基于自適應網絡的星間鏈路抗毀性研究

朱俊鵬,趙洪利，楊海濤

(中國人民解放軍裝備學院 a.研究生管理大隊； b.訓練部；c.復雜電子系統仿真實驗室， 北京 101416)

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基于自適應網絡的星間鏈路抗毀性研究

朱俊鵬a,趙洪利b，楊海濤c

(中國人民解放軍裝備學院 a.研究生管理大隊； b.訓練部；c.復雜電子系統仿真實驗室， 北京 101416)

星間鏈路技術是提高衛星網絡自主性的一項核心技術，用戶對于星間鏈路工作的穩定性和抗毀性具有較高的依賴。通過對星間鏈路的建鏈策略的分析，明確了影響星間鏈路抗毀性的各類因素；通過對自適應網絡的分析，提出了解決星間鏈路抗毀性的方法和研究思路；在此基礎之上，提出了抗毀性的整體構架，以及總體流程圖和一些重要過程的算法，并通過仿真驗證了整體框架的可行性。

星間鏈路；自適應；抗毀性

美國的銥星低軌移動通信系統早在20世紀末期就開始運用星間鏈路技術，而目前，美國的GPS系統、歐洲的GALILEO系統、俄羅斯的GLONASS系統以及我國的“北斗”二代導航系統都將星間鏈路技術納入到未來建設的構思當中。

使用星間鏈路技術，衛星星座能夠在空中組網，結合地面中心的控制，實現衛星網絡節點的連接，將在軌的衛星有機地聯結為一個整體，使得各顆衛星所采集的數據實時傳回地球，這種實時性在星間鏈路實際運用上的應用尤為重要，尤其是關鍵節點的衛星出現軌道機動以及發生故障、失效時，因而對星間鏈路組網的抗毀性提出比較高的要求。

1 星間鏈路抗毀性性能影響分析

與地面一般通信網絡不同，由于衛星在軌高速運動導致星間鏈路的網絡拓撲結構處于時刻變化之中，因此，星間鏈路抗毀性性能也處于時刻變化之中。結合對一般通信網絡的抗毀性分析可以得出影響星間鏈路抗毀性的主要因素有：星間建鏈策略、衛星重要性。

1.1 星間鏈路建鏈策略

星間建鏈涉及星座資源優化分配，在建鏈時要避免出現某顆衛星建立星間鏈路的條數太少或者太多，所以星間建鏈策略的基本特點要同時滿足短時建鏈，穩態建鏈要求，使所組成的星間網絡拓撲結構隨著衛星的運動而處于靜態、動態穩定之中。網絡拓撲結構主要包括星座構型、網絡節點數量、網絡邊的數量等基本要素。

星座構型，即衛星星座構型。通過對Walker24/3/2星座進行研究可知，處于同一軌道衛星之間的觀測仰角、方位角等幾何參數都是在固定范圍內變化的，當衛星天線角度確定后，同軌道衛星的星間可視關系也隨之確定。異軌道衛星間的可視性則由天線角度決定，且隨時間變化。

網絡節點數量，即衛星數目。對于星間通信而言，節點數目越多，邊數越多，傳輸的時效性就越好，網絡也趨于扁平化，其穩健性增強。但考慮到成本、頻帶資源有限等各方面因素，組網衛星數量總是有限。

網絡邊數量，即星間鏈路建鏈總數。星間建鏈總數取決于衛星可視性，而衛星可視性取決于天線波束指向范圍和信號捕獲載噪比門限。由于衛星可視性隨著衛星運動時刻變化，因此星間鏈路可建鏈總數也是隨時間變化的。

1.2 衛星重要性

衛星的重要性，即衛星在星間鏈路以及網絡拓撲結構中位置的重要性。不同的衛星失效對星間鏈路影響不同。因此，不同衛星對其可靠性和貢獻率不同。

衛星在網絡拓撲結構中的重要性越高，在發生故障或者摧毀后對整個星間鏈路網絡的影響也越大；反之，衛星在網絡拓撲結構中重要性越低，對星間鏈路的影響也就越小。關鍵衛星的失效，對整個星間鏈路工作性能有巨大影響。

2 自適應網絡性能分析

目前，星間鏈路運行時出錯或者失效處理一般都是通過人為的配置實現的，即通過地面控制人員監視衛星運行狀態。這種解決方法，在大規模的星間鏈路網絡中，由于衛星數目較多，人工監視與配置無法面對巨大的工作量，使效率很低，影響了星間鏈路實時性的特征。

為了解決上述問題，結合星間鏈路抗毀性性能，引入自適應網絡保證星間鏈路過程的有效性，在不需要人為參與的情況下，將大大提高星間鏈路在衛星失效時自組網的效率。

自適應的星間鏈路網絡直接針對網絡中所有衛星運行失效的問題，通過自適應算法選擇新的衛星進行組網，使整個網絡過程的有效性和實時性得到保障，從而使星間鏈路網絡具有自適應特性。

具體來說，星間鏈路網絡的自適應特性主要表現在：

網絡的自修復，即確保整個星間鏈路中的某些衛星失效之后，星間鏈路能夠快速重新組網，所有的任務執行能快速恢復。例如在一個星間鏈路網絡中，當關鍵衛星運行失效后，必須及時尋找新的關鍵衛星建立連接，實現整個過程的自修復。

節點的自優化，即一個星間鏈路網絡的運行效果依賴于網絡中各顆衛星的工作品質。例如在上面提到過的，當找到新的衛星建立星間鏈路后，為了使網絡的拓撲和星間可視性保持相對穩定，需要對衛星的觀測仰角、方位角等幾何參數進行調整，這就是節點的自優化。

3 研究思路

本文通過對星間鏈路抗毀性分析和自適應網絡分析，設計了星間鏈路自適應抗毀性的全過程，該過程主要由自適應算法的啟用和結束、尋找關鍵衛星節點、修改衛星參數這幾個重要的技術過程組成，總體流程如圖1所示。

圖1 總體流程

3.1 自適應算法啟用與結束

星間鏈路網絡本身就是一個靜態、動態相結合的網絡。隨著衛星的運動，衛星之間的鏈路總是處于切換和重構中。正常工作時，靜態星間建鏈和動態星間建鏈方法已經構建好，建鏈衛星之間的關系相對固定。只有當衛星出現失效，衛星要重新與原來設計范圍外的衛星重新組網時，才需要使用自適應算法，當重新組網完畢后，須停止自適應算法。

自連接率C指某一衛星某一時刻與其建立鏈路的衛星數N，與衛星此刻可視衛星數目M(由衛星星座運行設計方案可知，某一衛星某一時刻M值是可知的)的比值。

(1)

在這個過程中需要指定一個自連接率閾值RTH作為自適應算法的啟用和結束條件，如果C

3.2 關鍵節點衛星選擇

由1.2節可知，當衛星失效時，剩下衛星采用自適應算法，要建立連接的衛星首先要滿足對關鍵節點衛星的選擇，根據星間鏈路數據傳輸網絡的實際工作特點，本文采用基于節點聚合度的關鍵節點，對衛星的重要性進行選擇。定義網絡的關鍵節點即聚合度較大的節點。

在網絡圖G(N,E)中，用Ai表示節點ni的一跳鄰節點集，節點ni的聚合度定義為此圖的度數與子圖節點總數的比值，用公式表示為

(2)

該值是子圖G′(節點ni及其一跳鄰節點組成的子圖)的度數與節點總數的比值，表示子圖G′中節點間聯系的密切程度。其中，l表示節點ni與其一跳鄰節點集Ai所組成的并集中所有節點之間存在的鏈路，則|l=(i,j)∈L|i,j∈Ai∪{ni}|表示這些鏈路的數目。定義越大，節點在網絡中所占的分量越重。這樣就可以對衛星節點的重要性進行選擇。

采用如圖2所示的流程進行對重要節點衛星的選擇，其步驟如下。

1) 確定可視性衛星數量M。

2) 遍歷所有可視性衛星，計算出各顆衛星的Pi(i=1,2,…,M)。

3) 找出最大的Pi，Pmax=Pi。

圖2 節點衛星選擇流程

3.3 衛星參數調整

星間鏈路的構建除了滿足可視性之外，還要對建立星間鏈路的仰角跟方位角重新進行調整才能完整建立起可靠的星間鏈路。

由于衛星之間有相對運動，為了使得星間鏈路建立效果更加穩定，需要對衛星的仰角、方位角等參數重新調整。星間鏈路指向變化的角度相對某衛星A的坐標系變化情況如下

(3)

(4)

(5)

式中 θs， φs分別為星間鏈路指向在衛星坐標系下的仰角和方位角； x，z分別為衛星A坐標系在慣性坐標系上的方向矢量；rISL為兩顆衛星的鏈路矢量；rn，rm分別為兩顆衛星的地心矢量；rsxy為衛星星間鏈路矢量在衛星坐標系X，Y平面上的投影。因此，兩顆衛星要構建星間鏈路仰角、方位角還需滿足以下條件

|φs|<φant, |θs|<θant

(6)

采用圖3所示的流程圖對建立的星間鏈路進行參數的調整，其步驟如下：

1) 計算θs，φs。

2) 判斷θs，φs是否滿足公式(6)。若滿足進行3)，若不滿足進行4)。

3) 建立連接，終止自適應算法。

4) 調整衛星的θant，φant。返回2)，若滿足進行3)，若不滿足進行5)。

5) 按節點聚合度排序大小，選擇可視范圍內聚合度，返回1)。

圖3 參數調整流程

4 仿真測試

首先用STK搭建一個星間鏈路系統，該系統由30顆低軌衛星和6顆中軌道中繼星組成，低軌衛星分布在6個軌道面上，每個軌道5顆星，每顆星與其軌道的上下兩顆星和相鄰軌道的左右兩顆星以及與其距離最近的中繼星共5顆星，建立星間鏈路，每顆星可視范圍內有4顆低軌衛星和兩顆中繼星。如圖4所示。

圖4 仿真模型

選取低軌衛星satellite111，satellite121，satellite131，3個不同軌道的3顆衛星作為研究對象。

通過STK對所選的衛星的方位角和仰角變化情況進行分析，確定方位角、仰角所需的合適取值范圍，確保衛星方位角、仰角的變化在合理的范圍，在不影響飛行姿態的前提下進行微調，達到與新建中繼星進行通信的要求，由STK計算所得satellite111，satellite121，satellite131的方位角和仰角變化范圍如表1所示。

表1 實驗衛星方位角、仰角

在分析的過程中使與實驗衛星相連的中繼星失效，通過STK與matlab互聯觀察這些實驗衛星自連接率的變化；接著載入自適應網絡和算法，分別畫出3顆實驗衛星的自連接率。仿真結果如圖5所示。

圖5 仿真結果

通過仿真，驗證了本設計的可行性，當某顆低軌衛星相連的中繼星失效后，通過自適應算法能夠快速的與可視范圍內另一顆星自動建立連接，從而保持星間鏈路的正常運行。

5 結論

本文對衛星星間鏈路抗毀性進行了分析和設計，分析了星間鏈路抗毀性、自適應網絡特性，設計了星間鏈路抗毀性的工作流程，提出了具體方法，并通過實驗進行驗證。但在研究過程中，是在理想化的條件下通過Matlab對STK中的衛星進行控制，相比實際應用中，缺少了對衛星信號處理、傳輸時延性的考慮，在今后的研究中，提高信號處理速度是對在軌衛星控制的重要技術，也是下一步深入開展星間鏈路技術研究的方向之一，這些技術對于星間鏈路組網的快速性、穩定性和抗毀性具有重要的意義。根據本文提出的方法對星間鏈路抗毀性進行設計時，需要根據不同衛星星座結構和任務要求，結合具體應用背景進行研究。

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(責任編輯 楊繼森)

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

朱俊鵬(1993—)，男(土家族)，碩士研究生，主要從事信息網絡安全研究；趙洪利(1964—)，男，博士，教授，主要從事信息網絡安全研究。

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：朱俊鵬,趙洪利，楊海濤.基于自適應網絡的星間鏈路抗毀性研究[J].兵器裝備工程學報，2017(7):129-132.