王冬霞，趙金賢，胡彩波，辛　潔，湯廷松

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京　100094)

雙層衛(wèi)星網(wǎng)星間鏈路混合路由算法設(shè)計(jì)

王冬霞，趙金賢，胡彩波，辛潔，湯廷松

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京100094)

摘要：針對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)星間鏈路所處的環(huán)境暴露、覆蓋范圍廣、用戶規(guī)模大、極易受干擾的特點(diǎn)，提出了一種具有鏈路穩(wěn)定性的星間鏈路混合路由算法:首先分析星間鏈路的幾何特性，基于Hill方程推導(dǎo)出星間鏈路距離、俯仰角、方位角；根據(jù)衛(wèi)星之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和星座構(gòu)型，綜合分析了鏈路生存時(shí)間、傳輸時(shí)延、空間干擾等問題對(duì)星間鏈路穩(wěn)定性的影響；然后，以最短路由算法和K短路由算法為基礎(chǔ)，提出星間鏈路權(quán)值和鏈路路由優(yōu)化準(zhǔn)則，進(jìn)而提出星間鏈路優(yōu)化切換的混合路由方案；最后，結(jié)合具體的GEO/MEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)實(shí)例對(duì)該方案進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明混合路由算法的綜合服務(wù)指標(biāo)最優(yōu)。

關(guān)鍵詞：星間鏈路；路由算法；雙層衛(wèi)星網(wǎng)

0引言

星間鏈路(inter satellite links，ISL)是指衛(wèi)星之間通過無線電直接傳輸?shù)逆溌?，它不僅可以測(cè)距和通信實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航，也可以輔助地面站進(jìn)行聯(lián)合定軌增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。美國(guó)全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)自1997年發(fā)射BLOCK IIR衛(wèi)星開始，增加了ISL功能，使得GPS系統(tǒng)在沒有地面站支持的情況下，維持自主導(dǎo)航功能180 d以上[1-4]。

近年來，具有ISL的多層衛(wèi)星網(wǎng)(multilayered satellite networks，MLSN)逐漸成為衛(wèi)星通信系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)[5-6]。不同軌道衛(wèi)星的優(yōu)勢(shì)得到發(fā)揮，使得多層衛(wèi)星網(wǎng)可以滿足多樣的服務(wù)質(zhì)量(quality of service，QoS)需求。地球靜止軌道(geostationary earth orbit，GEO)和中地球軌道(medium earth orbit，MEO)衛(wèi)星按照軌道劃分，有各自的特點(diǎn)，其組成的通信系統(tǒng)已在地球周圍運(yùn)行，如全球極高頻段衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)(global EHF satellite network，GESN)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)均由數(shù)目不同的GEO和MEO衛(wèi)星構(gòu)成。ISL的建立使得衛(wèi)星之間的通信成為現(xiàn)實(shí)，構(gòu)成真正意義上的網(wǎng)絡(luò)。

目前往往局限于利用星座鏈路(constellation link)[7]來研究ISL的特性；但是，這種模型對(duì)于分布式衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)并不合適，因?yàn)槠滏溌肪嚯x相對(duì)較短。對(duì)于任何一個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)而言，ISL設(shè)計(jì)必須著眼于其自身的特性。本文研究并解決導(dǎo)航系統(tǒng)ISL的關(guān)鍵技術(shù)，在鏈路穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，考慮時(shí)間和切換問題，使得鏈路時(shí)延較小、切換較少；并利用ISL權(quán)值和路由優(yōu)化準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)出一種混合鏈路路由算法：以期豐富和完善我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星間鏈路體系。

1星間鏈路模型

本文研究的導(dǎo)航系統(tǒng)由GEO和walker-δ構(gòu)型MEO衛(wèi)星構(gòu)成。對(duì)于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中ISL，有2個(gè)坐標(biāo)系具有重要意義，如圖1所示：1個(gè)是地球慣性坐標(biāo)系fi(Oixiyizi)，該坐標(biāo)系固定在慣性空間中，原點(diǎn)Oi為地心，zi軸垂直于赤道平面指向北極，xi和yi軸在赤道平面內(nèi)，其中xi軸指向春分點(diǎn)，yi軸遵循右手定則；另1個(gè)是軌道坐標(biāo)系fo(Ooxoyozo)，該坐標(biāo)系為動(dòng)坐標(biāo)系，隨著衛(wèi)星具體位置的變化而變化，原點(diǎn)Oo為衛(wèi)星質(zhì)心，xo和zo軸在軌道平面內(nèi)，其中xo軸指向衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)方向，zo軸指向地心，yo與xo、zo構(gòu)成右手坐標(biāo)系。

圖1　衛(wèi)星相對(duì)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系

GEO衛(wèi)星空間位置相對(duì)靜止，星間鏈路的建立與保持比較簡(jiǎn)單，而由于walker星座中MEO衛(wèi)星分布均勻，任意相鄰軌道衛(wèi)星之間的星間鏈路變化情況相同，由此可以walker星座中任意兩顆衛(wèi)星為例來分析星間鏈路。兩星之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)由Hill方程得到[8]：

(1)

(2)

(3)

圖2　衛(wèi)星間星間鏈路關(guān)系圖

根據(jù)圖2衛(wèi)星之間的幾何關(guān)系可以推得ISL的特性，星間距離ρ、 方位角θ、 俯仰角β分別表示為：

(4)

(5)

(6)

2鏈路穩(wěn)定性分析

在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，鏈路穩(wěn)定性是指ISL保持聯(lián)通、提供最佳數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?。本文通過分析鏈路生存時(shí)間、鏈路傳輸時(shí)延、空間環(huán)境干擾等各種因素對(duì)ISL的影響，得出鏈路穩(wěn)定性函數(shù)，為設(shè)計(jì)最佳路由策略提供依據(jù)。

定義1(星間可見性)：如果衛(wèi)星Sj在Si的視距范圍內(nèi)，即星間連線與地球表面存在交點(diǎn)，則稱它們是可見的；反之，則稱它們是不可見的。因此Sj對(duì)Si的可見性VSj→Si定義為

(7)

(8)

式中k=1，2，…，N。 ISL生存時(shí)間在1個(gè)系統(tǒng)周期內(nèi)是動(dòng)態(tài)變化的，定義所有ISL生存時(shí)間最大值為系統(tǒng)最大生存時(shí)間Tmax。

定義3(ISL剩余生存時(shí)間)：在t時(shí)刻，2衛(wèi)星ISL剩余生存時(shí)間定義為

(9)

定義4(ISL傳輸時(shí)延)：在t時(shí)刻，2衛(wèi)星ISL傳輸時(shí)延定義為

(10)

定義5(ISL穩(wěn)定性函數(shù))：在t時(shí)刻，2衛(wèi)星ISL的鏈路穩(wěn)定性函數(shù)定義為

(11)

式中：wt為ISL剩余生存時(shí)間加權(quán)；wd為ISL傳輸時(shí)延加權(quán)；ws為空間干擾加權(quán)；PSI為復(fù)雜空間環(huán)境對(duì)ISL的干擾程度；且wd+wt+ws=1。

(12)

3星間鏈路路由設(shè)計(jì)

3.1ISL路由算法

在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，最短路由算法和K短路由算法是2種典型的路由算法。

3.1.1最短路由算法[10]

(13)

(14)

最短路由算法可以使ISL時(shí)延最小，但沒有考慮整個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的穩(wěn)定性，鏈路切換次數(shù)太多。

3.1.2K短路由算法[11]

除了最短路由之外，還需計(jì)算衛(wèi)星之間的次短路由、第三短路由、甚至第K短路由。K短路由算法的思想是在ISL已有最短路由的基礎(chǔ)上刪除某條路由，并搜索下一條可選的最短路由。該算法的實(shí)質(zhì)是在ISL中增加衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)和相應(yīng)鏈路。由K短路由算法計(jì)算出2顆衛(wèi)星之間的多條備用路由，選擇路由的準(zhǔn)則為：

1)在該步的多個(gè)最佳路由中，優(yōu)先選擇在上一步曾經(jīng)出現(xiàn)過的路由；

2)在該步的多個(gè)最佳路由中，優(yōu)先選擇在衛(wèi)星整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)維持時(shí)間長(zhǎng)的路由；

3)在該步的多個(gè)最佳路由中，優(yōu)先選擇在衛(wèi)星整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)連續(xù)性好的路由。

K短路由算法的實(shí)質(zhì)是通過增加衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，計(jì)算出2顆衛(wèi)星之間的多條備用路由，以避免鏈路擁塞，鏈路切換較少。但該算法有可能使得衛(wèi)星通信時(shí)延變長(zhǎng)。

3.2鏈路算法優(yōu)化3.2.1星間鏈路權(quán)值

星座中ISL權(quán)值Qt受多種因素影響，本文從簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和仿真的角度出發(fā)，分析以下因素：ISL距離、中轉(zhuǎn)星數(shù)目以及鏈路數(shù)目。定義為

(15)

3.2.2鏈路路由優(yōu)化準(zhǔn)則

考慮到鏈路切換會(huì)引起抖動(dòng)等不穩(wěn)定因素，所以應(yīng)減少鏈路切換。因此，有必要搜索所有最佳路由的集合。對(duì)于某一條路由而言，既要考慮其出現(xiàn)在最佳路由集合中的頻率及權(quán)值；又要考慮鏈路切換次數(shù)。因此，路由優(yōu)化準(zhǔn)則為：在該步的多個(gè)最佳路由中，若有上一步曾經(jīng)出現(xiàn)過的路由，只要其時(shí)延和切換在可接受范圍內(nèi)，則優(yōu)先選擇該路由；若其時(shí)延和切換過大，或該步的多個(gè)最佳路由中沒有上一步曾經(jīng)出現(xiàn)過的路由，則必須進(jìn)行切換。

定義Qc為某路由在一個(gè)軌道周期內(nèi)的鏈路權(quán)值，Qc的具體定義如式(16)～式(18)所示:

(16)

(17)

(18)

式中:pt表示t時(shí)刻該路由是否出現(xiàn)在最佳路由集合中，pt=1表示出現(xiàn)，pt=0表示不出現(xiàn);Wt表示t時(shí)刻該路由在最佳路由集合中的出現(xiàn)函數(shù)。顯然，pt=1則Ut變??；pt=0則Ut變大。該定義不僅考慮了在路由集合中出現(xiàn)的代價(jià)Ut，而且考慮了維持性能Wt。參數(shù)Wt初始值為1，若出現(xiàn)在本時(shí)刻最佳路由集合中，就相應(yīng)加1。權(quán)值Qc越小，鏈路穩(wěn)定性越好。

3.2.3混合路由算法

由以上路由優(yōu)化準(zhǔn)則分析可知，路由權(quán)值Qc越小越好。修改K短路由第三個(gè)準(zhǔn)則為：在該步的多個(gè)具有相同維持時(shí)間的最佳路由中，優(yōu)先選擇鏈路距離最短的那條路由；其余2個(gè)準(zhǔn)則不變。此時(shí)，中轉(zhuǎn)星選擇了在整個(gè)運(yùn)行軌道內(nèi)可見時(shí)間最長(zhǎng)、時(shí)延之和較小、使星座流量平衡的衛(wèi)星。

因此，本文的混合路由算法有以下特點(diǎn)：首先，盡量選擇鏈路時(shí)延較短，即保證通信及時(shí)；其次，避免過多路由同時(shí)選擇一顆或幾顆中轉(zhuǎn)星，即保證通信質(zhì)量；最后，盡量減少鏈路數(shù)目和切換次數(shù)，從而降低鏈路開銷，即保證系統(tǒng)性能。

4數(shù)據(jù)仿真

本文研究的星座由3顆GEO和12顆MEO衛(wèi)星構(gòu)成，其中GEO衛(wèi)星平均分布于赤道面上，相互間夾角120°；MEO衛(wèi)星軌道高度10 355 km，構(gòu)型為12/3/1的walker星座。用STK10對(duì)本文星座進(jìn)行仿真，建立星座三維視圖和二維視圖分別如圖3～圖4所示。

圖3　星座的3維視圖

圖4　星座的2維視圖

顯然，本文研究的星座中包括3種鏈路：軌內(nèi)星間鏈路(位于同一軌道面內(nèi)衛(wèi)星間的鏈路)、軌間星間鏈路(位于不同軌道面衛(wèi)星間的鏈路)和層間星間鏈路(位于不同軌道高度衛(wèi)星間的鏈路，ex：GEO和MEO)。

4.1星間鏈路特性

對(duì)于層間鏈路，每顆MEO衛(wèi)星同時(shí)可見多顆GEO衛(wèi)星;但為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)和實(shí)際通信需求，每顆MEO衛(wèi)星只能同一顆GEO建立鏈路。GEO衛(wèi)星需要同多顆MEO衛(wèi)星建立ISL，且由于衛(wèi)星數(shù)目眾多，層間鏈路數(shù)目繁雜。

按照前文的ISL幾何公式，選擇MEO11作為研究對(duì)象，分析了其與GEO衛(wèi)星1、MEO衛(wèi)星12、14、23、32的ISL特性，如圖5～圖7所示，分別表示ISL距離、方位角、俯仰角的曲線變化圖。

圖5　星間鏈路距離

圖6　星間鏈路方位角

圖7　星間鏈路俯仰角

假設(shè)ISL天線是全向天線，天線旋轉(zhuǎn)角度和角速度均能跟蹤鏈路指向變化，且衛(wèi)星相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度范圍足夠大。分析與MEO11衛(wèi)星具有ISL的衛(wèi)星的星間可見性，如圖8所示。

圖8　星間可見性

通過分析圖5～圖8后發(fā)現(xiàn):軌內(nèi)鏈路(MEO和同軌道衛(wèi)星，ex：11與12、14)建立的是永久星間鏈路，2條同軌道ISL的方位角、俯仰角和ISL距離不變，0°(180°)、-45°和14 960 km;軌間鏈路(MEO與異軌道面，ex：11與23、32)建立的是周期性星間鏈路，隨時(shí)間不同而改變。由于MEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)為對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)，其他衛(wèi)星的同層ISL情況同MEO11相似，初始相位有差異。

還可以看出，MEO和GEO衛(wèi)星不是持續(xù)可見的，其ISL方位角的變化范圍從20°到360°，最大星間距離幾乎達(dá)50 000 km。這些不利因素使得層間鏈路(GEO和MEO衛(wèi)星)不是永久性ISL。因此，為了有效利用GEO衛(wèi)星ISL生存時(shí)間，GEO與MEO衛(wèi)星間ISL應(yīng)該在限制最大星間距離的條件下建立，具體原則為：GEO衛(wèi)星向地球發(fā)射信號(hào)，在最大ISL距離前提下，與可見的MEO衛(wèi)星建立ISL。所有GEO與MEO衛(wèi)星間的ISL均是臨時(shí)鏈路，存在建立—斷開—重建過程。

4.2鏈路算法

表1列出了用最短路由、K短路由以及混合路由算法仿真衛(wèi)星M11與M34間在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的鏈路變化情況。

表1　衛(wèi)星M11至衛(wèi)星M34的路由變化

從表1中可以看出：最短路由算法切換3次，K短路由算法和混合路由算法切換2次，僅從切換次數(shù)來看，混合路由算法達(dá)到星座穩(wěn)定的基本要求。而從時(shí)延的角度來看，K短路由算法時(shí)延較長(zhǎng)。顯然，混合路由算法的鏈路權(quán)值最小，鏈路穩(wěn)定性最好。

5結(jié)束語

本文分析了星間鏈路特性，提出星間鏈路權(quán)值及鏈路路由優(yōu)化準(zhǔn)則，并提出了一種具有鏈路穩(wěn)定性的混合路由算法。從仿真結(jié)果可以看出，Walker delta星座構(gòu)成的MLSN的特性如下：軌內(nèi)衛(wèi)星建立永久性ISL，鏈路距離、方位角、俯仰角不變；軌間衛(wèi)星建立周期性ISL，鏈路距離、方位角、俯仰角隨時(shí)間周期性變化；層間衛(wèi)星建立復(fù)雜的ISL，鏈路時(shí)變且簡(jiǎn)短，不能保證時(shí)時(shí)有鏈路。仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文提出的考慮時(shí)延、切換、權(quán)值等優(yōu)化策略的混合路由方案最優(yōu)。

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ISL routing strategy of two layer satellite network

WANG Dongxia，ZHAO Jinxian，HU Caibo，XIN Jie，TANG Tingsong

(Beijing Satellite Navigation Center，Beijing 100094，China)

Abstract：Against Inter-Satellite Links (ISL) easily interfered for situating in a highly exposed environment，covering a wide range and large-scale users，this article proposd a stability routing strategy.Firstly，the geometric characteristic of ISL was analyzed，with deducing the ISL distance，elevation，azimuth by Hill equation.According to the relative motion between satellites and the constellation configuration，a synthetic routing strategy was put forward to analyze the ISL stability performance by the link survival time，transmission delay and spatial interference.In addition，the ISL power weight and link path optimization criterion was obtained based on the shortest path algorithm and the K-path algorithm.Then，a stability synthetic routing strategy with best switching scheme was proposed.Finally，simulation for specific GEO/MEO satellite network was carried out.The results showed that the synthetic routing strategy would have the optimal hybrid service indicator.

Keywords：inter-satellite link；routing strategy；two layer satellite network

收稿日期：2015-08-10

第一作者簡(jiǎn)介：王冬霞(1985—)，女，河南新鄉(xiāng)人，博士，工程師，研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航和星間鏈路總體設(shè)計(jì)。

中圖分類號(hào)：TN927

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-4999(2016)02-0029-07

引文格式：王冬霞，趙金賢，胡彩波，等.雙層衛(wèi)星網(wǎng)星間鏈路混合路由算法設(shè)計(jì)[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)，2016，4(2)：29-35.(WANG Dongxia，ZHAO Jinxian，HU Caibo，et al.ISL routing strategy of two layer satellite network[J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(2)：29-35.)DOI：10.16547/j.cnki.10-1096.20160207.