低轨航空安全监视星座路由规划算法设计与仿真

郑晓冬，顾青涛,鲍亚川,叶红军

(1.卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，河北 石家庄 050081；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；3.北京卫星导航中心，北京 100094)

0 引言

随着民用航空产业的蓬勃发展，航空安全的保障日益得到各国政府、企业以及科研机构的关注。目前最为通用的航空安全监视手段是全球范围内所建立ADS-B位置报告体制，民用飞行器通过搭载ADS-B信号机，按照一定的时间间隔进行自身位置信息的播发，在陆地范围广泛布设的地面监测站接收导航信号后，可以近实时获取飞行器的位置信息，信息汇总后由空管部门实现对区域航班动态的监控[1-2]。但是马航MH370事件充分暴露了基于地面布设的监测网难以对全球广大海域范围内的飞行进行有效监控，由此所带来的安全隐患得到了国际范围的关注[3-4]。伴随空间信息网络的快速发展，依托卫星系统建设航空安全监视系统由于其全球范围和可控的成本优势，逐步得到各国的青睐，目前包括美国和中国在内都已开展相关系统的布局和技术研究[5]。

基于卫星平台进行航空安全监视，监视信息要通过星间链路网络传回地面站，因此在星间链路网络路由规划算法设计方面要充分考虑网络动态特性以及可靠传输需求，众多学者针对星间链路网络路由规划算法开展了大量研究[6-8]。

面向基于低轨星座和星间链路建立的低轨航空安全监视网络在全球范围内实现数据高效可靠回传的需求，进行了路由算法设计研究，并开展了仿真验证，试验表明所设计的路由规划策略可以有效保障航空安全监视信息的高效、高可靠传输需要。

1 低轨航空安全监视网络构成

本文研究的基于低轨航空安全监视星座，是由66颗卫星组成的Walker星座，星座排布为6个轨道面，每个轨道面由11颗卫星构成,如图1所示。每颗卫星装载4部星间链路波束天线，可以与同轨道面相邻卫星以及相邻轨道面的2颗卫星建立星间链路，组成覆盖全球范围的星间链路网络。系统在中国境内设置了2处地面站，所有的航空安全监视由卫星接收后，在2处地面站落地[9-12]。

图1 低轨航空安全监视星座设计

2 星间链路路由规划算法设计

针对低轨星座星间链路未来可能的多种星间链路频谱带宽条件及多业务负载情况，提出了适用于不同网络条件下的星间链路路由规划方法设计，并结合本项目低轨星座航空安全监视系统设计功能和性能指标要求，形成了基于双重不交叉路径传输的多地面站就近落地算法设计，满足了航空安全监视信息快速落地和高可靠传输的需求[13-14]。

2.1 基于最短路径的多地面站就近落地算法

2.1.1 适用条件

当星间链路资源十分充沛，不需考虑规划链路冲突，以追求监视数据落地时延最小为目标时，对于低轨航空安全监视星座，将设计多个地面站，同时满足监视数据下行传输落地需求，设计实现了基于最短路径的多地面站就近落地算法。

2.1.2 方法步骤

输入：卫星节点s，地面站集合D，地面站数目NStation，网络拓扑矩阵A。

if(s!∈D)

for(i=1;i≤NStation;i++)

输入矩阵A，采用Dijkstra算法计算得到最短路径Pi;

end

获得路径集合{Pi}，1≤i≤NStation，i∈N

{Pi}排序，获得最小值Pd

end

输出：落地地面站d，最短路径Pd。

2.2 多路径路由高可靠传输规划方法

2.2.1 适用条件

以提高安全监视信息传输可靠性为目的，系统设计中提出了监视信息冗余传输设计，冗余传输链路≥2。在路由规划中就需要对同一航班的安全监视信息采用多条不交叉路径进行多备份传输，避免因部分卫星或链路故障可能导致的航空安全监视信息丢失，最大限度提高航空安全监视信息传输的可靠性[15-18]。

2.2.2 方法步骤

输入：源节点s，目标节点d，多路径数目Npath，网络拓扑矩阵A

if(s!=d)

for(i=1;i≤Npath;i++)

A1=A;

输入矩阵Ai，采用Dijkstra算法计算得到最短路径Pi;

删除矩阵Ai中Pi的转发节点行与列，得到Ai+1；

end

end

输出：多路径集{Pi}，1≤i≤Npath，i∈N。

2.3 基于分区机制的负载均衡路径规划方法

2.3.1 适用条件

当安全监视信息数据量较大，星间链路信道资源受限情况下，对于接近地面站的节点或航空安全监视信息较多的节点，转发传输负载较重的单一路径规划有可能导致由该节点转发的传输时延增大，甚至信息超出卫星缓存能力导致丢失。

基于上述考虑设计了基于分区机制的负载均衡路由规划方法，即不同区域卫星采用不同的路由规划策略，避免由于所有卫星均按照相同规则进行路由选择，导致个别卫星链路传输压力过大的问题。

2.3.2 方法步骤

首先定义星间链路负载不均衡度，即统计所有节点转发次数，获得转发次数方差。当所有链路占用次数一致时，负载不均衡度为0；当不同链路占用次数差异越大，负载不均衡度将越大。

基于某种规则，将卫星星座划分为K个动态区域，形成分区集合{Si}，1≤i≤K，i∈N；对不同分区Si内的卫星根据需求，采用不同的路由规划准则，分别获取路由规划集合{Pi}，1≤i≤K，i∈N。

3 仿真系统设计

天基航空安全监视网络仿真平台划分为低轨航空安全监视星座仿真模块、时变拓扑分析模块、路由规划与分析模块以及动态展示模块，如图2所示。仿真平台通过模块间数据传输，完成低轨星座航空安全监视。

图2 星间链路网络仿真平台构成

3.1 仿真输入

低轨卫星星座参数：卫星轨道高度、轨道倾角等参数；

地面站：根据经纬度进行地面站配置；

飞行器轨迹：设置飞行器的起始位置及轨迹、速度等。

3.2 仿真过程

星座模拟仿真模块：通过STK软件对低轨卫星星座、地面站以及飞机飞行轨迹进行动态仿真，构建低轨航空安全监视星座动态模型；生成低轨卫星星座飞机动态位置数据报告。

时变拓扑分析模块：根据星地建链、卫星监视飞机和星间建链规则，进行飞机与卫星建链、星地建链和星间建链分析，生成包含距离信息的飞机与卫星、星地和星间的时变拓扑矩阵。

路由规划与分析模块：根据路由规划算法，进行低轨星座-地面站路由规划、路径时延和转发跳数分析，并生成报告；根据飞机与卫星动态拓扑矩阵，进行飞机-星座-地面站路由规划。

动态展示模块：通过STK软件、Matlab-GUI进行航空安全监视模型仿真3D，2D动态展示界面、航空安全监视动态路由规划、地面入站时延和地面站入站试验均值分析界面的动态展示。

3.3 仿真输出

航空安全监视动态路由规划报告、星地路由规划报告、传输时延报告、转发跳数分析报告；航空安全监视模型仿真3D，2D动态展示界面、航空安全监视动态路由规划、地面入站时延和地面站入站试验均值的GUI展示界面。

3.4平台功能

① 空间节点动态仿真；

② 提供空间节点动态位置数据报告；

③ 整网时变拓扑矩阵计算；

④ 空间节点路由规划；

⑤ 路由规划传输时延和转发跳数分析；

⑥ 动态展示分析报告。

4 算法验证

4.1 基于最短路径的多地面站就近落地

模拟低轨星座安全监视数据落地传输过程，设计采用了2个站点。仿真结果如图3和图4所示。

单一时刻落地传输入站传输时延最大值为4.602 s，传输时延均值为2.628 s；单一时刻落地传输入站转发跳数最大值为9跳，转发跳数均值为5.143跳。

图3 单一时刻-落地入站时延

图4 单一时刻-落地入站跳数

仿真24 h低轨星座监视数据落地进行路径规划的过程，对数据进行统计。

每个时隙的监视数据传输时延均值均小于3.2 s，所有卫星24 h传输时延的均值为2.589 2 s。

每个时隙的监视数据传输转发跳数均值均小于6跳，所有卫星24 h转发跳数均值为5.068跳。

图5和图6仿真结果表明，在链路资源充裕条件下，以实现数据传输时延最小为目标，进行星间链路路由规划，可以满足传输时延10 s的技术指标要求，并且有较大余量。

图5 落地入站时延均值(24 h)

图6 落地入站转发跳数均值(24 h)

4.2 面向高可靠传输需求的星间链路网络多路径路由

模拟低轨星座安全监视数据落地的多路径路由规划过程，实验中对所有节点进行两路径规划，仿真结果如图7和图8所示。两路径传输时，次优路径相比于最优路径在传输时延方面会有所延长，但是仍然可以保证在较快时间段内实现信息回传。

图7 单一时刻-北京入站时延

图8 单一时刻-北京入站跳数

卫星链路中的任意一颗卫星发生故障，都有可能导致借由该卫星转发的信息丢失或中断，因此可以考虑采用多路径传输避免上述问题出现。

图9为统计分析一天内单颗卫星出现故障将可能导致的链路中断概率。单颗卫星出现故障，一天内最多将可能导致10%的链路中断，平均链路中断概率为6.77%。

图9 一天内单颗卫星故障导致的链路中断概率

图10统计了某一时刻单颗卫星故障受影响的链路数量，在该时刻下21号卫星正处于地面站上空，其故障将导致39条链路中断，整网链路中断率将高达50.7%。

图10 单一时刻单颗卫星故障受影响链路数量

由于系统设计对同一架飞机由大于等于2颗卫星同时进行ADS-B信息发送，所以单颗卫星故障不会造成其覆盖区域内航班监视能力的缺失；同时，由于所有信息都采用不交叉的双重路径进行传输，所以单颗卫星故障也不会造成其转发信息的丢失。因此采用双重不交叉路径规划方法，可以彻底避免单颗卫星故障对航空安全监视的影响。

4.3 基于分区机制的负载均衡路径规划

基于统一的路由规划方法，如本节所提出的就近落地算法，在某一时刻，所有卫星转发次数如图11所示，该时刻负载不均衡度为25.35。采用分区机制路由方法，将整个星座分为2个区域，分别采用不同的算法，负载不均衡度降低为15.6。

图11 特定时刻的负载不均衡度变化

统计一天内所有卫星负载均衡程度如图12所示。单一策略下整星座负载不均衡度MSE为20.76，采用分区均衡策略后，负载不均衡度MSE为6.55，链路负载均衡程度改善度达68%。

图12 一天内负载不均衡度变化

5 结束语

伴随空间信息网络的快速发展，依托卫星系统建设航空安全监视系统的相关技术难题已初步开始布局研究，其路由规划算法与仿真验证技术也是研究热点之一，本文设计了多站就近落地、高可靠备份传输及分区负载均衡等3种算法，可实现双重不交叉路径传输的多地面站就近落地规划设计，试验表明其具备一定的适用性和应用参考价值。