高中低轨导航星座混合体制星间链路规划

针对北斗系统加入低轨增强星座后的高中低混合星座特点,为了满足下一代导航星座主要的星间链路业务需求,提出了一种分级规划的混合星座星间链路规划方案。优先为激光星间链路的MEO、LEO、MEO-LEO建立拓扑,基于此拓扑提出了时分体制的分组拓扑规划算法。针对导航星座高中低速混合星间网络不同体制的路由提出了2种不同的改进路由算法,并对混合体制星间链路进行了仿真和规划。对规划结果进行了统计分析,验证了混合网络规划方法的正确性和混合网络在低轨监测数据回传、层间数据传输、导航信息上注3个典型导航业务场景的数据传输效能。低轨监测数据回传和连续体制节点导航信息上注时延均在1s之内,在94%的时间里有5~8条层间星间链路,时分体制节点在92%的时间里可以在12s内完成上行注入,为下一代导航系统规划设计提供参考建议。     

一种WSN虚拟多路径可靠路由协议

针对无线传感器网络中的数据传输不可靠问题,提出虚拟多路径路由协议,该协议将路由优化和数据传输结合在一起,按需建立可行路径集合,在数据传输的过程中实时采集分组的累计传输次数,通过对累计传输次数均值的区间估计,评估各路径的质量,识别并淘汰质量显著低的路径,根据网络实时链路质量动态的进行路由优化.在NS2平台上进行仿真,结果表明该协议能够适应带宽资源紧缺、链路不可靠且动态变化的无线传感器网络,在能量效率、分组递交率方面优于典型的路由优化和使用相分离的协议AODV_ETX.     

无人机辅助车联网的无人机部署算法

针对无人机辅助车联网的无人机部署问题，分析了基于时延和回传链路的能效无人机部署策略的性能。该策略从车联网的数据传输时延和回传链路角度优化无人机的部署，进而最小化无人机的功率消耗。先面向车联网网络，推导了基于单个用户速率的时延约束函数，并构建基于无人机离基站距离的回传链路容量函数；再构建基于时延和回传链路容量函数的目标函数。最后，利用序列二次规划求解目标函数。性能分析表明，通信数据包尺寸是影响时延的重要参数。此外，在低时延和数据尺寸较大时，车辆用户的总速率之和收敛于回传链路容量。     

导航星座星间星地一体化数据交互技术研究

导航星座时分轮询建链体制星间链路与非时分固定建链体制传统星地链路，数据交互机制区别显著，不利于导航星座与地面联合数据交互的高效实现。提出利用与星间链路信号体制一致的星地链路，将星间链路范围扩展至地面，以少量的地面站资源和统一的网络规划，实现星间、星地链路数据传输处理机制统一化以及网络资源调度管理一体化的方法，可支持全球导航系统星-星-地数据的高效精准交互。制定了地面节点设计部署方案和星-星-地一体化资源调度方案；指出一体化网络拓扑规划的核心是境内卫星的建链目标分配，并给出境内卫星建链目标的优化排序方法和排序优先级策略；以最短路径路由方式为代表，定义了按照时间前向搜索传输路径的路由规划方法。通信性能仿真结果表明，相比于使用传统固定建链体制的星地链路，该方式下进行导航星座与地面数据交互的前向接入数据容量和传输时延等性能有明显提升。     

一种低轨遥感卫星按需数据传输机制

针对现有低轨（LEO）遥感卫星数据下行机制普遍存在的低效率、高时延、传输路径易损等问题,提出了一种新型的遥感数据传输机制。所提机制中,支持地面站按需实时定位遥感影像资源,并建立定位卫星到达地面站的传输路径;在建立传输路径时,考虑到协作卫星与地面的可视时间有限,提出了以路径持续服务时间最大化为度量的路由算法,降低因协作卫星改变而引入的传输时延。基于NS3仿真平台实现了所设计的数据传输机制,实验表明,提出机制相比现有数据传输机制可降低数据传输时延,减少数据丢失。      

基于低轨移动星座的高速星载路由器设计

随着地面网络流量不断增长,实现星地一体化要求星间网络能够提供基于IP的大流量数据传输。而星载路由器作为连通星间网络的关键设备,其转发速率和服务质量等指标决定了整个星间网络的吞吐量和时效性。考虑到现有星载路由器吞吐量低的现状,提出一种适用于低轨移动通信星座的高速星载路由器设计方案,在基于拓扑快照的路由基础上补充3层动态路由,在保证交换速率的同时减少网络故障导致的丢包,实现“一次路由,多次交换”。采用共享内存式的交换存储单元,利用Spacewire和Serdes高速接口单元,理论上星间数据吞吐量能够达到最高51Gbit/s,且支持IP数据传输,为与地面网络的融合奠定基础。     

关于“北斗”发展应用的思考

全球卫星导航系统处于快速发展阶段,导航系统应用市场竞争异常激烈,作为全球四大导航系统之一的"北斗"卫星导航系统(以下简称"北斗")面临着机遇与挑战。根据目前卫星导航系统的应用状况和"北斗"面临的问题,笔者提出了我国"北斗"的发展应用建议,以期对我国自主卫星导航系统的市场推广应用有所帮助。     

基于快速响应的导航星座重构构型设计

针对有卫星失效下的导航星座,提出发射快速响应卫星的方法来对星座的空间构型进行重构,以实现修复和改善星座性能的目的.对快速响应任务中快速响应卫星的发射方式和入轨方式进行分析,建立快速响应卫星响应时间的数学模型;建立基于快速响应的重构构型优化模型,对优化问题中的优化变量、约束条件、目标函数进行分析;以北斗中MEO卫星失效为例,利用NSGA Ⅱ算法对优化模型进行求解,并采用双层编码的方式对优化参数进行编码得到以星座性能和响应时间为目标函数下的Pareto前沿.从结果可以看出该重构方法能有效提升受损星座的性能,同时Pareto前沿中对应的所有重构策略中,响应时间均小于一天.     

一种高速SpaceWire系统设计与验证

标准SpaceWire总线技术虽然在航天器上应用广泛，但是存在传输速率低的弱点.针对这一不足，首先提出了一种高速SpaceWire系统架构.在此基础上开展了吉比特级SpaceWire终端节点和路由器的FPGA设计，解决了终端节点的物理接口、片上总线、DMA，以及路由节点目的端口仲裁模块和组寻址路由模块设计中的关键问题.在测试验证部分，开展了数据传输测试、误码率测试和数据传输率测试，测试结果表明高速SpaceWire系统已具备路由和终端节点的主要功能、指标较先进，具有良好的航天应用前景.     

深空通信中LTP协议选窗概率优化

为满足深空延迟/容忍网络(DTN)中不同类型不同权重数据差异化传输的需求，提出一种基于自适应遗传算法的选窗概率函数优化方法。该方法以红绿(重要、不重要)数据误码率为适应度函数进行交叉变异与全局优化，使重要数据被大概率选中并以较高的正确率传输，不重要数据不被遗漏并在预期误码率范围内传输。将其应用在DTN网络传输层LTP协议的扩展窗不等差喷泉码编码中，通过与传统遗传算法的仿真结果对比表明自适应遗传的优化算法能降低深空通信中重要数据的误码率和信道总误码率，满足差异性数据传输的要求，减少因误码率高而导致的信息重传，提高数据传输效率，节省信道资源。     

PSO选星算法参数分析与改进

多星座组合导航提供更多的可用卫星,但也增大接收机计算复杂度,选取部分可见星代替全部可见星进行接收机位置解算成为选星算法研究的热点。粒子群优化（PSO）选星算法将PSO算法引入到选星过程中,该方法能够减少选星时间,实现北斗/GPS组合星座快速选星。研究了该算法的关键参数包括惯性权重因子、加速系数、种群大小等对PSO选星算法性能的影响,并针对搜索过程容易陷入局部最优问题,提出自适应模拟退火粒子群优化（ASAPSO）选星算法,该算法通过引入随适应值大小自适应调整进化参数及结合模拟退火算法调整粒子速度,以增强算法跳出局部极值的能力。采用实际数据对算法进行验证,结果表明:ASAPSO选星算法在保证选星时间的同时,能够提高算法搜索结果的准确性,其性能优于PSO选星算法。      

基于星间链路的导航卫星时间自主恢复策略

基于北斗导航卫星星间链路的测距与数传功能，针对自主导航时卫星时频子系统异常导致载荷系统断电重启的情况，提出了一种基于星载计算机自主计时及星间链路误差校正的策略.在载荷系统重启时间内，利用星载计算机守时，并通过十秒稳定度预报晶振频率漂移量的方法，维持星钟在重启时间内的稳定.载荷系统重启后，星载计算机授时给导航任务处理机，通过误差分析计算出总误差.该误差在星间链路建链误差允许范围内，然后通过星间链路对星钟误差进行校正恢复，重新实现星地时间同步.      

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.      

量子科学实验卫星密钥分发实验任务规划

针对量子科学实验卫星密钥分发实验任务规划约束条件多以及时效性要求高的特点，基于对密钥分发实验过程及约束分析，建立了约束满足规划模型.以完成时限最短为优化目标，综合考虑任务规划所需光学及数传站资源分配，利用深度优先搜索算法对模型进行求解，解决了实验过程中多要素紧耦合、强时间约束的难题.仿真分析结果表明，所提出的模型及算法有效，能够满足量子科学实验卫星密钥分发实验星地交互的需求.      

基于差分进化算法的导航星座在轨重构构型设计

针对有卫星失效下的导航星座,提出了对在轨卫星进行相位机动的方法来对星座的空间构型进行重构,以实现修复和改善星座性能的目的。首先,利用共面高轨和共面低轨变相的方式来对在轨卫星的相位进行调整,建立共面轨道相位机动的数学模型;其次,提出了除重构时间和重构能量外的其他重构指标,包括重构能量均衡度和重构构型恢复性,并建立了各重构指标的数学模型;然后,建立了重构构型的优化模型,并对优化问题中个体的评价手段与编码方式进行设计;最后,以北斗中MEO卫星失效为例,利用差分进化算法对优化模型进行求解,得到以不同重构指标为目标函数下的Pareto前沿。从结果中可以看出该重构方法对星座性能的提升最大可以达到41.2%,同时Pareto前沿中对应的所有重构策略中,重构能量、重构构型的均衡度、重构构型的健壮性的数量级均维持在-1、-3和0的水平。     

北斗导航星座星间通信速率控制方法

北斗导航星座可以通过星间测距和传输链路实现自主定轨和性能增强。导航卫星间进行数据传输时，卫星相对位置时变，传输信道特性也随之不断发生变化。针对导航卫星间传输链路时变特性，提出了一种基于星历的星间通信速率控制方法。在满足传输服务质量的需求下，根据导航卫星自有的高精度星历资源定量计算星间最优通信速率，通过速率的动态调整提高星座的传输效能。仿真结果表明，采用所提方法，北斗导航星座星间传输效能可以提高1.92倍，验证了方法的有效性。      

最小数据丢失量的地月中继卫星任务调度研究

月球背面的探测器必须依靠地月中继卫星进行数据传输与通信。地月中继任务包括实时性任务和延迟容忍类任务，如数传任务。当探测器等待传输的数据量超出用户存储容量时，延迟容忍类任务会由于探测器本地存储资源不足和地月中继卫星天线资源受限而无法完成，导致任务数据丢失，所以需要设计一种合理的地月中继任务调度策略，提高地月中继卫星的资源利用率，减少数据的丢失。对地月中继卫星任务调度进行了研究，在分析地月中继卫星数传任务的特点及用户的存储限制的基础上，以最小化数据丢失量为优化目标，建立了地月中继卫星任务调度模型，并设计了一种基于离散烟花算法（DFWA）的地月中继卫星任务调度算法。仿真数据分析表明，基于离散烟花算法的地月中继卫星任务调度算法在求解结果上优于遗传算法，是一种合理、有效的调度方法。