GPS星间链路及其数据的模拟方法研究

刘亚琼，杨旭海



GPS星间链路及其数据的模拟方法研究

刘亚琼1,2,3，杨旭海1,2

（1. 中国科学院国家授时中心，西安 710600；2. 中国科学院精密导航定位与定时重点实验室，西安 710600；3. 中国科学院研究生院，北京 100039）

主要介绍了GPS星间链路（星间链路是卫星导航系统实现自主运行的一项重要的关键技术）的工作模式，重点讨论了GPS星间链路数据的模拟方法。采用契比雪夫多项式拟合方法，获得对IGS（International GPS Service）公布的GPS精密星历加密到以1s为间隔的数据。由信号接收时刻获得的两颗卫星间的距离作为初始值，反复迭代推算出发射信号的卫星发射信号的时刻，从而得到两颗卫星间的星间伪距观测值，再加上各项约束条件（如噪声，钟差等）后获得了两颗卫星间模拟的星间链路数据。

星间链路；时分多址；卫星导航

随着卫星导航系统的广泛应用，特别是卫星导航系统与现代高精度武器装备的结合越来越紧密，人们开始关注卫星导航系统的自主生存能力。也就是说，当地面站被摧毁或出现故障时，卫星导航系统需要具有自主运行功能，即由导航卫星的星上设备，通过星间测距，结合卫星轨道先验信息，保障自主运行精密定轨和时间基准的维持等系统工作，并能正常提供通信、导航等服务。

在一组导航卫星之间，任意两个相互可视的卫星之间有距离测量值，称在这组导航卫星之间有星间链路观测。星间链路资料具有重要的定轨意义，因为它与少量的地面站（至少3个）的观测资料相结合，就可以定出所有卫星的轨道；亦可以在失去地面站的情况下，结合卫星轨道先验信息，确定卫星的轨道。本文以IGS（International GPS Service）提供的GPS精密星历为基础，研究星间链路数据的模拟方法。

1 GPS星间链路

1.1 GPS星间链路现状

截至2007年7月，GPS星座拥有30颗在轨运行卫星，包括15颗GPS-2A卫星、12颗GPS-2R卫星和3颗GPS-2RM卫星。其中，在第1至第4轨道面上各有5颗卫星；在第5轨道面上有4颗卫星；在第6轨道面上有6颗卫星。当前的GPS星座已不是早期设计的经典Walker24/3/2星座构型，而是趋向于一种6个轨道面的卫星均匀分布与非均匀备份混合星座构型。这样的星座设计能够保证导航卫星信号的全球连续性覆盖，满足系统可用性指标要求，有利于实现接收机自主完好性监测（RAIM），从而获得安全可靠的高精度导航信息。

GPS已经在它的GPS-2R及后续卫星上安装了星间测距设备和星上处理器，这些卫星能够通过时分多址（TDMA）的方式进行星间测距和通信，并每小时自主计算卫星轨道和卫星钟差，实现星上的自主定轨和自主守时，从而为用户提供自主运行180 d用户测距误差（URE）仍好于6 m的服务[1]。拟达到的技术指标为星间信息传输速率≤5 kbps，星间测距精度优于1 ns，星间信息传输误码率优于10-6 [2]。

1.2 星间链路体制

1.2.1 设备配置

对于星间链路的设备配置，GPS-2R卫星采用10个螺旋天线阵元以相控阵方式[3-4]实现，安装在卫星的对地面，天线群延迟不确定度控制在0.5 ns以内。星间链路发射天线采用独立天线单元，而接收天线由9个单元组成的平面直射阵列组成，其中1个单元位于阵列中心，其余8个单元围绕中心单元均匀布置，且馈电相位与中心单元反相，馈电幅度按比例配置。接收天线波束相位中心稳定，波束边缘增益可达到7 dBi左右[5]。

同时，配置星间链路转发数据单元（CTDU）和星间链路收发设备（CTS），每颗GPS-2R卫星均装有两个CTDU，CTDU是时分多址跳频扩频通信系统，利用超高频（UHF）频段，采用5 Mcps伪随机码，产生108Ｗ的射频发射功率，提供精密测距信号并进行自主导航数据交换。

1.2.2 链路模式

GPS星间链路采用时分复用多址方式，通信频段为超高频（250～290 MHz），每颗导航卫星分配一个时隙，每个时隙维持1.5 s，在轨工作的24颗导航卫星均分配不同的时隙，36 s时间内可以对星座所有卫星轮询一遍，该时间定义为一帧。在36 s的时间周期内就可以完成星座卫星播发测距信号的遍历，称之为测距帧。下一个36 s时间周期用作星间数据通信，即完成星座卫星播发数据信号的遍历，称之为数据帧。星间链路传输共有25帧：1个测距帧，24个数据帧[5]。对于24颗卫星组成的星座，36s为一个子帧，900 s为一个主帧。GPS-2R/2R-M卫星星间链路测距周期可选择15 min、1 h、2 h、3 h、4 h和6 h，其中1 h为缺省值设置[6]。

GPS-2R卫星实施双频单向测距，在测距帧期间，采用测距模式，任意一颗GPS-2R卫星在分配的时隙里发射测距信号，其他所有可见的导航卫星进行接收，对UHF频段的测距信号进行处理，利用两个不同频率消除电离层效应的影响，完成伪距测量。在数据帧期间，采用数据发送模式，每颗卫星在其分配的时隙里发射与自身相关的数据参数，主要包括伪距测量的计算结果、估计出来的卫星位置和时钟参数及相应的估计方差。

1.2.3 星间链路拓扑结构

根据GPS星座构型和星间链路天线赋形设计，星间链路距离可达到49 465 km。对于24颗卫星星座，可以建立8～16条同轨道面前向和后向链路，以及异轨道面侧向链路[5]。

1.2.4 星钟

对星载原子钟，GPS卫星采用铷钟（质量5.44 kg，功耗39Ｗ）和铯钟（质量13 kg，功耗30 W，寿命>3年），以铯钟为主。星钟或时间基准装置（AFS）是整个有效载荷的心脏，它提供确保GPS导航精度所需的精确时间。GPS-2R有2台铷钟和1台铯钟。GPS系统对星钟的关键要求是星钟时间与GPS时间之差保持在6ns之内。为达到这一要求，将2台铷钟和1台铯钟集成到有效载荷中的时间保持系统（TKS）内，3台星钟互为备份，以确保这一关键设备不会因1台失效而导致全系统失灵[6-8]。

2 星间链路数据的模拟

我们利用2007年10月5日开始的IGS提供的GPS卫星的精密星历来模拟星间链路数据。

为便于科学研究，我们假定导航卫星星间链路的模式是：每颗GPS卫星都必须向其他GPS卫星发送信息，也要接收其他卫星发出的信息。假定在给定时刻，星座中只有一颗GPS卫星发送信号，而所有其他卫星都处于接收模式。其次，每颗卫星都分配一个指定的时间区间（1 s），在这个区间，只有它能发送信号，而其他卫星只能接收信号，所有卫星都按此指定的时间顺序循环工作。IGS提供的是31颗卫星的精密星历，完成这样一个发送序列称作一个帧循环，需时31 s。

由IGS提供的精密星历是按15 min的时间间隔给出在轨31颗卫星在空间的三维坐标、三维速度和卫星钟改正数等信息，不能满足模拟时数据的需求。需要把下载的星历加密成按10 s（甚至1 s）的时间间隔给出卫星在空间的信息。

本文采用契比雪夫多项式拟合方法[9]，对下载的GPS精密星历分别按10 s的时间间隔和1 s的时间间隔加密，加密到1 s的卫星星历如下：

加密后的GPS精密星历格式与IGS公布的精密星历格式一致。第1行的第2个字符为版本标识符；第3-19个字符是历元的日期和时间；“HLM”是轨道类型描述符，目前仅定义了4种类型，这是其中之一；“IGS”是轨道发布机构描述符。第2行所包含的内容有轨道数据首个历元的GPS周及GPS周以内的秒数，以秒为单位的历元间隔、约化儒略日的整数部分及小数部分。第3-7行为卫星的PRN号。这些标识符为连续的字段，在列出了所有的PRN号后，剩下的位置用零值填充。第8-12行为卫星轨道精度指数，若为0，则表示精度未知。卫星轨道精度指数在第8-12行中的排列顺序与第3-7行上卫星的PRN号的排列顺序相同。第13-18行以备将来其他的参数补充。第19-22行为任意内容的注释。第23行为历元的日期和时间。自第24行开始为卫星的位置（或速度）和钟差（或钟漂）。第1个字符始终是“P”，位置的单位为km，并精确到1 mm。与钟有关的值的单位为μs（微秒），并且精确到1 ps（皮秒）。第2、3、4组数据对应卫星X、Y、Z三个坐标方向的位置，第5组数据是卫星的钟差。

图1给出一个我们在计算过程中所加白噪声的例子，其RMS（均方根）值为0.3 m。

图1 计算中所加白噪声的例子

表1给出了在计算过程中所加的钟差的一个例子，它是2007年10月5日00:00:00 IGS所给出的GPS卫星的星钟差（见igs14475.sp3文件）。

表1 计算中所加的1组GPS卫星钟差

注：原文件中没有给出第15号星的钟差，这里的50.000 000μs是我们加进去的，只有补充完整的卫星钟差，才能用来模拟星间链路数据。

获得了GPS星座中卫星的星间链路数据，根据星间链路的通信模式，我们就能推算出星座中某颗星发送信息时，有多少颗卫星可以与之建立星间链路及星间链路的具体值。运用本文的模拟方法，得到的星间链路模拟值如表2所示，由表2中数据可知，此次模拟结果中接收卫星和发射卫星间距离最大值是51 242 645.97 m（在2007年10月5日00:00:01的接收时刻2号星收到3号星发射的信号），最小值是13 278 557.94 m（在2007年10月1日00:00:00的接收时刻，9号星接收到2号星发射的信号）。

表2 星间链路的模拟值

注：表格中的“接收卫星和发射卫星间的距离/m”就是获得的星间链路模拟值

3 结语

在初步了解了GPS卫星系统的星间链路工作模式后，本文详细讨论了星间链路资料的产生方法，在考虑可视、噪声及钟差的情况下得到了星间链路的模拟值。获得了星间链路资料，再结合预报轨道资料就可以开展下一步的定轨工作。

本文模拟星间链路数据时只考虑了可视、噪声和钟差，对等离子体延迟、相对论效应和不同频率的卫星信号间的硬件延迟偏差等影响，在后续的工作中需要予以考虑和研究。

[1] 李孝强, 杨文强. 导航卫星系统自主导航技术及其发展趋势[J]. 中国航天, 2005, 3: 33-36.

[2] 杨宁虎, 陈力. 卫星导航系统星间链路分析[J]. 全球定位系统, 2007, 2: 17-20.

[3] HOLMES J K, RAGHAVAN S. A Summary of the New GPS IIR2M and IIF Modernization Signals[C]//Vehicular Technology Conference, 2004 IEEE 60th, 2004(6): 4116-4126.

[4] ANDY W.Estimate of the GPS Block IIR AutoNav Clock Behavior[C]//Joint Meeting EFTF2IEEE IFCS, 1999: 279-282.

[5] 郑晋军, 林益明, 陈忠贵, 等. GPS 星间链路技术及自主导航算法分析[J]. 航天器工程, 2009, 18(2): 28-35.

[6] 陈忠贵, 帅平, 曲广吉. 卫星导航系统技术进展(上) [J]. 中国航天, 2007, 9: 24-29.

[7] 王慧君. GPS卫星导航系统的新发展[J]. 电光系统, 2005, 4: 6-9.

[8] 周宇昌, 李孝强, 曹桂兴.导航卫星有效载荷技术现状及发展趋势[J]. 空间电子技术, 2003, 3: 9-21.

[9] LI Zhi-gang, YANG Xu-hai, AI Guo-xiang, et al. A New Method for Determination of Satellite Orbits by Transfer [J]. Science in China, 2009, 52 (3): 384-392.

[10] 惠卫华, 吴海涛, 边玉敬. 卫星星座时间同步中星间链路的设计和性能分析[J]. 时间频率学报, 2006, 29(1): 19-26.

GPS Inter–satellite Link and Simulation of ISL Data

LIU Ya-qiong1,2,3, YANG Xu-hai1,2

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;2. Key Laboratory of Precision Navigation and Timing Technology, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;3. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China)

The inter-satellite link (ISL) is one of key techniques in the autonomous operation of satellite navigation system. This article mainly describes the mode of GPS ISL and focuses on the simulation method of the GPS ISL data. The data from GPS precise ephemeris published by IGS is densified to a time interval of 1 s, by using Chebyshev polynomial fitting method. First, the distance between two satellites at the time of signal receiving is set as the initial value. Then the moment of signal transmitting for the transmitting satellite is calculated iteratively. Therefore the pseudo-range observation between two satellites can be obtained. Coupled with the constraint conditions (e.g. noise, clock offsets), the simulated inter-satellite link data are obtained finally.

inter-satellite link; TDMA(time division multiple access); satellite navigation

2009-09-28

国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2006AA12Z322）；中国科学院知识创新工程重要方向资助项目（KJUX2-YW-T12）；中国科学院西部之光联合学者资助项目（2007LH01）

刘亚琼，女，硕士，主要从事卫星测定轨的数据处理工作。

P228.4

A

1674-0637(2010)01-0039-08