一种基于计算资源度的星间路由协议

随着发射技术的提升和星载任务需求的扩大,低轨互联网星座逐渐成为航天产业的研究热点。在网络层进行算力资源感知有助于构建最短计算时延路径,有效利用边缘或路径上的节点资源进行任务调度。由于传统组网协议没有考虑邻居节点算力资源情况,难以做到资源感知、星间协同组网完成卸载任务。为解决上述问题,提出了将低轨卫星组网建模为移动自组织网络(MANET),并在主动式协议优化链路状态路由协议(OLSR)中引入节点计算资源度来感知周边组网节点、CPU、内存和负载等计算能力情况,并且根据该指标修改OLSR中的多点中继(multi point relay, MPR)选择算法与路由表更新算法。通过仿真验证了在星间协同计算中,文章提出的路由协议在任务计算时延上降低了15%～30%,并通过与地面云计算的比较验证了星间协同计算的优势。     

SpaceWire多优先级分层调度交叉开关研究与设计

SpaceWire(SpW)路由是SpW网络的关键设备之一，采用纵横式交叉开关（crossbar switch）结构，由于SpW网络数据分组最大长度不固定，经典的滑动迭代轮询匹配（iSlip）调度算法并不适用。研究二维行波进位交换结构，提出一种多优先级分层调度的crossbar switch实现结构，为不同业务流量类型赋予不同优先级可以提高网络服务质量（QoS），采用基于仲裁反馈轮询（FBP）算法，在群组路由时具有良好输出公平性。通过向环型行波进位（CRCS）仲裁结构中插入寄存器分割组合逻辑组成流水结构降低组合延迟，提高最高系统频率，解决路由端口数量扩展的问题。使用可编程逻辑语言实现优先级数量和端口数量可配置的crossbar,CRCS结构具有资源占用少、仲裁速度快和易于扩展的特点。以4×4规模的crossbar switch为例，采用二维CRCS结构相比于线性扩展结构，仲裁逻辑单元数量节省67.3%，仲裁延迟降低约60%，在Xilinx V7系列现场可编程门阵列（FPGA）进行逻辑综合，行列各插入2级寄存器，即可满足最大规模下的SpW路由应用需求。     

基于Safe-PPO算法的安全优先路径规划方法

现有的路径规划算法对路径规划过程中的路径安全性问题考虑较少，并且传统的近端策略优化(PPO)算法存在一定的方差适应性问题。为解决这些问题，提出一种融合进化策略思想和安全奖励函数的安全近端策略优化(Safe-PPO)算法，所提算法以安全优先进行路径规划。采用协方差自适应调整的进化策略(CMA-ES)的思想对PPO算法进行改进，并引入危险系数与动作因子来评估路径的安全性。使用二维栅格地图进行仿真实验，采用传统的PPO算法和Safe-PPO算法进行对比；采用六足机器人在搭建的场景中进行实物实验。仿真实验结果表明：所提算法在安全优先导向的路径规划方面具有合理性与可行性：在训练时Safe-PPO算法相比传统的PPO算法收敛速度提升了18%，获得的奖励提升了5.3%；在测试时采用融合危险系数与动作因子的方案能使机器人学会选择更加安全的道路而非直观上最快速的道路。实物实验结果表明：机器人可以在现实环境中选择更加安全的路径到达目标点。     

基于合同网的对地观测资源动态协同规划方法

卫星、无人机等对地观测资源已经成为执行灾害救援、灾损评估等多样化监测任务的主要观测手段，而大规模任务的随机调整和动态执行环境是快速制定对地观测方案的核心难点。针对此问题，提出一种面向不确定环境的对地观测资源动态协同规划方法，以动态高效地制定异构观测资源的协同观测方案。首先，结合合同网协议提出一种自下而上的分布式动态协同框架，以整合空天地异构观测资源构建分布式、动态、松耦合的协同观测网络。然后，根据该协同框架提出多轮组合分配方法及优化算法以快速动态地分配大规模监测任务。最后，通过仿真实验证明，在任务持续并发的动态不确定环境中，基于合同网的动态协同规划方法在提升了约25%任务完成率的同时，降低了约20%的运行时间，实现了任务完成率与方法运行时间的平衡。      

改进蚁群算法求解时变网络中最短路径问题

给出一种时变网络中蚁群算法的信息素更新策略,使边上残留信息素能够正确反映时变网络中边上权值的变化情况;改进了传统蚁群算法的相邻节点选择策略,使蚂蚁只需计算与当前节点存在直接路径的节点的转移概率,降低算法的计算量;将蚁群算法和遗传算法结合,将蚁群算法每次遍历后形成的解作为初始群种进行单点交叉计算,避免陷入局部最优解,提高算法收敛速度.仿真结果表明,改进的蚁群算法能够有效求解时变网络中最短路径问题,比传统蚁群算法得到全局最优解的概率更大,算法的收敛速度更高.     

LEO/MEO双层卫星网的分层动态路由算法

由低轨LEO(Low Earth Orbit)和中轨MEO(Medium Earth Orbit)卫星构成的双层卫星网络具有较好的组网通信性能.利用MEO和LEO卫星在长、短距通信中的优势,提出一种分层、分布式的双层卫星网动态路由算法.通过控制链路状态信息的洪泛,LEO卫星只需掌握局部拓扑即可完成短距业务通信,长距通信业务则由MEO卫星承载.将星间链路的剩余生存时间因素引入路径权重中,路由计算的路径是综合考虑了时延与持续时间双重因素的最优路径.仿真结果表明该算法在时延、路由开销、网络业务流分布等方面都具有较好的性能,并且易于系统实现.      

一种低轨道卫星服务区域分配的优化算法

在提供Internet和其他通信服务方面,能够覆盖全球的低轨道卫星网络正变得愈加重要。如何根据地面业务的时空分布不均来设计合理、高效的卫星服务区域分配机制是一个重要的挑战。文章分析了传统机制下卫星网络承载能力和业务分布之间的失配问题,提出了服务区域分配优化问题的数学模型,并据此设计了一种星上实时算法。仿真结果表明,采用该算法后卫星网络业务分配不均衡程度有所减轻,阻塞概率大大降低,网络性能和容量得到了明显改善。     

跟踪与数据中继卫星系统资源调度优化问题

现有跟踪与数据中继卫星资源调度研究常采取简化模型,它将天线的准备时间假定为固定值,由此成为工程应用中系统利用率提升的一个瓶颈。文章借鉴时间窗约束的车辆路径问题理论,提出天线准备时间变长的规划优化问题（LOPVAPT）模型,通过优化天线的扫描路径,实现天线准备时间的动态最优取值。采用STK模拟任务过程,基于Matlab实现蚁群算法,结果表明可将系统利用率从低于80%提高到90%以上。     

芯片间时间触发通信综合规划方法及其优化

随着片上系统（SoC）的处理能力逐渐接近传统的综合核心处理模块，航空电子系统向着微小型综合化的芯片间系统发展；时间触发交换式互连可以保证芯片间消息传递的严格时间确定性。考虑芯片间互连交换结构轻量化和收发端口有限的特点，在拓扑、路由和调度时刻等网络资源相互制约的条件下，提出了芯片间时间触发通信综合规划方法，即根据时间触发消息集合和芯片端口配置，同时求解得到芯片间网络拓扑结构、消息路由和调度时刻表的规划结果。其中，采用免疫算法整体优化了各条消息在网络资源分配过程中的求解次序。仿真实验表明，与不考虑整体优化的综合规划方法相比，优化后的规划结果在减少拓扑结构中多余路径开销的同时，避免消息传输路径拥堵，降低消息端到端延迟，保证了消息集的可调度性。      

基于策略的遥感卫星管控方法研究

针对遥感卫星管理控制中业务应用与底层调度紧耦合导致的操作复杂、人工干预多等问题，提出一种基于策略的遥感卫星管控方法。在搭建策略管控模型的基础上，采用分层控制闭环结构，构建卫星控制闭环；提出卫星集群分域管理方法，并设置策略部署机制；详细论述了基于策略的遥感卫星管控实现方法；以海上失联舰船搜救任务为典型案例进行仿真，验证该方法可以完成异构卫星集群基于事件驱动的闭环控制。基于策略的管理方法能够有效降低遥感卫星管控业务的复杂度，实现遥感卫星集群的自动控制。     

一种适于LEO卫星网络的动态源路由算法

针对低轨(LEO)卫星网络拓扑变化有规律、可预知的特点,提出了一种适于LEO卫星网络的动态源路由算法,即自适应路由选择(ARS)算法.它引入逻辑位置的思想屏蔽了卫星移动性对路由选择的影响,使得源卫星只需自身和目的卫星的逻辑位置信息便可以进行路由计算获得最小传播时延路径,避免了收集路由信息所带来的交换开销;同时,根据最小传播时延路径的分布特点提出了一种高效的路径表示方法,用于在IP数据报头中存储所获得的最小传播时延路径,中转卫星可以根据该路径信息转发数据报直至目的卫星,和其他各类源路由算法相比大大降低了路由开销;另外,该算法还针对可能发生的链路拥塞和卫星失效情况提供了保证数据报正常传输的处理方法.最后,将所提出的算法与最小传播时延数据报路由算法(DRA)和Bellman最短路径(SP)算法进行了仿真比较.仿真结果表明,ARS算法在降低路由计算开销和交换开销的同时,保证了数据报的端到端传输时延要求.      

一种改进的卫星星座服务可用性评价方法

针对存在缺失卫星的轨道面,将星座中的卫星分为两组,从概率角度并采用组合方法提出了星座覆盖可用性和导航精度可用性指标的统计评价模型和仿真流程,进而通过对两项可用性指标进行加权建立了形式统一的服务可用性加权评价模型。利用该模型对单个或多个轨道面有确定数量卫星缺失的状态下,星座构型和轨道参数变化对其服务可用性的影响进行了研究。结果表明,星座轨道平面数和轨道高度均对服务可用性有较大影响。提出的服务可用性评价模型物理意义明确,可有效减少指标评价时间,研究结论有助于在概念设计阶段对星座构型和轨道参数进行优选。     

Load balancing strategy and its lookup-table enhancement in deterministic space delay/disruption tolerant networks

Space networks, in which connectivity is deterministic and intermittent, can be modeled by delay/disruption tolerant networks. In space delay/disruption tolerant networks, a packet is usually transmitted from the source node to the destination node indirectly via a series of relay nodes. If anyone of the nodes in the path becomes congested, the packet will be dropped due to buffer overflow. One of the main reasons behind congestion is the unbalanced network traffic distribution. We propose a load balancing strategy which takes the congestion status of both the local node and relay nodes into account. The congestion status, together with the end-to-end delay, is used in the routing selection. A lookup-table enhancement is also proposed. The off-line computation and the on-line adjustment are combined together to make a more precise estimate of the end-to-end delay while at the same time reducing the onboard computation. Simulation results show that the proposed strategy helps to distribute network traffic more evenly and therefore reduces the packet drop ratio. In addition, the average delay is also decreased in most cases. The lookup-table enhancement provides a compromise between the need for better communication performance and the desire for less onboard computation.     

一种基于概率路线图的月球巡航车路径规划算法

为提高月球巡航车自主探测时的安全，提出一种基于概率路线图(Probabilistic Roadmap, PRM)的改进路径规划算法.该算法基于距离变换地图，改善PRM算法的采样方式，控制采样点远离障碍物，使规划的路径远离障碍物，避免紧贴障碍物前进的危险情况，提高了月球巡航车自主探测过程中的安全程度.为评估路径的安全性，提出安全警戒系数和最小安全警戒系数两个安全指标，并在月球表面仿真环境下对A*，PRM和改进的PRM算法生成的路径进行安全评估.结果表明改进的PRM算法相较于A*算法，安全警戒系数和最小安全警戒系数分别提升了2.20 m，1.00 m；相较于PRM算法，安全警戒系数和最小安全警戒系数分别提升了1.68 m，1.00 m.改进的PRM算法不局限于月球巡航车的路径规划，还可以应用于对路径安全性要求较高的探索机器人和自动驾驶汽车.     

重力波波包在时变背景场中传播的数值研究

采用二阶算子分裂格式对高斯型重力波波包在时变背景温场和时变背景风场中的非线性传播过程分别进行了数值模拟和分析.研究表明,时变背景场对波包空间结构演变影响不明显,各物理量的偏振关系与线性理论偏振关系较一致;在时变背景温场中传播,水平群速度和垂直群速度的变化趋势与线性理论结果相反,波频率的变化也与线性理论色散方程计算结果有一定的差别,这表明了线性重力波理论的局限性;在时变背景风场中传播,波频率的变化比时变背景温场中更显著.传播路径与在稳恒背景场中比较,更接近线性理论计算出的路径.      

一种不等差错保护的多用户随机接入方法

针对在随机接入中由于碰撞导致吞吐率低、信道拥塞时不能满足高优先级数据有效传输的问题,提出一种具有不等差错保护性能的多用户随机接入方法。该方法将数据包复制多份,根据选定的度分布在不同时隙中传输,将随机接入过程映射到二分图上;接收端利用连续干扰消除(SIC)技术,将碰撞的数据包恢复出来。在高链路负载下,从每帧中选取若干时隙,只允许高优先级用户接入,以提高对高优先级数据包的译码概率。使用"与或树"理论对提出的方法进行了理论分析,并进行了实验仿真验证。仿真结果表明:提出的多用户随机接入方法与传统ALOHA协议相比,在低链路负载下有效避免由于碰撞引起的吞吐率下降;与IRSA协议相比,高链路负载下有效提高高优先级用户的吞吐率。     

成形极限预测韧性断裂准则及屈服准则的影响

将韧性断裂准则用于预测板材成形极限,通过数值模拟HS钢、IF钢和6111-T4铝合金3种板材在单向拉伸、平面应变和双向等拉等不同应变路径下的变形过程,获得试件中心区域主应变最大单元的应变历史,结合成形极限实验数据计算韧性断裂准则的材料常数;通过对接近平面应变变形路径下的模拟结果与实验获得的网格应变相比较分析了Hill48,Hill90和Barlat89 3种各向异性屈服准则对模拟获得的应变路径的影响.结果表明,Barlat89屈服准则可以较好地描述单元的应变路径;在此基础上比较了几种韧性断裂准则用于预测板材断裂成形极限的计算结果, Cockcroft-Latham准则和总塑性功准则的计算结果比较理想,材料常数的确定也较为简单.      

舰载机牵引系统路径规划方法

舰载机在任务繁忙和障碍密集的飞行甲板上运动,为了降低舰载机的能耗和增加发动机使用寿命,一般由牵引车牵引舰载机运动,舰载机和牵引车构成牵引系统。为了提高牵引系统出行任务的安全高效性,提出了一种甲板环境下的牵引系统路径规划方法。建立了路径规划的数学模型,该模型包括牵引系统运动学模型和机动能力约束,任务目标函数和任务约束模型,以及障碍物规避模型。结合上述模型,基于几何学理论和Dijkstra算法设计了最优路径的搜索方法。以尼米兹级航母飞行甲板为例,进行了牵引系统的路径规划和跟踪控制仿真,结果表明了模型的合理性和方法的有效性。      

并行路网结构下的浮动车信息处理模型

受GPS定位精度的限制,浮动车在主辅路并行路网结构下进行地图匹配和路径推测存在困难,直接影响路况信息获取的准确性.在现有浮动车信息处理框架基础上,运用统计学方法提升地图匹配的精度,并将主辅路径同时作为车辆的行驶轨迹输出,有效降低了路径推测错误的可能性.最后,引入证据推理框架以解决路径选择策略调整所带来的信息不可信和信息冲突问题.对比实验表明,改进系统在主路和辅路上的路况准确性分别有14.26%和9.46%的提升.