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星间链路，顾名思义是指卫星与卫星之间的链路，当然也可以扩展为航天器与航天器之间的链路。星间链路具有星间通信、数据传输、星间测距和星间测控等功能。 不同的空间系统，星间链路的作用是不同的。通信卫星星座的星间链路可以减小星地跳数和通信延迟；侦查编队系统的星间链路可以增大虚拟相机口径以提高分辨率；导航卫星星座的星间链路可以支持自主运行以提高定位精度；中继卫星系统的星间链路可以增加用户星的测控弧段。 此外，还有一些科学研究使用的星间链路，如重力探测卫星系统等。星间链路使多颗卫星构成有机整体，形成星座系统，扩展单星工作的能力。在导航星座系统应用之前，星间链路早在通信星座、中继卫星以及卫星编队飞行中已经得到应用。 美国1983-1995年发射了由7颗跟踪与数据中继卫星 (TDRS) A~G组成的美国第一代中继卫星系统，卫星装载两副4.9m单址抛物面天线，为S及Ku频段共用，用于TDRS和用户星之间交换高速数据，最大返向传输速率为300Mb/s。 1997-2002年，美国发射第二代中继卫星，即TDRS-H、I、J，其上星间链路的功能有所改进：增强了S频段多址能力，传输速率可达800Mb/s或更高。自2007年开始，美国在研发第三代跟踪与数据中继卫星，中继卫星与用户卫星采用S、Ku/Ka频段进行星间测控通信。 美国的铱星系统由66颗卫星构成，是当前世界上大型星座系统中唯一实现Ka频段星间链路的系统。铱星系统轨道高度为780km左右，共有6个极地轨道，每个轨道11颗卫星。星间通信采用Ka频段相控阵天线。每颗铱星同时建立4条星间链路，同轨道内部正向和后向，左右异轨道面侧向链路各一条。 星间最大数据传输速率为25Mb/s，工作频段为22.55~23.55GHz，星间采用半双工通信方式。铱星系统是极轨星座，相邻轨道间的卫星相对距离的变化，相对速度、方位角、俯仰角的变化量和变化率都比较小，星间拓扑简单，采用固定连接的拓扑结构。 区別于通信卫星，导航卫星需要持续收集更新各颗卫星的测量数指以支持精密定轨计算。在卫星导航系统日常运行中，地面站通过收集境内卫星的星地观测数据进行解算定轨，并实施星历的更新。 而对于境外卫星，由于无法建立起直接与地面站相连的星地链路，所以无法实现对境外卫星的定轨。星间链路架起了一座连接境外卫星与境内卫星测量和数传的桥梁，为境外卫星观测和数据回传提供了实现手段。 同时，星间链路搭建的无线电通道也便于卫星测控和运控数据传输，使原先必须等待卫星入境才能进行的操作变成随时可行的远程操作。更进一步的发展，是将简化的地面定轨算法配置在卫星计算机上，处理星间链路测量值，使卫星脱离地面站而自主生成卫星导航电文，提高星座的自主运行能力，简化地面的运行管理。 因此，星间链路的建立，能大幅提升导航卫星星座的管控能力和自主运行能力，意义重大，已经为各大卫星导航系统广泛研究和采用。 美国GPS系统是最先在导航星座中实现星间链路的系统。自Block IIR卫星开始，GPS卫星安装了具有自主导航功能的星间链路收发设备，实现了星间通信和星间测距功能，进而实现了全球导航卫星星座自主导航的功能。 GPS的Block IIR和Black IIF系列导航卫星安装了UHF频段（250~290MHz）的星间链路收发设备，Block IIR卫星在无地面控制系统支持的情况下，卫星采用时分多址(TDMA)方式实现卫星之间双向测距和数据交换，通过星载滤波器处理星间测量数据，自主生成卫星星历和时钟修正参数，自主维持星座基本构型。 在I80天内，保持用户距离误差小于6m，导航定位精度不会有明显下降。并且能够监测导航卫星信号的完好性，使其可用性、连续性和可靠性得到增强。 GPS III开展了全新的设计，具有高速传输能力，采用具有方向性的星间链路技术和全球点波束增强技术。GPS IIIA在继续保持UHF频段的星间链路，而在GPS IIIB上增加实施V频段星间链路的方案，大幅提高星间传输速率、星间抗干扰能力，星间测距精度等性能，也增强了自主运行的能力。 我国在北斗一号和北斗二号卫星中均没有设计星间链路，在北斗三号全球卫星导航系统中规划配置了星间链路。北斗三号星间链路是一个复杂的星间网络，具有天线指向控制、星间网络拓扑、星间通信协议和星间测距精度要求高等特点。 整个星间链路总体技术涉及飞行器总体设计、结构/机构、轨道/定轨、天线/微波、通信/电子、计算机/网络、数学和系统仿真等多个字科领域。在发射的北斗三号卫星上已经成功应用了Ka频段相控阵体制的星间链路方案。 |
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