CN113595615B - 一种多星星间通信测距的实现方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多星星间通信测距的实现方法及系统，用于在高轨和深空轨道卫星编队飞行时同时进行星间通信和测距，卫星间采用主从式组网，包括一颗主星和多颗子星，子星之间没有通信链路，主星和子星间采用频分复用通信方式；该方法包括：主星和各子星均进行本地帧同步检测，经组包调制后发送帧同步状态给对方星；主星和各子星解调接收帧同步状态，经组包调制后发送握手成功状态给对方星；主星并行发起测距，分别将发起测距状态和伪距结果经组包调制后依次发给握手成功的子星；握手成功的子星检测到主星发起测距后，自身发起测距，并将发起测距状态和伪距结果经组包调制后发给主星；主星和子星根据自身的伪距和收到的伪距分别解算两星间的距离。

Description

一种多星星间通信测距的实现方法及系统

技术领域

本发明涉及航空、航天通信和测量技术领域，特别涉及一种多星星间通信测距的实现方法及系统。

背景技术

卫星编队飞行进行分布式探测是近年来兴起并受到国内外航天界普遍关注的一个新的研究领域，而星间基线测量技术是保证编队飞行星座系统功能实现的重要基础，是其中一项关键技术和研究热点。

星间基线测量可行方案包括无线电和光学测量两种方法。无线电测量的主要方法分为基于GNSS(Global Navigation Satellite System)的测量方法、基于光学视觉测角结合无线电测距的方案和纯无线电的基线测量方案。采用GPS(Global Positioning System)接收机无疑是一种简易方法，但是需要依赖于GPS导航卫星系统，在GNSS信号无法覆盖的高轨或者月球轨道或深空轨道，并不适用。主动无线电测量技术主要是由测量设备主动发射、接收射频信号，根据无线电信号的单向或双向时延特性进行测量。主动式星间无线电测量主要适用于几公里范围到百公里范围内的基线测量。

星间链路采用DOWR(Dual One Way Ranging,双向单程伪距测量)体制进行双向测距，DOWR测距系统的原理，如图1所示：进行时间比对的两个卫星同一个定时时刻，相互发送时间标志，为了清晰地表达原理，该时间标志用脉冲表示。卫星1发送定时信号，该定时信号带着发送时刻的时间戳，从该定时信号发送时刻开始，直到卫星2接收来自1的定时信号结束，测量的时间间隔为T₁，因为卫星2并不知道两颗星的时间差，所以该时间间隔为伪时间间隔，或称为伪距，该伪距包含两星间的时间差Δt。同理，反向时间间隔为T₂。t_t1，t_r1，t_t2，t_r2分别对应两个卫星的发射接收设备时延，天线之间的信号传播时延为τ，可以得到下述测量公式：

T₁＝t_t1+τ+t_r2+Δt (1)

T₂＝t_t2+τ+t_r1-Δt (2)

对两个测量公式进行分离，可以解方程得到两星之间的钟差和距离：

在DOWR系统中，式(1)(2)称为测量方程，式(3)(4)称为分离方程。

上述方程中四个发射接收设备时延未知数，t_t1，t_r1，t_t2，t_r2可以通过地面标定的方法标定出来，这样就可以得到最终解算得到时差和距离。

目前国内外均有基于双向单程伪距的设计，存在组网扩展性差、灵活性不高的问题。

发明内容

现有技术存在组网扩展性差、灵活性不高的问题，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提出一种多星星间通信测距的实现方法及系统。

为了实现上述目的，本发明提出了一种多星星间通信测距的实现方法，用于在高轨和深空轨道卫星编队飞行时同时进行星间通信和测距，卫星之间采用主从式的组网方式，包括一颗主星和多颗子星，子星之间没有通信链路，主星和多颗子星之间采用频分复用通信方式；所述方法包括：

主星和各子星均进行本地帧同步检测，经组包调制后发送帧同步状态给对方星；

主星和各子星解调接收帧同步状态，经组包调制后发送握手成功状态给对方星；

主星并行发起测距，分别将发起测距状态和伪距结果经组包调制后依次发给握手成功的子星；

握手成功的子星检测到主星发起测距后，自身发起测距，并将发起测距状态和伪距结果经组包调制后发给主星；

主星和子星根据自身的伪距和收到的伪距分别解算两星间的距离。

作为上述方法的一种改进，所述主星和每个子星之间包括前向链路和反向链路，其中，所述前向链路，用于主星通过广播方式发送星间数据包至子星，所述反向链路，用于子星以点对点方式发送星间数据包至主星；其中，主星与子星之间互传的星间数据包包括：帧计数、本地伪距结果、本地温度、本地通信状态、控制信息和其他数据；其中，本地通信状态包括帧同步状态、握手成功状态和发起测距状态；前向链路和反向链路为非对称链路，前向链路和反向链路的通信速率相同或不同，通信速率不同时，反向链路的通信速率是前向链路速率的2ⁿ，n为大于1的整数；接收帧计数初始为0，当接收到帧同步状态后开始计数；主星在前向链路传递的控制信息根据发送帧计数的低计数位进行码分，低计数位的位数根据子星数量确定，第x帧控制信息为主星发送至第x个子星的控制信息；子星对于接收到的数据包根据帧号的低计数位进行识别，得到主星发送给自己的数据。

作为上述方法的一种改进，所述主星并行发起测距，分别将发起测距状态和伪距结果经组包调制后依次发给握手成功的子星；具体包括：

主星并行进行测距，对每个握手成功的子星均进行以下步骤：

在主星发送帧的第0比特第0相位时刻获取此时的发送帧计数、发送比特计数和发送相位计数，以及接收帧计数、接收比特计数和接收相位计数；

由发送帧计数、发送比特计数和发送相位计数组成第一无符号数；

由接收帧计数、接收比特计数和接收相位计数组成第二无符号数；

由第一无符号数减去第二无符号数，再加上解调NCO的比特和相位的变化量，得到的有符号数为主星与第x个子星的伪距T1_x；

主星将发起测距状态和伪距T1_x经组包调制后发给握手成功的子星。

作为上述方法的一种改进，主星并行进行测距时，主星对每个子星的解调工作的时钟保持一致，主星和子星发起测距时，支持不同时进行。

作为上述方法的一种改进，所述伪距T1_x按照伪距数据格式组帧，具体包括：1比特的符号位、12比特的帧计数、11比特的比特计数和16比特的内相位。

作为上述方法的一种改进，所述握手成功的子星检测到主星发起测距后，自身发起测距，并将发起测距状态和伪距结果经组包调制后发给主星；具体包括：

由本地发送帧计数、比特计数和相位计数组成第三无符号数；

由接收帧计数、接收比特计数和接收相位计数组成第四无符号数；

由第三无符号数减去第四无符号数，再加上解调NCO的比特和相位的变化量，得到的有符号数为第x个子星与主星的伪距T2_x；

第x个子星将发起测距状态和伪距T2_x组包调制发给主星。

作为上述方法的一种改进，所述主星和子星根据自身的伪距和收到的伪距分别解算两星间的距离；具体包括：

主星将与第x个子星伪距T1_x和接收到的第x个子星的伪距T2_x相加除2，再乘以光速得到两星间的距离；

第x个子星将与主星的伪距T2_x与接收到的主星与自己的伪距T1_x相加除2，再乘以光速得到两星间的距离。

作为上述方法的一种改进，主星和子星根据自身的伪距和收到的伪距分别解算两星间的距离之前还包括：当前向链路和反向链路的通信速率不同时，主星和子星的伪距计算均统一在低速率下的帧、比特和相位计数的时间单位上进行，高速率的帧计数、比特计数和相位计数根据通信速率差舍掉低位的计数。

作为上述方法的一种改进，所述频分复用通信方式，在进行调制发送时，中频频点软件可设；在进行接收解调时，中频频点软件可设，用于避开频谱中的干扰频点。

一种多星星间通信测距的实现系统，所述实现系统基于FPGA和嵌入式CPU芯片实现；分别部署在主星和子星，通过CPU的IO管脚的上下拉配置，确认为主星或子星；

所述实现系统包括：帧同步检测模块、握手状态检测模块、测距模块和星间距离解算模块；其中，帧同步检测模块、握手状态检测模块和测距模块均基于FPGA的功能实现，星间距离解算模块基于CPU的功能实现；其中，

所述帧同步检测模块，用于进行本地帧同步检测，生成帧同步状态供CPU读取，并且经组包调制后发送帧同步状态给对方星；

所述握手状态检测模块，用于对接收到的对方星帧同步状态进行判断，生成握手成功状态供CPU读取，并经组包调制后发送给对方星；

所述测距模块，用于发起测距和生成自身伪距计算，寄存后供CPU读取，并且经组包调制后发送给对方星；

所述星间距离解算模块，用于根据自身的伪距和收到的伪距分别解算两星间的距离。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1、本发明的多星星间通信测距的实现方法具有双向握手、通信速率可调、非对称链路、中频频点可调、主从式多星组网、组帧码分等特点，具有扩展性好、灵活度高、可靠性强的优点；

2、本发明的多星星间通信测距的实现方法采用频分复用方式，具有实现简单、成本低的优点。

附图说明

图1是双向单程伪距DOWR星间测距时序原理；

图2是本发明的一种多星星间通信测距的实现方法的组网示意图；

图3是本发明的多星星间通信测距的实现方法中由帧、比特、相位计数组成伪距数据格式；

图4是本发明的多星星间通信测距的实现方法的测距实施流程。

具体实施方式

本发明公开了一种多星星间通信测距的实现方法，用于卫星编队飞行时同时进行星间通信和测距，尤其适用于没有GPS覆盖的高轨和深空轨道。一种多星星间通信测距的实现方法是基于双向单程伪距的原理，采用主从式的组网方式，采用频分复用的复用方式，同时实现一颗主星和多颗子星之间的通信和测距，子星之间没有通信链路。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

实施例1

如图2所示，本申请提出了一种多星星间通信测距的实现方法，用于卫星编队飞行时同时进行星间通信和测距，其特征在于，

1)基于双向单程伪距的原理，采用主从式的组网方式，采用频分复用的复用方式，主星采用广播的方式发送信息给子星、同时接收多颗子星发送过来的信号，能够同时实现一颗主星和多颗子星之间的通信和测距，子星之间没有通信链路；

2)支持不对称的前向链路(主星到子星的无线链路)和反向链路(子星到主星的无线链路)，前向链路用于主星发送控制信息给各子星，反向链路用于子星发送科学数据和状态信息等给主星；

3)主星需要和子星之间建立双向稳定握手后进行再进行测距；

4)支持主星与某一颗或者某几颗子星进行通信测距，提高系统灵活性和可靠性，减少故障星对其他星的影响；

5)星间链路支持多种速率通信，低速率用于远距离通信或者姿态不稳的情况；

6)测距的方法是：在主星发送帧的第0比特第0相位时刻获取此时的发送帧计数、发送比特计数和发送相位计数，以及接收帧计数、接收比特计数和接收相位计数；由发送帧计数、发送比特计数和发送相位计数组成第一无符号数；由接收帧计数、接收比特计数和接收相位计数组成第二无符号数；由第一无符号数减去第二无符号数，再加上解调NCO的比特和相位的变化量，得到的有符号数为主星与第x个子星的伪距T1_x；主星将发起测距状态和伪距T1_x经组包调制后发给握手成功的子星。

由本地发送帧计数、比特计数和相位计数组成第三无符号数；由接收帧计数、接收比特计数和接收相位计数组成第四无符号数；由第三无符号数减去第四无符号数，再加上解调NCO的比特和相位的变化量，得到的有符号数为第x个子星与主星的伪距T2_x；第x个子星将发起测距状态和伪距T2_x组包调制发给主星。主星和子星根据自身的伪距和收到的伪距分别解算两星间的距离；具体包括：

主星将与第x个子星伪距T1_x和接收到的第x个子星的伪距T2_x相加除2，再乘以光速得到两星间的距离；第x个子星将与主星的伪距T2_x与接收到的主星与自己的伪距T1_x相加除2，再乘以光速得到两星间的距离。

7)属于主动式无线电测量，适用于没有GPS覆盖的高轨和深空轨道。

下面对本发明中的多星星间测距实现做进一步的说明。

如图3所示，为本发明的一种多星星间通信测距的实现方法中由帧、比特、相位计数组成伪距数据格式的一个例子。设计的通信系统中一帧由256字节组成，即256*8＝1024比特，所以一帧的比特计数为11比特。帧计数由12比特组成，相位计数由16比特组成；这样由帧比特相位计数组成了一个40位的有符号数，作为星间测量计算的一个基本单元。设计的星间码速率为1.25Mbps，那么1比特代表800ns，800ns除以2再乘以光速表示1比特代表的距离：800ns/2*3e8m/s＝120米。得到本地伪距和对方伪距后就可以用这个公式转换成距离。注意此时的距离还不是真正的距离，这个距离包含了双方的发射机、接收机的发射和接收延迟，还需要通过地面标定把这个初值去掉。

如图4所示，为本发明的一种多星星间通信测距的实现方法的测距实施流程，通信开始后，各星首先检测本地帧同步信号，检测到帧同步有效信号后，发送帧同步状态给对方星；各星接收到对方星的帧同步状态后，握手成功，并发送握手成功状态给对方星；此时，主星主动发起一次测距，并将发起测距状态和伪距结果发给各子星；子星检测到主星发起测距后，子星发起测距，并将发起测距状态和伪距发给主星；此时双方伪距均已测量完成，主星和子星各自解算距离，并给出测距数据有效的标志。

上述过程中的主星和子星之间互传的星间数据包，包含发送帧计数、本地伪距、本地温度、本地通信状态等信息，控制信息以及其他数据。本地通信状态包括帧同步状态、握手状态、发起测距状态，为了少占用资源，主星发送上述信息时需要根据发送帧计数进行码分，比如第0帧发送与子星0之间的伪距和状态信息，第2帧发送与子星2之间的伪距和状态信息；子星侧需要根据帧号识别属于自己的主星侧伪距。

上述过程中的发起测距的方法，是在发送帧的第0比特第0相位的时刻检测一次此时的发送帧计数、接收帧计数、接收比特计数、接收相位计数；后面测距的信息由解调模块的NCO模块的比特和相位变化量得到。

上述过程中的发送帧计数是在识别帧同步后开始计数，未同步前发送帧计数为0；发送帧计数的使能可以通过控制器(CPU)使能，可以避免帧同步短时失锁造成的测距值不准确。

上述过程中的主星在本地同时计算和多个子星的伪距，主星对多个子星的测距检测的时钟和时刻必须是同一个时钟和同一个时刻，这就要求主星对各子星的解调模块的工作时钟一致。

上述过程，支持星间不对称链路，即前向和反向的通信速率不一致，但建议前向和反向的通信速率是2的幂次方，如2倍、4倍、8倍、16倍等。非对称链路的伪距计算时需要统一时间单位，约定在低速率下的帧、比特、相位计数的时间单位上进行计算，高速率的帧比特相位计数根据通信速率差舍掉低位的计数。

实施例2

本发明的实施例2提出了一种多星星间通信测距的实现系统，所述实现系统基于FPGA和嵌入式CPU芯片实现；分别部署在主星和子星，通过CPU的IO管脚的上下拉配置，确认为主星或子星；上述过程中由FPGA和CPU软件完成，FPGA用于实现调制解调、帧同步编解码等功能，CPU实现星间控制、状态判断、测距计算等功能；为了减少软件配置项和成本，主星和子星的FPGA和CPU程序采用统一版本，通过CPU的IO管脚的上下拉配置，确认设备是主星还是子星；FPGA和CPU软件根据CPU IO管脚的状态进入不同的分支进行工作。

具体而言，所述实现系统包括：帧同步检测模块、握手状态检测模块、测距模块和星间距离解算模块；其中，帧同步检测模块、握手状态检测模块和测距模块均基于FPGA的功能实现，星间距离解算模块基于CPU的功能实现；其中，

所述帧同步检测模块，用于进行本地帧同步检测，生成帧同步状态供CPU读取，并且经组包调制后发送帧同步状态给对方星；

所述握手状态检测模块，用于对接收到的对方星帧同步状态进行判断，生成握手成功状态供CPU读取，并经组包调制后发送给对方星；

所述测距模块，用于发起测距和生成自身伪距计算，寄存后供CPU读取，并且经组包调制后发送给对方星；

所述星间距离解算模块，用于根据自身的伪距和收到的伪距分别解算两星间的距离。

实际使用证明本发明的方法具备实现简单、成本低、扩展性好、灵活度高、可靠性强的特点。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种多星星间通信测距的实现方法，用于在高轨和深空轨道卫星编队飞行时同时进行星间通信和测距，卫星之间采用主从式的组网方式，包括一颗主星和多颗子星，子星之间没有通信链路，主星和多颗子星之间采用频分复用通信方式；所述方法包括：

主星和各子星均进行本地帧同步检测，经组包调制后发送帧同步状态给对方星；

主星和各子星解调接收帧同步状态，经组包调制后发送握手成功状态给对方星；

主星并行发起测距，分别将发起测距状态和伪距结果经组包调制后依次发给握手成功的子星；

握手成功的子星检测到主星发起测距后，自身发起测距，并将发起测距状态和伪距结果经组包调制后发给主星；

主星和子星根据自身的伪距和收到的伪距分别解算两星间的距离；

所述主星和每个子星之间包括前向链路和反向链路，其中，所述前向链路，用于主星通过广播方式发送星间数据包至子星，所述反向链路，用于子星以点对点方式发送星间数据包至主星；其中，主星与子星之间互传的星间数据包包括：帧计数、本地伪距结果、本地温度、本地通信状态、控制信息和其他数据；其中，本地通信状态包括帧同步状态、握手成功状态和发起测距状态；前向链路和反向链路为非对称链路，前向链路和反向链路的通信速率相同或不同，通信速率不同时，反向链路的通信速率是前向链路速率的2ⁿ，n为大于1的整数；接收帧计数初始为0，当接收到帧同步状态后开始计数；主星在前向链路传递的控制信息根据发送帧计数的低计数位进行码分，低计数位的位数根据子星数量确定，第x帧控制信息为主星发送至第x个子星的控制信息；子星对于接收到的数据包根据帧计数的低计数位进行识别，得到主星发送给自己的数据。

2.根据权利要求1所述的多星星间通信测距的实现方法，其特征在于，所述主星并行发起测距，分别将发起测距状态和伪距结果经组包调制后依次发给握手成功的子星；包括：

主星并行进行测距，对每个握手成功的子星均进行以下步骤：

在主星发送帧的第0比特第0相位时刻获取此时的发送帧计数、发送比特计数和发送相位计数，以及接收帧计数、接收比特计数和接收相位计数；

由发送帧计数、发送比特计数和发送相位计数组成第一无符号数；

由接收帧计数、接收比特计数和接收相位计数组成第二无符号数；

由第一无符号数减去第二无符号数，再加上解调NCO的比特和相位的变化量，得到的有符号数为主星与第x个子星的伪距T1_x；

主星将发起测距状态和伪距T1_x经组包调制后发给握手成功的子星。

3.根据权利要求2所述的多星星间通信测距的实现方法，其特征在于，主星并行进行测距时，主星对每个子星的解调工作的时钟保持一致，主星和子星发起测距时，支持不同时进行。

4.根据权利要求3所述的多星星间通信测距的实现方法，其特征在于，所述伪距T1_x按照伪距数据格式组帧，包括：1比特的符号位、12比特的帧计数、11比特的比特计数和16比特的内相位。

5.根据权利要求4所述的多星星间通信测距的实现方法，其特征在于，所述握手成功的子星检测到主星发起测距后，自身发起测距，并将发起测距状态和伪距结果经组包调制后发给主星；包括：

由本地发送帧计数、比特计数和相位计数组成第三无符号数；

由接收帧计数、接收比特计数和接收相位计数组成第四无符号数；

由第三无符号数减去第四无符号数，再加上解调NCO的比特和相位的变化量，得到的有符号数为第x个子星与主星的伪距T2_x；

第x个子星将发起测距状态和伪距T2_x组包调制发给主星。

6.根据权利要求5所述的多星星间通信测距的实现方法，其特征在于，所述主星和子星根据自身的伪距和收到的伪距分别解算两星间的距离；包括：

主星将与第x个子星伪距T1_x和接收到的第x个子星的伪距T2_x相加除2，再乘以光速得到两星间的距离；

第x个子星将与主星的伪距T2_x与接收到的主星与自己的伪距T1_x相加除2，再乘以光速得到两星间的距离。

7.根据权利要求6所述的多星星间通信测距的实现方法，其特征在于，主星和子星根据自身的伪距和收到的伪距分别解算两星间的距离之前还包括：当前向链路和反向链路的通信速率不同时，主星和子星的伪距计算均统一在低速率下的帧、比特和相位计数的时间单位上进行，高速率的帧计数、比特计数和相位计数根据通信速率差舍掉低位的计数。

8.根据权利要求1所述的多星星间通信测距的实现方法，其特征在于，所述频分复用通信方式，在进行调制发送时，中频频点软件可设；在进行接收解调时，中频频点软件可设，用于避开频谱中的干扰频点。

9.一种多星星间通信测距的实现系统，其特征在于，所述实现系统基于FPGA和嵌入式CPU芯片实现；分别部署在主星和子星，通过CPU的IO管脚的上下拉配置，确认为主星或子星；

所述实现系统包括：帧同步检测模块、握手状态检测模块、测距模块和星间距离解算模块；其中，帧同步检测模块、握手状态检测模块和测距模块均基于FPGA的功能实现，星间距离解算模块基于CPU的功能实现；其中，

所述帧同步检测模块，用于进行本地帧同步检测，生成帧同步状态供CPU读取，并且经组包调制后发送帧同步状态给对方星；

所述握手状态检测模块，用于对接收到的对方星帧同步状态进行判断，生成握手成功状态供CPU读取，并经组包调制后发送给对方星；

所述测距模块，用于发起测距和生成自身伪距计算，寄存后供CPU读取，并且经组包调制后发送给对方星；

所述星间距离解算模块，用于根据自身的伪距和收到的伪距分别解算两星间的距离；

所述主星和每个子星之间包括前向链路和反向链路，其中，所述前向链路，用于主星通过广播方式发送星间数据包至子星，所述反向链路，用于子星以点对点方式发送星间数据包至主星；其中，主星与子星之间互传的星间数据包包括：帧计数、本地伪距结果、本地温度、本地通信状态、控制信息和其他数据；其中，本地通信状态包括帧同步状态、握手成功状态和发起测距状态；前向链路和反向链路为非对称链路，前向链路和反向链路的通信速率相同或不同，通信速率不同时，反向链路的通信速率是前向链路速率的2ⁿ，n为大于1的整数；接收帧计数初始为0，当接收到帧同步状态后开始计数；主星在前向链路传递的控制信息根据发送帧计数的低计数位进行码分，低计数位的位数根据子星数量确定，第x帧控制信息为主星发送至第x个子星的控制信息；子星对于接收到的数据包根据帧计数的低计数位进行识别，得到主星发送给自己的数据。

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