鄭曉冬，顧青濤,鮑亞川,葉紅軍

(1.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點實驗室，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；3.北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094)

0 引言

隨著民用航空產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，航空安全的保障日益得到各國政府、企業(yè)以及科研機構(gòu)的關(guān)注。目前最為通用的航空安全監(jiān)視手段是全球范圍內(nèi)所建立ADS-B位置報告體制，民用飛行器通過搭載ADS-B信號機，按照一定的時間間隔進行自身位置信息的播發(fā)，在陸地范圍廣泛布設(shè)的地面監(jiān)測站接收導(dǎo)航信號后，可以近實時獲取飛行器的位置信息，信息匯總后由空管部門實現(xiàn)對區(qū)域航班動態(tài)的監(jiān)控[1-2]。但是馬航MH370事件充分暴露了基于地面布設(shè)的監(jiān)測網(wǎng)難以對全球廣大海域范圍內(nèi)的飛行進行有效監(jiān)控，由此所帶來的安全隱患得到了國際范圍的關(guān)注[3-4]。伴隨空間信息網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，依托衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)航空安全監(jiān)視系統(tǒng)由于其全球范圍和可控的成本優(yōu)勢，逐步得到各國的青睞，目前包括美國和中國在內(nèi)都已開展相關(guān)系統(tǒng)的布局和技術(shù)研究[5]。

基于衛(wèi)星平臺進行航空安全監(jiān)視，監(jiān)視信息要通過星間鏈路網(wǎng)絡(luò)傳回地面站，因此在星間鏈路網(wǎng)絡(luò)路由規(guī)劃算法設(shè)計方面要充分考慮網(wǎng)絡(luò)動態(tài)特性以及可靠傳輸需求，眾多學(xué)者針對星間鏈路網(wǎng)絡(luò)路由規(guī)劃算法開展了大量研究[6-8]。

面向基于低軌星座和星間鏈路建立的低軌航空安全監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)數(shù)據(jù)高效可靠回傳的需求，進行了路由算法設(shè)計研究，并開展了仿真驗證，試驗表明所設(shè)計的路由規(guī)劃策略可以有效保障航空安全監(jiān)視信息的高效、高可靠傳輸需要。

1 低軌航空安全監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

本文研究的基于低軌航空安全監(jiān)視星座，是由66顆衛(wèi)星組成的Walker星座，星座排布為6個軌道面，每個軌道面由11顆衛(wèi)星構(gòu)成,如圖1所示。每顆衛(wèi)星裝載4部星間鏈路波束天線，可以與同軌道面相鄰衛(wèi)星以及相鄰軌道面的2顆衛(wèi)星建立星間鏈路，組成覆蓋全球范圍的星間鏈路網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)在中國境內(nèi)設(shè)置了2處地面站，所有的航空安全監(jiān)視由衛(wèi)星接收后，在2處地面站落地[9-12]。

圖1 低軌航空安全監(jiān)視星座設(shè)計

2 星間鏈路路由規(guī)劃算法設(shè)計

針對低軌星座星間鏈路未來可能的多種星間鏈路頻譜帶寬條件及多業(yè)務(wù)負(fù)載情況，提出了適用于不同網(wǎng)絡(luò)條件下的星間鏈路路由規(guī)劃方法設(shè)計，并結(jié)合本項目低軌星座航空安全監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計功能和性能指標(biāo)要求，形成了基于雙重不交叉路徑傳輸?shù)亩嗟孛嬲揪徒涞厮惴ㄔO(shè)計，滿足了航空安全監(jiān)視信息快速落地和高可靠傳輸?shù)男枨骩13-14]。

2.1 基于最短路徑的多地面站就近落地算法

2.1.1 適用條件

當(dāng)星間鏈路資源十分充沛，不需考慮規(guī)劃鏈路沖突，以追求監(jiān)視數(shù)據(jù)落地時延最小為目標(biāo)時，對于低軌航空安全監(jiān)視星座，將設(shè)計多個地面站，同時滿足監(jiān)視數(shù)據(jù)下行傳輸落地需求，設(shè)計實現(xiàn)了基于最短路徑的多地面站就近落地算法。

2.1.2 方法步驟

輸入：衛(wèi)星節(jié)點s，地面站集合D，地面站數(shù)目NStation，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚仃嘇。

if(s!∈D)

for(i=1;i≤NStation;i++)

輸入矩陣A，采用Dijkstra算法計算得到最短路徑Pi;

end

獲得路徑集合{Pi}，1≤i≤NStation，i∈N

{Pi}排序，獲得最小值Pd

end

輸出：落地地面站d，最短路徑Pd。

2.2 多路徑路由高可靠傳輸規(guī)劃方法

2.2.1 適用條件

以提高安全監(jiān)視信息傳輸可靠性為目的，系統(tǒng)設(shè)計中提出了監(jiān)視信息冗余傳輸設(shè)計，冗余傳輸鏈路≥2。在路由規(guī)劃中就需要對同一航班的安全監(jiān)視信息采用多條不交叉路徑進行多備份傳輸，避免因部分衛(wèi)星或鏈路故障可能導(dǎo)致的航空安全監(jiān)視信息丟失，最大限度提高航空安全監(jiān)視信息傳輸?shù)目煽啃訹15-18]。

2.2.2 方法步驟

輸入：源節(jié)點s，目標(biāo)節(jié)點d，多路徑數(shù)目Npath，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚仃嘇

if(s!=d)

for(i=1;i≤Npath;i++)

A1=A;

輸入矩陣Ai，采用Dijkstra算法計算得到最短路徑Pi;

刪除矩陣Ai中Pi的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點行與列，得到Ai+1；

end

end

輸出：多路徑集{Pi}，1≤i≤Npath，i∈N。

2.3 基于分區(qū)機制的負(fù)載均衡路徑規(guī)劃方法

2.3.1 適用條件

當(dāng)安全監(jiān)視信息數(shù)據(jù)量較大，星間鏈路信道資源受限情況下，對于接近地面站的節(jié)點或航空安全監(jiān)視信息較多的節(jié)點，轉(zhuǎn)發(fā)傳輸負(fù)載較重的單一路徑規(guī)劃有可能導(dǎo)致由該節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的傳輸時延增大，甚至信息超出衛(wèi)星緩存能力導(dǎo)致丟失。

基于上述考慮設(shè)計了基于分區(qū)機制的負(fù)載均衡路由規(guī)劃方法，即不同區(qū)域衛(wèi)星采用不同的路由規(guī)劃策略，避免由于所有衛(wèi)星均按照相同規(guī)則進行路由選擇，導(dǎo)致個別衛(wèi)星鏈路傳輸壓力過大的問題。

2.3.2 方法步驟

首先定義星間鏈路負(fù)載不均衡度，即統(tǒng)計所有節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)，獲得轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)方差。當(dāng)所有鏈路占用次數(shù)一致時，負(fù)載不均衡度為0；當(dāng)不同鏈路占用次數(shù)差異越大，負(fù)載不均衡度將越大。

基于某種規(guī)則，將衛(wèi)星星座劃分為K個動態(tài)區(qū)域，形成分區(qū)集合{Si}，1≤i≤K，i∈N；對不同分區(qū)Si內(nèi)的衛(wèi)星根據(jù)需求，采用不同的路由規(guī)劃準(zhǔn)則，分別獲取路由規(guī)劃集合{Pi}，1≤i≤K，i∈N。

3 仿真系統(tǒng)設(shè)計

天基航空安全監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)仿真平臺劃分為低軌航空安全監(jiān)視星座仿真模塊、時變拓?fù)浞治瞿K、路由規(guī)劃與分析模塊以及動態(tài)展示模塊，如圖2所示。仿真平臺通過模塊間數(shù)據(jù)傳輸，完成低軌星座航空安全監(jiān)視。

圖2 星間鏈路網(wǎng)絡(luò)仿真平臺構(gòu)成

3.1 仿真輸入

低軌衛(wèi)星星座參數(shù)：衛(wèi)星軌道高度、軌道傾角等參數(shù)；

地面站：根據(jù)經(jīng)緯度進行地面站配置；

飛行器軌跡：設(shè)置飛行器的起始位置及軌跡、速度等。

3.2 仿真過程

星座模擬仿真模塊：通過STK軟件對低軌衛(wèi)星星座、地面站以及飛機飛行軌跡進行動態(tài)仿真，構(gòu)建低軌航空安全監(jiān)視星座動態(tài)模型；生成低軌衛(wèi)星星座飛機動態(tài)位置數(shù)據(jù)報告。

時變拓?fù)浞治瞿K：根據(jù)星地建鏈、衛(wèi)星監(jiān)視飛機和星間建鏈規(guī)則，進行飛機與衛(wèi)星建鏈、星地建鏈和星間建鏈分析，生成包含距離信息的飛機與衛(wèi)星、星地和星間的時變拓?fù)渚仃嚒?/p>

路由規(guī)劃與分析模塊：根據(jù)路由規(guī)劃算法，進行低軌星座-地面站路由規(guī)劃、路徑時延和轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)分析，并生成報告；根據(jù)飛機與衛(wèi)星動態(tài)拓?fù)渚仃?，進行飛機-星座-地面站路由規(guī)劃。

動態(tài)展示模塊：通過STK軟件、Matlab-GUI進行航空安全監(jiān)視模型仿真3D，2D動態(tài)展示界面、航空安全監(jiān)視動態(tài)路由規(guī)劃、地面入站時延和地面站入站試驗均值分析界面的動態(tài)展示。

3.3 仿真輸出

航空安全監(jiān)視動態(tài)路由規(guī)劃報告、星地路由規(guī)劃報告、傳輸時延報告、轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)分析報告；航空安全監(jiān)視模型仿真3D，2D動態(tài)展示界面、航空安全監(jiān)視動態(tài)路由規(guī)劃、地面入站時延和地面站入站試驗均值的GUI展示界面。

3.4平臺功能

① 空間節(jié)點動態(tài)仿真；

② 提供空間節(jié)點動態(tài)位置數(shù)據(jù)報告；

③ 整網(wǎng)時變拓?fù)渚仃囉嬎悖?/p>

④ 空間節(jié)點路由規(guī)劃；

⑤ 路由規(guī)劃傳輸時延和轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)分析；

⑥ 動態(tài)展示分析報告。

4 算法驗證

4.1 基于最短路徑的多地面站就近落地

模擬低軌星座安全監(jiān)視數(shù)據(jù)落地傳輸過程，設(shè)計采用了2個站點。仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。

單一時刻落地傳輸入站傳輸時延最大值為4.602 s，傳輸時延均值為2.628 s；單一時刻落地傳輸入站轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)最大值為9跳，轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)均值為5.143跳。

圖3 單一時刻-落地入站時延

圖4 單一時刻-落地入站跳數(shù)

仿真24 h低軌星座監(jiān)視數(shù)據(jù)落地進行路徑規(guī)劃的過程，對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計。

每個時隙的監(jiān)視數(shù)據(jù)傳輸時延均值均小于3.2 s，所有衛(wèi)星24 h傳輸時延的均值為2.589 2 s。

每個時隙的監(jiān)視數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)均值均小于6跳，所有衛(wèi)星24 h轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)均值為5.068跳。

圖5和圖6仿真結(jié)果表明，在鏈路資源充裕條件下，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸時延最小為目標(biāo)，進行星間鏈路路由規(guī)劃，可以滿足傳輸時延10 s的技術(shù)指標(biāo)要求，并且有較大余量。

圖5 落地入站時延均值(24 h)

圖6 落地入站轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)均值(24 h)

4.2 面向高可靠傳輸需求的星間鏈路網(wǎng)絡(luò)多路徑路由

模擬低軌星座安全監(jiān)視數(shù)據(jù)落地的多路徑路由規(guī)劃過程，實驗中對所有節(jié)點進行兩路徑規(guī)劃，仿真結(jié)果如圖7和圖8所示。兩路徑傳輸時，次優(yōu)路徑相比于最優(yōu)路徑在傳輸時延方面會有所延長，但是仍然可以保證在較快時間段內(nèi)實現(xiàn)信息回傳。

圖7 單一時刻-北京入站時延

圖8 單一時刻-北京入站跳數(shù)

衛(wèi)星鏈路中的任意一顆衛(wèi)星發(fā)生故障，都有可能導(dǎo)致借由該衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的信息丟失或中斷，因此可以考慮采用多路徑傳輸避免上述問題出現(xiàn)。

圖9為統(tǒng)計分析一天內(nèi)單顆衛(wèi)星出現(xiàn)故障將可能導(dǎo)致的鏈路中斷概率。單顆衛(wèi)星出現(xiàn)故障，一天內(nèi)最多將可能導(dǎo)致10%的鏈路中斷，平均鏈路中斷概率為6.77%。

圖9 一天內(nèi)單顆衛(wèi)星故障導(dǎo)致的鏈路中斷概率

圖10統(tǒng)計了某一時刻單顆衛(wèi)星故障受影響的鏈路數(shù)量，在該時刻下21號衛(wèi)星正處于地面站上空，其故障將導(dǎo)致39條鏈路中斷，整網(wǎng)鏈路中斷率將高達50.7%。

圖10 單一時刻單顆衛(wèi)星故障受影響鏈路數(shù)量

由于系統(tǒng)設(shè)計對同一架飛機由大于等于2顆衛(wèi)星同時進行ADS-B信息發(fā)送，所以單顆衛(wèi)星故障不會造成其覆蓋區(qū)域內(nèi)航班監(jiān)視能力的缺失；同時，由于所有信息都采用不交叉的雙重路徑進行傳輸，所以單顆衛(wèi)星故障也不會造成其轉(zhuǎn)發(fā)信息的丟失。因此采用雙重不交叉路徑規(guī)劃方法，可以徹底避免單顆衛(wèi)星故障對航空安全監(jiān)視的影響。

4.3 基于分區(qū)機制的負(fù)載均衡路徑規(guī)劃

基于統(tǒng)一的路由規(guī)劃方法，如本節(jié)所提出的就近落地算法，在某一時刻，所有衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)如圖11所示，該時刻負(fù)載不均衡度為25.35。采用分區(qū)機制路由方法，將整個星座分為2個區(qū)域，分別采用不同的算法，負(fù)載不均衡度降低為15.6。

圖11 特定時刻的負(fù)載不均衡度變化

統(tǒng)計一天內(nèi)所有衛(wèi)星負(fù)載均衡程度如圖12所示。單一策略下整星座負(fù)載不均衡度MSE為20.76，采用分區(qū)均衡策略后，負(fù)載不均衡度MSE為6.55，鏈路負(fù)載均衡程度改善度達68%。

圖12 一天內(nèi)負(fù)載不均衡度變化

5 結(jié)束語

伴隨空間信息網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，依托衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)航空安全監(jiān)視系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)難題已初步開始布局研究，其路由規(guī)劃算法與仿真驗證技術(shù)也是研究熱點之一，本文設(shè)計了多站就近落地、高可靠備份傳輸及分區(qū)負(fù)載均衡等3種算法，可實現(xiàn)雙重不交叉路徑傳輸?shù)亩嗟孛嬲揪徒涞匾?guī)劃設(shè)計，試驗表明其具備一定的適用性和應(yīng)用參考價值。