卫星网络动态资源图多QoS约束路由算法

针对高动态卫星网络拓扑变化导致的网络更新期间可用路径失效，QoS需求难以满足的问题，提出了一种基于软件定义网络（SDN）架构的虚拟节点动态资源图多QoS约束路由算法（DRGVN-QR）。根据节点的切换状态、缓存以及链路的剩余带宽、时延等信息，结合虚拟节点的网络拓扑方式，建立虚拟节点动态资源图模型。根据资源图模型，建立最小路径代价的优化模型，利用蚁群算法（ACO）并发地为每个连接请求找到一段时间范围内的最优路径集合，并对信息素挥发系数的取值问题进行了讨论，以提升路径质量和算法性能。最后，为了适应卫星网络的时变性，设计一种幂数加权公式求出一段时间范围内的最优路径。仿真结果表明：DRGVN-QR算法能够规避路径失效带来的传输中断问题，提高网络QoS，与其他算法相比，该算法降低了平均端到端时延、网络丢包率和时延抖动。     

基于多目标粒子群算法的导航星座优化设计

导航星座的设计涉及诸多优化变量的选取,优化设计的目的是选取合适的优化变量使导航星座最大程度地满足人们需求。提出了将导航性能和卫星生产成本作为目标对导航星座进行多目标优化设计的研究方案,导航星座基本构型为中轨道(MEO)与地球静止轨道(GEO)卫星组成的混合星座,MEO卫星用于全球导航,GEO卫星用于增强星座对中国及周边地区的导航性能。探讨了MEO和GEO的轨道设计思路。阐述了星座导航性能与卫星生产成本的计算方法,并选取定位精度因子(PDOP)作为导航性能指标。介绍了基本粒子群算法和多目标优化的概念,提出了改进的多目标粒子群算法(MOPSO),给出了该算法的计算步骤和测试结果。讨论了导航星座多目标优化设计的数学模型,列举了优化设计变量的定义域,采用MOPSO算法对导航星座进行了多目标优化设计,通过分析优化设计结果,说明了导航星座多目标优化设计方案的可行性。     

基于QoS的卫星网络端-端通信可靠性分析

针对卫星网络动态环境下的高速信息传输、业务类型差异大等特点，提出一种综合考虑各业务QoS（Quality of Service）指标的可靠性分析方法。在卫星通信网络实际运行周期内，通信系统往往处于逐渐劣化过程中，导致卫星的节点和链路除正常工作和完全失效外，还存在部分失效的工作状态。本文在链路多状态基础上基于最小路集算法（Minimum Path Set Algorithms，MPSA）在不同业务的QoS指标（时延、带宽和丢包率）约束下，得出满足该业务QoS约束的所有可靠路径集，对路径集中路径进行不交化处理得到网络端-端可靠性。研究结果表明，不同业务由于QoS需求的差异导致网络端-端可靠性不同，所提算法与传统算法相比更加符合实际。由于实际卫星网络环境中会采用端-端并行多路径传输（Multi-Path Transmission，MTP），本文在上述研究的基础上，进一步对多路径的端-端可靠性进行了研究，结果表明多路径数据传输可靠性高。     

基于自适应连续蚁群算法的卫星星座设计(英文)

蚁群算法是一种解决多变量问题的新型启发式仿生算法。本文分析了卫星对地面的覆盖条件,提出用——/(n 1)重覆盖率来评价星座的覆盖性能,建立了以覆盖性能为目标函数的卫星星座参数优化模型。采用蚁群算法对卫星星座参数进行优化,为星座优化问题提供了一种新方法。在连续蚁群算法的基础上对算法进行改进,提出蚂蚁种群数量的自适应准则,有效的提高了搜索范围与收敛速度。通过仿真表明,与其他方法相比,蚁群算法在星座参数优化有着明显的效率。     

基于搜索空间变换和序优化的预警星座设计

高轨预警星座由若干颗地球静止轨道卫星和大椭圆轨道卫星组成,星座优化的目标是满足重点监视区域的覆盖和提高覆盖区域的定位精度。对于覆盖性优化,根据多个监视区域的威胁等级,星座系统需要提供不同的覆盖重数;对于定位精度优化,系统在立体观测和单星观测情况下存在很大差异。因此高轨预警星座优化是一个复杂多区域多目标优化问题。针对以上难点,提出了多层次多目标优化模型,可以较完整合理地描述预警星座优化问题;在优化模型求解方面,将优化计算分为覆盖性优化和定位精度优化两个环节;在覆盖性优化环节,提出了基于搜索空间变换的覆盖性快速优化方法,提高了Pareto最优解的计算速度和准确性。在定位精度优化环节,采用序优化方法进一步缩短优化时间。仿真试验表明,该方法可设计出满足预警任务需求的星座,且优化耗时在1 min以内,能有效地缩短预警星座优化时间。     

全球卫星导航星座网络协议体系与运行模式

针对全球卫星导航星座网络建设初期或论证阶段所涉及的网络体系结构、协议体系及相关组网等技术问题,开展了基于导航星座星间链路构建空间信息网络的技术研究,分别提出了由子网、接入网、骨干网等节点及其相互之间星间、星地无线链路构成的分层网络系统结构,设计了兼容遥控、遥测、测量与网络交互支持等业务的基于IP over CCSDS(基于空间数据系统咨询委员会标准的空间链路承载互联网协议业务)的协议体系,给出了全系统基本通信业务运行模式等。与传统高轨卫星通信系统相比,该星座网络具有高覆盖、低时延、随遇接入等优点,可实现星座导航性能与中低轨及地面用户通信性能的全方位提升,相关结果对我国全球卫星导航星座网络技术研究具有一定的参考意义。     

星间链路数量受限的导航卫星网络链路分配问题

对星间链路数量非常有限、需要同时满足星间测距和星间通信需求的导航卫星网络的链路分配问题进行了研究。首先,分析了导航卫星网络的特点,并设计了一种基于有限状态自动机(FSA)的拓扑处理机制。然后,将星间测距需求作为一个约束,以星间通信的延时性能为优化目标,将导航卫星网络的链路分配问题建模为一个多目标优化问题。最后,针对建立的多目标优化问题,分别提出一种基于首次改善(FI)的本地搜索算法和基于模拟退火(SA)的启发式优化算法以对链路分配问题进行求解,并提出一种基于分支交换策略的新链路分配生成方法。仿真结果表明,通过FI算法和SA算法获得的优化链路分配的网络延时性能均得到了改进,且SA算法的性能要优于FI算法;同时,FSA的状态持续时间的减小有利于获得网络延时性能好的链路分配。     

基于代理模型的飞翼多目标气动优化设计

针对飞翼布局飞行器,采用雷诺平均N-S方程（ RANS）计算流场,使用基于代理模型的多目标优化方法进行了同时考虑起飞性能和巡航性能的多点多目标气动优化设计。在设计过程中,将飞翼的平面形状、剖面形状及扭转角同时作为设计变量（共58个设计变量）,将提高起飞时的升力系数和提高巡航升阻比为设计目标,以起飞状态和巡航状态的力矩系数作为气动约束,并以飞翼平面面积不减和剖面厚度不减作为几何约束。通过采用基于Kriging模型的多目标优化方法,以较小的计算花费得到了较好的Perato前沿。取Pareto前沿中一个最优解与基准外形的性能进行了对比,结果显示,优化外形的性能较基准外形的气动性能得到全面大幅提高且所有约束得到严格满足。     

考虑性能及成本的固体火箭发动机多学科设计优化

为综合考虑固体火箭发动机的燃烧室、药柱、内弹道、喷管及成本等学科影响,梳理学科间耦合关系,并建立了以总冲最大、成本最小为优化目标的固体火箭发动机多学科设计优化（MDO）模型。为降低MDO问题的计算成本,提出一种基于Kriging代理模型的多目标自适应优化方法（KRG-MAOM）。优化过程中,分别对目标与约束构建Kriging模型,并采用多目标优化算法求解,在伪Pareto解中综合考虑支配关系与分布特性选取新增样本点,引导优化快速收敛。算例结果表明,KRG-MAOM算法在全局收敛性与优化效率方面具有显著优势。最后,采用KRG-MAOM算法求解该MDO问题,得到可行的Pareto解集方案,与初始方案相比,同性能情况下成本节省约3.36%;同成本情况下性能提升约10.93%,从而验证MDO模型合理性与KRG-MAOM算法有效性。     

基于改进多目标布谷鸟搜索算法的翼型气动优化设计

布谷鸟搜索（CS）算法是一种新型的受自然现象启发的元启发式智能优化算法，其强大的全局搜索能力和收敛速度受到了广泛关注。多目标布谷鸟搜索（MOCS）算法是一种在单目标布谷鸟算法基础上发展的可以直接求解Pareto解集的多目标优化算法。针对原始MOCS算法的不足，采用一系列措施以提高算法的收敛精度、收敛速度以及解的均匀性：通过引入非支配排序与拥挤距离来改进解的适应度评估；通过改进随机游走策略来提高局部搜索能力；通过引入改进的自适应丢弃概率策略来提高算法的收敛速度；加入档案管理机制，提高解的均匀性。典型的多目标数值算例结果表明，改进的MOCS算法相较于当前主流的NSGA-Ⅱ算法拥有更快的收敛速度和更高的收敛精度。以RAE2822双目标升阻比优化设计为例，将改进的MOCS算法应用于多目标气动优化中，改进的MOCS算法共获得64个Pareto解，优化后的翼型气动性能有明显的提升，设计者可以根据自己的偏好选取不同的Pareto解。对于气动优化问题，改进的MOCS算法与目前主流的NSGA-Ⅱ相比，收敛速度更快。     

A Novel Stable Clustering Design Method for Hierarchical Satellite Network

This article proposes a novel stable clustering design method for hierarchical satellite network in order to increase its stability, reduce the overhead of storage and exert effective control of the delay performances based on a 5-dimensional vector model. According to the function of stability measurement and owing to the limitation of minimal average routing table length, the hierarchical satellite network is grouped into separate stable connected clusters to improve destruction resistance and reconstruction ability in the future integrated network. In each cluster, redundant communication links with little contribution to network stability and slight influences on delay variation are deleted to satisfy the requirements for stability and connectivity by means of optimal link resources, and, also, the idea of logical weight is introduced to select the optimal satellites used to communicate with neighboring cluster satellites. Finally, the feasibility and effectiveness of the proposed method are verified by comparing it with the simulated performances of other two typical hierarchical satellite networks, double layer satellite constellation(DLSC) and satellite over satellite(SoS).     

MEO/LEO双层卫星网络中层间链路的连接度分析

作为未来卫星移动通信系统的一个重要的研究方向,提出了一种由MEO卫星和LEO卫星共同组成的双层卫星网络(Double-Layer Satellite Network,DLSN),以更好为用户提供多媒体服务.作为多层卫星网络的一个重要的研究内容,连接不同高度上卫星的层间链路(Inter-Orbit-Links,IOLs)的特性对于整个DLSN网络的性能会有很大的影响.根据所设计的多层卫星网络的星座参数,通过对层间链路几何特性的研究,分析了多层卫星网络中MEO卫星与LEO卫星的连接度性能.采用计算机仿真的方法,给出了层间链路连接度的特性.结果表明,为了提高网络性能,在多层卫星网络中应按照一定参数有选择的建立层间链路,而不是简单的采用视距可见原则建立层间链路.     

LEO navigation augmentation constellation design with the multi-objective optimization approaches

Low Earth Orbit (LEO) satellite for navigation augmentation applications can significantly reduce the precise positioning convergence time and attract increasing attention recently. A few LEO Navigation Augmentation (LEO-NA) constellations have been proposed, while corresponding constellation design methodologies have not been systematically studied. The LEO-NA constellation generally consists of a huge number of LEO satellites and it strives for multiple optimization purposes. It is essentially different from the communication constellation or earth observing constellation design problem. In this study, we modeled the LEO-NA constellation design problem as a multi-objective optimization problem and solve this problem with the Multi-Objective Particle Swarm Optimization (MOPSO) algorithm. Three objectives are used to strive for the best tradeoff between the augmentation performance and deployment efficiency, namely the Position Dilution of Precision (PDOP), visible LEO satellites and the orbit altitude. A fuzzy set approach is used to select the final constellation from a set of Pareto optimal solutions given by the MOPSO algorithm. To evaluate the performance of the optimized constellation, we tested two constellations with 144 and 288 satellites and each constellation has three optimization schemes: the polar constellation, the single-layer constellation and the two-layer constellation. The results indicate that the optimized two-layer constellation achieves the best global coverage and is followed by the single-layer constellation. The MOPSO algorithm can help to improve the constellation design and is suitable for solving the LEO-NA constellation design problem.     

基于复杂网络的空中交通特征与延误传播分析

空中交通流量管理主要集中在尾随间隔、空中等待等局部战术空中交通流量调配,对空中交通流量整体运行规律、延误传播和整体解决的研究较少。航空运输网络是一个复杂系统,从复杂网络理论角度对航空运输网络进行研究很有必要。首先,分析了空中交通流量网络的度、度分布、权值、权分布、流量、容量、延误等静态特征;然后,提出了空中交通流量网络整体效能评估方法,使用选择性攻击和随机攻击方法分析了空中交通流量网络的抗毁性,基于负荷容量级联失效模型和病毒传播模型与空中交通延误传播的相似性建立了空中交通延误传播模型,最后,使用实际运行数据验证了空中交通流量网络的特征与延误传播模型的有效性,该研究可以为大范围空中流量管理提供决策支持。     

基于改进POCET技术的通导一体化信号设计

随着低轨卫星组网的发展,结合我国北斗三号全球卫星导航系统的全面建成,研究兼容北斗的通信导航一体化技术日益迫切。为使卫星上的高功率放大器工作在非线性饱和区,以达到较高的发射功率效率,需要保证合成信号的恒包络特性。考虑北斗导航信号与低轨卫星通信信号频点不同,且待复用信号分量较多,以相位优化恒包络发射(POCET)技术为基础,提出了一种改进的多频点多非独立信号分量恒包络复用技术,对七路信号进行复用,利用罚函数进行目标函数优化得到最优解。通过分析其信号特性,表明该方法具有较高的复用效率,并能有效抑制非独立分量造成的波形畸变,从而实现通信导航一体化信号设计,为未来基于低轨卫星的通信导航一体化波形设计提供了思路。     

一种低迟滞低磨损的指尖密封型线构形的研究

针对迄今指尖密封多目标性能优化研究中存在的难以实现迟滞性能和磨损性能同步改善的问题,通过引入Stackelberg对策理论,并将指尖密封型线构形作为优化"元素",构建了指尖密封迟滞性能和磨损性能优化的Stackelberg模型.在正向Stackelberg主从对策机制下,采用基于有限元仿真和BP神经网络的遗传算法在Stackelberg系统主从层面上实现了指尖密封性能的可控优化,获得了具有低迟滞低磨损性能的"上凹"构形指尖密封型线.有限元仿真分析合理地解释了"上凹"型线指尖密封具有较好性能的原因,表明"上凹"型线指尖密封具有良好的应用前景.