鄭曉冬,顧青濤,鮑亞川,葉紅軍
(1.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 石家莊 050081;2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081;3.北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心,北京 100094)
隨著民用航空產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展,航空安全的保障日益得到各國政府、企業(yè)以及科研機(jī)構(gòu)的關(guān)注。目前最為通用的航空安全監(jiān)視手段是全球范圍內(nèi)所建立ADS-B位置報(bào)告體制,民用飛行器通過搭載ADS-B信號(hào)機(jī),按照一定的時(shí)間間隔進(jìn)行自身位置信息的播發(fā),在陸地范圍廣泛布設(shè)的地面監(jiān)測(cè)站接收導(dǎo)航信號(hào)后,可以近實(shí)時(shí)獲取飛行器的位置信息,信息匯總后由空管部門實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域航班動(dòng)態(tài)的監(jiān)控[1-2]。但是馬航MH370事件充分暴露了基于地面布設(shè)的監(jiān)測(cè)網(wǎng)難以對(duì)全球廣大海域范圍內(nèi)的飛行進(jìn)行有效監(jiān)控,由此所帶來的安全隱患得到了國際范圍的關(guān)注[3-4]。伴隨空間信息網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展,依托衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)航空安全監(jiān)視系統(tǒng)由于其全球范圍和可控的成本優(yōu)勢(shì),逐步得到各國的青睞,目前包括美國和中國在內(nèi)都已開展相關(guān)系統(tǒng)的布局和技術(shù)研究[5]。
基于衛(wèi)星平臺(tái)進(jìn)行航空安全監(jiān)視,監(jiān)視信息要通過星間鏈路網(wǎng)絡(luò)傳回地面站,因此在星間鏈路網(wǎng)絡(luò)路由規(guī)劃算法設(shè)計(jì)方面要充分考慮網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)特性以及可靠傳輸需求,眾多學(xué)者針對(duì)星間鏈路網(wǎng)絡(luò)路由規(guī)劃算法開展了大量研究[6-8]。
面向基于低軌星座和星間鏈路建立的低軌航空安全監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高效可靠回傳的需求,進(jìn)行了路由算法設(shè)計(jì)研究,并開展了仿真驗(yàn)證,試驗(yàn)表明所設(shè)計(jì)的路由規(guī)劃策略可以有效保障航空安全監(jiān)視信息的高效、高可靠傳輸需要。
本文研究的基于低軌航空安全監(jiān)視星座,是由66顆衛(wèi)星組成的Walker星座,星座排布為6個(gè)軌道面,每個(gè)軌道面由11顆衛(wèi)星構(gòu)成,如圖1所示。每顆衛(wèi)星裝載4部星間鏈路波束天線,可以與同軌道面相鄰衛(wèi)星以及相鄰軌道面的2顆衛(wèi)星建立星間鏈路,組成覆蓋全球范圍的星間鏈路網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)在中國境內(nèi)設(shè)置了2處地面站,所有的航空安全監(jiān)視由衛(wèi)星接收后,在2處地面站落地[9-12]。
圖1 低軌航空安全監(jiān)視星座設(shè)計(jì)
針對(duì)低軌星座星間鏈路未來可能的多種星間鏈路頻譜帶寬條件及多業(yè)務(wù)負(fù)載情況,提出了適用于不同網(wǎng)絡(luò)條件下的星間鏈路路由規(guī)劃方法設(shè)計(jì),并結(jié)合本項(xiàng)目低軌星座航空安全監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能和性能指標(biāo)要求,形成了基于雙重不交叉路徑傳輸?shù)亩嗟孛嬲揪徒涞厮惴ㄔO(shè)計(jì),滿足了航空安全監(jiān)視信息快速落地和高可靠傳輸?shù)男枨骩13-14]。
2.1.1 適用條件
當(dāng)星間鏈路資源十分充沛,不需考慮規(guī)劃鏈路沖突,以追求監(jiān)視數(shù)據(jù)落地時(shí)延最小為目標(biāo)時(shí),對(duì)于低軌航空安全監(jiān)視星座,將設(shè)計(jì)多個(gè)地面站,同時(shí)滿足監(jiān)視數(shù)據(jù)下行傳輸落地需求,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于最短路徑的多地面站就近落地算法。
2.1.2 方法步驟
輸入:衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)s,地面站集合D,地面站數(shù)目NStation,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚仃嘇。
if(s!∈D)
for(i=1;i≤NStation;i++)
輸入矩陣A,采用Dijkstra算法計(jì)算得到最短路徑Pi;
end
獲得路徑集合{Pi},1≤i≤NStation,i∈N
{Pi}排序,獲得最小值Pd
end
輸出:落地地面站d,最短路徑Pd。
2.2.1 適用條件
以提高安全監(jiān)視信息傳輸可靠性為目的,系統(tǒng)設(shè)計(jì)中提出了監(jiān)視信息冗余傳輸設(shè)計(jì),冗余傳輸鏈路≥2。在路由規(guī)劃中就需要對(duì)同一航班的安全監(jiān)視信息采用多條不交叉路徑進(jìn)行多備份傳輸,避免因部分衛(wèi)星或鏈路故障可能導(dǎo)致的航空安全監(jiān)視信息丟失,最大限度提高航空安全監(jiān)視信息傳輸?shù)目煽啃訹15-18]。
2.2.2 方法步驟
輸入:源節(jié)點(diǎn)s,目標(biāo)節(jié)點(diǎn)d,多路徑數(shù)目Npath,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚仃嘇
if(s!=d)
for(i=1;i≤Npath;i++)
A1=A;
輸入矩陣Ai,采用Dijkstra算法計(jì)算得到最短路徑Pi;
刪除矩陣Ai中Pi的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)行與列,得到Ai+1;
end
end
輸出:多路徑集{Pi},1≤i≤Npath,i∈N。
2.3.1 適用條件
當(dāng)安全監(jiān)視信息數(shù)據(jù)量較大,星間鏈路信道資源受限情況下,對(duì)于接近地面站的節(jié)點(diǎn)或航空安全監(jiān)視信息較多的節(jié)點(diǎn),轉(zhuǎn)發(fā)傳輸負(fù)載較重的單一路徑規(guī)劃有可能導(dǎo)致由該節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的傳輸時(shí)延增大,甚至信息超出衛(wèi)星緩存能力導(dǎo)致丟失。
基于上述考慮設(shè)計(jì)了基于分區(qū)機(jī)制的負(fù)載均衡路由規(guī)劃方法,即不同區(qū)域衛(wèi)星采用不同的路由規(guī)劃策略,避免由于所有衛(wèi)星均按照相同規(guī)則進(jìn)行路由選擇,導(dǎo)致個(gè)別衛(wèi)星鏈路傳輸壓力過大的問題。
2.3.2 方法步驟
首先定義星間鏈路負(fù)載不均衡度,即統(tǒng)計(jì)所有節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù),獲得轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)方差。當(dāng)所有鏈路占用次數(shù)一致時(shí),負(fù)載不均衡度為0;當(dāng)不同鏈路占用次數(shù)差異越大,負(fù)載不均衡度將越大。
基于某種規(guī)則,將衛(wèi)星星座劃分為K個(gè)動(dòng)態(tài)區(qū)域,形成分區(qū)集合{Si},1≤i≤K,i∈N;對(duì)不同分區(qū)Si內(nèi)的衛(wèi)星根據(jù)需求,采用不同的路由規(guī)劃準(zhǔn)則,分別獲取路由規(guī)劃集合{Pi},1≤i≤K,i∈N。
天基航空安全監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)劃分為低軌航空安全監(jiān)視星座仿真模塊、時(shí)變拓?fù)浞治瞿K、路由規(guī)劃與分析模塊以及動(dòng)態(tài)展示模塊,如圖2所示。仿真平臺(tái)通過模塊間數(shù)據(jù)傳輸,完成低軌星座航空安全監(jiān)視。
圖2 星間鏈路網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)構(gòu)成
低軌衛(wèi)星星座參數(shù):衛(wèi)星軌道高度、軌道傾角等參數(shù);
地面站:根據(jù)經(jīng)緯度進(jìn)行地面站配置;
飛行器軌跡:設(shè)置飛行器的起始位置及軌跡、速度等。
星座模擬仿真模塊:通過STK軟件對(duì)低軌衛(wèi)星星座、地面站以及飛機(jī)飛行軌跡進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真,構(gòu)建低軌航空安全監(jiān)視星座動(dòng)態(tài)模型;生成低軌衛(wèi)星星座飛機(jī)動(dòng)態(tài)位置數(shù)據(jù)報(bào)告。
時(shí)變拓?fù)浞治瞿K:根據(jù)星地建鏈、衛(wèi)星監(jiān)視飛機(jī)和星間建鏈規(guī)則,進(jìn)行飛機(jī)與衛(wèi)星建鏈、星地建鏈和星間建鏈分析,生成包含距離信息的飛機(jī)與衛(wèi)星、星地和星間的時(shí)變拓?fù)渚仃嚒?/p>
路由規(guī)劃與分析模塊:根據(jù)路由規(guī)劃算法,進(jìn)行低軌星座-地面站路由規(guī)劃、路徑時(shí)延和轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)分析,并生成報(bào)告;根據(jù)飛機(jī)與衛(wèi)星動(dòng)態(tài)拓?fù)渚仃?,進(jìn)行飛機(jī)-星座-地面站路由規(guī)劃。
動(dòng)態(tài)展示模塊:通過STK軟件、Matlab-GUI進(jìn)行航空安全監(jiān)視模型仿真3D,2D動(dòng)態(tài)展示界面、航空安全監(jiān)視動(dòng)態(tài)路由規(guī)劃、地面入站時(shí)延和地面站入站試驗(yàn)均值分析界面的動(dòng)態(tài)展示。
航空安全監(jiān)視動(dòng)態(tài)路由規(guī)劃報(bào)告、星地路由規(guī)劃報(bào)告、傳輸時(shí)延報(bào)告、轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)分析報(bào)告;航空安全監(jiān)視模型仿真3D,2D動(dòng)態(tài)展示界面、航空安全監(jiān)視動(dòng)態(tài)路由規(guī)劃、地面入站時(shí)延和地面站入站試驗(yàn)均值的GUI展示界面。
① 空間節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)仿真;
② 提供空間節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)位置數(shù)據(jù)報(bào)告;
③ 整網(wǎng)時(shí)變拓?fù)渚仃囉?jì)算;
④ 空間節(jié)點(diǎn)路由規(guī)劃;
⑤ 路由規(guī)劃傳輸時(shí)延和轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)分析;
⑥ 動(dòng)態(tài)展示分析報(bào)告。
模擬低軌星座安全監(jiān)視數(shù)據(jù)落地傳輸過程,設(shè)計(jì)采用了2個(gè)站點(diǎn)。仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。
單一時(shí)刻落地傳輸入站傳輸時(shí)延最大值為4.602 s,傳輸時(shí)延均值為2.628 s;單一時(shí)刻落地傳輸入站轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)最大值為9跳,轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)均值為5.143跳。
圖3 單一時(shí)刻-落地入站時(shí)延
圖4 單一時(shí)刻-落地入站跳數(shù)
仿真24 h低軌星座監(jiān)視數(shù)據(jù)落地進(jìn)行路徑規(guī)劃的過程,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。
每個(gè)時(shí)隙的監(jiān)視數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延均值均小于3.2 s,所有衛(wèi)星24 h傳輸時(shí)延的均值為2.589 2 s。
每個(gè)時(shí)隙的監(jiān)視數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)均值均小于6跳,所有衛(wèi)星24 h轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)均值為5.068跳。
圖5和圖6仿真結(jié)果表明,在鏈路資源充裕條件下,以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延最小為目標(biāo),進(jìn)行星間鏈路路由規(guī)劃,可以滿足傳輸時(shí)延10 s的技術(shù)指標(biāo)要求,并且有較大余量。
圖5 落地入站時(shí)延均值(24 h)
圖6 落地入站轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)均值(24 h)
模擬低軌星座安全監(jiān)視數(shù)據(jù)落地的多路徑路由規(guī)劃過程,實(shí)驗(yàn)中對(duì)所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行兩路徑規(guī)劃,仿真結(jié)果如圖7和圖8所示。兩路徑傳輸時(shí),次優(yōu)路徑相比于最優(yōu)路徑在傳輸時(shí)延方面會(huì)有所延長,但是仍然可以保證在較快時(shí)間段內(nèi)實(shí)現(xiàn)信息回傳。
圖7 單一時(shí)刻-北京入站時(shí)延
圖8 單一時(shí)刻-北京入站跳數(shù)
衛(wèi)星鏈路中的任意一顆衛(wèi)星發(fā)生故障,都有可能導(dǎo)致借由該衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的信息丟失或中斷,因此可以考慮采用多路徑傳輸避免上述問題出現(xiàn)。
圖9為統(tǒng)計(jì)分析一天內(nèi)單顆衛(wèi)星出現(xiàn)故障將可能導(dǎo)致的鏈路中斷概率。單顆衛(wèi)星出現(xiàn)故障,一天內(nèi)最多將可能導(dǎo)致10%的鏈路中斷,平均鏈路中斷概率為6.77%。
圖9 一天內(nèi)單顆衛(wèi)星故障導(dǎo)致的鏈路中斷概率
圖10統(tǒng)計(jì)了某一時(shí)刻單顆衛(wèi)星故障受影響的鏈路數(shù)量,在該時(shí)刻下21號(hào)衛(wèi)星正處于地面站上空,其故障將導(dǎo)致39條鏈路中斷,整網(wǎng)鏈路中斷率將高達(dá)50.7%。
圖10 單一時(shí)刻單顆衛(wèi)星故障受影響鏈路數(shù)量
由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)同一架飛機(jī)由大于等于2顆衛(wèi)星同時(shí)進(jìn)行ADS-B信息發(fā)送,所以單顆衛(wèi)星故障不會(huì)造成其覆蓋區(qū)域內(nèi)航班監(jiān)視能力的缺失;同時(shí),由于所有信息都采用不交叉的雙重路徑進(jìn)行傳輸,所以單顆衛(wèi)星故障也不會(huì)造成其轉(zhuǎn)發(fā)信息的丟失。因此采用雙重不交叉路徑規(guī)劃方法,可以徹底避免單顆衛(wèi)星故障對(duì)航空安全監(jiān)視的影響。
基于統(tǒng)一的路由規(guī)劃方法,如本節(jié)所提出的就近落地算法,在某一時(shí)刻,所有衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)如圖11所示,該時(shí)刻負(fù)載不均衡度為25.35。采用分區(qū)機(jī)制路由方法,將整個(gè)星座分為2個(gè)區(qū)域,分別采用不同的算法,負(fù)載不均衡度降低為15.6。
圖11 特定時(shí)刻的負(fù)載不均衡度變化
統(tǒng)計(jì)一天內(nèi)所有衛(wèi)星負(fù)載均衡程度如圖12所示。單一策略下整星座負(fù)載不均衡度MSE為20.76,采用分區(qū)均衡策略后,負(fù)載不均衡度MSE為6.55,鏈路負(fù)載均衡程度改善度達(dá)68%。
圖12 一天內(nèi)負(fù)載不均衡度變化
伴隨空間信息網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展,依托衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)航空安全監(jiān)視系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)難題已初步開始布局研究,其路由規(guī)劃算法與仿真驗(yàn)證技術(shù)也是研究熱點(diǎn)之一,本文設(shè)計(jì)了多站就近落地、高可靠備份傳輸及分區(qū)負(fù)載均衡等3種算法,可實(shí)現(xiàn)雙重不交叉路徑傳輸?shù)亩嗟孛嬲揪徒涞匾?guī)劃設(shè)計(jì),試驗(yàn)表明其具備一定的適用性和應(yīng)用參考價(jià)值。