基于星座自身网络测控的卫星组网方法

基于星座自身网络测控的卫星组网方法

0负荷探索与爱情轨道系统这是许多卫星的合作，卫星之间的相对位置必须保持不变，它们的工作状态必须是全球的。因此星座测控的特点是:测量多目标;测量弧段长;测控频繁,要求数据处理及时;信息量大、数传率高。低轨道卫星具有传输延迟低、用户终端实现简单和可通过星间链路组网实现全球通信等优点,成为下一代移动通信系统的重要组成部分。卫星的地面应用系统对卫星的主要任务是遥控和遥测,即业务测控。星座是现代小卫星的最大应用特点。已有越来越多的小卫星进入太空。卫星是一种架构在太空的信息平台或作战平台,而地面测控系统是保障卫星正常运行的重要组成部分。为了实现可靠高效的测控管理,地面站必须满足一系列的技术要求。首先,由于单个测控站视野有限,卫星测控网必须全球分布,亦即建立天基测控网;其次,飞经上空的卫星承担不同的任务,因此,同一地面站必须具有多星测控和数据采集的能力,使多星同时过站时,地面站能实现多星同时测控。星座测控的全过程可分为三个阶段:●星座的形成阶段,从卫星入轨到多颗卫星分布在相应的轨道位置为止;●星座的运行阶段,主要保持相位控制与观测;●星座中个别卫星故障处理与补充。上述三个阶段对测控技术都有不同的要求,技术实现手段也不尽一样。自主和非自主相结合的方法可能是最佳解决途径。目前星座测控方法(非自主)有三种:GPS;多波束天线(全球性星座,要多设测控站);中继卫星。文献中给出了一种对我国区域具有较好二重覆盖的Walker星座轨道模型,并在此基础上给出了满足网络测控的路由算法。本文给出一种不依赖于中高轨道卫星作中继而只依赖星座自身星际链路实现卫星组网的方法,以满足通过星座自身完成网络测控。1国内外相关研究1.1探索卫星探测,提供数据注入站全球定位系统(GPS)地面监控系统是卫星星座测控与管理地面站的最好实例。它由4个监控站、1个上行注入站和1个主控站组成。监控站设在夏威夷、埃尔门多夫空军基地、美岛、凡登堡空军基地。每个监控站设有GPS接收机、原子钟、气象传感器和数据处理计算机。监控站获取卫星观测数据,并接收数据送往主控站。主控站在凡登堡空军基地,对各地面站实行全面控制,并收集各站对GPS卫星的全部观测数据,修正计算各卫星轨道和卫星时钟改正值,外推星历及钟差,转化为导航电文,送上行注入站。上行注入站位于凡登堡空军基地,当GPS星过境时对其进行指令注入和导航数据注入。NASA已规划了可用侦察兵火箭发射的廉价探险者小卫星,用一个小型可移动地面站即可对其进行控制。该站设在卫星用户所在地,除发射阶段和运行应急阶段外,可自主独立运行。该站工作于L和S频段,仅用口径3m的小天线,以1kb/s速率发送遥控指令,以2Mb/s速率接收来自卫星的重放数据,单向多普勒定轨,并利用理论多普勒数据进行角度预报,驱动天线对卫星进行程序跟踪。该地面站尽量采用商品化设备,价格低于75万美元。作为小卫星星座测控管理地面站的典型,美国摩托罗拉公司的铱系统地面控制设施是一个先进的卫星控制站,由于使用了自动化程度高、可靠性高、简单的灵巧卫星平台,该站改变了传统的卫星维护和操作方式,使得系统运行后的操作控制经费大大降低。采用中高轨卫星作为中继节点的方式。典型的如美国的跟踪与数据中继系统TDRSS为小卫星星座提供网络测控。该系统的缺点是TDRSS静止轨道卫星到小卫星的距离达4万公里,小卫星需要发射很大的有效全向辐射功率(EIRP),如果小卫星连续通过TDRSS返向传递2Mbit/s~3Mbit/s的数据,则绝大多数小卫星都承受不了这么大的发射功率、功耗、天线的高要求。国外小卫星星座的测控管理多用专用测控设备,能保障卫星生产、测试、发射和在轨操作,并要与通用测控网兼容,通用性强,这种专用设备也要低成本、多用途1.2航天测控网系统我国最初的航天测控系统是在上世纪60年代中期卫星观测网的基础上发展起来的,当时的卫星观测网包括测控中心等7个测量站,是我国航天测控系统实现从无到有的跨越。90年代初,为适应载人航天任务的特殊需求,我国开始建设新一代航天测控网,逐步建立了陆、海基统一的S频段(USB)测控网及S频段测控网网管中心;新建了东风发射指控中心和北京航天指挥控制中心,改造了西安卫星测控中心;进行了测量船、各测控站测控通信设施的适应性改造;建立了以数字程控交换为核心,以卫星通信、光纤通信为主干信道的集话音、数据、图像传输于一体的大型科研试验通信专用网。新航天测控网可靠性更高、适应性更强,对中、低轨航天器的覆盖率达15%以上,天地数据传输速率达2Mbps,满足了载人航天的测控通信要求。同时其技术性能也使我国航天测控网跻身国际先进行列。1999年11月,S频段测控网成功完成了我国第一艘无人飞船“神舟一号”的测控通信任务,至此我国航天测控系统实现了由弱到强的转变。目前,我国在用的航天测控网主要包括统一的C频段航天测控网、统一的S频段航天测控网;正在积极建设天基测控通信网和深空测控通信网。1.3基于移动性的网络2分析已有的研究,解决星座组网问题主要有以下3种方式。a)采用中高轨卫星作为交换节点的方式。其缺点是距离较远,当带宽要求较高的时候,大多数小卫星都承受不了这么大的发射功率、功耗、天线的高要求。b)基于传统IP路由技术。其缺点是不能满足小卫星网络的移动性要求,并且对于小卫星星座网络中的单个卫星节点,其网络接口较多,具有接口连接间歇性、指向卫星变异性,因此传统TCP/IP的网段划分和基于网络地址的路由方法已非常不适合于小卫星星座组网。所以,在卫星通信网络中实现IP路由选择功能是非常复杂的。c)基于移动IP网络技术方式。其缺点是需要依赖于家乡代理完成每个卫星的地址注册与解析。在星座路由没有确定之前,星座本身的通信需要家乡代理成为首先需要面对的,这使得该问题本身变得愈加复杂。本文给出一种不依赖于中高轨道卫星作中继而只依赖星座自身星际链路实现卫星组网的方法,以满足通过星座自身完成网络测控。由于网络中卫星的数目有限,采用卫星的编号作为目的地址,解决了传统IP路由技术中路由选择功能复杂的缺点。网络中每个卫星可以与自身周围相邻的4颗卫星通信,不存在移动IP网络技术中的与家乡代理通信的问题。2网络建模2.1不同轨道平面的相位差分布选择Walker星座为参考模型。一个卫星星座由卫星数/轨道平面数/相位因子(T/P/F)来进行描述。选择卫星数T=30,轨道平面数P=5,相位因子F=1。星座由分布在5个极地轨道平面的30颗小卫星组成。设其远地点和近地点的轨道高度都为1248km,轨道倾斜角i=43°,第一轨道平面的右升交点赤经为Ω=72°,第一轨道平面的1号卫星Sat-11的初始相位为0,不同轨道平面的相位差为12°。使用STK(SatelliteToolkit)设计星座模型如图1所示。2.2备份拓扑配置星座组网考虑每颗小卫星最多6根天线,其中4根可分别和其邻近的前后左右4颗小卫星建立4条星际链路,其余2根分别与2个地面站建立星地链路。其原始拓扑结构如图2所示。多拓扑路由的基础是首先根据物理原始拓扑网络配置多个备份拓扑。拓扑配置的目的:网络保护和流量优化。也就是不同的任务流可选择相应的拓扑进行传输,而且拓扑间可以相互备份,当某一拓扑中的链路失效时,能快速切换到备份拓扑中去继续传输,达到抗毁要求。为了实现上述目的,备份拓扑配置满足5个准则:(1)一个节点不需要承担所有类型的网络流;(2)一条星际链路不需要承担所有类型的网络流;(3)每个节点至少有一条以上的星际链路在某一个备份拓扑中被隔离;(4)在每个备份拓扑中,每个卫星之间都可以不通过孤立链路或节点连通;(5)一个拓扑中的任意一条星际链路失效,必须能在其它备份拓扑中找到相应的链路以满足上述第4准则。上述准则1和2对星际链路根据其承担的通信任务进行相应的限制,用于产生满足不同任务需求的网络拓扑。本文考虑最小时延、最大吞吐量和一般QOS(QualityofService)需求等三种网络拓扑。准则3~5用于配置互为备份的网络拓扑。保证网络具有容错与网络保护的功能。当一个拓扑网络中的任意一条星际链路失效时,总能在备份拓扑中找到相应的链路满足零延时拓扑切换,同时控制丢包率不受任何链路失效的影响。根据以上的要求,卫星网络部分配置的2个后备拓扑如图2、图3和图4所示。图中卫星ID含义为:十位数表示卫星所处的轨道平面,个位数表示卫星在该轨道平面中的编号。2.3网络路由及网络模型对于星座组网,由于星座中各卫星的轨道参数都已确定,所以组网设计的关键是小卫星节点通信模型的设计。使用Opnet设计的小卫星节点的网络通信模型如图5所示。模型由自底向上分别为:(1)物理层(包括天线指向器、天线、收发信机);(2)数据链路层(媒体访问控制、队列);(3)网络层(网络路由功能);(4)应用层(用包生成器模拟应用进程的数据通信需求);(5)路由协议(根据路由算法,得出到达其它小卫星或地面站的最佳路径)。图5中,_point为天线指向器;ant_为天线;_tx,_rcv为发收信机;q_为队列;mac_为媒体访问控制;network_routing为网络路由;route_protocol为路由协议;data_generator为包生成器。2.4系统的应用层协议类型报文格式需要同时满足地面站与卫星之间,卫星与卫星之间数据包传输和卫星路由信息交换技术的要求,设计报文格式见表1。NexthopAddress:下一跳的卫星ID号,该地址主要用于链路层进行包过滤。CurrentSource:由当前发送数据卫星在MAC层填写其卫星ID。DestinationAddress:用以制定数据的最终目的地,其中0XFF为广播地址,200以上地址表示地面站。FirstSource:数据包发送端卫星ID。LandAddress:地面站的ID号。LandTransmitDestinationAddress:地面站数据包通过卫星网络转发的目的卫星ID。FCS:帧检验序列,用于实现无差错接收。ProtocolType:应用层协议类型号。10号以下表示为某个路由协议,100-255表示为某个应用层协议。DataPacket:应用或路由协议数据。3车站连接路径3.1接收的范围及最低仰角天线分系统是地面站重要的通信设备之一,将发射系统输出的功率向卫星方向发射,同时接收来自卫星的信号,由天线、反射器、馈源、低噪声前置放大器,下频天线、天线座架、天线控制和伺服系统组成。地面接收站根据卫星业务测控作业的预报,调整好天线的方位准备接收过境的卫星。一旦卫星处于天线可捕获的范围内,天线立即进行捕获。在此期间,卫星下行的射频信号被接收、解调和记录。一个卫星地面接收站能够直接接收的范围,即其所能覆盖的范围是有限的。当卫星通过地面站覆盖范围就可接收从卫星下传的各种数据。根据给定的卫星高度和天线接收的最低仰角,可计算出理论斜距(R)和接收站的接收半径(D)。最低仰角由卫星的功率、地面的天线位置及其四周环境等因素决定。式中:Re为地球的半径;β为地面站到卫星的地心角;h为卫星轨道的高度;α为天线观测的最小仰角。3.2网络模型的构建地面站的位置是固定不变的,使用Opnet设计的地面站通信节点模型如图6所示。图6中,land_point为天线指向器;land_ant为天线;land_tx,land_rcv为发收信机;q_为队列;mac为媒体访问控制;network_routing为网络路由;data_generator:包生成器。模型由自底向上分别为:(1)物理层(包括天线指向器、天线、收发信机);(2)数据链路层(媒体访问控制、队列);(3)网络层(网络路由功能);(4)应用层(用包生成器模拟应用进程的数据通信需求)。3.3与目的地面站通信的卫星卫星网络的拓扑结构虽然是动态变化的,然而也并非没有规律可循。卫星本身运动是周期的,运动轨迹固定并可控制,因此卫星网络拓扑结构的变化具有周期性和可预测性。另外,卫星网络拓扑图具有较强的规则性,而且卫星个数一般是固定不变的。卫星网络满足3种不同QOS需求的服务:(1)典型的实时性较强的服务(如语音和交互式视频应用),这类业务要求时延低;(2)尽最大努力的服务,这类业务没有特别的QOS要求;(3)要求吞吐量最大的服务(如大视频文件的传输等),这类服务要求吞吐量比较大。把一个周期分成n个时间段,卫星的位置是不断变化的,理论上只要n足够大,那么就能比较准确的得到一个周期内各个时间段中,能与地面站通信的卫星。源地面站选择目的卫星发送数据包后,在目的卫星的网络层根据包的协议类型和数据类型,在相应的拓扑路由表中选择相应的路径转发到能与目的地面站通信的卫星。其过程如下。a)在每个时间段内,分别得到能与源地面站和目的地面站通信的卫星ID号以及每颗卫星在这一时间段内生存时间。b)在每个时间段内,源地面站和目的地面站分别选择生存时间最长的卫星作为该时间段内的通信卫星。源地面站发送数据包时,对不同QOS需求的数据包设置相应的数据类型。c)卫星收到源地面站发送过来的数据包,根据数据包的数据类型以及报头在路由表中选择相应拓扑,转发到能与目的地面站通信的卫星。举例说明算法如图7所示。图7中,实线代表星地链路,虚线代表星际链路。在某一时刻,能与地面站1通信的卫星有A、B;能与地面站2通信的卫星有C、D;卫星A、B、C、D相互之间能通过星际链路相互通信。地面站1和地面站2分别找出能与自己通信时间最长的卫星,比如A能与地面站1通信时间大于B能与地面站1通信的时间,C能与地面站2通信时间大于D能与地面站2通信的时间,则地面站1与地面站2之间通信就通过卫星A与卫星C转发。4算法的优缺点比较在Opnet中通过仿真试验,验证地面站数据包的延时、吞吐量和丢包率等指标,比较算法的优劣。设置两种带宽的ISL,分别为1Mbps和500kbps,两个地面站与卫星之间的星地链路的带宽都设置为1Mbps。4.1包包压的时延将整个轨道运行的周期以10min为界线,由源地面站发送3种不同类型的数据包到目的地面站,数据包的大小为500bit,发包速率为10pks/sec,得到时延如图8所示。其中拓扑0的平均时延为0.0849,拓扑1的平时延为0.1380,拓扑2的平均时延为0.1434。4.2包到目的地面站当路由表收敛后,由源地面站分别发3种不同类型的数据包到目的地面站,数据包的大小为1000bit,