基于自适应网络的星间链路抗毁性研究

朱俊鹏,赵洪利，杨海涛

(中国人民解放军装备学院 a.研究生管理大队； b.训练部；c.复杂电子系统仿真实验室， 北京 101416)



基于自适应网络的星间链路抗毁性研究

朱俊鹏a,赵洪利b，杨海涛c

(中国人民解放军装备学院 a.研究生管理大队； b.训练部；c.复杂电子系统仿真实验室， 北京 101416)

星间链路技术是提高卫星网络自主性的一项核心技术，用户对于星间链路工作的稳定性和抗毁性具有较高的依赖。通过对星间链路的建链策略的分析，明确了影响星间链路抗毁性的各类因素；通过对自适应网络的分析，提出了解决星间链路抗毁性的方法和研究思路；在此基础之上，提出了抗毁性的整体构架，以及总体流程图和一些重要过程的算法，并通过仿真验证了整体框架的可行性。

星间链路；自适应；抗毁性

美国的铱星低轨移动通信系统早在20世纪末期就开始运用星间链路技术，而目前，美国的GPS系统、欧洲的GALILEO系统、俄罗斯的GLONASS系统以及我国的“北斗”二代导航系统都将星间链路技术纳入到未来建设的构思当中。

使用星间链路技术，卫星星座能够在空中组网，结合地面中心的控制，实现卫星网络节点的连接，将在轨的卫星有机地联结为一个整体，使得各颗卫星所采集的数据实时传回地球，这种实时性在星间链路实际运用上的应用尤为重要，尤其是关键节点的卫星出现轨道机动以及发生故障、失效时，因而对星间链路组网的抗毁性提出比较高的要求。

1 星间链路抗毁性性能影响分析

与地面一般通信网络不同，由于卫星在轨高速运动导致星间链路的网络拓扑结构处于时刻变化之中，因此，星间链路抗毁性性能也处于时刻变化之中。结合对一般通信网络的抗毁性分析可以得出影响星间链路抗毁性的主要因素有：星间建链策略、卫星重要性。

1.1 星间链路建链策略

星间建链涉及星座资源优化分配，在建链时要避免出现某颗卫星建立星间链路的条数太少或者太多，所以星间建链策略的基本特点要同时满足短时建链，稳态建链要求，使所组成的星间网络拓扑结构随着卫星的运动而处于静态、动态稳定之中。网络拓扑结构主要包括星座构型、网络节点数量、网络边的数量等基本要素。

星座构型，即卫星星座构型。通过对Walker24/3/2星座进行研究可知，处于同一轨道卫星之间的观测仰角、方位角等几何参数都是在固定范围内变化的，当卫星天线角度确定后，同轨道卫星的星间可视关系也随之确定。异轨道卫星间的可视性则由天线角度决定，且随时间变化。

网络节点数量，即卫星数目。对于星间通信而言，节点数目越多，边数越多，传输的时效性就越好，网络也趋于扁平化，其稳健性增强。但考虑到成本、频带资源有限等各方面因素，组网卫星数量总是有限。

网络边数量，即星间链路建链总数。星间建链总数取决于卫星可视性，而卫星可视性取决于天线波束指向范围和信号捕获载噪比门限。由于卫星可视性随着卫星运动时刻变化，因此星间链路可建链总数也是随时间变化的。

1.2 卫星重要性

卫星的重要性，即卫星在星间链路以及网络拓扑结构中位置的重要性。不同的卫星失效对星间链路影响不同。因此，不同卫星对其可靠性和贡献率不同。

卫星在网络拓扑结构中的重要性越高，在发生故障或者摧毁后对整个星间链路网络的影响也越大；反之，卫星在网络拓扑结构中重要性越低，对星间链路的影响也就越小。关键卫星的失效，对整个星间链路工作性能有巨大影响。

2 自适应网络性能分析

目前，星间链路运行时出错或者失效处理一般都是通过人为的配置实现的，即通过地面控制人员监视卫星运行状态。这种解决方法，在大规模的星间链路网络中，由于卫星数目较多，人工监视与配置无法面对巨大的工作量，使效率很低，影响了星间链路实时性的特征。

为了解决上述问题，结合星间链路抗毁性性能，引入自适应网络保证星间链路过程的有效性，在不需要人为参与的情况下，将大大提高星间链路在卫星失效时自组网的效率。

自适应的星间链路网络直接针对网络中所有卫星运行失效的问题，通过自适应算法选择新的卫星进行组网，使整个网络过程的有效性和实时性得到保障，从而使星间链路网络具有自适应特性。

具体来说，星间链路网络的自适应特性主要表现在：

网络的自修复，即确保整个星间链路中的某些卫星失效之后，星间链路能够快速重新组网，所有的任务执行能快速恢复。例如在一个星间链路网络中，当关键卫星运行失效后，必须及时寻找新的关键卫星建立连接，实现整个过程的自修复。

节点的自优化，即一个星间链路网络的运行效果依赖于网络中各颗卫星的工作品质。例如在上面提到过的，当找到新的卫星建立星间链路后，为了使网络的拓扑和星间可视性保持相对稳定，需要对卫星的观测仰角、方位角等几何参数进行调整，这就是节点的自优化。

3 研究思路

本文通过对星间链路抗毁性分析和自适应网络分析，设计了星间链路自适应抗毁性的全过程，该过程主要由自适应算法的启用和结束、寻找关键卫星节点、修改卫星参数这几个重要的技术过程组成，总体流程如图1所示。

图1 总体流程

3.1 自适应算法启用与结束

星间链路网络本身就是一个静态、动态相结合的网络。随着卫星的运动，卫星之间的链路总是处于切换和重构中。正常工作时，静态星间建链和动态星间建链方法已经构建好，建链卫星之间的关系相对固定。只有当卫星出现失效，卫星要重新与原来设计范围外的卫星重新组网时，才需要使用自适应算法，当重新组网完毕后，须停止自适应算法。

自连接率C指某一卫星某一时刻与其建立链路的卫星数N，与卫星此刻可视卫星数目M(由卫星星座运行设计方案可知，某一卫星某一时刻M值是可知的)的比值。

(1)

在这个过程中需要指定一个自连接率阈值RTH作为自适应算法的启用和结束条件，如果C

3.2 关键节点卫星选择

由1.2节可知，当卫星失效时，剩下卫星采用自适应算法，要建立连接的卫星首先要满足对关键节点卫星的选择，根据星间链路数据传输网络的实际工作特点，本文采用基于节点聚合度的关键节点，对卫星的重要性进行选择。定义网络的关键节点即聚合度较大的节点。

在网络图G(N,E)中，用Ai表示节点ni的一跳邻节点集，节点ni的聚合度定义为此图的度数与子图节点总数的比值，用公式表示为

(2)

该值是子图G′(节点ni及其一跳邻节点组成的子图)的度数与节点总数的比值，表示子图G′中节点间联系的密切程度。其中，l表示节点ni与其一跳邻节点集Ai所组成的并集中所有节点之间存在的链路，则|l=(i,j)∈L|i,j∈Ai∪{ni}|表示这些链路的数目。定义越大，节点在网络中所占的分量越重。这样就可以对卫星节点的重要性进行选择。

采用如图2所示的流程进行对重要节点卫星的选择，其步骤如下。

1) 确定可视性卫星数量M。

2) 遍历所有可视性卫星，计算出各颗卫星的Pi(i=1,2,…,M)。

3) 找出最大的Pi，Pmax=Pi。

图2 节点卫星选择流程

3.3 卫星参数调整

星间链路的构建除了满足可视性之外，还要对建立星间链路的仰角跟方位角重新进行调整才能完整建立起可靠的星间链路。

由于卫星之间有相对运动，为了使得星间链路建立效果更加稳定，需要对卫星的仰角、方位角等参数重新调整。星间链路指向变化的角度相对某卫星A的坐标系变化情况如下

(3)

(4)

(5)

式中 θs， φs分别为星间链路指向在卫星坐标系下的仰角和方位角； x，z分别为卫星A坐标系在惯性坐标系上的方向矢量；rISL为两颗卫星的链路矢量；rn，rm分别为两颗卫星的地心矢量；rsxy为卫星星间链路矢量在卫星坐标系X，Y平面上的投影。因此，两颗卫星要构建星间链路仰角、方位角还需满足以下条件

|φs|<φant, |θs|<θant

(6)

采用图3所示的流程图对建立的星间链路进行参数的调整，其步骤如下：

1) 计算θs，φs。

2) 判断θs，φs是否满足公式(6)。若满足进行3)，若不满足进行4)。

3) 建立连接，终止自适应算法。

4) 调整卫星的θant，φant。返回2)，若满足进行3)，若不满足进行5)。

5) 按节点聚合度排序大小，选择可视范围内聚合度，返回1)。

图3 参数调整流程

4 仿真测试

首先用STK搭建一个星间链路系统，该系统由30颗低轨卫星和6颗中轨道中继星组成，低轨卫星分布在6个轨道面上，每个轨道5颗星，每颗星与其轨道的上下两颗星和相邻轨道的左右两颗星以及与其距离最近的中继星共5颗星，建立星间链路，每颗星可视范围内有4颗低轨卫星和两颗中继星。如图4所示。

图4 仿真模型

选取低轨卫星satellite111，satellite121，satellite131，3个不同轨道的3颗卫星作为研究对象。

通过STK对所选的卫星的方位角和仰角变化情况进行分析，确定方位角、仰角所需的合适取值范围，确保卫星方位角、仰角的变化在合理的范围，在不影响飞行姿态的前提下进行微调，达到与新建中继星进行通信的要求，由STK计算所得satellite111，satellite121，satellite131的方位角和仰角变化范围如表1所示。

表1 实验卫星方位角、仰角

在分析的过程中使与实验卫星相连的中继星失效，通过STK与matlab互联观察这些实验卫星自连接率的变化；接着载入自适应网络和算法，分别画出3颗实验卫星的自连接率。仿真结果如图5所示。

图5 仿真结果

通过仿真，验证了本设计的可行性，当某颗低轨卫星相连的中继星失效后，通过自适应算法能够快速的与可视范围内另一颗星自动建立连接，从而保持星间链路的正常运行。

5 结论

本文对卫星星间链路抗毁性进行了分析和设计，分析了星间链路抗毁性、自适应网络特性，设计了星间链路抗毁性的工作流程，提出了具体方法，并通过实验进行验证。但在研究过程中，是在理想化的条件下通过Matlab对STK中的卫星进行控制，相比实际应用中，缺少了对卫星信号处理、传输时延性的考虑，在今后的研究中，提高信号处理速度是对在轨卫星控制的重要技术，也是下一步深入开展星间链路技术研究的方向之一，这些技术对于星间链路组网的快速性、稳定性和抗毁性具有重要的意义。根据本文提出的方法对星间链路抗毁性进行设计时，需要根据不同卫星星座结构和任务要求，结合具体应用背景进行研究。

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(责任编辑 杨继森)

Invulnerability Study Based on Self-Adaptive Network for Inter-Satellite Links

ZHU Junpenga， ZHAO Honglib， YANG Haitaoc

(a.Department of Graduate Management; b.Training Department; c.Science and Technology on Complex Electronic System Simulation Laboratory, Equipment Academy of PLA, Beijing 101416, China)

Inter-satellite links technology is a key technology to improve the autonomy of the satellite network, and the user has high depend on the stability and invulnerability of the inter-satellite links. Firstly, according to the analysis of the linking strategy of the inter-satellite links, it figures out the factors which influence the invulnerability of the inter-satellite links; secondly, according to the analysis of the self-adaptive network, it figures out the research approach which can resolve the invulnerability of the inter-satellite links; and lastly, according to the overall flow and some algorithm, it has put forward the whole construction of the invulnerability of the inter-satellite links. The feasibility of the whole framework is verified by simulation.

inter-satellite links; self-adaptive; invulnerability

10.11809/scbgxb2017.07.028

2017-03-18；

2017-04-20

朱俊鹏(1993—)，男(土家族)，硕士研究生，主要从事信息网络安全研究；赵洪利(1964—)，男，博士，教授，主要从事信息网络安全研究。

format:ZHU Junpeng， ZHAO Hongli， YANG Haitao.Invulnerability Study Based on Self-Adaptive Network for Inter-Satellite Links[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(7):129-132.

TN927

A

2096-2304(2017)07-0129-04

本文引用格式：朱俊鹏,赵洪利，杨海涛.基于自适应网络的星间链路抗毁性研究[J].兵器装备工程学报，2017(7):129-132.