基于时空先验建链信息的空分时分星间链路快速建链方法
【专利摘要】一种基于时空先验建链信息的空分时分星间链路快速建链方法，其步骤为：（1)计算下一个有效测量通信时隙到达时刻TOA；（2）计算下一个有效测量通信时隙卫星A到卫星B的位置矢量和速度矢量，将速度矢量投影到位置矢量方向获得到达多普勒信息FOA；（3）由卫星A、B预报星历参数，分别计算卫星A、B在下一测量通信时隙相对于地心惯性坐标系的位置，计算下一测量通信时隙卫星A质心到卫星B质心的质心方向矢量；通过换算得到在卫星A天线坐标系下卫星A的天线指向欧拉角，进而建立卫星A、B之间的星间链路。本发明能实现扫描波束天线快速对准与星间链路扩频信号低代价捕获，降低了星间链路星载荷建链时间与复杂度，提高了可靠性。
【专利说明】基于时空先验建链信息的空分时分星间链路快速建链方法
【技术领域】
[0001]本发明主要涉及到卫星网路领域，特指一种空分时分星间链路系统的时空先验建链信息计算方法，适用于基于空分时分多址星间链路系统的卫星编队或星座网络快速建立链路。
【背景技术】
[0002]星间链路的作用主要有两类，即相对测量和星间通信，已广泛应用于导航、通信等领域，如GPS卫星导航系统、Iridium (铱星)通信卫星系统。星间链路可实现卫星编队或卫星星座系统在仅配置少数监测站的情况下通过星间链路的精密测量获得轨道上其它弧段的测量信息，从而达到获得精密轨道参数的能力。
[0003]卫星星座星间链路网络是一类特殊复杂的卫星网络，具有典型的扁平化无中心的特征，是一个具有一定数量对等节点的无线网络。星座星间链路网络需要实现在时间约束条件下的多点对多点测量，为完成精密测量功能，卫星系统通过星间链路播发和接收扩频测距信号进行卫星之间的精密测距，扩频信号的捕获是一个伪码和载波二维搜索的过程，搜索范围的大小直接决定信号捕获的快慢程度和实现难度。当星间链路使用无线电测距方法完成精密测距与时间同步时，不同轨道面上的卫星相对运动较大，给测量信号带来较大的多普勒频移，从而增大了信号的捕获范围，给捕获带来了一定的难度，特别是对于星上计算资源受限的情况。目前，基于这种时空关系确定、大动态的星间链路的建链问题尚未解决，各个卫星星座建链时都可不避免地遇到了快速建链的问题。
[0004]当星座中任意两颗卫星之间建立测量通信链路时，如果不采用先验知识，根据星间距离和多普勒变化情况，在时间维上需要搜索的范围为[tmin，tmax](对应最小距离和最大距离的时延)，在频率维上搜索的范围为[-fT.v/c, fT.v/c]，其中4是信号的发射频率，C为光速，V对应最大相对速度。如果信号体制设计的码速率为10.23Mbps，伪码长度为10230，信号的发射频率为20GHz，需要搜索的整个伪码周期，即10230个码片，多普勒范围为±313.3KHz，按照通常半个码片的伪码搜索间隔和IKHz的频率搜索间隔，要搜索的格点数多达12820240，给捕获实现带来较大的难度。对于卫星星座而言，时间同步和精密定轨是星座系统运行的基础，星座中的卫星均处于一个高精度的时空基准中。星间链路系统实时广播星历的精度可以达到米级，钟差达到纳秒级，每颗卫星根据星历可以得到自身和其它卫星的坐标和速度，从而可以估计出测量时刻信号的到达时间和多普勒频率，极大地缩小信号的搜索范围，简化了信号捕获的实现复杂度。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题就在于:针对现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种能实现扫描波束天线快速对准与星间链路扩频信号低代价捕获、大大降低星间链路星载荷建链时间与复杂度、提高可靠性的基于时空先验建链信息的空分时分星间链路快速建链方法。[0006]为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为:
[0007]一种基于时空先验建链信息的空分时分星间链路快速建链方法，为星座中任意两颗卫星A、B之间建立星间链路，卫星A作为主星，卫星B作为从星，其步骤为:
[0008](I):计算下一个有效测量通信时隙到达时刻TOA ;利用发射卫星A和接收卫星B的卫星星历信息计算发送时刻为h的星间链路信号到达时刻t2，采用时延迭代估计算法得到t2估计值5
[0009](2):在计算完成到达时刻TOA的基础上，计算下一个有效测量通信时隙卫星A到卫星B的位置矢量和速度矢量，将速度矢量投影到位置矢量方向获得到达多普勒信息FOA ；
[0010](3):由卫星A、B预报星历参数，分别计算卫星A、B在下一测量通信时隙相对于地心惯性坐标系的位置，计算下一测量通信时隙卫星A质心到卫星B质心的质心方向矢量；经由坐标转换和卫星A天线相位中心与卫星A质心相对关系换算得到在卫星A天线坐标系下卫星A的天线指向欧拉角，进而建立卫星A、B之间的星间链路。
[0011]作为本发明的进一步改进:所述步骤(1)的具体步骤为:
[0012](1.1):根据星历可以得到&时刻卫星A在J2000坐标系中的坐标Pjt1)；
[0013](1.2):选取迭代初值tAB1，其中O ( tAB1 ( tmax，根据星历计算ti+tAB1时刻卫星B在J2000坐标系中的坐标PBajtm)；
[0014](1.3):根据Pa (t)和Pb (t!+tAB1)求解出两点之间的传输延迟，记为
【权利要求】
1.一种基于时空先验建链信息的空分时分星间链路快速建链方法，为星座中任意两颗卫星A、B之间建立星间链路，卫星A作为主星，卫星B作为从星，其特征在于，步骤为: (1):计算下一个有效测量通信时隙到达时刻TOA;利用发射卫星A和接收卫星B的卫星星历信息计算发送时刻为h的星间链路信号到达时刻t2，采用时延迭代估计算法得到t2估计值匕； (2):在计算完成到达时刻TOA的基础上，计算下一个有效测量通信时隙卫星A到卫星B的位置矢量和速度矢量，将速度矢量投影到位置矢量方向获得到达多普勒信息FOA ； (3):由卫星A、B预报星历参数，分别计算卫星A、B在下一测量通信时隙相对于地心惯性坐标系的位置，计算下一测量通信时隙卫星A质心到卫星B质心的质心方向矢量；经由坐标转换和卫星A天线相位中心与卫星A质心相对关系换算得到在卫星A天线坐标系下卫星A的天线指向欧拉角，进而建立卫星A、B之间的星间链路。
2.根据权利要求1所述的基于时空先验建链信息的空分时分星间链路快速建链方法，其特征在于，所述步骤(1)的具体步骤为: (1.0:根据星历可以得到A时刻卫星A在J2000坐标系中的坐#PAU1)； (1- 2):选取迭代初值tAB1，其中O ( tAB1 ( tmax，根据星历计算时刻卫星B在J2000坐标系中的坐SpbUmabi)； (1.3):根据PJt1)和PJh+tAB)求解出两点之间的传输延迟，记为tm，
3.根据权利要求1所述的基于时空先验建链信息的空分时分星间链路快速建链方法，其特征在于，所述步骤(2)的具体步骤为: (2.1):根据到达时刻TOA迭代算法获得到达时刻估计值/ (2.2):计算出h时刻卫星A的坐标PJt1)和?2时刻卫星B的坐标巧(V); (2.3):计算卫星A到卫星B的位置矢量PabU1):
4.根据权利要求1所述的基于时空先验建链信息的空分时分星间链路快速建链方法，其特征在于，所述步骤(3)的具体步骤为: (3.1):进行初始化和相关参数配置，如天线相对卫星的安装位置与姿态； (3.2):读入卫星A预报星历参数，计算卫星A在下一测量通信时隙相对于地心惯性坐标系的位置； (3.3):读入卫星B预报星历参数，计算卫星B在下一测量通信时隙相对于地心惯性坐标系的位置； (3.4):计算下一测量通信时隙，在地心惯性坐标系下，卫星A质心到卫星B质心的质心方向矢量，包括距离大小和方向欧拉角； (3.5):依据卫星姿态、质心方向矢量以及天线安装位置，将地心惯性坐标系下的质心方向矢量欧拉角，转换为卫星A本体坐标系下的天线指向欧拉角； (3.6):读入卫星A配置的天线安装姿态信息； (3.7):将卫星A本体坐标系下的天线指向欧拉角，转换为天线坐标系下的天线指向欧拉角； (3.8):输出天线指向欧拉角。
5.根据权利要求4所述的基于时空先验建链信息的空分时分星间链路快速建链方法，其特征在于，所述步骤(3.5)的具体步骤为: (3.5.1):读入卫星A轨道的六个轨道根数； (3.5.2):将在地心惯性坐标系(X，Y, Z)下的卫星质心方向矢量欧拉角转换到在卫星A运动坐标系(Xr, Yr, Zr)下的卫星质心方向矢量欧拉角； (3.5.3):从卫星A惯导系统或其星敏感器，读入卫星A姿态； (3.5.4):将在卫星A运动坐标系(Xr，Yr, Zr)下的卫星质心方向矢量欧拉角转换到在卫星A本体坐标系(Xs，Ys，Zs)下的卫星质心方向矢量欧拉角； (3.5.5):读入卫星A配置的天线安装位置信息； (3.5.6):确定相位中心在卫星A本体坐标系(Xs，Ys，Zs)下的位置坐标； (3.5.7):读入步骤4卫星质心方向矢量的大小，即卫星相对距离大小； (3.5.8):在卫星A本体坐标系(Xs, Ys, Zs)下，依据(3.5.4)得卫星质心方向矢量欧拉角、(3.5.6)得天线相位中心坐标以及(3.5.7)读入卫星相对距离，解在卫星A本体坐标系下的天线对 准方向。
【文档编号】H04W84/06GK103546211SQ201310530827
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年10月31日 优先权日:2013年10月31日
【发明者】杨俊 , 周永彬, 陈建云, 郭熙业, 林金茂, 李献斌 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学