一种适用于微小卫星多卫编队的一体化测量通信方法与流程

本发明属于卫星通信与测控技术领域，具体涉及一种适用于微小卫星多卫编队的一体化测量通信方法。

背景技术：

卫星编队的发展正处于双星向多星的转型期，同时，随着微小型航天技术的进步，微小型多星编队的时代即将来临。卫星编队协同工作的前提和基础是星间相对位置感知和编队时间标准统一，虽然gps(globalpositioningsystem，全球定位系统)可以为卫星编队提供定位和校时服务，但是相较于星间rf链路测量法，基于gps的相对定位和校时方法存在精度低、测量数据处理复杂、需要星间链路传递解算信息等不足，因此为了不受限于gps等导航系统的限制，以适应未来卫星编队的深空探测任务，卫星编队必须具备基于星间链路的自主相对位置感知和在轨实时时差测量这两大基础功能。

然而在现阶段，虽然星间测距和时差测量已经有所研究，但是由于各个研发机构独立的开发各自星间测控系统，没有形成一套完整的协议和技术标准，这导致各系统之间的通用性差，无法互相兼容，在某种程度上制约了微小卫星编队进一步发展。此外，当前的星间测控系统几乎是基于一对一的拓扑结构，虽然时分复用或频分复用可以让这类系统直接移植到多星编队应用中，但是由于卫星距离远，传播延迟大，时分复用方案显得效率低下，并且不能保证测量的实时性；频分复用方案则对星上资源和空间频带资源提出了很高的要求，这对于微小型化的卫星而言是一笔无法承受的开销。

当前基于星间链路的测距方案主要有测距信号转发和测距信号对发两种模式，测距信号转发模式虽可以避免引入转发卫星的参考频率源噪声(wangc,zhoumc.novelapproachtointersatellitedistancemeasurementwithhighaccuracy[j].journalofguidancecontrol&dynamics,2014,38(5):944-949.)，但同时失去了测量两个卫星时差的可能；测距信号对发模式的测距精度相对较低，但从理论上可以支持星间时差测量。

twstft(two-waysatellitetimeandfrequencytransfer)是一种基于星间链路的时差测量方法(liyg,lihx,zhangh.reductionforthetwo-waysatellitetimeandfrequencytransfer[j].actaastronomicasinica,2002,43(4):422-431.)，该方法需要每个卫星都装备高精度原子钟、1pps脉冲发生器和高精度时间间隔计时器，上述三个设备不仅成本昂贵，违背了低成本微小卫星的初衷，而且高耗能，无法在微小卫星上使用。

技术实现要素：

鉴于上述，本发明提供了一种适用于微小卫星多卫编队的一体化测量通信方法，该协议确定了通信体制，对测距和时差测量方案做了兼容性改进，解决了卫星编队内部的相对测量、测控数据通信及其标准化问题。

一种适用于微小卫星多卫编队的一体化测量通信方法，在一个扩频应答机上同时实现多卫星相对测距和多卫星在轨自主时差测量，具体如下：

主星和从星的应答机均采用扩频体制，主从两星之间距离测量采用双程对发测距原理，通过对比伪码测距信号在特征信号发送和接收时刻的相位差，实现传播时延的测量，从而计算星间距离；主从两星之间时差测量的前提条件是两星的扩频应答机和时钟均由同一个频率源驱动，通过对比双方特征信号产生时刻应答机发射机的伪码相位，获得两星发射机在各自特征时刻的发射机伪码相位差，再利用同频率源的前提条件，完成两星时间差的解算。

本发明支持一对多的拓扑结构，即包括一个主星和若干个从星，主从之间通过扩频伪码的正交性实现多址接入，主星到从星的链路称为下行链路，反向链路则称之为上行链路，上下行链路频分。

进一步地，主从两星之间的通信涉及物理层和数据链路层，其中物理层采用扩频调制方式，在调制时伪码和调制数据码元是相干的，即数据码元的跳变时刻就是扩频伪码序列的起始时刻，并且满足tb＝k×tpn，tb为数据码元的持续时间，tpn为一个伪码序列周期的持续时间，k为正整数。

进一步地，所述物理层涉及两种传输通道：物理层测量通道和物理层数据通道，两个通道的原始码流通过加扰、扩频后，分别用正交载波调制。

进一步地，所述物理层的传输帧长度固定且无间隔地连续发送，传输帧由以下几部分组成：

传输帧帧头，长度为1个字节，码字为8bh，其为每个传输帧的定界符，帧头起始时刻即是测距和时差测量的特征信号；

传输帧信息区，长度为1字节，高四位标注传输帧版本，低四位为源地址；

传输帧帧计数区，长度为1字节，0～255循环，每个传输帧加1；

传输帧负载区，装载若干个数据包(包含伪码相位以及卫星测控数据)，负载区长度为lload字节：

其中：ltot为传输帧的总长度，单位为比特，表示向下取整；

传输帧校验区，填充8位crc校验码，占用1个字节；

传输帧填充区，为连1序列，长度lgp＝ltot-8×(lload+4)，单位为比特，用于调整传输帧长度。

进一步地，所述数据链路层采用短小且长度固定的数据包，数据包由数据包包头和数据包内容区组成；数据包内容区长度为4字节，承载待传输内容；数据包包头长度为1字节，高四位为目的地址，低四位为包类型，其中包类型分为以下几种：

时差测量数据包，装载时差测量码；

测距数据包，装载测距码；

信令数据包，装载信令；

用户数据包1，装载用户数据的首个数据包；

用户数据包2，装载用户数据的中间数据包；

用户数据包3，装载用户数据的末尾数据包。

进一步地，主从两星之间距离测量和时差测量的过程如下：

(1)从星在上行传输帧帧头时刻采样下行传输帧的伪码相位，将其填入上行传输帧负载区；

(2)主星在下行传输帧帧头时刻采样上行传输帧的伪码相位，将其填入下行传输帧负载区；

(3)主星在上行传输帧帧头时刻采样下行传输帧的伪码相位，并从上行传输帧负载区获取伪码相位，从而解算出两星间距；

(4)从星解析下行传输帧负载区中数据包包头，若地址与自身匹配，则从下行传输帧负载区获取主星的伪码相位，从而解算出两星时差；

两星间距＝k(主星采样得到的伪码相位-主星从上行传输帧负载区中获取的伪码相位)/2，k＝lc，c为真空中的光速；

两星时差＝l(从星采样得到的伪码相位-从星从下行传输帧负载区中获取的伪码相位)/2，l＝1/(2πf1)，f1为伪码相位的频率。

本发明一体化测量通信协议不仅改进了时差测量方法，而且标准化了一种兼容时差测量、相对测距、数据通信的协议，该协议不仅可以满足星间测控的基本需求，而且还能拓展到卫星编队中使用，对于微小卫星多星编队有着巨大的应用价值。

附图说明

图1为卫星多卫编队的拓扑结构示意图。

图2为本发明通信协议物理层调制示意图。

图3为本发明通信协议中传输帧的格式示意图。

图4为本发明通信协议分层模型示意图。

图5为本发明通信协议的测距原理示意图。

图6为本发明通信协议的时差测量原理示意图。

图7为本发明通信协议的数据传输流程示意图。

图8为本发明通信协议中dcp重发状态转移示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明多星测量通信一体化协议中，主星和从星的应答机均采用扩频体制；测距采用双程对发测距原理，通过对比伪码测距信号在特征信号的发送和接收时刻的相位差，实现传播时延的测量，从而计算星间距离；时差测量的前提条件是卫星的扩频应答机和卫星的时钟均由同一个频率源驱动，通过对比双方特征信号产生时刻应答机发射机的伪码相位，获得两星发射机在各自特征时刻的发射机伪码相位差，再利用同频率源的前提条件，完成两星时间差的解算。

本发明通信协议支持一对多的拓扑结构，其中包括一个主星和若干个从星，如图1所示，协议通过扩频伪码的正交性实现多址接入，主星到从星的链路称为下行，反向链路则称之为上行，上下行链路频分。

本发明通信协议涉及物理层和数据链路层，其中物理层采用扩频调制方式，在调制时，伪码和调制数据码元是相干的，即数据码元的跳变时刻就是扩频伪码序列的起始时刻，并且满足关系tb＝k·tpn，tb是数据码元的持续时间，tpn是一个伪码序列周期的持续时间，k是正整数。

本发明通信协议的物理层涉及两种传输通道：物理层测量通道(pmch)和物理层数据通道(pdch)，上述两个通道的原始码流通过加扰、扩频后，分别用正交载波调制，如图2所示。

本发明通信协议的物理层的传输帧长度固定且无间隔地连续发送，图3给出了一种传输帧长度为400比特的格式示意，传输帧由以下几部分组成：

(1)传输帧帧头(deli)，长度1个字节，码字为8bh，传输帧帧头是每个帧的定界符，帧头起始时刻就是测距和时差测量的特征信号；

(2)传输帧信息区(info)，长度1字节，高四位标注传输帧版本，低四位代表原地址；

(3)传输帧帧计数区(cnt)，长度1字节，0～255循环，每个传输帧加一；

(4)传输帧负载区(load)，装载若干个数据包，负载区长度为lload字节：

式中：ltot为传输帧的总长度，单位比特，表示不大于α的最大整数；

(5)传输帧校验区(crc)，采用8位crc校验，占用一个字节；

(6)传输帧填充区(gp)，为连1序列，长度lgp＝ltot-8×(lload+4)，单位比特，用于调整传输帧长度。

本发明通信协议的数据链路层采用短小且长度固定的数据包(pack)，数据包由以下几部分组成：

(1)数据包包头，长度1字节，高四位代表目的地址，低四位代表包类型，其中包类型分为以下几种：

a.时差测量数据包：装载时差测量码；

b.测距数据包：装载测距码；

c.信令数据包：装载信令；

d.用户数据包1：装载用户数据的首个数据包；

e.用户数据包2：装载用户数据的中间数据包；

f.用户数据包3：装载用户数据的末尾数据包；

其中，a与b统称为测量数据包(mcp)，d～f统称为用户数据包(dcp)，信令数据包(scp)自成一类；数据类型由4个比特表示，共有16种组合，上述只涉及6种类型，剩余类型定义为预留类型。

(2)数据包内容区，长度4字节，承载待传输内容；数据包的长度由基于伪码的测距系统的分辨率决定，若伪码码片速率为fcp＝5.115mcps，一个gold码周期包含ng个伪码码片，码片计数器长度y＝log2ng，码片内相位用x比特二进制数表示，传输帧内的码元计数器用z比特二进制数表示，测距码最小分辨率dmin为：

式中：c代表光速，测距的最大无模糊距离dmax为：

基于扩频伪码的测距精度一般为厘米级，因此当x＝14时，测距分辨率dmin可达0.0036米；若ng＝1023，k＝1，数据包内容区长度为4字节，即x+y+z+log2k＝32，最大无模糊距离为7680公里，可以满足大部分的测距需求。在上述条件下，时差测量的最小分辨率tmin和最大无模糊时差tmax分别为：

时差测量精度一般为几十皮秒，因此当x＝22时，时差测量分辨率tmax可达0.046皮秒，最大无模糊时差为100微秒；增加z字段的长度可以增加无模糊距离或无模糊时差，但是最小测距分辨率和时差分辨率将随之增大，在实际应用中，协议可以增加多种包类型以兼容不同x、y、z、k的取值，从而满足各种应用场景的需求。

本发明通信协议中的pmch优先承载mcp和scp，若有带宽空余，则可同时传输dcp，如果当前dcp发送量较大，则临时开通pdch进行dcp数据传输；一般而言，为了保证测量精度，从星发射机只激活一路pmch，将scp和dcp复用于pmch中。

本发明通信协议的分层模型如图4所示，数据链路层分别由mac子层、rtm子层、msc子层和dpm子层组成。mac子层负责功率控制，并产生和处理信令；rtm层通过物理层伪码相位信息和mcp内含信息解算卫星时差和星间距离；msc子层作用是校验传输帧的正确性、添加pack之外传输帧的必要信息；dpm子层将pack分发给不同子层，并且为dcp提供可靠性保障，此外，该层负责pack到pmch和pdch映射工作。图4中箭头a、b为串行的数据流，箭头c、d、e、f分别表示各种类型的pack，箭头i代表了物理层功的控制与反馈接口，箭头h代表物理层测量相位采集接口，箭头g是多星测量通信一体化协议和上层系统的接口。

本发明通信协议定义“传输帧帧头起始时刻”为“特征时刻”，其相对测距原理如图5所示，测距时，从星在发射机的特征时刻(t1)采样接收机的伪码相位，并将其定义为测距码，记做主星在接收机的特征时刻(t2)采样发射机的伪码相位，将其定义为测距码，记做φa(t2)，由于从星传输帧经过δt的传播延迟后到达主星，因此t2＝t1+δt，那么φa(t2)＝φa(t1+δt)。又因为从星的传输帧到达主星也经过了δt的传播延迟，因此我们可以用主星δt时刻之前的测距码相位来替代从星接收机采样所得的测距码相位，那么将φa(t2)与做差，并除以测距码频率f，得到：

因此，只要从星测得后，再将发送回主星，主星就能求出传播延迟，并根据光速计算出星间距离。

本发明通信协议的时差测量原理如图6所示，时差测量的前提条件是：扩频应答机的伪码和调制数据码元相干，并且应答机和卫星时钟同源。时差测量包括以下步骤：

(1)主星在发射机的特征时刻t1采样接收机的伪码相位，并将其定义为时差测量码，记作其中上标rx代表接收机，下标1代表主星。由于码元与伪码序列相干，因此特征时刻法发射机的时差测量码相位为零；同时，从星也在发射机的特征时刻t2采样接收机的伪码相位，获得从星的时差测量码

(2)主星将时差测量码发送给从星。

(3)从星解调后获得由于上下行链路对称，因此信号在上下行的传播延迟相等，将延迟记做δt，那么主星接收时刻的时差测量码可以用从星发送时刻替代：

同理从星接收时刻的时差测量码可以用主星发送时刻替代：

将时差测量码做差，记做δφ，化简可得：

式中：f1为时差测量码的频率，δφ实际表征了两个卫星各自发射机特征时刻对侧发射机时差测量码的相位差，而卫星发射机和卫星时钟由同一个晶振驱动，因此，卫星时钟和发射机时差测量码之间是相关的，那么δφ也可以用于表征两星各自特征时刻的钟面时间差δt，即：

本发明通信协议的数据传输流程如图7所示，图中虚线框代表了数据链路层中的四个子层，rtm子层和mac子层产生和处理相应pack，而dpm子层和msc子层在发送和接收时的处理流程需要特别说明，左半部分为发送端处理流程，右半部分为接收端处理流程。

发送端处理流程如下：

t1：用户数据包(dcp)在dpm子层中先存入缓存，依据先入先出顺序发送。

t2：测量数据包(mcp)和信令数据包(scp)优先级高，直接装载入load，当load存有空余，则从缓存提取相应数量的dcp装载入load。

t3：dpm子层将load发送给msc子层，msc子层首先计算该传输帧的crc校验信息，然后按照帧格式在load前后添加帧头、帧信息、帧计数、crc、填充数据等，使之与load一起组成完整的传输帧。

t4：msc子层接着将携带测量信息的传输帧以比特流的形式映射到pmch中，将携仅带用户数据的传输帧以比特流的形式映射到pdch中。

t5：物理层接着对pdch和pmch的比特流进行加扰、扩频调制，然后混频发射。

接收端处理流程如下：

r1：物理层对信号进行解扩，并提取出原始接收数据流。

r2：msc子层搜索传输帧帧头，完成数据流的帧同步，并对传输数据进行crc校验，校验成功则继续r3步骤，否则丢弃该传输帧。

r3：msc子层提取帧信息、帧计数以及数据包，并提交给dpm子层。

r4：dpm子层根据pack的类型向rtm子层、mac子层和dcp保障模块分发相应类型的数据包。

r5：可靠性保障模块以传输帧的连续性为标准，如果接收到的cnt是连续的，那么此次dcp发送是可靠的，否则dcp可靠性保障模块会告知mac子层生成相应信令请求重发。

dcp可靠性保障状态转移过程如图8所示，类似于回退n式arq机制，发送端首先一次性发送完所有的dcp，然后侦听对方的反馈结果，如果在规定的时间内没有收到反馈结果，该次dcp全部重发；如果收到反馈结果为x，则从第x个传输帧开始重发，若x为dcp发送的总个数时，表明该次dcp的传输正确，重新回到空闲状态，等待下一次dcp发送任务。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。