基于轨道动态模型的星间链路测距随机误差测试方法

在轨道动态条件下卫星相对运动中细微的时间检测偏差将导致测距误差大幅增加,因此精确地测量此时卫星的相对距离准确度(即测距随机误差)是卫星测距功能地面测试的难点。文章提出距离动态情况下星间链路测距随机误差的测试方法,即建立轨道动态模型模拟在轨卫星动态工作场景,分析卫星地面测距模拟理论值的准确度影响,得到被测卫星的星间测距随机误差计算方法。对星间链路实测测距值进行测试及验证,测距随机误差低至0.027 m,与星间链路实测数据吻合较好,获得了轨道动态条件下星间测距随机误差更真实的测试结果。     

一种星间测距与时间同步的地面验证方法

针对编队飞行卫星星间通信测距时间同步地面验证困难的问题,文章提出了一套系统的地面验证方法,包括有线测试和无线测试,能够系统充分地验证星间通信测距时间同步的静态和动态功能性能,适用于采用双向单程伪距原理进行测距的主从式多星星间测试。有线测试中通过信道模拟器和可调衰减器模拟星间远距离,可验证待测系统的静态性能,微波暗室无线测试、车载无线测试模拟星间相对运动,可验证待测系统的动态性能。龙江卫星的星间通信测距单机采用本地面试验方法进行验证,结果表明：提出的地面验证方法简单易行、误差可控,可用于组网卫星间的通信测距时间同步功能和性能验证,可为编队卫星星间通信测距时间同步功能和性能的地面验证提供参考。     

一种兼顾卫星导航系统星间观测及通信的链路分配算法

卫星导航系统星间采用点波束建立星间链路时,由于星上波束数量小于可建立星间链路的卫星数量,因此便产生了如何有效分配有限波束来建立星间链路的问题。针对该问题首先利用星座运行的周期性提出了一种适用于星间观测及星间通信的拓扑处理方式,并以该拓扑处理方式为基础提出了一种链路分配算法。算法在保证星间观测数量最大化的前提下,以降低整网通信代价为优化目标,尽管为了保证星间观测数量会不可避免地导致通信性能的部分损失,但是仿真结果表明算法的性能整体上优于铱星系统所采用的网状链路分配方法的性能。     

星座时频测量技术研究

在卫星导航定位、天基无源定位等航天器系统构建中,需要星座具有统一的时间频率 系统,即卫星间实现时间与频率同步。在分析系统对星间时间与频率同步需求的基础上 ,提出了在星间建立双向单程测距链路,利用伪码测量获取的星间伪距、载波测相获取的星 间伪距变化率联合处理出时差、频差的算法,克服了一般双向比对方法中需要不断调整星间 时差的不足,工程实现星间时差测量标准不确定度可优于1 ns,星间基准频差测量标准不确 定度可优于1×10 -11 。
     

基于激光高速通信信号的精密测量方法与性能分析

随着天基定位、导航、授时（Position，Navigation and Time，PNT）系统和天地一体化信息网络的建设，利用星间链路实现高速通信和高精度测量，构建天基信息网络和维持天基时空基准，对星间链路的发展提出了更高的要求。激光波束窄，方向性好，抗干扰能力强，可以实现更高的信息传输和更高的测量分辨率。通过激光星间链路的通信测量一体化设计，实现通信与测量功能的高度融合，共用相同的物理信道和信号设计，将会极大地提升系统性能，降低系统复杂性，从而实现载荷的小型化设计，这已成为星间链路的发展趋势。针对通信与测距一体化的需求，文章设计了基于高速通信信号的激光测量通信一体化方案，并对测量性能进行了理论分析；采用激光测量验证系统，对理论分析进行了验证。实验表明，在1Gbit/s的通信速率下，星间测量精度优于1mm，相比于目前微波星间链路测量，精度提升了30倍。     

基于负载均衡的导航时分网络建链优化技术研究

导航卫星可基于相控阵星间链路构成覆盖全球的时分捷变网络,文章针对卫星之间建链拓扑的优化问题进行研究。首先,建立导航卫星星座动态时分建链的拓扑模型,确定了在特定路由策略下,信息路径及网络节点负荷由网络拓扑唯一确定的原则,并分析了导航卫星网络业务流量不对称的特征。然后,基于导航星座模型提出基于目标评价函数进行负载均衡的网络拓扑优化方法,形成建链优化方法的计算步骤。最后,以网络时延和接入能力为指标验证时分网络建链规划方法对负载进行均衡的性能。仿真结果证明了基于负载均衡的时分网络建链优化方法的可行性,对全球卫星导航系统的星间链路管理与运行具有参考价值。     

卫星网络拓扑时变性对网络性能影响分析

卫星网络的拓扑时变性会影响网络的性能,导致现有的许多网络技术在卫星网络上不能有效地使用。文中从卫星网络特点出发,给出一个可以反映卫星网络时变拓扑特点的网络模型。利用该模型具体地分析了拓扑时变性对卫星网络性能的影响,并进行相应的仿真试验,指出造成这些影响的主要因素是卫星节点间的切换,而卫星网络的连续状态主要影响节点间的传输时延大小,且变化缓慢。     

全球导航星座星间链路技术发展建议

美国全球定位系统（GPS）的Block IIR和Block IIF系列导航卫星安装了UHF频段的星间链路收发设备,未来的GPS Ⅲ系列导航卫星将用Ka频段星间链路替代UHF频段星间链路,提高星间数据通信容量,增强抗干扰能力;俄罗斯全球导航卫星系统（GLONASS）的新一代GLONASS-K系列导航卫星开始安装S频段星间链路收发设备;欧洲的伽利略（Galileo）卫星导航系统也在规划全球导航星座的星间链路体系;我国北斗（Compass）卫星导航系统正处在由区域覆盖向全球覆盖的过渡阶段,全球星座的星间链路正处在多种系统体制的抉择中。文章在对国外各种星间链路研究的基础上,从导航星座星间链路需求和特点出发,提出建议：1）建设高频段星间链路;2）加强星间天线与卫星总体的联合设计;3）星间网络协议要具有灵活性;4）尽可能保持每颗卫星的星间链路设备状态一致。文章考虑了现有国内技术储备和国外未来技术发展方向,提出的观点可以作为我国全球卫星导航系统对星间链路选择的参考,对我国Compass系统建设技术先进的星间链路有一定的指导意义。     

星间链路关键性能指标评估的方案设计

星间链路分系统作为组网星座卫星系统的核心之一,是实现星间测量和星间数据传输的关键。针对星间链路系统星间测量和测控传输误码率两项关键指标,结合星座组网卫星单星和星座状态条件,引入信道静态和动态工作模式,对两项关键指标提出一套全面的评估方案,给出基于该方案的评估系统的实测情况,通过实测数据的比对分析,针对被测系统的星间测量和测控传输误码率指标性能,能够直观地给出综合评定结果,设计方案可以正确、有效地用于星间链路的系统评估,具有较高可行性。     

基于低轨全覆盖卫星星座的反向缝建链策略

低轨卫星星座的拓扑设计是天地一体化网络部署中较为重要的一环。在低轨卫星网络中，如何设计星座拓扑来提升卫星网络的稳定性与传输性能，是亟待解决的问题。提出一种基于轨道覆盖带方法的低轨持续全覆盖卫星星座设计方法，通过该方法构建低轨卫星星座，满足覆盖性能，可有效减少卫星切换的次数。基于构建的星座拓扑，制定邻轨k最近邻星的反向缝建链策略，优化设计链路长度和链路持续时长，获取网络传输性能与稳定性的平衡。仿真结果表明:通过上述方法设计出的星座，在满足对地持续全覆盖性能的情况下，相较于轨道覆盖带方法切换次数减少10%;邻轨k最近邻星策略相较于最短建链策略，拓扑稳定性能提升79.62%，使网络拓扑稳定性与传输性能达到更优的平衡。     

基于单脉冲跟踪体制的V频段宽带角跟踪 接收机设计与验证

随着高通量通信卫星系统对星间数据传输速率需求的不断提高,星间链路的工作频段将由Ka频段逐渐向频率资源更加丰富的毫米波频段发展。为了满足星间链路对毫米波频段自动角跟踪系统的发展应用需求,给出了一种基于单通道单脉冲角跟踪技术的V频段宽带角跟踪接收机的设计方案。采用LTCC和MCM技术实现了V频段接收组件的集成一体化设计;采用基于IQ正交混频的跟踪调制器结合数字相位补偿的单通道单脉冲角误差信号处理技术完成了宽带输入信号的角误差信号解调。在产品研制基础上,搭建了V频段角跟踪接收机测试系统,测试结果表明该V频段宽带角跟踪接收机可以完成对-95dBm~-55dBm输入信号电平范围内多种宽带数据传输信号的角误差信号解调,角误差信号抖动优于±250mV;表征输入信号电平强弱的AGC遥测电压随输入信号电平的增大而单调递增,各项指标满足V频段星间链路建链需求,为我国后续将要发展的毫米波星间链路系统奠定了扎实的技术基础。     

基于Proximity-1协议的星间测距与时间同步技术研究

卫星之间信息交互、星间相对测距及时间同步是卫星星座与编队卫星飞行任务的关键技术。文章利用空间数据系统咨询委员会(CCSDS)Proximity-1协议中给出的时间业务,提出了一种非相干双向测距/时间同步方法,在星间信息传输的同时完成星间高精度测距,并详细给出了算法的计算公式推导和模型误差分析,理论分析和实验仿真结果表明:文章提出的方法具有较高的测距/时间同步精度,且功能集成度高,可为星间链路的建设提供技术支持。     

星座导航与控制分布式仿真系统设计

基于HLA/RTI和STK,设计了卫星星座导航与控制分布式仿真系统.仿真系统中每颗卫星均由单独的计算机模拟,可真实地反映星座的运行情况,更好地模拟星间链路;卫星轨道精确外推、星间链路优化、基于基准星和星间距离测量的分布式导航以及基于相对轨道根数的星座绝对站位保持等关键技术也融入到系统中;仿真系统还具有直观的二维、三维场景和曲线动态可视化演示功能.结合具体的WaIker星座实例,仿真星座稳定运行180天,系统运行结果表明所设计的仿真系统及采用的关键技术能够满足仿真与评估的需求.另外,在一定程度上该仿真系统还支持其它卫星星座的仿真与评估.     

一种绕飞编队卫星星间链路系统的总体设计方法

为了建立高精度相对定位编队卫星的星间链路,提出了一种基于GPS的绕飞编队卫星星间链路系统设计方法。针对我国首次以InSAR为背景的任务,以某绕飞编队星座星间链路系统总体方案为例,利用STK/MATLAB分析软件,对天线覆盖区与组阵进行了仿真分析,并根据分析结果做了系统优化,包括星间轨道构型、天线设计组阵图、天线安装位置、链路预算、星间通信措施设计分析以及电磁兼容性分析等。结果表明:基于GPS的编队卫星能够从系统角度优化设计建立星间链路,从而完成编队跟飞、绕飞期间的星间通信与测量任务,为卫星建立星座构型、相对定位测量提供了可靠、稳定的传输通道。该设计方法可为同类卫星或其他类型卫星星间链路系统设计提供参考。     

26GHz频段国际移动通信应用与星间业务兼容性研究现状分析

针对26GHz频段国际移动通信应用与星间业务的兼容性,分析了国际移动通信频率的应用形势,2019年世界无线电大会1.13议题将24.25-27.5GHz等频段作为国际移动通信的候选频段,但该频段存在与中继卫星星间业务频率重合的问题。文章从该频段应用现状等方面阐述了兼容性分析的需求与研究内容。对基于国际电联相关建议书给出的参数条件进行仿真评估,国际移动通信业务与星间业务有共存的可能性,但后续仍需要开展全面的深入仿真分析,并基于实际系统的试验测试开展可行性研究。     

星间网络安全路由选择算法研究

星间网络由于拓扑结构高动态变化、可靠性安全性要求高、节点处理能力有限等特点,使其有别于普通的地面互联网。文章通过分析星间网络特性,对其中安全路由选择的关键技术进行深入研究,提出了一种基于节点信誉度评价与负载感知机制的星间网络安全路由选择算法。该算法采用混合路由配置策略,根据网络实时情况对路由进行动态调整,加入节点信誉度评价策略,减小恶意节点对网络的影响,并且增加节点负载感知机制,根据当前节点负载情况调整路由。最后,文章通过仿真实验验证算法性能,验证了算法在数据包传输成功率方面的优势。     

一种有效载荷地面测试系统星地时间的同步方法

针对有效载荷地面测试系统难以适应卫星有效载荷工作模式快速切换的问题,文章提出了一种有效载荷地面测试系统星地时间的同步方法。该方法利用测试局域网中卫星遥测帧广播的频率实现了星地时间的同步,根据遥控指令使地面测试系统准确切换状态以配合有效载荷的测试。星地时间的同步为地面测试系统的状态记录提供了时间标志,可作为有效载荷数据判读的输入条件。此方法易于实现,通用性强,可为有星地时间同步需求的地面测试系统提供设计参考。     

脉冲干扰下的星间扩频码域并行捕获性能研究

星间链路的高动态给星间扩频信号带来高达几百kHz的多普勒频偏,本文提出一种利用卫星历书进行多普勒预估计与码域并行捕获相结合实现星间扩频信号捕获的算法.同时,常规的高斯白噪声下捕获概率分析对空间电磁脉冲不具有针对性,本文利用Possion分布对空间电磁脉冲干扰进行建模,对该并行捕获的捕获概率、捕获时间的影响进行了研究,表明该算法在信干比为-7.4dB时,捕获概率仍在90%以上,适于星间扩频信号的捕获.     

一种基于异源状态的星间链路零值标定方法

星间链路分系统零值标定的准确性，直接影响系统在轨星间双向测距和星座高精度时间同步准确度。地面标定通常采用的同源状态需要地面多路输出高稳 10 MHz铷钟源支持，且标定状态与系统在轨应用状态并不完全一致。针对同源标定的局限性，提出一种异源状态星间零值标定方法，构建理论模型并进行了误差分析，异源零值标定的准确度受星座两星参考源(铷钟)的钟漂移特性、卫星遥测下传的时效性以及两星1 PPS状态一致性等因素共同作用。经系统实测验证表明：异源状态下星间零值标定误差约为1.901 ns，能够满足系统标定的精度要求。异源标定简化测试系统，与在轨应用状态高度一致，对工程实践具有一定参考和应用价值。     

基于星间测距增强的卫星编队GPS相对导航研究

针对单纯差分GPS系统在精度、连续性、实时性方面存在的问题,提出了一种星间测距增强差分GPS的卫星编队组合相对导航方案。该组合相对导航系统由编队卫星中分别安装的GPS接收机、星间RF测量传感器,以及主星中运行的导航处理器组成,其中星间RF测量传感器集成了窄带通信功能,可在进行星间距离测量的同时同步进行GPS数据的互传。采用扩展Kalman滤波算法,结合简化动力学模型和GPS以及RF测量数据实现卫星编队的相对位置与速度的高精度实时递推解算。用模拟器采集数据进行了仿真验证,结果表明:在星间测距数据辅助下,星间基线长度在星间测距工作的30km范围内时,实时相对导航精度优于1mm;系统在GPS信号中断时仍可连续输出满足精度要求的相对位置、速度数据;系统初始化时间由单纯差分GPS相对导航系统的几十个历元降低到单点。