Walker星座星间链路分析
发布时间：2023-03-23 15:18:16
第３２卷第２期 ２ ０ １ ２年４月 大地测量与地球动力学 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＧＥＯＤＥＳＹ ＡＮＤ ＣＥＯＤＹＮＡＭＩＣＳ Ｖｏｌ＿３２ Ｎｏ．２ Ａｐｒ．，２０１２ 文章编号：１６７１．５９４２（２０１２）０２－０１４３－０５ Ｗａｌｋｅｒ星座星间链路分析 杨 霞李建成 ４３００７９） （武汉大学测绘学院，武汉摘 要 在分析Ｗａｌｋｅｒ星座构型以及星间链路分类、频率和准则的基础上，研究了２４／３／２构型Ｗａｌｋｅｒ星座星问 链路的构建方法和链路可见性，计算和分析了所建立星间链路的方位角、仰角和距离（ＡＥＲ）。研究结果表明， Ｗａｌｋｅｒ星座可建立多条星间链路。 关键词 Ｗａｌｋｅｒ星座；星间链路；方位角；仰角；距离 中图分类号：１７２２７ 文献标识码：Ａ ＩＮＴＥＲ．ＳＡＴＥＬＬＩＴＥ ＬＩＮＫＳ ＡＮＡＬＹＳＩＳ ０Ｆ ＷＡＬＫＥＲ ＣｏＮＳＴＥＬＬＩＴＥ Ｙａｎｇ Ｘｉａ ａｎｄ Ｌｉ Ｊｉａｎｃｈｅｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＧｅｏｄｅｓｙ ａｎｄ Ｇｅｏｍａｔｉｃｓ，Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７９） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ ｏｆ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ，ｒａｄｉｏ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｏｐ． ｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｂｅｃｏｍｅｓ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ．Ｉｎｔｅｒ—ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｌｉｎｋ（ＩＳＬ）ｉｓ ａ ｋｅｙ ｔｅｃｈ— ｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅ Ｗａｌｋｅｒ ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｎｄ ｉｔｓ ｃａｔｅｇｏｒｉｅｓ，ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ ａｎｄ ｒｕｌｅｓ ｏｆ ｉｎｔｅｒ—ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｌｉｎｋｓ ａｒｅ ｉｎ— ｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｖｉｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｉｎｔｅｒ—ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｌｉｎｋｓ ｏｆ Ｗａｌｋｅｒ ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｔｈｅｎ，ｔｈｅ ａｚｉｍｕｔｈ，ｅｌｅｖａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｒａｎｇｅ ａｒｅ ｃｏｍｐｕｔｅｄ ａｓ ｗｅｌ１．Ｓｔｕｄｙ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ＩＳＬｓ ｃａｎ ｂｅ ｂｕｉｌｔ ｉｎ Ｗａｌｋｅｒ ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｗａｌｋｅｒ ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ；ｉｎｔｅｒ—ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｌｉｎｋｓ（ＩＳＬｓ）；ａｚｉｍｕｔｈ；ｅｌｅｖａｔｉｏｎ；ｒａｎｇｅ １ 引言 随着卫星导航技术的发展和实际应用的需要， 者就开始研究利用星间相对测量进行自主导航。近 年来，国内很多学者也对卫星自主导航所必须的星 间链路技术进行了研究，包括ＧＰＳ卫星间的星问链 人们开始关注卫星系统的自主运行能力。星间链路 是卫星自主导航的重要技术，星问链路结构可以减 少对地面中继站的依赖性，不但减小了信号传输延 迟，而且提高了整个系统的抗毁性和机动性。美国 ＧＰＳ ＩＩＲ—ＧＰＳ ＩＩＦ就增加了特高频（ＵＨＦ）星间链路 （Ｉｎｔｅｒ．ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｌｉｎｋｓ，ＩＳＬｓ），为ＧＰＳ卫星自主导航提 路数据模拟，卫星导航系统星间链路的几何特性，及 星问链路预算等问题＿３＇４ Ｊ。在众多星座构型中， Ｗａｌｋｅｒ星座因其优良特性在卫星导航领域得到了 广泛应用，相关学者分析了Ｗａｌｋｅｒ星座空间结构、 Ｗａｌｋｅｒ星座星间链路设计的基本准则、Ｗａｌｋｅｒ一６星 座不同轨道卫星之间方位角、俯仰角和距离表达式， 以及激光链路的稳定性等关键问题 Ｊ。对Ｗａｌｋｅｒ 星座的星间链路进行分析具有重要的理论意义和实 用价值。本文以Ｗａｌｋｅｒ星座为研究对象，构建了 供精密测距信号，并在卫星之间交换自主导航状态 矢量数据；下一代ＧＰＳ ＩＩＩ也将增加Ｋａ频段星间链 路。早在２０世纪８０年代，Ｍｅｎｎ、Ｈｅｒｋｌｏｔｚ等 学 收稿日期：２０１１－０９—１９ 基金项目：国家８６３计划项目（２００９ＡＡ１２１４０２） 作者简介：杨霞，女，１９８３年生，博士研究生，主要研究方向为卫星大地测量．Ｅ—ｍａｉｌ：ｙｘ一０２＠１２６．ｏｏｍ
１４４ 大地测量与地球动力学 ３２卷 ２４／３／２型Ｗａｌｋｅｒ星座的星间链路，并对其特性进行 了分析。 ２ Ｗａｌｋｅｒ星座 星座由若干颗卫星按要求分布在单个或多个轨 道平面而构成。按照几何构型可以将常用的星座类 型分为均匀对称星座、星形星座、椭圆轨道星座和混 合星座。均匀对称星座常常也称为Ｗａｌｋｅｒ类星座， 其特点是所有卫星都采用高度相同、倾角相同的圆 轨道；轨道平面沿赤道均匀分布；卫星在轨道平面内 均匀分布；不同轨道面之间卫星的相位存在一定关 系 。 假设一个Ｗａｌｋｅｒ星座的构型码为：Ｎ／Ｐ／Ｆ（卫 星数目／轨道平面数／相位因子），则星座中任意一 颗编号为ｍ的卫星的升交点赤经和升交点角距分 别为 ： ｆｌ ： （Ｐ 一１）（Ｐ ：１，２，…，Ｐ） ｛ｌ ： （ｕ ，ｖ ＿１）＋３６ ¨０ ＿１） （１） 【 （Ｎｊ：１，２，…，Ｓ一１） 式中，５为每个轨道平面上的卫星数，Ｐ 为卫星所 在轨道平面的编号，Ⅳｍ为卫星在轨道平面内的编 号。即，Ｓ＝ ＮＰ ＝ ｍ＋１，，Ｎｍ＝ｍ一（Ｐ 一１）Ｓ。 Ｗａｌｋｅｒ星座包括星形星座、６星座、 星座和玫 瑰星座等，其中８星座得到了广泛应用。Ｗａｌｋｅｒ一８ 星座可用５个参数Ｎ／Ｐ／Ｆ、ｈ、ｉ表示，ｈ为轨道高度， ｉ为轨道倾角，相位因子Ｆ表示相邻轨道之间卫星 通过赤道面的相对相位差，是以任意一条轨道内相 邻卫星间隔的１／Ｐ为度量的相对相位，满足０≤Ｆ≤ Ｓ一１。 ３星问链路 卫星系统运行过程中，地面站与卫星之间、卫星 与卫星之间都需要进行信息交互。通信链路根据其 两端所处位置的不同，可分为卫星和地面间的链路、 同一星座卫星间的链路、不同星座卫星间的链路，其 中同一星座卫星问的链路又可分为同轨道面卫星间 的链路和异轨道面卫星问的链路。星问链路根据其 连接时间的长短，可分为永久星问链路和临时星间 链路，有时也称为静态星间链路和动态星间链路。 永久星问链路一直保持连接关系，不必动态重建，而 临时星问链路经常被动态断开、动态重建。星间链 路的永久性和临时性取决于星座中卫星之间的相对 位置和运动关系，即星座的几何构型以及天线的相 关性能参数，如可以提供的最大跟踪角度和角速度 等 。 星间链路必须要依靠空间无线电技术，无线电 覆盖率高，可同时具有测量和通信功能。根据２０１０ 年公布的《中华人民共和国无线电频率划分规定》， 常用字母代码和业务频率如表１所示。 表１ 常用字母代码和业务频率 Ｔａｂ．１ Ｌｅｔｔｅｒ ｃｏｄｅｓ ａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｂａｎｄｓ ｏｆ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｓｅｒｖ— ｉｃｅｓ 置达 空间无线电通篮 字母代码频率范围 举例 标称频段 ‘举例 ＧＨｚ） ｆＧＨｚ） ｆＧＨｚ） ｆＧＨｚ 注：对于空间无线电通信，Ｋ和Ｋａ频段一般只用字母代码 Ｋａ表示；相应代码及频段范围非正式标准，仅作简化称 呼参考之用。 此外，星间链路还常用到特高频ＵＨＦ（如ＧＰＳ ＩＩＲ），其频率范围为３００～３ ０００ ＭＨｚ，称为分米波。 虽然无线电频率的选择范围比较大，但最好选择Ｋａ 等较高的频段。Ｋａ及其以上频段尚未被大规模开 发，干扰较少且易于申请 ；而且高频段可用带宽 大、天线增益高，与地面无线电系统之间的相互干扰 少、所需设备尺寸小和重量轻。 任意两星可以构建链路的首要条件是两星可 见，即地心到两星连线的距离大于地球半径加上大 气强电离层高度值 。跟踪卫星天线指向并精确 跟踪目标卫星也是建立星间链路的必要条件。在卫 星系统中有的跟踪天线的频段较高，天线波束窄，由 于卫星轨道预报误差、卫星姿态误差等的存在，使得 天线程控指向角与真实的对星指向角有一定的偏 差，从而造成目标卫星不能出现在跟踪天线的半波 束范围内。为了捕获目标， 