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(國(guó)防科技大學(xué) 智能科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410073)

0 引言

星間鏈路是我國(guó)第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)行、確保提高服務(wù)性能和運(yùn)行管理水平的關(guān)鍵技術(shù)體制，已經(jīng)成為我國(guó)全球?qū)Ш较到y(tǒng)的重要技術(shù)支撐之一。星間鏈路是指用于衛(wèi)星之間通信測(cè)量的鏈路[1]。通過(guò)星間鏈路將孤立的衛(wèi)星連接成為一個(gè)完整的測(cè)量通信網(wǎng)絡(luò)，不僅提高了衛(wèi)星星座的整體測(cè)量通信性能，而且擺脫了地面站選址的地域限制，同時(shí)賦予導(dǎo)航星座一定的自主運(yùn)行能力，即脫離地面數(shù)據(jù)注入站支持的運(yùn)行能力[2]。

導(dǎo)航星座星間鏈路的技術(shù)本質(zhì)是兼具精密測(cè)量和星間通信功能的天基移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)[3]。基于相控陣天線的并發(fā)空分時(shí)分雙工(CSTDD，Concurrent Spatial Time Division Duplexing)組網(wǎng)體制是為了滿足導(dǎo)航星座特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和多樣化的建鏈要求而專門設(shè)計(jì)的星間鏈路體制。

在全球?qū)Ш较到y(tǒng)的建設(shè)中，星間鏈路的測(cè)試是一個(gè)難題。一方面，星間鏈路是一種窄波束體制，而且是空分時(shí)分體制，測(cè)試設(shè)備難以一直捕捉到星間鏈路信號(hào)；另一方面，星間鏈路網(wǎng)絡(luò)的性能需要衛(wèi)星之間聯(lián)網(wǎng)測(cè)試，在衛(wèi)星數(shù)量不足的條件下難以對(duì)全網(wǎng)性能進(jìn)行測(cè)試。如何解決這些難題從而完成星間鏈路的全網(wǎng)性能測(cè)試是一個(gè)技術(shù)難題[4]。

本文擬利用并發(fā)空分時(shí)分雙工(CSTDD)組網(wǎng)體制的特性，在導(dǎo)航星座組網(wǎng)尚未完成的條件下，即空中只存在有限數(shù)量衛(wèi)星運(yùn)行時(shí)，依托單臺(tái)地面站設(shè)備，對(duì)星間鏈路全網(wǎng)性能進(jìn)行測(cè)試。

1 CSTDD簡(jiǎn)介

并發(fā)空分時(shí)分雙工(CSTDD)星間鏈路體制是一種基于相控陣天線的組網(wǎng)體制，具體含義為：并發(fā)是指星座內(nèi)同時(shí)有多條星間鏈路波束構(gòu)建近實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)；空分是用指向性天線形成窄波束切換指向來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)空域的復(fù)用，這項(xiàng)措施提高了鏈路增益和抗干擾能力；時(shí)分有兩層含義，一是對(duì)單條鏈路而言以TDD半雙工方式實(shí)現(xiàn)對(duì)同一頻點(diǎn)同一條鏈路的復(fù)用；二是通過(guò)時(shí)分方式來(lái)實(shí)現(xiàn)與多顆衛(wèi)星的測(cè)量通信。

在時(shí)間同步的前提下，參與CSTDD體制的衛(wèi)星運(yùn)行時(shí)間被劃分為長(zhǎng)度一致的時(shí)間片，每個(gè)時(shí)間片稱為時(shí)隙，是CSTDD體制中鏈路切換的最小時(shí)間單位。

由于CSTDD星間鏈路體制采用時(shí)分復(fù)用的半雙工方式，通過(guò)收發(fā)分時(shí)工作完成兩顆星之間的相互觀測(cè)和數(shù)據(jù)交換，因而只需單個(gè)頻點(diǎn)即可完成全星座的組網(wǎng)，提高了星間鏈路的頻譜資源的利用率和組網(wǎng)靈活性。由于采用單一頻點(diǎn)，不需要進(jìn)行復(fù)雜且靈活性差的頻率配對(duì)設(shè)計(jì)，所有導(dǎo)航衛(wèi)星上配置完全一致的星間鏈路載荷設(shè)備，不同星間鏈路載荷設(shè)備之間具備天然的可互換性，這是實(shí)現(xiàn)扁平化組網(wǎng)的重要基礎(chǔ)，同時(shí)降低了星間鏈路載荷設(shè)備設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，系統(tǒng)的可靠性和工程可實(shí)現(xiàn)性大大提升。

CSTDD星間鏈路體制中采用窄波束天線建立指向性鏈路，因而對(duì)于全星座而言，在任意時(shí)隙內(nèi)均有多條點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路同時(shí)存在，這樣可以有效縮短測(cè)量周期，構(gòu)建近實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)。具備對(duì)多條鏈路的觀測(cè)能力以獲得充分有效的星間測(cè)量數(shù)據(jù)是導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)星間鏈路的最基本要求，使用窄波束天線是星間鏈路發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是提高信道增益、提高測(cè)量精度和增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力的有效手段。為了在較短時(shí)間內(nèi)切換天線波束指向，完成單顆衛(wèi)星對(duì)多條鏈路的觀測(cè)任務(wù)，要求星間鏈路天線具備一定的捷變指向能力。同時(shí)，窄波束天線的捷變能力也保證了CSTDD星間鏈路體制下衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性和靈活性。相控陣天線可以滿足星間鏈路對(duì)于天線窄波束和捷變能力的需求。CSTDD星間鏈路組網(wǎng)如圖1所示。

圖1 CSTDD星間鏈路組網(wǎng)示意圖

CSTDD星間鏈路體制中，星座的整個(gè)運(yùn)行時(shí)間被劃分為若干個(gè)時(shí)隙，衛(wèi)星之間采用直接連接的方式，即衛(wèi)星對(duì)于沒(méi)有地球阻擋可以直接物理連接的衛(wèi)星視為可見(jiàn)星，單顆衛(wèi)星在不同時(shí)隙內(nèi)有選擇地完成對(duì)其所有可見(jiàn)星的觀測(cè)任務(wù)，獲得對(duì)多顆星的觀測(cè)數(shù)據(jù)，以支持定軌和時(shí)間同步處理。新的時(shí)隙中，當(dāng)衛(wèi)星連接的節(jié)點(diǎn)發(fā)生變化時(shí)，首先衛(wèi)星根據(jù)事先存儲(chǔ)的連接目標(biāo)衛(wèi)星軌道信息，計(jì)算相控陣天線的指向，并利用天線的捷變能力，快速指向目標(biāo)衛(wèi)星，切換擴(kuò)頻碼，和目標(biāo)衛(wèi)星建立物理鏈路連接。在物理連接穩(wěn)定后，建立連接的衛(wèi)星之間開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量和通信數(shù)據(jù)傳輸[5]。每個(gè)時(shí)隙劃分為前向測(cè)量通信幀和后向測(cè)量通信幀，每個(gè)單向測(cè)量通信幀進(jìn)一步被劃分為若干個(gè)子幀，測(cè)量功能和通信在兩個(gè)正交信道上同時(shí)進(jìn)行。對(duì)于測(cè)量而言，在每個(gè)測(cè)量子幀內(nèi)都進(jìn)行至少一次的采樣，從而每個(gè)單向建鏈過(guò)程中都能夠獲得對(duì)單條鏈路的充分有效的觀測(cè)數(shù)據(jù)；對(duì)于通信而言，各種不同業(yè)務(wù)類型的數(shù)據(jù)可以安排在不同的通信子幀內(nèi)進(jìn)行傳輸，每個(gè)子幀作為信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钚挝?，可以?shí)現(xiàn)傳輸資源的靈活調(diào)配，保證CSTDD星間鏈路體制星間鏈路具備同時(shí)混合傳輸各類信息數(shù)據(jù)的能力。

CSTDD體制中，測(cè)量通信幀采用統(tǒng)一設(shè)計(jì)，兼顧可擴(kuò)充性和實(shí)現(xiàn)效率[6]。在設(shè)計(jì)之初就考慮將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議視為單一整體進(jìn)行優(yōu)化，弱化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層之間的邊界，從需求出發(fā)，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源分配，通過(guò)調(diào)整各網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層間的設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)需求的最大滿足。在考慮衛(wèi)星軌道、衛(wèi)星平臺(tái)和星間鏈路載荷工程實(shí)現(xiàn)的約束下，通過(guò)對(duì)應(yīng)用業(yè)務(wù)處理算法、接入時(shí)隙分配、中繼和路由設(shè)計(jì)、單機(jī)性能等方面均衡優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)定軌和時(shí)間同步、數(shù)據(jù)上傳和下傳等功能，使網(wǎng)絡(luò)性能盡可能達(dá)到最優(yōu)，全面滿足各類業(yè)務(wù)對(duì)星間鏈路的需求。測(cè)量通信幀在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到實(shí)現(xiàn)效率因素，采用跨層交互，在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中相鄰兩層之間接口的基礎(chǔ)上，提供額外的協(xié)議層間交互手段，實(shí)現(xiàn)非相鄰網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層之間的必要信息交互和相鄰層之間的豐富信息交互，如星座完好性信息，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，干擾態(tài)勢(shì)等，提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)運(yùn)行環(huán)境發(fā)生變化時(shí)的最快響應(yīng)和全局性能的優(yōu)化。每個(gè)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的協(xié)議棧完全一致，可以方便地?cái)U(kuò)充或者縮減整網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量。CSTDD協(xié)議層映射關(guān)系如圖2所示。

圖2 CSTDD協(xié)議層映射關(guān)系示意圖

總之，CSTDD體制既規(guī)定了星座之間的物理連接方式，又設(shè)計(jì)了衛(wèi)星之間實(shí)現(xiàn)測(cè)量通信的方式，可以作為導(dǎo)航星座星間鏈路建設(shè)的依據(jù)。

2 星間鏈路測(cè)試需求分析

星間鏈路的測(cè)試需求主要體現(xiàn)在這幾方面。

2.1 物理鏈路測(cè)試

由于CSTDD體制中，所有節(jié)點(diǎn)之間連接采用單一頻點(diǎn)，所有導(dǎo)航衛(wèi)星上配置完全一致的星間鏈路載荷設(shè)備，不同星間鏈路載荷設(shè)備之間具備天然的可互換性，不同衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)之間連接，只是擴(kuò)頻碼不同，頻點(diǎn)和調(diào)制方式完全相同。因此，在測(cè)試衛(wèi)星物理鏈路時(shí)，可以用星地鏈路(衛(wèi)星到地面站)來(lái)替代星星鏈路(衛(wèi)星到衛(wèi)星)，由于星地鏈路存在大氣層、電離層等衰減因素，總體環(huán)境比星星鏈路惡劣，所以，只要星地鏈路通過(guò)測(cè)試，則物理鏈路設(shè)計(jì)可以滿足星星鏈路的需求。同時(shí)，在測(cè)試過(guò)程中，要確保被測(cè)試衛(wèi)星和地面站一直保持連接，而且，不能改變被測(cè)試衛(wèi)星的正常工作流程。

2.2 測(cè)量數(shù)據(jù)收發(fā)測(cè)試

由于實(shí)際測(cè)量的星地鏈路而非星星鏈路，所以實(shí)際測(cè)量值(偽距值)是沒(méi)有變化的，即無(wú)法用此偽距值去計(jì)算實(shí)際距離和進(jìn)行時(shí)間同步，因此，只能用替代值來(lái)檢驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的傳送和處理流程是否正確。

2.3 通信數(shù)據(jù)測(cè)試

主要測(cè)試星間鏈路網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的通信數(shù)據(jù)的傳送以及數(shù)據(jù)的全網(wǎng)通達(dá)性，包括測(cè)試數(shù)據(jù)的覆蓋性以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧處理的正確性，即數(shù)據(jù)是否按照設(shè)計(jì)進(jìn)行發(fā)送、接收、中轉(zhuǎn)數(shù)傳、數(shù)據(jù)重傳、回復(fù)確認(rèn)等。

星間鏈路網(wǎng)絡(luò)存在幾種主要的數(shù)據(jù)傳輸需求，需要在地-星、星-星間實(shí)現(xiàn)可靠傳輸[7]；

1)鏈路管理信息傳輸；

2)運(yùn)控信息傳輸；

3)測(cè)控信息傳輸；

4)自主運(yùn)行信息傳輸。

根據(jù)上述測(cè)試需求分析，星間鏈路測(cè)試設(shè)備實(shí)際上是要構(gòu)建一個(gè)虛擬的導(dǎo)航星座全球系統(tǒng)星間鏈路網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，在其中運(yùn)行代表實(shí)際衛(wèi)星星間鏈路系統(tǒng)狀態(tài)與功能的模型節(jié)點(diǎn)，模擬產(chǎn)生各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)并驅(qū)動(dòng)其在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸。最為關(guān)鍵的是該設(shè)備構(gòu)成的虛擬網(wǎng)絡(luò)可以驅(qū)動(dòng)地面站使其成為一個(gè)放置于地面的偽衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，該偽衛(wèi)星隨著系統(tǒng)運(yùn)行充當(dāng)與被測(cè)試衛(wèi)星建鏈的不同衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)角色，由此將空中待測(cè)衛(wèi)星星間鏈路納入到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接入測(cè)試設(shè)備構(gòu)建的虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)真實(shí)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)與虛擬衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)相結(jié)合的星間鏈路全網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境，以此來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸性能的評(píng)估、優(yōu)化。星間鏈路測(cè)試設(shè)備由地面站和附屬設(shè)施組成，地面站主要完成與被測(cè)試衛(wèi)星的物理連接，其它功能由附屬設(shè)施完成。虛擬衛(wèi)星與真實(shí)衛(wèi)星連接示意圖如圖3所示。

圖3 虛擬衛(wèi)星和真實(shí)衛(wèi)星連接示意圖

需要特別指出的是，由于被測(cè)試衛(wèi)星已經(jīng)在空中正常運(yùn)行，不可能改變其正常工作流程，只可能微調(diào)部分參數(shù)來(lái)完成測(cè)試。也就是說(shuō)，在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，被測(cè)試衛(wèi)星是正常工作狀態(tài)，只需要其調(diào)整星間鏈路波束指向，使其在測(cè)試期間指向地面站，保證測(cè)試期間物理鏈路的連接。調(diào)整星間鏈路波束指向過(guò)程也必須遵循衛(wèi)星調(diào)整波束指向的正常工作流程。

3 星間鏈路測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

衛(wèi)星星座由一定數(shù)量的衛(wèi)星組成，但是其發(fā)射一般是逐顆發(fā)射[8]。在衛(wèi)星星座構(gòu)建早期，空中的已有衛(wèi)星不足以構(gòu)成導(dǎo)航星座全球系統(tǒng)星間鏈路網(wǎng)絡(luò)所必需的數(shù)量，在網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸性能方面難以進(jìn)行有效全面的驗(yàn)證，在星間網(wǎng)絡(luò)性能方面的驗(yàn)證更為有限，因此需要開(kāi)發(fā)專門的星間鏈路測(cè)試設(shè)備協(xié)助完成上述測(cè)試。

根據(jù)上述星間鏈路測(cè)試需求分析，星間鏈路測(cè)試設(shè)備要具備和被測(cè)試衛(wèi)星建立物理鏈路的能力。星間鏈路地面站具備一套和衛(wèi)星完全相同的相控陣星間鏈路射頻設(shè)備，星間鏈路測(cè)試設(shè)備利用它可以和空中的被測(cè)試衛(wèi)星建立起物理連接。

由于CSTDD體制的特點(diǎn)，即衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)單一頻點(diǎn)、扁平化的網(wǎng)絡(luò)，不存在中心管理節(jié)點(diǎn)，所有網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)地位都是平等的[9]。同時(shí)由于CSTDD的時(shí)分空分特性，即在某一時(shí)段，一顆衛(wèi)星只能和另一顆衛(wèi)星相連，不會(huì)出現(xiàn)一顆衛(wèi)星同時(shí)和多顆衛(wèi)星連接的情況。這些特點(diǎn)使得采用一套硬件設(shè)備模擬仿真整網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)成為可能。

根據(jù)CSTDD體制以及導(dǎo)航衛(wèi)星星座特點(diǎn)，每一顆衛(wèi)星在特定時(shí)刻的可見(jiàn)星(即可以與之建立物理連接的衛(wèi)星)都是確定的，可以根據(jù)衛(wèi)星的軌道參數(shù)事先推算出所有時(shí)刻的可見(jiàn)衛(wèi)星[10]，由于CSTDD體制用分時(shí)的辦法實(shí)現(xiàn)與不同衛(wèi)星的連接，為了提高連接效率，保證數(shù)據(jù)的全網(wǎng)通達(dá)，全網(wǎng)采用建鏈規(guī)劃表和路由表的方式來(lái)規(guī)定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的連接對(duì)象以及數(shù)據(jù)傳輸路徑。建鏈規(guī)劃表和路由表通過(guò)提前計(jì)算產(chǎn)生，并事先上注到被測(cè)試衛(wèi)星中。

由于被測(cè)衛(wèi)星是按照正常流程運(yùn)行，在選定測(cè)試時(shí)段后，為了確保被測(cè)試衛(wèi)星在測(cè)試時(shí)段內(nèi)指向位于地面的星間鏈路測(cè)試設(shè)備，可以將這段時(shí)間內(nèi)所有和被測(cè)衛(wèi)星有連接關(guān)系的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)軌道信息替換為虛擬指向星軌道信息，這個(gè)虛擬指向星位于被測(cè)試衛(wèi)星和地面站連接的延長(zhǎng)線上，根據(jù)CSTDD體制，和被測(cè)試衛(wèi)星連接的目標(biāo)衛(wèi)星切換以后，由于其軌道參數(shù)被虛擬指向星的軌道參數(shù)替代，可以保證被測(cè)試衛(wèi)星在測(cè)試時(shí)間段內(nèi)實(shí)際波束和地面站連接。使用虛擬指向星可以保證被測(cè)試衛(wèi)星不改變天線正常指向流程。虛擬指向星如圖4所示。

圖4 虛擬指向星示意圖

因?yàn)樵跍y(cè)試時(shí)段內(nèi)，所有和被測(cè)試衛(wèi)星連接的衛(wèi)星實(shí)際并不存在，而是由星間鏈路測(cè)試設(shè)備模擬產(chǎn)生的，因此這些衛(wèi)星稱為虛擬衛(wèi)星。所有的虛擬衛(wèi)星都運(yùn)行于星間鏈路測(cè)試設(shè)備中。假設(shè)有N個(gè)虛擬衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，則加上被測(cè)試衛(wèi)星，則參與數(shù)據(jù)傳輸?shù)男情g鏈路網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)為N+1個(gè)。星間鏈路測(cè)試設(shè)備根據(jù)被測(cè)衛(wèi)星參數(shù)、測(cè)試時(shí)間、參與連接的衛(wèi)星編號(hào)等信息產(chǎn)生建鏈規(guī)劃表和路由表，生成的建鏈規(guī)劃表和路由表涵蓋的節(jié)點(diǎn)為被測(cè)試衛(wèi)星和虛擬衛(wèi)星。衛(wèi)星的建鏈規(guī)劃表和路由表通過(guò)測(cè)控系統(tǒng)上注到被測(cè)試衛(wèi)星，其它N個(gè)虛擬衛(wèi)星的建鏈規(guī)劃表和路由表全部傳送到星間鏈路測(cè)試設(shè)備。同時(shí)，星間鏈路測(cè)試設(shè)備還產(chǎn)生虛擬衛(wèi)星的輔助文件，如通信數(shù)據(jù)文件、測(cè)控?cái)?shù)據(jù)文件等。

到達(dá)測(cè)試場(chǎng)景執(zhí)行時(shí)間后，被測(cè)試衛(wèi)星讀取建鏈規(guī)劃表，確定建鏈目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，衛(wèi)星的建鏈目標(biāo)節(jié)點(diǎn)共有N個(gè)，但是由于N個(gè)衛(wèi)星的軌道參數(shù)全部為虛擬指向星軌道，所以被測(cè)試衛(wèi)星的建鏈指向算法計(jì)算得到的方向全部指向地面站，接收某個(gè)特定衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的信號(hào)時(shí)采用該衛(wèi)星號(hào)對(duì)應(yīng)的擴(kuò)頻碼。

星間鏈路測(cè)試設(shè)備根據(jù)虛擬衛(wèi)星的輔助文件、N個(gè)虛擬衛(wèi)星的建鏈規(guī)劃表和路由表依次和被測(cè)試衛(wèi)星建立鏈路，星號(hào)對(duì)應(yīng)其擴(kuò)頻碼。這樣，被測(cè)試衛(wèi)星和地面站之間可以建立起物理鏈路。同時(shí)，虛擬衛(wèi)星和被測(cè)試衛(wèi)星組成N+1節(jié)點(diǎn)的星間鏈路網(wǎng)絡(luò)，在該網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行通訊數(shù)據(jù)傳輸和測(cè)量工作流程驗(yàn)證。

星間鏈路測(cè)試設(shè)備對(duì)于星間測(cè)量功能的只限于對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)處理流程的驗(yàn)證，由于此階段的測(cè)量值實(shí)際上是被測(cè)衛(wèi)星和地面站之間的距離，因此不能用于星間距離計(jì)算和時(shí)間同步處理。

星間鏈路測(cè)試設(shè)備產(chǎn)生需要在星間鏈路之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的傳輸按照星間鏈路數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議執(zhí)行。這樣，從被測(cè)試衛(wèi)星的角度來(lái)說(shuō)，在數(shù)據(jù)傳輸層面，和N個(gè)實(shí)際衛(wèi)星組網(wǎng)并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸是完全一致的。星間鏈路測(cè)試設(shè)備結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 星間鏈路測(cè)試設(shè)備結(jié)構(gòu)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

星間鏈路測(cè)試設(shè)備實(shí)現(xiàn)后，和空中衛(wèi)星進(jìn)行了星地聯(lián)合測(cè)試實(shí)驗(yàn)。具體參與實(shí)驗(yàn)物理設(shè)備為空中的一顆IGSO衛(wèi)星和星間鏈路測(cè)試設(shè)備。IGSO衛(wèi)星上的相控陣天線和星間鏈路測(cè)試設(shè)備的相控陣天線射頻設(shè)備進(jìn)行物理連接，實(shí)驗(yàn)所需的虛擬衛(wèi)星由星間鏈路測(cè)試設(shè)備產(chǎn)生。

實(shí)驗(yàn)主要驗(yàn)證星間鏈路的物理鏈路性能、測(cè)量數(shù)據(jù)處理流程、網(wǎng)絡(luò)通信性能是否滿足要求。

4.1 物理鏈路測(cè)試

物理鏈路性能測(cè)試中，采用衛(wèi)星發(fā)射、地面站接收和地面站發(fā)射、衛(wèi)星接收來(lái)檢驗(yàn)物理鏈路的上下行接口。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，星地鏈路的功率、信號(hào)頻率、碼速率、調(diào)制形式、碼型、信息速率、幀格式、時(shí)間信息等接口信息匹配良好，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。實(shí)驗(yàn)中，星地鏈路上下行鏈路均順利實(shí)現(xiàn)捕獲、跟蹤、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮?，表明星地鏈路滿足星間鏈路對(duì)物理鏈路的要求。因?yàn)樾堑劓溌窏l件比星星鏈路條件惡劣，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明星星鏈路可以滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 測(cè)量數(shù)據(jù)處理流程測(cè)試

在星地實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量數(shù)據(jù)主要驗(yàn)證處理流程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，測(cè)量數(shù)據(jù)可以完成實(shí)時(shí)傳送、打包、交換等功能，其處理流程正確，符合設(shè)計(jì)要求。

4.3 通信性能測(cè)試

星間鏈路網(wǎng)絡(luò)通信性能測(cè)試，可以驗(yàn)證數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的正確性，包括數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收、轉(zhuǎn)發(fā)、重傳等功能，為衛(wèi)星實(shí)際組網(wǎng)后的數(shù)據(jù)傳輸方案提供參考。實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，設(shè)定了不同的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。

根據(jù)CSTDD體制，每顆星最多同時(shí)可見(jiàn)的衛(wèi)星數(shù)量為8顆，因此，在虛星數(shù)量設(shè)置上，分別選取4顆、6顆、8顆，以模擬衛(wèi)星實(shí)際運(yùn)行時(shí)的不同場(chǎng)景[11]。在通信數(shù)據(jù)處理中，分為正常接收發(fā)送、轉(zhuǎn)發(fā)、應(yīng)答、重傳4種操作，可以覆蓋通信網(wǎng)絡(luò)的全部功能。從通信數(shù)據(jù)的類別上，分為: 鏈路管理數(shù)據(jù)、運(yùn)控?cái)?shù)據(jù)、測(cè)控?cái)?shù)據(jù)、自主運(yùn)行數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)體現(xiàn)在數(shù)據(jù)包類型、傳輸優(yōu)先等級(jí)和傳輸可靠性的不同。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)定條件如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)定

每種數(shù)據(jù)發(fā)送50幀，通過(guò)節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)和原始發(fā)送數(shù)據(jù)比對(duì)來(lái)判斷數(shù)據(jù)接收是否正確。

根據(jù)星間鏈路網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，統(tǒng)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)連通性、平均通信傳播時(shí)延(以時(shí)隙為單位)、通信信道占用率、誤幀率等指標(biāo)，對(duì)星間鏈路網(wǎng)絡(luò)通信性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，各項(xiàng)指標(biāo)表明，星間鏈路網(wǎng)絡(luò)符合設(shè)計(jì)要求，可以滿足傳輸各類數(shù)據(jù)的需求。

表2 星間鏈路網(wǎng)絡(luò)通信性能分析

綜上所述，星間鏈路測(cè)試設(shè)備利用一臺(tái)地面站的相控陣天線射頻設(shè)備，和空中的被測(cè)試衛(wèi)星進(jìn)行物理連接，驗(yàn)證了星星物理鏈路的可行性，對(duì)星間鏈路測(cè)量流程進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)星間鏈路的全網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行了測(cè)試，數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)連通性、平均傳播時(shí)延、通信信道占用率、誤幀率等方面均滿足要求。測(cè)試結(jié)果表明，星間鏈路CSTDD體制可以滿足衛(wèi)星組網(wǎng)需求，后續(xù)的衛(wèi)星組網(wǎng)過(guò)程也驗(yàn)證了這一結(jié)論。

5 結(jié)束語(yǔ)

導(dǎo)航衛(wèi)星星座發(fā)射的過(guò)程中，在衛(wèi)星數(shù)量還不滿足組網(wǎng)的條件下，存在測(cè)試衛(wèi)星星間鏈路全網(wǎng)性能的客觀需求，為此，依托單臺(tái)地面站設(shè)備，開(kāi)發(fā)了星間鏈路測(cè)試設(shè)備。在實(shí)際測(cè)試中，被測(cè)試衛(wèi)星不改變正常工作流程，星間鏈路測(cè)試設(shè)備依托地面站的單臺(tái)射頻設(shè)備，和被測(cè)試衛(wèi)星建立物理鏈路。同時(shí)，星間鏈路測(cè)試設(shè)備模擬產(chǎn)生多顆虛擬衛(wèi)星，和被測(cè)試衛(wèi)星組成星間鏈路網(wǎng)絡(luò)，在該網(wǎng)絡(luò)中傳輸模擬數(shù)據(jù)，驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)恼_性。根據(jù)實(shí)際測(cè)試結(jié)果，星間鏈路網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接入測(cè)試設(shè)備可以完成星間鏈路業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)模擬、星座軌道與星間觀測(cè)數(shù)據(jù)模擬、試驗(yàn)項(xiàng)目性能評(píng)估與分析、星間鏈路傳輸控制與路由仿真、星間鏈路數(shù)據(jù)交互接入等功能，CSTDD體制符合星間鏈路網(wǎng)絡(luò)的需求?？傊情g鏈路測(cè)試設(shè)備實(shí)現(xiàn)了基于地面站的星間鏈路全網(wǎng)測(cè)試技術(shù)，以有限的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，利用虛擬衛(wèi)星，完成了衛(wèi)星星座全網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏y(cè)試工作，為衛(wèi)星整體組網(wǎng)提供了技術(shù)支撐。