協(xié)同控制下的空間信息網(wǎng)絡(luò)簡單虛擬局域網(wǎng)構(gòu)想

程禹，胡維多

北京航空航天大學(xué) 宇航學(xué)院，北京 100191

協(xié)同控制下的空間信息網(wǎng)絡(luò)簡單虛擬局域網(wǎng)構(gòu)想

程禹，胡維多*

北京航空航天大學(xué) 宇航學(xué)院，北京 100191

針對空間信息網(wǎng)的組網(wǎng)實現(xiàn)問題，考慮衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的長時延、動態(tài)性、資源受限等網(wǎng)絡(luò)特性，提出了一種協(xié)同控制下的虛擬局域網(wǎng)組網(wǎng)構(gòu)想：首先，通過將空間信息網(wǎng)絡(luò)劃分成多個虛擬局域網(wǎng)的方法分割空間廣域網(wǎng)，減輕星載計算機的信息處理負(fù)擔(dān)和帶寬資源的無謂損耗。其次，基于一致性算法，在協(xié)同控制律中加入路由算法實現(xiàn)虛擬局域網(wǎng)內(nèi)節(jié)點衛(wèi)星信息的兩兩聯(lián)通，提高空間信息網(wǎng)絡(luò)的可靠性和協(xié)同處理性能，將這種時變時滯協(xié)同控制律應(yīng)用在空間信息網(wǎng)結(jié)構(gòu)中能夠?qū)崿F(xiàn)空間強連通組網(wǎng)，應(yīng)用于單個衛(wèi)星上則可以實現(xiàn)關(guān)鍵節(jié)點衛(wèi)星的冗余備份和負(fù)載均衡。最后，模擬仿真空間信息網(wǎng)框架結(jié)構(gòu)和冗余節(jié)點虛擬局域網(wǎng)，在50 s內(nèi)迅速實現(xiàn)預(yù)定軌跡收斂，且收斂后具有較為穩(wěn)定的星間時延，從而驗證了方案的可行性。

虛擬局域網(wǎng)；空間信息網(wǎng)；協(xié)同控制；一致性算法；路由算法；組網(wǎng)

作為中國“十三五”規(guī)劃(2016-2020年)的重要項目之一，天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)以其較高的實用價值和重大的戰(zhàn)略性意義，正越來越成為領(lǐng)域內(nèi)的研究重點與研究熱點。相比于成熟的地面通信網(wǎng)絡(luò)，空間信息網(wǎng)存在長星間鏈路引起的高傳播時延，大空間跨度等導(dǎo)致的高誤碼率，衛(wèi)星在軌運行帶來的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)性，以及由平臺能力、頻譜資源制約的星上功率和帶寬等技術(shù)難題1]，其實現(xiàn)技術(shù)仍然處于探索的初級階段。

目前的空間信息網(wǎng)實現(xiàn)技術(shù)主要分為主從控制下的多層星座組網(wǎng)和協(xié)同控制下的點對點(ad-hoc)自組網(wǎng)。傳統(tǒng)主從控制的多層星座組網(wǎng)是當(dāng)下主流的空間信息網(wǎng)實現(xiàn)方式，這種方法通過先單獨設(shè)計通信衛(wèi)星星座再加以星座間、層間疊加的方式實現(xiàn)星間網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，擁有合理的構(gòu)型和通信時延；但它沒有考慮有限的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理能力，傳統(tǒng)主從控制方法協(xié)同性能的不足也使系統(tǒng)缺乏穩(wěn)定性，控制成本提高2-5]。特別地，文獻(xiàn)6]在多層星座組網(wǎng)的基礎(chǔ)上提出將天基網(wǎng)絡(luò)作為傳輸節(jié)點，將數(shù)據(jù)處理中心分布式地布置在地面的實現(xiàn)方法，有效地緩解了星載計算機處理能力不足的缺點，但是數(shù)據(jù)在天地網(wǎng)絡(luò)間往返帶來的通信時延卻難以忽視。Ad-hoc自組網(wǎng)采用分布式組網(wǎng)和控制的實現(xiàn)方法，具有較強的抗毀自愈能力，同時兼?zhèn)湟欢ǖ陌踩?，可以很好地適應(yīng)空間網(wǎng)絡(luò)的高動態(tài)性；但其覆蓋范圍有限，空間數(shù)據(jù)傳輸需要經(jīng)過多跳路由轉(zhuǎn)發(fā)，極大增大了傳播時延，影響信息的時效性7-9]。

因此，本文借鑒地基網(wǎng)絡(luò)虛擬局域網(wǎng)的組網(wǎng)和實現(xiàn)技術(shù)10-11]，提出一種將空間信息網(wǎng)劃分為多個簡單虛擬局域網(wǎng)的空間組網(wǎng)構(gòu)想，并在基于一致性算法的協(xié)同控制律中加入路由算法，實現(xiàn)并加強了對空間虛擬局域網(wǎng)的協(xié)同控制效果，能夠應(yīng)用于天基網(wǎng)絡(luò)的強連通組網(wǎng)、衛(wèi)星燃料的節(jié)約優(yōu)化、星載計算機的協(xié)同運算等方面，在一定程度上為中國空間信息網(wǎng)的實現(xiàn)技術(shù)提供了一種較新的思路。

1 空間虛擬局域網(wǎng)的構(gòu)型構(gòu)想

在天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中，一種常見的設(shè)計方案是采用地球靜止軌道(Geostationary Orbit，GEO)通信衛(wèi)星星座(包括3顆地球靜止衛(wèi)星)和低軌道(Low Earth Orbit，LEO)通信衛(wèi)星星座(包括數(shù)十顆衛(wèi)星)作為天基網(wǎng)絡(luò)的骨干傳輸網(wǎng)，同時以GEO星座兼作與地基網(wǎng)絡(luò)通信的終端接入網(wǎng)3]。本文擬采用此構(gòu)型作為空間虛擬局域網(wǎng)(Virtual Local Area Network，VLAN)的骨干接入網(wǎng)絡(luò)。

1.1 GEO層空間虛擬局域網(wǎng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)型

GEO層骨干網(wǎng)絡(luò)作為連接天地通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)層，通信負(fù)載較重，一般不再接入空間VLAN。但是單顆GEO衛(wèi)星的可靠性十分有限，一旦某一顆衛(wèi)星出現(xiàn)故障，往往會導(dǎo)致天基網(wǎng)內(nèi)部、天地網(wǎng)絡(luò)之間等多方通信中斷，出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓的情況。為了防止這種意外的出現(xiàn)，提高通信的可靠性，需要在GEO星座的每顆衛(wèi)星周圍構(gòu)建相對穩(wěn)定的衛(wèi)星編隊組成冗余備份VLAN，作為冗余網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的同時，也可以實現(xiàn)信息的協(xié)同處理，如圖1中VLAN 1～3所示。

骨干網(wǎng)絡(luò)是天基網(wǎng)絡(luò)的主要交換和傳輸通道，如果所有骨干網(wǎng)衛(wèi)星存在于一個廣播域內(nèi)，那么數(shù)量龐大的廣播幀必將影響網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能。為了減輕骨干網(wǎng)絡(luò)不必要的廣播負(fù)載和星載計算機運算能力的無謂消耗，考慮到骨干網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定拓?fù)洌瑪M將LEO層通信衛(wèi)星星座劃分為一個個單獨的骨干網(wǎng)VLAN，再分別接入GEO層通信衛(wèi)星星座VLAN 8，相鄰星座間的相鄰衛(wèi)星屬于同一VLAN以減少域內(nèi)信息交換時延，如圖1中VLAN 4～7所示，骨干網(wǎng)VLAN間通過匯聚鏈接組成穩(wěn)定的互聯(lián)互通的雙層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1 GEO虛擬局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of GEO virtual LAN

1.2 LEO層空間虛擬局域網(wǎng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)型

LEO層骨干網(wǎng)絡(luò)承載著空間絕大多數(shù)VLAN連接，需要穩(wěn)定規(guī)律的接入鏈接和信道帶寬。理想情況下，節(jié)點衛(wèi)星直接連接信號范圍內(nèi)的骨干網(wǎng)訪問接入點(AP)驗證身份、接入相應(yīng)的VLAN網(wǎng)絡(luò)，如圖2的VLAN 1所示。對于拓?fù)渥兓^快，或者臨時性較強的衛(wèi)星群，可以考慮通過組建Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)的模式組成VLAN進(jìn)行通信，如圖2的VLAN 2所示。對于某些負(fù)載較重的LEO層骨干網(wǎng)節(jié)點衛(wèi)星，也可以配置冗余備份VLAN實現(xiàn)節(jié)點備份和負(fù)載均衡，如圖2的VLAN 3所示。

圖2 LEO虛擬局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of LEO virtual LAN

但是考慮到目前衛(wèi)星處理能力有限，為了減輕骨干網(wǎng)衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸壓力，采用層次化網(wǎng)絡(luò)的方法為拓?fù)漭^為穩(wěn)定的VLAN設(shè)計三層模型結(jié)構(gòu)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)型。選舉負(fù)載能力較強的節(jié)點衛(wèi)星作為核心層交換機接入VLAN范圍內(nèi)的骨干網(wǎng)衛(wèi)星，VLAN內(nèi)一部分關(guān)鍵節(jié)點衛(wèi)星接入核心層衛(wèi)星，作為匯聚層交換機；VLAN內(nèi)的其余節(jié)點衛(wèi)星屬于接入層，通過關(guān)聯(lián)匯聚層交換機接入網(wǎng)絡(luò)。在這種設(shè)計中，骨干網(wǎng)衛(wèi)星和核心層節(jié)點衛(wèi)星僅提供高速連接和最優(yōu)傳輸路徑，安全、路由、流量負(fù)載等策略由匯聚層衛(wèi)星實施，有效地減小了骨干網(wǎng)衛(wèi)星的負(fù)載壓力，如圖2的VLAN 4所示。

2 含路由算法的時滯時延協(xié)同控制算法

為了實現(xiàn)上述空間信息網(wǎng)的VLAN組網(wǎng)構(gòu)型，考慮VLAN對域內(nèi)衛(wèi)星相對位置的要求，衛(wèi)星的控制算法需要同時具備一定的協(xié)同性。本文擬采用一致性算法實現(xiàn)對VLAN域內(nèi)節(jié)點衛(wèi)星的協(xié)同控制。

(1)

由于在信息交互的過程中存在路由算法等協(xié)議，在VLAN組網(wǎng)的過程中，星載計算機需要實時計算信息的路由選擇，加上信息在星間鏈路上的傳播時延，必定會對計算帶來較大的時變時延，所以需要設(shè)計存在時變時滯的一致性算法。對于簡單的衛(wèi)星VLAN結(jié)構(gòu)，可以使用簡潔高效的Floyd路由算法12]。

假設(shè)局域網(wǎng)成員的路由表都能夠及時更新，每個成員實時廣播自己的位置信息，則將本節(jié)點到其他節(jié)點的相對距離作為網(wǎng)絡(luò)消費權(quán)值，寫入鄰接矩陣A中得到加權(quán)鄰接矩陣B；將得出的加權(quán)鄰接矩陣B帶入Floyd路由算法中，計算出本節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡渌?jié)點的最短距離和路徑選擇，MAC地址指向下一跳衛(wèi)星路由；此時其他成員的路由表已經(jīng)更新，僅需查詢路由表得到之后的路徑選擇即可。綜合Floyd算法的計算時間和信息在最優(yōu)鏈路上的傳播時間，得到最終時變時滯時延。時延表達(dá)式為

(2)

式中：τij為衛(wèi)星i和衛(wèi)星j之間的時變時滯時延；tr為路由器建立路由表帶來的時延；dij(t-ta)表示上一時刻t-ta時對應(yīng)路由表中衛(wèi)星i和衛(wèi)星j之間的最優(yōu)鏈路距離，c=2.997 9×105km/s表示電磁波在空間的傳播速度；ns為該條路徑上的衛(wèi)星數(shù)目；ts表示星上交換和星上處理所需的時間，假定為1ms。

同時，由于利用路由算法得出了每對節(jié)點衛(wèi)星間的路由選擇，相當(dāng)于所有節(jié)點之間都可以相互通信，則可以認(rèn)為編隊虛擬局域網(wǎng)的信息拓?fù)鋱D是強連通的，即鄰接矩陣A=aij]變?yōu)閷蔷€元素為0，其余元素都為1的強連通鄰接矩陣B=bij]。

將式(2)帶入式(1)中，得到空間VLAN含路由算法的時滯時延一致性算法公式為:

(3)

在空間VLAN組網(wǎng)系統(tǒng)中，協(xié)同控制算法的應(yīng)用需求廣泛?？偨Y(jié)下來主要可以分為如下3種情況：

1)構(gòu)建和維護(hù)空間信息網(wǎng)骨干網(wǎng)絡(luò)?？臻g信息網(wǎng)骨干網(wǎng)絡(luò)采用激光通信技術(shù)，其高度聚集的激光光束對于節(jié)點衛(wèi)星的相對位置等有較為嚴(yán)格的要求，需要使用一致性算法對骨干網(wǎng)涉及的衛(wèi)星星座加以協(xié)同控制。一般按照VLAN劃分實現(xiàn)域內(nèi)協(xié)同控制，如圖1的VLAN4～7；衡量骨干網(wǎng)衛(wèi)星星載計算機的計算能力，最多可實現(xiàn)整個骨干網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同控制。

2)為關(guān)鍵衛(wèi)星置備冗余節(jié)點。這種情況下衛(wèi)星節(jié)點間的距離一般比較小，可以使用相對運動(Clohessy-Wilshire)方程描述冗余節(jié)點衛(wèi)星相對于關(guān)鍵衛(wèi)星的運動，并在控制力中加入一致性算法實現(xiàn)協(xié)同控制，如圖1的VLAN1～3所示。

3)組建信息拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定的空間VLAN子網(wǎng)。類似于第二種情況，將參考節(jié)點換為提供接入點的骨干網(wǎng)衛(wèi)星即可。如果此VLAN采用三層模型結(jié)構(gòu)，則需要分別以核心層衛(wèi)星和匯聚層衛(wèi)星為參考節(jié)點進(jìn)行兩次編隊協(xié)同控制，如圖2的VLAN1和VLAN4。

3 協(xié)同控制任務(wù)的仿真與分析

本文以仿真天基骨干網(wǎng)和備置GEO衛(wèi)星冗余節(jié)點的任務(wù)為例，實現(xiàn)空間信息網(wǎng)骨架VLAN結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，以衛(wèi)星節(jié)點間的位置信息驗證VLAN的協(xié)同處理功能，以衛(wèi)星節(jié)點間的通信時延衡量VLAN系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)性能。

3.1 空間虛擬局域網(wǎng)的參數(shù)和構(gòu)型

對于冗余備份VLAN，選取與參考GEO衛(wèi)星距離較近的5顆閑置衛(wèi)星為繞飛衛(wèi)星，為了顯現(xiàn)協(xié)同控制算法的控制效果，需要變軌實現(xiàn)環(huán)繞參考GEO衛(wèi)星的編隊構(gòu)型。擬定構(gòu)型構(gòu)成半徑為5km的圓軌道，5顆繞飛衛(wèi)星均勻分布在此編隊軌道上。假設(shè)已知5顆繞飛衛(wèi)星和參考GEO衛(wèi)星初始時刻的軌道六要素如表1的編號1～6行所示。

由于變動前后的衛(wèi)星軌道都是圓軌道或者近圓軌道，信息拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，則選取固定無向拓?fù)鋱D表征衛(wèi)星編隊局域網(wǎng)的信息拓?fù)?。為了方便協(xié)助參考GEO衛(wèi)星處理數(shù)據(jù)和信息交互，假設(shè)繞飛衛(wèi)星與參考衛(wèi)星之間都存在星間鏈路，則參考衛(wèi)星對于繞飛衛(wèi)星信息傳輸?shù)穆窂竭x擇有較大影響。將參考GEO衛(wèi)星列入拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，假定衛(wèi)星編隊飛行過程中，局域網(wǎng)內(nèi)衛(wèi)星之間的信息拓?fù)淙鐖D3所示，1～5表示繞飛衛(wèi)星，6表示參考GEO衛(wèi)星。

表1 節(jié)點衛(wèi)星的軌道六要素

圖3 衛(wèi)星編隊信息拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 Communication topology of the satellites

則此GEO衛(wèi)星編隊的鄰接矩陣為

式中：第i行、第j列元素aij表征衛(wèi)星i和衛(wèi)星j之間的通信關(guān)系：aij=1表示衛(wèi)星i和衛(wèi)星j之間存在星間鏈路；aij=0表示衛(wèi)星i和衛(wèi)星j之間不存在星間鏈路。

對于骨干網(wǎng)VLAN簇，擬使用3個長半軸為8 000km、由8顆衛(wèi)星均布而成的LEO衛(wèi)星星座和1個3顆衛(wèi)星均布的GEO衛(wèi)星星座。24顆LEO星座群以鄰近關(guān)系劃分為4個VLAN，記為VLAN1～VLAN4；GEO星座記為VLAN5。簡單起見，LEO星座VLAN的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與冗余備份VLAN相同；GEO星座VLAN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)強連通；LEO星座4個VLAN域內(nèi)的所有衛(wèi)星分別擁有相同的初始位置，對應(yīng)4個初始位置的軌道6要素如表1中編號7～10行所示。

3.2 軌道動力學(xué)模型

對于冗余備份VLAN，定義參考質(zhì)心軌道坐標(biāo)系Oxyz，原點固連在GEO衛(wèi)星質(zhì)心，Ox軸取為參考星的地心矢徑方向，Oz軸沿參考星軌道面法線正向，Oy軸與Ox軸、Oz軸組成右手直角坐標(biāo)系。由于GEO衛(wèi)星運行軌道為圓軌道，則選用C-W方程描述衛(wèi)星間的相對運動13]。在Oxyz坐標(biāo)系中，忽略除地球中心引力外的攝動力，為了方便表示，建立相對運動動力學(xué)方程的矩陣形式：

(4)

(5)

3.3 協(xié)同控制器設(shè)計

冗余備份VLAN和骨干網(wǎng)VLAN群都需要設(shè)計基于一致性算法的協(xié)同控制器來減輕VLAN域內(nèi)衛(wèi)星的數(shù)據(jù)處理壓力，提高星間信息的協(xié)調(diào)管理。文獻(xiàn)14]中提出了基于一致性算法的多智能體線性協(xié)同控制律：

局域網(wǎng)內(nèi)編隊飛行結(jié)構(gòu)的二階線性一致性算法控制律為:

(6)

式中:K為控制增益矩陣。將式(6)分別帶入式(4)和式(5)，即得到完整的軌道動力學(xué)方程。

3.4 仿真結(jié)果與分析

假設(shè)所有虛擬局域網(wǎng)編隊的成員都可以獲得所有成員的期望狀態(tài)信息，那么根據(jù)編隊軌道動力學(xué)模型，取正定增益矩陣G=diag(2,2,2)，控制增益矩陣K=diag(10,10,10)，所有衛(wèi)星質(zhì)量設(shè)為500kg,得到GEO冗余備份VLAN的協(xié)同控制結(jié)果如圖4所示；骨干網(wǎng)協(xié)同控制結(jié)果如圖5所示，這里只截取了LEO層的VLAN1～VLAN4，圖5中左上角6顆衛(wèi)星屬于VLAN1，右上、左下、右下角6顆衛(wèi)星分屬VLAN2～4。以GEO冗余備份VLAN為例，取時間為橫坐標(biāo)，繞飛衛(wèi)星i相對于繞飛衛(wèi)星j的總路徑時延為縱坐標(biāo)，可以得到繞飛衛(wèi)星i、j之間的時變時滯時延的變化曲線，這里給出繞飛衛(wèi)星1相對于繞飛衛(wèi)星2到5的時變時滯時延變化曲線，如圖6所示。

圖4 GEO冗余備份VLAN衛(wèi)星運動軌跡Fig.4 GEO redundant satellites′ trajectories

圖5 LEO骨干網(wǎng)VLAN衛(wèi)星運動軌跡Fig.5 LEO backbone VLAN satellites′ trajectories

圖6 繞飛衛(wèi)星1相對于其他繞飛衛(wèi)星的時延Fig.6 Satellite 1′s delay relative to other satellites

從空間信息網(wǎng)VLAN結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果(如圖4和圖5)可知，本文設(shè)計的含路由功能的時變時滯一致性算法具有較好的協(xié)同控制性能，節(jié)點衛(wèi)星擁有良好的收斂軌跡，能夠快速地進(jìn)入預(yù)定軌道。從節(jié)點衛(wèi)星間的時延圖像(見圖6)可以看出，域內(nèi)衛(wèi)星具有較快的收斂速度，收斂時間約為50s；衛(wèi)星間的時延比較小，介于1.015ms與2.035ms之間，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定后系統(tǒng)的時延抖動小于0.003ms。對比文獻(xiàn)16]仿真結(jié)果可得，本文提出的虛擬局域網(wǎng)組網(wǎng)方案具有一定的合理性和可行性。

4 結(jié)束語

本文提出了一種加入路由功能的時變時滯協(xié)同控制律下的空間虛擬局域網(wǎng)組網(wǎng)方法。針對衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的長時延、動態(tài)性、資源受限等缺陷，將虛擬局域網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于空間信息網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計了基于GEO/LEO雙層星座的空間虛擬局域網(wǎng)組網(wǎng)構(gòu)型?？紤]實際通信情況，將路由算法等通信協(xié)議帶來的時延和信息的傳播時延引入到虛擬局域網(wǎng)系統(tǒng)的協(xié)同控制律中，使控制算法更具真實性、更有工程實踐效果；同時，路由算法等協(xié)議的引入，也讓協(xié)同控制算法不僅僅局限于鄰接矩陣提供的信息耦合，使所有成員的狀態(tài)都參與到對彼此的協(xié)同控制中，增強了虛擬局域網(wǎng)系統(tǒng)的協(xié)同性，提高了控制算法的控制精度。模擬仿真天基骨干網(wǎng)VLAN簇和GEO冗余備份VLAN的實例表明，使用含路由算法的協(xié)同控制律能夠?qū)崿F(xiàn)空間虛擬局域網(wǎng)組網(wǎng)，具有較小的時延和時延抖動，表現(xiàn)出良好的協(xié)同性，論證了組網(wǎng)方案的可行性。

References)

[1] 劉功亮，李暉. 衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)M]. 北京：人民郵電出版社，2015：11-12.

[2] BHASIN K，HAYDEN J. Developing architectures and technologies for an evolvable NASA space communication infrastructureC].22ndAIAA International Communications Satellite Systems Conference and Exhibit，Monterey，2004：1180-1191.

[3] 閔士權(quán). 我國天基綜合信息網(wǎng)構(gòu)想J]. 航天器工程，2013，22(5)：1-14.

MIN S Q. An idea of China′s space-based integrated information network J]. Spacecraft Engineering，2013，22(5): 1-14(in Chinese).

[4] 沈榮駿. 我國天地一體化航天互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)想J]. 中國工程科學(xué)，2006，8(10)：19-30.

SHEN R J. Some thought of Chinese integrated space-ground network system J]. Engineering Science，2006，8(10)：19-30(in Chinese).

[5] 黃惠明，常呈武. 天地一體化天基骨干網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)架研究J]. 中國電子科學(xué)研究院學(xué)報，2015，10(5)：460-467，491.

HUANG H M，CHANG C W. Architecture research on space-based backbone network of space-ground integrated networks J]. Journal of CAEIT，2015，10(5)：460-467，491(in Chinese).

[6] 郭嘉寧，李長德，石云，等. 基于地面分布式數(shù)據(jù)中心的天地一體化網(wǎng)絡(luò)J]. 中國空間科學(xué)技術(shù)，2015，35(5)：77-84.

GUO J N，LI C D，SHI Y，et al. Satellite-ground integrated communication network based on distributed data center J]. Chinese Space Science and Technology，2015，35(5)：77-84(in Chinese).

[7] 李瑞欣，趙尚弘，李勇軍，等. 基于SCPS協(xié)議的快速自組織可重構(gòu)天基信息網(wǎng)組網(wǎng)J]. 電訊技術(shù)，2010，50(7)：6-10.

LI R X，ZHAO S H，LI Y J，et al. Networking strategy for fast recovery Ad Hoc spatial information network based on SCPS protocol J]. Telecommunication Engineering，2010，50(7)：6-10(in Chinese).

[8] 劉小躍，馬建峰，鐘焰濤，等. 空間信息網(wǎng)安全組網(wǎng)新構(gòu)架J]. 網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2009(6)：13-15.

[9] 齊小航. 基于多星協(xié)作的空間信息網(wǎng)組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究D]. 北京：北京郵電大學(xué)，2013.

QI X H. Research on key networking technologies based on multiple satellite collaboration in space information network D]. Beijing：Beijing University of Posts and Telecommunications，2013(in Chinese).

[10] ANDREW T，DAVID W. 計算機網(wǎng)絡(luò)M].第五版. 北京：清華大學(xué)出版社，2012：285-289.

[11] 王麗雯，龔尚福，馬旭. 基于三層交換技術(shù)的虛擬局域網(wǎng)規(guī)劃J]. 科技信息，2008(2)：63，58.

[12] 張德全，吳果林，劉登峰. 最短路問題的Floyd加速算法與優(yōu)化J]. 計算機工程與應(yīng)用，2009，45(17)：41-43.

ZHANG D Q，WU G L，LIU D F. Accelerated and optimized method of Floyd algorithm to find out shortest path J]. Computer Engineering and Applications，2009，45(17): 41-43(in Chinese).

[13] HU W D. Fundamental spacecraft dynamics and controlM]. Singapore：John Wiley and Sons，2015.

[14] REN W. Multi-vehicle consensus with a time varying reference stateJ]. Systems & Control Letters，2007，56(7-8): 474-483.

[15] 畢鵬，羅建軍，張博. 基于網(wǎng)絡(luò)同步的航天器編隊飛行姿態(tài)控制方法J]. 中國空間科學(xué)技術(shù)，2010，30(1)：46-51.

BI P，LUO J J，ZHANG B. Attitude control algorithm for spacecraft formation flying based on network synchronization J]. Chinese Space Science and Technology，2010，30(1)：46-51(in Chinese).

[16] 畢鵬，羅建軍，張博. 一種基于一致性理論的航天器編隊飛行協(xié)同控制方法J]. 宇航學(xué)報，2010，31(1)：70-74.

BI P，LUO J J，ZHANG B. Cooperate control algorithm for spacecraft formation flying based on consensus theory J]. Journal of Astronautics，2010，31(1)：70-74(in Chinese).

(編輯：車曉玲)

A conception of VLAN spatial networking under cooperative control

CHENG Yu，HU Weiduo*

SchoolofAstronautics，BeihangUniversity，Beijing100191，China

Based on long time delay，high dynamic nature，and limited resources of the satellite network,a space virtual local area network(VLAN)division method under cooperative control was proposed to implement spatial information network.Firstly，to improve the utilization rate of satellite bandwidth and computing resources，satellite network was divided into several VLAN. Secondly，the routing algorithm was combined with consistency algorithm to achieve higher reliability in satellites′ mutual connection and communication. When applied to spatial satellite network，the algorithm can achieve strong connectivity between each node；when applied to a single satellite，it can help in intra-area load balance and redundant backup. Finally, examples were given to demonstrate the effectiveness of the proposed algorithm for both space network and a single satellite.The results show that all satellites can convergence to their planned orbit in 50 seconds and the network can achieve a stable space structure.

virtual local area network；spatial information network；cooperative control；consistency algorithm； routing algorithm；networking

10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0003

2016-05-18；

2016-08-26；錄用日期：2016-11-24；

時間：2016-12-27 11:18:09

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20161227.1118.001.html

程禹(1992-)，男，碩士研究生，chengyua3798@163.com，研究方向為導(dǎo)航制導(dǎo)與控制

*通訊作者：胡維多(1965-)，男，教授，weiduo.hu@buaa.edu.cn，研究方向為小行星運動和衛(wèi)星控制系統(tǒng)故障仿真

程禹，胡維多. 協(xié)同控制下的空間信息網(wǎng)絡(luò)簡單虛擬局域網(wǎng)構(gòu)想J].中國空間科學(xué)技術(shù)，2017，37(1)：11-18.CHENGY，HUWD.AconceptionofVLANspatialnetworkingundercooperativecontrolJ].ChineseSpaceScienceandTechnology，2017，37(1)：11-18(inChinese).

V57;TP393

A

http:∥zgkj.cast.cn