邵豐偉，龔文斌，姜興龍

（1.中國科學院上海 微系統(tǒng)與信息技術研究所，上海 200050；2.上海微小衛(wèi)星工程中心 上海 201203）

基于OPNET的一種導航衛(wèi)星系統(tǒng)通用仿真模型

邵豐偉1，2，龔文斌2，姜興龍2

（1.中國科學院上海 微系統(tǒng)與信息技術研究所，上海 200050；2.上海微小衛(wèi)星工程中心 上海 201203）

為了考察裝配指向性星間鏈路的導航衛(wèi)星系統(tǒng)性能，從導航星座數據通信的需求出發(fā)，本文基于軟件OPNET設計了一種導航衛(wèi)星系統(tǒng)通信性能通用仿真模型。該模型可應用于一類裝配指向性天線的時分體制導航衛(wèi)星系統(tǒng)，通過模擬境外衛(wèi)星信息下傳和地面站信息上注等過程，對信息的通信時延進行統(tǒng)計，分析不同星間鏈路方案設計下的導航系統(tǒng)通信性能。通過對一種星間鏈路設計方案進行仿真，驗證了該導航系統(tǒng)通信性能通用仿真模型的可行性。

導航衛(wèi)星系統(tǒng)；仿真模型；星間鏈路；通信時延；OPNET

星間鏈路技術是全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)的關鍵技術之一，使用高頻段指向性星間鏈路的導航系統(tǒng)有著更大的通信容量和更強的抗干擾能力，是全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)星間鏈路的建設趨勢[1]，但是這類導航系統(tǒng)對星間鏈路的設計方案提出了較高要求，星間鏈路的鏈路分配策略和路由設計直接決定了導航星座網絡通信性能的優(yōu)劣。為了對導航星座網絡的通信性能進行考察，可以對其進行建模和仿真，利用仿真結果可為星間鏈路的方案設計和選擇提供支持。OPNET是一款用于網絡仿真的商用軟件，能夠準確地分析復雜網絡的性能和行為，但是由于OPNET沒有提供衛(wèi)星標準模塊，使得其對于衛(wèi)星網絡的性能分析較為復雜，需要定制專屬的衛(wèi)星模型實現對于衛(wèi)星網絡的性能仿真與分析[2]。

文中從衛(wèi)星導航星座星間數據通信的需求出發(fā)，使用軟件OPNET，基于其網絡層、節(jié)點層和進程層的三層建模機制，建立了一種導航系統(tǒng)通信性能通用仿真模型，該模型能夠對一類裝配指向性天線的時分體制導航系統(tǒng)的性能進行分析與仿真，通過輸入不同的星間鏈路規(guī)劃表和路由表，可考察不同設計方案下的導航星座網絡通信性能，重點分析系統(tǒng)的通信時延，具有良好的通用性。

1 導航系統(tǒng)星座網絡特點

1.1 網絡拓撲特點

導航系統(tǒng)通過建設星間鏈路，可以實現導航星座的全網通信。但是由于星間鏈路采用指向性天線，當每顆衛(wèi)星只裝配一副指向性天線時，同一時刻每顆衛(wèi)星上只存在一條星間鏈路，一顆衛(wèi)星只能與其余一顆衛(wèi)星進行通信，導致導航星座網絡并不處于全連通的狀態(tài)[3]。衛(wèi)星通過在不同時刻切換天線指向來實現與其余多顆衛(wèi)星的通信，即該系統(tǒng)采用時分多址（TDMA）的通信體制進行通信。本文研究的正是這樣一類衛(wèi)星上只裝配一副指向性天線的時分體制導航星座網絡。

圖1展示了3個連續(xù)時間間隔的導航星座網絡拓撲結構，包括6顆衛(wèi)星，標號為1～6，兩顆衛(wèi)星相連代表兩顆衛(wèi)星建立了星間鏈路。假設星間鏈路的一個建鏈時隙的時長Δt=3 s，在一個建鏈時隙內衛(wèi)星保持天線指向不變，星座網絡的拓撲結構固定，下一建鏈時隙，衛(wèi)星切換建鏈對象，網絡拓撲更新?？梢钥闯?，每顆衛(wèi)星在同一時刻只能與其余一顆衛(wèi)星建立星間鏈路，衛(wèi)星通過在不同時隙與不同的衛(wèi)星建立星間鏈路，在多個建鏈時隙內實現了整個星座網絡的全連通。因此，導航星座網絡的拓撲結構是一種動態(tài)的網絡拓撲結構，由每個時隙內每兩顆衛(wèi)星間的建鏈規(guī)劃決定，這樣的網絡拓撲結構采用星間鏈路規(guī)劃表描述。

圖1 導航星座網絡拓撲示意圖

圖2展示了一種鏈路分配策略下的星間鏈路規(guī)劃表，表中的數字代表衛(wèi)星的編號。在該鏈路分配中，時隙1衛(wèi)星1與衛(wèi)星3建立星間鏈路，時隙2衛(wèi)星1與衛(wèi)星4建立星間鏈路，以此類推。不同的星間鏈路拓撲設計方案可用不同的星間鏈路規(guī)劃表進行描述。由于導航衛(wèi)星軌道具有周期性[4]，因此只需要計算一個周期內的星間鏈路調度方案即可，導航系統(tǒng)按照一個星間鏈路規(guī)劃表周期性循環(huán)建鏈。

圖2 星間鏈路規(guī)劃表展示

1.2 網絡路由策略

導航系統(tǒng)中，星間鏈路用以通信的主要功能是通過星間數據傳輸，實現地面站與任意一顆衛(wèi)星的通信。處于地面站天線掃描范圍內、可以與地面站直接進行通信的衛(wèi)星稱作境內衛(wèi)星；處于地面站天線掃描范圍以外的、無法與地面站直接進行通信的衛(wèi)星稱作境外衛(wèi)星。當衛(wèi)星為境內衛(wèi)星時，地面站可以與其建立持續(xù)的星地鏈路，實現星地通信；當衛(wèi)星為境外衛(wèi)星時，地面站無法與其直接建立連接，要實現境外衛(wèi)星與地面站的通信，境外衛(wèi)星需要利用境內衛(wèi)星中繼，經過境內衛(wèi)星轉發(fā)實現與地面站的通信[5]。對于裝配指向性星間鏈路的時分體制導航星座而言，星座不是全連通的，信息的中繼需要在多個時隙內完成，由于網絡結構較為復雜，為路由算法的制定和計算提出了較高要求。

此類導航星座網絡的星間鏈路建鏈規(guī)劃已知，路由的計算可以完全以星間鏈路的調度為基礎，并由地面計算。地面站將路由信息上注至衛(wèi)星，實現整個星座網絡的通信。與星間鏈路的建鏈規(guī)劃類似，路由策略采用路由表進行描述，與星間鏈路規(guī)劃表一一對應。在裝配指向性星間鏈路的導航系統(tǒng)中，常見的路由算法包括演化圖路由算法[3]、連接圖路由算法[6]、時隙等待路由算法[7]等，不同的路由算法生成不同的路由表，控制整個星座網絡內信息的傳輸路徑，對導航系統(tǒng)的通信性能有很大影響。

2 導航系統(tǒng)仿真模型

文中在OPNET網絡仿真環(huán)境下，基于OPNET的網絡域、節(jié)點域、進程域的三層建模仿真機制[8]，建立了用于裝配指向性天線的時分體制導航系統(tǒng)通用仿真模型。模型使用星間鏈路規(guī)劃表和路由表作為模型的輸入，主要仿真地面站信息上注和境外衛(wèi)星信息回傳的過程，可對不同的星間鏈路設計方案進行分析，考察系統(tǒng)的通信性能。模型的主要特點包括：

1）模型中采用OPNET基于包的通信機制，上注信息和下傳信息封裝成包，以包的形式在不同節(jié)點間傳輸信息，可依據導航系統(tǒng)真實的需求產生特定格式的包，同時控制包生成的頻度進行業(yè)務建模。

2）導航系統(tǒng)星間鏈路的拓撲和路由策略使用星間鏈路規(guī)劃表和路由表描述，規(guī)劃表和路由表作為已知量輸入至模型，控制星間鏈路的切換和信息的中繼，通過輸入不同的規(guī)劃表和路由表可考察不同的星間鏈路設計方案。

3）導航系統(tǒng)的星座設計用衛(wèi)星軌道描述，衛(wèi)星軌道使用STK軟件生成，并將生成的軌道文件導入模型，軌道高度、傾角、相位等可參照具體的星座設計靈活配置。

2.1 網絡域模型

導航系統(tǒng)主要由地面段、用戶端和空間段組成[9]。由于模型重點關注的是地面站信息的上注過程和境外衛(wèi)星信息回傳的過程，因此，在網絡域建模中只包含地面段和空間段部分。其中地面段部分主要有地面站節(jié)點組成，空間段部分由衛(wèi)星節(jié)點組成。其中地面站節(jié)點可參照現實導航系統(tǒng)的地面站布設情況進行布站，在模型中用經緯度描述；衛(wèi)星節(jié)點的運行軌道參照導航星座進行設置，使用STK生成軌道文件并輸入至模型中。

2.2 衛(wèi)星節(jié)點域與進程域模型

衛(wèi)星節(jié)點的節(jié)點域模型由星上控制進程模型、星間收發(fā)模塊和星地收發(fā)模塊組成。其中星間收發(fā)模塊和星地收發(fā)模塊都由天線、接收機和發(fā)射機組成，分別用以建立星間鏈路實現星間通信和建立星地鏈路實現星地通信。星上控制進程模型主要用以控制星間鏈路的建立、維持和切換，同時負責信息的產生、存儲、處理和傳輸等，是實現衛(wèi)星節(jié)點功能的軟件核心。

OPNET采用基于離散事件驅動的仿真機制，只有“事件”發(fā)生時網絡模型的狀態(tài)才會發(fā)生變化[10]，其中自中斷事件（self）對應于計時器和時延行為，這類事件是由被某個進程調度后又回到該進程，即源和目的模塊是同一模塊；流中斷類事件（stream）對應于數據包的發(fā)送和接收行為，這類事件由數據流觸發(fā)，源和目的模塊通過包流線連接[11]。進程域模型由狀態(tài)和狀態(tài)轉移線組成，用狀態(tài)轉移圖描述，并通過事件觸發(fā)執(zhí)行進程。衛(wèi)星節(jié)點的星上控制進程模型如圖3所示。

圖3 衛(wèi)星節(jié)點進程域模型

星上控制進程模型包含有6個狀態(tài)：idle、init、route、data、rcvr和 queue。其中 idle 為空閑狀態(tài)，等待事件中斷的發(fā)生；init狀態(tài)為初始化狀態(tài)，用以初始化衛(wèi)星節(jié)點，主要包括統(tǒng)計量的注冊、文件的讀取及屬性設置等。除了空閑和初始化狀態(tài)以外，表1列出了其余4個狀態(tài)route、data、rcvr和queue的邏輯事件和中斷類型。

表1 星上控制進程事件列表

事件的中斷類型包括自中斷和流中斷，自中斷由進程內通過定時自我觸發(fā)，流中斷由接收到的地面站或其他衛(wèi)星傳來的數據包觸發(fā)，各個事件和狀態(tài)的具體實現方法如下：

1）route_tri

route狀態(tài)通過讀取規(guī)劃表和路由表進行星間鏈路的切換。在星間鏈路的調度中，每個建鏈時隙的時長為 Δt，因此每隔 Δt產生一次自中斷事件route_tri進入route狀態(tài)，完成星間鏈路切換和更新路由信息。

2）data_tri

衛(wèi)星節(jié)點產生的下行數據主要包括衛(wèi)星載荷觀測和狀態(tài)信息、星間鏈路監(jiān)測信息及自主導航信息等[12]，各類數據具有不同的數據量和頻度。data狀態(tài)依據業(yè)務模型創(chuàng)建不同格式的數據包，并控制數據包的產生頻度，根據數據的頻度定時產生自中斷data_tri。

3）rcvr_tri

衛(wèi)星節(jié)點接收到數據包，觸發(fā)流中斷事件rcvr_tri進入狀態(tài)rcvr，對數據進行分類處理。若衛(wèi)星接收數據包的目的地址為本星，則計算數據包的接收時間與產生時間之差，統(tǒng)計數據的傳輸時延；若接收數據包的地址為其他衛(wèi)星或是地面站，則對數據包進行中繼處理。

4）queue_tri

當接收到數據包或數據包產生時，自中斷事件queue_tri被觸發(fā)。queue狀態(tài)負責對數據包的發(fā)送行為進行管理。queue狀態(tài)對數據包依據包產生時間將其排入發(fā)送隊列，確保優(yōu)先發(fā)送產生時刻較早的數據以減少數據的傳輸時延。同時控制數據包的發(fā)送時機，若數據包的下一跳地址與當前建鏈衛(wèi)星一致，則進行數據發(fā)送；否則數據包等待發(fā)送，直至本星與下一跳地址的建鏈時隙到來，數據進行發(fā)送。

2.3 地面站節(jié)點域與進程域模型

地面站節(jié)點的節(jié)點域模型由地面站控制進程模型和星地收發(fā)模塊組成。星地收發(fā)模塊由天線、接收機和發(fā)射機組成，用以建立星地鏈路實現星地通信。地面站控制進程模型主要用以實現上注信息的生成與發(fā)送，接收信息的處理與統(tǒng)計等，是實現地面站節(jié)點功能的軟件核心。地面站節(jié)點的控制進程模型如圖4所示。

圖4 地面站節(jié)點進程域模型

地面站節(jié)點的控制進程模型包含有5個狀態(tài)：idle、init、path、data、collect。其中 idle 為空閑狀態(tài)，等待事件中斷的發(fā)生；init狀態(tài)為初始化狀態(tài)，用以初始化地面站節(jié)點，主要包括統(tǒng)計量的注冊、文件的讀取及屬性設置等。除了空閑和初始化狀態(tài)以外，表2列出了其余3個狀態(tài)path、data和collect的邏輯事件和中斷類型。

表2 地面站控制進程事件列表

各個事件和狀態(tài)的具體實現方法如下：

1）path_tri

path狀態(tài)可以讀取上注信息的傳輸路徑，在星間鏈路的調度中，每個建鏈時隙的時長為Δt，在每個建鏈時隙Δt內導航系統(tǒng)星間鏈路的網絡拓撲結構不變。因此，每隔Δt定時產生一次自中斷path_tri進入path狀態(tài)，查詢當前時刻上注信息的傳輸路徑，每次查詢的傳輸路徑有效期為Δt。

2）data_tri

地面站產生的上行數據主要包括基本導航信息、歷書信息、衛(wèi)星導航載荷控制信息及路由信息等[12]。該狀態(tài)的觸發(fā)和工作模式與星上控制進程模型一致，按照業(yè)務模型以相應頻度產生對應格式的數據包，由于星地鏈路是持續(xù)建立的，完成信息生成后，數據包立刻被上注至境內衛(wèi)星。

3）collect_tri

地面站接收到衛(wèi)星發(fā)送的下行數據后，觸發(fā)流中斷collect_tri進入collect狀態(tài)，通過計算數據包的接收時間與產生時間之差統(tǒng)計下行數據的傳輸時延，統(tǒng)計完成后對數據包進行銷毀處理。

3 示例分析

文中利用建立的導航系統(tǒng)通用仿真模型，對一種星座設計方案下的導航系統(tǒng)通信性能進行了仿真分析，系統(tǒng)的星間鏈路設計方案參考已有研究[13]對建鏈方案進行了配置，并規(guī)定星間鏈路的一個建鏈時隙的時長Δt=3 s，一個建鏈周期包含20個時隙，即星間鏈路的指向每3 s切換一次，建鏈周期為20×Δt=1 min。境外衛(wèi)星下行數據的路由采用了連接圖算法的路由策略[14]，地面站上注信息的路由采用了等待傳輸的一跳路由算法[15]，仿真分析了系統(tǒng)內信息傳輸的時延特性。

仿真統(tǒng)計了數據的傳輸時延，包括境外衛(wèi)星向地面站發(fā)送的下行數據的傳輸時延和地面站向境外衛(wèi)星發(fā)送的上注信息的傳輸時延。由于仿真重點考察導航系統(tǒng)中數據的通信時延，因此仿真設定每顆境外衛(wèi)星每隔1 s向地面站發(fā)送一個數據包，地面站分別統(tǒng)計不同境外衛(wèi)星產生的下行數據的傳輸時延。圖5展示了衛(wèi)星1向地面站發(fā)送的下行數據的傳輸時延，考察其在1小時內的傳輸時延特性，在這1小時中，衛(wèi)星1始終為境外衛(wèi)星，無法與地面站直接建立星地連接。其中橫軸為仿真時間，縱軸為信息的傳輸時延，單位為秒（s）。

圖5 衛(wèi)星1下行信息傳輸時延

從圖5中可以看出，衛(wèi)星1向地面站發(fā)送的下行數據，其傳輸時延在1～6.5 s之間，由于星間鏈路的一個建鏈時隙的時長為3 s，這意味著衛(wèi)星1的下行數據經過一顆至兩顆衛(wèi)星中繼便可完成信息的回傳，對于這樣時分體制的導航系統(tǒng)而言，時延性能出色，具有較低的傳輸時延。此外，在放大圖中可以進一步看出，數據經過一顆衛(wèi)星中繼的傳輸時延在1～3.5 s之間，數據經過兩顆衛(wèi)星中繼的時延在3.5～6.5 s之間，由于星間鏈路的一個建鏈時隙的時長為3 s，每增加一次中繼次數，數據的傳輸時延增加3 s，中繼次數的增加將會導致傳輸時延的迅速增長大。

仿真同樣設定地面站每隔1 s分別向所有境外衛(wèi)星發(fā)送一個數據包，每顆境外衛(wèi)星分別統(tǒng)計接收到的地面站上注信息的傳輸時延。圖6展示了衛(wèi)星1接收到的地面站上注信息的時延。

從圖6中可以看出地面站向衛(wèi)星1發(fā)送上注信息的傳輸時延在1～12.5 s之間，相比于下行信息的傳輸時延，時延有所增加，這主要是因為在仿真中下行信息和上注信息的路由策略不同導致的，地面站采用了等待傳輸的一跳路由算法是導致傳輸時延增大的主要原因。從放大圖中可以看出，數據經過1個時隙等待的傳輸時延在1～3.5 s之間，傳輸過程中最多需要等待4個傳輸時延，傳輸時延達到了9～12.5 s，傳輸性能有所下降。

圖6 地面站上注信息傳輸時延

4 結 論

文中利用軟件OPNET建立了一種導航系統(tǒng)通用仿真模型，該模型可對一類裝配指向性天線的時分體制導航系統(tǒng)的通信性能進行仿真分析，可以考察境外衛(wèi)星下行數據的傳輸時延及地面站上注信息的傳輸時延。通過輸入不同的星間鏈路規(guī)劃表和路由表，可對該類導航系統(tǒng)的網絡拓撲和路由策略進行靈活配置，利用模型的仿真結果，可對多種建鏈規(guī)劃和路由策略進行優(yōu)選，從而為導航系統(tǒng)星間鏈路的拓撲及路由設計提供了重要依據。

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General simulation model of navigation satellite system based on OPNET

SHAO Feng-wei1，2，GONG Wen-bin2，JIANG Xing-long2
（1.Shanghai Institute of Micro-system and Information Technology，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 200050，China；2.Shanghai Engineering Center for Micro-satellite，Shanghai 201203，China）

To analyze the performance of navigation satellite system equipped with ISL（Inner-satellite link），taking the communication requirements of satellite constellation into consideration，this paper establishes a general simulation model of navigation satellite system based on OPNET.The general model could be applied to a kind of navigation satellite system which is equipped with directional antenna，and simulate the information transmission process to calculate the transmission delay.The communication performance of navigation system using different ISL design could be analyzed and compared.By simulating a typical navigation system，the model is verified correct and reliable.

navigation satellite system； simulation model； ISL（Inner-satellite link）； delay； OPNET

TN297+.3

：A

：1674－6236（2017）14-0105-06

2016-05-27稿件編號：201605267

邵豐偉（1992—），男，山東濟南人，碩士研究生。研究方向：導航系統(tǒng)星間鏈路。