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.

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。

星地SLR和星间链路的BDS-3卫星精密定轨

目前,BDS-3卫星上已全部搭载星间链路设备,可利用星间双向测量数据分离卫星相对钟差和相对几何距离解耦卫星轨道和钟差,再把星间距离作为观测量结合地面测量数据进行星地星间联合定轨。人卫激光测距(SLR)技术不受载波相位模糊度、钟差等因素的影响,数据处理过程相对于GNSS技术的数据处理更简单,可以作为一种独立于GNSS观测技术的测量手段。所有BDS卫星上已搭载激光角反射器,因此本文利用2020年1月北斗星间链路数据及少量SLR数据对11颗BDS-3卫星(MEO/IGSO/GEO)进行联合精密定轨试验。分析结果表明,基于SLR和星间链路的3类轨道类型的BDS-3卫星定轨精度相当,轨道精度径向为4.2 cm,三维精度为30.2 cm;卫星轨道预报12 h和24 h MEO卫星三维精度约40.0 cm,IGSO三维精度优于60.0 cm;GEO卫星三维精度约1.0 m。在精密定轨的同时解算地球自转参数(ERP),由于激光数据量少,极移精度约3.0 mas,日长变化精度为0.35 ms。利用少量SLR观测数据和星间链路测量数据联合可以实现导航卫星的高精度定轨,如果能够对BDS卫星加强激光观测,有助于提升轨道精度,为BDS自主可控空间基准参数解算提供参考。

一种中高轨混合的多层卫星骨干网络架构设计

卫星骨干网络将向宽带与中继融合方向发展,为陆、海、空、天基用户提供全球骨干传输、宽带接入、全域通联等服务。该文针对全域用户通联的新需求,创新采用“卫星骨干网络/全域用户接入”模型,提出一种具有层内、层间星间链路的中高轨混合的多层卫星骨干网络架构(3GEO+3IGSO/24MEO)。对该架构的全域覆盖性计算分析,得出该多层卫星骨干网络能够实现地球表面到地球同步轨道高度(约36000 km)全域100%覆盖,并为全域用户提供多重接入能力。进一步对路径数、最少跳数、最小时延等关键网络性能指标分析比较,说明了该架构中轨卫星与高轨卫星之间存在层间星间链路的必要性。分析结果表明:该架构能够满足全域宽带接入和全球骨干传输的需求。

北斗ka星间链路高动态应用辅助接收技术

北斗三号ka频段星间链路具备为高速移动目标提供全球范围内测控数传服务的能力,但由于北斗三号ka频段星间链路是短突发信号,对于高速移动目标应用存在难以在短时间建链的难题。文中提出基于“GNSS+微惯性单元”的辅助信息生成方法,对接收机概略位置、速度/加速度、天线指向的预报值进行估计,开环辅助ka星间链路的接收。还提出了超紧组合导航结构,利用惯性信息辅助矢量跟踪的高动态跟踪环路,降低了接收机的瞬态响应误差和对环境的敏感度。仿真证明提出的高动态应用辅助接收技术(速度为12 km/s,加速度为11 kHz/s的情况)提供的辅助信息精度优于建链路需求,可完成百毫秒内的信号同步,实现北斗三号ka星间链路高动态快速建链的需求。

中高轨天基骨干网络性能研究

基于中高轨多层骨干网络对空间用户服务的独特优势,其网络性能的研究得到广泛重视。现基于中高轨天基骨干网络对空间用户的接入性能进行研究。首先对中高轨天基骨干网络星间可视性进行建模分析,并对骨干网的空域覆盖性进行了仿真;其次对满足空域全覆盖的骨干节点转发器的配置个数及参数进行研究;最后从传输时延、转发器和节点复杂度三个方面对中高轨组成的四种骨干网架构的网络性能进行综合评价对比分析,并对综合评价函数的权重因子取值进行对比研究。结果表明,中高轨天基骨干网能实现全空域的双重覆盖;综合评价函数权重因子取值的不同会导致各天基骨干网架构性能优劣的不同,实际权重因子的取值由当前工程实际情况而定。以上研究可以为多层骨干网络设计提供借鉴。

利用halo导航星的地月空间联合自主轨道确定

面向未来地月空间的自主导航定位需求,研究了利用halo导航星的地月空间联合自主轨道确定(LAOD)。首先,建立了基于星间测距的地月空间联合自主定轨模型;其次,讨论了利用halo导航星联合自主定轨的可观性;最后,数值分析了不同误差条件下导航星与用户星的联合自主定轨精度,其中用户星轨道涵盖了典型的地月空间任务轨道,包括低地球轨道(LEO)、地月转移飞行轨道(CTT)和环月低轨道(LLO)。针对CTT自主定轨精度问题,特别分析了利用2颗halo导航星的定轨情况。结果表明,单颗halo导航星条件下LEO和LLO的定轨精度最高,导航星次之,CTT最差,增加1颗halo导航星可将CTT的定轨精度提高至少2倍,可为星间联合自主轨道确定技术在后续月球和深空探测任务中的应用提供参考借鉴。

毫米波星间通信测距一体化技术研究

近年来卫星编队飞行和星间链路技术成为了航天领域的研究热点。在这种趋势之下,需要通过星间的相互通信与相对位置测量来保障编队构型的相对稳定以及实现星间协作。将星间通信和星距测量融合到一体化平台中可以实现通信测距一体化,能够降低负载,符合当前卫星的发展趋势。针对卫星毫米波星间链路设计了一体化波形,同时提出一系列信号处理技术完成波形的同步以及分离,实现了星间通信测距一体化。针对分离波形以及功放非线性对通信信号的影响,使用了基于深度学习的信号检测算法,降低了通信数据的误比特率。仿真结果验证了所设计的一体化波形及信号处理技术在星间链路应用的可行性。

Starlink 星座应用现状及分析

Starlink星座计划是目前全球最具前瞻性和影响力的低轨宽带卫星互联网星座。随着Starlink星座部署规模扩大,其高频次的发射及批量卫星部署,多样化卫星宽带服务提供,全球终端用户的快速增长,以及对军事应用的潜在支持和增强能力等应用潜力逐步显现。首先分析Starlink的在轨运行现状,并将其互联网服务与其他卫星宽带服务提供商进行对比;然后重点研究Starlink星间激光链路的应用特点及技术挑战,探讨Starlink的军事应用现状及演化趋势;最后总结Starlink的综合应用优势及面临的技术挑战,为我国卫星网络设计提供依据。总体而言,巨型LEO星座的建设及其应用不仅是卫星平台的实现,还涉及卫星设计及工业化生产、发射能力支持、星座的运维、卫星组网、地面站配套等一系列的工业链能力集成。

基于整网估计的星间链路天线相位中心偏差在轨特性研究

星间链路(ISL)是我国北斗三号克服区域布站、实现高精度服务的关键,其天线相位中心偏差(PCO)在设备出厂时会依据质量、设计姿态进行地面标定,但在卫星发射、入轨及在轨阶段,燃料消耗、天线展开姿态等均会引起卫星质量与姿态的变化,这将导致在轨的PCO与地面标定值不一致,该变化量会作为误差引入到测量值,进而影响卫星轨道确定精度。因此,该文研究了在轨卫星的星间链路天线相位中心偏差标定方法,联合星间、星地观测,建立了基于整网估计的星间链路天线相位中心偏差在轨估计方法,并利用两周的实测数据进行对北斗三号所有中轨卫星(MEO)进行验证,同时结合卫星生产商、轨道面进行在轨特性的详细分析,最后验证了其对轨道确定精度的影响。结果表明,该文方法可有效估计在轨卫星星间链路天线相位中心偏差,并发现,卫星在轨后大部分卫星的星间链路天线相位中心偏差基本与地面一致,但C36,C37,C41,C42卫星在Z方向与地面标定值存在15 cm左右的偏差,C25,C26,C43,C44在Y轴上存在符号相反的现象,且数值上有10 cm左右的偏差,C25,C26卫星在Z方向上存在近30 cm的偏差,正确标定在轨卫星星间链路天线相位中心偏差后,相比地面标定产品,轨道精度可提升15%。

面向不间断通信保障的星间网络自维护建模与求解

星间链路是通信卫星互联成网的主要手段,当节点中一颗卫星星间链路通信异常时需经地面干预才可恢复,严重影响系统可用度;而若星间通信网络具备自主管理能力则可弥补上述不足。针对部署于静止轨道具有全球通信覆盖能力的多星通信网络,提出了一种基于多主体协同机器学习的星间链路网络自维护策略,保障通信节点卫星异常时重点地区高可用性不间断通信服务能力。