天基边缘计算系统设计及关键技术

卫星具有覆盖范围广、抗灾害性强等特点,随着卫星研制与发射成本的不断降低,推动卫星与地面移动通信网络、物联网(IoT)、云计算中心深度融合,构建天地一体化网络和应用架构,已成为航天发展的重要方向。随着地面多用户、大数据量的接入,亟须开展卫星在轨数据处理技术相关研究,提升卫星的在轨服务能力和质量。本文提出了对卫星计算资源进行整合,构建天基边缘计算系统,并提出了天基边缘计算的3种资源管理策略和4种平台部署协同模式。此外,对天基边缘计算的优势和还需解决的关键技术进行了分析,并搭建了天基边缘计算原型系统,对不同计算卸载策略性能进行了分析。     

星地协同网络中的边缘计算技术综述

6G移动通信系统对延迟和网络响应能力提出了更高的要求，而边缘计算技术可降低延迟提高响应能力，并减少用户和集中式云计算资源之间的数据流量。星地协同是未来6G通信网络的发展趋势，在星地协同网络中应用边缘计算技术是重要研究方向之一。在梳理星地协同网络中的边缘计算技术研究现状的基础上，首先提出了融合移动边缘计算技术的星地协同网络的系统架构、对应用场景和逻辑功能架构等进行了总结，其次对计算卸载技术方案进行汇总和分类对比，最后归纳了未来研究将面对的技术挑战。     

一种新型的空间分散计算模拟验证系统

人类生产力发展已经进入算力时期，计算能力将成为这个时期的新型生产力。未来大量分散化的算力、存储等资源分布在空间信息网络中，需要对其进行整合拉通，为业务提供便捷的按需使用。首先从下一代空间科学任务出发，阐述了未来空间分散计算实施的意义和价值，同时从空间信息网络和地面信息网络两个维度对国内外典型的分散计算项目和框架进行了系统调研。在此基础上，从云环境构建、云-边中间件以及边环境构建3个方面详细阐述了空间分散计算模拟验证系统的构建思路与方法，并进行了试验验证。验证结果表明，该系统能够实现虚拟化计算单元的动态部署与更新，且能够实现高效的舰船目标检测。相比于单星检测而言，系统通过多星联合的方式能够将检测效率提升45倍。     

火箭动态强度可靠性计算

利用极值分布理论对导弹飞行突风和运输振动冲击过载进行了研究；对应力的极大值累积分布和强度的极小值累积分布的应用和导弹冲击过载的强度可靠性计算进行了分析，并列举了几种情况下的可靠度的算例。     

基于算力路由的空间信息网络低时延在轨协同计算策略

针对当前空间信息网络（Spatial Information Network, SIN）地面数据处理模式中存在的高传输时延问题,提出了基于算力路由的低时延在轨协同计算策略。考虑到卫星网络的动态变化及卫星计算资源的异构性,提出了要素时空扩展图模型,以实现在屏蔽SIN动态性的同时对星上资源进行精确表征。在此基础上,构建基于算力路由的多星在轨协同计算数学模型,提出时延优化问题,并利用改进的异构最早完成时间（Heterogeneous Earliest Finish Time, HEFT）算法进行求解。仿真结果表明：卫星在轨协同计算可有效降低卫星数据的任务处理时延;同时,本文所提的改进HEFT算法以较小且可接受的收敛性能为代价,换取了业务处理时延的大幅度降低。     

利用多普勒测量确定嫦娥四号着陆器精密定轨

针对嫦娥四号着陆器环月飞行阶段的轨道，开展基于多普勒测量数据的精密轨道计算与精度分析。首先给出了多普勒测量数据的精确观测建模方法。然后，从着陆器姿控力影响，重叠弧段轨道比较，以及独立轨道比较几个方面开展计算与分析，结果表明：姿控喷气会对探测器产生细微的加速度，对轨道计算产生20~50 m的影响；通过重叠弧段的比较，稳定飞行阶段多普勒数据独立解算轨道的精度优于30 m；与测距与VLBI测量联合解算轨道的比较，轨道之间的差异小于50 m。     

太阳翼不同转角的卫星在轨模态频率计算方法

卫星挠性振动频率会随着太阳翼的转动发生变化,在卫星动力学频率规划设计时尤其需要考虑到,以避免发生耦合振动。文章针对具有太阳翼的卫星,研究了太阳翼转动时由于星体构型变化对卫星模态频率产生的影响。通过建立卫星动力学混合坐标方程,推演出卫星结构动力学特征方程,在太阳翼转到不同角度时对卫星系统模态进行解算,从而获得一种具有太阳翼的遥感卫星系统模态计算方法。以某遥感卫星为背景进行了在轨模态计算,并与该卫星陀螺姿态角速度遥测数据对比,误差小于10%,验证了在轨模态计算方法的准确性。     

基于数据和知识驱动的低轨卫星资源 智能调度研究综述

低轨卫星通信系统作为空天地一体化网络中的重要组成部分，由于低时延、低成本等优势受到越来越多的关注。针对低轨卫星的特点，面向用户的业务多样性和分布不均性，相应的资源调度方法也得到了广泛研究。首先对数据驱动和知识驱动方法进行概述并分析各自的特点，主要包括数据驱动方法和知识驱动方法的介绍、知识的定义和分类以及知识融入的途径。其次对传统数学模型驱动的资源调度方法进行介绍，着重介绍数据驱动的资源调度方法以及数据和知识联合驱动的资源调度方法，最后总结并展望未来低轨卫星资源调度研究面临的挑战。     

天基激光对GEO卫星的毁伤效能分析与启示

为分析天基高能激光对地球同步轨道（geosynchronous orbit, GEO）卫星的威胁，为高价值GEO卫星的防护设计提供参考，根据机动战术激光武器的技术发展情况，采用理论分析和数值计算的方法对天基高能激光的毁伤效能进行了评估。结果表明，10 kW级天基战术激光武器对卫星造成硬毁伤的距离可达50 km以上，卫星的易损部件依次为星表热控材料、太阳电池阵、碳纤维复合材料结构件和光学敏感器。根据分析结果得出的启示有:1）天基激光武器对GEO卫星的威胁是现实的；2）卫星激光防护应围绕薄弱环节开展以获取最佳效费比；3）应从单机、分系统、系统层面综合采取措施以提高系统鲁棒性；4）应采取主被动防护相结合的方式提高综合防护效能。     

基于异构融合类脑芯片的卫星智能平台设计

传统卫星运行基于单星工作模式,计算能力有限,当处理海量数据时,由于单个节点能力的不足极大限制了整体的发展。为适应行业对业务处理低延时提出的迫切需求,天地一体化多星协同、多任务协同的智能化工作模式重要性逐渐显现。传统星载计算机采用固有算法及硬件进行简单任务规划及多星协同管理,其算力及算法难以满足基于深度学习的智能任务需求。当前,基于脉冲神经网络（SNN）加深度神经网络（DNN）的类脑计算方法,具有强智能计算、低能耗、强并行、高效率、存算一体等特点。通过对卫星智能处理平台发展趋势分析,针对异构融合类脑芯片优势特征,同时兼顾航天器在轨可靠性需求,提出基于异构融合类脑芯片的卫星智能处理平台架构,完成星上在轨智能预测和自主任务规划,进一步降低卫星业务成本。     

国外低轨物联网星座系统发展分析

随着地面移动通信系统的建设发展和移动互联网业务的爆发式增长，多样化的移动通信需求和应用场景不断涌现，传统的“人与人”之间的通信正在扩展向“人与物”、“物与物”的通信。物联网（internet of things,IoT）技术近年飞速发展，并已投入广泛建设和应用。卫星因其广域覆盖和抗毁性，比较适应于大区域数据采集和物联业务。近年来随着卫星通信技术能力的提升和产业链条的优化，商业航天蓬勃发展，天地一体成为趋势。天基物联网、天地融合物联网成为新的关注点。国际上近年来涌现出数十个天基物联网系统，部分已投入工程建设和应用，已在天基物联网的系统架构和体制设计上取得进展。针对卫星物联网技术发展和建设应用开展调研，对Orbcomm、Kepler、SpaceMobile、ELO等低轨星座物联网系统的建设规划、能力定位、系统架构、星座方案、通信技术、频率资源、市场应用等方面进行了全面分析，并对天基物联网星座系统的发展趋势和关键问题进行总结。     

时间触发型FlexRay总线星载应用研究

提出将具备时间触发特征的新一代车载总线FlexRay引入小卫星星上电子系统,分析了FlexRay总线访问机制、数据帧结构、容错特性、网络时间同步等对星载应用的适应性,并给出基于该总线的星载网络设计及应用思路,对星载网络拓扑结构、节点信息传递方式、总线通信应用协议、网络节点实现等进行了初步设计,可为该总线的星载应用提供一定的技术参考。     

Economic methods of improving efficient use of the orbit/spectrum resource by satellite systems

Satellite systems continue to play an important role in the booming market for communication and broadcasting services, driving up demand for use of the orbit/spectrum resource. Studies are required to address the problem of orbit capacity and find ways of making more efficient use of it, to avoid a situation in which there is not enough orbit/spectrum resource to cater for the development of future satellite networks. It is argued that, as far as satellite networks are concerned, the current international regulatory regime governing the use of the spectrum has significant shortcomings, which have a cost, in terms of resources and time, and make investment in satellite projects less attractive. An approach is proposed for improving efficiency of the use of the orbit/spectrum through the introduction of economic methods, to supplement the existing technical and regulatory regime. A spectrum pricing method is proposed for satellite communication systems.     

卫星星座网络的信息安全

随着卫星星座系统的应用,星座网络的信息安全成为星座系统的一个热门研究课题。在分析星座网络信息安全需求的基础上,比较分析了星座网络的安全协议,提出一种适合卫星节点存储资源、计算能力限制以及卫星通信特点的密钥管理策略。     

卫星通信发展及与地面移动通信融合思考（英文）

With the further reduction in cost and the increase in bandwidth, as well as the increase in internet applications, satellite communications are gradually shifting from a complementary role to becoming a fully integrated component of terrestrial communications networks. This paper firstly introduces the development of satellite communications, mobile communications and the global space-terrestrial integrated network. We then propose the functional architecture and network architecture for the integration of satellite communications and terrestrial mobile communications based on 5 G core networks. Finally, in order to support the network of the future, four key technologies are presented, a space-terrestrial integrated air interface design, a multi-band space-terrestrial integrated transmission waveform design, space-terrestrial integrated switching and routing technology, along with spectrum sharing and interference coordination technology, all necessary for the development of space-terrestrial integrated networks.     

基于移动式网络的LEO卫星星座通信网络研究

为飞机等交通工具内的用户提供基于卫星的不间断IP连接，并在卫星星座网络内实现IP路由选择功能，是未来LEO卫星星座通信网络需要解决的关键问题。提出了基于移动式网络技术的LEO卫星星座通信网络体系结构，实现了卫星星座通信网络中的IP路由选择功能，并降低了对地面网路的依赖，实现了对用户段网络随时随地的连接支持。在对卫星星座通信网络中的星地切换模式进行分析的基础上，提出了一种基于虚拟移动路由器的快速星地切换和认证方法。通过NS2仿真试验，给出了新型LEO卫星星座通信网络的传输延迟特性以及快速切换方法的仿真试验结果。仿真试验表明，提出的网络结构是满足未来卫星星座发展需求的，星地间的切换是低时延的。     

低轨卫星通信系统地面核心网设计与仿真

文章针对无星际链路的低轨卫星通信系统，利用OPNET软件设计了低轨卫星通信系统在透明转发模式下的核心网构成，并进行了性能仿真。首先介绍核心网的构成、功能和拓扑，在此基础上实现了呼叫处理和切换的仿真，统计了呼叫时延、切换时延等性能指标，分析了仿真结果，为低轨道卫星通信系统的设计奠定了一定的参考价值。     

基于卫星中继的导弹飞控数据链链路分析

导弹飞控数据链路可极大地提高导弹的作战性能.分析了基于卫星中继的导弹飞控数据链链路特性,给出了其系统组成结构.完成了地星链路和星弹链路系统的分析与设计.最后给出了各链路的通信余量估算.对导弹飞控数据链的工程实现具有参考意义.     

LEO卫星网络路由算法的OPNET建模与仿真

由于OPNET没有提供标准卫星模块和星上路由器模块,这给卫星网络仿真带来一定难度 。针对LEO卫星网络路由算法,提出了一种OPNET路由仿真模型。该仿真模型主要由卫星网络 域、卫星节点域和路由进程域组成。卫星网络域实现网络拓扑结构的动态变化,节点域利用 无线仿真机制进行数据的发送和接收,路由进程域完成具体算法的实现。为了检验模型的性 能,仿真分析了几种典型的星上路由算法。结果表明,提出的仿真模型是正确可行的,且具 有一定的通用性,为卫星通信网络性能的仿真和分析提供了一种简单有效的途径。