo)一體的月面中繼通信系統(tǒng)

月球作為人類進(jìn)入深空的前哨站，載人探測(cè)的意義重大，但其能實(shí)施的前提條件是可以為月面的宇航員和月球車提供全程通信和導(dǎo)航服務(wù)。我國(guó)現(xiàn)有的地面深空測(cè)控網(wǎng)可以為月面探測(cè)目標(biāo)提供90%左右的測(cè)控弧段，不能全時(shí)段、快速準(zhǔn)確地支持宇航員獲取自身位置的三維坐標(biāo)，不能完全滿足未來(lái)月球開(kāi)發(fā)的需求，特別是復(fù)雜的探月活動(dòng)，如尋找前期發(fā)射的月球車、進(jìn)行月面上長(zhǎng)距離的探測(cè)、建立月球基地等。

2.1 月面中繼通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文所提出的通導(dǎo)一體月面中繼通信系統(tǒng)由地球深空站、地月拉格朗日L1點(diǎn)衛(wèi)星、繞月軌道器3個(gè)部分構(gòu)成，如圖7所示。3個(gè)部分通過(guò)一體化的網(wǎng)絡(luò)緊密連接在一起，用戶在不同的階段可以自行選擇相應(yīng)的單元完成通信和導(dǎo)航任務(wù)。由于采用一體化的思想，用戶可以“平滑”地從一個(gè)單元過(guò)渡到另一個(gè)單元，具有很好的靈活性和冗余度。

圖7 通導(dǎo)一體的月面中繼通信系統(tǒng)示意圖Fig.7 Diagram of lunar relay communication system based on integrated communication-navigation system

本方案建議在運(yùn)載火箭發(fā)射階段、地球軌道環(huán)繞階段、奔月過(guò)渡階段可以使用地球深空站進(jìn)行測(cè)控通信和導(dǎo)航；在初始環(huán)月軌道機(jī)動(dòng)段，采用地球深空站與地月L1點(diǎn)衛(wèi)星相結(jié)合的方式進(jìn)行測(cè)控通信和導(dǎo)航；一旦月球探測(cè)器抵達(dá)環(huán)繞軌道，主要的測(cè)控通信和導(dǎo)航則由地月L1點(diǎn)衛(wèi)星提供；在軟著陸及著陸后各種復(fù)雜的探月活動(dòng)期間，月面目標(biāo)可以通過(guò)2個(gè)繞月軌道器或1個(gè)繞月軌道器與1個(gè)地月L1點(diǎn)衛(wèi)星相結(jié)合的方式完成測(cè)控通信和導(dǎo)航，在地球深空站與月面目標(biāo)可視時(shí)，通信和導(dǎo)航可以通過(guò)多鏈路實(shí)現(xiàn)，測(cè)控和通信任務(wù)由與地球建立的主干通信鏈路完成，導(dǎo)航任務(wù)由月面目標(biāo)和繞月軌道器之間的前、返向通信鏈路完成。

以兩顆繞月軌道器對(duì)宇航員提供通信及導(dǎo)航服務(wù)為例進(jìn)行性能仿真，當(dāng)繞月軌道器和宇航員可視時(shí)，繞月軌道器在通信的同時(shí)主動(dòng)發(fā)起時(shí)頻傳遞，每隔400個(gè)數(shù)據(jù)幀發(fā)送一個(gè)查詢幀，并等待接收來(lái)自宇航員的應(yīng)答幀，宇航員接收到查詢幀并檢測(cè)到幀頭相關(guān)峰后，在最短時(shí)間內(nèi)回復(fù)應(yīng)答幀。通過(guò)1.1節(jié)設(shè)計(jì)的測(cè)距授時(shí)方案，宇航員可以得到相應(yīng)的偽距和鐘差信息，基于1.2節(jié)雙重覆蓋下用戶的定位方案完成定位解算。

2.2 仿真結(jié)果及其分析

具體的仿真參數(shù)如表1所示。本文假定電離層和對(duì)流層產(chǎn)生的大氣延遲、多徑效應(yīng)、高程測(cè)量誤差均已通過(guò)建模精確修正，僅考慮鐘差測(cè)量、處理時(shí)延測(cè)量、接收機(jī)相關(guān)峰抖動(dòng)、定軌誤差帶來(lái)的影響。

表1 仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameters

月球環(huán)繞器在雙重覆蓋下對(duì)月面目標(biāo)進(jìn)行導(dǎo)航定位的結(jié)果如圖8所示，時(shí)頻傳遞性能如圖9所示。同時(shí)對(duì)月球環(huán)繞器不同定軌精度下月面用戶的定位能力進(jìn)行了仿真，如圖10所示。

從圖8可以看出，三軸誤差均能夠較好地收斂，X方向的誤差在–5～10 m之間，Y方向的誤差在–14～20 m之間，Z方向的誤差在–20～20 m之間；水平定位偏差的均方根誤差約為2.77 m，三維定位偏差的均方根誤差約為3.65 m，具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。從圖9可以看出，利用通導(dǎo)一體月面中繼通信系統(tǒng)對(duì)月面目標(biāo)進(jìn)行授時(shí)，系統(tǒng)與月面目標(biāo)之間的鐘差不會(huì)超過(guò)20 ns，最大值為18.6 ns。仿真結(jié)果表明，通導(dǎo)一體月面中繼通信系統(tǒng)對(duì)月面目標(biāo)進(jìn)行授時(shí)和導(dǎo)航定位有很好的可行性。從圖10可以看出，隨著定軌殘差的增加，水平定位和三維定位均方根誤差也逐漸增大，但即使在定軌殘差達(dá)到100 m的時(shí)候，水平定位偏差和三維定位偏差的均方根誤差均未超過(guò)20 m。

表2 通導(dǎo)一體月面中繼通信系統(tǒng)雙重覆蓋下用戶位置解算偏差Table 2 Positioning bias in double covering multiplicity based on lunar relay communication system

圖8 通導(dǎo)一體月面中繼通信系統(tǒng)在雙重覆蓋下對(duì)月面目標(biāo)進(jìn)行導(dǎo)航定位結(jié)果Fig.8 Positioning results in double covering multiplicity based on lunar relay communication system

圖9 通導(dǎo)一體月面中繼通信系統(tǒng)雙重覆蓋下對(duì)月面目標(biāo)授時(shí)結(jié)果Fig.9 Timing results in double covering multiplicity based on lunar relay communication system

圖10 通導(dǎo)一體月面中繼通信系統(tǒng)在不同定軌精度下對(duì)月面目標(biāo)導(dǎo)航定位能力Fig.10 Positioning results in different precision of orbit determination based on lunar relay communication system

在此基礎(chǔ)上，本文對(duì)單重覆蓋場(chǎng)景也進(jìn)行了性能仿真，以驗(yàn)證在突發(fā)情況下系統(tǒng)的服務(wù)能力，仿真參數(shù)與雙重覆蓋下相同（見(jiàn)表1所示。月球環(huán)繞器1在單重覆蓋下對(duì)月面目標(biāo)進(jìn)行導(dǎo)航定位的結(jié)果如圖11所示。仿真結(jié)果表明，相較于雙重覆蓋的情況，定位解算結(jié)果精度較低，但仍能滿足一定的定位需求。

圖11 通導(dǎo)一體月面中繼通信系統(tǒng)在單重覆蓋下對(duì)月面目標(biāo)進(jìn)行導(dǎo)航定位結(jié)果Fig.11 Positioning results in single covering multiplicity based on lunar relay communication system

本文利用現(xiàn)存的地面測(cè)控網(wǎng)絡(luò)和月球中繼系統(tǒng)，減小了構(gòu)建、發(fā)射和維護(hù)月球?qū)Ш叫l(wèi)星的費(fèi)用；通過(guò)雙向距離和鐘差測(cè)量，最大限度地消除傳播路徑誤差的影響，使得時(shí)頻傳遞精度可達(dá)ns量級(jí)，并可實(shí)現(xiàn)在單/雙重覆蓋下的導(dǎo)航定位；采用的“查詢–應(yīng)答”式的測(cè)量策略，無(wú)需授時(shí)信源和授時(shí)信宿在同一時(shí)刻發(fā)送測(cè)距信息，避免了收發(fā)測(cè)距終端存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)，有效地提高了距離和鐘差的測(cè)量精度。宇航員可以在不接收地面指令的情況下實(shí)現(xiàn)自我定位、自主導(dǎo)航，大大提高了宇航員在月面的活動(dòng)范圍以及處理各種意外情況的靈活性。

3 結(jié) 論

本文對(duì)現(xiàn)有通導(dǎo)一體系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)述，分析了其在通信或?qū)Ш侥芰ι洗嬖诘牟蛔?，基于現(xiàn)有衛(wèi)星通信系統(tǒng)提出了一種新的通導(dǎo)一體架構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)，并介紹了該架構(gòu)在三重覆蓋和單/雙重覆蓋下的用戶導(dǎo)航定位方法，最后以載人登月為背景，給出了利用月面中繼通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信、測(cè)控、導(dǎo)航的設(shè)計(jì)案例并進(jìn)行了性能仿真。結(jié)果表明，利用通導(dǎo)一體月面中繼通信系統(tǒng)對(duì)月面目標(biāo)進(jìn)行導(dǎo)航定位有較高的精度，可用于未來(lái)載人登月信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

隨著通信衛(wèi)星星座的蓬勃發(fā)展，借助于衛(wèi)星通信信號(hào)開(kāi)展通導(dǎo)一體服務(wù)將成為通信衛(wèi)星星座一個(gè)重要的特色和贏利點(diǎn)，有必要提前布局。由于通信導(dǎo)航一體化系統(tǒng)的定位精度和服務(wù)容量之間存在相互制衡的關(guān)系，在單星定位時(shí)，系統(tǒng)總?cè)萘孔畲蠖脩舳ㄎ痪容^低；當(dāng)采用多顆通信衛(wèi)星進(jìn)行導(dǎo)航時(shí)，雖然精度有所提升，但容量迅速下降，未來(lái)需要結(jié)合用戶等級(jí)和需求探索高效的資源調(diào)度模式。此外還可深入研究時(shí)頻傳遞原理和定位解算方法，以提升單/雙星覆蓋下的定位精度。