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基于激光微波混合星间链路的导航星座网络优化方法.pdf

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资源描述

1、2023 年第 4 期Optimization method of navigation constellation networkbased on laser microwave hybrid inter satellite linkZHANG Keqin1袁2,LIN Baojun1袁2袁3袁4袁5,LIU Yingchun1袁2袁3,DONG Mingji1袁2,SHAO Ruiqiang1袁2渊1.Institute of Microsatellite Innovation,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 201210,China;2.Shan

2、ghai Microsatellite Engineering Center,Shanghai 201210,China;3.Institute of Aerospace Information Innovation,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100094,China;4.School of Electrical,Electrical and Communication Engineering,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100094,China;5.School of Inf

3、ormation Science and Technology,Shanghai University of Science and Technology,Shanghai 201210,China冤Abstract:In order to meet the rapid growth demand of space information transmission capacity,and in response to the develop-ment trend of high speed and large bandwidth of future satellites,a Beidou n

4、avigation network optimization method based onlaser microwave hybrid inter satellite links is proposed.The ability of inter-satellite link ranging and routing convergence efficien-cy of hybrid link are analyzed,and simulation is carried out to verify the effectiveness of collaborative ranging and co

5、llaborativemanagement methods in improving the efficiency of hybrid network.The simulation results show that the Ka laser cooperativeranging time is shorter than the traditional microwave network,and the maximum positioning accuracy factor渊PDOP冤decreasesfrom 3.4 to 2.3.The routing convergence speed

6、of hybrid network is faster than that of single laser network,which decreases from41 s to about 15 s.Key words:intersatellite link,laser microwave mixing,navigation constellation,constellation network,network optimization章可钦1,2,林宝军1,2,3,4,5,刘迎春1,2,3,董明佶1,2,邵瑞强1,2渊1.中国科学院 微小卫星创新研究院袁 上海 201210曰2.上海微小卫

7、星工程中心袁 上海 201210曰3.中国科学院 空天信息创新研究院袁北京 100094曰4.中国科学院大学 电子电气与通信工程学院袁北京 100094曰5.上海科技大学 信息科学与技术学院袁上海 201210冤摘要院为满足空天信息传输容量快速增长的需求,针对未来卫星高速率大带宽的发展趋势,提出了基于激光微波混合星间链路的北斗导航网络优化方法。分析了混合链路在星间链路测距能力、路由收敛效率,并进行了仿真,验证了协同测距、协同管理方法在提升混合网络效率中的有效性。仿真结果表明:Ka 频段激光协同测距时间相较传统微波网络短,定位精度因子(PDOP)最高值由 3.4 降低至 2.3;混合网络路由收敛

8、速度较单激光网络快,由 41 s 降至 15 s 左右。关键词院星间链路;激光微波混合;导航星座;星座网络;网络优化中图分类号院TN929文献标志码院A文章编号院1002-5561渊2023冤04-0062-05DOI院10.13921/ki.issn1002-5561.2023.04.012开放科学渊资源服务冤标识码渊OSID冤院基于激光微波混合星间链路的导航星座网络优化方法引用本文院章可钦袁林宝军袁刘迎春袁等.基于激光微波混合星间链路的导航星座网络优化方法J.光通信技术袁2023袁47渊4冤院62-66.0 引言在当今空间探索事业飞速发展的时代袁天基信息网络建立的高速率尧高可靠的星间网络是

9、保障空间信息畅通的基础1-2遥 北斗三号卫星全球定位系统借助微波集成技术和相控阵天线袁并根据地面向卫星上注的建链时隙表进行 Ka 频段链路 渊下文简称 Ka 链路冤建链目标切换袁 实现了与其它卫星的测距与通信功能袁在国内外微波星间链路中得到了广泛应用遥 近年来袁随着定轨精度与星间通信容量需求不断提升袁空间激光通信凭借其通信容量大尧传输速率高尧安全性好尧结构轻便以及设备经济等优势3-4快速发展遥 但激光链路仍存在捕获时间长尧组网和广播通信较难等固有的局限性问题袁而微波链路也存在频段受限尧通信能力不足等问题5-7遥 若将激光和微波链路二者的优势互补并与混合网络协同应用袁可有效弥补微波或激光链路的收

10、稿日期院2022-03-15遥作者简介院章可钦渊1998要冤袁女袁硕士研究生袁毕业于中国科学院大学空天信息创新研究院电子与通信工程专业袁 主要研究方向为卫星导航信息处理技术尧混合星间链路尧卫星姿态轨道控制袁并针对具体的星间网络进行优化算法研究及其仿真验证遥自 由 空 间 光 通 信輪輰訛2023 年第 4 期不足袁提升星间链路系统容量和链路传输的稳定性遥目前袁国内外针对激光微波混合链路进行了大量探索遥 文献8对微波星间链路和融合激光微波星间链路对应的导航星座自主定轨手段开展了探究袁提出了基于卫星动力学短弧段定轨和伪逆平差理论的新算法袁实现了自主定轨的目标遥 文献9介绍了星座自主运行方式对应的激

11、光和微波星间链路融合思路袁通过连续建链的方式构建了激光链路体系袁实现了时间同步和高准确度的测量目标遥 文献10对点波束星间链路无法改善卫星距离测量精度和信息通信能力进行了探讨袁依据整网平均观测几何精度因子和链路传输时延综合加权降低了链路损耗袁实现了对链路的优化配置遥 文献11考虑到卫星时间延迟高尧编码错误频发以及交换节点性能不佳的情况袁对混合卫星网络信号指令平台的能力标准进行了阐释袁编制了混合卫星网络信号指令协议遥 文献12依据双门限切换理论发明了能够自主适应的切换方法袁在保证星间通信效果的同时袁结合大气环境对链路信噪比的影响袁实现激光链路和微波链路的自行转换袁提高了网络的实用性和可靠性遥 然

12、而袁上述研究并未对激光和微波混合星间网络的优化策略提出有效的解决方法遥为了提升激光微波混合网络性能与稳定高效运行能力袁本文提出一种基于激光微波混合星间链路的导航星座网络优化方法袁对激光微波混合星间链路协同测距和路由管理策略开展研究尧分析和仿真遥1 基于激光微波混合星间链路的导航星座网络优化方法1.1 激光微波混合星间链路协同测距研究导航卫星微波星间链路通过时分复用的方式实现双向测距功能遥 与微波渊Ka 频段冤星间链路相比袁激光链路可获得更高精度的时间测量结果袁采用激光微波链路协同时间同步方法生成的时间基准在短期尧中期稳定度方面均优于微波星间链路3遥 为了实现激光与微波星间链路优势互补袁提升混合

13、链路星间测量精度袁在激光链路连接关系固定尧微波星间链路动态捷变的拓扑构型下袁本文提出一种激光微波混合链路的网络协同测距方法遥微波星间链路利用时隙表规划建链对象袁以时隙为单位表明任意时刻整网星间链路的连接状态遥 任意一颗卫星经过个时隙后袁在时隙表覆盖时间内完成了与多颗不同目标卫星的建链通信袁不同卫星通过两两建链获取双向测距信息袁完成整网卫星的组网数传遥卫星网络的定轨精度受到卫星数目尧几何分布以及测距精度等方面因素的共同影响遥 当设定可见卫星数量和链路测距精度固定时袁卫星网络的轨道定位精度由测距链路的几何分布决定遥定位精度因子渊PDOP冤既能反映星间观测的数量袁又能反映星间观测的几何分布袁作为测距

14、性能的度量袁其计算方式13为PDOP=trT蓸蔀-1蓘蓡渊1冤星间观测系数矩阵如式渊2冤所示遥=-11-11-11-+1忆渊+1冤忆-+1忆渊+1冤忆-+1忆渊+1冤忆-忆-忆-忆杉删山山山山山山山山山山山山山山山山山山山山山山山山山山山山山山山山山山煽闪衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫渊2冤其中袁 表示本星袁表示激光可见的星袁 表示 Ka 链路可见的星袁 尧 尧分别表示 Ka 链路可见星的三轴坐标值遥 星间激光测距值与星间 Ka 链路测距值忆分别表示为=-蓸蔀2+-蓸蔀2+-蓸蔀2姨渊3冤忆=-蓸蔀2+-蓸蔀2+-蓸蔀2姨渊4冤加入不同测量方式后的几何公布

15、误差PDOP公式为PDOP=PDOP姨渊5冤其中袁渊尧尧冤为本星坐标袁渊尧尧冤为激光固定链路测距得到的坐标袁为每颗卫星配置的激光链路数量袁这里假设=3曰渊尧尧冤为 Ka 链路可轮询测距得到的其它卫星坐标袁 为本星的可见卫星数量遥 由于激光卫星的约束角更大且增加了星间链路条数袁所以理论上混合网络的 PDOP 相较传统微波网络得到了提升遥除自主定轨轨道估计方法的影响外袁通常定轨精度的影响因素主要为模型精度尧观测数据精度尧观测几何构型等遥 在卫星定轨过程中袁轨道预报得到的卫星总体状态主要被用于建立包含动力学模型误差在内的观测方程遥 因此袁卫星自主定轨的误差可通过以下公式计算院ANE=PDOP窑obs

16、+sys渊6冤章可钦袁林宝军袁刘迎春袁等.基于激光微波混合星间链路的导航星座网络优化方法自 由 空 间 光 通 信輪輱訛2023 年第 4 期其中袁obs尧sys分别表示观测尧系统造成的误差遥PDOP在式中表示观测误差的扩大倍数袁 不受系统误差的影响袁只与几何构型有关遥1.2 激光微波混合网络路由管理策略激光微波混合星间链路存在时延大尧 链路时变尧带宽受限尧误码率高等问题袁常用路由协议在实践中经常会引发链路信息冗余传递尧重路由成本高尧收敛速度慢等不良情况袁给空间网络路由管理带来了很大的困难和挑战遥在路由协议里袁网络收敛时效由故障检测尧链路状态广播渊LSA冤泛洪以及链路状态数据库更新等部分的延迟

17、时间组成袁分别以1尧2和3表示袁即网络的收敛时效等于三者之和遥 为了加快激光星间网络路由收敛的速度袁可以采取激光微波混合网络路由快速收敛策略袁通过微波快速捷变的信息空分传输特性袁在确保路由算法稳定的同时袁最大限度地缩短1尧2和3遥激光微波网络管理内容如下院1冤拓扑管理院拓扑管理包括卫星组网的实时拓扑发现和拓扑信息同步袁为故障管理和性能管理的信息采集尧故障定位和性能评估奠定基础遥2冤故障管理院使用 Ka 链路来收集整网状态信息袁包括卫星节点和 2 个端口是否健康等信息遥3冤性能管理院主要是指时延尧吞吐量的管理遥激光微波网络管控过程如下院1冤激光星间链路端口告警袁检测到链路中断遥2冤根据 Ka 频

18、段建链规划表和时隙表向全网通报故障信息袁端到端广播时长最长为 5 个时隙遥3冤端节点维护的路由表更新遥激光微波混合网络收敛的流程图如图 1 所示遥 传输过程中激光终端若检测到链路中断发生告警袁则 Ka 链路利用时隙表将故障信息一一传输到全网袁 在经过至多个时隙后袁 全网链路状态更新后网络收敛遥激光链路故障主要会出现 2 种情况院 链路故障和节点故障袁 其示意图如图 2 所示遥图中袁虚线表示不可用链路袁实线表示可用链路图 2渊a冤中袁在卫星 1 与卫星 2 间链路 L渊1袁2冤发生故障时袁 卫星 1尧2 这 2 个节点均会生成 LSA 信息袁其余的节点在获取到 LSA 并进行相应处理后对 L渊1

19、袁2冤是否仍处于正常状态进行判别袁明确故障类型遥 在L渊1袁2冤链路中断的情况下袁卫星 1尧2 将形成相应的LSA 信息对它们之间链路的情况进行说明袁 此时下一级路由更新节点卫星 5 在分别接收并处理来自卫星1尧2 的 LSA 后袁 可判断故障类型为卫星 1尧2 间的链路故障遥图 2渊b冤中袁在卫星 1 发生故障的情况下袁卫星 2尧3尧4 会分别产生描述 L渊1袁2冤尧L渊1袁3冤尧L渊1袁4冤链路情况的 LSA袁 当下一路由更新节点接收并处理上述 LSA后就能判定所出现的故障来源于卫星 1袁为节点故障遥2 仿真分析2.1 激光微波协同测距仿真北斗三号的卫星微波星间链路系统均装有相控阵天线袁可

20、以根据已设定的时隙表袁在不同时刻对其进行切换袁调整天线方向袁指向不同卫星使其两两开展测距与通信遥 以 1 m 为周期袁假设在每周期内星间网络的可见性关系不变袁每 3 s 为一个时隙袁其中包括1.5 s 前向测量通信时隙和 1.5 后向测量通信时隙袁则1 m 内一颗卫星可切换对象进行至多 20 次测量通信遥尽管几何可视关系尧天线可视关系以及链路信号功率等都会在不同程度上影响星间链路的建立袁但是为了便于分析袁本文暂不考虑链路信号功率的约束条件袁只对卫星间的可视性约束进行分析遥 地球遮挡和卫星天线波束角在很大程度上限制了星间链路的可视性袁只有在 2 颗卫星不受地球遮挡袁且互相均处于对方天线扫描范围内

21、时袁才满足可视性的约束条件遥为了进行激光微波协同测距仿真袁本文建立了中轨道地球卫星渊MEO冤星座为 Walker24/3/1袁卫星轨道高度为 21 528 km袁轨道倾角为 55毅袁共 3 个轨道面袁每个轨道面各 8 颗卫星遥 使用 STK+Matlab 协同对算法的仿真结果分析可知袁激光链路相较微波链路的可建链数量更多尧可见星数更多曰激光链路与每颗星的可见时间更长尧可见性更好遥 以天线指向角范围为 60毅的Walker24/3/1 星座 1 号轨道 1 号卫星 MEO11为例袁图 2 链路故障类型图 1 激光微波混合网络收敛的流程图渊a冤 链路故障渊b冤 节点故障章可钦袁林宝军袁刘迎春袁等.

22、基于激光微波混合星间链路的导航星座网络优化方法自 由 空 间 光 通 信輪輲訛2023 年第 4 期将3 条激光链路分别分配给 MEO11MEO12尧MEO11MEO18尧MEO11MEO38遥 对比相同时间内的 PDOP 可知袁激光微波混合网络的 PDOP 比单微波网络小遥此外袁相同时间内 MEO11的激光链路与 3 号轨道的永久可建链路数量为4 条袁 分别为 MEO11与 MEO31尧MEO34尧MEO35和 MEO38建立的链路袁仿真结果如表 1所示遥 可以看出袁由于激光链路的特殊性袁在选择建链卫星时袁应尽量选择角度较稳定尧变化范围小的卫星袁在俯仰角相对较稳定的情况下袁MEO38较 ME

23、O34的方位角变化更小遥 因此袁考虑选择 MEO38作为 MEO11的异轨建链对象遥MEO 星座激光星间链路静态拓扑方案如图 3 所示遥 以地球为圆心袁围绕地球的一圈为 360毅袁每 8 颗卫星均匀地分配在这个圆形轨道上遥 将轨道 1的 1尧3尧5尧7 号卫星分别与轨道 3 的 8尧2尧4尧6 号卫星建立异轨链路曰轨道 3 的 1尧3尧5尧7 号卫星分别与轨道2的8尧2尧4尧6 号卫星建立异轨链路曰轨道 2 的 1尧3尧5尧7号卫星分别与轨道 1 的 8尧2尧4尧6 号卫星建立异轨链路遥PDOP 能够体现卫星星间网络的几何构型袁星座的构型与卫星间的可见性是其主要影响因素遥Walker24/3/

24、1 星座中 MEO11分别在传统微波网络和激光微波混合网络中随时间变化的 PDOP 值的对比情况如图 4 所示遥 可以看出袁传统微波网络的最大 PDOP值约为 3.4袁 激光微波混合网络的最大 PDOP 值约为2.3袁相比明显减小袁验证了激光微波混合网络在几何构型方面的优势袁这主要是因为激光卫星的约束角更大袁增加了星间链路条数遥2.2 激光微波混合链路网络路由管理仿真以建立的 MEO Walker24/3/1星座为例遥首先袁仿真在不同时延带宽误码率 条件下 某条 链路中断时最短路径优先渊OSPF冤协议进行路由时激光网络的收敛时间袁以 MEO11与 MEO21链路中断为例袁分别设置时延为 25尧

25、15 ms袁带宽为 1 000尧100 Mb/s袁 误码率为10-6尧10-4袁 不同实验组的结果都大致相同袁收敛时间接近41 s袁说明单微波星间链路的时延长尧 带宽大小和误码率等对网络路由的收敛产生的干扰有限袁 因此在仿真中可暂不考虑这些因素带来的影响遥然后袁仿真Ka链路利用时隙表负责路由管控尧 激光固定链路负责通信时 获取 全网 信 息的收敛时间袁在第二个时隙MEO11未与MEO建链曰MEO14与MEO12建链袁MEO12获得故障信息曰MEO21与MEO35建 链 袁MEO35获 得 故障信息曰MEO23与MEO36建链袁MEO36获得故障信息遥以此类推袁直至第五个时隙袁 最后一批卫星获得

26、故障信息袁即此时的路由代价为5个时隙袁如表2所示遥表 1 MEO11与异轨卫星方位角俯仰角距离关系表卫星号方位角变化/渊毅冤俯仰角变化/渊毅冤距离变化/km距离平均值/kmMEO3185.56731.78924 603.633 082.0MEO3491.30530.57622 276.136 039.6MEO3594.43331.78918 144.243 661.1MEO3888.69430.57619 236.341 342.7图 3 MEO 星座激光星间链路静态拓扑方案图 4 相同时间内 Ka 链路与激光微波混合网络 PDOP 值对比卫星号时隙数/个MEO11无效MEO122MEO134

27、MEO141MEO153MEO163MEO173MEO184MEO21无效MEO224MEO231MEO245MEO254MEO263MEO274MEO283MEO313MEO323MEO335MEO344MEO352MEO362MEO375MEO385表 2 卫星通过 Ka 链路的时延跳数统计表章可钦袁林宝军袁刘迎春袁等.基于激光微波混合星间链路的导航星座网络优化方法自 由 空 间 光 通 信輪輳訛2023 年第 4 期由表2可知袁激光微波混合星间链路在一个超帧内最后接收到信息的卫星花费的时间为5个时隙袁即收敛时间大约为15s袁 因此激光微波混合星间链路相对于开放式 OSPF袁在收敛时间上出

28、现了很大的降幅遥这是因为 Ka 链路能够直接基于激光星间链路端口对故障信息进行判别和处理袁 而 OSPF 必须经过 4 个Hello 报文周期才能够完成这一判别和处理过程遥由此可知袁 采用 Ka 链路对激光星间网络进行管理的路由收敛时间较短遥3 结束语本文对激光微波混合星间网络优化方法开展了研究袁提出并设计了激光微波星间链路协同测距方法和激光微波混合网络路由管理策略遥 仿真结果表明袁相较于微波星间链网络袁激光微波混合星间链路对应的 PDOP 更低袁PDOP 最高值由 3.4 降低至 2.3遥由此可见袁本文提出的激光微波混合网络路由管理策略比单激光网络传统 OSPF 协议进行路由的收敛时间更短袁

29、由约 41 s 降低至 15 s 左右袁网络的鲁棒性更高袁算法的有效性得到了验证遥参考文献院1林益明袁何善宝袁郑晋军袁等.全球导航星座星间链路技术发展建议J.航天器工程袁2010袁19渊6冤院1-7.2董明佶袁林宝军袁刘迎春袁等.基于多目标模拟退火算法的导航卫星激光星间链路拓扑动态优化J.中国激光袁2018袁45渊7冤院217-228.3张靓袁杜中伟袁谌明袁等.激光测控通信技术研究进展与趋势J.飞行器测控学报袁2016袁35渊1冤院10-20.4张忠萍袁程志恩袁张海峰袁等.北斗卫星全球激光测距观测及数据应用J.中国激光袁2017袁44渊4冤院164-172.5赵馨袁牛俊坡袁刘云清袁等.导航卫星

30、中激光通信测距一体化技术及链路特性分析J.激光与光电子学进展袁2015袁52渊6冤院87-93.6韩凯袁董日昌袁邵丰伟袁等.基于改进遗传算法的导航卫星星间链路网络动态拓扑优化技术J/OL.航空学报:1-15.2021-11-20.https:/k-ns-cnki- CHANG H S,KIM B W,LEE C G,et al.FSA-based link assignmentand routing in low-earth orbit satellite networks J.IEEE Transactions onVehicular Technology,1998,47渊3冤:1037-1

31、048.14张忠山袁谢平袁闫俊刚袁等.双层规划求解兼顾测量与通信的星间链路设计J.宇航学报袁2016袁37渊5冤院576-585.15李红艳袁张焘袁张靖乾袁等.基于时变图的天地一体化网络时间确定性路由算法与协议J.通信学报袁2020袁41渊10冤院116-129.16 SOSNICA K,THALLER D,DACH R,et al.Satellite laser ranging toGPS and GLONASS J.Journal of Geodesy,2015,89:1-19.17林夏袁林宝军袁刘迎春袁等.北斗卫星整网集中式自主定轨算法研究J.吉林大学学报渊信息科学版冤袁2020袁38渊4冤院428-432.18丛丽袁AHMED I A袁谈展中.卫星导航几何因子的分析和仿真J.电子学报袁2006渊12冤院2204-2208.章可钦袁林宝军袁刘迎春袁等.基于激光微波混合星间链路的导航星座网络优化方法自 由 空 间 光 通 信輪輴訛

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