1、南京航空航天大学硕士学位论文导航星座星间链路设计研究姓名：孙娟申请学位级别：硕士专业：导航、制导与控制指导教师：徐波2011-03导航星座星间链路设计研究 II Abstract The technology of inter satellite links between navigation satellites is an important aspect to improve the survival ability of the navigation satellite constellation system. Constant movements of the satellite
2、s in the constellation make the distance between satellites changes constantly and cause visibility change. The choice of inter satellite links is met by a challenge from it. This article aims to establish and perfect the system of inter satellite links and research the navigation constellation netw
3、ork which has links in the same or different orbital planes. Then design reasonable link schemes according to the constellation structure, establish inter satellite links in a relatively shorter period of time delay and less switching for ranging and communication, analysis the theory and method of
4、inter satellite links, and finally realize the connection between satellites and compose information network to guarantee full connectivity in the navigation constellation. The main researches are as follows: 1、The basic theories of inter satellite links in the navigation constellation are systemati
5、cally expounded, including band selection, the classification of the links and methods of link construction. 2、Introduce the features of distributed processing mode and centralized processing mode, this article selects the centralized processing approach. Select a satellite as the main satellite whi
6、ch has the ability of processing data and large amount of calculation. Other satellites are responsible for transmitting information and ranging. 3、Analyze the shortest path algorithm and K-short path algorithm, and put forward the link optimization scheme. 4、GPS satellite constellation is selected
7、as the simulation object and IGS precise ephemeris is selected as simulation data. Simulate and verify the proposed scheme that has less delay time and switching, and evaluate link maintenance time with Matlab language. Compare three kinds of schemes to prove the feasibility of the link optimization
8、 scheme. 5、Multi-beams antenna installed on the satellites is analyzed and the usability of the link is studied. Adopt three schemes to simulate performances of satellites with three beams, four beams, five beams and six beams. Keywords: navigation constellation, inter satellite links, constellation
9、 network, link algorithm, antenna beam 南京航空航天大学硕士学位论文 V 图清单 图2.1 轨内链路示意图. 10 图2.2 轨间链路示意图. 11 图2.3 时间系统之间的转换关系图 .14 图3.1 两颗卫星间的星间链路结构图 . 17 图3.2 对流层及电离层与星间距离的关系示意图 . 19 图3.3 卫星与地球的位置关系示意图 . 20 图3.4 星间链路设计流程图 .21 图4.1 卫星PRN9和卫星PRN19的链路距离变化（10天） 29 图4.2 卫星PRN9和卫星PRN19在180天内的可见性情况 . 30 图4.3 卫星PRN9和卫星PR
10、N19在180天内的中转卫星情况 . 30 图4.4 卫星PRN3和卫星PRN10的链路距离变化（10天） 31 图4.5 卫星PRN3和卫星PRN10在180天内的可见性情况 . 32 图4.6 卫星PRN3和卫星PRN10的可见性情况（10天） 33 图4.7 卫星PRN3和卫星PRN10在180天内的中转卫星情况 . 33 图4.8 卫星PRN8和卫星PRN31的链路距离变化（10天） 35 图4.9 卫星PRN8和卫星PRN31在180天内的可见性情况 . 35 图4.10 卫星PRN8和卫星PRN31在180天内的中转卫星情况 . 36 图4.11 有一颗中转卫星的链路距离变化图 .
11、 37 图4.12 有两颗中转卫星的链路距离变化图 . 37 图4.13 一天内链路切换次数的对比 .39 图4.14 最大链路时延的对比 .39 图4.15 卫星PRN1和卫星PRN9在180天内的中转卫星情况（最短路径） . 40 图4.16 卫星PRN1和卫星PRN9在180天内的中转卫星情况（优化路径） . 41 图4.17 卫星PRN1和卫星PRN9在一个轨道周期内的可见性 . 41 图4.18 卫星PRN1和卫星PRN9在一个轨道周期内的中转卫星情况（最短路径） 42 图4.19 卫星PRN1和卫星PRN9在一个轨道周期内的中转卫星情况（优化路径） 42 图4.20 一个轨道周期内
12、的链路维持时间 . 43 图5.1 三波束情况下一天内链路切换次数的对比 . 46 图5.2 三波束情况下最大链路时延的对比 . 46 图5.3 三波束情况下一个轨道周期内的链路维持时间 . 47 图5.4 四波束情况下一天内链路切换次数的对比 . 49 导航星座星间链路设计研究 VI 图5.5 四波束情况下最大链路时延的对比 . 50 图5.6 四波束情况下一个轨道周期内的链路维持时间 . 51 图5.7 五波束情况下一天内链路切换次数的对比 . 53 图5.8 五波束情况下最大链路时延的对比 . 53 图5.9 五波束情况下一个轨道周期内的链路维持时间 . 54 图5.10 六波束情况下一
13、天内链路切换次数的对比 . 57 图5.11 六波束情况下最大链路时延的对比 . 57 图5.12 六波束情况下一个轨道周期内的链路维持时间 . 58 表清单 表2.1 微波频带组成 . 7 表2.2 星间链路的频率划分 .8 表3.1 不同轨道卫星间的距离（km） 18 表4.1 卫星PRN6和卫星PRN1的路径变化 . 28 表4.2 星座仿真选取的主要参数 .28 表4.3 卫星PRN9和卫星PRN19的中转卫星情况 . 31 表4.4 卫星PRN3和卫星PRN10的中转卫星情况 . 34 表4.5 星座中15颗卫星在180天内的可见性 . 38 表5.1 三波束情况下的路径选择 .44
14、 表5.2 四波束情况下的路径选择 .48 表5.3 五波束情况下的路径选择 .52 表5.4 六波束情况下的路径选择 .55 南京航空航天大学硕士学位论文 VII 注释表 英文缩写 英文全称 中文全称 CCIR International Radio Consultative Committee 国际无线电咨询委员会 CIO Conventional International Origin 国际习用原点 GAST Greenwich Apparent Sidereal Time 格林尼治真恒星时 GMST Greenwich Mean Sidereal Time 格林尼治平恒星时 GPS
15、Global Positioning System 全球定位系统 IERS International Earth Rotation Service 国际地球自转服务机构 IGS International GPS Service 国际GPS服务机构 ISL Inter Satellite Links 星间链路 ITU International Telecommunications Union 国际电联 MDA Minimum Distance Algorithm 最短路径算法 RCR Radio Communications Regulations 无线电频率 SI Internation
16、al System of Units 国际单位制 SILEX Semi-Conductor Inter-satellite Link Experiment半导体星间链路实验 ST Sidereal Time 恒星时 TAI Temps Atomique International 国际原子时 TDB Barycentric Dynamical Time 质心动力学时 TDT Terrestrial Dynamical Time 地球动力学时 TT Terrestrial Time 地球时 UT Universal Time 世界时 UTC Coordinated Universal Time
17、协调世界时 WGS84 World Geodetic System of 1984 1984年世界测地系统 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 （保密的学位论文在解密后适用本承诺书） 作者签名： 日 期：
18、 南京航空航天大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 选题依据和研究目的 星间链路（ISL-Inter Satellite Links）是指星座中卫星与卫星之间进行无线电传输的链路，星间链路的波束并不指向地球，而是指向其它卫星。 随着卫星导航系统的日益发展和广泛应用，人们开始将视线转移到卫星导航系统的自主生存能力上来1。自主生存能力是指当地面站出现故障或被摧毁时，通过导航卫星的星上设备进行星间测距，并结合星座中卫星轨道的先验信息，确定卫星轨道和维持时间基准等工作，最后能提供正常的导航和通信等服务，则称该卫星导航系统具有自主运行功能2。 卫星导航系统的发展趋势是增加星间链路，在星间链路的支持
19、下实现卫星的自主导航。如果缺少地面站的支持，也就是说，没有上行预报星历和星地测距信息，此时要使导航系统的自主运行得到保障，必须增加导航卫星的星间链路功能，通过星间测量、星间通信及星上的信息处理来实现导航卫星自主导航功能的维持。特别是当卫星系统对信息的时效性要求很高时，星间链路已经成为必不可缺的系统组成部分。 因此，设计具有星间链路的导航星座对于卫星导航系统来说是一项重要的关键技术，可以实现信息的快速传递。 本文研究并解决导航星座星间链路的关键技术，用较短的时间建立星座的星间链路，使星座中的所有卫星统一时钟，进行测距和通信，并考虑时间问题，使之具有较小的链路时延和较少的链路切换；对现有算法进行分
20、析，设计出更优的星间链路准则，以较快的速度实现导航星座卫星间链路的建立，保证导航星座的稳定性和连通性；研究和分析链路的可用性，对卫星天线波束进行限制，并可以考虑个别故障星情况，分析星间链路的可靠性；对星间链路的各种性能进行仿真分析，最终建立和完善导航卫星星座的星间链路体系，从而为我国导航卫星系统的建设和发展提供重要支撑。 1.2 研究的必要性和重要性 随着卫星应用需求的日益发展，卫星导航系统在国民经济和国防建设中的作用越来越大，现已成为国家的一项重要的战略性基础资源5。目前的卫星导航系统主要依靠地面站来维持其正常运行，如果地面站被摧毁，那么卫星导航系统将陷入崩溃状态，带来的各种损失将是非常巨大
21、的，若卫星导航系统采用星间链路技术，则可以使其在没有地面站支持时仍可维持较长时间的正常运行，极大地增强了导航系统的生存能力。因此，发展卫星导航系统的星间链路技术显得越来越重要3。 导航星座星间链路设计研究 2 利用导航卫星之间建立的星间链路，实现导航星座的信息交换和自主运行是一种可行的解决方法，通过星间链路可以使卫星星座在一定的时间内脱离地面测控设备的支持，而仅仅依靠星上设备来完成自身的运行任务。 卫星星座中采用星间链路技术可以达到以下目标： （1）能够使卫星系统最大限度地摆脱对地面站的依赖，并能增强整个系统的抗干扰、抗摧毁能力； （2）卫星星座可以通过星间链路在空中组网，网络节点的连接全部都
22、在卫星上实现，这样导航卫星星座系统就能拥有较大的通信容量和较短的链路时延，并且能够实现真正意义上的卫星自主导航，随着在轨卫星的数目增加还可以不断扩充； （3）充分实现信息共享、信息分发和信息融合等功能，通过星间相对状态测量能进一步改善卫星系统性能。 星间链路是提高卫星导航系统自主运行能力的一个重要方面，采用星间链路能够提高卫星的生存能力、减轻地面的测控负担和降低卫星的运行费用，它具有作用距离远、信息交互方便等特点。 导航星座的星间链路设计涉及静态链路和动态链路设计，是一项难度较高的综合技术。因此，本文的研究不仅具有很高的经济价值和军事价值，而且还具有重要的学术理论和工程应用价值。 1.3 研究
23、的意义 采用星间链路对于提高卫星星座的性能，扩展空间的应用具有重要的意义。 首先，采用星间链路能够极大地降低地面测控站的布设数量，能够减少地面站往卫星输入信息的次数，还能降低卫星系统维持费用，可以对导航信息的完好性进行实时监测，有效地增强导航系统的生存能力。 其次，采用星间链路能增强系统的抗干扰和抗摧毁能力，当有地面测控系统支持时，通过星间链路能够获得一种校验时钟参数的重要手段，从而进一步改善卫星系统的性能，提高卫星导航系统的可靠性。 最后，对于军用卫星，采用星间链路能使卫星运行对地面站的依赖作用降低，提高了卫星自主运行能力，如果出现在一段时间内地面跟踪测量被迫中断的恶劣情况，卫星仍可保持其在
24、轨运行的连续性。 1.4 国外研究现状 国外对于卫星星间链路的研究工作开展地比较早，现在已经在国际上得到了较为广泛的应用和推广，采用星间链路的系统主要有导航卫星系统、军事通信系统、跟踪与数据中继卫星系南京航空航天大学硕士学位论文 3 统、轨道通信卫星网络系统等，相继建立了低轨道、中轨道、高轨道（LEO、MEO、GEO）卫星系统，其中比较著名的卫星系统有Iridium和Globalstar等，它们之间的共同特点就是卫星通信网络化，即利用卫星网络建立联系并进行通信。采用星间链路是卫星系统网络化发展的必然趋势，如果没有星间链路的支持，由于一些卫星星座系统中拥有很多颗卫星，则必须在全球建立很多的地面站
25、，如果借助星间链路的使用，则可以较好地解决这个问题4。 美国的GPS BLOCK IIR导航卫星具备星间链路功能，可以进行星间无线电伪距测量，还能实现星上实时轨道估计，在没有地面站支持的条件下，卫星可维持长期自主导航能力180天以上。从上世纪80年代到90年代初期，国外对GPS BLOCK IIR卫星的自主导航能力进行了系统的研究和分析，并且提出了一系列的总体方案，但是由于涉及保密性，国外很少发表具体的研究成果17。 美国具备卫星星间链路的系统还有“军事星”（Milstar）、第二代“舰队卫星”、 “租赁卫星”（LEASAT）、第三代国防卫星通信系统（DSC）。其中Milstar是美国军用卫星
26、发展的代表，由6颗卫星组成星间交叉链路，其星间链路采用V频段的微波波束，具有极强的抗截收和抗干扰能力，从而使系统具有很强的抗摧毁性。此外，美国把同步轨道卫星与中低轨道卫星间的星间链路技术应用在跟踪与数据中继卫星系统（TDRSS）中，把S频段卫星间星间链路技术应用在“白云”海洋监视卫星星座中，把Ka频段的卫星间星间链路应用在“铱星”星座系统中。 日本研究并实施使用卫星星间链路的系统主要集中在中继与跟踪卫星系统中，日本先进地球观测卫星与日本通信工程试验卫星采用Ka频段和S频段的星间链路，这两个频段的星间链路也被实用型数据中继与跟踪卫星采用5。 另外，欧洲的GALILEO导航系统和俄罗斯的GLONA
27、SS导航系统等也都在积极研究或实施导航卫星的星间链路和自主导航功能。俄罗斯在其民用、军用中继卫星系统中都使用了星间链路，其星间链路工作在C、L频段。欧洲太空局的阿蒂米斯卫星（Artemis）具有星间中继链路，工作在S、Ka频段10。 欧洲航天局全面开展了星间链路各项技术的研究，并制定了半导体星间链路实验SILEX （Semi-Conductor Inter-satellite Link Experiment）计划，2001年在欧洲研制成功了世界上第一条卫星“数据传输链”，用于两颗卫星之间进行数据传输，在数据传输链研制成功后，通过数据传输系统，欧洲太空局的阿蒂米斯卫星成功地接收到了法国航天局的S
28、pot-4卫星上的图像数据等信息。 近年来，国外一些学者从学术上对星间链路进行了研究和探讨。如Abusali P.A.M.59、Ananda M.P.60、B Eissfeller 63、Menn M.71等人认为可通过星间链路实现导航卫星的自主导航，但要保持卫星自主导航的可靠性还有很多问题有待解决。 导航星座星间链路设计研究 4 国外星间链路的发展趋势是：加强星间链路研究的国际合作，采用更高频段（Ka频段、UHF频段）的链路，更完善的星上处理技术的能力。 1.5 国内研究现状 我国是世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。我国对于卫星星间链路的研究工作发展较晚，上世纪80年代才对卫星导航做了
29、初步的研究，截至目前我国已成功发射七颗北斗导航卫星和四颗北斗导航试验卫星，在第二代北斗导航系统设计时考虑了星间链路的建立问题，以实现导航卫星间相对距离和速度的测量，从而确保系统在某些情况下不至于瘫痪。 静止轨道卫星星座系统是由我国和其他国家共同投资建立的，它在卫星上使用数字式波束形成卫星网络，能在轨调整和设定波束，对于市场的要求和变化基本可以满足。我国目前也在进行非静止轨道卫星星座设计和星间链路研究，正在建设中的北斗卫星导航系统在空间的部分由30颗非静止轨道卫星和5颗静止轨道卫星组成，下一步将研究系统组网并在试验基础上，逐步扩展成为全球卫星导航系统。我国目前形成了导航卫星、通信卫星等多系列的卫
30、星网，这些卫星网在军用上和民用上都对我国的发展起到了极其重要的作用，但是我国的星间链路技术无论在军事上还是在民用上都落后于发达国家，还需要投入大量的时间和精力进行研究，改善星间链路的设计技术，提高卫星的星上处理能力，以增强国家的实力。目前，我国对导航卫星间通信和数据传输的研究给予了高度的重视，卫星星间链路技术必将在我国得到迅速发展和广泛应用，并最终达到世界先进水平。 国内部分学者也对星间链路进行了初步的研究和分析，范丽，张育林给出了星座中星间链路的分析设计，提出了星座星间链路的构建要点及其优化设计7；耿亮，吴诗其探讨了几种经典的星座设计方法，给出了关于星座设计的一些参考9；何家富，姜勇给出了W
31、alker星座的K短路径算法的思想11；李赞，张乃通对星间链路空间参数进行了分析20；项军华研究了卫星星座构型的控制，介绍了构建星座的方法36；张涛，刘重堪对最短路径算法进行了研究46；张艳等人提出了具有星间链路的星座相位设计以及如何实现自主导航48。本文在已有研究的基础上，采用更优化的方法来建立导航星座的星间链路。 发展具有星间链路的卫星网络对于我国的发展具有巨大的推动作用。首先，从提高战术性能方面考虑，为适应未来战略战术的需要，应当不断加强我国现有军事卫星系统的综合使用程度，快速获取信息，实现信息共享和融合，形成综合的判断能力；其次，从提高军事安全方面考虑，目前的卫星星座系统大多由国外政府
32、和公司进行开发并运营，因此极有可能在战时会遭遇到卫星使用上的限制和保密方面的问题。 目前国内外对于导航星座的星间链路提出了多种链路算法和实现方案，比如按照拓扑形式可分为静态链路和动态链路；根据路由的计算地点可分为集中式链路和分布式链路。 南京航空航天大学硕士学位论文 5 从导航星座卫星星间链路的实现角度来看，星间链路的系统性和深度还存在很多问题，进一步深化研究和探讨导航星座星间链路技术，建立和完善导航卫星星座体系，对于促进我国卫星导航系统的未来发展具有举足轻重的作用。卫星星间链路设计技术也是当今卫星通信研究的热点领域之一，本文正是在此前提和背景下，着重研究卫星导航系统星间链路技术并对星间链路进
33、行设计与仿真。 1.6 拟解决的关键问题 目前关于卫星星座星间链路的研究工作主要有以下四个研究方向： （1）通过星间链路卫星进行数据和信息传递的链路路由选择问题。当一个由多颗卫星构成的卫星星座按轨道运行时，卫星之间需要通过星间链路进行数据和信息的传递和交换，研究如何在需要建立连接并通信的时刻选择卫星网络星间链路的最佳路由，就成为一个相当重要的研究课题。 （2）星座中卫星的位置无时无刻不在发生变化，因此有必要在空间状态下研究星座中卫星之间的距离、相对位置以及卫星天线波束宽度之间的关系。 （3）分析并研究星间链路随着卫星运动的变化情况，可以由此在星间链路建立过程中设计出最优化的搜索算法，从而为卫星
34、星间链路通信装置的制造与设计提供条件和基础。 （4）为卫星星间链路提供通信功能所涉及的装置的具体制造与设计。 本文主要从前三个方面对星间链路进行研究，基于Matlab语言对导航卫星星座星间链路的建立进行设计与仿真。 本文需解决的关键问题如下： （1）通过星间链路，星座内所有卫星之间可以进行观测量、状态量等各类信息的分类与收集，可以将所有的信息集中于一颗主星上进行处理，即按集中式处理，该模式结构简单，但对星上处理能力及星间通信能力要求较高。另一种方式为分布式处理，即各卫星分别处理与自身相关的业务，该模式减少了对星上处理能力的要求，但星间的信息交互和协同较复杂。此外，还有混合式处理、半分布式处理等
35、其它处理种类。要综合考虑计算量、通信量、复杂度等因素来设计适合星上应用的信息处理模式。 （2）需要设计合理的星间链路算法对星座中的卫星对象建立星间链路，设计合理可行的路由规则。 （3）导航星座对时间要求较高，如何快速的建立整个星座的星间链路，使星座具有最小的时延，保证星座的全连通，这是一个很重要的问题。 （4）实际情况下，导航卫星天线有波束限制，因此有必要在无波束限制的基础上进一步研究天线的个数对导航卫星的影响。 导航星座星间链路设计研究 6 1.7 本文内容安排 星间链路是卫星导航系统发展的一个重要方面，随着军事和民用两方面需求的迅速增加，卫星系统不断向网络化发展，星间链路由于信息交互方便、
36、容量大、保密性好等独特的优点已成为卫星系统网络化发展的必然选择，也是当前卫星星间通信的发展趋势。本文主要基于Matlab仿真软件，对卫星星间链路进行仿真与设计。本文内容和结构安排如下： 第一章是绪论，介绍了星间链路研究的目的、意义和重要性，还介绍了国内外星间链路技术的研究现状和今后的发展趋势，指出我国卫星星间链路技术还需发展和提高，并提出了本文拟解决的关键问题。 第二章阐述了卫星星间链路的一些基础理论，为星间链路分析奠定了良好的基础。 第三章给出了一个星座能否构建星间链路的判断流程，提出了卫星间构建星间链路的三个条件，以及星间链路设计的流程。 第四章选取了GPS星座中的十五颗卫星，对可见性、星
37、间链路距离和中转卫星情况等进行了仿真。通过比较最短路径方案和K短路径方案，设计了一种链路优化方案，并对链路时延和链路切换次数都做了仿真，最后对链路维持时间进行了分析。 第五章是在上一章的研究基础上就卫星天线波束的限制问题再对仿真的卫星进行星间链路各种性能进行分析，分为三波束、四波束、五波束和六波束情况。 最后对前面各章的研究分析和仿真进行总结，得出本文的结论。 南京航空航天大学硕士学位论文 7 第二章 星间链路的基础理论 导航卫星系统中通过建立星间链路，不仅可以在卫星之间形成数据和信息交换的渠道，还能提供测距功能。星间链路的通信和测距一般采用双向模式，是为了对影响星间测距的大部分相关性误差和系
38、统误差进行消除，并得到卫星间的时钟偏差。 2.1 星间链路的频段选择 星间链路指的是卫星与卫星之间的交叉链路，可以用来替代地面中继站所做的工作。星间链路直接在卫星之间传递信息和数据，避免了将信息传回地面进行处理再传回卫星这些繁琐的工作和路由的频繁选择，与星地链路相比也降低了通信时延。 2.1.1 链路波段的选择 星间链路属于无线链路，星间链路的通信、测距可以采用微波链路或光学链路。当采用光学链路时，测距精度高，可达到亚毫米量级，但是传输功率损耗大、链路捕获时间长且不利于多链路通信，需使用小型发射机和低输出功率的小天线，以减小卫星的质量和体积，提高信道带宽，降低通信干扰和功率损耗，可以用于数据传
39、输量大的卫星星座（可以超过1Gbits/s）。而当采用微波链路时，整个星间链路的带宽和天线波束一般较窄，载波本身的频率比较低，需要在卫星上装备大尺寸的天线，天线的发射功率也较高，测距精度约厘米到分米量级，链路捕获时间短且支持多链路通信，可以用于信息传输量不大的卫星星座。由于考虑到导航星座卫星星间的信息传输量较小（约为5kbits/s），并且微波方式进行通信和测距的手段也比较成熟，星间链路应该采用微波通信、测距。 微波是指表2.1中4个频带的电磁波，表中频率和波段范围区间都是左开右闭，即都是含上限，不含下限。 表2.1 微波频带组成 频带名称 频率范围 波段名称 波长范围 特高频UHF 300-
40、3000MHz 分米波 100-10cm 超高频SHF 3-30GHz 厘米波 10-1cm 极高频EHF 30-300GHz 毫米波 10-1mm 甚高频 300-3000GHz 丝米波 1-0.1mm 2.1.2 工作频率的选择 卫星导航星座系统星间链路的频率主要划分为无线电频率和光学频率这两大组成部分，下表详细列出了星间链路使用的主要频率范围。 导航星座星间链路设计研究 8 表2.2 星间链路的频率划分 无线电频率 （Radio Communications Regulations） 0.3-3 GHz 22.55-23.55 GHz 32-33 GHz 54.25-58.2 GHz 5
41、9-64 GHz 116-134 GHz 170-182 GHz 185-190 GHz 光学频率 0.8-0.9 micron（微米） 1.06 micron 0.532 micron 10.6 micron 可以从以下几个方面考虑星间链路工作频率的选择： （1）必须符合国际无线电咨询委员会（CCIR-International Radio Consultative Committee）对于卫星星间链路频率的规划要求，UHF、VHF、Ka、S及L频段均可用于卫星星间链路通信。在导航卫星系统中，由于星地链路已使用了S和L频段，因此从卫星系统电磁兼容性方面考虑，这两个频段最好不再被卫星星间链路采
42、用，而主要从UHF频段、VHF频段和Ka频段中选择54。 （2）参考美国GPS BLOCK IIR、GPS BLOCK IIF选取并使用的星间链路频段。美国第三代GPS卫星BLOCK IIR的重大改进之一就是增加了星间链路，以提供各卫星之间的通信和测距，提供精密的测距资料给GPS卫星，用于自主导航，在星座中各颗卫星之间进行导航数据生成系统的数据交换和自主导航状态矢量数据的交换。所有的GPS BLOCK IIR卫星都装有用于星间链路通信与测距功能的工作在UHF频段的转发器数据单元，这个跳频扩频通信系统属于时分多址方式。工作在UHF频段的还有美国第四代卫星GPS BLOCK IIF的星间链路，这些
43、依据对星间链路频率的选择很重要29。 （3）从降低星间多普勒频移的影响角度考虑。由于卫星之间的相对运动速度非常大，一般情况下卫星通信信号会有一定的多普勒频移，链路捕获难度会随着多普勒频移的增大而相应增加。对于径向速度0 v 、星间链路工作频率0 f 的两颗卫星间的多普勒频移为 Cfvf/200=。考虑到本文研究的卫星星座特点，卫星间的相对运动速度很大，相对位置关系一直处于变化中，为了使多普勒频移对系统性能的影响尽量减小，应该考虑从较低的工作频段中进行选择16。 （4）从卫星星间通信、测距天线角度考虑。导航卫星星座系统中多颗卫星之间进行通信和测距，可以采用赋形宽波束天线和多波束相控阵天线。若采用
44、赋形宽波束天线，天线波束要能覆盖o0o360的方位角，o45o21 或o68o44的俯仰角，由于受到星上发射功率以及天线安装空间的限制，天线的增益一般都比较低，虽然通过提高系统工作频率的方法能减小天线的尺寸，但是传播路径损耗会相应的增大，在星间链路的距离达到6万公里的条件下，星间测南京航空航天大学硕士学位论文 9 距的精度将会下降；而如果采用多波束相控阵天线，由于卫星与卫星之间相对位置和距离关系的复杂性，要求天线的每个波束应具备自动捕获与跟踪的能力，控制天线波束的指向要根据轨道的规律进行必要的周期性转移和切换，所以使得系统设计相当复杂21。 在满足使用要求的条件下，综合考虑上述各个因素，卫星星
45、间链路选用UHF频段。 2.2 星间链路的分类 一般而言，卫星星间链路的分类随着不同的定义标准和使用要求而不同，基本的划分包括以下两种方法：一种是按频域划分，另一种是按空域划分。 （1）星间链路按频域划分 国际电联（ITU-International Telecommunications Union）给星间链路分配的频段分布在UHF到EHF（190GHz）之间的14个频段，另外还包括一些未分配的波段，前面所提到的微波和光学频段的链路就是属于频域划分。 （2）星间链路按空域划分 星间链路按空域划分换一种说法也就是按卫星轨道的位置划分，可考虑以下两种情况：轨道类型相同的卫星之间的星间链路和轨道类型
46、不同的卫星之间的星间链路。 2.2.1 轨道类型相同的卫星之间的星间链路 轨道类型相同的卫星之间的星间链路，即在同一轨道高度的卫星之间的星间链路。如GEO/GEO卫星之间的星间链路。 轨道类型相同的卫星之间的星间链路又可以分为两种情况：同一轨道面内的星间链路和不同轨道面内的星间链路，即轨内星间链路和轨间星间链路。 轨内链路建立在同一轨道面上的卫星间，每颗卫星与同一轨道面上在其前、后运行的卫星分别建立链路。轨内星间链路的建立过程描述如下： （1）卫星 jiS,（第 i个轨道面内的第 j颗卫星）通过轨内星间链路kijiDDISL,将所需发送的数据和信息发送给处于同一轨道平面内并和它相邻的两颗卫星
47、kiS,，其中，11+= jjk，。 （2）卫星 kiS,收到信息后，首先检查是否已经收到过同样的数据和信息，如果没收到过，转下一步；如果收到过，则将收到的这个信息丢掉。 （3）卫星 kiS,通过轨内星间链路1,+pipiDDISL或1,pipiDDISL将这个信息传送给与它处于同一轨道平面内并和它相邻的卫星。这个过程不断地重复，直到所有的卫星都收到同样的信息。 通过上述过程，在同一轨道面上的所有卫星就能互相得到彼此的数据和信息了。 图2.1所示为同一轨道平面内信息的传送过程。2,1 S 发送信息到相邻卫星1,1 S 和3,1S ，最终，4,1S 收到1,1 S 和3,1S 传来的信息，会发生
48、信息重复，丢弃一个信息后整个传送过程结束。 导航星座星间链路设计研究 10 图2.1 轨内链路示意图 与轨内链路不同的是，轨间链路是建立在不同轨道面上的卫星之间的，由于卫星间相对位置的变化频繁，导致了它们之间的距离和方位角都是时时变化的，没有固定的关系，每颗卫星要与其它卫星建立星间链路必须知道其它卫星的确切位置，卫星与卫星之间的距离和方位角的变化速率应尽可能慢，变化范围应尽可能小，并且要试着探索其中的规律性，这些都是卫星星间链路设计中必须要仔细考虑的问题。 通过建立轨间链路，轨道平面 j也可以收到轨道平面 i的数据和信息，轨道平面 i的信息在同一轨道面内传送的同时还需要发送到轨道平面 j，并且
49、在轨道平面 j内传送。这个传送过程描述如下： （1）轨道平面 i与轨道平面 j交叉点为),( jiJC，将轨道平面 i内最靠近交叉点处的两颗卫星分别作为轨道平面 i的起始点，将轨道平面 j内最靠近交叉点处的两颗卫星分别作为轨道平面 j的接收点，轨道平面 i通过轨间星间链路发送数据和信息到轨道平面 j。 （2）轨道平面 j的两颗接收卫星收到信息后，判断是否已经收到过同样的信息，如果是，将收到的这个信息丢掉，否则通过轨内星间链路，转发信息到同轨道面的相邻卫星。 （3）其它卫星 mlS,收到信息后，同样首先检查是否已经收到过同样的信息，如果是，将收到的信息丢掉，否则，转发到下一个相邻卫星。 例如，轨道平面1的信息发送到轨道平面2的过程如图2.2所示。 图中两个轨道平面的交叉点为 BAJC,)2,1(=，卫星2,1S 和卫星4,1 S 作为轨道平面1的起始点，接收点分别是卫星1,2 S 和卫星3,2 S 。从卫星1,2 S 和卫星3,2 S 开始，信息通过轨内链路在轨道平面2中传送。不同轨道平面内的信息传送采用并行传送的方式，即一个轨道平面的信息能够同时发送到不同的轨道平面。 南京航空航天大学硕士学位论文 11 图2.2 轨
