高中低轨导航星座混合体制星间链路规划-USB迷|专注于互联网分享

2023年12月18日发(作者：让晗日)

ChineseSaceScienceandTechnolopgy

中国空间科学技术Au.25 2022 Vol.42 No.4 19-26g/ISSN1000-758X CN11-1859V:/.1000-758X.2022.0048j:htt∥高中低轨导航星座混合体制星间链路规划田露,马冬青,孙剑伟*,李骏平中国电子科技集团公司第十五研究所,北京100083摘

要:针对北斗系统加入低轨增强星座后的高中低混合星座特点,为了满足下一代导航星座主要的星间链路业务需求,提出了一种分级规划的混合星座星间链路规划方案。优先为激光星间链路的基于此拓扑提出了时分体制的分组拓扑规划算法。针对导航星MEO、LEO、MEO-LEO建立拓扑,座高中低速混合星间网络不同体制的路由提出了2种不同的改进路由算法,并对混合体制星间链路进行了仿真和规划。对规划结果进行了统计分析,验证了混合网络规划方法的正确性和混合网络在低轨监测数据回传、层间数据传输、导航信息上注3个典型导航业务场景的数据传输效能。低轨监测数据回传和连续体制节点导航信息上注时延均在1在9s之内,4%的时间里有5~8条层间星间链路,时分体制节点在9为下一代导航系统规划设计提供参2%的时间里可以在12s内完成上行注入,考建议。关键词:导航星座;低轨增强;激光星间链路;拓扑规划;路由算法中图分类号:V57;TP3-0

文献标识码:AInter-satellitelinkplanninfhih-middle-loworbitgoghbridconstellationy*,,TIANLuMADoninSUNJianwei,LIJuningqgpg,The15thResearchInstituteofChinaElectronicsTechnolorouororationBeiin00083,ChinagyGpCpjg1,constellationinordertomeetthemaorinter-satellitelinkbusinessreuirementsofthenextgenerationnaviationjqg:AAbstractccordinothecharacteristicsofmixedconstellationofBeiDousstemafteraddinEOenhancedgtygL,,constellationahierarchicallanninchemeforinter-satellitelinkplanninfhbridconstellationwasproosedandpgsgoyprioritasgiventotheestablishmentoftooloorMEO,yf,rouinoololanninlorithmforTDMAwasproosedbasedonthetooloandtwoimrovedroutingpgtpgypgagppgypgalorithmswertionandplanninfthegpyggo,,hbridsstemintersatellitelinkwerecarriedoutthecorrectnessofthehbridnetworkplanninethodwasprovedyyygmandthedatatransmissionefficiencfthehbridnetworkinthreeticalnaviationbusinessscenariosofLEOyoyypg,re5-8interlaerinter-satellitelinksfor94%ofthetimeandtheTDMAnodecancomletetheypshowthatthedelafLEOmonitorinatabackhaulandcontinuoussstemnodenaviationinformationinectionisyogdygj,naviationinformationinectionin12sfor92%ofthetimewhichprovidesreferencefortheplanninnddesinofthegjgag,monitorinatabackhaulinte收稿日期:修回日期:录用日期:网络出版时间:2021-07-16;2021-07-23;2021-12-07;2021-12-27 09:07)基金项目:国防预研项目(GFZX03]MADQ,SUNJW,-satellitelinkplanninfhih-middle-loworbithbridconstellation[eSaceScienceandgogyp,():)Technolo2022,42419-26(:*通信作者.E-mailsunw@]():引用格式:田露,马冬青,孙剑伟,等.高中低轨导航星座混合体制星间链路规划[中国空间科学技术,J.2022,,Copyright©博看网. All Rights Reserved.

20中国空间科学技术Au.25 2022 Vol.42 No.4groutinlorithmgag:n;;KewordsaviationconstellationaumentationbasedonLEO;laserinter-satellitelink;toololanninggpgypgy轨增强星座的研究集中在对星座规模和构型方1

引言一样,天GPS等其他全球卫星导航系统(GNSS)然存在短板弱项,即卫星信号由2万~3万多千米的太空到达地球表面时已经十分微弱,在城市、峡谷、丛林等地区易受到遮蔽和阻断,更无法服务室内等环境。单纯依靠传统的基于中高轨星座的卫星导航系统很难解决这些问题[2]]面以及低轨星座增强效果方面的研究。文献[2研究了一种中高轨卫星联合低轨星座提供导航授时服务的系统架构,并对其覆盖性能进行了分GNSS技术瓶颈的机遇和体系增量能力。但是对高中低轨混合星间链路规划的研究尚未有公开的文献报道。在这一背景下,本文针对北斗系统加入低轨增强星座后的高中低混合星座特点,分析了主要的星间链路业务需求,提出了一种混合星座星间链路规划方案,为提供下一代导航系统规划设计提供参考建议。析。文献[论证了低轨星座突破现有中高轨8]由于卫星导航系统的固有缺点,北斗与低轨卫星星座具有如下特点:第一,由于其落地电平高,可以作为导航系统的信号增强手段;第二,低轨星座作为地面监测站向太空的延伸,可以为导航定轨计算提供更加多样的监测数据,实现导航系统的信息增强;第三,由于其对地的运动速度快,多普勒效应强,可以改善精密单点定位的模糊度收敛速度;第四,低轨卫星也可以通过通信系统和导航系统融合,播发独立测距]3;信号,形成备份的定位导航能力[第五,利用该。2

问题分析2.1

星座特点分析本问题针对的是在北斗三号全球卫星导航)系统(的3加入BD-30颗中高轨星座的基础上,///低轨增强星座后构成GEOIGSOMEOLEO多层混合星座场景。其中MEO轨道高度为星座的低轨GNSS监测功能和中低轨星间链路可以实现低轨星基锚固的导航星座自主定轨,低轨卫星的引入可以为导航卫星提供外部时空基]4。准,削弱导航卫星自主定轨长期发散的现象[近年来,低轨卫星凭借其轨道和信号的独特优势以及广泛的应用潜力,逐步受到导航增强领域的关注和青睐,并有望成为下一代卫星导航系其提供的新型低轨卫星授时2019年建设完成,与定位服务,已成为GPS的有效补充和备份。欧洲Galileo技术团队也在积极推进开普勒系统研究,由4~6颗低轨卫星对中高轨卫星行监测和高精度测量,从而大幅提高系统的定轨精度。]经有很多研究。文献[提出了一种基于负载均5]衡的导航时分网络建链规划算法。文献[就一6种双层混合型星座提出了一种时隙分配方案,从]时隙分配的角度进行了网络规划。文献[提出7了考虑等待时延、链路速率、节点负载和传输距离等多种影响因素的路由方案。目前,国内对低高中轨时分体制星间链路规划在近年来已3]。美国下一代铱星系统于统发展的新增量[,//轨道倾角为5构型为221000km,5°431的即卫星总数为2轨道面数为3,Walker星座,4、,GEO的星下点经度选取分别为80°(E)((和1的3颗卫星,而I110°E)40°E)GSO则选择,(,倾角5星下点轨迹中心经度1相位间5°16°E)隔1的3颗卫星。低轨卫星星座一般设计为20°//构型为11000km轨道,50151的Walker星,座,轨道倾角6升交点赤经为相差2的10°4°5个轨道面,每个轨道面1不同轨0颗卫星均匀分布,。道面内相同相位卫星的平近点角相差2.4°2.2

田露,等:高中低轨导航星座混合体制星间链路规划 21航数据上行注入、遥控数据注入等方面。低轨卫星的监测数据需要近实时下传到地面站,境内卫星监测数据直接下传,境外卫星的监测数据通过低轨星间链路传输至境内卫星,由境内卫星转发到地面站,地面站对天基、地基监测数据进行处理后,产生导航增强电文,并及时注入到低轨卫星上,由低轨卫星进行增强信息的播发,其中境内星由地面站直接上注,境外星由境内星通过低轨星间链路转发注入。常规情况下,仅通过低轨星间链路即可实现监测数据回传和导航信息上注,但是在低轨卫星故障较多,组网情况不佳的情况下,可以考虑通过层间链路转发至中轨卫星,经由中轨星间链路与地面站进行信息交互。此外层间链路可以作为自主导航模式下的天基锚固链路,向中轨卫星发送锚固信息,层间链路数量应尽可能维持稳定。对于中轨卫星,仅通过时分体制星间链路可以实现全网的导航信息上注业务,在加入激光连续体制星间链路后可进一步缩短传输时延。2.3

载荷设计中高轨星座目前均搭载了相控阵时分体制星间链路载荷,适应链路的快速切换。部分卫星可能逐步搭载多个激光星间链路载荷,假设部分MEO卫星上搭载了3个MEO间激光星间链路载荷和1个正Z轴安装的对LEO的激光载荷。假设低轨卫星上均搭载4个激光星间链路载荷和一个高速对地星间链路载荷,用于进行低轨星间建链和低轨卫星与地面信关站之间的建链。假设LEO星座中每个轨面均有1个卫星搭载层间建链载荷。2.4

可见性分析卫星与卫星之间、卫星与地面站之间的相对运动导致星间可见关系持续快速地变化,在进行星间建链时,几何可见是最基本的建链前提条件,星间可见的影响因素包括卫星位置和天线扫描角。对于卫星与地面站,它们互相可见的条件是卫星位于地面站外切水平面之上,并满足卫星波束扫描角度和地面设备波束截止角度的约束。通过进行可见性分析,对于每一个MEO卫星的激光载荷,在轨内都有6个卫星永久可见,1如图1所示。对于每一个4个卫星永久可见,可与其同轨面的前一相位卫星、后一LEO卫星,相位卫星,左侧轨面同相位卫星和右侧轨面的同相位卫星建立4条永久可视链路。LEO与MEO之间和IGSO与MEO之间间断可见。个卫星与之永久不可见;与2个相邻轨面内的各图1 MEO激光载荷永久可视关系Fi.1 PermanentvisibilitfMEOlaserloadgyo3

拓扑设计拓扑设计是整个网络规划的基础,拓扑设计应满足导航卫星的测量需求,并提前为提升数据传输效率作出考虑。混合星座的星间链路体制呈现时分体制与连续体制混合、高速与中速混合的特点。时分体制能带来测量多样性,但是其固有的等待特性使其在数据传输实时性方面表现不佳,且运行管理较为复杂。激光连续体制具有高速和缓变的特性,应当充分利用永久可视链路,尽量减少波束切换。考虑到数据在高速网和中速网之间的传输效率,应将激光链路作为整个网络的高速骨干网,激光网络节点应尽量均匀分布,同时尽可能增加时分网络与激光骨干网的交叉节点,使数据更加便捷地接入高速骨干网。3.1 MEO拓扑设计由于MEO与LEO星座均为Walker星座,为了满足MEO与LEO之间建链数量的均衡性,本方案在24个MEO卫星中均匀选取每个轨面3个节点,共9个节点作为激光骨干网节点。激光拓扑以选用永久链路为准则,本文的设计思想是选取轨面内的永久可见的3个卫星,可以建立轨内永久链路,从每个轨面内的3个卫星中选取2个卫星分别与另外2个轨面的各1个Copyright©博看网. All Rights Reserved.

22中国空间科学技术Au.25 2022 Vol.42 No.4g永久可视卫星建立轨间链路,打通轨间的数据传输通道。所示。基于此原则,本方案的激光节点选取如表1表1

激光节点选取Table1 Lasernodeselection层间链路,以互相可见为原则,可见星数量大于选取俯仰角较大的进行建链。1时,3.4

相控阵时分星间链路设计在进行时分体制拓扑表的规划时,存在先后制约关系,在排入可见的卫星对时,必须先检查拓扑表中该时隙下预排入的两个卫星是否空闲,如果任何一方已经建链,则本次排列不成功。故先排入的卫星配对排列成功的概率要比后排入的卫星配对排列成功的概率要高,所以,为了提高网络的传输效率,优先安排有激光载荷的卫星节点和无激光载荷的节点进行建链。所有时分体制载荷的可视卫星配对。步骤1:进行可见关系统计,统计本小时内步骤2:进行配对分组,A组为有激光载荷Orbitplane123Lasernode15,18,2123,26,297,10,13

激光拓扑设计结果如表2所示。Orbitplane表2

激光拓扑设计Table2 LasertooloesinpgydgNode16297Inorbit110,137,13Betweenorbits210,718,2115—2926—1813—7卫星无激光载荷卫星,-B组为无激光载荷卫星-无激光载荷卫星。组境外境外链路,境外链路,-B1组境内-B2组境外境外链路。-见激光载荷卫星数目从少到多排序。步骤4:按照可A1组内境外卫星节点排序,步骤5:按照可见激光载荷卫星数目从少到步骤6:优先安排步A2组内卫星配对排序,步骤7:按照可B1组内境外卫星节点排序,步骤8:按照可见境内卫星数目从少到多排步骤9:优先安排已B2组内卫星配对排序,步骤3:细化分组,境外链路,A1组境内-A215,2115,18326,2923,2923,263.2 LEO拓扑设计多排序的次序以及一定的间隔时隙排入A1组内卫星配对。骤五中已安排的境外卫星步骤5中未排入的境-外卫星。见境内卫星数目从少到多排序。前一相位卫星、后一相位卫星、左侧轨面同相位卫星和右侧轨面的同相位卫星建立4条永久可视链路。由于L整个网络拓EO星座的均匀性,扑构成网格结构,且在运行过程保持结构不变。3.3

层间激光链路设计低轨卫星除了作为天基监测站,也可以选取部分节点作为天基注入站,为中高轨卫星注入导航数据,同时可以作为星基锚固站,为中轨卫星4],提供锚固信息[因此需要建立LEO与MEO之间的高速链路。本文设计每一个LEO卫星与其同轨面的序的次序以及一定的间隔时隙排入B1组内卫星配对。安排的境外卫星步骤8中未排入的境外卫星。-载层间建链载荷,共15个LEO具备层间建链能力,9个搭载激光载荷的MEO卫星具备层间建链载荷。根据LEO与MEO之间的可见关系和层间链路载荷约束,为LEO和MEO之间规划假设LEO星座中每个轨面均有1个卫星搭4

田露,等:高中低轨导航星座混合体制星间链路规划 23由规划和时分体制路由规划,均采用改进的并Flod算法。首先进行连续体制的路由规划,y保存其路由规划结果,在此基础上进行时分网络节点的路由规划。4.1

连续体制网络路由规划5

仿真验证为验证拓扑路由算法的可用性和拓扑路由规划是否可以满足低轨监测数据回传、层间数据传输、导航信息上注3个典型导航业务场景的传算法的基础上,增加节点中继计数,在中继跳数相等的条件下,优选中继次数较少的节点作为中继节点,具体步骤如下。径矩阵P,跳数矩阵H。步骤1:根据拓扑表初始化距离矩阵D,路步骤2:遍历每一个中转节点k,检查中转节激光连续体制网络路由规划在经典Flody//06-2000:00:00,仿真场景为GEOIGSO/其中原有北斗MEOLEO多层混合星座场景,输需求,本文在VS2016工程中进行了编码仿真,仿真时间为2021-06-1300:00:00到2021-中高轨星座共30颗卫星。其中GEO卫星编号为1~3,IGSO卫星编号为4~6,MEO编号为7轨面2:轨面3:~30。轨面1:7~14;15~22;23//~30。低轨卫星星座构型为150151的编号为3Walker星座,1~180。轨面1:31~40;轨面2:轨面3:以此类推。仿真41~50;51~60,设置的层间链路载荷配置情况如表3所示。表3

层间链路载荷配置情况Table3 Loadconfiurationofinterlaerlinkgy点k能否缩短源节点s到目的节点d中转节点的距离,此处距离为传输跳数。如果可以缩短源节点到目的节点的距离,则更新距离矩阵D,路径矩阵P,跳数矩阵H,同时中转节点k中继次数累加,如果距离与目前源节点到目的节点的距离相同,但是中转节点k的中继次数小于当前源节点s到目的节点d的中转节点所累积的中继次数,则更新距离矩阵D,路径矩阵P,跳数矩阵步骤3:将遍历计算结果统计入路由表。ItemNumberLoadconfiurationg同时中转节点k中继次数累加。H,4.2

时分体制网络路由规划NodesinLEOwithLEO-MEOload15NodesinMEOwithLEO-MEOload31,42,53,64,75,86,97,108,119,120,131,142,153,164,1757,10,13,15,18,21,23,26,299相控阵时分网络节点的路由规划算法在经典F增广出发时隙和开始传lod算法的基础上,y输时隙2个维度,具体步骤如下。由规划结果中的距离矩阵来初始化距离矩阵D,时隙矩阵S,路径矩阵P,跳数矩阵H。步骤2:遍历每一个中转节点k,是否能作为步骤1:根据时分体制拓扑表和连续体制路

地面站选择北京站作为监测数据回传与导航数据上传的中心节点。低轨卫星星间拓扑规划如表4所列。表4

低轨卫星星间拓扑规划结果Table4 ResultsoftoololanninorLEOpgypgfToololanninpgypgNodeFrontBackLeftRihtg源节点s到目的节点d从n时隙出发m时隙开始传输的中转节点,即中转节点k能否缩短源节点,时延)此处距s到目的节点d中转节点的距离(离为传输时延。如果可以缩短,则更新距离矩阵时隙矩阵S,路径矩阵P,跳数矩阵H。D,步骤3:在此基础上,如果距离相等但是跳数减少,则更新距离矩阵D,时隙矩阵S,路径矩阵P,跳数矩阵H。步骤4:将遍历计算结果统计入路由表。337383947383944353637383948950Copyright©博看网. All Rights Reserved.

24中国空间科学技术Au.25 2022 Vol.42 No.4g

对低轨卫星星座星间路由规划结果进行了统计,数据列入表5。表5

低轨卫星星间链路端到端跳数统计验证结果Table5 Resultsofend-to-endhospinLEOinter-satellitelinksHosp1129/%Percentaeg2.6845645.36912810.73825512.75167813.42281913.42281912.0805379.3959736.7114094.0268461.3422828.053691Percentaeoflessthanorg/%eualtothevalueq,低轨卫星监测数据回传的最长时延为100ms,可以满足低轨卫星监测数据回传要求。1s由于L层间链EO与MEO之间间断可见,路不持续,本文对每个时刻存在的层间链路进行了统计,结果如表7所示。根据激光星间链路的

其最大跳数为10跳,传输时延,直接相连的卫星链路时延假设约为2.6845648.05369216.10738326.84563839.59731653.02013566.44295478.52349187.91946494.630873100.00000198.657719表7

层间链路规划统计结果Table7 StatisticalresultsofLEO-MEOinterlinkplanning/%LinknumberPercentaeg34567890.2149121.62010210.91089426.56637535.26202721.8383203.587370即

星间端到端数据传输跳数最大值为12跳,横向纵向网格均间隔6格的最远节点传输,根据激光星间链路的传输时延,直接相连的卫星链路时延,。假设约为1星间传输的最长时延为100ms.2s低轨卫星作为天基监测站需要将监测数据最多为9条链

层间链路最少为3条链路,路,在9层间链路有5~8条,可以4%的时间里,作为LEO与MEO之间的传输通道。在建立了层间链路的基础上,本文对混合星座进行了上行注入规划,境内卫星直接上注,境外卫星通过星间链路中转注入,并对混合网络连续体制节点注入的跳数和时分体制节点注入的时延进行了统计,如表8所示。及时回传,境内卫星可以直接回传,境外卫星的监测数据需通过星间链路传输至境内卫星,由境内卫星中转至地面站。低轨卫星监测数据回传在可达的所有境内星中选择了跳数最小的境内星作为回传节点,统计结果如表6所示。表8

混合网络连续体制节点上行注入规划跳数统计Table8 HosforulinkinectionplanninfppjgocontinuoussstemnodesinhbridnetworksyyHosp表6

低轨卫星监测数据回传跳数统计验证结果Table6 ResultsofhosinpLEOsatellitemonitorinatareturngdHosp/%Percentaeg12.00303216.89648422.29834322.67894614.9401235.6442591.0111980.0961910.0011444.430281Percentaeoflessthanorg/eualtothevalue%q/%Percentaeg2.16723613.13877315.94559718.16268118.47365512.8285656.9948203.9437410.4095200.0061357.929277Percentaeoflessthanorg/eualtothevalue%q16.43331333.32979755.62814078.30708693.24720998.89146899.902666100.00000199.9988574.43028110.09651323.23528639.18088357.34356475.81721988.64578495.64060499.584345100.00000099.9938652.167236最大传输跳数

田露,等:高中低轨导航星座混合体制星间链路规划 25上注时延在1MEO和LEO,s内。对于时分体制节点,上行注入过程经由激光骨干网传输到与之建链的激光节点,再转入相控阵网络,由于在设计时对激光相控阵链路进行-了优先排列,其时延缩短至3且90s内,2%的时表9

混合网络时分体制节点上注时延统计验证结果Table9 DelaorulinkinectionplanninfyfpjgoTDMAnodesinhbridnetworksy,跳的传输和处理时间为1对于激光载荷00ms条;连续体制节点传输③导航信息上注过程中,内,且92%的时间里可以在12s内完成上行注入。拓扑路由规划满足低轨监测数据回传、层间数据传输、导航信息上注3个典型导航业务场景的传输需求,可以为下一代导航系统规划设计提供参考建议。)参考文献(References时延在1时分体制节点时延缩短至3s之内,0s间里可以在1如表9所示。2s内完成上行注入,/Delasy/%Percentaeg69.2623.543.522.970.71t<66≤t<12Percentaeoflessg/%thanthevalue[]张弓,宿晨庚.世界卫星导航系统的最新进展和趋势1

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对于时分体制节点,oled算y法,将一分钟内的快变拓扑简化为连续拓扑,不区分出发时隙,以最小跳数为原则为源节点到目的节点规划唯一路径,由于时分体制的特点,当,。本整个传输过程的传输时延将大于660s0s文在经典F增广出发时隙和lod算法的基础上,y开始传输时隙2个维度,为不同出发时隙规划最短时延路径,大大提升了传输效率。出发时隙刚好错过可传输时隙时,需要等待]andItsperformanceanalsis[ommunicationsymethodbasedoncombininDSwithLEOconstellationgB[]崔志颖,张爽娜,等.基于低轨通信星座的导航增强3

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结论本文针对加入低轨增强星座后北斗导航高中低混合星座的特点,分析了主要的星间链路业务需求和星座可见性规律,提出了一种分级规划的混合星座星间链路规划方案,优先为激光星间链路的ME基于O、LEO、MEO-LEO建立拓扑,此拓扑提出了时分体制的分组拓扑规划算法,在此拓扑规划下,进行了导航星座高中低速混合星间网络的路由分类,针对不同的体制提出了2种不同的改进路由算法,对混合星座进行了仿真和规划,并对规划结果进行了统计分析。验证了混合网络规划方法的可用性,结果表明,该拓扑路由规划可以使:①低轨监测数据回传时延在1s之内;②层间星间链路在94%的时间里有5~8constellationorbitdeterminationmethodforBeidounaviationg()CN110793528A[P].nLEOsatellite:anchor[]王琦,李露铭,等.基于负载均衡的导航时分网络5

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