一种绕飞编队卫星星间链路系统的总体设计方法

张蕾 严林 高翠东 臧荣春 陆波

(航天东方红卫星有限公司, 北京 100094)

一种绕飞编队卫星星间链路系统的总体设计方法

张蕾 严林 高翠东 臧荣春 陆波

(航天东方红卫星有限公司, 北京 100094)

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。

编队飞行卫星；星间链路；总体设计

1 引言

随着我国航天技术的发展，卫星应用遍布遥感、导航、通信、新技术试验等领域，卫星也从单颗卫星发展到双星、星座卫星，其中，由多颗小卫星编队飞行、建立构型，共同执行空间任务的卫星系统称为编队卫星系统[1-2]。

InSAR编队是编队卫星系统的一种，它对基线范围要求严格，编队构型的尺度较小，而且对两星之间相对位置的测量精度提出了厘米级的高要求。目前，国内外高精度厘米级相对定位测量大多采用基于GPS的星间链路系统完成，通过将副卫星上的GPS原始测量信息经由空-空通信传递给主卫星，主卫星进行双差载波相位处理，得到厘米级高精度相对定位结果，多应用于交会对接领域。美国自20世纪90年代开始进行GPS相对测量的应用研究，该项技术已发展成熟，交会对接全面步入自主交会对接阶段，日本、欧洲航天局和瑞典等也已开展了星间相对测量的在轨应用[3]。国内在轨编队飞行卫星星座目前主要采用基于星间通信测距码方法完成相对距离测量，精度达不到厘米级，利用GPS进行相对定位的神舟-8、神舟-9飞船等交会对接飞行器精度能够达到厘米级，但是在跟飞状态下进行相对测量，且星座构型简单、在轨执行任务时间较短；而厘米级高精度星间相对定位测量是长时间连续双差载波相位解算的结果，连续定位时间越长，相对定位结果精度越高，因此如何长时间保持在绕飞构型下的星间链路系统信道稳定、畅通是实现高精度相对定位结果的充分必要条件。

国内现有的星间链路设计主要集中于分析几何参数的变化和链路的动态特性研究[4-7]，对于其系统设计、总体策略设计和天线的仿真分析不足，因此为了解决国内首次以InSAR为背景任务，双星在小尺度绕飞编队(1000～5000 m)构型下，采用基于GPS的星间链路系统技术，本文以某绕飞编队小卫星为例，利用STK/MATLAB分析软件进行仿真，对其星间链路系统进行了研究和设计，主要包括：①分析卫星星间链路天线覆盖区、星间链路天线安装形式、星间链路天线安装布局、星间通信可靠性措施设计分析以及星座卫星中突出的电磁兼容性问题，并在此基础上研究通用的星间链路总体设计方法；②对编队卫星飞行过程中运动轨道的仿真，分析星间链路天线之间的指向角度范围，进而提出优化星间链路通信质量的天线布局方式。

2 绕飞编队卫星星间链路系统的设计思想

星间链路的规划和设计是编队飞行卫星进行星间通信的关键技术之一，星间链路的总体规划首先是根据总体的需求决定分系统组成，例如，若需要星座间亚厘米级绝对定位精度，需要考虑星间激光测距的微波通信链路；若星座间需要数据传输速率大于10 Mbit/s时，需要考虑激光通信，若需要达到厘米级相对定位精度，需要采用基于GPS的微波通信链路。

设计绕飞编队卫星星间链路系统在国内尚属首次，星座的几何构型是分析的重点，通过对星座轨道进行仿真分析，得到星座间的相对位置关系。

由于绕飞编队卫星系统是传送低码速率的GPS原始测量信息，因此可以仿照星-地的测控设计，采用成熟的S频段测控天线，设计合理的组阵的方式(星间通信天线的天线数量和安装位置)，为星间通信提供稳定可靠的射频通道，尽量减小干涉区域和通信中断区域；通过仿真分析，得到星座卫星一个轨道周期内相对距离和相对速度变化率，选择合适指标的星间通信机，可采用S频段星地测控应答机的射频通道设计；选择合适的星间通信机发射功率；估算星间通信机至天线间的射频损耗；根据卫星轨道和星座，计算空间损耗；估算接收系统的噪声温度；估算出链路能承受的数据传输速率，并根据所要求的数据率计算信噪比(Eb/N0)；根据误码率要求查出相应的信噪比，选择合适的调制和编码技术；计算链路裕度，即算出的预计值与要求值之差；星座卫星电磁兼容性分析，由于星座卫星组网距离较近，星座射频设备的电磁兼容问题就比较突出，除了要考虑单颗卫星内部的电磁兼容问题，还要考虑星座的电磁兼容。同时，还要设计简单的星间通信校验措施和备份手段进行星间通信可靠性设计。

3 应用实例

以某绕飞编队卫星星间链路系统为例，其物理模型、系统设计方法及其分析验证如下。

3.1物理模型

两颗卫星各装有一套星间链路系统装置，主要包括星间通信机、星间链路天线阵等设备，如图1所示。

绕飞编队星间链路系统要与GPS接收机、星务主机以及星上总线等协同工作。

图1 星间高精度测量装置组成框图

3.2仿真分析计算

3.2.1 星座轨道构型分析

在STK仿真场景中[8]，选取A、B卫星的轨道要素，均为低轨太阳同步轨道，对星座天线覆盖区进行分析，从仿真结果得到A、B卫星连接矢量在一个轨道周期分别与各自本体坐标系X、Y、Z轴的夹角。其中，A卫星与B卫星连线矢量与A卫星本体坐标系X、Y、Z轴矢量的夹角如图2所示，B卫星与A卫星连线矢量与B卫星本体坐标系X、Y、Z轴矢量的夹角类似，也得到相似的图形。

图2 连线矢量与A卫星本体坐标系X轴、Y轴、Z轴矢量的夹角

通过仿真结果得到A卫星和B卫星连接矢量分别与各自本体坐标系的夹角在轨道周期内类似，也就是说对A卫星星间链路天线方向图和对B卫星星间链路天线方向图的要求是相同的，分别为要求A、B卫星星间链路天线覆盖卫星本体坐标系X轴0°～180°、Y轴38°～145°、Z轴55°～130°的范围，才能保证绕飞期间全时段通信。

3.2.2 星座天线分析

为保持连续稳定的星间通信，要求两卫星星间通信天线必须能够覆盖所有的空间飞行区域，因此对星座天线覆盖区进行分析。天线考虑固定安装，为了在编队飞行期间星间通信天线覆盖全空域和保持良好的幅频增益特性和相频特性，在仿真场景设计中，分别仿真了天线安装于卫星±X面异旋组阵工作、±X面同旋组阵工作、±Z面同旋组阵工作3种方案。

(1)星间天线安装于±X面、异旋天线组阵示意如图3、图4所示，仿真方向图如图5所示，其中红色线圈为设计的天线增益指标-10 dBi，黑色曲线为仿真测试值(蓝、绿曲线为刻度线)。

图3 卫星一前一后飞行

图4 卫星平行飞行

注：60°～120°、240°～300°为腰带区。图5 异旋天线组阵方向图(XOY面)

(2)星间天线安装于±X面、同旋天线组阵仿真方向图如图6所示。

(3)天线安装于±Z面，同旋天线组阵。

当采用方案(3)时，其组阵后的天线仿真方向图类似图6，但A、B卫星星间链路天线是安装于±Z面进行星间链路通信，A卫星始终是组阵后的干涉区与B卫星天线组阵后的干涉区通信，这样虽然能保证星间通信链路所需的电平，但能量利用较低，因此不选择这种方式。方案(1)异旋天线组阵方向图与方案(2)同旋天线组阵方向图比较，可以看到，两种天线组阵方式都有些许干涉区，相比较而言，异旋组阵图腰带区(见图5)存在较小干涉区。在轨飞行期间， A卫星轨道机动状态时，若采用异旋组阵方式，信号传输过程中当左、右旋接收时，接收信号会降低20 dB，有可能产生数据中断。因此选择方案(2)安装于±X面的同旋组阵天线较优。

图6 同旋天线辐射方向图(XOY面)

3.2.3 星座天线安装位置分析

星座天线安装位置的布局分析可以进一步优化星间通信设计，由于A卫星的电推进系统也装于卫星的+X和-X面上，考虑到电推进羽流[9]对星间通信天线的影响，为确保通信信号的质量，在星间通信天线安装过程中，必须远离羽流密集区域。同样，利用A、B卫星的绕飞轨道参数，仿真分析得到B卫星运行轨迹在A卫星+X面和-X面上的投影，如图7中的粗虚线所示，粗虚线附近即为绕飞过程中两星之间通信信号大致所占的通信区域，其中粗虚线与Y轴的夹角α约为35°。适当调整A卫星星间通信天线的安装位置，使得当B卫星和A卫星星间通信天线的连线适当远离A卫星电推进系统，尽量减少羽流对星间通信质量的影响。

由上述分析可以确定A卫星星间通信天线安装的优化原则：

(1)星间通信天线各一副安装于卫星本体坐标系下的+X和-X面上，天线电轴线与±X轴平行；

(2)安装位置适当远离电推进系统，即到图7所示粗虚线的垂直距离尽量远；

(3)安装过程中要考虑电推进系统和其它设备的遮挡效应，星间通信天线在图7所示通信区域内不能受遮挡，并具有较好的增益特性；

(4)在表面特性比较复杂的-X面，星间通信天线应该高于-X面的推进舱，也要保持天线到-X面的距离，即到图7(b)中粗虚线的距离尽量远。

图7 B卫星运行轨迹在A卫星+X面和-X面上的投影

3.2.4 星间链路分析

ISL天线仿照星-地的测控天线设计，采用成熟的S频段测控天线(四臂螺旋)，天线方向图实测值(见图8)，分别对卫星进行最大通信距离的链路预算和两卫星编队飞行时(跟飞、绕飞)的链路预算，跟飞期间的链路分析参数见表1，跟飞期间的链路余量如图9所示；绕飞期间的链路余量如图10所示。

图8 天线增益图

图9 跟飞期间星间链路余量

图10 绕飞期间星间链路余量

表1 ISL预算

从表1可以看出，跟飞期间两卫星距离为200 km时能建立通信链路，在两星慢慢靠近，建立编队构型并保持绕飞状态后，从图10可以看出，由于天线腰带干涉区的影响，绕飞期间除了可能会有两次短暂失锁情况，其余时间均能保证通信链路的通畅。

3.3星间通信可靠性措施设计

星间通信机设计采用双相移键控(BPSK)调制方式，使用双备份通信体制，以及数据校验措施来应对星间通信。A卫星星间通信机设计由接收机、解调器和下位机、电源4个模块组成，为保证星间通信链路的可靠性，设计接收机、解调器电源为双机热备份，下位机为双路冷备份，提高整机的可靠性。两路接收机分别接收来自天线的射频信号，并处理成中频信号输出给解调器；解调器完成解调、同步、校验后分成两路输出给下位机；下位机对星间通信机各模块进行管理，并对解调器输出的两路数据的校验标志码情况进行选择，若A路和B路解调信息均正确，下位机默认选择A路解调信息；若两路中有一路解调信息正确，另一路不正确，则输出正确路的信息；若两路解调信息都不正确，则也默认输出A路解调信息，但置出标志，以此措施来提取正确的GPS信息。

3.4电磁兼容设计

由于编队卫星星座距离更近，星座间星间链路电磁兼容性也就更加突出。考虑到星间链路采用S频段，于是S频段星间链路与星地链路的多向干扰问题就是电磁兼容性试验(EMC)分析的重点。表2计算了B卫星星间通信机发射到A卫星应答机接收的功率电平为-122.5 dBm；表3计算了B卫星应答机发射到A卫星星间通信机接收的功率电平为-120.5 dBm，均满足应答机的灵敏度门限设计指标。

表2 B卫星星间通信机发射对A卫星应答机的干扰分析

表3 B卫星应答机发射对A卫星星间通信机的干扰分析

4 结束语

本文对绕飞编队卫星星间链路系统进行总体设计，包括星间轨道构型分析、天线设计组阵图、天线安装位置、链路预算等。作为国内首次基于GPS的绕飞编队卫星星间链路系统设计，其设计方法合理、有效，并通过了在轨飞行验证，能够为后续星座卫星工程应用提供有益的支撑，并可以为其他类型的星间链路总体设计提供借鉴。

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(编辑：李多)

Top-level Inter-satellite Link Subsystem Design Method for Satellite Formation

ZHANG Lei YAN Lin GAO Cuidong ZANG Rongchun LU Bo

(DFH Satellite Co. Ltd., Beijing 100094, China)

GPS-based top-level ISLS(inter-satellite link subsystem)design method for satellite formation is proposed in this paper, in order to satisfy the high-precision relative positioning requirement. By taking China’s first flying-around InSAR satellite formation as the target system, the coverage area of the ISLS antenna array is analyzed by using STK/MATLAB. The system optimization work for orbit design, antenna pattern, link budget, positioning accuracy and electromagnetic compatibility is also done. The results show that GPS-based satellite formations can establish top-level optimized inter-satellite links to finish the communication and positioning task during the whole flying-around or with-flying by providing reliable communication and positioning links. The proposed method can be a valuable reference for satellite formations ISLS design.

formation satellites; inter-satellite link(ISL); top-level design

2014-04-02；

：2014-04-20

国家重大科技专项工程

张蕾，女，工程师，从事小卫星测控、星间链路系统研究。Email：miyaner1981@aliyun.com。

443

：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2014.03.005