基于星間鏈路的導(dǎo)航衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)路由策略與機制研究方法

易先清, 張耀鴻, 鐘 濤, 侯振偉

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)信息系統(tǒng)與管理學(xué)院,湖南長沙410073)

基于星間鏈路的導(dǎo)航衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)路由策略與機制研究方法

易先清, 張耀鴻, 鐘 濤, 侯振偉

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)信息系統(tǒng)與管理學(xué)院,湖南長沙410073)

由于北斗全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Beidou global navigation satellite system,BGNSS)在全球范圍內(nèi)的建站約束,采用星間鏈路(inter-satellite links,ISL)傳輸其全球?qū)Ш骄C合信息(global navigation integrated information,GNII)成為必選途徑,其核心問題之一是適應(yīng)BGNSS傳輸需求的GNII傳輸路徑選擇。通過分析BGNSS星間鏈路建鏈特征,探索其對GNII傳輸時路徑選擇的約束要素與約束關(guān)系。分析北斗GNII業(yè)務(wù)特征,研究滿足其傳輸需求的路徑選擇約束要素與約束關(guān)系。再對這些約束要素與約束關(guān)系展開建模分析,探索適應(yīng)星間鏈路特點與GNII傳輸需求的約束要素調(diào)整反饋機制,通過仿真驗證基于星間鏈路的GNII傳輸路徑自適應(yīng)選擇策略與機制。

衛(wèi)星導(dǎo)航;路由策略;鏈路;研究方法

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)成為國家安全和國民經(jīng)濟發(fā)展不可或缺的國家信息基礎(chǔ)設(shè)施,目前我國已建成的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在精度、穩(wěn)健性、覆蓋區(qū)域和安全防護能力仍不能全面滿足用戶的要求,許多關(guān)鍵領(lǐng)域應(yīng)用仍嚴(yán)重依賴GPS,建設(shè)我國自主的北斗全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(BGNSS)已經(jīng)迫在眉睫。確保導(dǎo)航綜合信息靈活、可靠傳輸?shù)娜蛐l(wèi)星導(dǎo)航信息傳輸路徑選擇技術(shù)(路由技術(shù)核心)是BGNSS研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。

目前,最具代表意義的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)就是美國的GPS,此外還有俄羅斯的GLONASS (global navigation satellite system)、歐盟的Galileo系統(tǒng)和我國的BGNSS,其中GPS系統(tǒng)和GLONASS系統(tǒng)已經(jīng)投入使用,Galileo系統(tǒng)和BGNSS系統(tǒng)正在展開研究、設(shè)計與建設(shè)。

我國自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)可分為3個階段[1]：①已經(jīng)成功應(yīng)用的北斗一代系統(tǒng);②2012年12月試運行的北斗二代一期系統(tǒng);③未來的BGNSS。其中,前2個階段建設(shè)的系統(tǒng)屬于區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng),而基于星間鏈路的BGNSS則面向全球用戶終端。與GLONASS系統(tǒng)一樣,BGNSS不具備美國GPS和歐盟Galileo那樣的全球布站條件,必須像正在建設(shè)的GPS_III那樣,建立可以實現(xiàn)2衛(wèi)星節(jié)點直接數(shù)傳的星間鏈路,以使全球范圍內(nèi)的各衛(wèi)星能夠在任何需要的時候與位于我國境內(nèi)的地面主控站進行導(dǎo)航綜合信息傳輸。因此,基于星間鏈路的導(dǎo)航綜合信息傳輸路由技術(shù)研究被提上日程。本文提出的自適應(yīng)路由策略與機制研究方法,可以為該類路由技術(shù)的研究提供參考。

1 全球?qū)Ш叫l(wèi)星網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)路由策略與機制研究思路

研究基于如下思路(如圖1所示)：通過分析基于星間/星地鏈路的時變特性和導(dǎo)航綜合信息的傳輸特性,研究導(dǎo)航綜合信息傳輸路徑自適應(yīng)選擇策略、選擇機制;然后建立導(dǎo)航綜合信息傳輸路徑選擇理論模型,通過對模型的分析,形成導(dǎo)航綜合信息傳輸研究結(jié)論,為北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)提供理論與技術(shù)指導(dǎo)。

圖1 基于星間鏈路的導(dǎo)航衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)路由策略與機制研究思路

對基于星間鏈路的全球?qū)Ш叫l(wèi)星網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)路由策略與機制,采取建模仿真、理論分析、實驗驗證、理論總結(jié)相結(jié)合的研究方法,采用并行交叉思路,展開鏈路選擇約束因子分析,包括基于星間/星地測距優(yōu)先的鏈路選擇約束、基于多種建鏈模式的鏈路選擇約束、滿足導(dǎo)航綜合信息傳輸需求的鏈路選擇約束,并對約束因子間的自適應(yīng)調(diào)整建模展開分析,通過約束因子的自適應(yīng)調(diào)整反饋,改善基于星間鏈路的全球?qū)Ш骄C合信息傳輸路徑選擇關(guān)系和自適應(yīng)選擇機制。

如圖1所示,在滿足全球?qū)Ш骄C合信息傳輸需求下,研究遵循鏈路測距優(yōu)先和兼顧多種建鏈模式并存,通過建模分析導(dǎo)航綜合信息傳輸路徑選擇約束因子及其約束關(guān)系,借助理論分析與實驗仿真研究各約束因子間的自適應(yīng)調(diào)整關(guān)系。在取得結(jié)果的基礎(chǔ)上,進一步優(yōu)化路徑選擇約束關(guān)系,最后綜合得到由多種約束因子及其關(guān)系組成的自適應(yīng)選擇機制。

2 基于星間鏈路的導(dǎo)航衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)路由策略研究方法

由于空間傳輸資源的稀缺,以導(dǎo)航綜合信息為代表的空間信息的星間/星地傳輸設(shè)計必須參照其星間/星地鏈路的自身特點,以最大限度發(fā)揮其傳輸效能[2-5]。以相控陣天線和反射面天線兼顧為特征的北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),其星間/星地鏈路具有與一般星間/星地鏈路不同的特點——在進行星間/星地測距的同時完成導(dǎo)航綜合信息的傳輸,因此針對系統(tǒng)導(dǎo)航綜合信息的傳輸設(shè)計,在選擇其傳輸鏈路時不能只單純考慮導(dǎo)航綜合信息的傳輸需求,必須充分結(jié)合星間/星地鏈路的自身特點進行綜合設(shè)計,研究可從如下3個方面展開：

1)考慮星間/星地測距前提下的導(dǎo)航綜合信息傳輸路徑星間/星地鏈路選擇策略;

2)考慮相控陣天線和反射面天線建鏈模式下的導(dǎo)航綜合信息傳輸路徑星間/星地鏈路選擇策略;

3)基于北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星間/星地鏈路的各類導(dǎo)航綜合信息傳輸選擇策略的適應(yīng)性。

由于星間/星地鏈路是在進行星間、信道測距的同時完成導(dǎo)航綜合信息的傳輸?shù)?當(dāng)導(dǎo)航綜合信息在任意2節(jié)點間傳輸時,采用某種策略選擇星間/星地鏈路,使得在不影響測距的同時完成信息的高效傳輸。

由于星間/星地鏈路采用相控陣天線和反射面天線2種方式建鏈,這2種方式還可能共存,在進行2節(jié)點間導(dǎo)航綜合信息傳輸時,采用某種策略選擇星間/星地鏈路才可兼顧其鏈路特點和傳輸需求,使系統(tǒng)具有較高的傳輸效能。

由于導(dǎo)航綜合信息有多種不同的類別,其各自有不同的傳輸特點和傳輸需要,傳輸時需依據(jù)鏈路特點調(diào)整傳輸策略,以適應(yīng)各種導(dǎo)航綜合信息的有效傳輸。

3 基于星間鏈路的導(dǎo)航衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)路由機制研究方法

基于星間鏈路的導(dǎo)航衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)路由機制研究,可從如下3個方面展開。

1)對北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星間/星地鏈路建鏈特征展開分析。包括遵循Q支路測距優(yōu)先的I支路數(shù)傳特性,以及基于相控陣天線輪詢建鏈和基于反射面天線時變建鏈的鏈路選擇特性,通過深入細致地分析這些建鏈特征,可以建模描述反映此類建鏈特征的約束要素和約束關(guān)系。

2)對全球?qū)Ш骄C合信息傳輸需求展開分析。盡管其具有眾多的類別及其對應(yīng)的傳輸需求,由于北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的總體設(shè)計基本明確,其支撐的導(dǎo)航綜合信息傳輸需求已在業(yè)內(nèi)廣泛研討并初步形成,通過針對性的深入分析,可以對其建模描述[6-8]。

3)對適應(yīng)北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建鏈特征,以及導(dǎo)航綜合信息傳輸需求的路徑選擇約束及約束調(diào)整展開研究,發(fā)現(xiàn)其本質(zhì)仍然是多目標(biāo)優(yōu)化問題分析與求解。可以借助運籌學(xué)中多目標(biāo)優(yōu)化理論,按常規(guī)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由決策過程進行建模分析,在模型分析中技巧求解,可實現(xiàn)研究的預(yù)期目標(biāo)。

3.1 北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星間/星地鏈路建鏈特征分析

盡管面向衛(wèi)星導(dǎo)航的信號體制相對成熟,但支持星間鏈路的信號體制卻是首次提出。鏈路上調(diào)制信號形式如式(1)所示：

式中：前半部分為I支路,承載測距粗碼C和低速數(shù)據(jù)碼Dk1;后半部分為Q支路,承載測距精碼P和高速數(shù)據(jù)碼Dk2;A為各支路振幅;j為衛(wèi)星編號;k為不同載波的通道編號;f為載波頻率;t為時間;φ為相位。

從式(1)可以看出,其星間/星地數(shù)據(jù)傳輸與其測距并發(fā)進行,導(dǎo)航時須以服務(wù)測距為主。盡管針對鏈路的數(shù)據(jù)傳輸展開研究,但必須在星間/星地測距的前提下。在北斗一代和北斗二代一期的前期系統(tǒng)中也采用類似的信號體制,該階段的導(dǎo)航綜合信息傳輸僅限星地之間的單跳傳輸,因無星間鏈路而無須決策選擇基于星間鏈路的路徑;而在面向全球?qū)Ш降谋倍范谙到y(tǒng)中,因全球建站,將通過衛(wèi)星之間的星間鏈路建鏈實現(xiàn)全球?qū)Ш?基于星間鏈路的路徑選擇將遠復(fù)雜于前期系統(tǒng)的導(dǎo)航綜合信息傳輸。特別是在遵循節(jié)點測距的前提下考慮其數(shù)據(jù)傳輸,將首次面對導(dǎo)航綜合信息傳輸路徑選擇問題,其中,核心的Q支路測距前提下的I支路數(shù)據(jù)傳輸約束建模是導(dǎo)航綜合信息傳輸路徑選擇問題研究的必要基礎(chǔ)。

基于上述約束,需展開北斗全球衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)星間/星地鏈路建鏈特征分析,主要對Q支路測距前提下的I支路承載數(shù)據(jù)的傳輸特征,以及基于相控陣天線與反射面天線建鏈模式下的輪詢建鏈和時變建鏈的傳輸特征展開分析。

1)遵循Q支路測距分析I支路承載數(shù)據(jù)的傳輸特征。依據(jù)信號體制設(shè)計,對支持測距Q支路約束(如某時段內(nèi)要求建鏈的最少條數(shù))下的I支路數(shù)據(jù)傳輸特性進行分析,理清Q支路測距優(yōu)先對I支路數(shù)據(jù)傳輸?shù)募s束過程與約束關(guān)系。由于基于相控陣天線的星間鏈路具有其獨特的輪詢設(shè)計模式,甚至在不同的工作狀態(tài)下還采用不同的輪詢模式(如在精密定軌與時間同步模式下采用“M條固定鏈路+高低對地鏈路”模式,而在自主導(dǎo)航模式下則采用“N(≠M)條固定鏈路+高低對地鏈路模式”),若再考慮反射面天線的建鏈模式,情況將更加復(fù)雜,且無國內(nèi)外相關(guān)參考。要確定適應(yīng)此類建鏈模式的路徑選擇約束要素,須進行針對性分析。

2)基于相控陣天線與反射面天線建鏈模式,分析輪詢建鏈和時變建鏈的傳輸特征?；诒倍啡蛐l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星間鏈路設(shè)計方案,對基于相控陣天線的輪詢建鏈和基于反射面天線的時變建鏈過程進行分析,以明確此類建鏈過程對導(dǎo)航綜合信息傳輸路徑選擇的約束與對應(yīng)措施。

3.2 面向星間鏈路的全球?qū)Ш骄C合信息傳輸需求分析

在北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中,有多個類別的導(dǎo)航綜合信息是適應(yīng)全球?qū)Ш綉?yīng)用而提出的,如用于星間的遙測與遙控等信息,特別是須經(jīng)過星間鏈路傳輸時,須對其服務(wù)性的約束要素及其分析展開針對性的細致研究。全球?qū)Ш骄C合信息(GNII)包括2大類：上行注入及分發(fā)中繼信息,星上觀測中繼及下行傳輸信息。但是,其種類和子類較多,初步設(shè)計包括8個類別和幾十個子類,為使研究方向集中,主要針對經(jīng)過星間鏈路中繼傳輸?shù)膶?dǎo)航綜合信息深入分析其傳輸需求。

在分析模型星間鏈路的全球?qū)Ш骄C合信息傳輸需求時,可從其傳輸最大數(shù)據(jù)量、注入頻度、注入速率、最大注入時長、時效性和中繼跳數(shù)等要求入手。不同類型的導(dǎo)航綜合信息具有不同的要求。如,下行信息需在較短的時間內(nèi)完成下傳,上行注入信息可在較長的時間內(nèi)完成全網(wǎng)內(nèi)的中繼分發(fā),精密定軌與時間同步信息中繼跳數(shù)嚴(yán)格受限等。這些傳輸需求將直接影響導(dǎo)航綜合信息傳輸過程中選擇路徑時對星間鏈路的選擇決策,可在相關(guān)項目的支撐下和項目組成員廣泛調(diào)研的前提下,分析、總結(jié)、提煉對路由選擇研究起支撐作用的全球?qū)Ш骄C合信息傳輸需求。

3.3 基于BGNSS建鏈特征的導(dǎo)航綜合信息傳輸路徑選擇約束研究

基于導(dǎo)航綜合信息傳輸需求提出的各類、各項路徑選擇約束要素,須適應(yīng)北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星間/星地鏈路建鏈特點,并能根據(jù)星間/星地測距以及多種建鏈模式并存需求,提出并分析這些路徑選擇約束要素的調(diào)整機制與原理,使其適應(yīng)不同應(yīng)用條件下各類導(dǎo)航綜合信息的有效傳輸?？蓮娜缦?個方面展開。

1)探索在Q支路測距的前提下的I支路承載數(shù)據(jù)的傳輸約束機制與原理;

2)建立基于相控陣天線與反射面天線建鏈模式的路徑選擇約束機制與關(guān)系;

3)建立適應(yīng)全球衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用的導(dǎo)航綜合信息傳輸約束要素與約束關(guān)系;

4)明確適應(yīng)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建鏈特征的導(dǎo)航綜合信息傳輸約束要素與約束關(guān)系,確定并建模描述這些路徑選擇約束要素的適應(yīng)性調(diào)整機制與調(diào)整原理。

適應(yīng)性分析可借鑒傳統(tǒng)的自適應(yīng)理論和多目標(biāo)約束優(yōu)化理論,但其過程需拓展思維、創(chuàng)新設(shè)計。

1)約束要素分析。可從北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建鏈特征和導(dǎo)航綜合信息傳輸需求2個方面,確定影響導(dǎo)航綜合信息傳輸路徑選擇的約束要素,包括鏈路測距優(yōu)先、鏈路延時性與連通性、輪詢模式的設(shè)計參量、系統(tǒng)工作模式切換、各類導(dǎo)航綜合信息傳輸需求等。分析這些約束要素對導(dǎo)航綜合信息傳輸路徑選擇產(chǎn)生的影響及影響的程度,并通過量化的權(quán)值進行對應(yīng),最后進行形式化的建模描述。

2)要素間約束關(guān)系建模研究。以某類導(dǎo)航綜合信息在規(guī)定的時限內(nèi)從源節(jié)點傳輸至目的節(jié)點為約束目標(biāo),根據(jù)確立的上述路徑選擇約束要素,分析以導(dǎo)航綜合信息傳輸為主線的約束要素及其關(guān)系,建立反映北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建鏈特征與傳輸需求的路徑選擇約束模型。

3)約束要素自適應(yīng)調(diào)整與反饋建模研究。根據(jù)建立的上述約束模型,基于相應(yīng)的約束目標(biāo),分析在各約束要素調(diào)整波動時反饋至約束目標(biāo)所產(chǎn)生的影響,探索總結(jié)規(guī)律,建立反映該規(guī)律的調(diào)整模型,設(shè)計合理的權(quán)值參量以便修正。

4 基于星間鏈路的導(dǎo)航衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)路由策略與機制建模研究方法

對基于確定的導(dǎo)航綜合信息傳輸?shù)穆窂竭x擇策略,通過深入分析滿足星間/信道測距的I支路數(shù)據(jù)傳輸特性、基于相控陣天線與反射面天線建鏈模式的鏈路傳輸特性,以及導(dǎo)航綜合信息的傳輸需求特征,可形式化描述導(dǎo)航綜合信息傳輸路徑選擇約束要素及約束關(guān)系,以建立相應(yīng)的理論分析模型及方法。研究可主要從如下4個方面展開。

1)確定并實現(xiàn)遵從Q支路測距的I支路承載數(shù)據(jù)的傳輸約束要素及約束關(guān)系的形式化描述;

2)對基于相控陣天線與反射面天線建鏈模式的路徑選擇約束要素及約束關(guān)系進行形式化描述;

3)構(gòu)建適應(yīng)全球衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用的導(dǎo)航綜合信息傳輸約束要素與約束關(guān)系的形式化描述,建模分析其約束模型;

4)展開對適應(yīng)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建鏈特征的導(dǎo)航綜合信息傳輸約束要素與約束關(guān)系的形式化描述,以及這些路徑選擇約束要素的適應(yīng)性建模分析,調(diào)整方法與措施分析總結(jié)。

在進行基于星間鏈路的導(dǎo)航衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)路由策略與機制建模分析時,主要依據(jù)如下基本思想和方法展開其理論分析與仿真驗證。

1)可借鑒已有的天基信息網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)方面相關(guān)理論研究工作,吸收可用的分析思路和具體的分析技術(shù)。

2)在涉及單個約束要素的理論分析中,可采用組合數(shù)學(xué)、流理論等分析方法和手段。

3)對多目標(biāo)優(yōu)化的理論分析,考慮采用運籌學(xué)中多目標(biāo)優(yōu)化的方法,例如雙向分解的上凸優(yōu)化和幾何優(yōu)化等方法等。

4)在進行建模描述與驗證仿真時,可借助專業(yè)衛(wèi)星仿真平臺,首先對全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)節(jié)點及節(jié)點間鏈路進行建模,構(gòu)建導(dǎo)航綜合信息傳輸過程;再對基于輪詢建鏈與時變建鏈的導(dǎo)航綜合信息路徑選擇過程進行建模,對構(gòu)建的導(dǎo)航綜合信息傳輸路徑選擇約束要素及約束過程進行建模實現(xiàn)。

5 結(jié)束語

本文研究旨在為基于星間鏈路傳輸?shù)膶?dǎo)航綜合信息傳輸路徑選擇問題研究提供研究方法與思路：依據(jù)BGNSS星間/星地鏈路建鏈時變特點和GNII傳輸需求,在遵循節(jié)點間星間/星地測距約束、反射面天線固定建鏈和相控陣天線輪詢建鏈選擇約束的基礎(chǔ)上,探索導(dǎo)航綜合信息傳輸時自適應(yīng)路由策略與機制的研究方法與思路。

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(編輯：王高翔)

Research Method About Strategy and Mechanism of Path Adaptive Selection of GNII Transmission Based on ISL

YI Xianqing, ZHANG Yaohong, ZHONG Tao, HOU Zhenwei

(Information System and Management School,National University of Defense Technology,Changsha Hunan 410073,China)

Due to site constraints within worldwide for the Beidou global navigation satellite system(BGNSS),the global navigation integrated information(GNII)must be transmitted through the inter-satellite links(ISL).One of its core problems is to meet the path selection of GNII transmission in BGNSS,the research method of this problem is provided in paper.The link characteristics is analyzed to explore the constraint factors and constraints relation on path selection when GNII is transmitted.And then the constraint factors and constraints relation of path selection is studied under analyzing the BGNII.Finally the feedback adjustment mechanism about constraint factors to adapt the ISL characteristics and transmission requirements is explored through the modeling analysis of the constraint factors and its relationship,and the adaptive path selection strategy and mechanism of GNII transmission based on ISL is validated with simulation.

satellite navigation;routing strategy;link;research method

TN 391.9

2095-3828(2014)01-0050-05

ADOI10.3783/j.issn.2095-3828.2014.01.012

2013-03-29

國家自然科學(xué)基金資助項目(60972166)

易先清(1966-),男,教授,博士.主要研究方向：空間信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù).xqyi@nudt.edu.cn.