一種繞飛編隊衛星星間鏈路系統的總體設計方法

張蕾 嚴林 高翠東 臧榮春 陸波

(航天東方紅衛星有限公司, 北京 100094)

一種繞飛編隊衛星星間鏈路系統的總體設計方法

張蕾 嚴林 高翠東 臧榮春 陸波

(航天東方紅衛星有限公司, 北京 100094)

為了建立高精度相對定位編隊衛星的星間鏈路，提出了一種基于GPS的繞飛編隊衛星星間鏈路系統設計方法。針對我國首次以InSAR為背景的任務，以某繞飛編隊星座星間鏈路系統總體方案為例，利用STK/MATLAB分析軟件，對天線覆蓋區與組陣進行了仿真分析，并根據分析結果做了系統優化，包括星間軌道構型、天線設計組陣圖、天線安裝位置、鏈路預算、星間通信措施設計分析以及電磁兼容性分析等。結果表明：基于GPS的編隊衛星能夠從系統角度優化設計建立星間鏈路，從而完成編隊跟飛、繞飛期間的星間通信與測量任務，為衛星建立星座構型、相對定位測量提供了可靠、穩定的傳輸通道。該設計方法可為同類衛星或其他類型衛星星間鏈路系統設計提供參考。

編隊飛行衛星；星間鏈路；總體設計

1 引言

隨著我國航天技術的發展，衛星應用遍布遙感、導航、通信、新技術試驗等領域，衛星也從單顆衛星發展到雙星、星座衛星，其中，由多顆小衛星編隊飛行、建立構型，共同執行空間任務的衛星系統稱為編隊衛星系統[1-2]。

InSAR編隊是編隊衛星系統的一種，它對基線范圍要求嚴格，編隊構型的尺度較小，而且對兩星之間相對位置的測量精度提出了厘米級的高要求。目前，國內外高精度厘米級相對定位測量大多采用基于GPS的星間鏈路系統完成，通過將副衛星上的GPS原始測量信息經由空-空通信傳遞給主衛星，主衛星進行雙差載波相位處理，得到厘米級高精度相對定位結果，多應用于交會對接領域。美國自20世紀90年代開始進行GPS相對測量的應用研究，該項技術已發展成熟，交會對接全面步入自主交會對接階段，日本、歐洲航天局和瑞典等也已開展了星間相對測量的在軌應用[3]。國內在軌編隊飛行衛星星座目前主要采用基于星間通信測距碼方法完成相對距離測量，精度達不到厘米級，利用GPS進行相對定位的神舟-8、神舟-9飛船等交會對接飛行器精度能夠達到厘米級，但是在跟飛狀態下進行相對測量，且星座構型簡單、在軌執行任務時間較短；而厘米級高精度星間相對定位測量是長時間連續雙差載波相位解算的結果，連續定位時間越長，相對定位結果精度越高，因此如何長時間保持在繞飛構型下的星間鏈路系統信道穩定、暢通是實現高精度相對定位結果的充分必要條件。

國內現有的星間鏈路設計主要集中于分析幾何參數的變化和鏈路的動態特性研究[4-7]，對于其系統設計、總體策略設計和天線的仿真分析不足，因此為了解決國內首次以InSAR為背景任務，雙星在小尺度繞飛編隊(1000～5000 m)構型下，采用基于GPS的星間鏈路系統技術，本文以某繞飛編隊小衛星為例，利用STK/MATLAB分析軟件進行仿真，對其星間鏈路系統進行了研究和設計，主要包括：①分析衛星星間鏈路天線覆蓋區、星間鏈路天線安裝形式、星間鏈路天線安裝布局、星間通信可靠性措施設計分析以及星座衛星中突出的電磁兼容性問題，并在此基礎上研究通用的星間鏈路總體設計方法；②對編隊衛星飛行過程中運動軌道的仿真，分析星間鏈路天線之間的指向角度范圍，進而提出優化星間鏈路通信質量的天線布局方式。

2 繞飛編隊衛星星間鏈路系統的設計思想

星間鏈路的規劃和設計是編隊飛行衛星進行星間通信的關鍵技術之一，星間鏈路的總體規劃首先是根據總體的需求決定分系統組成，例如，若需要星座間亞厘米級絕對定位精度，需要考慮星間激光測距的微波通信鏈路；若星座間需要數據傳輸速率大于10 Mbit/s時，需要考慮激光通信，若需要達到厘米級相對定位精度，需要采用基于GPS的微波通信鏈路。

設計繞飛編隊衛星星間鏈路系統在國內尚屬首次，星座的幾何構型是分析的重點，通過對星座軌道進行仿真分析，得到星座間的相對位置關系。

由于繞飛編隊衛星系統是傳送低碼速率的GPS原始測量信息，因此可以仿照星-地的測控設計，采用成熟的S頻段測控天線，設計合理的組陣的方式(星間通信天線的天線數量和安裝位置)，為星間通信提供穩定可靠的射頻通道，盡量減小干涉區域和通信中斷區域；通過仿真分析，得到星座衛星一個軌道周期內相對距離和相對速度變化率，選擇合適指標的星間通信機，可采用S頻段星地測控應答機的射頻通道設計；選擇合適的星間通信機發射功率；估算星間通信機至天線間的射頻損耗；根據衛星軌道和星座，計算空間損耗；估算接收系統的噪聲溫度；估算出鏈路能承受的數據傳輸速率，并根據所要求的數據率計算信噪比(Eb/N0)；根據誤碼率要求查出相應的信噪比，選擇合適的調制和編碼技術；計算鏈路裕度，即算出的預計值與要求值之差；星座衛星電磁兼容性分析，由于星座衛星組網距離較近，星座射頻設備的電磁兼容問題就比較突出，除了要考慮單顆衛星內部的電磁兼容問題，還要考慮星座的電磁兼容。同時，還要設計簡單的星間通信校驗措施和備份手段進行星間通信可靠性設計。

3 應用實例

以某繞飛編隊衛星星間鏈路系統為例，其物理模型、系統設計方法及其分析驗證如下。

3.1物理模型

兩顆衛星各裝有一套星間鏈路系統裝置，主要包括星間通信機、星間鏈路天線陣等設備，如圖1所示。

繞飛編隊星間鏈路系統要與GPS接收機、星務主機以及星上總線等協同工作。

圖1 星間高精度測量裝置組成框圖

3.2仿真分析計算

3.2.1 星座軌道構型分析

在STK仿真場景中[8]，選取A、B衛星的軌道要素，均為低軌太陽同步軌道，對星座天線覆蓋區進行分析，從仿真結果得到A、B衛星連接矢量在一個軌道周期分別與各自本體坐標系X、Y、Z軸的夾角。其中，A衛星與B衛星連線矢量與A衛星本體坐標系X、Y、Z軸矢量的夾角如圖2所示，B衛星與A衛星連線矢量與B衛星本體坐標系X、Y、Z軸矢量的夾角類似，也得到相似的圖形。

圖2 連線矢量與A衛星本體坐標系X軸、Y軸、Z軸矢量的夾角

通過仿真結果得到A衛星和B衛星連接矢量分別與各自本體坐標系的夾角在軌道周期內類似，也就是說對A衛星星間鏈路天線方向圖和對B衛星星間鏈路天線方向圖的要求是相同的，分別為要求A、B衛星星間鏈路天線覆蓋衛星本體坐標系X軸0°～180°、Y軸38°～145°、Z軸55°～130°的范圍，才能保證繞飛期間全時段通信。

3.2.2 星座天線分析

為保持連續穩定的星間通信，要求兩衛星星間通信天線必須能夠覆蓋所有的空間飛行區域，因此對星座天線覆蓋區進行分析。天線考慮固定安裝，為了在編隊飛行期間星間通信天線覆蓋全空域和保持良好的幅頻增益特性和相頻特性，在仿真場景設計中，分別仿真了天線安裝于衛星±X面異旋組陣工作、±X面同旋組陣工作、±Z面同旋組陣工作3種方案。

(1)星間天線安裝于±X面、異旋天線組陣示意如圖3、圖4所示，仿真方向圖如圖5所示，其中紅色線圈為設計的天線增益指標-10 dBi，黑色曲線為仿真測試值(藍、綠曲線為刻度線)。

圖3 衛星一前一后飛行

圖4 衛星平行飛行

注：60°～120°、240°～300°為腰帶區。圖5 異旋天線組陣方向圖(XOY面)

(2)星間天線安裝于±X面、同旋天線組陣仿真方向圖如圖6所示。

(3)天線安裝于±Z面，同旋天線組陣。

當采用方案(3)時，其組陣后的天線仿真方向圖類似圖6，但A、B衛星星間鏈路天線是安裝于±Z面進行星間鏈路通信，A衛星始終是組陣后的干涉區與B衛星天線組陣后的干涉區通信，這樣雖然能保證星間通信鏈路所需的電平，但能量利用較低，因此不選擇這種方式。方案(1)異旋天線組陣方向圖與方案(2)同旋天線組陣方向圖比較，可以看到，兩種天線組陣方式都有些許干涉區，相比較而言，異旋組陣圖腰帶區(見圖5)存在較小干涉區。在軌飛行期間， A衛星軌道機動狀態時，若采用異旋組陣方式，信號傳輸過程中當左、右旋接收時，接收信號會降低20 dB，有可能產生數據中斷。因此選擇方案(2)安裝于±X面的同旋組陣天線較優。

圖6 同旋天線輻射方向圖(XOY面)

3.2.3 星座天線安裝位置分析

星座天線安裝位置的布局分析可以進一步優化星間通信設計，由于A衛星的電推進系統也裝于衛星的+X和-X面上，考慮到電推進羽流[9]對星間通信天線的影響，為確保通信信號的質量，在星間通信天線安裝過程中，必須遠離羽流密集區域。同樣，利用A、B衛星的繞飛軌道參數，仿真分析得到B衛星運行軌跡在A衛星+X面和-X面上的投影，如圖7中的粗虛線所示，粗虛線附近即為繞飛過程中兩星之間通信信號大致所占的通信區域，其中粗虛線與Y軸的夾角α約為35°。適當調整A衛星星間通信天線的安裝位置，使得當B衛星和A衛星星間通信天線的連線適當遠離A衛星電推進系統，盡量減少羽流對星間通信質量的影響。

由上述分析可以確定A衛星星間通信天線安裝的優化原則：

(1)星間通信天線各一副安裝于衛星本體坐標系下的+X和-X面上，天線電軸線與±X軸平行；

(2)安裝位置適當遠離電推進系統，即到圖7所示粗虛線的垂直距離盡量遠；

(3)安裝過程中要考慮電推進系統和其它設備的遮擋效應，星間通信天線在圖7所示通信區域內不能受遮擋，并具有較好的增益特性；

(4)在表面特性比較復雜的-X面，星間通信天線應該高于-X面的推進艙，也要保持天線到-X面的距離，即到圖7(b)中粗虛線的距離盡量遠。

圖7 B衛星運行軌跡在A衛星+X面和-X面上的投影

3.2.4 星間鏈路分析

ISL天線仿照星-地的測控天線設計，采用成熟的S頻段測控天線(四臂螺旋)，天線方向圖實測值(見圖8)，分別對衛星進行最大通信距離的鏈路預算和兩衛星編隊飛行時(跟飛、繞飛)的鏈路預算，跟飛期間的鏈路分析參數見表1，跟飛期間的鏈路余量如圖9所示；繞飛期間的鏈路余量如圖10所示。

圖8 天線增益圖

圖9 跟飛期間星間鏈路余量

圖10 繞飛期間星間鏈路余量

表1 ISL預算

從表1可以看出，跟飛期間兩衛星距離為200 km時能建立通信鏈路，在兩星慢慢靠近，建立編隊構型并保持繞飛狀態后，從圖10可以看出，由于天線腰帶干涉區的影響，繞飛期間除了可能會有兩次短暫失鎖情況，其余時間均能保證通信鏈路的通暢。

3.3星間通信可靠性措施設計

星間通信機設計采用雙相移鍵控(BPSK)調制方式，使用雙備份通信體制，以及數據校驗措施來應對星間通信。A衛星星間通信機設計由接收機、解調器和下位機、電源4個模塊組成，為保證星間通信鏈路的可靠性，設計接收機、解調器電源為雙機熱備份，下位機為雙路冷備份，提高整機的可靠性。兩路接收機分別接收來自天線的射頻信號，并處理成中頻信號輸出給解調器；解調器完成解調、同步、校驗后分成兩路輸出給下位機；下位機對星間通信機各模塊進行管理，并對解調器輸出的兩路數據的校驗標志碼情況進行選擇，若A路和B路解調信息均正確，下位機默認選擇A路解調信息；若兩路中有一路解調信息正確，另一路不正確，則輸出正確路的信息；若兩路解調信息都不正確，則也默認輸出A路解調信息，但置出標志，以此措施來提取正確的GPS信息。

3.4電磁兼容設計

由于編隊衛星星座距離更近，星座間星間鏈路電磁兼容性也就更加突出。考慮到星間鏈路采用S頻段，于是S頻段星間鏈路與星地鏈路的多向干擾問題就是電磁兼容性試驗(EMC)分析的重點。表2計算了B衛星星間通信機發射到A衛星應答機接收的功率電平為-122.5 dBm；表3計算了B衛星應答機發射到A衛星星間通信機接收的功率電平為-120.5 dBm，均滿足應答機的靈敏度門限設計指標。

表2 B衛星星間通信機發射對A衛星應答機的干擾分析

表3 B衛星應答機發射對A衛星星間通信機的干擾分析

4 結束語

本文對繞飛編隊衛星星間鏈路系統進行總體設計，包括星間軌道構型分析、天線設計組陣圖、天線安裝位置、鏈路預算等。作為國內首次基于GPS的繞飛編隊衛星星間鏈路系統設計，其設計方法合理、有效，并通過了在軌飛行驗證，能夠為后續星座衛星工程應用提供有益的支撐，并可以為其他類型的星間鏈路總體設計提供借鑒。

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(編輯：李多)

Top-level Inter-satellite Link Subsystem Design Method for Satellite Formation

ZHANG Lei YAN Lin GAO Cuidong ZANG Rongchun LU Bo

(DFH Satellite Co. Ltd., Beijing 100094, China)

GPS-based top-level ISLS(inter-satellite link subsystem)design method for satellite formation is proposed in this paper, in order to satisfy the high-precision relative positioning requirement. By taking China’s first flying-around InSAR satellite formation as the target system, the coverage area of the ISLS antenna array is analyzed by using STK/MATLAB. The system optimization work for orbit design, antenna pattern, link budget, positioning accuracy and electromagnetic compatibility is also done. The results show that GPS-based satellite formations can establish top-level optimized inter-satellite links to finish the communication and positioning task during the whole flying-around or with-flying by providing reliable communication and positioning links. The proposed method can be a valuable reference for satellite formations ISLS design.

formation satellites; inter-satellite link(ISL); top-level design

2014-04-02；

：2014-04-20

國家重大科技專項工程

張蕾，女，工程師，從事小衛星測控、星間鏈路系統研究。Email：miyaner1981@aliyun.com。

443

：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2014.03.005