卫星网络拓扑时变性对网络性能影响分析

卫星网络的拓扑时变性会影响网络的性能,导致现有的许多网络技术在卫星网络上不能有效地使用。文中从卫星网络特点出发,给出一个可以反映卫星网络时变拓扑特点的网络模型。利用该模型具体地分析了拓扑时变性对卫星网络性能的影响,并进行相应的仿真试验,指出造成这些影响的主要因素是卫星节点间的切换,而卫星网络的连续状态主要影响节点间的传输时延大小,且变化缓慢。     

一种基于卫星节点的时变拓扑网络模型

卫星网络与地面固定网络有着本质的差别,特别是它的时变特性,使得成熟的固定拓扑网络理论不能很好地应用到卫星网络中。将卫星网络抽象为以时间为变量的周期函数矩阵,并引入图论,提出一种基于卫星节点的时变拓扑网络模型,讨论模型中节点间的关系和模型离散化条件,给出该模型的离散化形式以及离散时间序列选取原则和相应的证明和仿真,最后指出现有的虚拟节点、有限状态自动机、快照系列、动态虚拟拓扑等研究卫星网络的方法都可以纳入所提出的模型框架中。     

时变拓扑卫星集群分布式自主相对导航方法

针对时变拓扑卫星集群的相对导航需求,提出了基于图论的时变拓扑分布式一致性无迹卡尔曼滤波算法。首先给出了固定拓扑卫星集群的相对运动方程、测角测距测量模型和无迹卡尔曼滤波算法,然后考虑测角失效时相对导航系统不可观或弱可观的问题,结合矢量环一致性约束,构造了一致性无迹卡尔曼滤波算法,以提高系统的可观度;在此基础上,针对时变拓扑卫星集群,以滤波精度为优化指标,在图论的基础上利用Dijkstra算法对卫星集群的时变拓扑结构进行重构,并将重构后的拓扑结构应用于卫星集群相对导航。仿真结果表明所提算法能有效改善不完备测量带来的模糊轨道问题,并且能够实现实时的拓扑重构,以满足时变拓扑星群的相对导航精度要求。     

基于信息一致性的分布式卫星姿态同步研究

针对分布式卫星自主姿态同步问题,提出了一种基于信息一致性的姿态协同及跟踪控制方法,它采用信息一致性的理论,通过设计卫星间的信息传递模型来解决分布式卫星间的姿态同步问题。文中分别给出了姿态协同及姿态跟踪两种控制方法,并对其稳定性进行了分析。最后针对两种信息拓扑模型,以实际的多颗分布式卫星和PWM(脉宽调制)喷气系统进行仿真实验,表明了本文方法有效地实现了姿态的协同及跟踪。
     

面向推力器故障检测的卫星编队星间链路设计

为提升卫星编队推力器故障检测能力,将研究重点前移至系统设计阶段,提出了一种基于信息几何的卫星编队星间链路拓扑设计方法。通过利用黎曼流形点描述不同故障模式下卫星编队测量信息特征,使检测能力量化问题转化为黎曼流形上各点间距离的度量问题。在此基础上,构建了卫星编队检测能力的度量指标,提出了卫星编队星间链路拓扑的设计方法,并通过仿真实例验证了所提方法的有效性。     

基于地理位置信息的无收敛多测度卫星网络路由算法研究

设计了一种基于地理位置信息的无收敛多测度的卫星网络路由算法CFR,算法根据地理位置关系、延迟和链路丢包率三种测度计算路由,满足不同应用的服务质量要求.当有数据到达时,卫星根据地理位置关系、网络拓扑和链路状态实时计算数据传输路径,避免了路由收敛过程.在此基础上,为有效均衡卫星网络负载,卫星将链路负载信息通告给数据传输路径上各颗卫星,卫星根据负载调节数据传输路径,有效地均衡了网络负载,减少了数据丢失,增加了吞吐量.     

立方体卫星电源系统及关键技术

在对立方体卫星电源系统调研的基础上,介绍了国内外立方体卫星电源系统研制基本情况和立方体卫星电源系统的基本原理,结合当前航天器电源系统应用实际及立方体卫星技术特点,通过对比提炼,对立方体卫星电源系统关键技术进行了梳理分析,重点对供配电体制、结构拓扑、高功率密度实现、接口标准、系统功耗控制等关键技术进行了介绍,对各关键技术的特点、应用、研究状况、难点及主要实现途经等进行了分析。总结了立方体卫星电源系统发展趋势,指出了立方体卫星电源技术的发展重点,给出了立方体卫星电源系统发展建议。以上内容对立方体卫星电源系统的研制应用及发展,具有一定的参考价值。     

多层卫星网络的星间链路分析与路由协议

根据多层卫星星座网络的链路长度与可见性模型,建立了多层卫星网络的数学模型,并据此提出了一种适于多层卫星网络应用的层次路由协议。新协议主要包括拓扑测算、路由计算和路由转发。仿真计算结果表明,该协议的计算速度快、拓扑更新的通信开销小、链路利用率高,其性能优于Bellman和多层卫星网络路由(ML-SR)算法。     

基于流量预测的双层卫星网络动态路由算法

卫星网络具有覆盖广泛、接入简单等优点,被认为是下一代互联网的重要组成部分。文章提出了一种基于流量预测的双层卫星网络动态路由技术,拓扑采用LEO层和GEO层双层卫星网络结构,能够支持卫星网络新节点的动态加入。针对卫星网络管理员节点在执行网络任务时可能造成高负载导致高丢包率,从而影响网络性能的缺点,提出卫星网络管理员节点调整策略,根据流量预测算法对超过阈值的卫星网络管理员节点进行更换。最后,文章通过仿真试验对算法性能进行了验证,证明此算法在端到端时延和管理员节点丢包率方面具有优势。     

卫星结构的拓扑优化与灵敏度分析

在已知某卫星主承力结构的空间大小、约束及载荷条件的情况下，通过对一连续体进行拓扑优化得出主承力结构的最优结构形式。并在此基础上对卫星上十五个结构参数进行了灵敏度分析和尺寸优化，计算结果证明由连续体通过拓扑优化得到桁架结构的最优拓扑是可行的，若再结合灵敏度分析及尺寸优化，可以大幅度减轻卫星结构重量，改善卫星结构的动力特性。     

星座系统的信息网络设计

多星组网、编队飞行是小卫星应用领域的发展趋势。与之相适应，卫星信息系统正从单星向多星网络化发展，形成一个具有优化拓扑结构、完善通信协议和管理调度机制的统一天基信息网络系统，以实现对协同工作的多星系统的飞行任务管理。文章针对星座系统信息网络的技术特点、拓扑结构设计、网络模型设计、协议设计和一体化设计方法进行了论述，并从工程角度出发，分析了设计过程中应着重解决的关键技术问题。     

卫星集群网络仿真建模与路由算法性能分析

卫星集群是一类基于星间协同工作的分布式卫星系统,具有空间结构灵活、数据共享、智能服务等特点。针对当前卫星集群网络仿真平台及其路由算法的研究的不足,基于网络仿真软件NS-3与卫星场景分析软件STK,设计了卫星集群生成模块,搭建了更准确、通用且可扩展的卫星集群网络仿真平台。通过同单一的STK卫星轨道数据对比,验证了仿真平台中卫星运动模块的有效性。对AODV(自组网按需距离矢量路由),DSDV(目标序列距离矢量路由)和OLSR(链路状态优化路由)算法应用在卫星集群网络中的性能进行了仿真。结果表明:OLSR算法在卫星集群网络中性能最优,其分簇和链路状态感知机制可为卫星集群网络路由算法的研究提供借鉴。     

考虑通信延迟的卫星集群改进蜂拥控制

针对卫星集群的无碰撞协同运动问题,提出了一种改进的蜂拥控制策略。首先,结合Prim算法和广度优先算法设计了一种计算度、半径约束最小生成树的拓扑优化方法,并将优化结果作为星群的通信拓扑。该方法不仅能够节省每个卫星的通信资源,还能够减少星群网络的通信延迟。随后,为提高参考轨迹生成的快速性,采用基于傅里叶级数的形状曲线逼近法对主星参考轨迹进行规划。在此基础之上,提出了一种考虑通信延迟与碰撞规避的蜂拥控制策略,使星群能够在保证通信连通性的前提下沿参考轨迹运动到目标点附近,并且在运动过程中不发生碰撞。经过理论分析,利用Lyapunov Razumikhin定理证明了卫星集群系统能够达到渐近稳定。最后,通过数值仿真验证了所提控制策略的正确性和有效性。     

我国天基综合信息网构想

阐述了天基综合信息网的定义、组成和特征;介绍了美国和欧洲天基综合信息网的研究情况;提出了我国天基综合信息网的体系架构,其中包含通信卫星、导航卫星、遥感卫星、载人飞船等航天器和临近空间各种飞行器,以及地面系统。分析了该网络的特点和可用的网络协议结构;探讨了该网络的组网结构、网络协议、服务质量(QoS)路由、网络管理、网络安全防护、激光通信和星载处理交换等多项关键技术。依据国情,提出了我国天基综合信息网构想。此构想采用双层(地球静止轨道和低地球轨道)通信卫星星座和导航卫星星座,实现全球全时覆盖空间层航天器、临近空间层飞行器和地面层各种用户终端,通过星间链路、星地链路和地面线路组成一个空天地一体化的全球信息网络。在国外不设地球站的情况下,该网络可实现:国内测控站测控我国全球运行的卫星;国内遥感站实时接收我国全球遥感卫星发送的信息;国内关口站管理我国授权的全球用户站之间的互通信息。最后,提出了开展我国天基综合信息网的可行性研究建议。     

弱全局信息下月面超远距离保通行性移动规划

针对月面超远距离移动规划任务因缺乏精确全局信息而导致的规划路径可通行性不足问题，提出了月面道路拓扑网的构建设想及相应路径规划技术，凭借复杂道路网络的连通能力确保巡视器超远距离规划路径的可通行性。首先进行月面道路拓扑网的设计方法研究，分别提出了基于滑动最优泊松采样算法的网络节点设计方法和基于均匀领邻网络拓扑模型网络结构设计方法，使月面道路网网络节点分布均匀、密度适中且覆盖完整，网络连接合理且各路径尽量远离障碍区域。然后进行基于月面道路拓扑网的超远距离移动规划研究，分析了基于月面道路拓扑网路径规划技术的概率完备性和整体可通行概率，并提出了基于月面道路拓扑网的K优路径规划方法，通过道路网的连通性来提高超远距离移动探测任务的整体可通行概率。最后以阿波罗两次登月任务的着陆点之间进行超远距离转移任务为仿真场景，验证了本方法的有效性。     

基于局部队列的导航卫星网络路由算法

针对链路间断可用的导航卫星网络的路由问题,提出一种基于局部队列的最早投递（EDPQ）路由算法。首先,建立导航卫星网络的网络拓扑模型,并设计一种链路调度按需更新机制;然后,提出一种低开销的邻居节点队列信息更新机制。仿真结果表明,通过综合利用链路调度信息、本地和邻居节点队列信息,EDPQ获得了更好的性能。     

一种新型的充放电及分流一体化空间电源控制技术

为满足卫星轻量化需求,本文对一体化的空间电源调节技术进行了研究。采用一种新型的集蓄电池充放电与并联分流一体化功率拓扑结构和功率调节控制策略,可实现使用单一电路完成太阳阵分流、电池充电控制、电池放电调节三种功能。介绍了新型拓扑的工作模式、功率调节控制策略及其实现方法,通过Pspice软件进行了电路建模与原理仿真,结果证明此方法有效。     

宽带低轨卫星网高效组播中的部分网络编码算法

通过引入逻辑位置的概念,将宽带低轨卫星通信网的动态网络拓扑等效为多个静态拓扑的循环更替。针对静态网络的高效组播,提出部分网络编码算法。该算法只在有编码增益的节点处进行网络编码,其它节点直接路由转发。从等效的多个静态网络拓扑中提取连接关系不变的恒定网络拓扑,提出在恒定网络拓扑中采用部分网络编码实施组播。该方法能克服拓扑变化引起的路由和编码方案频繁变换问题,对应的吞吐量约为组播树路由的2倍,且优于多径路由,组播目的节点数越多,优势越明显。算法对于链路的失效具有较好的健壮性。研究成果对提高宽带低轨卫星通信网的组播吞吐量和健壮性具有一定的理论意义和实用价值。