一种虚实结合的星间链路组网地面试验验证框架*

彭海军 王 玲 黄文德 杨 俊

1.湖南大学电气与信息工程学院，长沙410082 2.国防科技大学机电工程与自动化学院，长沙410073



一种虚实结合的星间链路组网地面试验验证框架*

彭海军1, 2王 玲1黄文德2杨 俊2

1.湖南大学电气与信息工程学院，长沙410082 2.国防科技大学机电工程与自动化学院，长沙410073

建立地面试验验证环境是降低星间链路技术风险的有效途径。针对导航卫星组网功能和性能的测试问题，本文提出一种星间链路组网地面试验验证框架。该框架根据星间链路信息处理流程，设计基于虚(虚拟卫星)实(实际卫星)结合的星地试验方案，并采用正交试验测试技术测试组网算法。通过对星间链路试验场景和试验方法的设计，实现对星间链路组网功能和性能的测试与评估分析。结果表明，该框架能满足单星网络接入、整网组网测试等地面试验验证需求，为降低地面试验成本和风险提供了一种可行方案。 关键词 星间链路；正交试验；网络拓扑；路由策略；框架设计

星间链路是我国北斗卫星导航系统建设的重要方向，发展星间链路对我国卫星导航系统具有重要意义[1-3]。星间链路组网技术是卫星导航系统实现自主导航的关键技术之一[4]。在系统建设前期，开展单星网络接入、整网组网测试等地面验证工作是实现高效可靠星间组网的前提。

目前，美国GPS是唯一一个具备星间链路能力的全球卫星导航定位系统，其研发的GPS Block IIR和GPS Block IIF已经具备星间链路组网能力，并在2012年进行了GPSIII与OCX通信链路软件和硬件接口的测试[5]。近些年，美国在GPSIII的组网测试方面做了大量的研究，提出了一些GPSIII通信组网策略，最终形成了一套基于空间、控制、用户段的DOT&E GPSIII测试评估体系[6]。国内也在开展新一代北斗卫星系统的试验研究，已于2015年3月30号发射了新一代北斗试验卫星，并将开展新一代北斗全球卫星导航系统星间链路关键技术验证工作。

许多专家学者对星间链路组网进行了研究，并针对不同的建链约束提出了多种星间链路组网算法[1，2，4]；也有学者利用STK，OPNET，Simulink，局域网测试，半物理仿真等方法对星间组网算法进行仿真和评估，验证了特定组网算法的可行性[7-11]。但由于现实条件的复杂性和特殊性，对星间链路组网需要综合考虑建链跳数、通信频率、天线发射功率、天线切换速率、数据误码率、建链功耗、建链时延、同一时刻建链数量、故障处理能力和空间环境等多方面的因素[12]，需要研究适用于实际星间链路组网功能和性能测试的试验验证系统。

为解决上述问题，本文提出一种虚实结合的星间链路组网地面试验框架，即设计由实际卫星参与和地面站虚拟星间卫星构成的系统平台。为提高地面试验验证的效率，采用正交试验方法，降低试验风险、减少试验成本，提高测试的覆盖性。

1 地面试验验证框架设计

1.1 星间链路组网试验分析

进行星间链路组网试验时，除保证试验过程中通信体制(时分体制)[1]、组网协议与实际星间链路一致之外，还需要在组网结构、组网环境上做到与实际星间链路近似。根据我国北斗全球卫星导航系统建设需求：北斗星座将由24MEO+3IGSO+3GEO构成。对该星座进行仿真分析，得到表1的星座可见性分析结果。

表1 北斗全球卫星导航系统星座可见性分析

表1数据表明：单颗卫星可能存在至少与10颗以上的卫星保持建链的需求；星地距离与星间距离保持在同一数量级左右；任意卫星具备至少6h的理论试验时间，且地面同一时段可见卫星数至少大于11颗。对于组网协议和组网体制，地面能做到与实际星间一致；并且在时分体制下，单颗卫星同一时刻只与1颗卫星进行建链，使得地面能够分时承担多颗虚拟卫星角色。因此，设计合理的试验，补偿组网环境差异，才能使地面组网试验具有验证组网部分功能和性能的能力。

1.2 星间链路组网地面试验系统结构

根据上述星间链路组网地面试验设计要求，需构建一个能与待测卫星载荷构成全星座组网的闭环测试环境。因此，地面试验应具备4个条件： 1)满足星间链路组网节点数； 2)星地全星座闭环保持时间同步； 3)能够对整个闭环测试环境进行监测和控制； 4)能够对试验数据进行分析和存储。由于研制卫星设备投入量大，可重复性不高，而地面站设备具备灵活性，可由固定设备或移动设备组成，基于此，可用地面站来模拟试验卫星节点，组成虚实结合网络参与试验。因此，地面试验系统由试验卫星、地面站、地面控制中心、地面网络传输系统、时间同步、测控系统、数据库系统组成。整个地面试验系统组成结果如图1所示。

图1 虚实结合星间链路组网地面试验验证系统组成图

整个星间链路地面试验以时间同步为基准。试验卫星与地面站采用目前组网首选的Ka频段[1，13]进行无线组网通信，地面各系统通过有线网络采用UDP进行数据通信。其中，试验卫星应满足我国新一代北斗卫星系统的设计需求，配置高精度时钟(如铷钟)，并保持良好的兼容性，试验期间主要完成新一代卫星导航本身的任务和配合地面完成在轨试验任务；地面系统主要包括试验系统的虚拟卫星部分、控制部分和地面辅助系统，其中地面站组成的虚拟卫星节点主要完成与卫星建链的功能；控制中心完成任务规划、调度和评估功能，地面辅助系统如测控系统等用于辅助完成整个试验的开展；时间同步系统作为地面试验的关键支撑，用于保持整个地面试验系统与卫星的时间同步功能；数据库系统用于试验数据的分析和存储，最终为试验提供可信的试验结果，并用于指导下一次试验的开展。

1.3 星间链路组网地面试验框图设计

星间链路组网地面试验执行框图如图2所示。整个流程大体可分为4个部分：试验前期准备、试验设计、试验执行和试验结果分析。1)试验前期准备包括时间同步、试验初始信息获取、试验因素分析。其中，时间同步系统为整个试验提供时间基准，确保整个试验顺利进行，初始状态信息获取主要包括卫星轨道、姿态、指向等信息，地面站工作状态、指向、位置信息和环境信息等数据的获取；根据初始信息，判断地面试验是否具备开展条件； 2)试验设计包括对组网算法的仿真分析、正交试验设计和虚拟通道控制等关键技术的设计； 3)试验执行是将生成的试验任务下发到地面站和试验卫星，然后对试验生成的数据进行收集和分析计算，用于继续开展正交试验设计；4)试验结果分析是对正交试验结果进行处理，根据组网算法的试验结果判断其是否具备在轨后星间组网的条件。

图2 虚实结合星间链路组网地面试验验证流程

2 星间链路组网试验关键技术

2.1 虚拟拓扑管理技术

为了通过有限地面站点模拟各种星间链路拓扑下通信处理流程，需在地面站规划配置信息中加上一些控制信息，使地面站能够近似模拟实际卫星，模拟整个星间链路的运行流程。本文在文献[11]的虚拟移动和虚拟拓扑管理方法上进行拓展，采用新的虚拟拓扑管理关键虚拟技术支持地面试验。

虚拟拓扑管理执行如图3所示，在承担多于试验站点数量的星间链路组网时，单个地面站在天线跟踪能力和处理能力下，通过时分复用技术，承担多颗虚拟卫星任务。在时间段T1，地面虚拟模拟Virtual1任务；在时间段T2，地面站读取控制文件和虚拟卫星参数，处理虚拟卫星Virtual2任务，……；地面站通过执行控制指令调整天线，使处理流程与实际星间链路网络过程保持一致。

图3 虚拟拓扑管理技术实现

地面试验方案设计时，首先收集地面站和卫星的当前状态信息，进行试验因素分析；然后将地面站参数作为规划方案算法输入参数，设计出满足虚拟拓扑条件的规划方案；最后将设计的规划方案作为地面试验规划方案执行。

2.2 虚拟通道技术

地面站承担虚拟卫星时，需模拟卫星所有功能，同时也要消除星地环境带来的影响。因此，通过虚拟通道技术可使星地链路逼近实际星间链路。虚拟通道实现过程如图4所示。

图4 虚拟通道实现图

2.2.1 延时控制

星地测量时，测距结果可表示为[14]：

ρ=ρ0+ρtro+ρion+ρpha+ρΔτ+δ

(1)

式中,ρ,ρ0,ρtro,ρion,ρpha,ρΔτ,δ分别为实际测距结果、测距准确值、对流层、电离层、相位中心偏移、设备延时及随机噪声引入的测距误差。因此，环境误差和伪距都可以通过控制时间t来实现。通过卫星星历数据和试验站点监测信息，消除式(1)中星地环境带来的影响，实际实星到虚星的发射伪距应满足下式：

τs=τr+Δτ-τsg

式中，τs，τr，Δτ，τsg分别为理论虚星和实星传输时延、仿真场景中实星与虚星的传输时延、实际地面站与试验卫星传输时延差值、地面站与卫星间环境因素带来的传输延迟量。

2.2.2 多普勒效应模拟

星间卫星存在相对运动，接收端收到信号时会发生多普勒频移，因此，星间链路地面试验需模拟多普勒频移效应，使试验接近真实环境。多普勒公式定义为[13]：

(1)

式中，f0为卫星信号发射频率,v为卫星间径向运动速度，c为光速，r为卫星间相对位置矢量。星间链路地面试验验证时，卫星位置由测控系统得到，虚拟卫星速度由地面控制中心仿真得到。因此，地面站在发射试验卫星Ka频段通信数据时，要进行多普勒效应模拟。其多普勒效应转换过程公式为：

(2)

(3)

2.2.3 空间环境模拟

空间环境模拟主要通过虚拟信道技术实现对地面试验的空间损耗、空间干扰等的模拟。

(1)空间干扰模拟

星间链路采用Ka频段相控阵天线本身具有良好的抗干扰性能，但在信息传播过程中，仍存在链路互干扰、单频干扰等；文献[15]指出，Walker星座链路在一定时间段中平均互干扰为69.8232dB，单频干扰信干比平均为-12.01dB，干扰直接影响卫星通信的误码率。因此，在星间链路通信协议地面试验系统中，可在地面站发射Ka信号前，对信号加干扰信道，如添加随机噪声等，然后再发射到试验卫星。

(2)空间损耗模拟

星间通信和星地通信都存在传输损耗，并且传输损耗量大，因此，星间链路地面试验系统中必须考虑传输损耗。同时，星间通信和星地通信信道环境不同，在进行地面试验时，必须对空间损耗进行补偿。试验中，主要考虑自由空间损耗和雨衰损耗；实际星间链路过程中，不存在雨衰损耗，因此试验必须对发射功率进行补偿。

自由空间损耗公式为：

(4)

式中，f为天线发射频率，c为光速，d为空间传播距离。地面试验中根据星间距离和发射频率调整信号的发射功率。

国际上，雨衰损耗通常采用ITU-RP618提供的CCIR模型，其计算公式为[16]：

A0.01=γRLE

(5)

式中，A0.01表示超过年平均0.01%雨衰，γR为降雨损耗率，LE为有效路径长度，公式具体推导参见文献[16]。根据Ka信号工作频率，计算过程中选取频率段为10GHz≤f≤100GHz。

在星间链路地面试验中，无需考虑雨衰情况时，发射功率调整公式如下：

10lg(Tr)-10lg(Lf1)≈10lg(Tr′)-10lg(Lf1′)

(6)

式中，Tr,Tr′,Lf1,Lf1′分别表示理论发射功率、实际试验发射功率、理论的自由空间损耗和实际试验自由空间损耗。调整后，地面站与卫星的自由空间损耗与待测星座星间自由空间损耗率相同。

存在雨衰情况时，应根据试验需求和式(7)直接补偿雨衰，调整发射功率，消除试验环境带来的影响。

2.3 正交试验设计技术

星间链路组网算法的可行性和性能试验验证时，影响因素多，试验周期长，过程复杂。为得到较好的试验结果，不同的试验方法所需要的试验次数各不相同。因此，设计性能优的试验方案能从一定程度上降低试验成本，更快的达到试验目的。目前，常见的试验方法有正交试验、均匀试验和抽样试验等。而正交试验方法能获取高质量、高可靠性的试验数据；并且，在合理的试验安排下，正交实验能次数少，结果优的完成试验任务[17]。因此，本文采用正交试验进行星间链路组网试验。

2.3.1 正交试验设计

处理多因素情况下，如A,B,C 三种因素时，且每个因素取3个具有代表性的值，利用正交试验，通过9次实验可以找到最佳水平组合。正交试验利用正交表安排试验， 3个平面分别代表3种因素，平面上有3个取值，每个平面上的点均匀分布，代表性强。结果能够全面的反应试验情况，用尽可能少的次数找到试验最佳水平。

星间链路组网功能和性能测试试验的目的是找到星间链路组网算法的组网代价或缺陷，此处将其定义为组网代价因子P。其中，P定义为：

(7)

式中，Pi为第i个代价因子，包括建链跳数、天线切换频率、数据误码率、建链功耗、建链时延、网络吞吐量、网络利用率、网络可用性、网络带宽容限和故障处理能力等；λi为代价权值，可根据评定指标和代价因子对星间链路组网的影响进行确定。

(1)确定试验影响因素

影响星间链路组网试验的因素主要包括Ka通信频率、天线切换速率、空间干扰、卫星天线扫描范围，天线发射功率、天线指向及卫星天线切换能力等。

测试过程中，多因子同时试验时存在严重的耦合问题，并且多因子同时试验加大了试验的控制量，进而增加了试验控制带来的误差。因此，单批实验设计过程中，可将接近相互独立的3个因素作为试验因素.

(2)量化试验影响因素

为简化处理，以A,B,C表示影响试验的3个主要性能指标，并确定各因素的取值范围。

(3)正交表的制作

选择三因素三水平正交表，如表2所示。

表2 三因素三水平正交表

(4)正交试验分析

按照表2进行正交试验，代入各因素、各水平值，计算得到带有试验数据的正交表3。

表3 正交试验处理表

(5)极差分析

采用如式(10)～(11)计算：

(8)

Rmax,j=max(δ1j,δ2j,δ3j)，1≤j≤3

(9)

Rmin,j=min(δ1j,δ2j,δ3j)，1≤j≤3

(10)

式中，δ,Rmax和Rmin为中间变量，最终极差计算方法如表4所示。

表4 极差分析表

分析测试结果，如果R1>R2>R3，则说明因素1对试验影响最大。此时，得到了试验因素与组网代价的取值曲线。然后在试验约束条件下，将组网代价曲线作为已知量，并取得最大代价对应的因素水平值，再开展进一步试验。

2.3.2 正交试验结果处理

试验过程中，实际星地试验系统按照星间链路组网算法进行建链通信；最终根据长时间的测试结果，对星间链路组网进行综合判定。试验中，如果发现异常或者是结果超出了指标范围，则首先应当排除试验设计存在缺陷的问题。如果试验设计存在缺陷，则立即对试验方案进行改进并重新组织试验；否则，可以判定待试验的星间链路组网策略不能满足要求。

3 应用

3.1 应用分析

根据实际试验需求，在只有单颗试验卫星时，星间组网试验可按如下步骤开展：

1) 协议试验(试验卫星和地面站虚拟卫星)，包括协议正确性、一致性和鲁棒性等试验；

2) 局部组网试验(试验卫星和地面站虚拟建链规划中与试验卫星有建链的虚拟卫星)，进行试验卫星转发、重传和拥塞控制等组网能力试验；

3) 全星座组网试验(试验卫星和地面站模拟其它所有虚拟卫星业务)，进行组网综合性能试验，包括广播、多播和组播等试验，验证组网吞吐量、传播时延等网络性能指标试验。

在具备多颗试验卫星时，试验卫星之间可以进行组网，同时地面试验系统也能够模拟与试验卫星组网的虚拟卫星；对于每颗试验卫星都可以用上述方法进行试验，直至达到最终目的。

3.2 应用示例

为验证天线发射功率、天线指向和卫星天线扫描角度对北斗二代导航系统中的卫星MEO1和IGSO1的建链性能影响，进行如下试验：设定星间最大距离为70000km,天线实际发射功率为比额定功率低0dB, 6dB, 9dB，天线指向精度(俯仰角精度)为0,-0.3, -0.5，天线扫描角度为45°，精度为0,-1.25,-2.5；建链性能以可见时间概率计算。按照穷举法来做试验，则需要做33=27次。采用正交法可设计如表5实验。

表5 正交试验处理结果

采用正交试验，在控制天线发射功率、天线指向、卫星天线扫描角度时，得到表6极差分析结果：

表6 极差分析结果

经分析，有R3>R1>R2；在精度指标范围内，卫星天线扫描角度精度对组网建链性能影响最大，天线发射功率与天线指向精度对组网建链性能影响少且非常接近。因此，在星间链路组网地面试验设计中，需要重点考虑卫星天线扫描角度控制精度的影响。通过将天线扫描角度精度设为指标精度值，然后对组网算法进行评判，这样再通过少量试验就达到了试验目的。

4 结论

综上所述，基于虚实结合的星间链路组网地面试验验证系统能模拟整个星间链路信息处理流程，可以实现单颗试验卫星接入的组网试验，同时也能支持多颗试验卫星的星间链路组网试验。通过地面试验场景的正交试验设计，可同时综合多因素情况下的星间链路组网试验，在较少试验次数情况下能找到影响星间组网的主要因素，为后续开展和优化星间链路组网试验提供了试验依据。该方法在不影响星间链路组网试验验证结果的情况下，有效避免了单因素下重复试验中凸显的高费用、高风险等问题。

[1] 杨宇.GNSS中星间链路分配方法的研究[D].湖南：湖南大学，2013.(Yang Yu. Research on ISLs Allocation Method in GNSS[D].Hunan： Hunan University, 2013.)

[2] 林益明，何善宝,郑晋军,等.全球导航星座星间链路技术发展建议[J].航天器工程，2010,19(6):1-7 (Lin Yiming, He Shanbao, Zheng Jinjun, et al. Development Recommendation of Inter-satellites Links in GNSS[J]. Spacecraft Engineering, 2010, 19(6): 1-7.)

[3] 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. (Tan Shusen. Development and Thought of Compass Navigation Satellite System[J]. Journal of Astronautics, 2008, 29(2):391-396.)

[4] 孙娟.导航星座星间链路设计研究[D].南京:南京航空航天大学，2011. (Sun Juan. Design and Research of Inter Satellite Links for Navigation Constellation[D]. Nanjing:Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2011.)

[5] Gunnar B Simon C, John F.An independent set approach for the communication network of the GPS III system[J]. Discrete Applied Mathematics 161(4-5): 573-579 (2013.)

[6] Derek R,Robert L,Angelo T.GPS End- To- End System Test & Evaluation Methodology[R].AIAA-2009-1730,2009.

[7] 尹霞，吴建平.一种路由协议测试框架研究[J].清华大学学报(自然科学版)，2001,41(1)：81-84.(Yin Xia, Wu J P. Framework to Routing Protocols Testing[J]. Department of Computer Science and Technology, Tsinghua University, 2001,41(1)：81-84.)

[8] 秦大国，李波，陈小武，赵洪利.空间通信链路半实物仿真平台设计与实现[J].航天控制，2009,27(6)：66-74.(Qin Daguo,Li Bo, Chen Xiaowu, Zhao Hongli. Design and Implementation Platform for Satellite of Semi-physical Simulation Communication Links[J]. Aerospace Control, 2009,27(6)：66-74.)[9] 张新邦.航天器半物理仿真应用研究[J]. 航天控制2015,33(1): 77-83.(Zhang Xinbang. The Research on Application of Hardware in the loop Simulation for Spacecraft[J].Aerospace Control, 2015,33(1) : 77-83.)

[10] Wang Y, Li J, Chen G, et al. Repeated sending file delivery protocol in satellite networking communication[J]. Systems Engineering and Electronics, Journal of, 2012, 23(6): 815-823.

[11] 高明亮.LEO/MEO卫星网络动态路由协议的仿真测试[J].控制工程，2009,5 (1)：136-139. (GAO M L. Simulation test of dynamic routing protocol in LEO/MEO satellite network[J].Control Engineering of China, 2009,5(1)：136-139.)

[12] Nandra A, Govil J, Kaur H. Optimization of satellite link design[C]//Southeastcon, 2008. IEEE. IEEE, 2008: 147-152.

[13] 彭耿，黄知涛，李强,等.中低轨卫星信号的多普勒频移估计与补偿[J].系统工程与电子技术, 2009,31 (2) : 256-260.(Peng Geng, Huang Zhitao , Li Qiang，et al. Doppler frequency shift estimation and compensation for LEO and MEO satellite signals[J].Systems Engineering and Electronics, 2009，31 (2) : 256-260.)

[14] Hwang C, Tseng T P, Lin T J, et al. Quality assessment of FORMOSAT-3/COSMIC and GRACE GPS observables: analysis of multipath, ionospheric delay and phase residual in orbit determination[J]. GPS Solutions, 2010, 14(1) :121-131.

[15] 谢学东.导航星座星间链路的干扰抑制技术研究[D].长沙：国防科技大学，2011.(Xie Xuedong. Research on the technologies of Anti-jamming and suppression on Inter-Satellite Links between Navigation satellites[D]. Changsha: National University of Defense Technology,2011.)

[16] 李莉.降雨空间分布模拟及雨衰减分析[D].西安：西安电子科技大学,2014.(Li L. Simulation of rain spatial distribution and analysis of rain attenuation[D]. Xi’an:Xi Dian University,2014.)

[17] 赫行舟，李春生.正交试验设计方法在试验设计中的应用[J].河南交通科技，1999,16(6)：26-28.(Hao Xingzhou, Li Chunsheng. Orthogonal test method’s applications on testing designs[J]. Science and Technology of Henan Communication, 1999, 16(6)：26-28.)

A Framework of Ground Test and Verification for Inter-Satellite Links Communication Based on Virtual and Physical Combined Technique

Peng Haijun1,2, Wang Ling1, Huang Wende2, Yang Jun2

1. College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China 2. College of Mechatronics Engineering and Automation, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China

Buildingagroundtestandverificationexperimentenvironmentisaneffectivewaytoreducetheriskoftheinter-satellitelinks(ISLs)technology.Inthispaper,atestandverificationframeworkofISLscommunicationprotocolisimplemented,whichisaimedatfiguringoutthenetworkingtestingandverificationproblemsoffunctionandperformance.Morespecifically,basedontherealISLsinformationprocessing,aschemeconsistedofvirtualandrealsatellitesiscreated,whichtakesorthogonaltestascommunicationprotocolverificationmethodofISLs.ThroughscenesandmethodsdesignofISLs,atestandanevaluationanalysismethodaredeveloped.Astheresultsofperformance,thisframeworkisafeasiblescheme,whichpossesseslowcostandlowrisk,andtotallymeetsthegroundtestandverificationrequirementsofsignalsatelliteaccessingandcommunicationprotocoltesting.

Inter-satellitelinks;Orthogonaltest;Networktopology;Routerpolice;Frameworkdesign

*国家自然科学基金(41274023)和科技重大专项(GFZX0301010105)共同资助

2015-07-29

彭海军(1991-)，男，湖南衡南人，硕士研究生，主要研究方向为星间链路；王 玲(1962-),女，博士，长沙人，教授，主要研究方向为现代通信与网络技术等；黄文德(1981-)，男，广西宁明人，博士，讲师，主要研究方向为航天器轨道动力学、卫星导航系统技术；杨 俊(1972-)，男， 江苏如皋人，教授，博士，主要研究方向为空间仪器工程、卫星导航技术。

V448．25+3

A

1006-3242(2016)02-0031-07