双层卫星网星间链路混合路由算法设计

王冬霞，赵金贤，胡彩波，辛　洁，汤廷松

(北京卫星导航中心，北京　100094)

双层卫星网星间链路混合路由算法设计

王冬霞，赵金贤，胡彩波，辛洁，汤廷松

(北京卫星导航中心，北京100094)

摘要：针对卫星网星间链路所处的环境暴露、覆盖范围广、用户规模大、极易受干扰的特点，提出了一种具有链路稳定性的星间链路混合路由算法:首先分析星间链路的几何特性，基于Hill方程推导出星间链路距离、俯仰角、方位角；根据卫星之间的相对运动和星座构型，综合分析了链路生存时间、传输时延、空间干扰等问题对星间链路稳定性的影响；然后，以最短路由算法和K短路由算法为基础，提出星间链路权值和链路路由优化准则，进而提出星间链路优化切换的混合路由方案；最后，结合具体的GEO/MEO双层卫星网实例对该方案进行了仿真分析。仿真结果表明混合路由算法的综合服务指标最优。

关键词：星间链路；路由算法；双层卫星网

0引言

星间链路(inter satellite links，ISL)是指卫星之间通过无线电直接传输的链路，它不仅可以测距和通信实现自主导航，也可以辅助地面站进行联合定轨增强系统的可靠性。美国全球定位系统(global positioning system，GPS)自1997年发射BLOCK IIR卫星开始，增加了ISL功能，使得GPS系统在没有地面站支持的情况下，维持自主导航功能180 d以上[1-4]。

近年来，具有ISL的多层卫星网(multilayered satellite networks，MLSN)逐渐成为卫星通信系统的研究热点[5-6]。不同轨道卫星的优势得到发挥，使得多层卫星网可以满足多样的服务质量(quality of service，QoS)需求。地球静止轨道(geostationary earth orbit，GEO)和中地球轨道(medium earth orbit，MEO)卫星按照轨道划分，有各自的特点，其组成的通信系统已在地球周围运行，如全球极高频段卫星通信网络(global EHF satellite network，GESN)、北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system，BDS)均由数目不同的GEO和MEO卫星构成。ISL的建立使得卫星之间的通信成为现实，构成真正意义上的网络。

目前往往局限于利用星座链路(constellation link)[7]来研究ISL的特性；但是，这种模型对于分布式卫星导航系统并不合适，因为其链路距离相对较短。对于任何一个导航系统而言，ISL设计必须着眼于其自身的特性。本文研究并解决导航系统ISL的关键技术，在链路稳定性的基础上，考虑时间和切换问题，使得链路时延较小、切换较少；并利用ISL权值和路由优化准则，设计出一种混合链路路由算法：以期丰富和完善我国卫星导航系统星间链路体系。

1星间链路模型

本文研究的导航系统由GEO和walker-δ构型MEO卫星构成。对于卫星网络中ISL，有2个坐标系具有重要意义，如图1所示：1个是地球惯性坐标系fi(Oixiyizi)，该坐标系固定在惯性空间中，原点Oi为地心，zi轴垂直于赤道平面指向北极，xi和yi轴在赤道平面内，其中xi轴指向春分点，yi轴遵循右手定则；另1个是轨道坐标系fo(Ooxoyozo)，该坐标系为动坐标系，随着卫星具体位置的变化而变化，原点Oo为卫星质心，xo和zo轴在轨道平面内，其中xo轴指向卫星运动方向，zo轴指向地心，yo与xo、zo构成右手坐标系。

图1　卫星相对运动坐标系

GEO卫星空间位置相对静止，星间链路的建立与保持比较简单，而由于walker星座中MEO卫星分布均匀，任意相邻轨道卫星之间的星间链路变化情况相同，由此可以walker星座中任意两颗卫星为例来分析星间链路。两星之间的相对运动由Hill方程得到[8]：

(1)

(2)

(3)

图2　卫星间星间链路关系图

根据图2卫星之间的几何关系可以推得ISL的特性，星间距离ρ、 方位角θ、 俯仰角β分别表示为：

(4)

(5)

(6)

2链路稳定性分析

在卫星导航系统中，链路稳定性是指ISL保持联通、提供最佳数据传输的能力。本文通过分析链路生存时间、链路传输时延、空间环境干扰等各种因素对ISL的影响，得出链路稳定性函数，为设计最佳路由策略提供依据。

定义1(星间可见性)：如果卫星Sj在Si的视距范围内，即星间连线与地球表面存在交点，则称它们是可见的；反之，则称它们是不可见的。因此Sj对Si的可见性VSj→Si定义为

(7)

(8)

式中k=1，2，…，N。 ISL生存时间在1个系统周期内是动态变化的，定义所有ISL生存时间最大值为系统最大生存时间Tmax。

定义3(ISL剩余生存时间)：在t时刻，2卫星ISL剩余生存时间定义为

(9)

定义4(ISL传输时延)：在t时刻，2卫星ISL传输时延定义为

(10)

定义5(ISL稳定性函数)：在t时刻，2卫星ISL的链路稳定性函数定义为

(11)

式中：wt为ISL剩余生存时间加权；wd为ISL传输时延加权；ws为空间干扰加权；PSI为复杂空间环境对ISL的干扰程度；且wd+wt+ws=1。

(12)

3星间链路路由设计

3.1ISL路由算法

在卫星导航系统中，最短路由算法和K短路由算法是2种典型的路由算法。

3.1.1最短路由算法[10]

(13)

(14)

最短路由算法可以使ISL时延最小，但没有考虑整个卫星导航系统的稳定性，链路切换次数太多。

3.1.2K短路由算法[11]

除了最短路由之外，还需计算卫星之间的次短路由、第三短路由、甚至第K短路由。K短路由算法的思想是在ISL已有最短路由的基础上删除某条路由，并搜索下一条可选的最短路由。该算法的实质是在ISL中增加卫星节点和相应链路。由K短路由算法计算出2颗卫星之间的多条备用路由，选择路由的准则为：

1)在该步的多个最佳路由中，优先选择在上一步曾经出现过的路由；

2)在该步的多个最佳路由中，优先选择在卫星整个运行周期内维持时间长的路由；

3)在该步的多个最佳路由中，优先选择在卫星整个运行周期内连续性好的路由。

K短路由算法的实质是通过增加卫星节点，计算出2颗卫星之间的多条备用路由，以避免链路拥塞，链路切换较少。但该算法有可能使得卫星通信时延变长。

3.2链路算法优化3.2.1星间链路权值

星座中ISL权值Qt受多种因素影响，本文从简化设计和仿真的角度出发，分析以下因素：ISL距离、中转星数目以及链路数目。定义为

(15)

3.2.2链路路由优化准则

考虑到链路切换会引起抖动等不稳定因素，所以应减少链路切换。因此，有必要搜索所有最佳路由的集合。对于某一条路由而言，既要考虑其出现在最佳路由集合中的频率及权值；又要考虑链路切换次数。因此，路由优化准则为：在该步的多个最佳路由中，若有上一步曾经出现过的路由，只要其时延和切换在可接受范围内，则优先选择该路由；若其时延和切换过大，或该步的多个最佳路由中没有上一步曾经出现过的路由，则必须进行切换。

定义Qc为某路由在一个轨道周期内的链路权值，Qc的具体定义如式(16)～式(18)所示:

(16)

(17)

(18)

式中:pt表示t时刻该路由是否出现在最佳路由集合中，pt=1表示出现，pt=0表示不出现;Wt表示t时刻该路由在最佳路由集合中的出现函数。显然，pt=1则Ut变小；pt=0则Ut变大。该定义不仅考虑了在路由集合中出现的代价Ut，而且考虑了维持性能Wt。参数Wt初始值为1，若出现在本时刻最佳路由集合中，就相应加1。权值Qc越小，链路稳定性越好。

3.2.3混合路由算法

由以上路由优化准则分析可知，路由权值Qc越小越好。修改K短路由第三个准则为：在该步的多个具有相同维持时间的最佳路由中，优先选择链路距离最短的那条路由；其余2个准则不变。此时，中转星选择了在整个运行轨道内可见时间最长、时延之和较小、使星座流量平衡的卫星。

因此，本文的混合路由算法有以下特点：首先，尽量选择链路时延较短，即保证通信及时；其次，避免过多路由同时选择一颗或几颗中转星，即保证通信质量；最后，尽量减少链路数目和切换次数，从而降低链路开销，即保证系统性能。

4数据仿真

本文研究的星座由3颗GEO和12颗MEO卫星构成，其中GEO卫星平均分布于赤道面上，相互间夹角120°；MEO卫星轨道高度10 355 km，构型为12/3/1的walker星座。用STK10对本文星座进行仿真，建立星座三维视图和二维视图分别如图3～图4所示。

图3　星座的3维视图

图4　星座的2维视图

显然，本文研究的星座中包括3种链路：轨内星间链路(位于同一轨道面内卫星间的链路)、轨间星间链路(位于不同轨道面卫星间的链路)和层间星间链路(位于不同轨道高度卫星间的链路，ex：GEO和MEO)。

4.1星间链路特性

对于层间链路，每颗MEO卫星同时可见多颗GEO卫星;但为了简化结构和实际通信需求，每颗MEO卫星只能同一颗GEO建立链路。GEO卫星需要同多颗MEO卫星建立ISL，且由于卫星数目众多，层间链路数目繁杂。

按照前文的ISL几何公式，选择MEO11作为研究对象，分析了其与GEO卫星1、MEO卫星12、14、23、32的ISL特性，如图5～图7所示，分别表示ISL距离、方位角、俯仰角的曲线变化图。

图5　星间链路距离

图6　星间链路方位角

图7　星间链路俯仰角

假设ISL天线是全向天线，天线旋转角度和角速度均能跟踪链路指向变化，且卫星相对运动速度范围足够大。分析与MEO11卫星具有ISL的卫星的星间可见性，如图8所示。

图8　星间可见性

通过分析图5～图8后发现:轨内链路(MEO和同轨道卫星，ex：11与12、14)建立的是永久星间链路，2条同轨道ISL的方位角、俯仰角和ISL距离不变，0°(180°)、-45°和14 960 km;轨间链路(MEO与异轨道面，ex：11与23、32)建立的是周期性星间链路，随时间不同而改变。由于MEO卫星网络为对称网络，其他卫星的同层ISL情况同MEO11相似，初始相位有差异。

还可以看出，MEO和GEO卫星不是持续可见的，其ISL方位角的变化范围从20°到360°，最大星间距离几乎达50 000 km。这些不利因素使得层间链路(GEO和MEO卫星)不是永久性ISL。因此，为了有效利用GEO卫星ISL生存时间，GEO与MEO卫星间ISL应该在限制最大星间距离的条件下建立，具体原则为：GEO卫星向地球发射信号，在最大ISL距离前提下，与可见的MEO卫星建立ISL。所有GEO与MEO卫星间的ISL均是临时链路，存在建立—断开—重建过程。

4.2链路算法

表1列出了用最短路由、K短路由以及混合路由算法仿真卫星M11与M34间在某个时间点上的链路变化情况。

表1　卫星M11至卫星M34的路由变化

从表1中可以看出：最短路由算法切换3次，K短路由算法和混合路由算法切换2次，仅从切换次数来看，混合路由算法达到星座稳定的基本要求。而从时延的角度来看，K短路由算法时延较长。显然，混合路由算法的链路权值最小，链路稳定性最好。

5结束语

本文分析了星间链路特性，提出星间链路权值及链路路由优化准则，并提出了一种具有链路稳定性的混合路由算法。从仿真结果可以看出，Walker delta星座构成的MLSN的特性如下：轨内卫星建立永久性ISL，链路距离、方位角、俯仰角不变；轨间卫星建立周期性ISL，链路距离、方位角、俯仰角随时间周期性变化；层间卫星建立复杂的ISL，链路时变且简短，不能保证时时有链路。仿真结果验证了本文提出的考虑时延、切换、权值等优化策略的混合路由方案最优。

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ISL routing strategy of two layer satellite network

WANG Dongxia，ZHAO Jinxian，HU Caibo，XIN Jie，TANG Tingsong

(Beijing Satellite Navigation Center，Beijing 100094，China)

Abstract：Against Inter-Satellite Links (ISL) easily interfered for situating in a highly exposed environment，covering a wide range and large-scale users，this article proposd a stability routing strategy.Firstly，the geometric characteristic of ISL was analyzed，with deducing the ISL distance，elevation，azimuth by Hill equation.According to the relative motion between satellites and the constellation configuration，a synthetic routing strategy was put forward to analyze the ISL stability performance by the link survival time，transmission delay and spatial interference.In addition，the ISL power weight and link path optimization criterion was obtained based on the shortest path algorithm and the K-path algorithm.Then，a stability synthetic routing strategy with best switching scheme was proposed.Finally，simulation for specific GEO/MEO satellite network was carried out.The results showed that the synthetic routing strategy would have the optimal hybrid service indicator.

Keywords：inter-satellite link；routing strategy；two layer satellite network

收稿日期：2015-08-10

第一作者简介：王冬霞(1985—)，女，河南新乡人，博士，工程师，研究方向为卫星导航和星间链路总体设计。

中图分类号：TN927

文献标志码：A

文章编号：2095-4999(2016)02-0029-07

引文格式：王冬霞，赵金贤，胡彩波，等.双层卫星网星间链路混合路由算法设计[J].导航定位学报，2016，4(2)：29-35.(WANG Dongxia，ZHAO Jinxian，HU Caibo，et al.ISL routing strategy of two layer satellite network[J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(2)：29-35.)DOI：10.16547/j.cnki.10-1096.20160207.