一種虛實(shí)結(jié)合的星間鏈路組網(wǎng)地面試驗(yàn)驗(yàn)證框架*

彭海軍 王 玲 黃文德 楊 俊

1.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410082 2.國(guó)防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，長(zhǎng)沙410073

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一種虛實(shí)結(jié)合的星間鏈路組網(wǎng)地面試驗(yàn)驗(yàn)證框架*

彭海軍1, 2王 玲1黃文德2楊 俊2

1.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410082 2.國(guó)防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，長(zhǎng)沙410073

建立地面試驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)境是降低星間鏈路技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的有效途徑。針對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星組網(wǎng)功能和性能的測(cè)試問(wèn)題，本文提出一種星間鏈路組網(wǎng)地面試驗(yàn)驗(yàn)證框架。該框架根據(jù)星間鏈路信息處理流程，設(shè)計(jì)基于虛(虛擬衛(wèi)星)實(shí)(實(shí)際衛(wèi)星)結(jié)合的星地試驗(yàn)方案，并采用正交試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)測(cè)試組網(wǎng)算法。通過(guò)對(duì)星間鏈路試驗(yàn)場(chǎng)景和試驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)星間鏈路組網(wǎng)功能和性能的測(cè)試與評(píng)估分析。結(jié)果表明，該框架能滿足單星網(wǎng)絡(luò)接入、整網(wǎng)組網(wǎng)測(cè)試等地面試驗(yàn)驗(yàn)證需求，為降低地面試驗(yàn)成本和風(fēng)險(xiǎn)提供了一種可行方案。 關(guān)鍵詞 星間鏈路；正交試驗(yàn)；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌宦酚刹呗?；框架設(shè)計(jì)

星間鏈路是我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)的重要方向，發(fā)展星間鏈路對(duì)我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有重要意義[1-3]。星間鏈路組網(wǎng)技術(shù)是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)之一[4]。在系統(tǒng)建設(shè)前期，開展單星網(wǎng)絡(luò)接入、整網(wǎng)組網(wǎng)測(cè)試等地面驗(yàn)證工作是實(shí)現(xiàn)高效可靠星間組網(wǎng)的前提。

目前，美國(guó)GPS是唯一一個(gè)具備星間鏈路能力的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，其研發(fā)的GPS Block IIR和GPS Block IIF已經(jīng)具備星間鏈路組網(wǎng)能力，并在2012年進(jìn)行了GPSIII與OCX通信鏈路軟件和硬件接口的測(cè)試[5]。近些年，美國(guó)在GPSIII的組網(wǎng)測(cè)試方面做了大量的研究，提出了一些GPSIII通信組網(wǎng)策略，最終形成了一套基于空間、控制、用戶段的DOT&E GPSIII測(cè)試評(píng)估體系[6]。國(guó)內(nèi)也在開展新一代北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，已于2015年3月30號(hào)發(fā)射了新一代北斗試驗(yàn)衛(wèi)星，并將開展新一代北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星間鏈路關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證工作。

許多專家學(xué)者對(duì)星間鏈路組網(wǎng)進(jìn)行了研究，并針對(duì)不同的建鏈約束提出了多種星間鏈路組網(wǎng)算法[1，2，4]；也有學(xué)者利用STK，OPNET，Simulink，局域網(wǎng)測(cè)試，半物理仿真等方法對(duì)星間組網(wǎng)算法進(jìn)行仿真和評(píng)估，驗(yàn)證了特定組網(wǎng)算法的可行性[7-11]。但由于現(xiàn)實(shí)條件的復(fù)雜性和特殊性，對(duì)星間鏈路組網(wǎng)需要綜合考慮建鏈跳數(shù)、通信頻率、天線發(fā)射功率、天線切換速率、數(shù)據(jù)誤碼率、建鏈功耗、建鏈時(shí)延、同一時(shí)刻建鏈數(shù)量、故障處理能力和空間環(huán)境等多方面的因素[12]，需要研究適用于實(shí)際星間鏈路組網(wǎng)功能和性能測(cè)試的試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)。

為解決上述問(wèn)題，本文提出一種虛實(shí)結(jié)合的星間鏈路組網(wǎng)地面試驗(yàn)框架，即設(shè)計(jì)由實(shí)際衛(wèi)星參與和地面站虛擬星間衛(wèi)星構(gòu)成的系統(tǒng)平臺(tái)。為提高地面試驗(yàn)驗(yàn)證的效率，采用正交試驗(yàn)方法，降低試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)、減少試驗(yàn)成本，提高測(cè)試的覆蓋性。

1 地面試驗(yàn)驗(yàn)證框架設(shè)計(jì)

1.1 星間鏈路組網(wǎng)試驗(yàn)分析

進(jìn)行星間鏈路組網(wǎng)試驗(yàn)時(shí)，除保證試驗(yàn)過(guò)程中通信體制(時(shí)分體制)[1]、組網(wǎng)協(xié)議與實(shí)際星間鏈路一致之外，還需要在組網(wǎng)結(jié)構(gòu)、組網(wǎng)環(huán)境上做到與實(shí)際星間鏈路近似。根據(jù)我國(guó)北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)需求：北斗星座將由24MEO+3IGSO+3GEO構(gòu)成。對(duì)該星座進(jìn)行仿真分析，得到表1的星座可見(jiàn)性分析結(jié)果。

表1 北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座可見(jiàn)性分析

表1數(shù)據(jù)表明：?jiǎn)晤w衛(wèi)星可能存在至少與10顆以上的衛(wèi)星保持建鏈的需求；星地距離與星間距離保持在同一數(shù)量級(jí)左右；任意衛(wèi)星具備至少6h的理論試驗(yàn)時(shí)間，且地面同一時(shí)段可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)至少大于11顆。對(duì)于組網(wǎng)協(xié)議和組網(wǎng)體制，地面能做到與實(shí)際星間一致；并且在時(shí)分體制下，單顆衛(wèi)星同一時(shí)刻只與1顆衛(wèi)星進(jìn)行建鏈，使得地面能夠分時(shí)承擔(dān)多顆虛擬衛(wèi)星角色。因此，設(shè)計(jì)合理的試驗(yàn)，補(bǔ)償組網(wǎng)環(huán)境差異，才能使地面組網(wǎng)試驗(yàn)具有驗(yàn)證組網(wǎng)部分功能和性能的能力。

1.2 星間鏈路組網(wǎng)地面試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述星間鏈路組網(wǎng)地面試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，需構(gòu)建一個(gè)能與待測(cè)衛(wèi)星載荷構(gòu)成全星座組網(wǎng)的閉環(huán)測(cè)試環(huán)境。因此，地面試驗(yàn)應(yīng)具備4個(gè)條件： 1)滿足星間鏈路組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)； 2)星地全星座閉環(huán)保持時(shí)間同步； 3)能夠?qū)φ麄€(gè)閉環(huán)測(cè)試環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制； 4)能夠?qū)υ囼?yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和存儲(chǔ)。由于研制衛(wèi)星設(shè)備投入量大，可重復(fù)性不高，而地面站設(shè)備具備靈活性，可由固定設(shè)備或移動(dòng)設(shè)備組成，基于此，可用地面站來(lái)模擬試驗(yàn)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，組成虛實(shí)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)參與試驗(yàn)。因此，地面試驗(yàn)系統(tǒng)由試驗(yàn)衛(wèi)星、地面站、地面控制中心、地面網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)、時(shí)間同步、測(cè)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)組成。整個(gè)地面試驗(yàn)系統(tǒng)組成結(jié)果如圖1所示。

圖1 虛實(shí)結(jié)合星間鏈路組網(wǎng)地面試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)組成圖

整個(gè)星間鏈路地面試驗(yàn)以時(shí)間同步為基準(zhǔn)。試驗(yàn)衛(wèi)星與地面站采用目前組網(wǎng)首選的Ka頻段[1，13]進(jìn)行無(wú)線組網(wǎng)通信，地面各系統(tǒng)通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)采用UDP進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。其中，試驗(yàn)衛(wèi)星應(yīng)滿足我國(guó)新一代北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，配置高精度時(shí)鐘(如銣鐘)，并保持良好的兼容性，試驗(yàn)期間主要完成新一代衛(wèi)星導(dǎo)航本身的任務(wù)和配合地面完成在軌試驗(yàn)任務(wù)；地面系統(tǒng)主要包括試驗(yàn)系統(tǒng)的虛擬衛(wèi)星部分、控制部分和地面輔助系統(tǒng)，其中地面站組成的虛擬衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)主要完成與衛(wèi)星建鏈的功能；控制中心完成任務(wù)規(guī)劃、調(diào)度和評(píng)估功能，地面輔助系統(tǒng)如測(cè)控系統(tǒng)等用于輔助完成整個(gè)試驗(yàn)的開展；時(shí)間同步系統(tǒng)作為地面試驗(yàn)的關(guān)鍵支撐，用于保持整個(gè)地面試驗(yàn)系統(tǒng)與衛(wèi)星的時(shí)間同步功能；數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)用于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和存儲(chǔ)，最終為試驗(yàn)提供可信的試驗(yàn)結(jié)果，并用于指導(dǎo)下一次試驗(yàn)的開展。

1.3 星間鏈路組網(wǎng)地面試驗(yàn)框圖設(shè)計(jì)

星間鏈路組網(wǎng)地面試驗(yàn)執(zhí)行框圖如圖2所示。整個(gè)流程大體可分為4個(gè)部分：試驗(yàn)前期準(zhǔn)備、試驗(yàn)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)執(zhí)行和試驗(yàn)結(jié)果分析。1)試驗(yàn)前期準(zhǔn)備包括時(shí)間同步、試驗(yàn)初始信息獲取、試驗(yàn)因素分析。其中，時(shí)間同步系統(tǒng)為整個(gè)試驗(yàn)提供時(shí)間基準(zhǔn)，確保整個(gè)試驗(yàn)順利進(jìn)行，初始狀態(tài)信息獲取主要包括衛(wèi)星軌道、姿態(tài)、指向等信息，地面站工作狀態(tài)、指向、位置信息和環(huán)境信息等數(shù)據(jù)的獲?。桓鶕?jù)初始信息，判斷地面試驗(yàn)是否具備開展條件； 2)試驗(yàn)設(shè)計(jì)包括對(duì)組網(wǎng)算法的仿真分析、正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和虛擬通道控制等關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)； 3)試驗(yàn)執(zhí)行是將生成的試驗(yàn)任務(wù)下發(fā)到地面站和試驗(yàn)衛(wèi)星，然后對(duì)試驗(yàn)生成的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和分析計(jì)算，用于繼續(xù)開展正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)；4)試驗(yàn)結(jié)果分析是對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，根據(jù)組網(wǎng)算法的試驗(yàn)結(jié)果判斷其是否具備在軌后星間組網(wǎng)的條件。

圖2 虛實(shí)結(jié)合星間鏈路組網(wǎng)地面試驗(yàn)驗(yàn)證流程

2 星間鏈路組網(wǎng)試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 虛擬拓?fù)涔芾砑夹g(shù)

為了通過(guò)有限地面站點(diǎn)模擬各種星間鏈路拓?fù)湎峦ㄐ盘幚砹鞒?，需在地面站?guī)劃配置信息中加上一些控制信息，使地面站能夠近似模擬實(shí)際衛(wèi)星，模擬整個(gè)星間鏈路的運(yùn)行流程。本文在文獻(xiàn)[11]的虛擬移動(dòng)和虛擬拓?fù)涔芾矸椒ㄉ线M(jìn)行拓展，采用新的虛擬拓?fù)涔芾黻P(guān)鍵虛擬技術(shù)支持地面試驗(yàn)。

虛擬拓?fù)涔芾韴?zhí)行如圖3所示，在承擔(dān)多于試驗(yàn)站點(diǎn)數(shù)量的星間鏈路組網(wǎng)時(shí)，單個(gè)地面站在天線跟蹤能力和處理能力下，通過(guò)時(shí)分復(fù)用技術(shù)，承擔(dān)多顆虛擬衛(wèi)星任務(wù)。在時(shí)間段T1，地面虛擬模擬Virtual1任務(wù)；在時(shí)間段T2，地面站讀取控制文件和虛擬衛(wèi)星參數(shù)，處理虛擬衛(wèi)星Virtual2任務(wù)，……；地面站通過(guò)執(zhí)行控制指令調(diào)整天線，使處理流程與實(shí)際星間鏈路網(wǎng)絡(luò)過(guò)程保持一致。

圖3 虛擬拓?fù)涔芾砑夹g(shù)實(shí)現(xiàn)

地面試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)時(shí)，首先收集地面站和衛(wèi)星的當(dāng)前狀態(tài)信息，進(jìn)行試驗(yàn)因素分析；然后將地面站參數(shù)作為規(guī)劃方案算法輸入?yún)?shù)，設(shè)計(jì)出滿足虛擬拓?fù)錀l件的規(guī)劃方案；最后將設(shè)計(jì)的規(guī)劃方案作為地面試驗(yàn)規(guī)劃方案執(zhí)行。

2.2 虛擬通道技術(shù)

地面站承擔(dān)虛擬衛(wèi)星時(shí)，需模擬衛(wèi)星所有功能，同時(shí)也要消除星地環(huán)境帶來(lái)的影響。因此，通過(guò)虛擬通道技術(shù)可使星地鏈路逼近實(shí)際星間鏈路。虛擬通道實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖4所示。

圖4 虛擬通道實(shí)現(xiàn)圖

2.2.1 延時(shí)控制

星地測(cè)量時(shí)，測(cè)距結(jié)果可表示為[14]：

ρ=ρ0+ρtro+ρion+ρpha+ρΔτ+δ

(1)

式中,ρ,ρ0,ρtro,ρion,ρpha,ρΔτ,δ分別為實(shí)際測(cè)距結(jié)果、測(cè)距準(zhǔn)確值、對(duì)流層、電離層、相位中心偏移、設(shè)備延時(shí)及隨機(jī)噪聲引入的測(cè)距誤差。因此，環(huán)境誤差和偽距都可以通過(guò)控制時(shí)間t來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)和試驗(yàn)站點(diǎn)監(jiān)測(cè)信息，消除式(1)中星地環(huán)境帶來(lái)的影響，實(shí)際實(shí)星到虛星的發(fā)射偽距應(yīng)滿足下式：

τs=τr+Δτ-τsg

式中，τs，τr，Δτ，τsg分別為理論虛星和實(shí)星傳輸時(shí)延、仿真場(chǎng)景中實(shí)星與虛星的傳輸時(shí)延、實(shí)際地面站與試驗(yàn)衛(wèi)星傳輸時(shí)延差值、地面站與衛(wèi)星間環(huán)境因素帶來(lái)的傳輸延遲量。

2.2.2 多普勒效應(yīng)模擬

星間衛(wèi)星存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，接收端收到信號(hào)時(shí)會(huì)發(fā)生多普勒頻移，因此，星間鏈路地面試驗(yàn)需模擬多普勒頻移效應(yīng)，使試驗(yàn)接近真實(shí)環(huán)境。多普勒公式定義為[13]：

(1)

式中，f0為衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射頻率,v為衛(wèi)星間徑向運(yùn)動(dòng)速度，c為光速，r為衛(wèi)星間相對(duì)位置矢量。星間鏈路地面試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)，衛(wèi)星位置由測(cè)控系統(tǒng)得到，虛擬衛(wèi)星速度由地面控制中心仿真得到。因此，地面站在發(fā)射試驗(yàn)衛(wèi)星Ka頻段通信數(shù)據(jù)時(shí)，要進(jìn)行多普勒效應(yīng)模擬。其多普勒效應(yīng)轉(zhuǎn)換過(guò)程公式為：

(2)

(3)

2.2.3 空間環(huán)境模擬

空間環(huán)境模擬主要通過(guò)虛擬信道技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)地面試驗(yàn)的空間損耗、空間干擾等的模擬。

(1)空間干擾模擬

星間鏈路采用Ka頻段相控陣天線本身具有良好的抗干擾性能，但在信息傳播過(guò)程中，仍存在鏈路互干擾、單頻干擾等；文獻(xiàn)[15]指出，Walker星座鏈路在一定時(shí)間段中平均互干擾為69.8232dB，單頻干擾信干比平均為-12.01dB，干擾直接影響衛(wèi)星通信的誤碼率。因此，在星間鏈路通信協(xié)議地面試驗(yàn)系統(tǒng)中，可在地面站發(fā)射Ka信號(hào)前，對(duì)信號(hào)加干擾信道，如添加隨機(jī)噪聲等，然后再發(fā)射到試驗(yàn)衛(wèi)星。

(2)空間損耗模擬

星間通信和星地通信都存在傳輸損耗，并且傳輸損耗量大，因此，星間鏈路地面試驗(yàn)系統(tǒng)中必須考慮傳輸損耗。同時(shí)，星間通信和星地通信信道環(huán)境不同，在進(jìn)行地面試驗(yàn)時(shí)，必須對(duì)空間損耗進(jìn)行補(bǔ)償。試驗(yàn)中，主要考慮自由空間損耗和雨衰損耗；實(shí)際星間鏈路過(guò)程中，不存在雨衰損耗，因此試驗(yàn)必須對(duì)發(fā)射功率進(jìn)行補(bǔ)償。

自由空間損耗公式為：

(4)

式中，f為天線發(fā)射頻率，c為光速，d為空間傳播距離。地面試驗(yàn)中根據(jù)星間距離和發(fā)射頻率調(diào)整信號(hào)的發(fā)射功率。

國(guó)際上，雨衰損耗通常采用ITU-RP618提供的CCIR模型，其計(jì)算公式為[16]：

A0.01=γRLE

(5)

式中，A0.01表示超過(guò)年平均0.01%雨衰，γR為降雨損耗率，LE為有效路徑長(zhǎng)度，公式具體推導(dǎo)參見(jiàn)文獻(xiàn)[16]。根據(jù)Ka信號(hào)工作頻率，計(jì)算過(guò)程中選取頻率段為10GHz≤f≤100GHz。

在星間鏈路地面試驗(yàn)中，無(wú)需考慮雨衰情況時(shí)，發(fā)射功率調(diào)整公式如下：

10lg(Tr)-10lg(Lf1)≈10lg(Tr′)-10lg(Lf1′)

(6)

式中，Tr,Tr′,Lf1,Lf1′分別表示理論發(fā)射功率、實(shí)際試驗(yàn)發(fā)射功率、理論的自由空間損耗和實(shí)際試驗(yàn)自由空間損耗。調(diào)整后，地面站與衛(wèi)星的自由空間損耗與待測(cè)星座星間自由空間損耗率相同。

存在雨衰情況時(shí)，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)需求和式(7)直接補(bǔ)償雨衰，調(diào)整發(fā)射功率，消除試驗(yàn)環(huán)境帶來(lái)的影響。

2.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)

星間鏈路組網(wǎng)算法的可行性和性能試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)，影響因素多，試驗(yàn)周期長(zhǎng)，過(guò)程復(fù)雜。為得到較好的試驗(yàn)結(jié)果，不同的試驗(yàn)方法所需要的試驗(yàn)次數(shù)各不相同。因此，設(shè)計(jì)性能優(yōu)的試驗(yàn)方案能從一定程度上降低試驗(yàn)成本，更快的達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康?。目前，常?jiàn)的試驗(yàn)方法有正交試驗(yàn)、均勻試驗(yàn)和抽樣試驗(yàn)等。而正交試驗(yàn)方法能獲取高質(zhì)量、高可靠性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；并且，在合理的試驗(yàn)安排下，正交實(shí)驗(yàn)?zāi)艽螖?shù)少，結(jié)果優(yōu)的完成試驗(yàn)任務(wù)[17]。因此，本文采用正交試驗(yàn)進(jìn)行星間鏈路組網(wǎng)試驗(yàn)。

2.3.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

處理多因素情況下，如A,B,C 三種因素時(shí)，且每個(gè)因素取3個(gè)具有代表性的值，利用正交試驗(yàn)，通過(guò)9次實(shí)驗(yàn)可以找到最佳水平組合。正交試驗(yàn)利用正交表安排試驗(yàn)， 3個(gè)平面分別代表3種因素，平面上有3個(gè)取值，每個(gè)平面上的點(diǎn)均勻分布，代表性強(qiáng)。結(jié)果能夠全面的反應(yīng)試驗(yàn)情況，用盡可能少的次數(shù)找到試驗(yàn)最佳水平。

星間鏈路組網(wǎng)功能和性能測(cè)試試驗(yàn)的目的是找到星間鏈路組網(wǎng)算法的組網(wǎng)代價(jià)或缺陷，此處將其定義為組網(wǎng)代價(jià)因子P。其中，P定義為：

(7)

式中，Pi為第i個(gè)代價(jià)因子，包括建鏈跳數(shù)、天線切換頻率、數(shù)據(jù)誤碼率、建鏈功耗、建鏈時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)吞吐量、網(wǎng)絡(luò)利用率、網(wǎng)絡(luò)可用性、網(wǎng)絡(luò)帶寬容限和故障處理能力等；λi為代價(jià)權(quán)值，可根據(jù)評(píng)定指標(biāo)和代價(jià)因子對(duì)星間鏈路組網(wǎng)的影響進(jìn)行確定。

(1)確定試驗(yàn)影響因素

影響星間鏈路組網(wǎng)試驗(yàn)的因素主要包括Ka通信頻率、天線切換速率、空間干擾、衛(wèi)星天線掃描范圍，天線發(fā)射功率、天線指向及衛(wèi)星天線切換能力等。

測(cè)試過(guò)程中，多因子同時(shí)試驗(yàn)時(shí)存在嚴(yán)重的耦合問(wèn)題，并且多因子同時(shí)試驗(yàn)加大了試驗(yàn)的控制量，進(jìn)而增加了試驗(yàn)控制帶來(lái)的誤差。因此，單批實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，可將接近相互獨(dú)立的3個(gè)因素作為試驗(yàn)因素.

(2)量化試驗(yàn)影響因素

為簡(jiǎn)化處理，以A,B,C表示影響試驗(yàn)的3個(gè)主要性能指標(biāo)，并確定各因素的取值范圍。

(3)正交表的制作

選擇三因素三水平正交表，如表2所示。

表2 三因素三水平正交表

(4)正交試驗(yàn)分析

按照表2進(jìn)行正交試驗(yàn)，代入各因素、各水平值，計(jì)算得到帶有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的正交表3。

表3 正交試驗(yàn)處理表

(5)極差分析

采用如式(10)～(11)計(jì)算：

(8)

Rmax,j=max(δ1j,δ2j,δ3j)，1≤j≤3

(9)

Rmin,j=min(δ1j,δ2j,δ3j)，1≤j≤3

(10)

式中，δ,Rmax和Rmin為中間變量，最終極差計(jì)算方法如表4所示。

表4 極差分析表

分析測(cè)試結(jié)果，如果R1>R2>R3，則說(shuō)明因素1對(duì)試驗(yàn)影響最大。此時(shí)，得到了試驗(yàn)因素與組網(wǎng)代價(jià)的取值曲線。然后在試驗(yàn)約束條件下，將組網(wǎng)代價(jià)曲線作為已知量，并取得最大代價(jià)對(duì)應(yīng)的因素水平值，再開展進(jìn)一步試驗(yàn)。

2.3.2 正交試驗(yàn)結(jié)果處理

試驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)際星地試驗(yàn)系統(tǒng)按照星間鏈路組網(wǎng)算法進(jìn)行建鏈通信；最終根據(jù)長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試結(jié)果，對(duì)星間鏈路組網(wǎng)進(jìn)行綜合判定。試驗(yàn)中，如果發(fā)現(xiàn)異?；蛘呤墙Y(jié)果超出了指標(biāo)范圍，則首先應(yīng)當(dāng)排除試驗(yàn)設(shè)計(jì)存在缺陷的問(wèn)題。如果試驗(yàn)設(shè)計(jì)存在缺陷，則立即對(duì)試驗(yàn)方案進(jìn)行改進(jìn)并重新組織試驗(yàn)；否則，可以判定待試驗(yàn)的星間鏈路組網(wǎng)策略不能滿足要求。

3 應(yīng)用

3.1 應(yīng)用分析

根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)需求，在只有單顆試驗(yàn)衛(wèi)星時(shí)，星間組網(wǎng)試驗(yàn)可按如下步驟開展：

1) 協(xié)議試驗(yàn)(試驗(yàn)衛(wèi)星和地面站虛擬衛(wèi)星)，包括協(xié)議正確性、一致性和魯棒性等試驗(yàn)；

2) 局部組網(wǎng)試驗(yàn)(試驗(yàn)衛(wèi)星和地面站虛擬建鏈規(guī)劃中與試驗(yàn)衛(wèi)星有建鏈的虛擬衛(wèi)星)，進(jìn)行試驗(yàn)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)、重傳和擁塞控制等組網(wǎng)能力試驗(yàn)；

3) 全星座組網(wǎng)試驗(yàn)(試驗(yàn)衛(wèi)星和地面站模擬其它所有虛擬衛(wèi)星業(yè)務(wù))，進(jìn)行組網(wǎng)綜合性能試驗(yàn)，包括廣播、多播和組播等試驗(yàn)，驗(yàn)證組網(wǎng)吞吐量、傳播時(shí)延等網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)試驗(yàn)。

在具備多顆試驗(yàn)衛(wèi)星時(shí)，試驗(yàn)衛(wèi)星之間可以進(jìn)行組網(wǎng)，同時(shí)地面試驗(yàn)系統(tǒng)也能夠模擬與試驗(yàn)衛(wèi)星組網(wǎng)的虛擬衛(wèi)星；對(duì)于每顆試驗(yàn)衛(wèi)星都可以用上述方法進(jìn)行試驗(yàn)，直至達(dá)到最終目的。

3.2 應(yīng)用示例

為驗(yàn)證天線發(fā)射功率、天線指向和衛(wèi)星天線掃描角度對(duì)北斗二代導(dǎo)航系統(tǒng)中的衛(wèi)星MEO1和IGSO1的建鏈性能影響，進(jìn)行如下試驗(yàn)：設(shè)定星間最大距離為70000km,天線實(shí)際發(fā)射功率為比額定功率低0dB, 6dB, 9dB，天線指向精度(俯仰角精度)為0,-0.3, -0.5，天線掃描角度為45°，精度為0,-1.25,-2.5；建鏈性能以可見(jiàn)時(shí)間概率計(jì)算。按照窮舉法來(lái)做試驗(yàn)，則需要做33=27次。采用正交法可設(shè)計(jì)如表5實(shí)驗(yàn)。

表5 正交試驗(yàn)處理結(jié)果

采用正交試驗(yàn)，在控制天線發(fā)射功率、天線指向、衛(wèi)星天線掃描角度時(shí)，得到表6極差分析結(jié)果：

表6 極差分析結(jié)果

經(jīng)分析，有R3>R1>R2；在精度指標(biāo)范圍內(nèi)，衛(wèi)星天線掃描角度精度對(duì)組網(wǎng)建鏈性能影響最大，天線發(fā)射功率與天線指向精度對(duì)組網(wǎng)建鏈性能影響少且非常接近。因此，在星間鏈路組網(wǎng)地面試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，需要重點(diǎn)考慮衛(wèi)星天線掃描角度控制精度的影響。通過(guò)將天線掃描角度精度設(shè)為指標(biāo)精度值，然后對(duì)組網(wǎng)算法進(jìn)行評(píng)判，這樣再通過(guò)少量試驗(yàn)就達(dá)到了試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

4 結(jié)論

綜上所述，基于虛實(shí)結(jié)合的星間鏈路組網(wǎng)地面試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)能模擬整個(gè)星間鏈路信息處理流程，可以實(shí)現(xiàn)單顆試驗(yàn)衛(wèi)星接入的組網(wǎng)試驗(yàn)，同時(shí)也能支持多顆試驗(yàn)衛(wèi)星的星間鏈路組網(wǎng)試驗(yàn)。通過(guò)地面試驗(yàn)場(chǎng)景的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，可同時(shí)綜合多因素情況下的星間鏈路組網(wǎng)試驗(yàn)，在較少試驗(yàn)次數(shù)情況下能找到影響星間組網(wǎng)的主要因素，為后續(xù)開展和優(yōu)化星間鏈路組網(wǎng)試驗(yàn)提供了試驗(yàn)依據(jù)。該方法在不影響星間鏈路組網(wǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果的情況下，有效避免了單因素下重復(fù)試驗(yàn)中凸顯的高費(fèi)用、高風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題。

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A Framework of Ground Test and Verification for Inter-Satellite Links Communication Based on Virtual and Physical Combined Technique

Peng Haijun1,2, Wang Ling1, Huang Wende2, Yang Jun2

1. College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China 2. College of Mechatronics Engineering and Automation, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China

Buildingagroundtestandverificationexperimentenvironmentisaneffectivewaytoreducetheriskoftheinter-satellitelinks(ISLs)technology.Inthispaper,atestandverificationframeworkofISLscommunicationprotocolisimplemented,whichisaimedatfiguringoutthenetworkingtestingandverificationproblemsoffunctionandperformance.Morespecifically,basedontherealISLsinformationprocessing,aschemeconsistedofvirtualandrealsatellitesiscreated,whichtakesorthogonaltestascommunicationprotocolverificationmethodofISLs.ThroughscenesandmethodsdesignofISLs,atestandanevaluationanalysismethodaredeveloped.Astheresultsofperformance,thisframeworkisafeasiblescheme,whichpossesseslowcostandlowrisk,andtotallymeetsthegroundtestandverificationrequirementsofsignalsatelliteaccessingandcommunicationprotocoltesting.

Inter-satellitelinks;Orthogonaltest;Networktopology;Routerpolice;Frameworkdesign

*國(guó)家自然科學(xué)基金(41274023)和科技重大專項(xiàng)(GFZX0301010105)共同資助

2015-07-29

彭海軍(1991-)，男，湖南衡南人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾情g鏈路；王 玲(1962-),女，博士，長(zhǎng)沙人，教授，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等；黃文德(1981-)，男，廣西寧明人，博士，講師，主要研究方向?yàn)楹教炱鬈壍绖?dòng)力學(xué)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)；楊 俊(1972-)，男， 江蘇如皋人，教授，博士，主要研究方向?yàn)榭臻g儀器工程、衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)。

V448．25+3

A

1006-3242(2016)02-0031-07