导航卫星星间链路特点-航天器天线设计技术

在全球卫星导航系统中，维持较高的卫星轨道和钟差确定精度，是确保导航接收终端获得系统要求的定位或授时精度的关键。通常，为获得精确的轨道和钟差参数，需要在全球范围布设大量地面站进行连续观测。在全球导航星座内部建设星间链路后，通过少数的监测站即可获得精密轨道参数，星间链路还可以增加星历注入频度，而这两点均直接影响导航定位精度。当注入数据无法上注到星上导航任务处理单元时，通过星间距离观测值和预报星历、时钟数据，可以提高星座的自主运行能力。此外，地面站的测控、运控信息可以通过星间链路进行传输，从而可大大增强地面站对星座的测控管理能力。

因此，利用星间链路，导航卫星星座可以支持星地联合定轨与时间同步、全球星座实时测控管理，并实现导航星座自主导航等功能，从而提高地面对系统的管理能力，增强系统的自主运行能力。

GPS系统星间链路的定位是随着系统任务的变化不断升华的，从支持核爆探测信息传输，到支持自主导航的星间测距和信息传输，再到全面支持空间综合信息网络通信。从1978年起发展至今，GPS星座已迈向第3代。最初的Block-I没有星间链路，Block-IIA有星间链路，但是不具备测距功能。从1997年至今的Block-IIR系列，开始具备自主导航功能的UHF星间链路，采用的是UHF螺旋阵列天线。在下一代GPS Block-Ⅲ星座的规划中，将采用Ka或V频段的星间链路天线。

我国星间链路的研究起步较晚，北斗一代及二代导航卫星并无星间链路通信功能，在北斗三代卫星系统中增加了星间链路功能，在试验星中对反射面和相控阵两种星间链路体制同时进行了试验验证。在此基础上，北斗三号导航卫星将采用相控阵星间链路体制。

北斗三号工程建设的全球卫星导航系统，包括24MEO+3GEO+3IGSO共30颗卫星，即中高度轨道（Medium Earth Orbit，MEO）24颗卫星，地球同步轨道（Geostationary Orbit，GEO）3颗卫星，倾斜地球同步轨道（Inclined Geosynchronous Satellite Orbit，IGSO）3颗卫星。星座轨道如图5-1所示，它将提供全球导航服务。卫星上搭载Ka相控阵天线，用于建立Ka频段的星间链路。

图5-1　北斗三号星座轨道示意

从工作模式上区分，星间链路天线主要用于建立三类链路：静态链路、动态链路、星地链路。其中静态链路主要用于平时星间通信和测距，可以对星座进行连续测控，解决全球布站难的问题；动态链路主要用于特殊业务时的星间测距，可以在短期内使星座自主运行，并保持一定的定位精度；星地链路主要用于在轨测试。

静态链路选择在互相永久可见的MEO卫星之间建立。动态链路要根据最佳的导航定位精度要求进行链路拓扑的选择。

从建立链路的对象来区分，星间链路天线可用于建立MEO卫星之间的低低链路，也可用于建立MEO卫星和GEO/IGSO卫星之间的高低链路。

（1）静态链路

为了保障导航卫星星座的全球测控功能，要求建立静态链路，即星间链路只在距离大于5 000 km、互相永久可见的卫星之间建立。(www.xing528.com)

首先对MEO卫星星座低低链路的波束覆盖范围进行分析：

（a）对于同轨卫星而言，7颗同轨卫星中，除1颗被地球遮挡不可见之外，其余6颗卫星最大的视角为θ=68°；

（b）对于异轨卫星而言，16颗异轨卫星中，有4颗存在间歇性地球遮挡，2颗运动范围θ角超过70°；

因此，θ∈［0°，70°］，φ∈［0°，360°］的波束覆盖范围，能够覆盖到所有可见的同轨卫星，以及10颗异轨卫星，共16颗卫星。

而高低链路的波束覆盖范围分析如下：对于GEO/IGSO卫星，所有的MEO卫星均出现在±46.3°锥角的范围之内，如图5-2所示。由于GEO/IGSO卫星轨道更高，所以它们对MEO卫星有限的视角来说，不是永久可见的。

因此，星间链路天线波束具有θ∈［0°，70°］，φ∈［0°，360°］的波束覆盖范围，能够使MEO卫星覆盖16颗永久可见的MEO卫星，使GEO/IGSO卫星覆盖所有的永久可见MEO卫星。

采用Ka反射面天线建立静态链路时，每颗卫星与特定的多颗卫星建立静态链路时，并可以根据拓扑表切换建链目标。Ka反射面天线静态链路是收发频分全双工的，优点是建立不间断的通信链路，适用于星间通信。

（2）动态链路

图5-2　MEO/GEO/IGSO卫星视场角度

动态链路在距离大于5 000 km、互相可见的MEO、GEO、IGSO卫星之间建立。根据链路指向范围分析，Ka频段星间链路天线波束在θ∈［0°，60°］，φ∈［0°，360°］的扫描范围就能覆盖8颗以上可见卫星，能够满足MEO/GEO/IGSO卫星之间建立动态链路的需求。

采用Ka相控阵天线建立动态链路时，每颗卫星具有与天线视场内所有卫星建立动态链路的能力。Ka相控阵天线动态链路是收发同频、时分半双工的，可以快速切换波束指向，同时具有在轨时延监测和校正的功能。动态链路的优点是具有更好的空间测量几何分布特性，适用于星间测距。