COMPASS卫星网络基于DT-DVTR的路由算法研究

2018-03-29赵超毅李绍前

电子设计工程 2018年2期

赵超毅，陈勇，李绍前

（1.中国科学院上海微系统与信息技术研究所上海200050；2.上海微小卫星工程中心上海201203；3.中国科学院大学北京100049）

星间链路（inter satellite links，ISL）系统是指卫星与卫星，卫星与地面站之间构成的具有精密测量和数传功能的动态无线网络[1]。在导航卫星领域，星间链路可以辅助地面站进行联合定轨并增强系统的定位精度与可靠性，同时也能够使GNSS系统在没有地面站支持的情况下，自主运行一段时间。目前GPS，GLONASS，GALILEO以及我国的北斗导航系统均采用星间链路以提高系统性能。

星间链路中的一个技术难点是星间路由算法[2]。由于卫星的计算能力与存储能力受限，所以路由算法应该尽可能简单与易于实现。路由算法应该适用尽可能小的代价计算出卫星与卫星的建链关系，同时满足用户QoS需求。同时，应该考虑避免卫星网络的链路拥塞与负载均衡[2-4]。

文中，首先，建立了北斗导航系统的星间链路模型，分析了各类卫星的轨道参数与地面站配置，从而得出北斗导航系统的卫星网络参数。然后，根据对卫星网络拓扑结果的分析以及星间链路性能需求的分析，提出了基于DT-DVTR的路由算法。最后，通过软件仿真的方式，对本路由算法的性能进行了仿真[5]，得到点对点时延，广播时延，PDOP等关键评估指标的仿真结果，对工程的实施提供了一定的参考。

1 星间链路模型

北斗导航系统包含3类卫星，分别为GEO，IGSO和MEO。

在北斗三期中GEO卫星数量为3颗，分布于东经 80°、东经 110.5°和东经 140°的赤道上空，文中使用Gi(i∈[1,3])来表示这3颗GEO卫星。IGSO卫星的数目为3颗，运行在轨道倾角为55°的地球同步轨道上，这3颗IGSO卫星在地球表面的星下轨迹投影重合，相位差为120°，文中使用Ii(i∈[1,3])来表示这3颗IGSO卫星。MEO卫星的数目为24颗，采用σ-Walker 24/3/1星座，轨道高度21 528 km，轨道倾角55°，文中使用Mij(i∈[1,3],j∈[1,8])来表示处于第i个轨道平面上的第j颗MEO卫星。

在北斗三期中，地面站主要分运控站与测控站。文中，采用北京、三亚、喀什三个节点作为地面运控站，采用三亚、渭南、佳木斯、喀什以及南美的圣地亚哥作为地面测控站，各站最小仰角采用10°进行仿真计算。

2 路由算法

2.1 约束条件

受建站范围的限制，国内的注入站对境外卫星不可见时间长达7小时，不能满足每小时对卫星星历进行更新的要求，也不满足卫星下行关键业务数据传输的要求。在现有条件下，只能通过星间链路，将整网卫星星历分发到全星座，将全星座观测数据、关键业务数据回传至主控站，实现全球系统导航业务正常运行。北斗全球系统对星间链路的需求主要体现在星间精密测量（测距），和星间数据分发及境外卫星控制管理（数传）[4]。

2.1.1 测距约束

对标准定位服务来说，导航性能指标主要有星座覆盖性、定位精度、可用性、完好性和连续性等，其中可用性是建立在星座覆盖性、精度之上，更加贴近用户需求的一个重要指标。可用性一般包括导航星座在特性服务区的可见星数和精度衰减因子（Dilution of Precision，DOP）[3]。由于可见星数并不能反映用户的定位精度，在用户等效测距误差（User Equivalent Range Error，UERE）已知时，定位精度完全由DOP确定。DOP又细分为位置精度衰减因子（Position Dilution of Precision，PDOP）、水平精度衰减因子（Horizontal Dilution of Precision，HDOP）和垂直精度衰减因子（Vertical Dilution of Precision，VDOP），它们之间存在着函数关系。通常，在导航中的定位精度主要是三维空间中的位置精度，因此PDOP常用来评价导航星座的服务可用性[6]。文中，根据自主导航和精密定轨的业务需求，单星伪距测量几何分布的指标要求为PDOP<1.5。

2.1.2 数传约束

星间链路数传主要进行运控上注、遥控遥测等信息的星间分发和回传，重点解决地面可见卫星与境外不可见卫星之间的信息传输问题。考虑到遥控信息实时性要求较高，要求可见卫星与不可见卫星星间建链的跳数应尽可能少，在文中，星间链路数传实时性指标为：状态与工控信息中继下传时延不大于10 s（星间端到端），运控、测控指令信息中继注入时延不大于10 s（星间端到端），广播类信息从发送到全网最后一颗卫星收到此信息时延不大于60 s。

2.2 COMPASS网络分析

北斗导航系统采用时分体制，具有灵活时隙分配能力，各个节点接入网络的时隙预先分配，同步介入，接入时隙的分配确定了整个星座中在任意时刻的连接状态，直接影响应用业务和网络传输性能。卫星与卫星之间的建链关系由地面计算，以时隙表、路由表的形式注入到卫星，卫星根据接收到的时隙表，执行不同的卫星建链操作。

对于星间可见性，文中考虑如下因素：1）地球遮挡；2）太阳的影响（日凌）；3）两颗卫星之间的距离（60 000 km以内）[7-8]。

由可见性分析[9]可知，在COMPASS网络中，每颗MEO卫星共有8颗持续可见的卫星。由于Walker星座的对等性，每颗MEO的空间特性与其他卫星是一致的。以第一轨道面的第一颗MEO卫星MEO11为例，与MEO11持续可见的8颗卫星为，MEO13，MEO14，MEO16，MEO17，MEO21，MEO24，MEO35，MEO38，其中4颗通轨，4颗异轨。

持续可见链路具有拓扑结构基本固定，链路数量较少，DOP值变化小，不需要频繁切换链路等特点[10-12]，在对8条持续可见链路的PDOP[6，13]值分别进行了计算后发现，当采用这8条持续可见链路时，PDOP值维持在1.29～1.42范围，满足PDOP<1.5的指标要求，使得系统的定位精度得到保证。所以应该优先选择持续可见链路。

对于非持续可见链路，应该优先建立境内星-境外星链路，在保证测量需求的前提下，尽量保证每个建链周期（1分钟）内节点卫星与境外卫星间建链时隙的均匀分布。同时需要尽量减少境内卫星与境内卫星的星间建链。

2.3 基于DT-DVTR算法的改进路由策略

DT-DVTR（DiscreteTimeDynamicVirtualTopology Routing）算法是广泛应用于LEO通信星座下的星间链路路由算法，它的核心思想是根据卫星网运行的周期性特点，将卫星网系统周期划分为一系列的时间片段。在每个时间片段内，卫星网拓扑是固定不变的，这样就可以采用动态规划等算法找到最优路径以及备选路径[14-16]。

针对COMPASS系统的网络特点，本文对DTDVTR算法进行了改进，主要改进点为：

1）对于GEO、IGSO，尽可能建立境内-境外链路，优先选择长时间没有与境内通信的境外星。

2）对于MEO，优先在每分钟内建立永久星间链路，其次建立境内-境外链路，优先选择最长时间没有与境内星通信的境外星。对于境外-境外链路，采用动态规划算法，优先选择下一个时隙与境内星通信且无信道堵塞的境外星。

3 仿真实验

3.1 仿真设计

本文使用STK对星座的构型进行了仿真，如图1。

图1 STK星座构型仿真

本文采用的仿真环境为VC+STK+MySQL，利用C语言编写的卫星数据处理模型，可以实现对卫星整星信息流的应用层仿真，该模型能够完成对北斗导航系统各个分系统间接口电文的解析与卫星内部的处理及重新编排，从而仿真真实卫星的数据处理流程。通过调用STK的C语言接口，可以实时获得星间可见性，从而完成星间的数据传输。MySQL数据库会收集记录卫星模型、地面站模型的所有入口出口数据，通过对数据库中保存的数据的分析、处理，从而得到电文的传输时延、丢包率等，图2是一个时隙的仿真流程中一颗卫星的数据处理流程。

图2 一个时隙的仿真流程中一颗卫星的数据处理流程

3.2 仿真结果分析

根据数据库中实验数据的统计，得到表1中的仿真结果，仿真结果主要包含上行链路时延及丢包率，系统的PDOP值波动范围。

表1 仿真实验统计结果

根据对数据库中记录的仿真数据的分析，时延主要是由于境内卫星的数据累积和缓存区（队列）排队引起的。

试验中广播类数据是指地面站发送命令给全网卫星，这里定义广播类数据的时延为从地面站发送起到最后一颗卫星接收到该数据包的时间，仿真结果中最大广播类时延小于1分钟的约束条件，满足上行关键指标。

对于下行遥测，主要分为两类，一类为关键包，另一类为普通遥测。普通遥测在卫星采样之后直接发送给地面，这样会导致境外卫星发送的遥测地面站无法接收到。关键包不仅通过卫星直接发给地面，也会通过星间链路进行回传，任何一条路径到达地面，就认为该数据包被正确传输了，否则认为丢包。

在仿真试验中，下行的关键包传输时延分布如图3所示，横坐标为数据包发送时刻，单位为秒，纵坐标为上注时延，单位为秒。遥测关键包的丢包率为4.79%，在对试验数据进行分析后发现，在某些时隙，个别境外卫星在连续的几个时隙没有和境内星建立星间链路，这导致了大量的遥测数据的积累，从而造成了较大的遥测传输时延以及节点卫星遥测缓存区溢出，造成丢包。

图3 下行遥测时延分布图

4 结论

本文介绍了改进的基于DT-DVTR的虚拟拓扑ISL路由算法，通过对关键指标的仿真实验，该算法满足COMPASS系统测量与数传指标需求，具有以下优点：1）预先在地面站计算路由，然后以路由表的形式注入卫星，这样可以充分利用地面站的计算能力，提高星间链路的服务性能。2）卫星只需要查表即可，不需要实时的计算路由。简少了卫星的计算量，同时星上的实现也更加容易。3）简化星间通信协议设计的难度。

该算法未来的优化方向主要为：1）整网中继卫星数据流量的负载均衡；2）极个别时隙链路堵塞造成的较大传输时延问题；3）优化星上缓存区设计，提高卫星存储能力的利用率；4）增加容错机制，如果某颗卫星出现故障无法工作之后，目前只能通过对全网重新注入新的路由表来解决故障。

本文的分析只是一个初步的结果，对于链路中节点卫星的负载均衡与缓存区优化并没有做详细的分析，随着研究的深入，对于上述优化方向仍需更进一步的研究与探索。

[1]林益明，何善宝，郑晋军.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.

[2]陈建云，吴光耀，冯旭哲，等.卫星星座星间链路通信链路拓扑分析[J].仪器仪表学报，2014，35（12）：101-105．

[3]李国重，李建文，焦文海，等.顾及卫星故障修复的导航星座PDOP可用性分析方法研究[J].武汉大学学报，2010，35（7）：841-845．

[4]DUAN Chao-fan，JING Feng，XIONG Xin-li，et al.Modeling and analysis of Inter-Satellite Link based on beidou satellites[C]//INFOCOMP 2016，2016:45-50.

[5]GAO L，ZHAO H，JIANG J.Modeling and simulation for dynamic topology network of SIS[J].Journal of System Simulation，2006，18（2）:69-72.

[6]蔡昌盛，戴吾蛟，匡翠林.GPS/GLONASS组合系统的PDOP计算和分析[J].测绘通报，2011（11）：5-7．

[7]卢勇，赵有健，孙富春，等.卫星网络路由技术[J].软件学报，2014（5）：1085-1100．

[8]高丽娟，蒋太杰.卫星网络连接度与高效路由算法分析与改进[J].系统工程与电子技术，2014（10）：2071-2075．

[9]杨霞，李建成.Walker星座星间链路分析[J].大地测量与地球动力学，2012，32（2）：113-147．

[10]易先清，冯明月，赵阳，等.一种基于GEO/MEO星层组网的卫星网络抗毁路由研究[J].计算机科学，2007，34（8）：74-82．