朱俊鵬,趙洪利，楊海濤

(中國人民解放軍裝備學院 a.研究生管理大隊； b.訓練部；c.復雜電子系統(tǒng)仿真實驗室， 北京 101416)

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基于自適應網(wǎng)絡的星間鏈路抗毀性研究

朱俊鵬a,趙洪利b，楊海濤c

(中國人民解放軍裝備學院 a.研究生管理大隊； b.訓練部；c.復雜電子系統(tǒng)仿真實驗室， 北京 101416)

星間鏈路技術是提高衛(wèi)星網(wǎng)絡自主性的一項核心技術，用戶對于星間鏈路工作的穩(wěn)定性和抗毀性具有較高的依賴。通過對星間鏈路的建鏈策略的分析，明確了影響星間鏈路抗毀性的各類因素；通過對自適應網(wǎng)絡的分析，提出了解決星間鏈路抗毀性的方法和研究思路；在此基礎之上，提出了抗毀性的整體構架，以及總體流程圖和一些重要過程的算法，并通過仿真驗證了整體框架的可行性。

星間鏈路；自適應；抗毀性

美國的銥星低軌移動通信系統(tǒng)早在20世紀末期就開始運用星間鏈路技術，而目前，美國的GPS系統(tǒng)、歐洲的GALILEO系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)以及我國的“北斗”二代導航系統(tǒng)都將星間鏈路技術納入到未來建設的構思當中。

使用星間鏈路技術，衛(wèi)星星座能夠在空中組網(wǎng)，結合地面中心的控制，實現(xiàn)衛(wèi)星網(wǎng)絡節(jié)點的連接，將在軌的衛(wèi)星有機地聯(lián)結為一個整體，使得各顆衛(wèi)星所采集的數(shù)據(jù)實時傳回地球，這種實時性在星間鏈路實際運用上的應用尤為重要，尤其是關鍵節(jié)點的衛(wèi)星出現(xiàn)軌道機動以及發(fā)生故障、失效時，因而對星間鏈路組網(wǎng)的抗毀性提出比較高的要求。

1 星間鏈路抗毀性性能影響分析

與地面一般通信網(wǎng)絡不同，由于衛(wèi)星在軌高速運動導致星間鏈路的網(wǎng)絡拓撲結構處于時刻變化之中，因此，星間鏈路抗毀性性能也處于時刻變化之中。結合對一般通信網(wǎng)絡的抗毀性分析可以得出影響星間鏈路抗毀性的主要因素有：星間建鏈策略、衛(wèi)星重要性。

1.1 星間鏈路建鏈策略

星間建鏈涉及星座資源優(yōu)化分配，在建鏈時要避免出現(xiàn)某顆衛(wèi)星建立星間鏈路的條數(shù)太少或者太多，所以星間建鏈策略的基本特點要同時滿足短時建鏈，穩(wěn)態(tài)建鏈要求，使所組成的星間網(wǎng)絡拓撲結構隨著衛(wèi)星的運動而處于靜態(tài)、動態(tài)穩(wěn)定之中。網(wǎng)絡拓撲結構主要包括星座構型、網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)量、網(wǎng)絡邊的數(shù)量等基本要素。

星座構型，即衛(wèi)星星座構型。通過對Walker24/3/2星座進行研究可知，處于同一軌道衛(wèi)星之間的觀測仰角、方位角等幾何參數(shù)都是在固定范圍內(nèi)變化的，當衛(wèi)星天線角度確定后，同軌道衛(wèi)星的星間可視關系也隨之確定。異軌道衛(wèi)星間的可視性則由天線角度決定，且隨時間變化。

網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)量，即衛(wèi)星數(shù)目。對于星間通信而言，節(jié)點數(shù)目越多，邊數(shù)越多，傳輸?shù)臅r效性就越好，網(wǎng)絡也趨于扁平化，其穩(wěn)健性增強。但考慮到成本、頻帶資源有限等各方面因素，組網(wǎng)衛(wèi)星數(shù)量總是有限。

網(wǎng)絡邊數(shù)量，即星間鏈路建鏈總數(shù)。星間建鏈總數(shù)取決于衛(wèi)星可視性，而衛(wèi)星可視性取決于天線波束指向范圍和信號捕獲載噪比門限。由于衛(wèi)星可視性隨著衛(wèi)星運動時刻變化，因此星間鏈路可建鏈總數(shù)也是隨時間變化的。

1.2 衛(wèi)星重要性

衛(wèi)星的重要性，即衛(wèi)星在星間鏈路以及網(wǎng)絡拓撲結構中位置的重要性。不同的衛(wèi)星失效對星間鏈路影響不同。因此，不同衛(wèi)星對其可靠性和貢獻率不同。

衛(wèi)星在網(wǎng)絡拓撲結構中的重要性越高，在發(fā)生故障或者摧毀后對整個星間鏈路網(wǎng)絡的影響也越大；反之，衛(wèi)星在網(wǎng)絡拓撲結構中重要性越低，對星間鏈路的影響也就越小。關鍵衛(wèi)星的失效，對整個星間鏈路工作性能有巨大影響。

2 自適應網(wǎng)絡性能分析

目前，星間鏈路運行時出錯或者失效處理一般都是通過人為的配置實現(xiàn)的，即通過地面控制人員監(jiān)視衛(wèi)星運行狀態(tài)。這種解決方法，在大規(guī)模的星間鏈路網(wǎng)絡中，由于衛(wèi)星數(shù)目較多，人工監(jiān)視與配置無法面對巨大的工作量，使效率很低，影響了星間鏈路實時性的特征。

為了解決上述問題，結合星間鏈路抗毀性性能，引入自適應網(wǎng)絡保證星間鏈路過程的有效性，在不需要人為參與的情況下，將大大提高星間鏈路在衛(wèi)星失效時自組網(wǎng)的效率。

自適應的星間鏈路網(wǎng)絡直接針對網(wǎng)絡中所有衛(wèi)星運行失效的問題，通過自適應算法選擇新的衛(wèi)星進行組網(wǎng)，使整個網(wǎng)絡過程的有效性和實時性得到保障，從而使星間鏈路網(wǎng)絡具有自適應特性。

具體來說，星間鏈路網(wǎng)絡的自適應特性主要表現(xiàn)在：

網(wǎng)絡的自修復，即確保整個星間鏈路中的某些衛(wèi)星失效之后，星間鏈路能夠快速重新組網(wǎng)，所有的任務執(zhí)行能快速恢復。例如在一個星間鏈路網(wǎng)絡中，當關鍵衛(wèi)星運行失效后，必須及時尋找新的關鍵衛(wèi)星建立連接，實現(xiàn)整個過程的自修復。

節(jié)點的自優(yōu)化，即一個星間鏈路網(wǎng)絡的運行效果依賴于網(wǎng)絡中各顆衛(wèi)星的工作品質。例如在上面提到過的，當找到新的衛(wèi)星建立星間鏈路后，為了使網(wǎng)絡的拓撲和星間可視性保持相對穩(wěn)定，需要對衛(wèi)星的觀測仰角、方位角等幾何參數(shù)進行調(diào)整，這就是節(jié)點的自優(yōu)化。

3 研究思路

本文通過對星間鏈路抗毀性分析和自適應網(wǎng)絡分析，設計了星間鏈路自適應抗毀性的全過程，該過程主要由自適應算法的啟用和結束、尋找關鍵衛(wèi)星節(jié)點、修改衛(wèi)星參數(shù)這幾個重要的技術過程組成，總體流程如圖1所示。

圖1 總體流程

3.1 自適應算法啟用與結束

星間鏈路網(wǎng)絡本身就是一個靜態(tài)、動態(tài)相結合的網(wǎng)絡。隨著衛(wèi)星的運動，衛(wèi)星之間的鏈路總是處于切換和重構中。正常工作時，靜態(tài)星間建鏈和動態(tài)星間建鏈方法已經(jīng)構建好，建鏈衛(wèi)星之間的關系相對固定。只有當衛(wèi)星出現(xiàn)失效，衛(wèi)星要重新與原來設計范圍外的衛(wèi)星重新組網(wǎng)時，才需要使用自適應算法，當重新組網(wǎng)完畢后，須停止自適應算法。

自連接率C指某一衛(wèi)星某一時刻與其建立鏈路的衛(wèi)星數(shù)N，與衛(wèi)星此刻可視衛(wèi)星數(shù)目M(由衛(wèi)星星座運行設計方案可知，某一衛(wèi)星某一時刻M值是可知的)的比值。

(1)

在這個過程中需要指定一個自連接率閾值RTH作為自適應算法的啟用和結束條件，如果C

3.2 關鍵節(jié)點衛(wèi)星選擇

由1.2節(jié)可知，當衛(wèi)星失效時，剩下衛(wèi)星采用自適應算法，要建立連接的衛(wèi)星首先要滿足對關鍵節(jié)點衛(wèi)星的選擇，根據(jù)星間鏈路數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡的實際工作特點，本文采用基于節(jié)點聚合度的關鍵節(jié)點，對衛(wèi)星的重要性進行選擇。定義網(wǎng)絡的關鍵節(jié)點即聚合度較大的節(jié)點。

在網(wǎng)絡圖G(N,E)中，用Ai表示節(jié)點ni的一跳鄰節(jié)點集，節(jié)點ni的聚合度定義為此圖的度數(shù)與子圖節(jié)點總數(shù)的比值，用公式表示為

(2)

該值是子圖G′(節(jié)點ni及其一跳鄰節(jié)點組成的子圖)的度數(shù)與節(jié)點總數(shù)的比值，表示子圖G′中節(jié)點間聯(lián)系的密切程度。其中，l表示節(jié)點ni與其一跳鄰節(jié)點集Ai所組成的并集中所有節(jié)點之間存在的鏈路，則|l=(i,j)∈L|i,j∈Ai∪{ni}|表示這些鏈路的數(shù)目。定義越大，節(jié)點在網(wǎng)絡中所占的分量越重。這樣就可以對衛(wèi)星節(jié)點的重要性進行選擇。

采用如圖2所示的流程進行對重要節(jié)點衛(wèi)星的選擇，其步驟如下。

1) 確定可視性衛(wèi)星數(shù)量M。

2) 遍歷所有可視性衛(wèi)星，計算出各顆衛(wèi)星的Pi(i=1,2,…,M)。

3) 找出最大的Pi，Pmax=Pi。

圖2 節(jié)點衛(wèi)星選擇流程

3.3 衛(wèi)星參數(shù)調(diào)整

星間鏈路的構建除了滿足可視性之外，還要對建立星間鏈路的仰角跟方位角重新進行調(diào)整才能完整建立起可靠的星間鏈路。

由于衛(wèi)星之間有相對運動，為了使得星間鏈路建立效果更加穩(wěn)定，需要對衛(wèi)星的仰角、方位角等參數(shù)重新調(diào)整。星間鏈路指向變化的角度相對某衛(wèi)星A的坐標系變化情況如下

(3)

(4)

(5)

式中 θs， φs分別為星間鏈路指向在衛(wèi)星坐標系下的仰角和方位角； x，z分別為衛(wèi)星A坐標系在慣性坐標系上的方向矢量；rISL為兩顆衛(wèi)星的鏈路矢量；rn，rm分別為兩顆衛(wèi)星的地心矢量；rsxy為衛(wèi)星星間鏈路矢量在衛(wèi)星坐標系X，Y平面上的投影。因此，兩顆衛(wèi)星要構建星間鏈路仰角、方位角還需滿足以下條件

|φs|<φant, |θs|<θant

(6)

采用圖3所示的流程圖對建立的星間鏈路進行參數(shù)的調(diào)整，其步驟如下：

1) 計算θs，φs。

2) 判斷θs，φs是否滿足公式(6)。若滿足進行3)，若不滿足進行4)。

3) 建立連接，終止自適應算法。

4) 調(diào)整衛(wèi)星的θant，φant。返回2)，若滿足進行3)，若不滿足進行5)。

5) 按節(jié)點聚合度排序大小，選擇可視范圍內(nèi)聚合度，返回1)。

圖3 參數(shù)調(diào)整流程

4 仿真測試

首先用STK搭建一個星間鏈路系統(tǒng)，該系統(tǒng)由30顆低軌衛(wèi)星和6顆中軌道中繼星組成，低軌衛(wèi)星分布在6個軌道面上，每個軌道5顆星，每顆星與其軌道的上下兩顆星和相鄰軌道的左右兩顆星以及與其距離最近的中繼星共5顆星，建立星間鏈路，每顆星可視范圍內(nèi)有4顆低軌衛(wèi)星和兩顆中繼星。如圖4所示。

圖4 仿真模型

選取低軌衛(wèi)星satellite111，satellite121，satellite131，3個不同軌道的3顆衛(wèi)星作為研究對象。

通過STK對所選的衛(wèi)星的方位角和仰角變化情況進行分析，確定方位角、仰角所需的合適取值范圍，確保衛(wèi)星方位角、仰角的變化在合理的范圍，在不影響飛行姿態(tài)的前提下進行微調(diào)，達到與新建中繼星進行通信的要求，由STK計算所得satellite111，satellite121，satellite131的方位角和仰角變化范圍如表1所示。

表1 實驗衛(wèi)星方位角、仰角

在分析的過程中使與實驗衛(wèi)星相連的中繼星失效，通過STK與matlab互聯(lián)觀察這些實驗衛(wèi)星自連接率的變化；接著載入自適應網(wǎng)絡和算法，分別畫出3顆實驗衛(wèi)星的自連接率。仿真結果如圖5所示。

圖5 仿真結果

通過仿真，驗證了本設計的可行性，當某顆低軌衛(wèi)星相連的中繼星失效后，通過自適應算法能夠快速的與可視范圍內(nèi)另一顆星自動建立連接，從而保持星間鏈路的正常運行。

5 結論

本文對衛(wèi)星星間鏈路抗毀性進行了分析和設計，分析了星間鏈路抗毀性、自適應網(wǎng)絡特性，設計了星間鏈路抗毀性的工作流程，提出了具體方法，并通過實驗進行驗證。但在研究過程中，是在理想化的條件下通過Matlab對STK中的衛(wèi)星進行控制，相比實際應用中，缺少了對衛(wèi)星信號處理、傳輸時延性的考慮，在今后的研究中，提高信號處理速度是對在軌衛(wèi)星控制的重要技術，也是下一步深入開展星間鏈路技術研究的方向之一，這些技術對于星間鏈路組網(wǎng)的快速性、穩(wěn)定性和抗毀性具有重要的意義。根據(jù)本文提出的方法對星間鏈路抗毀性進行設計時，需要根據(jù)不同衛(wèi)星星座結構和任務要求，結合具體應用背景進行研究。

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(責任編輯 楊繼森)

Invulnerability Study Based on Self-Adaptive Network for Inter-Satellite Links

ZHU Junpenga， ZHAO Honglib， YANG Haitaoc

(a.Department of Graduate Management; b.Training Department; c.Science and Technology on Complex Electronic System Simulation Laboratory, Equipment Academy of PLA, Beijing 101416, China)

Inter-satellite links technology is a key technology to improve the autonomy of the satellite network, and the user has high depend on the stability and invulnerability of the inter-satellite links. Firstly, according to the analysis of the linking strategy of the inter-satellite links, it figures out the factors which influence the invulnerability of the inter-satellite links; secondly, according to the analysis of the self-adaptive network, it figures out the research approach which can resolve the invulnerability of the inter-satellite links; and lastly, according to the overall flow and some algorithm, it has put forward the whole construction of the invulnerability of the inter-satellite links. The feasibility of the whole framework is verified by simulation.

inter-satellite links; self-adaptive; invulnerability

10.11809/scbgxb2017.07.028

2017-03-18；

2017-04-20

朱俊鵬(1993—)，男(土家族)，碩士研究生，主要從事信息網(wǎng)絡安全研究；趙洪利(1964—)，男，博士，教授，主要從事信息網(wǎng)絡安全研究。

format:ZHU Junpeng， ZHAO Hongli， YANG Haitao.Invulnerability Study Based on Self-Adaptive Network for Inter-Satellite Links[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(7):129-132.

TN927

A

2096-2304(2017)07-0129-04

本文引用格式：朱俊鵬,趙洪利，楊海濤.基于自適應網(wǎng)絡的星間鏈路抗毀性研究[J].兵器裝備工程學報，2017(7):129-132.