操持北斗柄，开闭天门路。

——杜牧

随着北斗三号卫星全部上天，北斗系统也逐渐更新换代，具备了提供全球范围的导航服务能力。北斗三号卫星的新特点，就有星间链路技术。北斗三号卫星上搭载了 Ka 波段星间链路载荷，实现了卫星与卫星之间的距离测量与通信，可以为北斗三号导航定位授时服务（PNT）空间信号精度的提升提供有力支撑。

导航卫星的星间链路技术

而什么是星间链路呢？星间链路是指用于卫星之间通信的链路。通过星间链路可以实现卫星之间的信息传输和交换。通过星间链路将多颗卫星互联在一起，形成一个以卫星作为交换节点的空间通信网络。

其实，星间链路技术并非“北斗”的专利，并不是我国的“特产”。星间链路的概念最早由美国学者提出，目标是实现卫星星座自主导航，降低卫星导航 系统对于地面段的依赖。

早在上世纪80年代，GPS着手筹划和建设的时候，为了降低导航卫星对地面的依赖，提高系统在导航战条件下的生存能力，美国军方便开始研究GPS的星间链技术，以此来保障GPS的自主导航能力。随着美国GPS卫星不断更新换代，其星间链路技术和设备也在不断进步。新一代卫星GPS卫星原计划采用性能更优的Ka或V波段链路，但由于多种原因，首批Block-IIIA卫星仍将沿用UHF链路。GPS 目前实际在轨运行的 31 颗卫星中具备星间链路测量与通信能力的卫星有 28 颗，基本达到全星座组网。

图1 GPS的星间链路应答器单元

而自主导航，意味着即使地面站系统失效，卫星通过星间链路实现星间相互测距，对卫星位置和时钟误差进行修正，星座仍能在较长时期内保持精确的定轨能力和时间同步能力，并且能继续维持精准导航、定位和授时服务。地面用户通过手机等终端接收导航卫星的信号，不受地面环境约束，仍旧能进行定位及导航。除此之外，还能提高导航卫星的完好性监测能力，降低地面上行注入的频度以及提高地面与整个星座的数据交互效率。

与此同时，伽利略和GLONASS都开始加紧研制导航卫星星间链路技术。虽然目前已发射的伽利略卫星不具备星间链路，但欧盟一直未停止对卫星载荷引入星间链路的规划和研究。欧洲航天局从 2007 年开始针对星间测距和通信链路发起了两个探索性项目， “GNSS+”和 “ADVISE”，两个都在为伽利略卫星提供星间链路技术方案。在2019年，伽利略系统曾出现持续3小时的导航信号异常，其中广播星历无法正常更新，全部卫星处于一种间断的非正常状态。而这恰恰也是以“星间链路”为核心的自主导航技术能够为导航卫星提供冗余保障一次重要机会，利用星间测距和星间通信维持星历更新。然而，伽利略系统并未能够抓住这次机会。

北斗三号的星间链路技术

而我国要成为一个导航大国，或者说导航强国，其中的一个必备条件，就是要拥有一个全球性的导航星座，独立拥有导航卫星系统的关键技术和理论方法。而我国的北斗三代系统正是一个全球性的导航星座，旨在为全球提供全天候的免费导航服务。一个全球性的星座需要全球范围均匀布设得地面监测站和注入站进行维持。当北斗三代开始着手布局得时候，而显而易见的困难就是，中国无法在国外建立足够有效的观测站和注入站，全球性的星座难以保障和实施。

图2 星间链路漫画

一旦北斗卫星走出了国境，监测站对卫星的跟踪、观测和通信中断，卫星的状态无法获得，卫星的星历参数无法实时更新，而且这种精度的不均衡性让导航系统的精度维持带来更大的困难。这对于一个全球性的星座来说，无疑是致命打击。

聪明的科学家开始畅想，在星与星之间建立一个通信链路，让星和星之间可以对话、星和地可以对话。这样整整三十颗北斗卫星建成了一个大网，我们就可以统一控制，实现了“一星通，星星通”，对卫星的测控覆盖也从以前的30%提高到了100%。

图3 星间链路示意图

具体而言，实现北斗的“一星通，星星通”的星间链路是如何搭建的呢？

为了对全球系统的关键技术进行在轨验证，北斗三号发射了 5 颗实验卫星，其中 2 颗 IGSO 卫星（I1-S、I2-S）和三颗 MEO 卫星（M1-S、M2-S、M3-S）。实验卫星上搭载了 Ka 波段星间链路载荷，对星间链路的建链方式、测距精度和数据传输时延及效率等多项内 容进行了实验验证，并将实验成果应用到了组网卫星。星间链路使卫星之间能相互传送数据，不再依赖地面基站，将北斗全球系统中卫星与卫星之间搭起“太空桥梁”。

北斗星间链路通过高-中轨、中-中轨卫星链路和星-地（地面锚固站设备）链路，实现。当卫星位于境内时，地面可以将广播电文等信息直接上注给卫星，而当卫星位于境外 时，广播电文则可依托星间链路，通过节点星将上注信息分发给所有卫星，实现广播星历的整网实时同步更新，实现“一星通，星星通”。同时，北斗三号采用时空分多址体制，实现了卫星之间的点对点建链。北斗选用的Ka 波段星间链路测距精度高、抗干扰能力强、保密性好。

图4 北斗三号卫星建链示意图

另外，越来越多递轨卫星上搭载了 GNSS 接收机，建立了导航卫星与低轨卫星之间的高低轨星间测量链路，有望作为“天基动态监测站”，从另一方面弥补区域地面监测站的短板，提高北斗三号空间信号精度及其 PNT 服务性能。

综上，“星间链路”技术，对于北斗三代来说，已不再是突破“无法国外大范围建站”约束的无奈之举，已经成为提升北斗三代PNT服务精度，改善系统的完好性监测能力，更好为全球用户提供可信服务的重要抓手。同时我们也希望中国的北斗早日成为世界的北斗，为更多的地球村居民带去高精度导航服务，促进世界和平与发展。