导航卫星星间链路测试评估技术研究

王 威，高 昕，郎兴康

(1.北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

全球卫星导航系统越来越多地应用在各个领域，可以完成实时、高精度、全天候、连续快速的定位、导航和授时功能，引起了各国的广泛重视[1-2]。

导航系统主要由空间设备、终端设备和地面设备3部分组成[3]。空间设备即空间导航卫星，向地面发送导航信号；终端设备即导航终端接收机，完成对导航信号的接收处理，计算得到相应的位置、方向、速度和时间等信息；地面设备是指地面测控站，完成对导航卫星的控制、监测和电文注入。然而，由于地面设备的位置固定，不可能做到对卫星的实时监测，一旦卫星处在各地面站不可见的位置或者地面通信链路出现中断时，卫星信号的质量状态难以得到保证，卫星只能依靠自身现有的参数完成对电文的计算，很难保证准确度，当卫星出现问题时，地面使用该卫星信号进行定位就会引入较大误差。为了解决这一问题，美国从20世纪80年代中期便开始研究其全球定位系统(GPS)的星间链路技术，提供卫星间的通信和相互测距，对卫星位置和时间误差进行修正，从而在一定时间内保持精确的定轨能力和时间同步能力，增强卫星自主导航能力[4-7]。与此同时，可以利用其他卫星代替地面站完成对相应卫星信号收发性能等指标的测量，并将相应结果传回地面，从而保证非视卫星的完好性[8-9]。

随着北斗导航卫星的陆续发射，导航设备功能逐步完善，卫星导航装备性能的好坏变得愈加重要，导航卫星自身发射接收设备功能和性能指标的好坏直接影响该设备系统的应用性能。导航卫星星间链路测试评估系统在此背景下应运而生，该系统主要用于对卫星发射接收设备的性能指标进行测试并对其结果进行评估，使用户能及时了解设备当前运行状态，并根据实际情况进行调整。本文主要利用导航卫星星间链路对非视距导航卫星发射接收设备状态进行监测，完成设备相应性能指标的测试评估，重点梳理了导航卫星星间链路接收性能指标、发射性能指标和测量性能指标的测试评估流程，对实现导航卫星状态监测具有重要的参考价值。

1 卫星导航星间链路测试评估技术现状

卫星导航星间链路(Inter-satellite Link，ISL)技术在导航领域中是指导航卫星不依赖于与地面站直接完成通信，而是通过其他导航卫星完成建链通信，发送和接收相关数据。星间链路示意如图1所示。

图1 星间链路示意Fig.1 Diagram of intersatellite link

星间链路将空间的设备连成一个整体，使卫星不依赖地面设备就可以连接其他卫星，利用此项技术不仅可以解决卫星不可见时的控制监测问题，还能够利用星间测量和通信缩短卫星星历更新周期，通过卫星间转发，降低地面站的数量，并通过星间的数据传输，增大通信容量，实现卫星的自主导航。美国第二代GPS卫星在设计上加入了星间链路，Block IIR卫星利用自主导航能在6个月内保持URE小于6 m[10-11]；Block IIF卫星利用自主导航能在2个月内保持URE小于3 m[12]。鉴于GPS的成功，星间链路自主导航已成为俄罗斯GLONASS、欧洲GALILEO和我国北斗卫星导航系统(BDS)建设的热门研究课题。目前国内外的研究人员针对星间链路的研究探讨主要集中在以下5个方面：星间链路信号设计、星间链路发射接收性能、星间链路构建、星间网络拓扑分析以及导航星座分析[15]，关于星间链路的测试评估技术并无太多相关文献。

卫星导航测试评估系统一般用于对卫星接收性能、发射信号性能和测量性能等指标的测试评估，通过对卫星信号的采集和相关信息的解调，完成对卫星相关指标测量，并分析得出相应结论，在国外利用相应的信号监测系统完成对卫星性能的测试评估已经取得了广泛的应用，美国联邦航空局建设的广域增强系统(Wide Area Augment System，WAAS)和局域增强系统(Local Area Augment System，LAAS)是典型的2个增强和监测系统[16]。以区域基准站网为基础，结合相关监测技术，完成对卫星各项指标的测试，从而为用户提供相应卫星的完好性信息，保障用户的定位精度。此外，类似的完成对卫星信号监测的系统还有英国齐尔伯顿监测系统、荷兰Noordwijk信号监测系统等，这些系统的基本原理都是类似的。

2 测试评估系统平台架构

构建星间链路测试评估平台，系统架构如图2所示。由于测试评估平台直接作用对象为可见卫星，故图2未示意被测卫星。星间链路控制管理中心利用TT&C链路完成对可见与不可见卫星星间链路建链的规划配置，并将卫星的相应回执配置传送至测试评估平台系统监控软件；系统监控软件负责完成对星间链路测试评估系统平台的监视与控制，将相应的业务数据传送至星间链路测试评估软件，便于该软件利用相应的分析评估设备完成相应指标测量，系统监控软件还控制相应的基带设备和收发信道，完成对可见卫星信号的接收；星间链路测试评估软件完成对被测卫星接收性能、发射信号性能、测量性能等指标的测量，并结合对应的分析评估设备完成对卫星当前性能的分析评估。

图2 星间链路测试评估系统平台框架Fig.2 Platform diagram of intersatellite link test and evaluation system

星间链路可见节点卫星与被测卫星间的信号收发关系如图3所示，利用卫星星间链路双向通信和测量的特点，将被测卫星的相关接收参数以数据形式返回给可见节点卫星，并利用节点卫星发送测试信号，协助测量；被测卫星的发射参数则是利用节点卫星完成对其信号接收并处理等到相应测量结果，节点卫星对信号采样，使用相关数字信号处理手段，完成对信号的频域、时域、调制域和相关域的分析；对于卫星的测量性能则可以通过卫星双方进行双向测量，得到双方的测距值，再结合星历参数计算得到的测距理论值，得到相应的测量性能评估结果。

图3 可见卫星与被测卫星间信号收发关系Fig.3 Signal transceiver relation between visible satellite and measured satellite

3 测试评估方法与工作流程

为了解卫星当前所处状态，需要在地面站和卫星之间建链，针对不可见卫星，地面站监测卫星的手段可以采用星间链路辅助监测，即通过节点卫星协助转发相应指令和信息，在某些情况下，还需要多个节点卫星协助转发地面所需信息，才能完成相应指标的测试评估。

3.1 接收性能指标测试评估及精度误差分析

卫星接收性能(例如接收载噪比、接收灵敏度等)是卫星完成星间链路收发的基本要求，若卫星接收性能较差或者处于较恶劣的链路环境中，不适合进行定位导航工作，所以需要利用相应手段完成对卫星接收性能的监测。比较常见的手段是利用地面与卫星完成建链，并发送测试信号，通过卫星的应答信号获取相应信息，从而完成对相应指标的测试评估。接收性能测试评估流程如图4所示。

图4 接收性能测试评估流程Fig.4 Test and evaluation process of receiving performance

地面发起监测某个不可见卫星的相应指标的业务请求，发送给可见的导航卫星，该卫星利用已确定的转发链路，由直接与被测卫星建链的卫星发起测试流程，其余节点卫星只进行数据转发，节点卫星(发起测试的卫星)依据业务需求向被测卫星发送测试信号，被测卫星自身接收信号时，完成对需要监测指标的测量，并将测量值利用通信链路发送至节点卫星，最终测量结果通过其他节点卫星发送至地面站，测试评估软件根据最终的测量结果完成核算。

以测量卫星接收G/T为例，首先在业务请求建立后，由星间链路控制管理中心完成对导航网络中路由的建立，使转发卫星与被测卫星间实现建链，系统监控软件配置基带与信道设备发送相应的业务数据至测试节点卫星，业务数据包括测试指标项、测试时长和测试所需原始数据等，然后利用转发的可见卫星向被测卫星发送相应EIRP的信号被测卫星完成接收，并测量相应的C/No，通过星间链路回传至测试节点卫星，测试节点卫星将接收到的数据发送至地面站，系统监控软件配置基带与信道设备完成接收，地面站的测试评估软件利用G/T=C/No+10lgk+L-EIRP(式中，k为波尔兹曼常数，L为自由空间衰耗，由空间距离和工作频率等数据进行核算)完成对被测卫星G/T值的测量。完成测试后，测试评估软件对测试数据进行分析评估，生成相应的评估报告。

卫星接收G/T值测试精度误差除受卫星外的指标影响外，主要取决于设备上行发射精度EIRP和导航信号自由空间衰落误差L两部分。其中，星间链路发射设备上行发射EIRP精度主要取决于上行链路中各单元功率精度，包括基带中频输出电平精度，变频器增益控制精度以及功放增益控制精度。卫星导航信号在自由空间传输中，受空间自由衰落、大气损耗、电离层折射、雨衰和雪衰等影响，其中，自由空间衰落L=32.45+20lgd+20lgf，(式中，d为空间传输距离，单位km；f为载波频率，单位MHz)，该公式为经验公式，但依据目前可查的文献及已有工程验证，该衰落值核算精度可信度较高，但实际工程验证中，受测试天线方向图、地面多径、收发天线法向对准精度和仪器测量误差等影响，无法得到精确度在±0.2 dB以下的有效验证。

3.2 发射性能指标测试评估及精度误差分析

卫星的发射信号是地面终端完成定位的主要依据，若发射信号的质量出现问题，会极大地影响到定位误差的大小，可利用测试的节点卫星完成对导航信号的接收，并对接收信号的相关指标(带宽、功率电平和正交性等)进行测量、分析。利用星间链路测试卫星发射性能的流程如图5所示。

图5 发射性能测试评估流程Fig.5 Test and evaluation of transmitting performance

由地面发起监测卫星业务请求，测试节点卫星接收来自被测卫星的导航信号，并在接收过程中对信号进行采样分析，分析的流程可以使用软件的方式对信号进行相应处理(例如FFT变换，利用频域信息对信号的带宽、带外的杂散、功率谱进行测量)，在接收解调的过程中，可以对信号的IQ分量的正交性和载波与伪随机码相位的相干程度进行测量。此外，还可以对信号进行相关处理，观测信号的相关峰情况，将最后的观测结果以数据的形式发送至地面站，由地面监测站进行分析评估，从而完成对卫星发射信号指标的评估。

以测量卫星发射EIRP为例，在发起业务请求、确定信号转发和完成建链流程后，测试节点卫星将地面发送的业务数据信号转发至被测卫星，被测卫星按照流程要求发送指定功率的单载波信号，测试中继卫星完成接收，并测量功率电平，然后将测量值发送至地面，测试评估软件利用公式EIRP=P+L-G(式中，P为测量的功率电平；L为空间损耗，利用星历、频率等数据进行核算；G为测试节点卫星的接收链路增益)完成对被测卫星发射EIRP的计算，并根据长期的监测结果完成对该指标的测试评估。

卫星星间发射EIRP值测试精度除卫星外的指标，取决于设备下行测试精度、自由空间传输误差两部分。其中，星间链路设备下行测试精度主要取决于频谱仪测量精度(包括中频精度和射频精度)，下变频器增益控制精度以及功放增益控制精度。信号在自由空间传输中，受空间自由衰落、大气损耗、电离层折射、雨衰和雪衰等影响，详细分析同3.1节。

3.3 测量性能指标测试评估及精度误差分析

导航卫星本身主要的功能是利用测距值定位，所以卫星本身的测量性能也需要进行监测，在不可见卫星的监测中，可以利用星间链路本身具备的双向测量和通信的功能，完成双方的测距。以节点卫星的测距值和当前星历计算得到的理论值作为基准，对被测卫星的测距性能进行分析评估。利用星间链路监测卫星测量性能的流程如图6所示。

图6 测量性能测试评估流程Fig.6 Test and evaluation of measurement performance

由地面监测站发起监测卫星业务请求，并确定信号转发流程，发起测试的节点卫星向被测卫星发送正常工作信号，被测卫星完成捕获跟踪等相关流程后，得出相应的测距值，并将测距值通过通信链路发送至节点卫星；被测卫星的正常工作信号由节点卫星完成接收测距，得到另一组测距值。如果测试的节点卫星本身已被验证具备良好的测距性能，则将其自身测距值作为评价被测卫星测量性能的基准，并将2组测距值都发送至地面，测试评估软件利用星历计算理论距离，设定相应的判决门限，然后比较被测卫星测距值与测试节点卫星测距值差值，并进行判决，从而得出被测卫星测量数据有效性的测试评估结果。

卫星测量性能指标除了测量数据的有效性，还包括导航卫星星间链路的测量随机误差和星间链路时延通道一致性。其中，星间链路的测量随机误差精度对测量性能指标测试评估有着重要影响，因此有必要对影响测量随机误差精度的因素展开分析。

随机误差值主要影响因素包括伪码同步误差、量化误差和时间同步误差。

① 伪码同步误差

由于采用载波辅助伪码跟踪，因此可忽略动态应力对伪码同步误差的影响。此时，伪码同步误差主要由热噪声导致，应用超前减滞后功率型鉴相器时的误差均方根为：

典型接收情况下，Δ=0.5码片，TCoh=1 ms,TI=1 ms，BL=5 Hz，当C/N0=48 dBHz时，σDLL≈0.04 m。

② 量化误差

峰值信号功率与平均量化噪声功率的比值为：

式中，L是量化电平级数。当量化位数≥8 bit时，量化误差导致的测距误差<0.02 m。

③ 时间同步误差

目前，地面设备间的时间同步误差一般小于0.1 ns(约为0.03 m)。于是，σR=0.04 m+0.02 m+0.03 m=0.09 m，即0.3 ns。

4 结束语

导航卫星信号的质量关系到卫星的定位精度，在卫星非视状态下，传统的地面监测手段无法完成对非视卫星相应指标的测试评估，本文提出了使用星间链路完成对导航卫星相应接收、发射、测量性能指标的测试评估方法，可使地面站及时监测到非视导航卫星发射接收设备的异常，并对设备进行相应调整，从而提升导航卫星信号的定位性能。本文提出的导航卫星星间链路测试评估技术是通过星间链路来实现对非视导航卫星信号的监测评估，为非视导航卫星信号的测试评估提供了一种新的技术思路。但是相应测试评估性能技术指标的有效性和适用性还需要仿真和试验的进一步论证。