卫星导航系统星间链路发展的关键影响因素分析

李龙龙，　耿国桐

(中国国防科技信息中心, 北京 100142)



卫星导航系统星间链路发展的关键影响因素分析

李龙龙，耿国桐

(中国国防科技信息中心, 北京 100142)

建设有星间链路支持的导航星座已经成为新一代卫星导航系统的发展趋势之一。各国发展卫星导航系统的战略意图、综合国力、技术水平、国土分布等情况不同，导致导航系统对星间链路有不同的需求和约束，各系统发展论证的星间链路技术方案也各有不同。通过梳理国外卫星导航系统星间链路的发展论证过程，归纳出国外建设卫星导航系统星间链路考虑的3个共性关键因素：需求、技术与经济，并分析了以上因素对星间链路发展的影响。

卫星导航系统; 星间链路; 需求; 技术; 经济

星间链路是提升卫星导航系统服务性能，增强其生存能力的重要途径，建设有星间链路支持的导航星座已经成为新一代卫星导航系统的发展趋势之一。美国从GPS IIR开始就具备UHF频段星间链路功能，下一代GPS III卫星又将增加更先进的Ka频段星间链路。俄罗斯GLONASS在最新发射的GLONASS-M卫星上安装了S频段星间链路收发装置，并在GLONASS-K上加装激光星间链路设备，以验证星间链路功能。欧洲Galileo第一代卫星虽不采用星间链路，但欧洲航天局已全面开展Galileo星间链路各项技术研究，并已初步形成几种可选设计方案。我国北斗卫星导航系统也在积极发展星间链路，并在2015年3月成功发射了第一颗具备星间链路功能的新一代导航卫星；同年8月首次建立了星间链路，验证了全球导航卫星星座的星间测距、通信能力[1]。

虽然全球的主要卫星导航系统都在积极发展星间链路，但出于对星间链路的需求、国家技术水平和经济实力等诸多方面的现实考虑，各系统发展论证的星间链路技术方案也各有不同。本文通过梳理国外卫星导航系统星间链路的发展论证过程，分析了国外在设计星间链路技术方案时考虑的共性关键因素,并以此为鉴，结合我国北斗卫星导航系统的实际情况提出一些建议，为我国北斗卫星导航系统星间链路的发展提供参考。

1　系统需求是星间链路发展的主要动因

卫星导航系统星间链路的迅速发展主要是由于需求的牵引和推动。而卫星导航系统对星间链路的需求主要体现在两方面，一是提升导航系统的导航服务能力，这也是卫星导航系统发展星间链路的根本需求；二是扩展导航系统在其他领域的服务能力，这对星间通信提出了新的需求。

1.1提升导航服务能力是发展星间链路的根本需求

提升导航系统导航服务能力对星间链路的需求大致可分为3类：(1)实现导航星座自主导航;(2)优化系统运行控制;(3)提升服务性能，包括导航精度、完好性等。但是由于各国的国土分布，以及所处的政治环境等情况不同，其卫星导航系统对星间链路的需求也有不同的侧重点。

1.1.1GPS在实现自主导航的基础上增强系统运营能力

美国在20世纪80年代就提出为GPS IIA安装传输核爆监测信息的星间通信链路，形成了现在所说的星间通信测距链路雏形。在星间通信链路的概念提出后不久，美国航空航天公司、IBM公司、Rockwell公司等迅速展开关于星间链路的其他用途研究[2]223。此时正处于冷战时期，美国更关注GPS的抗摧毁能力，而地面控制段是GPS系统的薄弱环节。因此，上述机构研究的重点是基于星间测距和通信实现导航系统的自主导航。1984年1月，美国航空航天公司提出了星间测距通信链路以及自主导航的概念设计[3]。同年4月，美空军GPS联合项目办公室委托Rockwell公司研究了上述概念设计在GPS IIR卫星上实施的可行性[2]224。1985年初,美空军空间系统部委托IBM公司深入研究了自主导航算法。IBM公司沿用了上述可行性研究中提出的星间链路体系结构，并提出了星间测量体制和误差校正体制[4]。星间通信测距链路随后在GPS IIR上得到应用，使导航星座具备自主运行180天的能力。

基于星间链路的自主导航不能校正导航星座整体旋转带来的整体误差，导航星座难脱离地面长时间自主运行。而且卫星导航系统十分复杂，能否在自主导航模式下实现零失误的自主运行尚未得到实践验证。因此，运营商只将自主导航作为地面运控系统失效时的备选解决方案，并不将其作为系统主要工作模式。出于这种考量，GPS运营商在GPS IIF研制过程中提出利用星间链路辅助地面段对导航星座的运行控制，提升导航性能。因此，GPS IIF在GPS IIR星间链路的基础上，增加了传输通用指令、遥测信息、上行数据和用于校正下行导航信息的差分数据能力，在一定程度上增强了导航系统的运行控制能力[5]。

随着军民用户对GPS精度、完好性等需求日益增长，2000年5月，美空军GPS项目联合办公室宣布启动GPS III计划，并委托美国航空航天公司负责顶层设计[6]。航空航天公司提出“连接一颗卫星即连接整个星座”的运营理念，发展新型高速星间链路构建星座网络，同时结合高速的上行、下行链路实现星地一体化，使地面段可近乎实时的对整个星座进行星历更新、状态监视和指挥控制[7-9]。美空军采纳了这一架构，并计划在GPS IIIB上增加通信速率高、抗干扰能力强的Ka频段星间链路[10]。Ka频段星间链路能够传输导航上载数据、控制指令、测距信息、传感器数据、软件更新信息、多任务通信等多种信息，改变了GPS原有的运行控制架构，使运控能力得到显著提升。

2015年底，美空军又在2016年小企业创新研究(Small Business Innovation Research, SBIR)的项目招标中，寻求“认知超高频无线电星间链路”等创新型星间链路解决方案，主要也是为了能够快速更新星历与时钟信息，并实现对星座的实时监视与控制，增强系统运营能力。

1.1.2GLONASS克服区域监测跟踪局限，提升服务性能

由于国土限制及政治因素，GLONASS地面段不具备全球布站条件，对导航星座的监测跟踪控制区域受限，严重影响了系统定位精度。在这种条件下，通过星间链路提升定轨和时间同步精度是提升GLONASS系统服务性能的重要途径。俄罗斯从GLONASS-M开始安装S频段星间链路以辅助提高定轨精度，保障自主完好性监测，同时实现自主运行。但是基于S频段星间链路的时间同步精度难以满足GLONASS系统需求，俄罗斯又提出激光精密测距和时间同步的需求，以提高时间同步精度，同时提高通信速率和通信实时性，为提升完好性提供可能。

GLONASS发展星间链路的主要目的是克服区域监测跟踪网的局限性问题，星间链路也主要采用测距为主、兼顾通信的设计方案。例如，GLONASS-K安装的激光星间链路显著提升了星间测距精度，达到3 cm，但对星间通信速率要求不高，仅50 kbit/s[11]88。

1.1.3Galileo提升系统服务性能，逐步实现自主导航

Galileo地面段采用全球布站方式，对星间链路需求不强烈，因此第一代Galileo系统中不采用星间链路。为增强Galileo在全球卫星导航系统中的竞争力，欧空局于2007年启动欧洲GNSS演进计划(European GNSS Evolution Programme，EGEP)，拟通过在第二代Galileo卫星上使用星间链路、高精度星载原子钟等新技术来提升系统性能[12-13]。与此同时，欧空局在一般性研究项目(General Study Programme，GSP)框架下启动了大量探索性研究，评估通过星间链路提升定轨和时间同步精度以及降低星座对地面段依赖的可行性。其中，比较有代表性的是由DEIMOS Space负责的GNSS+项目和ADVISE项目[14]，旨在提出一种基于星间链路的改进型Galileo系统架构，在以下几个方面提升导航系统性能：(1)增强系统自主运行能力；(2)减少地面段基础设施；(3)提升定轨和时间同步精度；(4)增加导航数据的更新速率；(5)降低运营成本[15]9。在该方案中，除增加星间链路外，对地面段进行改造，使地面运控系统具有处理星间观测量的能力，对星地观测量的处理结果进行校正，从而提升定轨和时间同步精度。在自主运行模式下，将地面监测站作为伪卫星纳入星间链路网络，也是为了保障服务性能。虽然自主导航模式并没有完全摆脱对地面段的依赖，但欧空局表示自主导航模式是建设自主导航系统的重要一步。

在研究无线电星间链路的同时，欧空局2011年开展了“光量子星间链路(Optical Quantum Links)在GNSS中的应用研究”，并于2014年完成[16]。研究中欧空局对Galileo光量子星间链路的要求主要有以下两点：(1)与目前Galileo系统相比，显著提升定轨和时间同步精度；(2)与无线电星间链路相比，显著提升安全性[17]，进而提升系统的服务性能。

综上所述，各卫星导航系统在不同时间段对星间链路具有不同的需求，也因而导致了不同的技术方案，如表1所示。

表1　卫星导航系统的星间链路需求

1.2拓展服务对星间链路提出新需求

利用全球卫星导航系统全球性、全天时、全天候的优势，搭载附加载荷拓展导航系统的服务是卫星导航系统发展的重要趋势之一。例如，GPS III、GLONASS-K、Galileo都搭载全球搜索救援系统(Cospas-Sarsat)载荷，为全球用户提供搜索救援服务。通过星间链路传输求助信息和回执信息将有效缩短求助/回执信息的传播时间。

此外，在GPS III设计过程中，美国海岸警卫队导航中心发布的《GPS III系统定义与降低风险目标声明》进一步指出GPS III应促进整合额外的任务功能，比如核爆探测、蓝军跟踪(Blue Force Tracking，BFT)等[18]。因此，GPS III采用模块化设计，未来可根据需要增加新的载荷；同时要求星间链路具有传输多任务数据的能力，且具有足够的通信带宽和灵活性，可满足未来30天的通信需求。欧空局则在论证Galileo星间链路时则构想利用星间链路支持GNSS掩星跟踪全球大气分布，以改善全球气候预报[19]69。

2　技术水平是星间链路发展的重要基础

每一个星间链路技术方案的实施都需要当时先进技术的支撑，当然也不可避免会受到技术水平的限制。国外卫星导航系统在设计星间链路技术方案时，都会考虑已有技术成果，发展一代技术成熟的低频段宽波束星间链路，论证一代有一定技术基础但尚不成熟的高性能星间链路。

2.1GPS发展完善UHF频段星间链路，开发Ka频段星间链路

GPS IIR星间链路是基于20世纪80年代的技术基础，采用技术成熟、便于工程实施的UHF频段。随着技术的进步，GPS IIF采用窄带晶体滤波器改善了星间链路转发数据单元，提升了星间测距精度[20]。但是，UHF频段宽波束星间链路通信速率低、抗干扰能力弱等固有缺点并没有得到解决。

在21世纪初美国论证GPS III星间链路时，其技术基础已经有能力发展高频段星间链路。在空间无线电技术领域，美国已有多个系统建成无线电星间链路，如表2所示，使GPS在建设高频段星间链路方面有较多的技术成果可以继承。在空间激光通信测距领域，美国发展相对滞后。2000年，美国低轨卫星STRV2激光通信试验失败[21]；直到2013年才建立月地激光链路[11]88，但是星间组网测距通信仍有待进一步发展。出于上述考虑，GPS III最终采用Ka频段星间链路，但美国仍在继续开展GPS激光测距的研究。

表2　美国具有星间链路的卫星系统

2.2GLONASS发展S频段星间链路的同时率先试验激光星间链路

GLONASS第一代星间链路采用了S频段宽波束星间链路，与GPS UHF频段星间链路技术方案相近。俄罗斯也在中继星系统、通信卫星系统的发展中为射频星间链路积累了丰富的经验，如表3所示。但是俄罗斯发展的星间链路使用的最高频段仅达到Ku频段，反映出俄罗斯高频星间链路研制基础薄弱。这也是俄罗斯在发展S频段星间链路后直接发展激光星间链路的原因之一。

GLONASS率先在GLONASS-K上成功试验了激光星间链路，主要得益于俄先进的激光测距技术和卫星平台姿态控制技术。在发展激光星间链路之前，GLONASS卫星上就已安装激光反射镜，由地面激光跟踪站对卫星进行测距，为星间激光测距积累了经验。另外，GLONASS-K卫星又采用新型“快车-1000”卫星平台，姿态控制精度0.1°，位置保持精度0.05°[22]，为激光链路的捕获、跟踪和对准提供了保障。但是GLONASS-K激光星间链路在试验中通信速率仅达到50 kbit/s，未能发挥激光链路高通信速率的优势，星间激光通信测距技术仍有待发展完善。

表3　俄罗斯具有星间链路的卫星系统

2.3Galileo论证C频段星间链路和光量子星间链路

欧空局正在论证的Galileo无线电星间链路拟工作在C频段。目前Galileo的上行链路就工作在C频段，而且C频段有源天线也已在欧洲通信卫星上得到应用[15]38，为C频段星间通信测距链路奠定了一定基础。

光量子星间链路领域，欧空局是最早开始研究星间光通信的机构，也是第一个取得光通信成功的机构，在星间激光通信领域处于领先地位，为Galileo光量子星间链路奠定了基础[23]。ARTEMIS 与SPOT4星间激光通信试验[24]、ARTEMIS与地面站之间激光通信试验[25]，以及欧洲数据中继系统光通信终端的研制成功鼓舞了欧空局研制Galileo激光星间链路的信心，并计划将激光链路与量子密钥分发相结合，发展超高安全的光量子星间链路。但由于技术水平限制，多卫星之间通过激光链路组网的高速通信工作模式还无法实现[26]，量子通信距实用化还有一定距离[27]，欧洲光量子星间链路还处于概念论证阶段。

3　经济实力是星间链路发展的重要保障

卫星导航系统的建设需要巨额资金的投入，其功能的发展完善，包括星间链路的发展，离不开国家强大经济实力的支持。国外在论证卫星导航系统的星间链路时都要考虑本国的经济实力及对卫星导航系统的经济投入，从而决定是否建设星间链路及选择什么样的技术方案。

3.1国家经济实力影响卫星导航系统星间链路的发展决策

20世纪80年代，美国经济持续发展，并大力发展科技，有雄厚的资本支撑GPS及其星间链路的发展。因此，GPS从GPS IIR开始就发展了星间链路。而GLONASS在苏联解体后，由于俄罗斯经济困难，连及时发射卫星补网都无法保证，更没能力发展星间链路。直到进入21世纪，俄罗斯经济复苏，实施GLONASS现代化计划时，才考虑在GLONASS-M上安装S频段星间链路收发设备，验证星间链路功能。欧空局在发展论证第一代Galileo时也曾考虑过安装星间链路功能，最终也是由于经济原因而没有实施[19]69，直到2006年才论证在下一代Galileo卫星上安装星间链路的可行性。

3.2国防经济投入对卫星成本的约束影响星间链路技术方案的选择

星间链路只是卫星导航系统的一个子系统，其技术方案必然受到卫星研制成本的约束。国外卫星导航系统在保证星间链路能达到需求的基础上都倾向于采用低成本的星间链路技术方案。比如，在星间链路多址方式上，相比于码分多址、频分多址，时分多址方式因星间链路设备可复制而具有低成本的优势[28]，国外卫星导航系统星间链路皆采用时分多址体制或时分与频分相结合的多址方式。此外，卫星导航系统研制过程中的预算缩减也可能导致项目管理员降低对导航系统性能的要求，进而影响星间链路的技术方案。因国防费缩减，GPS III项目经费连年缩减，美空军提议重新设计GPS星座，并决定将GPS 完好性的故障率由最初要求的10-7/d降低到10-5/d，从而星间链路可以舍弃激光链路而选用成本较低的无线电星间链路[29]。

4　结 束 语

卫星导航系统的星间链路技术方案是运营商综合考虑系统需求、技术水平、经济实力等诸多因素的折中结果。提升导航系统的精度、完好性，增强导航系统的自主运行能力是卫星导航系统发展星间链路的根本原因，扩展导航系统的服务则为星间链路提出了新的需求；技术水平、经济实力是星间链路发展的基础和保障。在发展论证卫星导航系统的星间链路时，应根据本国实际情况，评估导航系统对星间链路的真正需求，同时结合本国的技术水平和经济实力，权衡需求与约束，发展与本国卫星导航系统相适应的星间链路技术方案。

对北斗卫星导航系统而言，地面段暂不具备全球布站条件，迫切需要通过星间链路克服区域监测跟踪网的局限性问题，星间链路可以采用类似GLONASS测距为主、兼顾通信的技术方案。星间链路的发展宜采用发展一代、论证一代的策略。在推进实施现行星间链路的基础上，论证发展更高性能的激光星间链路和量子星间链路，以期在未来占据技术制高点。随着星间链路技术的成熟，未来也可以通过星间链路传输短报文信息、搜索救援信息，拓展北斗卫星导航系统的服务，提升竞争力。

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(编辑：李江涛)

Analysis of the Key Factors That Influence the Development of GNSS ISLs

LI Longlong,GENG Guotong

(China Defense Science and Technology Information Center, Beijing 100142, China)

The construction of navigation constellation with inter-satellite links has become one of the development trends for next generation of satellite navigation system. In different countries, strategic intention of satellite navigation system, comprehensive national strength, technology level, geographical layout and some other aspects are different, which cause different requirements and constraints of the navigation system on the inter-satellite links. By sorting the development demonstration process of inter-satellite links of overseas satellite navigation systems, the paper induces three common key factors to be considered in overseas construction of inter-satellite links: demand, technology and economy and analyzes the influence of above factors on the development of the links.

global navigation satellite systems (GNSS); inter-satellite links (ISLs); requirement; technical foundation; economic strength

2016-01-12

李龙龙(1991-)，男，硕士研究生，主要研究方向为军事技术情报。

V11

2095-3828(2016)05-0079-06

A DOI10.3783/j.issn.2095-3828.2016.05.017