趙超毅 ，陳 勇 ，李紹前

（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；3.中國科學院大學北京100049）

星間鏈路（inter satellite links，ISL）系統(tǒng)是指衛(wèi)星與衛(wèi)星，衛(wèi)星與地面站之間構成的具有精密測量和數(shù)傳功能的動態(tài)無線網絡[1]。在導航衛(wèi)星領域，星間鏈路可以輔助地面站進行聯(lián)合定軌并增強系統(tǒng)的定位精度與可靠性，同時也能夠使GNSS系統(tǒng)在沒有地面站支持的情況下，自主運行一段時間。目前GPS，GLONASS，GALILEO以及我國的北斗導航系統(tǒng)均采用星間鏈路以提高系統(tǒng)性能。

星間鏈路中的一個技術難點是星間路由算法[2]。由于衛(wèi)星的計算能力與存儲能力受限，所以路由算法應該盡可能簡單與易于實現(xiàn)。路由算法應該適用盡可能小的代價計算出衛(wèi)星與衛(wèi)星的建鏈關系，同時滿足用戶QoS需求。同時，應該考慮避免衛(wèi)星網絡的鏈路擁塞與負載均衡[2-4]。

文中，首先，建立了北斗導航系統(tǒng)的星間鏈路模型，分析了各類衛(wèi)星的軌道參數(shù)與地面站配置，從而得出北斗導航系統(tǒng)的衛(wèi)星網絡參數(shù)。然后，根據(jù)對衛(wèi)星網絡拓撲結果的分析以及星間鏈路性能需求的分析，提出了基于DT-DVTR的路由算法。最后，通過軟件仿真的方式，對本路由算法的性能進行了仿真[5]，得到點對點時延，廣播時延，PDOP等關鍵評估指標的仿真結果，對工程的實施提供了一定的參考。

1 星間鏈路模型

北斗導航系統(tǒng)包含3類衛(wèi)星，分別為GEO，IGSO和MEO。

在北斗三期中GEO衛(wèi)星數(shù)量為3顆，分布于東經 80°、東經 110.5°和東經 140°的赤道上空，文中使用Gi(i∈[1,3])來表示這3顆GEO衛(wèi)星。IGSO衛(wèi)星的數(shù)目為3顆，運行在軌道傾角為55°的地球同步軌道上，這3顆IGSO衛(wèi)星在地球表面的星下軌跡投影重合，相位差為120°，文中使用Ii(i∈[1,3])來表示這3顆IGSO衛(wèi)星。MEO衛(wèi)星的數(shù)目為24顆，采用σ-Walker 24/3/1星座，軌道高度21 528 km，軌道傾角55°，文中使用Mij(i∈[1,3],j∈[1,8])來表示處于第i個軌道平面上的第j顆MEO衛(wèi)星。

在北斗三期中，地面站主要分運控站與測控站。文中，采用北京、三亞、喀什三個節(jié)點作為地面運控站，采用三亞、渭南、佳木斯、喀什以及南美的圣地亞哥作為地面測控站，各站最小仰角采用10°進行仿真計算。

2 路由算法

2.1 約束條件

受建站范圍的限制，國內的注入站對境外衛(wèi)星不可見時間長達7小時，不能滿足每小時對衛(wèi)星星歷進行更新的要求，也不滿足衛(wèi)星下行關鍵業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。在現(xiàn)有條件下，只能通過星間鏈路，將整網衛(wèi)星星歷分發(fā)到全星座，將全星座觀測數(shù)據(jù)、關鍵業(yè)務數(shù)據(jù)回傳至主控站，實現(xiàn)全球系統(tǒng)導航業(yè)務正常運行。北斗全球系統(tǒng)對星間鏈路的需求主要體現(xiàn)在星間精密測量（測距），和星間數(shù)據(jù)分發(fā)及境外衛(wèi)星控制管理（數(shù)傳）[4]。

2.1.1 測距約束

對標準定位服務來說，導航性能指標主要有星座覆蓋性、定位精度、可用性、完好性和連續(xù)性等，其中可用性是建立在星座覆蓋性、精度之上，更加貼近用戶需求的一個重要指標。可用性一般包括導航星座在特性服務區(qū)的可見星數(shù)和精度衰減因子（Dilution of Precision，DOP）[3]。由于可見星數(shù)并不能反映用戶的定位精度，在用戶等效測距誤差（User Equivalent Range Error，UERE）已知時，定位精度完全由DOP確定。DOP又細分為位置精度衰減因子（Position Dilution of Precision，PDOP）、水平精度衰減因子（Horizontal Dilution of Precision，HDOP）和垂直精度衰減因子（Vertical Dilution of Precision，VDOP），它們之間存在著函數(shù)關系。通常，在導航中的定位精度主要是三維空間中的位置精度，因此PDOP常用來評價導航星座的服務可用性[6]。文中，根據(jù)自主導航和精密定軌的業(yè)務需求，單星偽距測量幾何分布的指標要求為PDOP<1.5。

2.1.2 數(shù)傳約束

星間鏈路數(shù)傳主要進行運控上注、遙控遙測等信息的星間分發(fā)和回傳，重點解決地面可見衛(wèi)星與境外不可見衛(wèi)星之間的信息傳輸問題?？紤]到遙控信息實時性要求較高，要求可見衛(wèi)星與不可見衛(wèi)星星間建鏈的跳數(shù)應盡可能少，在文中，星間鏈路數(shù)傳實時性指標為：狀態(tài)與工控信息中繼下傳時延不大于10 s（星間端到端），運控、測控指令信息中繼注入時延不大于10 s（星間端到端），廣播類信息從發(fā)送到全網最后一顆衛(wèi)星收到此信息時延不大于60 s。

2.2 COMPASS網絡分析

北斗導航系統(tǒng)采用時分體制，具有靈活時隙分配能力，各個節(jié)點接入網絡的時隙預先分配，同步介入，接入時隙的分配確定了整個星座中在任意時刻的連接狀態(tài)，直接影響應用業(yè)務和網絡傳輸性能。衛(wèi)星與衛(wèi)星之間的建鏈關系由地面計算，以時隙表、路由表的形式注入到衛(wèi)星，衛(wèi)星根據(jù)接收到的時隙表，執(zhí)行不同的衛(wèi)星建鏈操作。

對于星間可見性，文中考慮如下因素：1）地球遮擋；2）太陽的影響（日凌）；3）兩顆衛(wèi)星之間的距離（60 000 km以內）[7-8]。

由可見性分析[9]可知，在COMPASS網絡中，每顆MEO衛(wèi)星共有8顆持續(xù)可見的衛(wèi)星。由于Walker星座的對等性，每顆MEO的空間特性與其他衛(wèi)星是一致的。以第一軌道面的第一顆MEO衛(wèi)星MEO11為例，與MEO11持續(xù)可見的8顆衛(wèi)星為，MEO13，MEO14，MEO16，MEO17，MEO21，MEO24，MEO35，MEO38，其中4顆通軌，4顆異軌。

持續(xù)可見鏈路具有拓撲結構基本固定，鏈路數(shù)量較少，DOP值變化小，不需要頻繁切換鏈路等特點[10-12]，在對8條持續(xù)可見鏈路的PDOP[6，13]值分別進行了計算后發(fā)現(xiàn)，當采用這8條持續(xù)可見鏈路時，PDOP值維持在1.29～1.42范圍，滿足PDOP<1.5的指標要求，使得系統(tǒng)的定位精度得到保證。所以應該優(yōu)先選擇持續(xù)可見鏈路。

對于非持續(xù)可見鏈路，應該優(yōu)先建立境內星-境外星鏈路，在保證測量需求的前提下，盡量保證每個建鏈周期（1分鐘）內節(jié)點衛(wèi)星與境外衛(wèi)星間建鏈時隙的均勻分布。同時需要盡量減少境內衛(wèi)星與境內衛(wèi)星的星間建鏈。

2.3 基于DT-DVTR算法的改進路由策略

DT-DVTR（DiscreteTimeDynamicVirtualTopology Routing）算法是廣泛應用于LEO通信星座下的星間鏈路路由算法，它的核心思想是根據(jù)衛(wèi)星網運行的周期性特點，將衛(wèi)星網系統(tǒng)周期劃分為一系列的時間片段。在每個時間片段內，衛(wèi)星網拓撲是固定不變的，這樣就可以采用動態(tài)規(guī)劃等算法找到最優(yōu)路徑以及備選路徑[14-16]。

針對COMPASS系統(tǒng)的網絡特點，本文對DTDVTR算法進行了改進，主要改進點為：

1）對于GEO、IGSO，盡可能建立境內-境外鏈路，優(yōu)先選擇長時間沒有與境內通信的境外星。

2）對于MEO，優(yōu)先在每分鐘內建立永久星間鏈路，其次建立境內-境外鏈路，優(yōu)先選擇最長時間沒有與境內星通信的境外星。對于境外-境外鏈路，采用動態(tài)規(guī)劃算法，優(yōu)先選擇下一個時隙與境內星通信且無信道堵塞的境外星。

3 仿真實驗

3.1 仿真設計

本文使用STK對星座的構型進行了仿真，如圖1。

圖1 STK星座構型仿真

本文采用的仿真環(huán)境為VC+STK+MySQL，利用C語言編寫的衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理模型，可以實現(xiàn)對衛(wèi)星整星信息流的應用層仿真，該模型能夠完成對北斗導航系統(tǒng)各個分系統(tǒng)間接口電文的解析與衛(wèi)星內部的處理及重新編排，從而仿真真實衛(wèi)星的數(shù)據(jù)處理流程。通過調用STK的C語言接口，可以實時獲得星間可見性，從而完成星間的數(shù)據(jù)傳輸。MySQL數(shù)據(jù)庫會收集記錄衛(wèi)星模型、地面站模型的所有入口出口數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)庫中保存的數(shù)據(jù)的分析、處理，從而得到電文的傳輸時延、丟包率等，圖2是一個時隙的仿真流程中一顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)處理流程。

圖2 一個時隙的仿真流程中一顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)處理流程

3.2 仿真結果分析

根據(jù)數(shù)據(jù)庫中實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，得到表1中的仿真結果，仿真結果主要包含上行鏈路時延及丟包率，系統(tǒng)的PDOP值波動范圍。

表1 仿真實驗統(tǒng)計結果

根據(jù)對數(shù)據(jù)庫中記錄的仿真數(shù)據(jù)的分析，時延主要是由于境內衛(wèi)星的數(shù)據(jù)累積和緩存區(qū)（隊列）排隊引起的。

試驗中廣播類數(shù)據(jù)是指地面站發(fā)送命令給全網衛(wèi)星，這里定義廣播類數(shù)據(jù)的時延為從地面站發(fā)送起到最后一顆衛(wèi)星接收到該數(shù)據(jù)包的時間，仿真結果中最大廣播類時延小于1分鐘的約束條件，滿足上行關鍵指標。

對于下行遙測，主要分為兩類，一類為關鍵包，另一類為普通遙測。普通遙測在衛(wèi)星采樣之后直接發(fā)送給地面，這樣會導致境外衛(wèi)星發(fā)送的遙測地面站無法接收到。關鍵包不僅通過衛(wèi)星直接發(fā)給地面，也會通過星間鏈路進行回傳，任何一條路徑到達地面，就認為該數(shù)據(jù)包被正確傳輸了，否則認為丟包。

在仿真試驗中，下行的關鍵包傳輸時延分布如圖3所示，橫坐標為數(shù)據(jù)包發(fā)送時刻，單位為秒，縱坐標為上注時延，單位為秒。遙測關鍵包的丟包率為4.79%，在對試驗數(shù)據(jù)進行分析后發(fā)現(xiàn)，在某些時隙，個別境外衛(wèi)星在連續(xù)的幾個時隙沒有和境內星建立星間鏈路，這導致了大量的遙測數(shù)據(jù)的積累，從而造成了較大的遙測傳輸時延以及節(jié)點衛(wèi)星遙測緩存區(qū)溢出，造成丟包。

圖3 下行遙測時延分布圖

4 結 論

本文介紹了改進的基于DT-DVTR的虛擬拓撲ISL路由算法，通過對關鍵指標的仿真實驗，該算法滿足COMPASS系統(tǒng)測量與數(shù)傳指標需求，具有以下優(yōu)點：1）預先在地面站計算路由，然后以路由表的形式注入衛(wèi)星，這樣可以充分利用地面站的計算能力，提高星間鏈路的服務性能。2）衛(wèi)星只需要查表即可，不需要實時的計算路由。簡少了衛(wèi)星的計算量，同時星上的實現(xiàn)也更加容易。3）簡化星間通信協(xié)議設計的難度。

該算法未來的優(yōu)化方向主要為：1）整網中繼衛(wèi)星數(shù)據(jù)流量的負載均衡；2）極個別時隙鏈路堵塞造成的較大傳輸時延問題；3）優(yōu)化星上緩存區(qū)設計，提高衛(wèi)星存儲能力的利用率；4）增加容錯機制，如果某顆衛(wèi)星出現(xiàn)故障無法工作之后，目前只能通過對全網重新注入新的路由表來解決故障。

本文的分析只是一個初步的結果，對于鏈路中節(jié)點衛(wèi)星的負載均衡與緩存區(qū)優(yōu)化并沒有做詳細的分析，隨著研究的深入，對于上述優(yōu)化方向仍需更進一步的研究與探索。

[1]林益明，何善寶，鄭晉軍.全球導航星座星間鏈路技術發(fā)展建議[J].航天器工程，2010，19（6）：1-7.

[2]陳建云，吳光耀，馮旭哲，等.衛(wèi)星星座星間鏈路通信鏈路拓撲分析[J].儀器儀表學報，2014，35（12）：101-105．

[3]李國重，李建文，焦文海，等.顧及衛(wèi)星故障修復的導航星座PDOP可用性分析方法研究[J].武漢大學學報，2010，35（7）：841-845．

[4]DUAN Chao-fan，JING Feng，XIONG Xin-li，et al.Modeling and analysis of Inter-Satellite Link based on beidou satellites[C]//INFOCOMP 2016，2016:45-50.

[5]GAO L，ZHAO H，JIANG J.Modeling and simulation for dynamic topology network of SIS[J].Journal of System Simulation，2006，18（2）:69-72.

[6]蔡昌盛，戴吾蛟，匡翠林.GPS/GLONASS組合系統(tǒng)的PDOP計算和分析[J].測繪通報，2011（11）：5-7．

[7]盧勇，趙有健，孫富春，等.衛(wèi)星網絡路由技術[J].軟件學報，2014（5）：1085-1100．

[8]高麗娟，蔣太杰.衛(wèi)星網絡連接度與高效路由算法分析與改進[J].系統(tǒng)工程與電子技術，2014（10）：2071-2075．

[9]楊霞，李建成.Walker星座星間鏈路分析[J].大地測量與地球動力學，2012，32（2）：113-147．

[10]易先清，馮明月，趙陽，等.一種基于GEO/MEO星層組網的衛(wèi)星網絡抗毀路由研究[J].計算機科學，2007，34（8）：74-82．

[11]WANG Dong-xia，ZHAO Jin-xian，HU Cai-bo．GEO/MEO雙層衛(wèi)星網星間鏈路路由策略及切換方法研究[C]//中國衛(wèi)星導航學術年會.西安，2015：174-180．

[12]王冬霞，趙金賢，胡彩波，等.雙層衛(wèi)星網星間鏈路混合路由算法設計[J].導航定位學報，2016，4（2）：29-35．

[13]潘林，蔡昌盛，羅小敏，等.一種顧及權重的PDOP值計算方法[J].測繪科學技術學報，2014（3）：236-239．

[14]王曉梅.無線多跳網絡路由技術研究[D].鄭州：中國人民解放軍信息工程大學，2005．

[15]張景斌，劉炯，申普兵.一種基于等長時隙劃分雙層衛(wèi)星網絡路由算法[J].中國空間科學技術，2015（3）：17-25．

[16]王彥，劉波，虞萬榮，等.基于演化圖的導航星座星間路由算法[J].中國空間科學技術，2012（5）：76-83．