一种适用于微小卫星多卫编队的一体化测量通信方法技术

本发明专利技术公开了一种适用于微小卫星多卫编队的一体化测量通信方法，协议的物理层采用扩频体制，在两个正交的载波上分别建立PDCH和PMCH通道，并且定义了物理层传输帧，传输帧的长度固定、连续发送，并以传输帧的帧头作为特征信号，从而完成星间测距和时差测量。本发明专利技术确定了通信体制，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；本发明专利技术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。

An Integrated Measurement and Communication Method for Multi-satellite Formation of Micro Satellites

The invention discloses an integrated measurement and communication method suitable for multi-satellite formation of micro satellites. The physical layer of the protocol adopts spread spectrum system, establishes PDCH and PMCH channels on two orthogonal carriers respectively, defines the physical layer transmission frame, and transmits the frame with fixed length and continuous transmission, and uses the frame head of the transmission frame as the characteristic signal, thus completes the space-time ranging and time difference measurement. Quantity. The invention determines the communication system, improves the compatibility of ranging and time difference measurement schemes, and solves the problems of relative measurement, measurement and control data communication and its standardization in satellite formation; the invention not only improves the time difference measurement method, but also standardizes a protocol compatible with time difference measurement, relative ranging and data communication, which can not only satisfy the basis of inter-satellite measurement and control. This requirement can also be extended to the use of satellite formation, which has great application value for multi-satellite formation of micro-satellites.

【技术实现步骤摘要】
一种适用于微小卫星多卫编队的一体化测量通信方法
本专利技术属于卫星通信与测控
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
鉴于上述，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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为本专利技术通信协议物理层调制示意图。图3为本专利技术通信协议中传输帧的格式示意图。图4为本专利技术通信协议分层模型示意图。图5为本专利技术通信协议的测距原理示意图。图6为本专利技术通信协议的时差测量原理示意图。图7为本专利技术通信协议的数据传输流程示意图。图8为本专利技术通信协议中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专利技术，下面结合附图及具体实施方式对本专利技术的技术方案进行详细说明。本专利技术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，通过对比伪码测本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一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，其特征在于：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。

【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于：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。2.根据权利要求1所述的一体化测量通信方法，其特征在于：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。3.根据权利要求1所述的一体化测量通信方法，其特征在于：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。4.根据权利要求3所述的一体化测量通信方法，其特征在于：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。5.根据权利要求3所述的一体化测量通信方法，其特征在于：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；...

【专利技术属性】
技术研发人员：张朝杰，徐九凌，王春晖，金小军，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33