基于射頻的導航衛星星間鏈路信息傳輸與仿真研究

張國柱

（國防科技大學，湖南長沙410073）

1 引 言

作為應用廣泛的空間信息基礎設施，衛星導航系統的穩定運行和精準服務在軍事國防和國民經濟中都發揮著舉足輕重的作用。 導航衛星的軌道確定和時間同步是導航系統運行控制的核心任務，依賴于星間精密測距和數據高效傳輸實現。 星間鏈路是為實現星間測距和通信而建立的射頻鏈路或光學鏈路，逐漸成為增強地面系統管控能力和自主運行能力的關鍵技術。

目前，導航衛星的星間鏈路研究和建設主要基于射頻波段。 作為最早實現星間測距和通信的衛星導航系統，美國的GPS 在Block －IIR 系列衛星上搭載了UHF 頻段的星間鏈路［1，2］。 其他GNSS 系統同樣將從超高頻（UHF）到極高頻（EHF）的若干頻段作為星間鏈路建設初期的選擇。 射頻波段的星間鏈路技術成熟度高，失敗風險小，但無線電帶寬低也限制了其數據傳輸效率，而激光鏈路具有極高的載波頻率和帶寬，數據傳輸率更高，設備更小更緊湊，更加適合空間網絡通信［3，4］。

本文在對導航星座網絡星間鏈路技術分析的基礎上，研究星間鏈路頻段選擇對導航信息傳輸效率的影響，從天線特征，多址控制方式和鏈路分配等方面分析了射頻鏈路的工作體制，并應用OPNET平臺建立導航信息傳輸仿真模型，通過信息傳輸實驗結果的分析，驗證了基于射頻鏈路導航信息傳輸的可行性和有效性。

2 星間鏈路工作體制分析

星間鏈路是實現星間信息傳輸和數據交換的通信鏈路，最早應用于跟蹤與數據中繼衛星系統以及各種通信衛星網絡系統。 根據采用的傳輸介質，星間鏈路分為射頻鏈路和激光鏈路［2］。 本節針對不同頻段的星間鏈路，從天線波束，信息傳輸性能以及建鏈策略等方面，對不同頻段星間鏈路的工作體制進行分析。

2.1 星間鏈路頻段分析

目前，導航衛星的星間鏈路研究和建設主要基于射頻波段，根據國際電聯對星間業務的頻段劃分，導航衛星的射頻鏈路由主要集中在UHF 頻段和Ka 頻段［5］。 空間激光測量和通信技術具有通信速率高、容量大、抗干擾和保密性好等顯著特點，逐步應用到衛星導航系統星間鏈路的研究和建設。 根據全球導航衛星系統建設和星間鏈路頻段選擇的研究情況，可以看出導航衛星星間鏈路采用的頻段呈現向高頻發展的趨勢。 下面分別從物理屬性、衛星平臺以及技術特征方面比較三種頻段的星間鏈路，見表1。

表1 三種頻段星間鏈路的特征比較Tab.1 Characteristic comparison of three bands of inter satellite links

通過三種頻段星間鏈路的特征分析，可以看到激光鏈路由于頻帶寬，波束窄，通信容量大，因此具有更加精密的測距精度和更好的數據傳輸率。 但由于其發射波束窄不易捕獲，終端精確對準困難，對拓撲結構建立帶來很大的挑戰。 由于激光鏈路的技術復雜度較高，使得現階段研究更多地集中在星地信息傳輸和星間點對點的通信，而基于激光鏈路的導航網絡星間測距和信息傳輸研究較少［6，7］。

根據前向性設計原則及射頻鏈路研究現狀，本文著重介紹基于射頻鏈路的導航信息傳輸效率問題。

2.2 寬波束時分體制

采用UHF 頻段的射頻鏈路通常裝配寬波束天線，在天線覆蓋范圍內的可視衛星均可選擇建鏈，因此寬波束星間鏈路組網方式較多，拓撲結構容易建立。 對于寬波束天線的星間鏈路，通常采用時分多址的工作體制，將運行周期劃分為合理的時隙，然后再規劃各衛星的星間測距和通信業務時序。由于導航衛星的運行具有周期性和可預測性，基于時分體制的寬波束鏈路可以借鑒FSA 的思想［8］。

整個星座周期（Constellation Period）根據星間可見性劃分為m 個等間隔拓撲時段（Topo State），在每個時段內認為星間拓撲固定不變。 每個拓撲時段再劃分為n 個建鏈周期（ Lc），建鏈周期進一步劃分為k 個建鏈時隙（Slot），衛星在每個時隙內選擇合適對象建鏈，進行星間測距和通信。 對于寬波束射頻鏈路，整個星座的導航衛星按照建鏈時隙輪流發射信號，與其他可視衛星進行測距，并完成信息傳輸。 因此，這種星間鏈路的工作體制稱為輪詢時分體制，如圖1所示。

圖1 寬波束鏈路的輪詢時分體制示意圖Fig.1 Schematic diagram of polling time-division scheme for wide-beam links

3 星間鏈路拓撲結構設計

導航衛星之間存在相對運動，使得空間網絡具有高動態性和時變特性。 因此，導航衛星的天線指向決定了能否快速地完成星間鏈路的建立。 UHF頻段鏈路利用天線波束較寬的優點，可以在波束覆蓋范圍內進行組網選擇，鏈路設計較為容易。 針對UHF 頻段鏈路的特點，在工作體制分析的基礎上，研究相應的拓撲結構設計方法，為導航信息傳輸提供結構基礎。

寬波束鏈路分配方法：導航衛星之間的配對關系構成了網絡拓撲結構，決定著信息傳輸的結構基礎。 基于時分體制的寬波束鏈路，網絡拓撲具有時變特征。 由于導航衛星星上能源和計算能力有限，每顆衛星所能攜帶鏈路數量受限，任意時刻導航星座組成的星間網絡具有非聯通性，構成了典型的延遲容忍網絡（Delay Tolerant Network，DTN）。 對于時分寬波束鏈路的導航衛星網絡，建鏈過程可用一個鏈路分配矩陣L 描述，如圖2所示。 鏈路分配矩陣中行代表衛星編號i，列代表建鏈時隙k。 若Li，k＝j，則表示衛星i 在時隙k 與衛星j 配對建鏈。

圖2 基于時分寬波束天線的鏈路分配矩陣示意圖Fig.2 Link allocation matrix based on time division wide beam antenna

4 仿真實驗

根據星間鏈路頻段、工作體制及拓撲結構的分析，未來導航衛星網絡建設應著重發展星間鏈路技術，充分利用星間測距和通信的優勢，提升系統服務精度和自主導航能力。 在前文理論分析的基礎上，本節針對北斗全球導航系統，應用OPNET 仿真平臺分析射頻鏈路的導航信息傳輸效率。

首先，根據北斗全球導航系統組網情況構建網絡模型，如圖3所示。 北斗全球導航系統由GEO、IGSO和MEO 三個軌道的衛星組成，衛星軌道參數見表2。其中GEO 星座和IGSO 星座均由3 顆衛星組成，具有對全球覆蓋性，MEO 星座由24 顆MEO 衛星組成，采用Walker 24／3／1 構型。 按照表2 中的軌道配置參數構建STK 仿真場景，將相關軌道信息導入OPNET 網絡模型，導航衛星將沿著導入的軌道自主運行。

圖3 北斗導航系統網絡層模型示意圖Fig.3 Network Layer Model of Beidou Navigation System

表2 衛星軌道參數Tab.2 Satellite orbital parameter

然后，結合各通信節點功能特性，構建其節點域模型和進程域模型，通過進程域模型進行導航信息傳輸效率的仿真實驗。 星間鏈路屬性在節點層的收發天線模塊設置為：微波鏈路型，信道速率10Mbps，信道帶寬50MHz，觀測周期1d。

為充分驗證射頻鏈路的通信性能，仿真中選擇數據傳輸的時延和跳數作為統計指標，同時統計實驗結果的平均值，如圖4 至圖7所示。 仿真結果證明射頻鏈路數據傳輸性能穩定且技術成熟，現有衛星星間鏈路采用射頻鏈路完全可行。

圖4 射頻鏈路數據傳輸跳數隨仿真周期變化曲線圖Fig.4 Data transmission hops of radio frequency link vary with simulation period

圖5 射頻鏈路數據傳輸跳數平均值隨仿真周期變化曲線圖Fig.5 The average hop number of radio frequency link data transmission varies with the simulation period

圖6 射頻鏈路數據傳輸時延平均值隨仿真周期變化曲線圖Fig.6 The mean data delay of radio frequency link varies with the period of simulation

圖7 射頻鏈路數據傳輸時延隨仿真周期變化曲線圖Fig.7 Data transmission delay of radio frequency link varies with simulation period

5 結束語

針對全球導航衛星系統的建設情況和發展趨勢，本文在理論上分析了不同頻段星間鏈路的技術特征，工作體制和拓撲結構，并基于OPNET 的仿真實驗證明了基于射頻鏈路導航信息傳輸的可行性和有效性。 根據導航系統空間組網和信息傳輸需求，導航衛星網絡采用星間鏈路能夠提升系統服務精度和自主導航能力。 基于射頻鏈路的星間鏈路技術成熟，可以在衛星導航系統中大規模應用。