北斗导航星座星间通信速率控制方法研究

刘壹

（北京睿信丰科技有限公司 北京市 100089）

1 北斗导航通信速控的研究现状

北斗导航在全世界通信组网体系中，进行了星座技术建设，确定了北斗导航卫星首批建设方案，即18、19 位北斗星。以Ka 为基础，构建了相控阵天线体系，形成了星间链路。与此同时，在导航卫星后续项目的建设期间，同样装置了星间链路单元，使其发挥出通信作用。现阶段，关于北斗导航、星间链路的各项研究工作，普遍集中在星间测距精确性、自动化确定轨迹、星地完成轨迹联合、组网间优化设计等。

然而，北斗导航系统中的星间链路技术，其功能与使用范围，并未局限在星间距离测算、轨道自动化确定两个方向。北斗卫星以全世界组网视角，完成建设之后，将会作为国内首个全球联网、24小时网络覆盖的星座。北斗导航系统中，各卫星之间进行传输信息时，将会在原有导航系统运行基础上，同时在全球各地区完成信息持续性回传，达成星与网互通状态。针对国内无法全规模进行组网覆盖的问题，具有有效整改意义。导航星座完成数据传输时，使用了星间传输技术，此类研究略有涉及，具体研究项目表现为：信号有效控制、通信传输协议等。

2 构建星间信道模型

2.1 星间信道模型的构建思路

在卫星进行数字化通信传输时，有效完成了QPSK 信号形式应用，此种形式具有不平衡性，其在平行正交各类方向的支路中，形成了不具相关性的数据流。可使用差异表现的速率、功率，以此准确获取通信功能。在星间链路中有效沿用了此种信号结构。此种信号组成方式，含有发射、接收信息的两类卫星，测量帧与平行支路相互对应。通信帧与相交支路形成对应关系。测量帧与通信帧，在功率涨幅方向表现出差异性，能够结合测量、通信情况，进行合理配比设计。在此期间，测量帧相比通信帧，在数据传输速度方面有所下降。同时信道测量所需时间，与通信信道测量产生的时间，具有相同性。在星距信道测量形成同步状态时，应采取信道位、帧的同步，以此节约硬件资源[2]。

2.2 测算方式

假设传输的信号为Si，在某时间点传输的信号为Si（ti），表达测算方式为：

在测算表达式中，Ci（t）表示的是卫星i 在测距指令下形成的扩频码；Pi（t）对应的是：卫星i 在通信指令下形成的扩频码；Dic（t）表示卫星i 在测距指令下形成的数据码；Dip（t）表示卫星i 在通信指令下形成的数据码；f 表示载波频率，对应的信号是星间链路；φic 对应的是卫星i 在测距指令下形成的载波相位；φip 对应的是卫星i 在通信指令下形成的载波相位。

情况二：如图5，作△ADB的外接圆⊙E，假设点E与点D在AB的同侧，连接DE、AE、BE，在⊙E中，∠DEA=2∠DBA=60°，又因为DE=AE，所以△ADE为等边三角形，所以∠DAE=60°，因为AD=AE，CD=AD，AE=BE，所以CD=BE，又因为AC=AB，所以△ADC≌△AEB，所以∠BAE=∠CAD=11°，所以∠BAC=∠DAE-∠CAD+∠BAE=∠DAE=60°，又因为AC=AB，所以

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在此关系式中，mk对应的是±m 后，获取的n 序列幅度。可以认定在任意时间节点进行的测算，比如t 为零。p（t-nT）是一种函数，对应的是脉冲波形。n=t/T，此种关系式表明了n 的取值方式，以向下取整为主。对于关系式中的整数部分，T 表示在特定符号节点的时间，T 与通信速率R 存在的关系表达式为：

针对通信信道而言，数据信息Dip（t），可认定为二进制位序列，具有数据随机性、双极性非回归等特点。同时，时间变量的表示方法为：幅度取值为m、宽值为Tb，借助正负极方形脉冲予以描述。在时间t 动态变化作用下，关系式为：

3 以星历背景的通信速控方式

3.1 计算通信速率

公式（1）给出的信号形式，在忽略编码效率的情况，误码率Pwu 的计算表达示为：Pwu=Q（2（E/N0）-1） （4）

在（4）关系式中，E 表示的是单位比特信号能量均值；N0 表示噪音初始密度。处理表达式（4），对于误码率Pwu值在固定情况下，其通信信号获得结果E/N0，表达方式为：

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在此关系式中，c 表示的时光传播速度；Pi 表示的是卫星i 发射信息号的功率对应值；Gr 表示的是接收信号产生的增益；dih 表示通信进行期间卫星i、h 形成的通信间隔距离；k 对应的时皮尔兹曼常数；T 表示信号接收端口运行时的噪音温度。

结合关系式（5）、（6），进行关系式转化，能够获取信息位通信数据传输速率的测算方式：

以初始轨道面卫星为仿真实例，测算M11 卫星与相同轨道中任意卫星之间的间隔。相同轨道的一组卫星，具有升交点赤经一致的特点。此时ΔΩ 取值为零，结合关系式（10）、（11）的计算方法，能够获取cosx=cos（ui-uh）计算结果。同时，在关系式（13）的计算条件下，基于相同轨道卫星运转方向相同的思想，能够获取相位差值为固定数，即ui-uh 结果为固定值。在时间作用下，俩卫星间距发生浮动，借助星历参数取值形式，使用关系式（8）进行计算，能够获取M11 与其他卫星的间距，比如M11-M12=21351.61 千米，M11-M13=39455.56 千米，M11-M14=51523.12 千米等。

Y=6.47628+2.74429X1+0.02565X2+0.03299X3-0.21197X5-0.27737X6

3.2 测算星距

对于ih 导航卫星的延长线，会汇集形成地心角x，则间距表达式为：

在关系式中，li、lh 对应的是地心与卫星间距。

医学生无论在校学习期间还是将来成为医生，由于需要频繁接触各种死亡案例，因此会频繁地处于死亡凸显状态。 基于医学生群体这一特殊性，研究死亡凸显状态下的医学生具有更强的现实意义。

经上述计算，能够确定星间距离计算表达式为

在此关系式中的变量表达式为：

通过椎角逸出的等离子(氦离子、电子等)进入强磁场发生遍转，分别打在正、负极板上、接通外电路，行成电流。这叫磁流体发电。

在关系式（11）中，λ 表示的是轨道间形成的倾斜角；△Ω 表示的是两个卫星交汇位置赤经参数的差值；ui、uh 对应的是两个卫星的所在相位。

在关系式中，a 表示卫星的轴长度、e 对应的是卫星离心率，M 表示卫星真近点角。地心角x 由卫星ih 所形成，其计算表达式为：

在星间链路进行通信传输时，通信传输信号E/N0 的计算表达方式为：

洪泽湖现状汛限水位为12.50 m（废黄河高程，下同），警戒水位13.50 m，设计洪水位 16.0 m，校核洪水位17.0 m。其洪水调度按照2008年国家防汛抗旱总指挥部批复的淮河洪水调度方案（国汛〔2008〕8号）执行，在汛期预报淮河上中游发生较大洪水时洪泽湖应提前预泄，尽可能降低湖水位；根据不同洪泽湖水位，相应利用淮河入江水道、入海水道、分淮入沂、苏北灌溉总渠及废黄河行洪。

3.3 通信速控

在关系式（11）中，在时间浮动情况下，两个卫星相位ui、uh有所改变。卫星间距是以时间为基础的变量，针对固定搭配卫星间的链路通信，在时间作用下，会产生差异性的卫星间距。在特定卫星与其他各类卫星进行通信链路时，引起目标星的差异性，同时改变了星间距。因此，在星间完成信息通信时，设定通信速率取值的固定性，应结合间距最大、E/N0 取值不佳的因素，予以考量。

结合北斗卫星内部接入位置的控制信息，此类参数的具体取值，在卫星信号发送的星历中可查获。此类广播星历，同样可视为星间通信形式，或者是节选星间传输。如此可知：每颗卫星与各自星历相互匹配，在星间通信中，能够准确捕获目标卫星的星历信息；同时结合关系式（12）的计算方法，求得卫星间距。

然而，在进行近距离卫星链路时，信号空间压缩的情况下，接收信号品质优异。如若使用通信速率不佳的方案，将会引起传输资源产生浪费事件。以通信品质为出发点，开展信号传输、卫星间距之间关系的分析与研究，尝试以星历为节点，开展通信速控调试，以期顺应星间传输属性的浮动需求[4]。

在研究期间，应保障信号接收端，能够准确获取信号速率浮动变化，提升解调信息准确性，在有效数据传输前期，完成速率指示位植入。在信号接收方能够获取速率指示时，方可结合信号传输速率，有序调试数据帧。

4 仿真分析

4.1 构建北斗星座模型

北斗卫星在进行全球组网建设时，其空间星座要素具体包括：GEO 卫星×3，IGSO 卫星×3，MEO 卫星×24。与此同时，在轨道备份卫星上完成视情部署。GEO 卫星的轨道整体高度约为35711千米，节点含有三个位置，其一为东经80 度，其二为东经110 度，其三为东经140 度。IGSO 卫星轨道的整体高度约为35815 千米。轨道之间夹角为55 度。MEO 卫星轨道的整体高度约为21516 千米，轨道间夹角同样为55 度。回归周期为一星期，能够完成13 圈转移，相位选择方式以 Walk-er24/3/1 星座为主。初始轨道面上升形成的交汇点赤经参数为零。结合星座设计结果，MEO 卫星24 颗的数量，在星座卫星整体中占据4/5。作为导航星座，能够为全球组网提供通信服务。因此，在进行仿真计算时，以MEO 卫星为基础。

4.2 相同轨道星间通信仿真模拟

图1：M11 与异轨各卫星的通信传输情况

在关系式（7）中，Pi 对应的是发射机运行功率值，Gi 表示发射信号时产生的增加收益，Gr 表示信号接收时形成的增加收益，f 对应的是信号发射时的频率，T 表示信号接收端噪音形成的设备温度，此类参数可在事前逐一测定。因此，针对误码率的测算需求Pwu，应提前获取星间距离，方可完成通信速率R 的准确计算[3]。

由于M11、M15 两个卫星处于被地球遮挡的位置，难以完成直视，两个卫星间距的计算可忽略。同时，M18 与M12 位置相对应，M17 与M13 位置相对应，M16 与M14 位置相对应，可直接获取相应星距值，减少计算重复问题[5]。以M11 对应M12~M14 的距离为基础，结合公式（7）进行通信速率计算。在计算期间，各参数取值为：传输误码率Pwu=10-6，通信频率f=30GHz，发射功率Pi=20dBW，发射天线增益Gi=25.5dB，接收天线增益Gr=20dB，接收端噪音温度T=300K。赋值运算公式（7），获取M11-M12 的星间通信传输速率为51.52Kbit/s，M11-M13 的星间通信传输速率为12.13Kbit/s，M11-M14 的星间通信传输速率为10.8Kbit/s。

4.3 不同轨道星间通信模拟分析

北斗MEO 卫星并未在相同轨道面上，异轨卫星间隔作为时间变量，此变量可运算公式（12）获得。以M11 卫星、第二轨道卫星间距的计算为视角。计算发现：星距间隔最大值为55518 千米，是M11 与M22 之间的链路长度，星距间隔最小值为21411 千米，是M11 与M20 之间的链路长度。

以同轨面公式（7）的赋值形式为参考，误码率Pwu=10-6为固定值，结合公式（7）测算获得星间通信速率，测算结果通信速率最大值为51.3Kbit/s，通信速率最小值为7.8Kbit/s。以M11-M25 的通信传输为例，设定5Kbit/s 作为阶梯离散处理单元，完成量化处理，提升计算便利性。

4.4 分析星间传输能力

对于同轨、异轨通信传输速度开展对比分析，应侧重分析相同轨道卫星传输项目。使用固定速率进行通信传输时，通信速率计算结果，能够顺应链路长度最大值的情况，即M11-M14 卫星间隔链路。此时的通信传输速率为10.8Kbit/s。使用通信速控方式，对各卫星通信速率加以配置，传输效率可有效提升至少8.7 倍。

针对异面轨道卫星间隔信息传输的情况，可采取效能分析形式。设定通信速率为Rihb（t），在使用速率进行计算时，应以最大传输距离为首要考量因素，此时通信传输速率为最小值，即Rihb（t）min，在通信传输周期范围T 内，通信传输速率的计算方法为：

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以M11 与M21 两个卫星间隔链路为视角，开展通信能力分析。在通信速率不变时，最小值为10.8Kbit/s。结合关系式（14）的定量分析形式，能够计算获得传输速率值为2.13。依据此种分析方式，可获取各卫星链路的通信能力，如图1 所示。

由图1 可知：在使用通信速控方法后，显著提升了M11 与各异轨之间的通信传输能力，通信传输最小值增涨了1.43 倍、通信传输最大值增涨了8.3 倍。结合相同轨道、异面轨道的通信传输情况观之，M11 卫星在链路其他卫星时，可使用固定速率，考量最大链路长度，即M11-M22=55518 千米，此时通信传输速率最小=7.62Kbit/s。在使用通信速控方法后，此最大通信传输速率值增长至51.53Kbit/s，通信效能至少增涨了1.93 倍。

4.5 仿真讨论

北斗导航信息传输的速控方法，是借助北斗卫星存储的电文信息，进行信道动态变化评估，形成了实时控制方案。以星间信号传输速率为基础，进行动态调控时，能够显著卫星之间的通信传输能力，由此说明：

GC-MS分析方法步骤如下：将475 mL水样加入1000 mL分液漏斗中，测定pH值为6.5～7.0，加入50 mL二氯甲烷，振荡萃取5 min，静置10 min，将有机层收集到烧瓶中。分别用硫酸和10 mol/L氢氧化钠溶液调节水样pH值为1.5和10，使用50 mL二氯甲烷依次进行酸性和碱性条件下的萃取，振荡5 min，静置10 min，合并所有萃取液，经无水Na2SO4除水后取1 mL加入进样瓶中上机进样分析。

（1）星间信息传输连接而成的链路，具有时变可能性，在使用通信速率参数固定时，能够引起传输资源的重复使用，不利于节约通信资源。

（2）在导航卫星自身资源获得充分分析时，能够保障用户的通信品质，有效提升星间传输速率。使用传输速控方法，传输速率至少提升1.93 倍。

（3）结合北斗导航星座的运行特点，可在其他导航系统中进行同类研究。在研究期间，应简化分析程序，关注方法设计思路的清晰性。

微信群是一个即时的交流平台，在群中可以发文字、视频和音频，实现良好的交流效果。建构主义认为，交流可以实现意义的建构，交流是为了检验交流的目的是为了检验或确证自我观点,获得某种认同。社会建构主义坚信,意义的建构是学习者/参与者之间通过对话与交流的协商过程,学习本质上是一种社会性对话/交流的过程，这种对话/交流在知识建构群体或学习共同体中最为有效。Kafai&Resnik(1996)强调在交流的过程中，要以学生为中心，充分发挥学生自主性，教师在整个学习过程中主要充当组织者、指导者和帮助者的角色[4]。

在后续研究中，应以GEO 卫星、IGSO 卫星为方向，探索星间传输速控的有效形式，以期在全网中完成通信传输效率控制的部署，维持人们通信品质的同时，尽可能地提升通信传输速度，以期发挥北斗导航通信技术优势，为通信传输控制、星历高效使用奠定基础。

5 结论

综上所述，结合北斗导航的通信特点，以星历为背景下，开展了星间传输速控的研究与仿真实践，经研究实践发现：同轨面、异轨面的星间链路，存在差异性特点，在传输速控方法的作用下，能够显著提升通信传输能效，使其传输速度是原有传输速率的1.93 倍。