王曉玲，楊再秀，鄭曉冬

(衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081)

星地時(shí)間異步條件下快速建鏈方法

王曉玲，楊再秀，鄭曉冬

(衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081)

針對(duì)星地時(shí)間異步而導(dǎo)致衛(wèi)星與地面設(shè)備無(wú)法正常建鏈的問(wèn)題，提出了一種星地時(shí)間異步條件下星地快速建鏈的方法，闡述并分析了1 pps秒脈沖同步下星地信號(hào)收發(fā)關(guān)系，設(shè)計(jì)了針對(duì)大鐘差衛(wèi)星信號(hào)的盲捕算法，給出了盲捕模式下的星地快速建鏈流程,并采用地面設(shè)備對(duì)星進(jìn)行了無(wú)線試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了星地鐘差在1 s范圍內(nèi)的星地快速建鏈。

輪詢建鏈；盲捕；鐘差；零值；距離輔助信息

0 引言

星地時(shí)間同步是指導(dǎo)航衛(wèi)星(以下簡(jiǎn)稱“衛(wèi)星”)與地面站建立鏈路進(jìn)行持續(xù)時(shí)頻傳遞以消除衛(wèi)星與地面站之間的鐘差，使星地時(shí)間基準(zhǔn)維持一致[1]。

在衛(wèi)星發(fā)射后至在軌測(cè)試初期，衛(wèi)星星載原子鐘是未經(jīng)過(guò)精密星地時(shí)間同步的[2]，即星上時(shí)間與地面站的時(shí)間異步，這將導(dǎo)致衛(wèi)星與時(shí)分體制通信的地面站無(wú)法正常建鏈[3]，而這個(gè)階段，往往又存在著星地建鏈的任務(wù)需求。為了解決這一問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種星地時(shí)間異步條件下與衛(wèi)星建鏈的方法，通過(guò)該方法能夠解決地面站在星地時(shí)間異步的情況下與衛(wèi)星快速建鏈和通信，并能應(yīng)急執(zhí)行部分指定任務(wù)。該方法也適用于星載時(shí)統(tǒng)設(shè)備發(fā)生故障導(dǎo)致星地時(shí)間異步時(shí)的星地應(yīng)急建鏈任務(wù)。

首先描述了星地異步條件下快速建鏈的原理，通過(guò)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的盲捕進(jìn)行星地測(cè)距，將測(cè)得的偽距值與星地理論距離值進(jìn)行比較，獲得星地鐘差，再根據(jù)該鐘差將地面站的發(fā)射時(shí)刻進(jìn)行調(diào)整，使地面站的收發(fā)時(shí)刻向星上時(shí)間靠齊，從而使衛(wèi)星能夠正確接收地面站的發(fā)射信號(hào)，實(shí)現(xiàn)星地建鏈。本文通過(guò)星地快速建鏈流程與相關(guān)公式，從盲捕、測(cè)距、鐘差計(jì)算和調(diào)整等內(nèi)容，詳細(xì)描述了如何實(shí)現(xiàn)星地時(shí)間異步條件下星地建鏈的步驟，并在某地面站進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，充分證明了其可行性與適用性。

1 星地異步快速建鏈原理

若要星地時(shí)間異步條件下完成星地建鏈，地面設(shè)備需要對(duì)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行盲捕從而得到星地鐘差，并通過(guò)發(fā)射信號(hào)延遲調(diào)整技術(shù)補(bǔ)償衛(wèi)星的捕獲時(shí)間差。

設(shè)衛(wèi)星S和地面站G的時(shí)間分別為T(mén)S和TG，衛(wèi)星將原子鐘TS的秒信號(hào)經(jīng)過(guò)發(fā)射系統(tǒng)發(fā)往地面站，地面站測(cè)量本身時(shí)鐘的秒信號(hào)與接收的秒信號(hào)之差，及傳輸時(shí)延τ*[4]，若不考慮電離層、對(duì)流層的影響[5]，假設(shè)根據(jù)衛(wèi)星星歷外推的星地距離為RS-G，可得地面站與衛(wèi)星之間的偽距為[5]：

RAmbi=RS-G+RTx-0+RRx-0+Δt。

(1)

式中，RTx-0為衛(wèi)星發(fā)射零值；RRx-0為地面接收零值；Δt為星地鐘差。

盲捕情況下，地面設(shè)備首先對(duì)衛(wèi)星下行信號(hào)進(jìn)行盲捕，并進(jìn)行星地偽距測(cè)量RAmbi[6]。地面設(shè)備盲捕對(duì)星地鐘差無(wú)任何限制[7]，但是其偽距值范圍為：0≤RAmbi<1 s。

從式(1)便可獲得粗略星地鐘差：

Δt=RAmbi-RS-G-RTx-0-RRx-0。

(2)

獲得星地鐘差后，可控制地面收發(fā)設(shè)備分別根據(jù)鐘差推算的建鏈時(shí)序進(jìn)行信號(hào)收發(fā)。

下面結(jié)合具體實(shí)例和附圖對(duì)星地時(shí)間異步且收發(fā)異步條件下星地建鏈的原理進(jìn)行描述：

考慮到衛(wèi)星發(fā)射零值RTx-0與地面接收零值RRx-0之和在μs量級(jí)[8]，因此下面暫時(shí)忽略RTx-0與RRx-0的影響(也就是認(rèn)為RTx-0=0，RRx-0=0)[9]。

星地1PPS秒脈沖嚴(yán)格同步條件下，盲捕完成后星地信號(hào)收發(fā)時(shí)序關(guān)系如圖1所示。圖1中并沒(méi)有對(duì)星地周內(nèi)秒作限制，也就是說(shuō)星地的1PPS秒脈沖雖然是對(duì)齊的，但是可能存在差秒的問(wèn)題[10]，這實(shí)際上應(yīng)該是星地時(shí)間異步最簡(jiǎn)單的情況。這種情況下，要實(shí)現(xiàn)星地建鏈，地面發(fā)射便不能按照自己的時(shí)間對(duì)發(fā)射時(shí)段進(jìn)行限制[11]。假設(shè)星地時(shí)分體制下通信時(shí)收發(fā)時(shí)段相同，為T(mén)S，它由信號(hào)有效寬度Tva加上保護(hù)時(shí)段Tpro組成[12]。衛(wèi)星在TS時(shí)刻進(jìn)行發(fā)射，經(jīng)過(guò)星地傳輸延遲RS-G到達(dá)地面接收設(shè)備[13]，地面接收設(shè)備盲捕到衛(wèi)星信號(hào)后，經(jīng)計(jì)算鐘差約為Δt，這時(shí)只需要估計(jì)出衛(wèi)星的發(fā)射時(shí)段，在該時(shí)段的反時(shí)段發(fā)射地面上行信號(hào)即可。

圖1 1 PPS秒脈沖同步下星地信號(hào)收發(fā)關(guān)系

2 星地異步快速建鏈實(shí)現(xiàn)方法

星地異步快速建鏈流程如圖2所示。首先根據(jù)地面站對(duì)星的偽距測(cè)量結(jié)果以及對(duì)應(yīng)時(shí)間的星地距離外推值和收發(fā)零值，計(jì)算出星地鐘差Δt(如式(2)所示)。為保證鐘差估計(jì)的有效性，需要將計(jì)算結(jié)果與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，若小于預(yù)設(shè)值便認(rèn)為估計(jì)有效；反之，利用新的偽距測(cè)量結(jié)果重新進(jìn)行鐘差估計(jì)。依據(jù)中高軌衛(wèi)星的星地距離估計(jì)，此處將預(yù)設(shè)值設(shè)置為2 000ns。

圖2 星地異步快速建鏈流程

(3)

式中，t′為收發(fā)時(shí)段大于1s的部分，由式(3)可知：0≤δt

通過(guò)鐘差與星地距離，可反推設(shè)備發(fā)射信號(hào)的起始時(shí)刻[15]，計(jì)算公式為：

(4)

(5)

對(duì)于地面接收的處理會(huì)稍微復(fù)雜一點(diǎn)，由于接收設(shè)備不僅要考慮鐘差δt，還要考慮星地距離RS-G[17]，因此地面接收的工作時(shí)段可表示為：

(6)

根據(jù)式(5)，具體應(yīng)考慮如下情況：

3 測(cè)試結(jié)果

在某地面站，使用該方法在星地異步的情況下進(jìn)行了對(duì)星建鏈測(cè)試。分別將地面時(shí)間拉偏至落后星上時(shí)間800ms、450ms和200ms，超前星上時(shí)間200ms、450ms和800ms，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 地面站星地快速建鏈測(cè)試數(shù)據(jù)

通過(guò)表1測(cè)試結(jié)果可分析出，在星地異步條件下，如果使用本方法，地面站均可在8 s內(nèi)完成與衛(wèi)星的雙向建鏈，建鏈成功后，地面站成功執(zhí)行了電文上注、數(shù)據(jù)回傳和星地測(cè)距等任務(wù)，基本具備了地面站的全部任務(wù)功能[18]。在不使用本方法的條件下也進(jìn)行了多次測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為地面站偶爾能捕獲到衛(wèi)星的下行信號(hào)，而衛(wèi)星始終無(wú)法捕獲到地面站發(fā)送的上行信號(hào)，不能實(shí)現(xiàn)雙向有效建鏈，從而無(wú)法執(zhí)行指定任務(wù)。

該方法設(shè)計(jì)了盲捕接收、鐘差測(cè)量和發(fā)射調(diào)整等流程的時(shí)序邏輯，提出了盲捕鐘差調(diào)整算法，在星地時(shí)間存在大鐘差的情況下，成功實(shí)現(xiàn)了地面站與衛(wèi)星的快速建鏈和通信，使地面站具備應(yīng)急執(zhí)行任務(wù)的狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

提出了一種星地時(shí)間異步條件下，星地快速建鏈的方法，包括盲捕流程、鐘差算法和鐘差調(diào)整步驟等，滿足了地面站在星地時(shí)間不同步的條件下也能完成相關(guān)任務(wù)的需求。在衛(wèi)星發(fā)射初期及星載時(shí)統(tǒng)故障導(dǎo)致星地異步時(shí)，可作為星地快速建鏈的有效手段。該方法也可推廣應(yīng)用于其他與星地時(shí)間同步相關(guān)的星地建鏈任務(wù)中，作為一種應(yīng)急備份手段。

[1] 張忠山,王 沛,賀仁杰,等.考慮星間鏈路的星地時(shí)間同步與上注調(diào)度的啟發(fā)式算法[J].全球定位系統(tǒng),2012,37(5):38-46.

[2] 陳祝明.一種MEO衛(wèi)星星地時(shí)間同步的新方法[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2007,36(1):33-35,39.

[3] GENNIS R.衛(wèi)星通信[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2011：56-59.

[4] 陳雪峰,劉 洋.基于FPGA的北斗衛(wèi)星信號(hào)快速捕獲[J].無(wú)線電工程,2014,44(3):46-49.

[5] 李樹(shù)洲.衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)星地時(shí)間同步方法[J].無(wú)線電工程,2002,32(10):60-63.

[6] 朱 俊.基于星間鏈路的導(dǎo)航衛(wèi)星軌道確定及時(shí)間同步方法研究[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2011:56-59.

[7] 李 冬.星地與星間鏈路時(shí)間窗口快速計(jì)算方法研究[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2015：19-25.

[8] 范 麗，張育林.Walker星座星間鏈路構(gòu)建準(zhǔn)則及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].飛行力學(xué)，2007(2)：23-26.

[9] 李于衡,易克初,田紅心.跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星(TDRS)跟蹤用戶星的條件分析[J].空間科學(xué)學(xué)報(bào)，2006(5)：13-16.

[10] 羅大成,劉 巖,劉延飛,等.星間鏈路技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].電訊技術(shù)，2014,54(7):1 016-1 024.

[11] 楊 宇.GNSS中星間鏈路分配方法的研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2013：45-50.

[12] 林益明,何善寶,鄭晉軍,等.全球?qū)Ш叫亲情g鏈路技術(shù)發(fā)展建議[J].航天器工程，2010，19(6)：1-7.

[13] 邢兆棟.同階二元偏移載波調(diào)制信號(hào)跟蹤技術(shù)[J].無(wú)線電工程，2014，44(5)：40-43，51.

[14] 楊再秀，王茂磊，郭曉峰，等.基于通用環(huán)路的GNSS碼跟蹤性能分析方法[J].無(wú)線電工程，2015，45(7)：45-49.

[15] 孟凡芹.基于星地雙向時(shí)間比對(duì)的衛(wèi)星鐘差確定方法[D].上海：中國(guó)科學(xué)院研究生院(國(guó)家授時(shí)中心)，2013：23-29.

[16] 王 威,魏立棟,范國(guó)清.星地距離變化對(duì)星地雙向時(shí)間比對(duì)的影響及改正[J].國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào),2010,32(2):23-27.

[17] 朱陵鳳,李 超,韓春好,等.無(wú)線電時(shí)間比對(duì)中的時(shí)標(biāo)偏差影響分析[J].綜合電子信息技術(shù),2016,42(2):66-69.

[18] 孫艷菱.基于分段FFT算法的GPSL1/L2C信號(hào)快速捕獲算法研究[J].理論與算法,2015,17(25):61-63.

王曉玲 女，(1978—),碩士，高級(jí)工程師。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

楊再秀 男，(1981—)，博士，高級(jí)工程師。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

A Fast Satellite-ground Link Establishment Method in Time Asynchronization Environment

WANG Xiao-ling,YANG Zai-xiu,ZHENG Xiao-dong

(StateKeyLaboratoryofSatelliteNavigationSystemandEquipmentTechnology,ShijiazhuangHebei050081,China)

The communication between satellites and ground equipment can’t be implemented in time asynchronization environment.In view of this problem,this paper puts forward a satellite-ground link establishment method,which can solve the blind acquisition of satellite signals under the condition of time asynchronization between satellites and ground station.It analyzes the receiving and transmitting relation of satellite-ground signals under the condition of 1 pulse per second synchronization,designs an acquisition algorithm for satellite signals with large clock offset,and describes the flow of satellite-ground link establishment.The experiment is made on a ground station,and the fast satellite-ground link establishment is implemented within 1 s of satellite-ground clock offset.

polling chain-built;blind acquisition;clock offset;zero value;distance-assistant message

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.05.11

王曉玲,楊再秀,鄭曉冬.星地時(shí)間異步條件下快速建鏈方法[J].無(wú)線電工程,2017,47(5):44-46,61.[WANG Xiaoling,YANG Zaixiu,ZHENG Xiaodong.A Fast Satellite-ground Link Establishment Method in Time Asynchronization Environment[J].Radio Engineering,2017,47(5):44-46,61.]

2017-02-28

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(91638203)。

TN961

A

1003-3106(2017)05-0044-03