基于星間鏈路的導航衛星網絡自適應路由策略與機制研究方法

易先清, 張耀鴻, 鐘 濤, 侯振偉

(國防科學技術大學信息系統與管理學院,湖南長沙410073)

基于星間鏈路的導航衛星網絡自適應路由策略與機制研究方法

易先清, 張耀鴻, 鐘 濤, 侯振偉

(國防科學技術大學信息系統與管理學院,湖南長沙410073)

由于北斗全球導航衛星系統(Beidou global navigation satellite system,BGNSS)在全球范圍內的建站約束,采用星間鏈路(inter-satellite links,ISL)傳輸其全球導航綜合信息(global navigation integrated information,GNII)成為必選途徑,其核心問題之一是適應BGNSS傳輸需求的GNII傳輸路徑選擇。通過分析BGNSS星間鏈路建鏈特征,探索其對GNII傳輸時路徑選擇的約束要素與約束關系。分析北斗GNII業務特征,研究滿足其傳輸需求的路徑選擇約束要素與約束關系。再對這些約束要素與約束關系展開建模分析,探索適應星間鏈路特點與GNII傳輸需求的約束要素調整反饋機制,通過仿真驗證基于星間鏈路的GNII傳輸路徑自適應選擇策略與機制。

衛星導航;路由策略;鏈路;研究方法

衛星導航系統已經成為國家安全和國民經濟發展不可或缺的國家信息基礎設施,目前我國已建成的區域衛星導航系統在精度、穩健性、覆蓋區域和安全防護能力仍不能全面滿足用戶的要求,許多關鍵領域應用仍嚴重依賴GPS,建設我國自主的北斗全球導航衛星系統(BGNSS)已經迫在眉睫。確保導航綜合信息靈活、可靠傳輸的全球衛星導航信息傳輸路徑選擇技術(路由技術核心)是BGNSS研究的關鍵技術之一。

目前,最具代表意義的全球導航衛星系統就是美國的GPS,此外還有俄羅斯的GLONASS (global navigation satellite system)、歐盟的Galileo系統和我國的BGNSS,其中GPS系統和GLONASS系統已經投入使用,Galileo系統和BGNSS系統正在展開研究、設計與建設。

我國自主的衛星導航系統建設可分為3個階段[1]：①已經成功應用的北斗一代系統;②2012年12月試運行的北斗二代一期系統;③未來的BGNSS。其中,前2個階段建設的系統屬于區域導航系統,而基于星間鏈路的BGNSS則面向全球用戶終端。與GLONASS系統一樣,BGNSS不具備美國GPS和歐盟Galileo那樣的全球布站條件,必須像正在建設的GPS_III那樣,建立可以實現2衛星節點直接數傳的星間鏈路,以使全球范圍內的各衛星能夠在任何需要的時候與位于我國境內的地面主控站進行導航綜合信息傳輸。因此,基于星間鏈路的導航綜合信息傳輸路由技術研究被提上日程。本文提出的自適應路由策略與機制研究方法,可以為該類路由技術的研究提供參考。

1 全球導航衛星網絡自適應路由策略與機制研究思路

研究基于如下思路(如圖1所示)：通過分析基于星間/星地鏈路的時變特性和導航綜合信息的傳輸特性,研究導航綜合信息傳輸路徑自適應選擇策略、選擇機制;然后建立導航綜合信息傳輸路徑選擇理論模型,通過對模型的分析,形成導航綜合信息傳輸研究結論,為北斗全球衛星導航系統建設提供理論與技術指導。

圖1 基于星間鏈路的導航衛星網絡自適應路由策略與機制研究思路

對基于星間鏈路的全球導航衛星網絡自適應路由策略與機制,采取建模仿真、理論分析、實驗驗證、理論總結相結合的研究方法,采用并行交叉思路,展開鏈路選擇約束因子分析,包括基于星間/星地測距優先的鏈路選擇約束、基于多種建鏈模式的鏈路選擇約束、滿足導航綜合信息傳輸需求的鏈路選擇約束,并對約束因子間的自適應調整建模展開分析,通過約束因子的自適應調整反饋,改善基于星間鏈路的全球導航綜合信息傳輸路徑選擇關系和自適應選擇機制。

如圖1所示,在滿足全球導航綜合信息傳輸需求下,研究遵循鏈路測距優先和兼顧多種建鏈模式并存,通過建模分析導航綜合信息傳輸路徑選擇約束因子及其約束關系,借助理論分析與實驗仿真研究各約束因子間的自適應調整關系。在取得結果的基礎上,進一步優化路徑選擇約束關系,最后綜合得到由多種約束因子及其關系組成的自適應選擇機制。

2 基于星間鏈路的導航衛星網絡自適應路由策略研究方法

由于空間傳輸資源的稀缺,以導航綜合信息為代表的空間信息的星間/星地傳輸設計必須參照其星間/星地鏈路的自身特點,以最大限度發揮其傳輸效能[2-5]。以相控陣天線和反射面天線兼顧為特征的北斗全球衛星導航系統,其星間/星地鏈路具有與一般星間/星地鏈路不同的特點——在進行星間/星地測距的同時完成導航綜合信息的傳輸,因此針對系統導航綜合信息的傳輸設計,在選擇其傳輸鏈路時不能只單純考慮導航綜合信息的傳輸需求,必須充分結合星間/星地鏈路的自身特點進行綜合設計,研究可從如下3個方面展開：

1)考慮星間/星地測距前提下的導航綜合信息傳輸路徑星間/星地鏈路選擇策略;

2)考慮相控陣天線和反射面天線建鏈模式下的導航綜合信息傳輸路徑星間/星地鏈路選擇策略;

3)基于北斗全球衛星導航系統星間/星地鏈路的各類導航綜合信息傳輸選擇策略的適應性。

由于星間/星地鏈路是在進行星間、信道測距的同時完成導航綜合信息的傳輸的,當導航綜合信息在任意2節點間傳輸時,采用某種策略選擇星間/星地鏈路,使得在不影響測距的同時完成信息的高效傳輸。

由于星間/星地鏈路采用相控陣天線和反射面天線2種方式建鏈,這2種方式還可能共存,在進行2節點間導航綜合信息傳輸時,采用某種策略選擇星間/星地鏈路才可兼顧其鏈路特點和傳輸需求,使系統具有較高的傳輸效能。

由于導航綜合信息有多種不同的類別,其各自有不同的傳輸特點和傳輸需要,傳輸時需依據鏈路特點調整傳輸策略,以適應各種導航綜合信息的有效傳輸。

3 基于星間鏈路的導航衛星網絡自適應路由機制研究方法

基于星間鏈路的導航衛星網絡自適應路由機制研究,可從如下3個方面展開。

1)對北斗全球衛星導航系統星間/星地鏈路建鏈特征展開分析。包括遵循Q支路測距優先的I支路數傳特性,以及基于相控陣天線輪詢建鏈和基于反射面天線時變建鏈的鏈路選擇特性,通過深入細致地分析這些建鏈特征,可以建模描述反映此類建鏈特征的約束要素和約束關系。

2)對全球導航綜合信息傳輸需求展開分析。盡管其具有眾多的類別及其對應的傳輸需求,由于北斗全球衛星導航系統的總體設計基本明確,其支撐的導航綜合信息傳輸需求已在業內廣泛研討并初步形成,通過針對性的深入分析,可以對其建模描述[6-8]。

3)對適應北斗全球衛星導航系統建鏈特征,以及導航綜合信息傳輸需求的路徑選擇約束及約束調整展開研究,發現其本質仍然是多目標優化問題分析與求解?？梢越柚\籌學中多目標優化理論,按常規衛星網絡路由決策過程進行建模分析,在模型分析中技巧求解,可實現研究的預期目標。

3.1 北斗全球衛星導航系統星間/星地鏈路建鏈特征分析

盡管面向衛星導航的信號體制相對成熟,但支持星間鏈路的信號體制卻是首次提出。鏈路上調制信號形式如式(1)所示：

式中：前半部分為I支路,承載測距粗碼C和低速數據碼Dk1;后半部分為Q支路,承載測距精碼P和高速數據碼Dk2;A為各支路振幅;j為衛星編號;k為不同載波的通道編號;f為載波頻率;t為時間;φ為相位。

從式(1)可以看出,其星間/星地數據傳輸與其測距并發進行,導航時須以服務測距為主。盡管針對鏈路的數據傳輸展開研究,但必須在星間/星地測距的前提下。在北斗一代和北斗二代一期的前期系統中也采用類似的信號體制,該階段的導航綜合信息傳輸僅限星地之間的單跳傳輸,因無星間鏈路而無須決策選擇基于星間鏈路的路徑;而在面向全球導航的北斗二代二期系統中,因全球建站,將通過衛星之間的星間鏈路建鏈實現全球導航,基于星間鏈路的路徑選擇將遠復雜于前期系統的導航綜合信息傳輸。特別是在遵循節點測距的前提下考慮其數據傳輸,將首次面對導航綜合信息傳輸路徑選擇問題,其中,核心的Q支路測距前提下的I支路數據傳輸約束建模是導航綜合信息傳輸路徑選擇問題研究的必要基礎。

基于上述約束,需展開北斗全球衛星網絡星間/星地鏈路建鏈特征分析,主要對Q支路測距前提下的I支路承載數據的傳輸特征,以及基于相控陣天線與反射面天線建鏈模式下的輪詢建鏈和時變建鏈的傳輸特征展開分析。

1)遵循Q支路測距分析I支路承載數據的傳輸特征。依據信號體制設計,對支持測距Q支路約束(如某時段內要求建鏈的最少條數)下的I支路數據傳輸特性進行分析,理清Q支路測距優先對I支路數據傳輸的約束過程與約束關系。由于基于相控陣天線的星間鏈路具有其獨特的輪詢設計模式,甚至在不同的工作狀態下還采用不同的輪詢模式(如在精密定軌與時間同步模式下采用“M條固定鏈路+高低對地鏈路”模式,而在自主導航模式下則采用“N(≠M)條固定鏈路+高低對地鏈路模式”),若再考慮反射面天線的建鏈模式,情況將更加復雜,且無國內外相關參考。要確定適應此類建鏈模式的路徑選擇約束要素,須進行針對性分析。

2)基于相控陣天線與反射面天線建鏈模式,分析輪詢建鏈和時變建鏈的傳輸特征?；诒倍啡蛐l星導航系統星間鏈路設計方案,對基于相控陣天線的輪詢建鏈和基于反射面天線的時變建鏈過程進行分析,以明確此類建鏈過程對導航綜合信息傳輸路徑選擇的約束與對應措施。

3.2 面向星間鏈路的全球導航綜合信息傳輸需求分析

在北斗全球衛星導航系統中,有多個類別的導航綜合信息是適應全球導航應用而提出的,如用于星間的遙測與遙控等信息,特別是須經過星間鏈路傳輸時,須對其服務性的約束要素及其分析展開針對性的細致研究。全球導航綜合信息(GNII)包括2大類：上行注入及分發中繼信息,星上觀測中繼及下行傳輸信息。但是,其種類和子類較多,初步設計包括8個類別和幾十個子類,為使研究方向集中,主要針對經過星間鏈路中繼傳輸的導航綜合信息深入分析其傳輸需求。

在分析模型星間鏈路的全球導航綜合信息傳輸需求時,可從其傳輸最大數據量、注入頻度、注入速率、最大注入時長、時效性和中繼跳數等要求入手。不同類型的導航綜合信息具有不同的要求。如,下行信息需在較短的時間內完成下傳,上行注入信息可在較長的時間內完成全網內的中繼分發,精密定軌與時間同步信息中繼跳數嚴格受限等。這些傳輸需求將直接影響導航綜合信息傳輸過程中選擇路徑時對星間鏈路的選擇決策,可在相關項目的支撐下和項目組成員廣泛調研的前提下,分析、總結、提煉對路由選擇研究起支撐作用的全球導航綜合信息傳輸需求。

3.3 基于BGNSS建鏈特征的導航綜合信息傳輸路徑選擇約束研究

基于導航綜合信息傳輸需求提出的各類、各項路徑選擇約束要素,須適應北斗全球衛星導航系統星間/星地鏈路建鏈特點,并能根據星間/星地測距以及多種建鏈模式并存需求,提出并分析這些路徑選擇約束要素的調整機制與原理,使其適應不同應用條件下各類導航綜合信息的有效傳輸?？蓮娜缦?個方面展開。

1)探索在Q支路測距的前提下的I支路承載數據的傳輸約束機制與原理;

2)建立基于相控陣天線與反射面天線建鏈模式的路徑選擇約束機制與關系;

3)建立適應全球衛星導航應用的導航綜合信息傳輸約束要素與約束關系;

4)明確適應全球衛星導航系統建鏈特征的導航綜合信息傳輸約束要素與約束關系,確定并建模描述這些路徑選擇約束要素的適應性調整機制與調整原理。

適應性分析可借鑒傳統的自適應理論和多目標約束優化理論,但其過程需拓展思維、創新設計。

1)約束要素分析?？蓮谋倍啡蛐l星導航系統建鏈特征和導航綜合信息傳輸需求2個方面,確定影響導航綜合信息傳輸路徑選擇的約束要素,包括鏈路測距優先、鏈路延時性與連通性、輪詢模式的設計參量、系統工作模式切換、各類導航綜合信息傳輸需求等。分析這些約束要素對導航綜合信息傳輸路徑選擇產生的影響及影響的程度,并通過量化的權值進行對應,最后進行形式化的建模描述。

2)要素間約束關系建模研究。以某類導航綜合信息在規定的時限內從源節點傳輸至目的節點為約束目標,根據確立的上述路徑選擇約束要素,分析以導航綜合信息傳輸為主線的約束要素及其關系,建立反映北斗全球衛星導航系統建鏈特征與傳輸需求的路徑選擇約束模型。

3)約束要素自適應調整與反饋建模研究。根據建立的上述約束模型,基于相應的約束目標,分析在各約束要素調整波動時反饋至約束目標所產生的影響,探索總結規律,建立反映該規律的調整模型,設計合理的權值參量以便修正。

4 基于星間鏈路的導航衛星網絡自適應路由策略與機制建模研究方法

對基于確定的導航綜合信息傳輸的路徑選擇策略,通過深入分析滿足星間/信道測距的I支路數據傳輸特性、基于相控陣天線與反射面天線建鏈模式的鏈路傳輸特性,以及導航綜合信息的傳輸需求特征,可形式化描述導航綜合信息傳輸路徑選擇約束要素及約束關系,以建立相應的理論分析模型及方法。研究可主要從如下4個方面展開。

1)確定并實現遵從Q支路測距的I支路承載數據的傳輸約束要素及約束關系的形式化描述;

2)對基于相控陣天線與反射面天線建鏈模式的路徑選擇約束要素及約束關系進行形式化描述;

3)構建適應全球衛星導航應用的導航綜合信息傳輸約束要素與約束關系的形式化描述,建模分析其約束模型;

4)展開對適應全球衛星導航系統建鏈特征的導航綜合信息傳輸約束要素與約束關系的形式化描述,以及這些路徑選擇約束要素的適應性建模分析,調整方法與措施分析總結。

在進行基于星間鏈路的導航衛星網絡自適應路由策略與機制建模分析時,主要依據如下基本思想和方法展開其理論分析與仿真驗證。

1)可借鑒已有的天基信息網絡路由技術方面相關理論研究工作,吸收可用的分析思路和具體的分析技術。

2)在涉及單個約束要素的理論分析中,可采用組合數學、流理論等分析方法和手段。

3)對多目標優化的理論分析,考慮采用運籌學中多目標優化的方法,例如雙向分解的上凸優化和幾何優化等方法等。

4)在進行建模描述與驗證仿真時,可借助專業衛星仿真平臺,首先對全球衛星導航系統節點及節點間鏈路進行建模,構建導航綜合信息傳輸過程;再對基于輪詢建鏈與時變建鏈的導航綜合信息路徑選擇過程進行建模,對構建的導航綜合信息傳輸路徑選擇約束要素及約束過程進行建模實現。

5 結束語

本文研究旨在為基于星間鏈路傳輸的導航綜合信息傳輸路徑選擇問題研究提供研究方法與思路：依據BGNSS星間/星地鏈路建鏈時變特點和GNII傳輸需求,在遵循節點間星間/星地測距約束、反射面天線固定建鏈和相控陣天線輪詢建鏈選擇約束的基礎上,探索導航綜合信息傳輸時自適應路由策略與機制的研究方法與思路。

References)

[1]譚述森.北斗衛星導航系統的發展與思考[J].宇航學報, 2008,29(2)：391-396.

[2]易先清,李健杰,唐曙,等.基于組織自愈機制的空間信息網絡抗毀路由技術研究方法[J].系統工程與電子技術,2010, 32(12)：25-29.

[3]LEE J,KANG S.Satellite over satellite(SoS)network：a novel concept of hierarchical architecture and routing in satellite network[C]//IEEE.Proc.of IEEE Conference on LCN. Tampa,Florida,USA：IEEE,2000：392-399.

[4]KARAPANTAZIS S,PAPAPETROU E,PAVLIDOU F. Multiservice on demand routing in LEO satellite networks [J].IEEE/ACM Transaction on Wireless Communications, 2009,8(1)：107-112.

[5]LIU Xiaoyue,MA Jianfeng,HAO Xuanwen.A self-adapting traffic class routing in LEO/MEO satellite networks[J]. Journal of JCIT,2011,6(10)：155-163.

[6]易先清,羅雪山,李健杰,等.導航星座抗毀路由方法與算法設計與仿真[J].全球定位系統,2010,11(5)：9-15.

[7]李健杰,易先清,唐曙.具有抗毀性的導航星座網絡管理策略分析[J].計算機工程與應用,2010,46(31)：98-101.

[8]YI Xianqing,SUN Zhili,YAO Fang,et al.Satellite constellation of MEO and IGSO network routing with dynamic grouping[J].International Journal of Satellite Communications and Network,2013,31：277-302.

(編輯：王高翔)

Research Method About Strategy and Mechanism of Path Adaptive Selection of GNII Transmission Based on ISL

YI Xianqing, ZHANG Yaohong, ZHONG Tao, HOU Zhenwei

(Information System and Management School,National University of Defense Technology,Changsha Hunan 410073,China)

Due to site constraints within worldwide for the Beidou global navigation satellite system(BGNSS),the global navigation integrated information(GNII)must be transmitted through the inter-satellite links(ISL).One of its core problems is to meet the path selection of GNII transmission in BGNSS,the research method of this problem is provided in paper.The link characteristics is analyzed to explore the constraint factors and constraints relation on path selection when GNII is transmitted.And then the constraint factors and constraints relation of path selection is studied under analyzing the BGNII.Finally the feedback adjustment mechanism about constraint factors to adapt the ISL characteristics and transmission requirements is explored through the modeling analysis of the constraint factors and its relationship,and the adaptive path selection strategy and mechanism of GNII transmission based on ISL is validated with simulation.

satellite navigation;routing strategy;link;research method

TN 391.9

2095-3828(2014)01-0050-05

ADOI10.3783/j.issn.2095-3828.2014.01.012

2013-03-29

國家自然科學基金資助項目(60972166)

易先清(1966-),男,教授,博士.主要研究方向：空間信息系統體系結構及其關鍵技術.xqyi@nudt.edu.cn.