李靜玲，黎 軍，崔 濤，梁 薇，張 怡

(中國空間技術(shù)研究院西安分院 空間微波技術(shù)重點實驗室，西安 710000)

0 引言

隨著航天技術(shù)的進一步發(fā)展，衛(wèi)星所承擔的各類軍事任務(wù)及科學(xué)任務(wù)愈發(fā)復(fù)雜多樣，從解決任務(wù)的角度來看，傳統(tǒng)依賴單顆功能強大的衛(wèi)星解決空間任務(wù)的方案不僅成本高昂，且靈活性差、研發(fā)難度大、研制周期長，并不能完全滿足當前日益增長且復(fù)雜多變的航天任務(wù)需求[1-3]。目前提出的天地一體化網(wǎng)絡(luò)、空間信息網(wǎng)絡(luò)、全球衛(wèi)星星座通信系統(tǒng)以及高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)等空間網(wǎng)絡(luò)[4-6]，其功能齊全、規(guī)模龐大，可應(yīng)對全球范圍內(nèi)的空間任務(wù)，但該類網(wǎng)絡(luò)部署周期長、預(yù)設(shè)任務(wù)需求比較固定，在解決某些特定軍事需求或應(yīng)對某類突發(fā)狀況時，功能可伸縮的余地不大，靈活性較差[1-2]。其次，從空間安全的角度考慮，傳統(tǒng)衛(wèi)星中的部分平臺或載荷若損毀可能導(dǎo)致整星無法正常運行，安全性及抗毀性較弱；已提出的空間網(wǎng)絡(luò)主要面向全球進行部署，某一顆衛(wèi)星的損毀將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)功能受損，該衛(wèi)星所涉及的任務(wù)也將受到影響。

由于集群衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在研制成本、靈活性以及安全性等方面的優(yōu)勢，得到了越來越多的關(guān)注，目前針對不同的空間應(yīng)用場景，提出了多種集群衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)[3-4,7-8]，其未來也將成為全球空間網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分[3]。其中董云峰等[7]認為衛(wèi)星集群的核心特征是衛(wèi)星之間的集群關(guān)系，林來興等[9]對星群、星座與編隊飛行的概念進行了辨析，F(xiàn)aber、Nakamura以及Alena等[10-12]提出異構(gòu)航天器網(wǎng)絡(luò)的概念，認為集群衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)是由異構(gòu)衛(wèi)星組成的多用途網(wǎng)絡(luò)，史鳳振[13]認為集群衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)是由多顆微小衛(wèi)星協(xié)同工作的系統(tǒng)，劉潤滋等[14]針對資源受限的小衛(wèi)星組網(wǎng)進行了理論分析，劉鵬飛[8]闡明了空間自組織網(wǎng)絡(luò)的基本特征，統(tǒng)一表述了空間自組織網(wǎng)絡(luò)的概念，陳慶等[3]認為集群衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有松散拓撲特性，通過自組織網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)形式，將多個功能相同或者相異的衛(wèi)星連接成為有機的整體，實現(xiàn)集群內(nèi)信息、資源的動態(tài)共享和靈活配置。

信息拓撲控制技術(shù)作為集群衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點狀態(tài)和信息連通方式，可提升集群網(wǎng)絡(luò)整體性能，并為上層衛(wèi)星路由提供良好的拓撲基礎(chǔ)[15-17]。本文從集群衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的信息拓撲控制技術(shù)內(nèi)涵出發(fā)，構(gòu)建通用的異構(gòu)衛(wèi)星信息拓撲模型，分析星地聯(lián)合的信息拓撲控制策略，并對現(xiàn)有的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)/集群衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的信息拓撲控制算法進行分類說明，最后分析了該技術(shù)未來的研究方向。

1 信息拓撲控制概念與內(nèi)涵

集群衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)作為天地一體化網(wǎng)絡(luò)的天基部分，其網(wǎng)絡(luò)信息主要包括衛(wèi)星運行狀態(tài)信息(相對位置信息、3維姿態(tài)信息、相對運行速度、空間/時間/頻率同步信息等)、網(wǎng)絡(luò)控制信息(姿態(tài)、軌道、軌位等)以及基于任務(wù)的大容量數(shù)據(jù)信息[13]。將衛(wèi)星運行狀態(tài)信息和控制信息統(tǒng)一稱為衛(wèi)星基礎(chǔ)信息，與衛(wèi)星具體任務(wù)相關(guān)的信息稱為數(shù)據(jù)信息，衛(wèi)星基礎(chǔ)信息和衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息的產(chǎn)生、作用、傳輸路徑均不同，為兩類異質(zhì)信息，如圖1所示為衛(wèi)星異質(zhì)信息網(wǎng)絡(luò)的示意圖[18]。其中，衛(wèi)星基礎(chǔ)信息用于保障集群衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的連通性，該網(wǎng)絡(luò)信息拓撲必須為連通狀態(tài)，而衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息針對任務(wù)需求進行傳輸，可以是部分節(jié)點之間進行互聯(lián)互通。

圖1 衛(wèi)星異質(zhì)信息網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.1 Satellite heterogeneous information network

集群衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的不同衛(wèi)星在協(xié)同執(zhí)行某任務(wù)過程中，通過每個衛(wèi)星節(jié)點去獲取其位置附近的拓撲狀態(tài)信息，若是集中式拓撲結(jié)構(gòu)，則統(tǒng)一匯聚到中心節(jié)點，獲得全局最優(yōu)拓撲信息，若是分布式拓撲結(jié)構(gòu)，則每個節(jié)點與其相鄰節(jié)點相互傳遞拓撲狀態(tài)信息，根據(jù)相應(yīng)算法迭代計算，獲得近似全局最優(yōu)拓撲結(jié)構(gòu)。當網(wǎng)絡(luò)中某衛(wèi)星節(jié)點失效或某鏈路中斷時，集群衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)能夠及時發(fā)現(xiàn)，并動態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)信息拓撲結(jié)構(gòu)，從而提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性及容錯性。

集群衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的信息拓撲控制屬于網(wǎng)絡(luò)層與數(shù)據(jù)鏈路層的中間層，其功能之一是負責(zé)選擇鄰居節(jié)點以及建立底層鏈路，是網(wǎng)絡(luò)路由的基礎(chǔ)，其協(xié)議分層如圖2所示；另外一個功能是基于任務(wù)需求，維護已生成的網(wǎng)絡(luò)拓撲，在保證網(wǎng)絡(luò)連通性及覆蓋性的前提下，依據(jù)集群衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)不同應(yīng)用場景來優(yōu)化鄰居節(jié)點選擇方式，形成穩(wěn)定優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)信息拓撲結(jié)構(gòu)。

圖2 信息拓撲控制協(xié)議分層示意圖Fig.2 Hierarchical diagram of information topology control protocol

為了體現(xiàn)“面向信息”的內(nèi)涵，集群衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的信息拓撲控制可以從兩個層次進行考慮：首先是從網(wǎng)絡(luò)拓撲的角度，針對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的高動態(tài)進行衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型設(shè)計及控制，維持網(wǎng)絡(luò)的連通性，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點生存性；其次從信息傳輸?shù)慕嵌?，針對信息傳輸所形成的信息拓撲進行信息邏輯控制，使網(wǎng)絡(luò)能夠更好地支持業(yè)務(wù)信息的傳輸，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。本文主要針對網(wǎng)絡(luò)信息拓撲的控制問題進行探討。

2 集群衛(wèi)星信息網(wǎng)絡(luò)信息拓撲技術(shù)分析

信息拓撲控制技術(shù)的完整流程主要包括拓撲發(fā)現(xiàn)、拓撲控制、拓撲重構(gòu)以及突發(fā)狀態(tài)檢測4個部分，如圖3所示，其中每個模塊的作用如下。

1)拓撲發(fā)現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點發(fā)現(xiàn)及建立鄰居節(jié)點集的方法。與集群衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型緊密相關(guān)，若沒有突發(fā)情況，可根據(jù)衛(wèi)星運行規(guī)律預(yù)測任意時刻衛(wèi)星節(jié)點的在軌位置及星間鏈路狀態(tài)。

2)拓撲控制

依據(jù)信息組網(wǎng)模型，以算法連通度、收斂時間、計算復(fù)雜度等為優(yōu)化目標，獲得網(wǎng)絡(luò)信息拓撲結(jié)構(gòu)的方法。

3)拓撲重構(gòu)

在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息拓撲周期性變化情況下，當發(fā)生節(jié)點運行所導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)信息連接可預(yù)測變化，或節(jié)點損毀、鏈路失效等非可預(yù)測突發(fā)情況，以保持網(wǎng)絡(luò)較高魯棒性和快速收斂為前提，重新計算網(wǎng)絡(luò)信息拓撲結(jié)構(gòu)的方法。

4)突發(fā)狀態(tài)檢測

在初始網(wǎng)絡(luò)建立后，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)檢測及維護方法，以及信息拓撲重構(gòu)的觸發(fā)機制。

圖3 信息拓撲控制通用流程示意圖Fig.3 General flow chart of information topology control

2.1 集群衛(wèi)星信息網(wǎng)絡(luò)信息拓撲模型

由于信息拓撲控制技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)的拓撲構(gòu)型是強相關(guān)的，需要首先對集群衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)、信息特點、節(jié)點能力等進行限定，構(gòu)建一個基本的網(wǎng)絡(luò)模型。本文根據(jù)集群衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中組網(wǎng)方式及信息拓撲的特征[19-20]，綜合算法的可實現(xiàn)性等因素，對集群衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)信息拓撲模型進行如下設(shè)定，其組網(wǎng)示意圖如圖4所示。

1)網(wǎng)絡(luò)包含3類信息：任務(wù)信息、狀態(tài)信息以及控制信息，其中狀態(tài)信息及控制信息作為網(wǎng)絡(luò)的管控信息，需要全網(wǎng)進行感知，而任務(wù)信息只在特定鏈路進行傳輸。

2)網(wǎng)絡(luò)具有兩類天線，全向天線用于傳輸狀態(tài)信息及控制信息(低速)，定向天線用于傳輸業(yè)務(wù)信息(高速)。

3)全網(wǎng)共享衛(wèi)星節(jié)點狀態(tài)信息：接入衛(wèi)星集群網(wǎng)絡(luò)中的每顆衛(wèi)星定期與其他衛(wèi)星節(jié)點共享其狀態(tài)信息，包括導(dǎo)航信息的參考系中的3維姿態(tài)、相對位置和速度，以及空間/時間/頻率同步信息等。

4)每顆衛(wèi)星上的通信協(xié)議具有理想的MAC層，即任意兩顆衛(wèi)星只要在各自的通信范圍內(nèi)就能建立通信鏈路(節(jié)點距離在天線可通信范圍內(nèi))。

5)每顆衛(wèi)星僅按照自身軌道運行，網(wǎng)絡(luò)拓撲可以是通過動力控制形成的規(guī)律陣列集群衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，也可以是松散構(gòu)型的集群衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。

6)暫不考慮除地球以外其他天體對衛(wèi)星造成的攝動影響。

圖4 集群衛(wèi)星信息組網(wǎng)示意圖Fig.4 Example diagram of cluster satellite information networking

2.2 集群航天器網(wǎng)絡(luò)星地聯(lián)合拓撲控制策略

目前所討論的集群航天器網(wǎng)絡(luò)主要面向偵察探測、遙感類或通信類任務(wù)(本文暫不考慮太空探索領(lǐng)域)，其節(jié)點多為低軌或近軌小衛(wèi)星。小衛(wèi)星所具有的天線能力有限，單純依靠衛(wèi)星自身去發(fā)現(xiàn)或感知全網(wǎng)狀態(tài)比較困難，不符合實際應(yīng)用，因此本文中所討論的集群航天器網(wǎng)絡(luò)采用地面統(tǒng)一管控與衛(wèi)星自適應(yīng)調(diào)整相結(jié)合的拓撲控制策略，如圖5所示，并設(shè)定網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點具備與地面通信能力，可定期匯報其狀態(tài)信息，以及獲取整網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)圖以及該衛(wèi)星節(jié)點鄰居節(jié)點拓撲結(jié)構(gòu)子圖。當集群網(wǎng)絡(luò)中的衛(wèi)星運行到可與地面站通信位置時，可通過地面站與地面控制中心進行信息交互，回傳網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息；當衛(wèi)星運行到其他位置時，可通過間接感知鄰居節(jié)點狀態(tài)，自行維護現(xiàn)有信息拓撲或觸發(fā)信息拓撲重構(gòu)。

其中星地分工如下：

1)地面管控中心：與地面站互聯(lián)，生成整網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)圖以及衛(wèi)星鄰居節(jié)點拓撲結(jié)構(gòu)子圖，及時更新整網(wǎng)信息拓撲狀態(tài)信息，下發(fā)相應(yīng)指令。

2)地面站：與衛(wèi)星進行互聯(lián)，及時搜集衛(wèi)星信息拓撲狀態(tài)信息，發(fā)送至地面管控中心，并向衛(wèi)星下發(fā)地面管控中心指令。

3)衛(wèi)星節(jié)點：與地面站互聯(lián)，分為兩種狀態(tài)：①在與地面站通信期間，實時回傳信息，接收指令；②在其他時期，執(zhí)行離線拓撲控制程序，并自適應(yīng)感知局部拓撲變化，參與拓撲維護，具備一定拓撲計算能力，可小范圍調(diào)整信息拓撲構(gòu)型。

圖5 星地信息拓撲控制結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of satellite-to-ground information topology control structure

2.3 集群衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)主要信息拓撲控制算法分析

網(wǎng)絡(luò)拓撲控制算法有不同的分類方式，可依據(jù)拓撲控制算法的假設(shè)條件、節(jié)點發(fā)射功率、拓撲構(gòu)建參考信息來源、生成的拓撲結(jié)構(gòu)、所參考的理論模型將其進行分類[3]。例如可依據(jù)拓撲動態(tài)特性對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓撲控制技術(shù)進行分類[16]，分為靜態(tài)拓撲和動態(tài)拓撲，或依據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲構(gòu)型將拓撲控制算法分為集中式、分布式以及混合式拓撲控制算法。本文針對第二種分類方式對不同信息拓撲控制算法進行分析。

集中式拓撲控制算法依賴于中心節(jié)點單元，能夠獲取全網(wǎng)信息，并依靠中心節(jié)點單元對全網(wǎng)拓撲進行計算和控制，可以得到全局最優(yōu)的拓撲控制結(jié)果[20-24]。在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中可將控制中心設(shè)置在地面，節(jié)點拓撲狀態(tài)信息由衛(wèi)星節(jié)點通過地面站發(fā)往地面控制中心，由控制中心進行計算獲得全網(wǎng)最優(yōu)的拓撲連接關(guān)系；分布式拓撲控制算法中的每個節(jié)點均可獲取周邊節(jié)點的相關(guān)信息，依靠節(jié)點間的相互協(xié)同完成全網(wǎng)拓撲控制，不需要核心節(jié)點單元。采用分布式拓撲控制算法可以避免控制信息開銷過大、中心式網(wǎng)絡(luò)抗毀性差的問題，適合于節(jié)點較多、空間跨度較大的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)[25-31]。該類型算法所面臨的問題是由于各節(jié)點僅獲取局部信息，只能最大化趨向最優(yōu)，無法使整個網(wǎng)絡(luò)的拓撲性能達到最優(yōu)?；旌鲜酵負淇刂扑惴ńY(jié)合集中式和分布式拓撲控制算法特點，將網(wǎng)絡(luò)分為不同層次，在不同網(wǎng)絡(luò)層次采用不同拓撲控制方法[32]，尤其適合用于大型網(wǎng)絡(luò)體系中，在集群衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中也可借鑒該算法思想。

采用集中式拓撲控制算法的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，各節(jié)點的功能與地位不同，包括星型、樹型、分層型等多種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，可進一步細化為樹狀拓撲控制與簇狀拓撲控制等算法；采用分布式拓撲控制算法的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，按照所形成的網(wǎng)絡(luò)拓撲可分成網(wǎng)絡(luò)及分布式拓撲等結(jié)構(gòu)，并進一步細化為平面拓撲控制及3D拓撲控制等算法；采用混合式拓撲控制算法的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)則較為復(fù)雜，可能具有多種形態(tài)、不同層次的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，可能采用包括集中式和分布式中所具有的算法，如圖6所示。

圖6 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓撲控制算法分類Fig.6 Satellite network topology control algorithm classification

下面針對集中式、分布式以及混合式拓撲控制算法中的典型算法及其優(yōu)缺點進行分析。

2.3.1 集中式衛(wèi)星拓撲控制算法

衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)中衛(wèi)星的移動軌跡和信息鏈接都是周期變化的，可由地面生成拓撲表對網(wǎng)絡(luò)中的拓撲進行提前規(guī)劃。

目前基于Walker星座提出了兩種異構(gòu)衛(wèi)星動態(tài)建立鏈接的拓撲控制方案[23]，基于衛(wèi)星的在軌周期，預(yù)測衛(wèi)星拓撲狀態(tài)及連接關(guān)系。文獻[24]針對集群衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的異質(zhì)信息特點，構(gòu)建了一種面向包括地球觀測衛(wèi)星(EOS)，地面站通信衛(wèi)星(GSC)和數(shù)據(jù)路由衛(wèi)星(DRS)的異構(gòu)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)[24]，通過異構(gòu)衛(wèi)星之間的協(xié)同工作，擴展整個網(wǎng)絡(luò)的功能。在該網(wǎng)絡(luò)場景中，構(gòu)建出3維衛(wèi)星信息拓撲模型，并提出一種集中式的拓撲控制策略，集群衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通過集群內(nèi)某一個衛(wèi)星定期計算所有可能的網(wǎng)絡(luò)鏈路，然后將結(jié)果分發(fā)給其他衛(wèi)星。拓撲控制策略的過程主要包括兩個部分：1)拓撲矩陣計算及其分布。拓撲矩陣計算意味著數(shù)據(jù)路由衛(wèi)星的其中一個負責(zé)分析網(wǎng)絡(luò)鏈路連接并獲得可靠性優(yōu)化的拓撲；2)分配的過程是具有鏈接關(guān)系的衛(wèi)星將其發(fā)送給其他衛(wèi)星。在一個拓撲更新周期中，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)拓撲矩陣改變鏈路連接。該算法的不足之處是沒有分析該算法的復(fù)雜度及算法收斂時間，并且對于集中式算法也欠缺網(wǎng)絡(luò)魯棒性分析，沒有考慮如果中心計算節(jié)點失效，網(wǎng)絡(luò)如何重新計算網(wǎng)絡(luò)信息拓撲結(jié)構(gòu)。

由于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點通常設(shè)置在地面，而低軌衛(wèi)星節(jié)點存在過頂效應(yīng)，與地面站有效通信時間較短，當星地?zé)o法通信時，衛(wèi)星的信息拓撲只能依賴于預(yù)先設(shè)置，而不能靈活調(diào)整，因此集中式拓撲控制算法在集群航天器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用并不廣泛。

2.3.2 分布式衛(wèi)星拓撲控制算法

陳慶等[28]所構(gòu)建的集群航天器網(wǎng)絡(luò)類似于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有網(wǎng)絡(luò)去中心化、信息多跳傳輸、拓撲動態(tài)時變等網(wǎng)絡(luò)特點，通過對網(wǎng)絡(luò)分級結(jié)構(gòu)和平面結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點分析，結(jié)合集群航天器特性和功能要求，選擇網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型單一、節(jié)點功能相同的平面構(gòu)型作為集群航天器網(wǎng)絡(luò)的基本構(gòu)型，提出基于FlYG算法的改進拓撲控制算法，通過將集群航天器相關(guān)特性與網(wǎng)絡(luò)通信距離期望值相結(jié)合，對算法進行優(yōu)化，從而改善拓撲控制算法性能，可有效降低集群衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰繐p毀，并延長網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的有效生命周期。該文獻假設(shè)集群航天器網(wǎng)絡(luò)為同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，每個航天器節(jié)點具有相同的性能參數(shù)及傳輸特性，且每個節(jié)點均具有全向天線，在可通信范圍內(nèi)可獲得所有鄰居節(jié)點信息。該網(wǎng)絡(luò)設(shè)定沒有考慮到集群衛(wèi)星異構(gòu)問題，所構(gòu)建的集群衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型相對簡單，不能完全反映集群衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)特點。

Zhong等[29]描述了分布式集群衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)可提供保證服務(wù)質(zhì)量的靈活空間場景。在這樣的多星異構(gòu)系統(tǒng)中，合理的功率控制方案可以提高系統(tǒng)性能。通過分析分布式集群衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)特性和功率控制的難點，建立網(wǎng)絡(luò)功率控制模型，并提出基于預(yù)測的功率控制方法。該方法主要通過控制衛(wèi)星節(jié)點功率來調(diào)整網(wǎng)絡(luò)中的信息鏈路，對構(gòu)成集群衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的小衛(wèi)星功率可調(diào)整能力要求較高。

為了充分體現(xiàn)集群航天器網(wǎng)絡(luò)拓撲的高動態(tài)性以及周期性，集群航天器被認為是一種新型空間分布式系統(tǒng)，該系統(tǒng)中衛(wèi)星在軌高速運動、星間鏈路頻繁切換[30]。該系統(tǒng)以主衛(wèi)星節(jié)點和從衛(wèi)星節(jié)點為主體構(gòu)建一體化通信網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，從星間相對運動、星間鏈路的建立條件和節(jié)點能耗模型3個方面對集群航天器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征進行了詳細分析。在網(wǎng)絡(luò)模型中設(shè)定每顆衛(wèi)星能夠感知整個集群網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)拓撲結(jié)構(gòu)，根據(jù)已知的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)可以計算出任意時刻彼此之間的星間距離，因此每顆衛(wèi)星都實時參與信息拓撲的計算與維護。從網(wǎng)絡(luò)能耗均衡的角度出發(fā)，提出星簇網(wǎng)絡(luò)管理思想，根據(jù)節(jié)點能耗情況設(shè)定主衛(wèi)星節(jié)點選擇機制，該動態(tài)更換主星的網(wǎng)絡(luò)拓撲更新策略，避免主衛(wèi)星節(jié)點能耗過高。該方法所構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)模型對于星地/星間鏈路設(shè)定較簡單，沒有考慮衛(wèi)星節(jié)點之間無線鏈路建立的局限性。

在空間信息網(wǎng)絡(luò)中，通過激光進行星間數(shù)據(jù)傳輸已成為星間通信的發(fā)展趨勢，激光星間鏈路對于衛(wèi)星拓撲的構(gòu)建至關(guān)重要。研究衛(wèi)星拓撲控制技術(shù)，不僅需要考慮激光星間鏈路特點，還要考慮衛(wèi)星高速運動所導(dǎo)致的星間鏈路動態(tài)變化以及激光鏈路對于跟瞄的高精確度要求。目前已有文獻針對激光星間鏈路特點，提出導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)中的拓撲動態(tài)控制方法[31],將鏈路利用率、端到端傳輸時延以及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型參數(shù)等作為優(yōu)化目標，構(gòu)建多約束條件下的函數(shù)優(yōu)化算法。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的兩顆衛(wèi)星滿足持續(xù)可見條件，則認為這兩顆衛(wèi)星在一定狀態(tài)內(nèi)可視，激光通信具有速率高、無法緩存的特點，要進行沖突避免設(shè)計，將需要建鏈的節(jié)點關(guān)系視為建鏈矩陣，可視的節(jié)點對關(guān)系用可視矩陣表示，通過建鏈矩陣與可視矩陣的交叉變換，優(yōu)化激光鏈路路由算法，獲得最小時延，并且當衛(wèi)星節(jié)點或激光鏈路不可用時，可進行拓撲動態(tài)優(yōu)化。該算法在導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)中應(yīng)用，其節(jié)點通常為中高軌衛(wèi)星，視距較大，而集群衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中衛(wèi)星節(jié)點為低軌衛(wèi)星，視距較小，變化更快速，如何保障網(wǎng)絡(luò)拓撲連續(xù)性，優(yōu)化激光星間鏈路組成的拓撲構(gòu)型，需要有更優(yōu)化的拓撲控制策略。

2.3.3 混合式拓撲控制算法

由于空間信息網(wǎng)絡(luò)具有大尺度特性，若采用集中式控制算法，拓撲時效性較弱，若采用分布式控制算法，則無法獲得整體網(wǎng)絡(luò)拓撲視圖，不利于算法優(yōu)化。因此文獻[32]提出一種混合式的拓撲控制策略，將空間信息網(wǎng)絡(luò)劃分為不同的自治域，每個自治域包括若干數(shù)量不等的空間節(jié)點，并采用獨立的控制策略，不同自治域直接通過指定的邊界空間節(jié)點進行數(shù)據(jù)交換，自治域可根據(jù)需要進行下一級自治域的劃分，從而構(gòu)建不同層級的組網(wǎng)控制架構(gòu)。由于空間信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有異構(gòu)屬性，通過這種控制網(wǎng)絡(luò)層級劃分，可將具有相同屬性的節(jié)點劃分為同一自治域，從而將異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)解耦為多個同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的組合，并將高動態(tài)網(wǎng)絡(luò)解耦為不同時間片網(wǎng)絡(luò)的組合，每個時間片內(nèi)自治域網(wǎng)絡(luò)可視為準靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)，從而簡化空間信息網(wǎng)絡(luò)的控制問題。集群航天器網(wǎng)絡(luò)相對空間信息網(wǎng)絡(luò)，其時空跨度較小，網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度較弱，但也同樣具有網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)及高動態(tài)特性，可借鑒文獻[32]所提方法，將具有相同功能的衛(wèi)星節(jié)點劃分為同一類別的子網(wǎng)，并采用衛(wèi)星“快照”方法，從網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、時空尺度方面對集群衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進行簡化，通過在算法精確度及復(fù)雜度方面進行均衡，從而構(gòu)建更適合集群航天器網(wǎng)絡(luò)的控制算法。

3 信息拓撲控制技術(shù)研究方向

目前空間信息網(wǎng)絡(luò)、導(dǎo)航衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、星座網(wǎng)絡(luò)、集群衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)等衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中拓撲控制算法的研究逐漸增多，針對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)高動態(tài)、異構(gòu)組網(wǎng)以及網(wǎng)絡(luò)能量受限等特點開展研究，提出了動態(tài)更換主星的網(wǎng)絡(luò)拓撲更新策略、避免沖突的鏈路交叉更新算法、跨層動態(tài)拓撲控制、基于集中式與分布式混合控制的算法等多種類型、多優(yōu)化目標的拓撲控制算法[33-34]。由于集群衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有更強的靈活性，對信息拓撲控制的實時性要求更高，與其他類型衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)相比面臨一些特殊問題，需要進一步研究。

1)集群衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中信息鏈路建立方式與地面不同，地面終端基本采用全向天線進行鏈路建立，而衛(wèi)星節(jié)點之間距離非常遠，且集群衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點功率有限，若傳輸高速載荷數(shù)據(jù)，很難通過全向天線進行傳輸。在集群網(wǎng)絡(luò)星間傳輸較大速率信息時，需要通過定向建鏈方式感知鄰居節(jié)點，獲得拓撲控制的初始信息。由于衛(wèi)星定向建鏈過程較為復(fù)雜，星間鏈路資源非常有限，在這種情況下，若假定每一顆衛(wèi)星都可以感知所有相鄰節(jié)點的狀態(tài)并獲取鄰居節(jié)點信息較為困難，李墨等[35]提出一種基于定向天線的鄰居發(fā)現(xiàn)方法，在節(jié)點進行鄰居節(jié)點掃描時，通過Q-Learning機制來確定每次鄰居掃描的收/發(fā)模式，并依據(jù)當前掃描結(jié)果獲得回報值，通過學(xué)習(xí)掃描中的經(jīng)驗，從而達到提高鄰居發(fā)現(xiàn)效率的目的。但該方法搜索及獲取鄰居節(jié)點時間較長，針對集群網(wǎng)絡(luò)的高動態(tài)特性還需要進一步研究相應(yīng)策略。

2)集群衛(wèi)星所傳輸?shù)男畔⒅饕ㄟ\控信息及數(shù)據(jù)信息，在該網(wǎng)絡(luò)中，同一條物理鏈路可能傳輸不同的異質(zhì)信息，如何評估異質(zhì)信息對于網(wǎng)絡(luò)的重要程度，不同層次子網(wǎng)之間的信息拓撲有什么關(guān)系，都需要進一步研究。初步的思路可將集群衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計為兩層邏輯上獨立的子網(wǎng)，其中衛(wèi)星在軌運動及網(wǎng)絡(luò)控制信息傳輸需要連接各個節(jié)點，為全連通，稱為控制面子網(wǎng)；而基于任務(wù)的高速載荷數(shù)據(jù)與任務(wù)相關(guān)，為部分連通，稱為數(shù)據(jù)面子網(wǎng)?？杉僭O(shè)衛(wèi)星節(jié)點具有兩類天線，其中全向天線用于控制面信息傳輸，定向天線用于高速數(shù)據(jù)面信息傳輸[12,18]。

3)集群衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)未來的發(fā)展趨勢是通過自組織網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)形式[3]，如何通過星上有限資源完成整網(wǎng)的信息存儲、更新及自主計算是一大難題。未來的集群衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可將多個功能相同或者相異的航天器連接成為有機的整體，通過集群內(nèi)信息、資源的共享和流動配置，靈活實現(xiàn)多變?nèi)蝿?wù)，并可針對突發(fā)事件自發(fā)地做出反應(yīng)，調(diào)整網(wǎng)絡(luò)任務(wù)結(jié)構(gòu)或者空間拓撲結(jié)構(gòu)，自主維持網(wǎng)絡(luò)安全和動態(tài)穩(wěn)定。這種情況下需要綜合考慮衛(wèi)星拓撲控制算法的容錯能力、收斂時間以及計算復(fù)雜度等參數(shù)。目前，對集群衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的拓撲控制技術(shù)進行綜合性分析研究的文獻較少。

4 結(jié)論

目前，各國均開展了集群衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在對地觀測、通信、科學(xué)探索、空間監(jiān)視和攻防等領(lǐng)域中的應(yīng)用研究，使其在空間信息網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要作用，其研究有助于加快新一代小衛(wèi)星/微小衛(wèi)星組網(wǎng)的部署及實現(xiàn)，在進一步降低衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)研發(fā)成本、研制周期及系統(tǒng)復(fù)雜度的基礎(chǔ)上，提高衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可擴展性，探索由集群衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進行快速功能部署、能力升級、主動避險等新型衛(wèi)星組網(wǎng)目標，為戰(zhàn)時局部熱點區(qū)域快速探測部署、自然災(zāi)害災(zāi)情地區(qū)的通信部署及快速評估以及邊遠偏僻地區(qū)的通信加強等具體應(yīng)用帶來巨大優(yōu)勢。集群衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的拓撲控制技術(shù)屬于二層技術(shù)，作為連接物理層和三層的橋梁，使得設(shè)計高效路由更具有可行性。本文從網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的角度對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的拓撲控制技術(shù)進行分類，分別探討集群衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中信息拓撲控制技術(shù)的可行性，最后指出集群衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓撲控制技術(shù)的研究方向。