COMPASS衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)基于DT-DVTR的路由算法研究

趙超毅 ，陳 勇 ，李紹前

（1.中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所上海200050；2.上海微小衛(wèi)星工程中心上海201203；3.中國科學(xué)院大學(xué)北京100049）

星間鏈路（inter satellite links，ISL）系統(tǒng)是指衛(wèi)星與衛(wèi)星，衛(wèi)星與地面站之間構(gòu)成的具有精密測量和數(shù)傳功能的動態(tài)無線網(wǎng)絡(luò)[1]。在導(dǎo)航衛(wèi)星領(lǐng)域，星間鏈路可以輔助地面站進(jìn)行聯(lián)合定軌并增強(qiáng)系統(tǒng)的定位精度與可靠性，同時也能夠使GNSS系統(tǒng)在沒有地面站支持的情況下，自主運行一段時間。目前GPS，GLONASS，GALILEO以及我國的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)均采用星間鏈路以提高系統(tǒng)性能。

星間鏈路中的一個技術(shù)難點是星間路由算法[2]。由于衛(wèi)星的計算能力與存儲能力受限，所以路由算法應(yīng)該盡可能簡單與易于實現(xiàn)。路由算法應(yīng)該適用盡可能小的代價計算出衛(wèi)星與衛(wèi)星的建鏈關(guān)系，同時滿足用戶QoS需求。同時，應(yīng)該考慮避免衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的鏈路擁塞與負(fù)載均衡[2-4]。

文中，首先，建立了北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的星間鏈路模型，分析了各類衛(wèi)星的軌道參數(shù)與地面站配置，從而得出北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。然后，根據(jù)對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)果的分析以及星間鏈路性能需求的分析，提出了基于DT-DVTR的路由算法。最后，通過軟件仿真的方式，對本路由算法的性能進(jìn)行了仿真[5]，得到點對點時延，廣播時延，PDOP等關(guān)鍵評估指標(biāo)的仿真結(jié)果，對工程的實施提供了一定的參考。

1 星間鏈路模型

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)包含3類衛(wèi)星，分別為GEO，IGSO和MEO。

在北斗三期中GEO衛(wèi)星數(shù)量為3顆，分布于東經(jīng) 80°、東經(jīng) 110.5°和東經(jīng) 140°的赤道上空，文中使用Gi(i∈[1,3])來表示這3顆GEO衛(wèi)星。IGSO衛(wèi)星的數(shù)目為3顆，運行在軌道傾角為55°的地球同步軌道上，這3顆IGSO衛(wèi)星在地球表面的星下軌跡投影重合，相位差為120°，文中使用Ii(i∈[1,3])來表示這3顆IGSO衛(wèi)星。MEO衛(wèi)星的數(shù)目為24顆，采用σ-Walker 24/3/1星座，軌道高度21 528 km，軌道傾角55°，文中使用Mij(i∈[1,3],j∈[1,8])來表示處于第i個軌道平面上的第j顆MEO衛(wèi)星。

在北斗三期中，地面站主要分運控站與測控站。文中，采用北京、三亞、喀什三個節(jié)點作為地面運控站，采用三亞、渭南、佳木斯、喀什以及南美的圣地亞哥作為地面測控站，各站最小仰角采用10°進(jìn)行仿真計算。

2 路由算法

2.1 約束條件

受建站范圍的限制，國內(nèi)的注入站對境外衛(wèi)星不可見時間長達(dá)7小時，不能滿足每小時對衛(wèi)星星歷進(jìn)行更新的要求，也不滿足衛(wèi)星下行關(guān)鍵業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。在現(xiàn)有條件下，只能通過星間鏈路，將整網(wǎng)衛(wèi)星星歷分發(fā)到全星座，將全星座觀測數(shù)據(jù)、關(guān)鍵業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)回傳至主控站，實現(xiàn)全球系統(tǒng)導(dǎo)航業(yè)務(wù)正常運行。北斗全球系統(tǒng)對星間鏈路的需求主要體現(xiàn)在星間精密測量（測距），和星間數(shù)據(jù)分發(fā)及境外衛(wèi)星控制管理（數(shù)傳）[4]。

2.1.1 測距約束

對標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)來說，導(dǎo)航性能指標(biāo)主要有星座覆蓋性、定位精度、可用性、完好性和連續(xù)性等，其中可用性是建立在星座覆蓋性、精度之上，更加貼近用戶需求的一個重要指標(biāo)?？捎眯砸话惆▽?dǎo)航星座在特性服務(wù)區(qū)的可見星數(shù)和精度衰減因子（Dilution of Precision，DOP）[3]。由于可見星數(shù)并不能反映用戶的定位精度，在用戶等效測距誤差（User Equivalent Range Error，UERE）已知時，定位精度完全由DOP確定。DOP又細(xì)分為位置精度衰減因子（Position Dilution of Precision，PDOP）、水平精度衰減因子（Horizontal Dilution of Precision，HDOP）和垂直精度衰減因子（Vertical Dilution of Precision，VDOP），它們之間存在著函數(shù)關(guān)系。通常，在導(dǎo)航中的定位精度主要是三維空間中的位置精度，因此PDOP常用來評價導(dǎo)航星座的服務(wù)可用性[6]。文中，根據(jù)自主導(dǎo)航和精密定軌的業(yè)務(wù)需求，單星偽距測量幾何分布的指標(biāo)要求為PDOP<1.5。

2.1.2 數(shù)傳約束

星間鏈路數(shù)傳主要進(jìn)行運控上注、遙控遙測等信息的星間分發(fā)和回傳，重點解決地面可見衛(wèi)星與境外不可見衛(wèi)星之間的信息傳輸問題?？紤]到遙控信息實時性要求較高，要求可見衛(wèi)星與不可見衛(wèi)星星間建鏈的跳數(shù)應(yīng)盡可能少，在文中，星間鏈路數(shù)傳實時性指標(biāo)為：狀態(tài)與工控信息中繼下傳時延不大于10 s（星間端到端），運控、測控指令信息中繼注入時延不大于10 s（星間端到端），廣播類信息從發(fā)送到全網(wǎng)最后一顆衛(wèi)星收到此信息時延不大于60 s。

2.2 COMPASS網(wǎng)絡(luò)分析

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)采用時分體制，具有靈活時隙分配能力，各個節(jié)點接入網(wǎng)絡(luò)的時隙預(yù)先分配，同步介入，接入時隙的分配確定了整個星座中在任意時刻的連接狀態(tài)，直接影響應(yīng)用業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。衛(wèi)星與衛(wèi)星之間的建鏈關(guān)系由地面計算，以時隙表、路由表的形式注入到衛(wèi)星，衛(wèi)星根據(jù)接收到的時隙表，執(zhí)行不同的衛(wèi)星建鏈操作。

對于星間可見性，文中考慮如下因素：1）地球遮擋；2）太陽的影響（日凌）；3）兩顆衛(wèi)星之間的距離（60 000 km以內(nèi)）[7-8]。

由可見性分析[9]可知，在COMPASS網(wǎng)絡(luò)中，每顆MEO衛(wèi)星共有8顆持續(xù)可見的衛(wèi)星。由于Walker星座的對等性，每顆MEO的空間特性與其他衛(wèi)星是一致的。以第一軌道面的第一顆MEO衛(wèi)星MEO11為例，與MEO11持續(xù)可見的8顆衛(wèi)星為，MEO13，MEO14，MEO16，MEO17，MEO21，MEO24，MEO35，MEO38，其中4顆通軌，4顆異軌。

持續(xù)可見鏈路具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本固定，鏈路數(shù)量較少，DOP值變化小，不需要頻繁切換鏈路等特點[10-12]，在對8條持續(xù)可見鏈路的PDOP[6，13]值分別進(jìn)行了計算后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用這8條持續(xù)可見鏈路時，PDOP值維持在1.29～1.42范圍，滿足PDOP<1.5的指標(biāo)要求，使得系統(tǒng)的定位精度得到保證。所以應(yīng)該優(yōu)先選擇持續(xù)可見鏈路。

對于非持續(xù)可見鏈路，應(yīng)該優(yōu)先建立境內(nèi)星-境外星鏈路，在保證測量需求的前提下，盡量保證每個建鏈周期（1分鐘）內(nèi)節(jié)點衛(wèi)星與境外衛(wèi)星間建鏈時隙的均勻分布。同時需要盡量減少境內(nèi)衛(wèi)星與境內(nèi)衛(wèi)星的星間建鏈。

2.3 基于DT-DVTR算法的改進(jìn)路由策略

DT-DVTR（DiscreteTimeDynamicVirtualTopology Routing）算法是廣泛應(yīng)用于LEO通信星座下的星間鏈路路由算法，它的核心思想是根據(jù)衛(wèi)星網(wǎng)運行的周期性特點，將衛(wèi)星網(wǎng)系統(tǒng)周期劃分為一系列的時間片段。在每個時間片段內(nèi)，衛(wèi)星網(wǎng)拓?fù)涫枪潭ú蛔兊?，這樣就可以采用動態(tài)規(guī)劃等算法找到最優(yōu)路徑以及備選路徑[14-16]。

針對COMPASS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)特點，本文對DTDVTR算法進(jìn)行了改進(jìn)，主要改進(jìn)點為：

1）對于GEO、IGSO，盡可能建立境內(nèi)-境外鏈路，優(yōu)先選擇長時間沒有與境內(nèi)通信的境外星。

2）對于MEO，優(yōu)先在每分鐘內(nèi)建立永久星間鏈路，其次建立境內(nèi)-境外鏈路，優(yōu)先選擇最長時間沒有與境內(nèi)星通信的境外星。對于境外-境外鏈路，采用動態(tài)規(guī)劃算法，優(yōu)先選擇下一個時隙與境內(nèi)星通信且無信道堵塞的境外星。

3 仿真實驗

3.1 仿真設(shè)計

本文使用STK對星座的構(gòu)型進(jìn)行了仿真，如圖1。

圖1 STK星座構(gòu)型仿真

本文采用的仿真環(huán)境為VC+STK+MySQL，利用C語言編寫的衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理模型，可以實現(xiàn)對衛(wèi)星整星信息流的應(yīng)用層仿真，該模型能夠完成對北斗導(dǎo)航系統(tǒng)各個分系統(tǒng)間接口電文的解析與衛(wèi)星內(nèi)部的處理及重新編排，從而仿真真實衛(wèi)星的數(shù)據(jù)處理流程。通過調(diào)用STK的C語言接口，可以實時獲得星間可見性，從而完成星間的數(shù)據(jù)傳輸。MySQL數(shù)據(jù)庫會收集記錄衛(wèi)星模型、地面站模型的所有入口出口數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)庫中保存的數(shù)據(jù)的分析、處理，從而得到電文的傳輸時延、丟包率等，圖2是一個時隙的仿真流程中一顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)處理流程。

圖2 一個時隙的仿真流程中一顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)處理流程

3.2 仿真結(jié)果分析

根據(jù)數(shù)據(jù)庫中實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，得到表1中的仿真結(jié)果，仿真結(jié)果主要包含上行鏈路時延及丟包率，系統(tǒng)的PDOP值波動范圍。

表1 仿真實驗統(tǒng)計結(jié)果

根據(jù)對數(shù)據(jù)庫中記錄的仿真數(shù)據(jù)的分析，時延主要是由于境內(nèi)衛(wèi)星的數(shù)據(jù)累積和緩存區(qū)（隊列）排隊引起的。

試驗中廣播類數(shù)據(jù)是指地面站發(fā)送命令給全網(wǎng)衛(wèi)星，這里定義廣播類數(shù)據(jù)的時延為從地面站發(fā)送起到最后一顆衛(wèi)星接收到該數(shù)據(jù)包的時間，仿真結(jié)果中最大廣播類時延小于1分鐘的約束條件，滿足上行關(guān)鍵指標(biāo)。

對于下行遙測，主要分為兩類，一類為關(guān)鍵包，另一類為普通遙測。普通遙測在衛(wèi)星采樣之后直接發(fā)送給地面，這樣會導(dǎo)致境外衛(wèi)星發(fā)送的遙測地面站無法接收到。關(guān)鍵包不僅通過衛(wèi)星直接發(fā)給地面，也會通過星間鏈路進(jìn)行回傳，任何一條路徑到達(dá)地面，就認(rèn)為該數(shù)據(jù)包被正確傳輸了，否則認(rèn)為丟包。

在仿真試驗中，下行的關(guān)鍵包傳輸時延分布如圖3所示，橫坐標(biāo)為數(shù)據(jù)包發(fā)送時刻，單位為秒，縱坐標(biāo)為上注時延，單位為秒。遙測關(guān)鍵包的丟包率為4.79%，在對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，在某些時隙，個別境外衛(wèi)星在連續(xù)的幾個時隙沒有和境內(nèi)星建立星間鏈路，這導(dǎo)致了大量的遙測數(shù)據(jù)的積累，從而造成了較大的遙測傳輸時延以及節(jié)點衛(wèi)星遙測緩存區(qū)溢出，造成丟包。

圖3 下行遙測時延分布圖

4 結(jié) 論

本文介紹了改進(jìn)的基于DT-DVTR的虛擬拓?fù)銲SL路由算法，通過對關(guān)鍵指標(biāo)的仿真實驗，該算法滿足COMPASS系統(tǒng)測量與數(shù)傳指標(biāo)需求，具有以下優(yōu)點：1）預(yù)先在地面站計算路由，然后以路由表的形式注入衛(wèi)星，這樣可以充分利用地面站的計算能力，提高星間鏈路的服務(wù)性能。2）衛(wèi)星只需要查表即可，不需要實時的計算路由。簡少了衛(wèi)星的計算量，同時星上的實現(xiàn)也更加容易。3）簡化星間通信協(xié)議設(shè)計的難度。

該算法未來的優(yōu)化方向主要為：1）整網(wǎng)中繼衛(wèi)星數(shù)據(jù)流量的負(fù)載均衡；2）極個別時隙鏈路堵塞造成的較大傳輸時延問題；3）優(yōu)化星上緩存區(qū)設(shè)計，提高衛(wèi)星存儲能力的利用率；4）增加容錯機(jī)制，如果某顆衛(wèi)星出現(xiàn)故障無法工作之后，目前只能通過對全網(wǎng)重新注入新的路由表來解決故障。

本文的分析只是一個初步的結(jié)果，對于鏈路中節(jié)點衛(wèi)星的負(fù)載均衡與緩存區(qū)優(yōu)化并沒有做詳細(xì)的分析，隨著研究的深入，對于上述優(yōu)化方向仍需更進(jìn)一步的研究與探索。

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