星地一体化导航系统星间链路仿真及分析

作者:侯颖;米志超;于卫波;牛大伟 刊名:通信技术 上传者:苟加梅

【摘要】在导航卫星系统中,为了解决星间链路拓扑规划不合理而导致的星地信息传输时延大的问题,提出了一种新的星间链路规划方法。该方法优先考虑星地间的可视覆盖关系,保证卫星与地面站之间实时的信息传输。利用STK仿真软件构建了卫星网络拓扑,进而利用OPNET仿真软件完成了性能仿真验证。仿真结果表明,新的拓扑减小了星地数据传输的跳数和端到端时延,符合星地一体化的需求。

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0引言随着卫星应用需求的日益发展,卫星导航系统已经成为国家的一项重要的战略性基础资源[1]。建立星间链路可以提高导航系统的抗毁能力和自主运行能力,增强卫星网络的灵活性和稳定性。在导航卫星星座内建立星间链路,组建卫星网络(Satel-liteNetworks)[2],已经成为导航卫星系统发展的必然趋势[3]。由于卫星上可搭载的天线数量通常少于可建立星间链路的卫星数量,因此卫星运行时要在其可视卫星中进行有选择的建链。国外对于卫星星间链路的研究工作开展地比较早,现在已经在国际上得到了较为广泛的应用和推广,美国的GPSBLOCKIIR[4]导航卫星系统是目前在轨导航星座中唯一实现星间链路的系统,通过星间链路测距和通信,可以在没有地面站支持的条件下维持180天的自主导航。国内部分学者也从理论上对星间链路进行了初步的研究和分析,文献[5]对卫星通信系统的星间链路参数进行了分析;文献[6]提出了星座星间链路的构建准则及优化设计;文献[7]针对卫星点波束覆盖的问题提出了卫星点波束中心选取算法,;文献[8]提出了一种兼顾导航卫星系统进行星间测距和数据通信的星间链路分配算法。但现有的大部分星间链路的研究都是在通信卫星系统的基础上展开,侧重于卫星星座的全连通性和通信性能优化。导航卫星系统与通信卫星系统在需求与用途方面都有较大区别,其大部分功率用于播发导航信号,针对通信卫星系统的研究成果不能FoundationItem:NationalNaturalScienceFoundation(No.61103224);JiangsuProvinceNaturalScienceFoundation(No.BK2011118)直接应用到导航卫星系统[9]。而针对导航卫星的研究又大多侧重于星间数据通信性能优化,忽略了卫星与地面站的数据传输性能,即导航系统的星地一体化特性。导航卫星系统中的信息传输主要包括三方面:卫星与地面站之间的信息传输,卫星与卫星之间的信息传输,以及地面站与用户目标之间的应用数据传输。对导航卫星系统而言,卫星间本身信息交互的需求并不强烈,最主要的信息传输是地面站与卫星间的业务信息、链路管理信息等的上注与下传。星间链路的设计必须要关注卫星与地面站之间的信息传递和信息中继问题,这也是文中的研究重点。另一方面,针对导航卫星系统的星间链路研究多将研究重点集中在层间星间链路和异轨星间链路方面,对于同轨星间链路往往做一个简单的设定。事实上,同轨卫星虽然几何关系相对固定,但是不同的同轨星间链路拓扑也会对导航卫星系统的星地一体化特性产生较大影响,有必要对此进行分析研究。综上所述,文中以一种典型的Walker型导航星座系统为研究基础,着重考虑卫星与地面站的数据传输性能,仿真分析了同轨星间链路拓扑对系统星地一体化性能的影响,研究结果对于导航星座系统的同轨星间链路的建立具备参考意义。1星间链路规划原理描述1.1可见关系要求为保证系统正常运行,导航卫星星座应满足一定的可见性要求,主要包括导航系统与地面站的可见性和卫星与卫星之间的可见性两方面。地面站与导航卫星系统的可见取决于卫星对地球表面的覆盖特性,当卫星与地面站可见时,卫星可以直接与地面站通过星地链路建立通信传输渠道,否则就需要通过星间链路中继进行信息传输。卫星与卫星之间的可见关系有三种可能,始终可见、间歇可见和始终不可见,卫星之间可建立星间链路的前提条件是两卫星可见。同一轨道平面内各卫星的相对位置关系固定,不存在距离和角度的变化,可见的同轨卫星间可以建立稳定的永久星间链路。不同轨道平面的两颗卫星能否建立星间链路则与卫星相对位置的变化密切

参考文献

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