基于Proximity－1協議的星間測距與時間同步技術研究

申景詩左莉華賀瑞康旭輝

（1山東航天電子技術研究所，山東煙臺 264670）（2航天東方紅衛星有限公司，北京 100094）

基于Proximity－1協議的星間測距與時間同步技術研究

申景詩1左莉華2賀瑞1康旭輝1

（1山東航天電子技術研究所，山東煙臺 264670）（2航天東方紅衛星有限公司，北京 100094）

衛星之間信息交互、星間相對測距及時間同步是衛星星座與編隊衛星飛行任務的關鍵技術。文章利用空間數據系統咨詢委員會（CCSDS）Proximity－1協議中給出的時間業務，提出了一種非相干雙向測距／時間同步方法，在星間信息傳輸的同時完成星間高精度測距，并詳細給出了算法的計算公式推導和模型誤差分析，理論分析和實驗仿真結果表明：文章提出的方法具有較高的測距／時間同步精度，且功能集成度高，可為星間鏈路的建設提供技術支持。

Proximity－1協議；星間通信；非相干測距；時間同步

1 引言

為實現空間目標的精確測量、準確跟蹤、全空域覆蓋、實時操控，以及提高測控系統的生存能力，衛星星座［1－2］與編隊衛星飛行技術［3－5］已成為當前研究的重點。星座以及編隊中各衛星之間的協同控制、自主運行的重要前提是，實現星間相對測距和時間同步并建立信息交互鏈路［6］。

星間測距和時間同步的傳統方式是利用地面設備對衛星星座進行測量，存在成本高、同步精度低、設備復雜等問題。利用星間鏈路進行星間相對自主測量可以使衛星無須依賴地面測控設備，僅依靠自身跟蹤與測量設備完成測距和時間同步以及信息的交互。這樣可以減輕地面的工作負擔，同時還能有效避免大氣層引入的測量誤差，有利于提高測量精度。

CCSDS Proximity－1協議是CCSDS開發的一個應用于空間任務的雙向空間鏈路協議［7－9］，充分考慮了近距鏈路具有的信號延遲小、強度適中、通信時間短且不受約束等特點，為建立一個穩定可靠的空間傳輸鏈路提供了一種實現手段。CCSDS Proximity－1協議的時間業務能完成星間時鐘的傳遞，進而實現時差相對測距、時鐘校準。

本文針對CCSDS Proximity－1協議中提供的時間業務展開研究，重點是主星和從星之間時間校準和雙星之間時差相對測距的實現方法。參考CCSDS Proximity－1協議提供的非相干時差測距方法，在星間信息傳輸的同時實現星間高精度測距。并在指定的信號體制和時鐘穩定度條件下，優化電文的設計、捕獲、跟蹤算法設計，盡可能提高測距精度。

2 CCSDS Proximity－1協議

CCSDS Proximity－1協議支持多種空間數據在各種近距離空間鏈路上的有效可靠傳遞。其分層模型由兩層組成，分別是物理層和數據鏈路層，其中數據鏈路層又分為五個子層，即編碼和同步子層、傳輸幀子層、介質訪問控制（Media Access Control，MAC）子層、數據業務子層和輸入輸出子層。各層的主要功能如圖1所示［10］。

圖1 Proximity－1協議分層結構功能示意圖Fig.1 Schematic of hierarchical structure of proximity－1protocol

Proximity－1協議提供兩類業務［11－12］：數據業務和定時業務。數據業務包括CCSDS標準包業務和用戶自定義的數據業務；定時業務根據鄰近鏈路傳輸單元的發送／接收，實現定時標志獲取、提供通信單元間的時鐘校正數據、實現時差測距。

Proximity－1協議為應用過程提供的數據業務有CCSDS包傳輸業務、用戶定義數據傳輸業務和時間業務。上述所有業務數據可以在前向和返向鏈路同時發生，如發送命令的同時可以接收遙測數據等。定時業務則為時間相關數據和基于時間的測距過程提供航天器時間。航天器之間的近距離操作需要定時業務提供下列功能：星載近距離時鐘相關；世界標準時間傳遞；非相干時差測距等。這三種功能均在收發機進行數據業務操作時實現，并可與其它數據操作同時完成，工作于雙工、半雙工、單工模式。

3 基于Proximity－1協議的星間測距與時間同步技術

多數任務中，衛星組網拓撲構形一般尺度不太大，最遠兩星距離一般在幾百千米以內（本文取300km），星間通信鏈路適合采用CCSDS Proximity－1近距空間鏈路通信協議。數據幀結構采用CCSDS Proximity－1版本3定義的傳輸幀［11］。

3.1 近距鏈路時間業務

Proximity－1協議中把時間業務作為一種獨立的業務來進行描述，突出了時間業務在協議中的重要性。由于近距鏈路協議完成的是近距的、實時的通信，所以要求通信雙方要達到高度的時間統一。完成時間業務的基礎是使用相同的時間標志捕獲方法，這種方法要求收發雙方具有對所有傳輸幀同步碼的最后比特位收／發時間的跟蹤能力。

3.1.1 時間捕獲方法

本地控制器發送設置控制參數（本地時間標記）的指令給發送端，使其以規定的時間間隔去捕獲本地參考事件和相關的幀序列號。一旦收到此指令，MAC子層將變量時間收集由“未激活”設置為“收集數據”，以表示時間搜集開始。

發送端產生并傳輸設置控制參數（時間采集）指令。以規定的時間間隔每發出一幀，發送端就會捕獲每一傳輸幀的時間結點和幀序列號。在應用這些收集到的數據時，還必須知道發射過程中的內部信號路徑的延遲信息。一旦達到了規定的時間間隔（已經捕獲到了足夠的時間結點），MAC子層將時間收集設置為“收集完成”，表明可以傳遞這些時間和相對應的幀序列號。這時，接收方接收到了設置控制參數指令，確認并解碼指令，隨后在規定時間間隔內捕獲每個傳輸幀的時間和幀序列號。接收端也將跟蹤每個內部信號路徑的延遲，一直到讀出所收集的數據，將時間收集設置為“未激活”為止。

當時間收集過程完成時，發送端和接收端都會把它們捕獲的時間和幀序列號傳送給各自的本地控制器。本地控制器將會生成一個近距時間關系包，包含有本地收發機在規定時間內收到的一系列點（幀時間結點、幀序列號）。另外，在收發鏈路中的內部信號路徑延遲要求能事先確定。

3.1.2 測距傳輸幀格式定義

版本3傳輸幀包括結構固定的40bit導頭和長度小于16 344bit的數據域，如圖2所示。由于須要在本地傳輸幀同步碼（0xFAF320）發送時刻提取本地距離測量值，因此定義傳輸幀的長度為1Kbit的整數倍，包括24bit傳輸幀同步碼、數據導頭、循環冗余校驗碼、數據域。

圖2 Proximity－1鏈路協議傳輸幀結構Fig.2 Proximity－1link protocol transmission frame structure

為了實現星間的高精度測距和時間同步，在數據域內定義順序排列的3段：勤務段、傳輸模式段和任務信息段。勤務段用于高精度測距和時間同步（如圖3所示），傳輸模式段用于定義信息發送模式，任務信息段為有效數據內容。

圖3 用于測距／時間同步定義的勤務段結構Fig.3 Service segments structure in ranging／time synchronization

3.2 非相干雙向測距與時間同步原理

非相干雙向測距與時間同步方法描述如下：①建立鏈路的兩顆衛星分別以各自的星載頻標為基準，在發射時隙到來時刻向對方發送結構相同的信息幀，本地的基帶時鐘、載波頻率均由本地頻率綜合器產生，不與對方衛星相參，雙方無頻率、相位關系約束；②衛星在接收時隙內，對收到的對方信號進行捕獲、跟蹤、解調，恢復出信息幀，并在信息幀同步頭最后1位下降沿時刻提取本地歷元時，聯合對方信息幀發送歷元時計算出本地偽距，并將其嵌入到本地信息幀中發送給對方；③兩星各自獨立地利用本地測得的偽距和接收信息幀中解調出來的對方偽距，通過算法計算獲得星間幾何距離和時間同步差（兩星鐘差），進行時間同步調整。圖4給出了兩顆衛星（定義為A星和B星）進行星間距離與鐘差測量的原理及時序關系。

圖4 雙向非相干測距與鐘差測量原理及時序關系Fig.4 Timing of non－coherent ranging and clock offset measurement

圖4 中各參數的定義如下：Δt是兩星的鐘差，τBA是指從星B到主星A天線間的電磁波傳播時延，τAB是指主星A到從星B天線間的電磁波傳播時延，tA和tB是指主星A和從星B的發射設備時延，rA和rB是指主星A和從星B的接收設備時延，ρA和ρB分別是主星A和從星B測量得到的本地偽距。在圖4中，主星A和從星B分別以自身時鐘為基準，在各自的分配時隙內發射測距信號。由于雙方時間不一致，雙方發送的測距信息幀之間存在時間差Δt。由圖4的時序關系，可以得到兩星的本地偽距的表達式如下：

本地偽距ρA和ρB是接收方在發送本地幀同步碼后沿時刻提取的偽距，反映此刻兩星之間的幾何距離。其中誤差項zBA＝tB＋rA和zAB＝tA＋rB是單向組合零值，變化范圍很小，且可以精確標定。εA和εB是指由于星載頻標的準確度引起的不確定項［2］。

式中：t1＝tB＋τBA＋rA；t2＝tA＋τAB＋rB；fA（t1）和fB（t2）是指主星A和從星B隨時間變化的本地頻標；f0為標稱的頻標值。

采用雙向測距方法進行距離與鐘差解耦時，如果兩星之間的作用距離小，從而可以忽略由衛星運動引起的測量誤差，因此，簡單地利用式（1）中等式的相加和相減運算便可求解星間距離和鐘差。

如果2顆衛星之間有相對運動且模型未知，上述方法已不再適合系統的星間距離與鐘差的解耦，必須對衛星運動引起的誤差進行分析與建模，從而通過誤差修正獲得較高的星間測距與時間同步精度。設兩顆衛星之間相對速度為v（t），c為真空電磁波傳播速度，根據剛體運動學理論，令

式中：vave是鐘差Δt時間段內兩顆衛星在給定慣性系和時間系統內的相對運動平均速度。根據式（1）可得

3.3 誤差分析

式（7）和式（8）給出了星間距離與鐘差的解耦計算公式，其中包含的誤差項如下：

1）組合零值誤差

zBA和zAB是以系統零值的組合形式對星間測量帶來影響。組合零值可以事先由地面進行精確的校準后注入星載設備，校準精度可達0.1ns。

2）星載原子鐘誤差

由式（2）和式（3）可知，誤差項εA和εB的影響與星載原子鐘的準確度和星間傳播延遲有關。根據不等式法則得到此誤差大小為

衛星均采用高穩定原子頻標作為星上頻率基準，一般具備優于μmax≤e－11μ≤1×10－11的頻率準確度，假設星間最遠傳播延遲τmax≈1ms（相當于約300km距離），分析原子鐘在星間測量時的準確度，只需要根據其秒級穩定度指標即可。因此誤差項的影響最大值約為皮秒級（相當于毫米級距離），可以忽略。

3）相對運動誤差

相對運動誤差是指由于衛星之間的相對運動而引起的測距與時間同步誤差。相對運動誤差與兩顆衛星的相對運動平均速度vave、鐘差的尺度成正比。通常衛星成員之間的相對運動速度不會過大，可定為λ＝｜0.5vave／c｜，若｜vave｜≤34km／s，則λ≤6× 10－5。由于式（7）和式（8）計算模型的不確定項是一微小量，如果在計算中作為模型誤差忽略，引起的鐘差估計相對誤差≤6×10－5，對絕大多數任務的星間測距和鐘差測量能夠滿足精度要求。對于其它必須考慮衛星動態誤差影響的星間測量系統，衛星的徑向速度可以由存儲的星歷計算得到，星歷誤差直接影響修正誤差，該誤差精度為厘米級每秒，要進行運動補償。

4）測量誤差

原始偽距觀測量ρA和ρB是星間鏈路接收設備從跟蹤環路中提取的，因此環路的熱噪聲誤差和動態應力誤差直接影響到偽距測量的誤差。偽碼跟蹤環（通常采用延遲鎖定環），總的1σ跟蹤誤差為

式中：σtDLL表示熱噪聲引起的跟蹤誤差；θe為相對運動引起的動態應力誤差。由于載波和偽碼相參，故采用載波輔助碼環技術來消除絕大部分動態，因此，動態應力誤差可以忽略不計。熱噪聲引起的跟蹤誤差為［13］

式中：BL為環路等效噪聲帶寬；d為相關間距；CN0為接收信號載噪比；T為預檢測積分時間；fcode為偽碼速率。

4 實驗驗證

4.1 地面實驗的設計與組成

為驗證理論分析的正確性，地面驗證平臺包括2臺星間組網通信／測距終端，功能與星載終端任務相同，并能模擬無線信道的距離衰減和傳輸延遲、信道噪聲與干擾、相對運動引起的多普勒頻移等。每臺星間通信與測量終端包括：中頻信號處理單元、基帶處理單元、CCSDS協議處理單元、精密測距與時間同步處理單元、射頻發射／接收單元、上位機信息綜合處理單元等。星間通信／測距實驗系統如圖5所示，2個星間通信／測距終端使用高頻電纜連接、通過射頻接口進行通信。測試驗證系統模擬星載數據系統功能，提供星載數據接口與終端進行通信，完成對終端的命令控制、狀態監測、協議分析、收發數據的實時比對、測距精度計算分析等功能。

圖5 星間通信與測距地面驗證平臺Fig.5 Inter－satellite communication and ranging ground verification platform

4.2 實驗結果及分析

圖6 星間距離測量誤差Fig.6 Measurement error of inter－satellite range

測試時，使用定制的已知長度線纜測出信號的傳輸時延，然后根據信號的時延反算電纜長度。圖6和圖7分別給出了星間距離與鐘差的測量誤差。

對1000個測量結果進行隨機誤差統計的結果表明：最大測距誤差為0.26m，方差1σ為0.08m；最大鐘差為0.86ns，方差1σ為0.26ns。鐘差與測距精度量級相同。

根據發射功率、天線增益、工作頻點并結合星間距離計算出鏈路的空間傳播損耗，疊加上指向損耗、饋線損耗等，得到接收端接收信號載噪比（CN0）約為56dB／Hz，將其帶入式（11）可計算出環路的熱噪聲測量誤差為：0.043m（1σ）。可見，測量誤差主要受熱噪聲的影響。以上結果表明，非相干雙向測距方法的理論分析與實驗結果基本一致，驗證了理論分析的正確性。

圖7 鐘差測量誤差Fig.7 Measurement error of clock offset

5 結束語

通過地面驗證平臺的實驗，結果顯示測距精度優于0.3m，證明了理論分析的正確性。本文提出的方法功能集成度較高，易于工程化設計，為星間鏈路系統提供了一種新的方法，可用以實現星間組網通信、測距、時間同步、相對定位等功能。

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（編輯：張小琳）

Study of Inter－satellite Ranging and Time Synchronization Technology Based on CCSDS Proximity－1Protocol

SHEN Jingshi1ZUO Lihua2HE Rui1KANG Xuhui1
（1Shandong Aerospace Electro－technology Institute，Yantai，Shandong 264670，China）（2DFH Satellite Co.，Ltd.，Beijing 100094，China）

Inter－satellite information interacting，ranging measurement and time synchronization are key technologies for the satellite constellations and satellite formation flying missions.In this paper，a method of non－coherent precisely ranging and time synchronization is proposed based on the timing services as given in CCSDS proximity－1protocol，then the detailed formular derivation and model error of the algorithm are proposed and analyzed.The theoretical analysis and experiment results show that the method presented in the paper achieves higher precision of ranging measurement and time synchyonization，and can easily integrates the functions.Further more，it can provide an advantage design approach for the inter－satellite link.

Proximity－1；inter－satellite communication；non－coherent ranging；time synchronization

TN915

：ADOI：10.3969／j.issn.1673－8748.2016.01.010

2015－12－08；

：2016－01－07

申景詩，男，碩士，高級工程師，從事衛星通信、天基組網技術研究工作。Email：shenjingshi＠hotmail.com。