基于星间链路的导航卫星网络自适应路由策略与机制研究方法

易先清, 张耀鸿, 钟 涛, 侯振伟

(国防科学技术大学信息系统与管理学院,湖南长沙410073)

基于星间链路的导航卫星网络自适应路由策略与机制研究方法

易先清, 张耀鸿, 钟 涛, 侯振伟

(国防科学技术大学信息系统与管理学院,湖南长沙410073)

由于北斗全球导航卫星系统(Beidou global navigation satellite system,BGNSS)在全球范围内的建站约束,采用星间链路(inter-satellite links,ISL)传输其全球导航综合信息(global navigation integrated information,GNII)成为必选途径,其核心问题之一是适应BGNSS传输需求的GNII传输路径选择。通过分析BGNSS星间链路建链特征,探索其对GNII传输时路径选择的约束要素与约束关系。分析北斗GNII业务特征,研究满足其传输需求的路径选择约束要素与约束关系。再对这些约束要素与约束关系展开建模分析,探索适应星间链路特点与GNII传输需求的约束要素调整反馈机制,通过仿真验证基于星间链路的GNII传输路径自适应选择策略与机制。

卫星导航;路由策略;链路;研究方法

卫星导航系统已经成为国家安全和国民经济发展不可或缺的国家信息基础设施,目前我国已建成的区域卫星导航系统在精度、稳健性、覆盖区域和安全防护能力仍不能全面满足用户的要求,许多关键领域应用仍严重依赖GPS,建设我国自主的北斗全球导航卫星系统(BGNSS)已经迫在眉睫。确保导航综合信息灵活、可靠传输的全球卫星导航信息传输路径选择技术(路由技术核心)是BGNSS研究的关键技术之一。

目前,最具代表意义的全球导航卫星系统就是美国的GPS,此外还有俄罗斯的GLONASS (global navigation satellite system)、欧盟的Galileo系统和我国的BGNSS,其中GPS系统和GLONASS系统已经投入使用,Galileo系统和BGNSS系统正在展开研究、设计与建设。

我国自主的卫星导航系统建设可分为3个阶段[1]：①已经成功应用的北斗一代系统;②2012年12月试运行的北斗二代一期系统;③未来的BGNSS。其中,前2个阶段建设的系统属于区域导航系统,而基于星间链路的BGNSS则面向全球用户终端。与GLONASS系统一样,BGNSS不具备美国GPS和欧盟Galileo那样的全球布站条件,必须像正在建设的GPS_III那样,建立可以实现2卫星节点直接数传的星间链路,以使全球范围内的各卫星能够在任何需要的时候与位于我国境内的地面主控站进行导航综合信息传输。因此,基于星间链路的导航综合信息传输路由技术研究被提上日程。本文提出的自适应路由策略与机制研究方法,可以为该类路由技术的研究提供参考。

1 全球导航卫星网络自适应路由策略与机制研究思路

研究基于如下思路(如图1所示)：通过分析基于星间/星地链路的时变特性和导航综合信息的传输特性,研究导航综合信息传输路径自适应选择策略、选择机制;然后建立导航综合信息传输路径选择理论模型,通过对模型的分析,形成导航综合信息传输研究结论,为北斗全球卫星导航系统建设提供理论与技术指导。

图1 基于星间链路的导航卫星网络自适应路由策略与机制研究思路

对基于星间链路的全球导航卫星网络自适应路由策略与机制,采取建模仿真、理论分析、实验验证、理论总结相结合的研究方法,采用并行交叉思路,展开链路选择约束因子分析,包括基于星间/星地测距优先的链路选择约束、基于多种建链模式的链路选择约束、满足导航综合信息传输需求的链路选择约束,并对约束因子间的自适应调整建模展开分析,通过约束因子的自适应调整反馈,改善基于星间链路的全球导航综合信息传输路径选择关系和自适应选择机制。

如图1所示,在满足全球导航综合信息传输需求下,研究遵循链路测距优先和兼顾多种建链模式并存,通过建模分析导航综合信息传输路径选择约束因子及其约束关系,借助理论分析与实验仿真研究各约束因子间的自适应调整关系。在取得结果的基础上,进一步优化路径选择约束关系,最后综合得到由多种约束因子及其关系组成的自适应选择机制。

2 基于星间链路的导航卫星网络自适应路由策略研究方法

由于空间传输资源的稀缺,以导航综合信息为代表的空间信息的星间/星地传输设计必须参照其星间/星地链路的自身特点,以最大限度发挥其传输效能[2-5]。以相控阵天线和反射面天线兼顾为特征的北斗全球卫星导航系统,其星间/星地链路具有与一般星间/星地链路不同的特点——在进行星间/星地测距的同时完成导航综合信息的传输,因此针对系统导航综合信息的传输设计,在选择其传输链路时不能只单纯考虑导航综合信息的传输需求,必须充分结合星间/星地链路的自身特点进行综合设计,研究可从如下3个方面展开：

1)考虑星间/星地测距前提下的导航综合信息传输路径星间/星地链路选择策略;

2)考虑相控阵天线和反射面天线建链模式下的导航综合信息传输路径星间/星地链路选择策略;

3)基于北斗全球卫星导航系统星间/星地链路的各类导航综合信息传输选择策略的适应性。

由于星间/星地链路是在进行星间、信道测距的同时完成导航综合信息的传输的,当导航综合信息在任意2节点间传输时,采用某种策略选择星间/星地链路,使得在不影响测距的同时完成信息的高效传输。

由于星间/星地链路采用相控阵天线和反射面天线2种方式建链,这2种方式还可能共存,在进行2节点间导航综合信息传输时,采用某种策略选择星间/星地链路才可兼顾其链路特点和传输需求,使系统具有较高的传输效能。

由于导航综合信息有多种不同的类别,其各自有不同的传输特点和传输需要,传输时需依据链路特点调整传输策略,以适应各种导航综合信息的有效传输。

3 基于星间链路的导航卫星网络自适应路由机制研究方法

基于星间链路的导航卫星网络自适应路由机制研究,可从如下3个方面展开。

1)对北斗全球卫星导航系统星间/星地链路建链特征展开分析。包括遵循Q支路测距优先的I支路数传特性,以及基于相控阵天线轮询建链和基于反射面天线时变建链的链路选择特性,通过深入细致地分析这些建链特征,可以建模描述反映此类建链特征的约束要素和约束关系。

2)对全球导航综合信息传输需求展开分析。尽管其具有众多的类别及其对应的传输需求,由于北斗全球卫星导航系统的总体设计基本明确,其支撑的导航综合信息传输需求已在业内广泛研讨并初步形成,通过针对性的深入分析,可以对其建模描述[6-8]。

3)对适应北斗全球卫星导航系统建链特征,以及导航综合信息传输需求的路径选择约束及约束调整展开研究,发现其本质仍然是多目标优化问题分析与求解。可以借助运筹学中多目标优化理论,按常规卫星网络路由决策过程进行建模分析,在模型分析中技巧求解,可实现研究的预期目标。

3.1 北斗全球卫星导航系统星间/星地链路建链特征分析

尽管面向卫星导航的信号体制相对成熟,但支持星间链路的信号体制却是首次提出。链路上调制信号形式如式(1)所示：

式中：前半部分为I支路,承载测距粗码C和低速数据码Dk1;后半部分为Q支路,承载测距精码P和高速数据码Dk2;A为各支路振幅;j为卫星编号;k为不同载波的通道编号;f为载波频率;t为时间;φ为相位。

从式(1)可以看出,其星间/星地数据传输与其测距并发进行,导航时须以服务测距为主。尽管针对链路的数据传输展开研究,但必须在星间/星地测距的前提下。在北斗一代和北斗二代一期的前期系统中也采用类似的信号体制,该阶段的导航综合信息传输仅限星地之间的单跳传输,因无星间链路而无须决策选择基于星间链路的路径;而在面向全球导航的北斗二代二期系统中,因全球建站,将通过卫星之间的星间链路建链实现全球导航,基于星间链路的路径选择将远复杂于前期系统的导航综合信息传输。特别是在遵循节点测距的前提下考虑其数据传输,将首次面对导航综合信息传输路径选择问题,其中,核心的Q支路测距前提下的I支路数据传输约束建模是导航综合信息传输路径选择问题研究的必要基础。

基于上述约束,需展开北斗全球卫星网络星间/星地链路建链特征分析,主要对Q支路测距前提下的I支路承载数据的传输特征,以及基于相控阵天线与反射面天线建链模式下的轮询建链和时变建链的传输特征展开分析。

1)遵循Q支路测距分析I支路承载数据的传输特征。依据信号体制设计,对支持测距Q支路约束(如某时段内要求建链的最少条数)下的I支路数据传输特性进行分析,理清Q支路测距优先对I支路数据传输的约束过程与约束关系。由于基于相控阵天线的星间链路具有其独特的轮询设计模式,甚至在不同的工作状态下还采用不同的轮询模式(如在精密定轨与时间同步模式下采用“M条固定链路+高低对地链路”模式,而在自主导航模式下则采用“N(≠M)条固定链路+高低对地链路模式”),若再考虑反射面天线的建链模式,情况将更加复杂,且无国内外相关参考。要确定适应此类建链模式的路径选择约束要素,须进行针对性分析。

2)基于相控阵天线与反射面天线建链模式,分析轮询建链和时变建链的传输特征。基于北斗全球卫星导航系统星间链路设计方案,对基于相控阵天线的轮询建链和基于反射面天线的时变建链过程进行分析,以明确此类建链过程对导航综合信息传输路径选择的约束与对应措施。

3.2 面向星间链路的全球导航综合信息传输需求分析

在北斗全球卫星导航系统中,有多个类别的导航综合信息是适应全球导航应用而提出的,如用于星间的遥测与遥控等信息,特别是须经过星间链路传输时,须对其服务性的约束要素及其分析展开针对性的细致研究。全球导航综合信息(GNII)包括2大类：上行注入及分发中继信息,星上观测中继及下行传输信息。但是,其种类和子类较多,初步设计包括8个类别和几十个子类,为使研究方向集中,主要针对经过星间链路中继传输的导航综合信息深入分析其传输需求。

在分析模型星间链路的全球导航综合信息传输需求时,可从其传输最大数据量、注入频度、注入速率、最大注入时长、时效性和中继跳数等要求入手。不同类型的导航综合信息具有不同的要求。如,下行信息需在较短的时间内完成下传,上行注入信息可在较长的时间内完成全网内的中继分发,精密定轨与时间同步信息中继跳数严格受限等。这些传输需求将直接影响导航综合信息传输过程中选择路径时对星间链路的选择决策,可在相关项目的支撑下和项目组成员广泛调研的前提下,分析、总结、提炼对路由选择研究起支撑作用的全球导航综合信息传输需求。

3.3 基于BGNSS建链特征的导航综合信息传输路径选择约束研究

基于导航综合信息传输需求提出的各类、各项路径选择约束要素,须适应北斗全球卫星导航系统星间/星地链路建链特点,并能根据星间/星地测距以及多种建链模式并存需求,提出并分析这些路径选择约束要素的调整机制与原理,使其适应不同应用条件下各类导航综合信息的有效传输。可从如下4个方面展开。

1)探索在Q支路测距的前提下的I支路承载数据的传输约束机制与原理;

2)建立基于相控阵天线与反射面天线建链模式的路径选择约束机制与关系;

3)建立适应全球卫星导航应用的导航综合信息传输约束要素与约束关系;

4)明确适应全球卫星导航系统建链特征的导航综合信息传输约束要素与约束关系,确定并建模描述这些路径选择约束要素的适应性调整机制与调整原理。

适应性分析可借鉴传统的自适应理论和多目标约束优化理论,但其过程需拓展思维、创新设计。

1)约束要素分析。可从北斗全球卫星导航系统建链特征和导航综合信息传输需求2个方面,确定影响导航综合信息传输路径选择的约束要素,包括链路测距优先、链路延时性与连通性、轮询模式的设计参量、系统工作模式切换、各类导航综合信息传输需求等。分析这些约束要素对导航综合信息传输路径选择产生的影响及影响的程度,并通过量化的权值进行对应,最后进行形式化的建模描述。

2)要素间约束关系建模研究。以某类导航综合信息在规定的时限内从源节点传输至目的节点为约束目标,根据确立的上述路径选择约束要素,分析以导航综合信息传输为主线的约束要素及其关系,建立反映北斗全球卫星导航系统建链特征与传输需求的路径选择约束模型。

3)约束要素自适应调整与反馈建模研究。根据建立的上述约束模型,基于相应的约束目标,分析在各约束要素调整波动时反馈至约束目标所产生的影响,探索总结规律,建立反映该规律的调整模型,设计合理的权值参量以便修正。

4 基于星间链路的导航卫星网络自适应路由策略与机制建模研究方法

对基于确定的导航综合信息传输的路径选择策略,通过深入分析满足星间/信道测距的I支路数据传输特性、基于相控阵天线与反射面天线建链模式的链路传输特性,以及导航综合信息的传输需求特征,可形式化描述导航综合信息传输路径选择约束要素及约束关系,以建立相应的理论分析模型及方法。研究可主要从如下4个方面展开。

1)确定并实现遵从Q支路测距的I支路承载数据的传输约束要素及约束关系的形式化描述;

2)对基于相控阵天线与反射面天线建链模式的路径选择约束要素及约束关系进行形式化描述;

3)构建适应全球卫星导航应用的导航综合信息传输约束要素与约束关系的形式化描述,建模分析其约束模型;

4)展开对适应全球卫星导航系统建链特征的导航综合信息传输约束要素与约束关系的形式化描述,以及这些路径选择约束要素的适应性建模分析,调整方法与措施分析总结。

在进行基于星间链路的导航卫星网络自适应路由策略与机制建模分析时,主要依据如下基本思想和方法展开其理论分析与仿真验证。

1)可借鉴已有的天基信息网络路由技术方面相关理论研究工作,吸收可用的分析思路和具体的分析技术。

2)在涉及单个约束要素的理论分析中,可采用组合数学、流理论等分析方法和手段。

3)对多目标优化的理论分析,考虑采用运筹学中多目标优化的方法,例如双向分解的上凸优化和几何优化等方法等。

4)在进行建模描述与验证仿真时,可借助专业卫星仿真平台,首先对全球卫星导航系统节点及节点间链路进行建模,构建导航综合信息传输过程;再对基于轮询建链与时变建链的导航综合信息路径选择过程进行建模,对构建的导航综合信息传输路径选择约束要素及约束过程进行建模实现。

5 结束语

本文研究旨在为基于星间链路传输的导航综合信息传输路径选择问题研究提供研究方法与思路：依据BGNSS星间/星地链路建链时变特点和GNII传输需求,在遵循节点间星间/星地测距约束、反射面天线固定建链和相控阵天线轮询建链选择约束的基础上,探索导航综合信息传输时自适应路由策略与机制的研究方法与思路。

References)

[1]谭述森.北斗卫星导航系统的发展与思考[J].宇航学报, 2008,29(2)：391-396.

[2]易先清,李健杰,唐曙,等.基于组织自愈机制的空间信息网络抗毁路由技术研究方法[J].系统工程与电子技术,2010, 32(12)：25-29.

[3]LEE J,KANG S.Satellite over satellite(SoS)network：a novel concept of hierarchical architecture and routing in satellite network[C]//IEEE.Proc.of IEEE Conference on LCN. Tampa,Florida,USA：IEEE,2000：392-399.

[4]KARAPANTAZIS S,PAPAPETROU E,PAVLIDOU F. Multiservice on demand routing in LEO satellite networks [J].IEEE/ACM Transaction on Wireless Communications, 2009,8(1)：107-112.

[5]LIU Xiaoyue,MA Jianfeng,HAO Xuanwen.A self-adapting traffic class routing in LEO/MEO satellite networks[J]. Journal of JCIT,2011,6(10)：155-163.

[6]易先清,罗雪山,李健杰,等.导航星座抗毁路由方法与算法设计与仿真[J].全球定位系统,2010,11(5)：9-15.

[7]李健杰,易先清,唐曙.具有抗毁性的导航星座网络管理策略分析[J].计算机工程与应用,2010,46(31)：98-101.

[8]YI Xianqing,SUN Zhili,YAO Fang,et al.Satellite constellation of MEO and IGSO network routing with dynamic grouping[J].International Journal of Satellite Communications and Network,2013,31：277-302.

(编辑：王高翔)

Research Method About Strategy and Mechanism of Path Adaptive Selection of GNII Transmission Based on ISL

YI Xianqing, ZHANG Yaohong, ZHONG Tao, HOU Zhenwei

(Information System and Management School,National University of Defense Technology,Changsha Hunan 410073,China)

Due to site constraints within worldwide for the Beidou global navigation satellite system(BGNSS),the global navigation integrated information(GNII)must be transmitted through the inter-satellite links(ISL).One of its core problems is to meet the path selection of GNII transmission in BGNSS,the research method of this problem is provided in paper.The link characteristics is analyzed to explore the constraint factors and constraints relation on path selection when GNII is transmitted.And then the constraint factors and constraints relation of path selection is studied under analyzing the BGNII.Finally the feedback adjustment mechanism about constraint factors to adapt the ISL characteristics and transmission requirements is explored through the modeling analysis of the constraint factors and its relationship,and the adaptive path selection strategy and mechanism of GNII transmission based on ISL is validated with simulation.

satellite navigation;routing strategy;link;research method

TN 391.9

2095-3828(2014)01-0050-05

ADOI10.3783/j.issn.2095-3828.2014.01.012

2013-03-29

国家自然科学基金资助项目(60972166)

易先清(1966-),男,教授,博士.主要研究方向：空间信息系统体系结构及其关键技术.xqyi@nudt.edu.cn.