CN103546211A

CN103546211A - 基于时空先验建链信息的空分时分星间链路快速建链方法

Info

Publication number: CN103546211A
Application number: CN201310530827.9A
Authority: CN
Inventors: 杨俊�; 周永彬; 陈建云; 郭熙业; 林金茂; 李献斌
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2013-10-31
Filing date: 2013-10-31
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2033-10-31
Also published as: CN103546211B

Abstract

一种基于时空先验建链信息的空分时分星间链路快速建链方法，其步骤为：（1)计算下一个有效测量通信时隙到达时刻TOA；（2）计算下一个有效测量通信时隙卫星A到卫星B的位置矢量和速度矢量，将速度矢量投影到位置矢量方向获得到达多普勒信息FOA；（3）由卫星A、B预报星历参数，分别计算卫星A、B在下一测量通信时隙相对于地心惯性坐标系的位置，计算下一测量通信时隙卫星A质心到卫星B质心的质心方向矢量；通过换算得到在卫星A天线坐标系下卫星A的天线指向欧拉角，进而建立卫星A、B之间的星间链路。本发明能实现扫描波束天线快速对准与星间链路扩频信号低代价捕获，降低了星间链路星载荷建链时间与复杂度，提高了可靠性。

Description

基于时空先验建链信息的空分时分星间链路快速建链方法

技术领域

本发明主要涉及到卫星网路领域，特指一种空分时分星间链路系统的时空先验建链信息计算方法，适用于基于空分时分多址星间链路系统的卫星编队或星座网络快速建立链路。

背景技术

星间链路的作用主要有两类，即相对测量和星间通信，已广泛应用于导航、通信等领域，如GPS卫星导航系统、Iridium（铱星）通信卫星系统。星间链路可实现卫星编队或卫星星座系统在仅配置少数监测站的情况下通过星间链路的精密测量获得轨道上其它弧段的测量信息，从而达到获得精密轨道参数的能力。

卫星星座星间链路网络是一类特殊复杂的卫星网络，具有典型的扁平化无中心的特征，是一个具有一定数量对等节点的无线网络。星座星间链路网络需要实现在时间约束条件下的多点对多点测量，为完成精密测量功能，卫星系统通过星间链路播发和接收扩频测距信号进行卫星之间的精密测距，扩频信号的捕获是一个伪码和载波二维搜索的过程，搜索范围的大小直接决定信号捕获的快慢程度和实现难度。当星间链路使用无线电测距方法完成精密测距与时间同步时，不同轨道面上的卫星相对运动较大，给测量信号带来较大的多普勒频移，从而增大了信号的捕获范围，给捕获带来了一定的难度，特别是对于星上计算资源受限的情况。目前，基于这种时空关系确定、大动态的星间链路的建链问题尚未解决，各个卫星星座建链时都可不避免地遇到了快速建链的问题。

当星座中任意两颗卫星之间建立测量通信链路时，如果不采用先验知识，根据星间距离和多普勒变化情况，在时间维上需要搜索的范围为[t_min，t_max]（对应最小距离和最大距离的时延），在频率维上搜索的范围为[-f_T·v/c,f_T·v/c]，其中f_T是信号的发射频率，c为光速，v对应最大相对速度。如果信号体制设计的码速率为10.23Mbps，伪码长度为10230，信号的发射频率为20GHz，需要搜索的整个伪码周期，即10230个码片，多普勒范围为±313.3KHz，按照通常半个码片的伪码搜索间隔和1KHz的频率搜索间隔，要搜索的格点数多达12820240，给捕获实现带来较大的难度。对于卫星星座而言，时间同步和精密定轨是星座系统运行的基础，星座中的卫星均处于一个高精度的时空基准中。星间链路系统实时广播星历的精度可以达到米级，钟差达到纳秒级，每颗卫星根据星历可以得到自身和其它卫星的坐标和速度，从而可以估计出测量时刻信号的到达时间和多普勒频率，极大地缩小信号的搜索范围，简化了信号捕获的实现复杂度。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种能实现扫描波束天线快速对准与星间链路扩频信号低代价捕获、大大降低星间链路星载荷建链时间与复杂度、提高可靠性的基于时空先验建链信息的空分时分星间链路快速建链方法。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种基于时空先验建链信息的空分时分星间链路快速建链方法，为星座中任意两颗卫星A、B之间建立星间链路，卫星A作为主星，卫星B作为从星，其步骤为：

（1)：计算下一个有效测量通信时隙到达时刻TOA；利用发射卫星A和接收卫星B的卫星星历信息计算发送时刻为t₁的星间链路信号到达时刻t₂，采用时延迭代估计算法得到t₂估计值

（2）：在计算完成到达时刻TOA的基础上，计算下一个有效测量通信时隙卫星A到卫星B的位置矢量和速度矢量，将速度矢量投影到位置矢量方向获得到达多普勒信息FOA；

（3）：由卫星A、B预报星历参数，分别计算卫星A、B在下一测量通信时隙相对于地心惯性坐标系的位置，计算下一测量通信时隙卫星A质心到卫星B质心的质心方向矢量；经由坐标转换和卫星A天线相位中心与卫星A质心相对关系换算得到在卫星A天线坐标系下卫星A的天线指向欧拉角，进而建立卫星A、B之间的星间链路。

作为本发明的进一步改进：所述步骤（1）的具体步骤为：

（1.1）：根据星历可以得到t₁时刻卫星A在J2000坐标系中的坐标P_A(t₁)；

（1.2）：选取迭代初值t_AB1，其中0≤t_AB1≤t_max，根据星历计算t₁+t_AB1时刻卫星B在J2000坐标系中的坐标P_B(t₁+t_AB1)；

（1.3）：根据P_A(t₁)和P_B(t₁+t_AB1)求解出两点之间的传输延迟，记为t_AB2，

t_{AB 2} = \frac{| P_{B} (t_{1} + t_{AB 1}) - P_{A} (t_{1}) |}{c};

（1.4）：设置收敛门限t_P，令t′_AB=t_AB2-t_AB1，如果t_A′_B≤t_P，则退出迭代，得到

否则令t_AB1=t_AB2，重复上述步骤（1.2）、（1.3）及步骤（1.4）。

作为本发明的进一步改进：所述步骤（2）的具体步骤为：

（2.1）：根据到达时刻TOA迭代算法获得到达时刻估计值

（2.2）：计算出t₁时刻卫星A的坐标P_A(t₁)和时刻卫星B的坐标

（2.3）：计算卫星A到卫星B的位置矢量P_AB(t₁)：

P_{AB} (t_{1}) = P_{B} ({\hat{t}}_{2}) - P_{A} (t_{1}) - = [\begin{matrix} x_{AB} (t_{1}) \\ y_{AB} (t_{1}) \\ z_{AB} (t_{1}) \end{matrix}] = [\begin{matrix} x_{B} ({\hat{t}}_{2}) - x_{A} (t_{1}) \\ y_{B} ({\hat{t}}_{2}) - y_{A} (t_{1}) \\ z_{B} ({\hat{t}}_{2}) - z_{A} (t_{1}) \end{matrix}];

（2.4）：利用卫星星历计算出t₁时刻卫星A的速度

和时刻卫星B的速度

（2.5）：计算卫星A到卫星B的速度矢量：

{\overset{\cdot}{P}}_{AB} (t_{1}) = {\overset{\cdot}{P}}_{B} ({\hat{t}}_{2}) - {\overset{\cdot}{P}}_{A} (t_{1}) = [\begin{matrix} {\overset{\cdot}{x}}_{AB} (t_{1}) \\ {\overset{\cdot}{y}}_{AB} (t_{1}) \\ {\overset{\cdot}{z}}_{AB} (t_{1}) \end{matrix}] = [\begin{matrix} {\overset{\cdot}{x}}_{B} ({\hat{t}}_{2}) - {\overset{\cdot}{x}}_{A} (t_{1}) \\ {\overset{\cdot}{y}}_{B} ({\hat{t}}_{2}) - {\overset{\cdot}{y}}_{A} (t_{1}) \\ {\overset{\cdot}{z}}_{B} ({\hat{t}}_{2}) - {\overset{\cdot}{z}}_{A} (t_{1}) \end{matrix}];

（2.6）：计算速度矢量

与位置矢量P_AB(t₁)的夹角为：

θ = \cos^{- 1} \frac{x_{AB} (t_{1}) \cdot {\overset{\cdot}{x}}_{AB} (t_{1}) + y_{AB} (t_{1}) \cdot {\overset{\cdot}{y}}_{AB} (t_{1}) + z_{AB} (t_{1}) \cdot {\overset{\cdot}{z}}_{AB} (t_{1})}{\sqrt{x_{AB}^{2} (t_{1}) + y_{AB}^{2} (t_{1}) + z_{AB}^{2} (t_{1})} \sqrt{{\overset{\cdot}{x}}_{AB}^{2} (t_{1}) + {\overset{\cdot}{y}}_{AB}^{2} (t_{1}) + {\overset{\cdot}{z}}_{AB}^{2} (t_{1})}};

（2.7）：将速度矢量

按照夹角θ方向投影到位置矢量P_AB(t₁)方向上，得到卫星A和卫星B的相对速度：

\overset{&RightArrow;}{v} = \frac{x_{AB} (t_{1}) \cdot {\overset{\cdot}{x}}_{AB} (t_{1}) + y_{AB} (t_{1}) \cdot {\overset{\cdot}{y}}_{AB} (t_{1}) + z_{AB} (t_{1}) \cdot {\overset{\cdot}{z}}_{AB} (t_{1})}{\sqrt{x_{AB}^{2} (t_{1}) + y_{AB}^{2} (t_{1}) + z_{AB}^{2} (t_{1})}};

（2.8）：计算到达频率FOA：

作为本发明的进一步改进：所述步骤（3）的具体步骤为：

（3.1）：进行初始化和相关参数配置，如天线相对卫星的安装位置与姿态；

（3.2）：读入卫星A预报星历参数，计算卫星A在下一测量通信时隙相对于地心惯性坐标系的位置；

（3.3）：读入卫星B预报星历参数，计算卫星B在下一测量通信时隙相对于地心惯性坐标系的位置；

（3.4）：计算下一测量通信时隙，在地心惯性坐标系下，卫星A质心到卫星B质心的质心方向矢量，包括距离大小和方向欧拉角；

（3.5）：依据卫星姿态、质心方向矢量以及天线安装位置，将地心惯性坐标系下的质心方向矢量欧拉角，转换为卫星A本体坐标系下的天线指向欧拉角；

（3.6）：读入卫星A配置的天线安装姿态信息；

（3.7）：将卫星A本体坐标系下的天线指向欧拉角，转换为天线坐标系下的天线指向欧拉角；

（3.8）：输出天线指向欧拉角。

作为本发明的进一步改进：所述步骤（3.5）的具体步骤为：

（3.5.1）：读入卫星A轨道的六个轨道根数；

（3.5.2）：将在地心惯性坐标系（X,Y,Z）下的卫星质心方向矢量欧拉角转换到在卫星A运动坐标系（Xr,Yr,Zr）下的卫星质心方向矢量欧拉角；

（3.5.3）：从卫星A惯导系统或其星敏感器，读入卫星A姿态；

（3.5.4）：将在卫星A运动坐标系（Xr,Yr,Zr）下的卫星质心方向矢量欧拉角转换到在卫星A本体坐标系（Xs,Ys,Zs）下的卫星质心方向矢量欧拉角；

（3.5.5）：读入卫星A配置的天线安装位置信息；

（3.5.6）：确定相位中心在卫星A本体坐标系（Xs,Ys,Zs）下的位置坐标；

（3.5.7）：读入步骤4卫星质心方向矢量的大小，即卫星相对距离大小；

（3.5.8）：在卫星A本体坐标系（Xs,Ys,Zs）下，依据（3.5.4）得卫星质心方向矢量欧拉角、（3.5.6）得天线相位中心坐标以及（3.5.7）读入卫星相对距离，解在卫星A本体坐标系下的天线对准方向。

与现有技术相比，本发明的优点就在于：本发明的方法利用卫星轨道根数或星历信息对星间链路信号到达时刻TOA、到达多普勒FOA、到达方位DOA进行迭代计算，可用于基于空分时分多址星间链路系统的导航卫星星座组网快速建立链路，能实现扫描波束天线快速对准与星间链路扩频信号低代价捕获、大大降低星间链路星载荷建链时间与复杂度、提高可靠性。

附图说明

图1是本发明在具体应用实例中建链时空关系示意图。

图2是本发明在具体应用实例中到达时刻TOA的算法流程示意图。

图3是本发明在具体应用实例中TOA迭代算法关系示意图。

图4是本发明在具体应用实例中到达频率FOA的算法流程示意图。

图5是本发明在具体应用实例中到达方位DOA的算法流程示意图。

图6是本发明在具体应用实例中卫星质心矢量方向到天线对准方向换算流程示意图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例和说明书附图对本发明做进一步详细说明。

本发明主要应用于空分时分多址星间链路系统中，其依据卫星预报星历参数、卫星姿态、天线安装位置等计算卫星相对于天线坐标系的天线波束指向在下一个有效测量通信时隙的到达时刻TOA、到达多普勒FOA、到达方位DOA，以满足空分时分多址链路在空域、时域、频域三维快速搜索需求。某频段星间链路的传统捕获方法搜索格点数为12820240，按照每个格点1ms搜索时间，同时设置128个并行相关通道，则平均捕获时间大于100s。通过利用卫星轨道根数或星历信息对星间链路信号到达时刻TOA、到达多普勒FOA、到达方位DOA进行迭代计算，DOA搜索已经小于半个码片的宽度，FOA搜索小于一个积分周期，本发明实现了可扫描波束天线快速对准与星间链路扩频信号低代价捕获，捕获时间降为10ms，消耗硬件资源为原有的1%，大大降低星间链路载荷建链时间与复杂度。

本发明基于时空先验建链信息的空分时分星间链路快速建链方法的具体步骤为:

步骤1：计算下一个有效测量通信时隙到达时刻TOA；

利用发射卫星A和接收卫星B的卫星星历信息计算发送时刻为t₁的星间链路信号到达时刻t₂，采用一种根据星间相对运动特点的时延迭代估计算法得到t₂估计值

这样，就可以避免超越方程求解，该方法DOA参数计算精度可达微秒量级；

步骤2：在计算完成到达时刻TOA的基础上，计算下一个有效测量通信时隙卫星A到卫星B的位置矢量和速度矢量，将速度矢量投影到位置矢量方向获得到达多普勒（FOA）信息；

步骤3：由卫星A、B预报星历参数，分别计算卫星A、B在下一测量通信时隙相对于地心惯性坐标系的位置，计算下一测量通信时隙卫星A质心到卫星B质心的质心方向矢量，经由坐标转换和卫星A天线相位中心与卫星A质心相对关系换算得到在卫星A天线坐标系下卫星A的天线指向欧拉角，进而建立卫星A、B之间的星间链路。

如图1所示，在具体应用实例中，空分时分多址星间链路系统的建链时空关系示意图，为星座中任意两颗卫星A、B之间建立星间链路，卫星A作为主星，卫星B作为从星，一个收发时隙为T秒，t₁时刻卫星A发出信号，信号的发射频率为f_T，t₂时刻信号到达卫星B，传输时延记为t_AB，接收信号的频率为f_R。在建链过程中，捕获初始信息的估计就是对星间链路信号到达时刻TOA（传输时延t_AB）、到达频率FOA（频率f_R）、到达方位DOA进行估计。

如图2所示，为本发明中空分时分多址星间链路系统到达时刻TOA算法的流程示意图。本发明根据星间相对运动特点采用了一种基于迭代运算的时延估计算法，以避免求解卫星坐标量时涉及到大量三角函数和超越方程的求解，增加了星上处理器可靠性和减少了计算资源。该到达时刻TOA迭代运算的算法步骤为：

步骤1.1：根据星历可以得到t₁时刻卫星A在J2000坐标系中的坐标P_A(t₁)；

步骤1.2：选取迭代初值t_AB1，其中0≤t_AB1≤t_max，根据星历计算t₁+t_AB1时刻卫星B在J2000坐标系中的坐标P_B(t₁+t_AB1)；

步骤1.3：根据P_A(t₁)和P_B(t₁+t_AB1)求解出两点之间的传输延迟，记为t_AB2，

t_{AB 2} = \frac{| P_{B} (t_{1} + t_{AB 1}) - P_{A} (t_{1}) |}{c};

步骤1.4：设置收敛门限t_P，令t′_AB=t_AB2-t_AB1，如果t_A′_B≤t_P，则退出迭代，得到否则令t_AB1=t_AB2，重复上述步骤2、3及步骤4。

如图3所示，为空分时分多址星间链路系统TOA迭代算法的关系示意图。假设根据MEO星座特点两颗卫星之间距离范围为5000km-70000km，传输时延范围为0.017s—0.23s，两颗卫星的相对速度最大为4.5km/s。图中卫星A在t₁时刻发出信号，假设在t₁+0.23时刻被卫星B接收到，即图中的P₄位置为求解真值。第一次迭代使用迭代初始值0.12s，计算出卫星B在t₁+0.12时刻的位置为P₂，根据星座拓扑关系，两颗卫星的相对速度最大为4.5km/s，则此时计算出的卫星B的位置距离真值P₄不大于495米，换算成时间为1.65us，则更新得到的t_B1的范围为0.22999835<t_B1<0.23。第二次迭代计算出卫星B在t₁+t_B1时刻的位置为P₃，P₃距离真值的距离最大为0.007425m，换算成时间为2.475e^-11s，则到达时刻TOA可满足很高的误差要求。

如图4所示，为本发明中空分时分多址星间链路系统到达频率FOA算法流程图，其算法步骤为：

步骤2.1：根据到达时刻TOA迭代算法获得到达时刻估计值

步骤2.2：计算出t₁时刻卫星A的坐标P_A(t₁)和时刻卫星B的坐标

步骤2.3：计算卫星A到卫星B的位置矢量P_AB(t₁)

P_{AB} (t_{1}) = P_{B} ({\hat{t}}_{2}) - P_{A} (t_{1}) - = [\begin{matrix} x_{AB} (t_{1}) \\ y_{AB} (t_{1}) \\ z_{AB} (t_{1}) \end{matrix}] = [\begin{matrix} x_{B} ({\hat{t}}_{2}) - x_{A} (t_{1}) \\ y_{B} ({\hat{t}}_{2}) - y_{A} (t_{1}) \\ z_{B} ({\hat{t}}_{2}) - z_{A} (t_{1}) \end{matrix}];

步骤2.4：利用卫星星历计算出t₁时刻卫星A的速度

和

时刻卫星B的速度

步骤2.5：计算卫星A到卫星B的速度矢量

{\overset{\cdot}{P}}_{AB} (t_{1}) = {\overset{\cdot}{P}}_{B} ({\hat{t}}_{2}) - {\overset{\cdot}{P}}_{A} (t_{1}) = [\begin{matrix} {\overset{\cdot}{x}}_{AB} (t_{1}) \\ {\overset{\cdot}{y}}_{AB} (t_{1}) \\ {\overset{\cdot}{z}}_{AB} (t_{1}) \end{matrix}] = [\begin{matrix} {\overset{\cdot}{x}}_{B} ({\hat{t}}_{2}) - {\overset{\cdot}{x}}_{A} (t_{1}) \\ {\overset{\cdot}{y}}_{B} ({\hat{t}}_{2}) - {\overset{\cdot}{y}}_{A} (t_{1}) \\ {\overset{\cdot}{z}}_{B} ({\hat{t}}_{2}) - {\overset{\cdot}{z}}_{A} (t_{1}) \end{matrix}];

步骤2.6：计算速度矢量

与位置矢量P_AB(t₁)的夹角为

θ = \cos^{- 1} \frac{x_{AB} (t_{1}) \cdot {\overset{\cdot}{x}}_{AB} (t_{1}) + y_{AB} (t_{1}) \cdot {\overset{\cdot}{y}}_{AB} (t_{1}) + z_{AB} (t_{1}) \cdot {\overset{\cdot}{z}}_{AB} (t_{1})}{\sqrt{x_{AB}^{2} (t_{1}) + y_{AB}^{2} (t_{1}) + z_{AB}^{2} (t_{1})} \sqrt{{\overset{\cdot}{x}}_{AB}^{2} (t_{1}) + {\overset{\cdot}{y}}_{AB}^{2} (t_{1}) + {\overset{\cdot}{z}}_{AB}^{2} (t_{1})}};

步骤2.7：将速度矢量

按照夹角θ方向投影到位置矢量P_AB(t₁)方向上，得到卫星A和卫星B的相对速度

\overset{&RightArrow;}{v} = \frac{x_{AB} (t_{1}) \cdot {\overset{\cdot}{x}}_{AB} (t_{1}) + y_{AB} (t_{1}) \cdot {\overset{\cdot}{y}}_{AB} (t_{1}) + z_{AB} (t_{1}) \cdot {\overset{\cdot}{z}}_{AB} (t_{1})}{\sqrt{x_{AB}^{2} (t_{1}) + y_{AB}^{2} (t_{1}) + z_{AB}^{2} (t_{1})}};

步骤2.8：计算到达频率FOA：

如图5所示，为本发明中空分时分多址星间链路系统到达方位DOA算法流程图，算法涉及的四个坐标系统（均为右手直角坐标系）定义为：地心惯性（ECI）坐标系（X,Y,Z）：原点为地球质心O，X轴指向春分点，Z轴为指向北极的地球自转轴，X、Y和Z三轴一起构成右手直角坐标系；卫星运动坐标系（Xr,Yr,Zr）：原点为卫星质心Or，Yr轴为卫星轨道正法线方向，Zr轴在地心与卫星质心连线上且背离地心方向，Xr、Yr与Zr轴构成右手坐标系；卫星本体坐标系（Xs,Ys,Zs）：原点为卫星质心Os，Xs、Ys及Zs轴固连于星体上，分别与卫星本体的惯性主轴方向一致；天线坐标系（Xa,Ya,Za）：原点为卫星天线相控阵中心Oa，XaOaYa面在天线平面内，Za轴为卫星天线法向，Xa、Oa与Ya轴构成右手坐标系。算法步骤为：

步骤3.1：进行初始化和相关参数配置，如天线相对卫星的安装位置与姿态；

步骤3.2：读入卫星A预报星历参数，计算卫星A在下一测量通信时隙相对于地心惯性坐标系的位置；

步骤3.3：读入卫星B预报星历参数，计算卫星B在下一测量通信时隙相对于地心惯性坐标系的位置；

步骤3.4：计算下一测量通信时隙，在地心惯性坐标系下，卫星A质心到卫星B质心的质心方向矢量，包括距离大小和方向欧拉角；

步骤3.5：依据卫星姿态、质心方向矢量以及天线安装位置，将地心惯性坐标系下的质心方向矢量欧拉角，转换为卫星A本体坐标系下的天线指向欧拉角；卫星质心矢量方向转换为天线对准方向的具体流程如图6所示，其步骤包括：

3.5.1：读入卫星A轨道的六个轨道根数；

3.5.2：将在地心惯性坐标系（X,Y,Z）下的卫星质心方向矢量欧拉角转换到在卫星A运动坐标系（Xr,Yr,Zr）下的卫星质心方向矢量欧拉角；

3.5.3：从卫星A惯导系统或其星敏感器，读入卫星A姿态；

3.5.4：将在卫星A运动坐标系（Xr,Yr,Zr）下的卫星质心方向矢量欧拉角转换到在卫星A本体坐标系（Xs,Ys,Zs）下的卫星质心方向矢量欧拉角；

3.5.5：读入卫星A配置的天线安装位置信息；

3.5.6：确定相位中心在卫星A本体坐标系（Xs,Ys,Zs）下的位置坐标；

3.5.7：读入步骤4卫星质心方向矢量的大小，即卫星相对距离大小；

3.5.8：在卫星A本体坐标系（Xs,Ys,Zs）下，依据第四步得卫星质心方向矢量欧拉角、第六步得天线相位中心坐标以及第七步读入卫星相对距离，解在卫星A本体坐标系下的天线对准方向。

3.6：读入卫星A配置的天线安装姿态信息；

3.7：将卫星A本体坐标系下的天线指向欧拉角，转换为天线坐标系下的天线指向欧拉角；

3.8：输出天线指向欧拉角。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。