面向大规模低地球轨道卫星网络的星间链路连接策略

针对大规模低地球轨道(LEO)卫星网络,提出了2类新型星间链路(ISL)连接策略:Grid-V和Grid+,并对传统的Grid连接策略进行改进。所提策略充分利用了次邻轨和跨邻轨星间链路,Grid-V连接策略舍弃了Grid连接策略的轨内链路,利用次邻轨和跨邻轨的星间链路形成网络拓扑;Grid+连接策略在保留Grid连接策略中的星间链路基础上,允许卫星与同轨道或者次邻轨道卫星建立跨星连接。针对Walker-Delta星座构型的大规模LEO卫星网络,设计了基于所提星间链路连接策略的最短距离路由算法,并分别从几何拓扑和数据包层面对路由进行了系统级仿真,以评估各连接策略的性能。仿真结果表明,在几何拓扑层面,所提策略可以有效减少平均路由跳数与路径切换次数;在数据包层面,所提策略在往返时延及抖动、路径占用率、平均吞吐量等方面具有更好的性能。

星间链路通信收发一体化系统设计

随着卫星制造发射成本的降低以及全球通信需求的增加,低轨星间链路技术成为研究热点;星间链路可将多颗卫星互联,建立具有导航和通信功能的自主运行系统,可靠的通信技术是当前的研究重点;为了适应外太空具有较大多普勒频移的高动态环境,设计了星间链路通信收发一体化系统;发射端采用UQPSK直接序列扩频技术,双通道架构可同时完成不同速率的导航与通信数据的发射,再运用LDPC编码技术提升数据发射速率与稳定性;接收端采用改进的PMF-FFT分段捕获算法与归一化最小和LDPC译码算法,以快速准确捕获星间信息;在FPGA硬件平台经过多次测试,该系统均可在高动态环境下,正确快速捕获到多普勒频移高达±341 kHz的信号,捕获算法时间均可保持在200 ms以内,符合实际应用中的性能需求。

一种用于天基低轨卫星网络边缘计算的GA-DDPG卸载算法

低轨卫星网络是第六代移动通信系统(6G)网络的重要组成部分,弥补了地面基站覆盖的盲区.由于星上计算能力和电池容量受限,导致任务出现时延长和能耗高的问题,因此在低轨卫星网络中引入边缘计算,边缘计算的一项关键技术就是计算卸载.针对计算卸载过程中星间环境动态变化和高维动作空间的问题,提出一种基于遗传算法(GA)和深度确定性策略梯度(DDPG)的天基低轨卫星网络边缘计算卸载算法——GA-DDPG算法.卫星边缘计算环境的不断变化会导致DDPG奖励稀疏和探索性不足,将GA引入到DDPG算法中,首先,利用GA的选择算子使DDPG算法能够适应不断变化的卫星环境;然后,针对动作空间维度变大导致DDPG算法收敛不稳定的问题,利用GA种群的多样化探索和种群的冗余提升DDPG算法收敛的稳定性.仿真结果表明,GA-DDPG卸载算法能够降低天基低轨卫星网络计算负载,且时延和能耗均低于DDPG卸载算法和GA卸载算法.与DDPG卸载算法相比,GA-DDPG卸载算法还能提升收敛速度和稳定性.

面向6G通信的多层低轨卫星网络路由算法

在面向6G的移动通信网络中,低轨卫星网络(LEO,Low Earth Orbit)运行高度低、时延小,可大范围部署实现全球广域低时延通信。当前低轨卫星星座正朝着多层轨道面发展,多层轨道的跨层链路增加了数据传输路径,但跨层轨间链路的频繁通断,增大了多层LEO网络层间路由选择的难度。为此提出了一种面向6G移动通信的多层LEO卫星网络路由算法。首先建立跨层链路,面向端到端传输时延和可靠性需求,分析影响跨层轨间链路频繁通断的因素,基于LEO卫星网络虚拟位置思想,选择卫星节点对建立可靠跨层链路;然后实现路由选择,基于所建立的跨层星间链路,采用时空演化图模型刻画动态网络拓扑,设计最短路径算法计算最佳传输路径。最后,构建三层卫星网络场景对所提算法进行仿真验证。结果表明,相对于现有方法,所提算法在端到端时延和可靠性均有明显提升。

Schmidt算法在导航卫星自主定轨中的应用

针对现有导航卫星自主定轨采用的等效观测Kalman滤波算法精度难以进一步提升的问题,本文将顾及卫星间状态量协方差信息的Schmidt分布式算法应用于自主定轨,给出了逐观测量处理的Schmidt分布式算法测量更新和时间更新计算公式,提出了采用平方根滤波方法解决Schmidt分布式算法用于星间链路定轨时协方差阵非负定问题。仿真和实测数据自主定轨结果表明,相比等效观测分布式滤波算法,本文方法能够有效提升自主定轨精度。

一种适用于北斗三号星间扩展用户的定轨算法

针对北斗卫星导航系统星间链路网络扩展服务航天器的精密轨道确定及时间同步需求,提出了基于多项式轨道拟合方法的轨道确定与时间同步算法,克服了传统算法中使用北斗星间链路双向测量数据必须具备初始轨道和钟差等先验信息的约束,可有效拓宽北斗星间链路使用场景。该算法以多项式表达航天器一段时间的轨道和钟差,并使用星间双向测量数据基于最小二乘算法迭代估计多项式系数,从而完成航天器轨道和钟差解算。利用北斗三号星间链路在轨实测数据的试验表明定轨和时间同步精度均在0.12 m以内,有效验证了该算法的正确性。

链路及节点多属性融合的低轨卫星网络路由算法

针对低轨卫星网络面对破坏性事件系统性能损失多、通信延迟和丢包率高的问题,提出了基于多属性的低轨卫星网络多路径路由算法。在采用虚拟拓扑方案仿真的低轨卫星星座中,计算源节点与目标节点之间的多条可行路径,该算法融合卫星间链路属性和相邻卫星节点属性构建路径的传输成本模型,自适应调整两类属性对传输成本的影响权重,每颗卫星将路径传输成本的归一化结果作为通过该路径转发报文的概率,并独立进行分布式的路由选择。仿真结果表明,与经典的低轨卫星网络多路径路由算法相比,无论网络负载较大发生拥塞时,还是卫星遭受网络攻击或出现故障时,该算法性能下降缓慢,丢包率和平均端到端延迟更低,且具有良好的负载均衡能力,有效增强了路由的可用性。

面向全球部署的地球同步轨道卫星全实时测控方案研究

全球部署地球同步轨道卫星时面临的全实时测控问题,设计综合利用星地链路和星间链路的测控方案.该方案将测控任务划分为视线内和视线外两个阶段,视线内以星地链路为主,星间链路为辅,完成测控/数传信息的实时传输;视线外通过构建数据数传接力星形成体系内星间链路,结合北斗导航星座星间链路/中继卫星星间链路构成体系外星间链路,实现测控/数传信息的实时传输.分析测控/数传链路在任务周期内的链路余量、传输时延等指标,评估了方案的可靠性.结果表明,该文设计的方案测控任务的可靠度在0.99以上,数传任务的可靠度可达0.9,能够有效支持地球同步带卫星全球部署,满足测控任务需求.

基于星星双中继的国际月球科研站的全时无缝通信

2021年中国提出与相关国家、国际组织和国际合作伙伴共同开展国际月球科研站建设的建议,引起多方广泛关注,国际月球科研站工程建设按计划顺利推进.国际月球科研站建设完成后,与中国地面控制中心间保持全时无缝通信将是重要需求.中国地面深空测控网设立的国外站,长期来看可能存在一定风险,例如降低中国地面深空测控网的可用性,影响国际月球科研站与地面控制中心间的全时通信.为此,根据中国对月探测现状,借鉴天链中继卫星系统的设计、建设、应用、发展实际,提出一个“鹊桥–天链”星星双中继通信设想.从几何可见性角度进行多种条件的覆盖仿真分析,并从传输体制、链路设计、系统组成、捕获跟踪、工作流程、整体定位等多方面进行研究分析,初步完成了基于星星双中继的国际月球科研站全时无缝通信研究.在地面控制中心统一控制下,通过地面深空测控网、星星双中继的综合利用,国际月球科研站与地面控制中心间的全时无缝通信将具备完全实现的技术基础.此外,该设想也可为地月空间、行星际探测的其他航天器通信提供借鉴,并可进一步促进中国地基测控网、天基测控网和深空测控网的融合发展.

基于星间链路的天基遥感中继联合调度方法

通过星间链路(Inter satellite link,ISL)实现遥感卫星和中继卫星互联互通,能将天基遥感数据及时落地,缩短遥感反应时间,故对卫星遥感与中继联合调度问题进行研究。在对上述问题进行描述和分析的基础上,以最大化总的任务优先级为目标函数,以可见时间窗、服务时间窗口以及唯一性等为约束条件构建遥感与中继联合调度规划模型。本文设计了基于自适应大规模邻域搜索框架的联合调度优化算法(Adaptive large‑scale neighborhood search based joint scheduling algorithmⅡ,ALNS‑JS‑Ⅱ)。该算法利用任务分配算子将多星调度分解成多个单星并行调度子问题,利用自适应的方法对所有算子进行选择,整个算法实现了遥感调度和中继调度间有效交互。为了验证ALNS‑JS‑Ⅱ算法的有效性,与遥感中继高耦合的自适应大规模邻域索算法(Adaptive large neighborhood search based highly coupled joint scheduling algorithmⅠ,ALNS‑JS‑Ⅰ)及基于自适应大规模邻域搜索的遥感中继分两阶段独立调度算法(Two stage ALNS,Ts‑ALNS)等在多种任务场景下进行对比实验。实验结果表明,ALNS‑JS‑Ⅱ算法相比ALNS‑JS‑Ⅰ算法以及Ts‑ALNS算法在算法求解收益上分别提高4.58%和1.48%,在求解效率上增加20%~30%。ALNS‑JS‑Ⅱ算法对遥感与中继资源联合调度问题有更好的求解能力。

微波与激光融合的卫星互联网信道特性研究

单一地面移动通信、卫星通信方式已难以满足新时代通信大容量、高速率传输需求。微波通信与激光通信深度融合的天地一体化卫星互联互通网络通过激光通信技术提高星间链路的通信速率与容量,通过Q/V频段微波通信技术提高星地链路的可用带宽,解决Ka、Ku频段频谱资源饱和问题,提高频谱效率。本文研究微波星地链路与激光星间链路信道特性,对通信链路进行建模仿真,分析信遮挡效应、多普勒频移、自由空间传播损耗与大气损耗等影响因素,为微波与激光融合的卫星互联网链路设计提供重要参考。

基于网络科学理论的“星链”卫星网络模型构建与分析

为研究激光通信终端(LCT)有效距离及星间链路(ISL)对“星链”卫星网络属性的影响,针对“星链”系统中各卫星节点及节点间关系,依据网络科学理论、轨道学和LCT性能,设定8类LCT有效距离与3种ISL规则,构建“星链”卫星网络模型。通过对比分析各种规则不同有效距离参数下的“星链”卫星网络中度值和平均最短路径值,发现LCT有效距离是影响“星链”卫星网络中信息传递效率的关键因素。ISL对提高网络信息传递交互性能,增加信息连通路径具有重要作用。研究成果为多角度研究“星链”卫星网络提供模型参考,为评估“星链”网络因素和ISL规则影响提供一种新思路。

密集低轨星座启发式星间路由算法设计

星间链路决定了整个密集低轨星座的通信性能,而基于链路连通性的路由算法发挥着不可替代的重要作用。为提高星间链路通信性能,基于Python程序语言设计了一种启发式星间路由算法,在路径带宽和最大容忍时延的双约束条件下,对路径开销与端到端时延的混合参数进行统筹优化。将遗传算法与蚁群算法动态融合,加速全局最优收敛过程、增强算法的稳定性。最后,通过星链星座参数实例进行了仿真,仿真结果验证了所提启发式星间路由算法的优越性。

基于极化调制的星间链路通信算法研究

现有的星间链路通信中,主要采用频分多址(Frequency Division Multiple Access,FDMA)和时分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)提高频谱利用率和信息传输的时效性,FDMA和TDMA分别通过分配不同的频点和时隙区分不同的星间链路.随着卫星数量的增多,尤其是低轨卫星星座的不断建设,星间链路的频谱和时隙越发紧缺,这对采用FDMA和TDMA体制的星间链路带来了严峻挑战.针对此问题,提出了一种极化多址接入的星间链路体制,引入极化调制算法,利用信号的极化状态承载信息.仿真验证表明:极化多址星间链路体制在频谱效率和时效性能方面相比现有星间链路算法分别提升了18倍和2倍,在很大程度上解决了星间链路频谱和时隙资源紧缺的问题,为后续星间链路设计提供了参考.

基于星间链路的全球短报文服务可用性分析

在北斗全球短报文的传输过程中,星间链路网络在其中起到重要的作用,在系统运行过程中或太空对抗中可能发生星座一个或多个节点故障,势必影响全球短报文系统的服务可用性。针对北斗短报文业务和星间链路的传输特性,设计了基于星间链路的全球短报文仿真分析方法,设计了20个不同的星座故障场景,对仿真数据进行整理,统计不同场景不同时间的短报文服务受损情况。结果表明,当短报文载荷故障卫星总数小于或等于2时,对短报文服务区域几乎无影响,当短报文载荷卫星故障数在3~6时,服务区域损失在10%以内,说明在少量卫星故障下,仍能保持较高的服务可用性,基于星间链路的全球短报文系统具有较好的稳健性。

路由器带宽池化技术在域间链路故障恢复中的应用

随着信息技术的飞速发展,网络规模持续扩大,业务需求急剧增长,网络设备故障导致的链路中断问题日益严峻。传统的故障处理方法高度依赖人工介入,不仅响应时间长,处理过程复杂,而且难以满足现代网络对高可靠性和快速恢复的需求。本文探讨了带宽池化技术在域间链路故障恢复中的应用,分析了其在提升网络稳定性和缩短故障恢复时间方面的优势,并阐述了带宽池化技术的实现原理、技术特点及应用实例,为未来的网络故障恢复提供了创新思路和方法。

面向星间高动态链路的激光通信测距一体化技术

面向星间链路的激光通信测距一体化技术将高速通信与测距定位的功能相结合,可以有效缓解当前通信速率低、链路隐蔽性差、卫星载荷冗杂的问题。但相干体制下的星间激光链路易受多普勒频偏的影响,通信质量与测距精度急需提高。对此文中提出一种基于定时同步环路的精准测距与消除频偏的方法。通过定时同步环路,在星间距离为100 km~1500 km,符号速率为5GBaud条件下,有效提高测距精度到10-1mm。同时可以对星间链路中±125 kHz范围内的码多普勒频偏进行估计补偿,有效去除相干体制下多普勒频偏的干扰,最终实现提高测距精度与抗频偏能力的目的。

电力信息-物理相互依存网络脆弱性评估及加边保护策略

随着一次电网与信息系统深度融合,研究电力信息-物理系统的交互连锁故障机理与保护措施具有十分重要的理论价值与现实意义。基于相互依存网络理论,建立了电力信息-物理相互依存网络模型。由于相依网络的脆弱性同时受到依存边与网间拓扑互相似性的影响,文章首先基于复杂网络理论,对华中500k V电力网及其信息网的拓扑结构特性进行对比分析。其次,考虑网间节点的相互依存关系,定量评估了信息网与电力网的拓扑互相似性。通过对华中500 kV电力信息-物理相依网络在随机故障下的连通脆弱性进行评估,发现:虽然网间的相互依存提高了电力系统的脆弱性,但由于信息网与电力网的拓扑具有高度互相似性,这使得电力信息-物理相互依存网络避免了一阶相移。针对电力网与信息网的结构特点,研究了低度数节点加边策略及其分配策略对电力信息-物理相互依存网络的脆弱性的影响。仿真结果证明了低度数节点加边策略的有效性,且加边分配策略对改善电力信息-物理相互依存网络的脆弱性具有重要影响。

导航卫星精密定轨与时间同步技术进展

全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)通过播发卫星钟差和精密轨道信息实现时间和空间基准信息向导航用户的传递.随着高精度原子钟等导航卫星载荷、星间链路等天基/地基监测手段以及数据处理方法等技术的不断更新,卫星轨道和钟差产品的精度和实时性也逐步提升. 2018年12月,北斗三号卫星导航系统正式开通,为'一带一路'国家提供实时高精度、高可靠的基本导航定位服务.综述了北斗导航系统从北斗二号区域系统到北斗三号全球系统精密定轨与时间同步处理面临的困难和挑战,针对上述问题,阐述了北斗运行控制系统的解决途径和实现指标.与GPS等其他GNSS系统进行比较,分析了不同导航系统技术特点.最后展望了精密定轨与时间同步技术未来的发展路线图,为更高精度的GNSS导航定位授时服务提供参考.

北斗三号卫星两种定轨模式精度比较分析

北斗全球卫星导航系统(BDS-3)已经于2018年年底建成基本系统,并计划于2020年建成完整系统,而精确的卫星轨道是实现高性能全球服务的前提。本文基于北斗三号基本系统的18颗中圆轨道(MEO)卫星,评估了北斗三号卫星星间链路的测量噪声与测距精度,利用中国境内12个区域监测站的星地观测和星间链路观测,进行了联合卫星轨道测定试验,并与单纯区域监测站观测定轨结果进行了比较,分析了两种定轨模式重叠弧段轨道误差、轨道预报精度和激光检核精度。结果表明:北斗三号卫星的星间链路测量噪声为2.9cm,测距精度约为4.4cm;仅采用区域测站定轨,重叠弧段三维位置误差RMS为66.7cm,加入星间链路后可降低至15.4cm,提高了76.9%,24h轨道预报位置精度也由114.1cm提升至20.3cm,提升了83.2%,激光检核径向精度为8.4cm左右,明显优于北斗二号卫星轨道精度。