Optimal network topology of relative navigation and communication for navigation sharing in fractionated spacecraft cluster

Navigation sharing as a key technology provides orbit and attitude information broadcasting for the whole fractionated spacecraft cluster (FSC). The navigation sharing concept has already been proposed for some years. However, the problem of achieving the optimal navigation sharing by designing the proper network topology is still unsolved, especially in the case that some members of the cluster have absolute navigation devices, some just have relative navigation devices and some only have communication devices. In this paper, a comprehensive model of describing the navigation sharing problem in FSC is proposed. The model of network topology constructing by relative navigation links and communication links is established. By using the graph theory and genetic algorithm as the tool, the conditions for navigation sharing in FSC with different sharing degrees are obtained. Finally, some examples are presented to test the methods, and it has been found that, the absolute positions and attitudes of all the members can still be determined even some members in FSC have no absolute navigation devices.     

前向数据接入方式对导航星座网络通信性能的影响分析

对采用时分多址轮询建链体制的导航星座星间链路网络，为了指导星间链路网络地面前向数据接入的应用，分析了不同地面前向数据接入方式的星-星-地联合数据交互机制及其对网络通信性能的影响，并结合应用代价给出了综合评价和使用建议。以前向数据最快路径接入方式和固定节点接入方式为代表，分析了星间链路网络与地面间星 星 地联合数据交互机制的特点，明确了两种方式下星间链路网络拓扑路由规划策略的制定原则。通过构建Walker 24/3/1导航星座星间链路网络数据处理模型及典型星地运行场景，对两种地面前向数据接入方式仿真分析了星间链路通信容量和传输时延等网络通信性能，比较分析了通信容量及数据拥塞规律，得出前向数据最快路径接入方式相比于固定节点接入方式在通信性能上有较明显优势的结论。最后，综合给出了两种星 星 地联合数据交互机制的应用性评价,同时给出了在通信容量较低且通信时延要求不高、但可靠性要求较高的应用条件下，可适度采用固定节点接入方式的建议。     

组织决策与组织结构的拟定量研究

针对现代组织所面临的是由不断增长的复杂性、竞争性和动态性所带来的高度不确定性环境特征,研究组织结构设计问题.建立了组织决策过程的一般数学模型,从决策和信息交流角度定义组织结构及其价值.采用定性与定量相结合的方法,推导出组织结构价值的定量表达式,据此分析组织结构对组织决策的影响,得到了一些对组织结构设计有意义的结论.研究表明,在不确定性环境中,决策单元之间更多的信息交流可以使组织作出更佳的决策,通信通道灵活和开放的网络组织对于通信通道固定和受限制的层次组织具有优越性.     

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。     

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。      

Data processing center of RadioAstron space VLBI project

In this paper, questions on development, implementation, and operation of RadioAstron project Data Processing Center (DPC) are reviewed. The main components of the dedicated DPC are the computer complex with 1 TFlops/s performance, storage with memory capacity of approximately 10 PB, the network infrastructure, and the corresponding communication channels. Performance enhancement methods and resolution of information storage, archiving, and process problems of space VLBI high-speed digital data flows are analyzed. It is shown that successful operation of DPC is mainly provided by optimal organization of computer system structure, storage, and networking transmission. Some of the important key features of RadioAstron project DPC and its comparative differences from the standard VLBI procedures are considered.     

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。     

地月空间信息网络链路分配算法研究

在设计拓扑时,如何分配每颗卫星上有限的通信终端建立通信链路,构建一个性能良好的网络拓扑,成为了一个重要的研究问题。以平均月球中继卫星到地面站路径距离最小为优化目标,以卫星携带的通信终端数目、月球中继卫星与地面站的连通性为约束条件,提出了基于竞争决策思想的链路分配算法(Link Assignment Algorithm based on Competitive Decision, LAA-CD)和基于模拟退火法的链路分配算法(Link Assignment Algorithm based on Simulated Annealing,LAA-SA),并与贪婪算法进行对比。仿真结果表明,LAA-CD和LAA-SA算法下所得拓扑的平均月球中继卫星到地面站距离均小于贪婪算法,且LAA-CD算法能够有效降低算法的时间复杂度。进一步对比了两种星座,发现相比拉格朗日轨道卫星星座,在月球极轨道卫星星座下所得拓扑具有更小的平均距离,为空间信息网络分配提供技术支撑。     

航空电子限时令牌太赫兹互连的实时性能分析

在航空电子设备内部采用太赫兹通信技术实现cm级的板间或芯片互连可以减少引脚和接插件，缩小电子设备的体积，并降低维护成本。针对采用全向天线收发和开关键控（OOK）调制的近距离太赫兹通信网络，通过考虑分子吸收噪声和损耗的点到点通信链路分析，给出太赫兹信道容量计算结果；结合节点间的限时令牌多路访问协议，依据信道容量采用服务曲线模型进行最坏情况下总流量分析（TFA）和隔离流量分析（SFA）；充分考虑概率保证下应用层通信任务的突发度，得到限时令牌太赫兹互连的实时性能分析方法。案例研究表明：相较于时分多址（TDMA）方式，基于限时令牌协议的无冲突多路访问机制可以适应物理层容量和应用层负载的随机变化，保证了更小的延迟，有利于实现航空电子芯片间和板间的太赫兹互连组网和实时通信。     

AWGN信道中一维调制与二维调制的信道容量

卫星通信和深空通信信道都可近似为加性高斯白噪声信道,所以研究这种信道中常用调制方式下的信道容量有重要意义.从香农信息论出发,推导出了一维调制和二维调制下的信道容量.在此基础上,阐明了在不同信噪比条件下应采用的调制方式,以及编码调制能够在不牺牲频谱利用率的前提下,得到编码增益的本质.讨论了无带宽约束下AM调制和PSK调制的香农限和在高信噪比条件下PSK的近似容量.      

航线联营下基于转运的飞机航线路径优化

为解决航空运输成本高,运输资源闲置、浪费多的问题,对航线联营下基于转运的飞机航线路径优化问题进行研究。基于货物转运问题,考虑联盟对运营的影响,引入航空联盟选择概率,确定转运前后航段运输的承运及托运问题,并考虑托运运输的衔接问题。由于航空网络中双机场容量限制,运行中全货机飞行时段及空域容量的限制,以总成本最小化为目标,建立了航线联营下基于转运的航线路径优化模型（T-AAAFRP）。设计了改进的遗传算法求解模型。通过实例分析,研究选址和路径优化问题。研究结果表明：设计的算法具有较高的收敛性;转运点数量变化的过程中,双机场城市总被选择作为转运点;需求量、飞机固定成本的变化对优化决策有较大影响;飞机载重量、联盟承运与托运的分摊系数、决策者风险偏好的变化对优化决策有较小影响;总体上转运点数量越多,所承担的总成本越小,使用的飞机数量越少。     

载荷不确定条件下的结构拓扑优化算法

研究了采用概率方法表示载荷不确定性时的连续体结构拓扑优化方法.基于线弹性体的位移叠加原理给出了结构柔度均值与方差的计算方法,并在此基础上给出了结构灵敏度分析方法.对于承受n个不确定载荷的平面结构,其柔度均值与方差以及灵敏度信息可以通过求解其在2n个确定性载荷工况下的位移而获得.给出了载荷不确定条件下以结构柔度均值与标准差的加权和最小为目标的拓扑优化算法,并通过数值算例验证了该方法的有效性及载荷不确定条件下结构拓扑优化结果的稳健性.该算法可以推广到三维结构问题.     

一种基于卷积神经网络的地磁基准图构建方法

地磁匹配导航技术是一种重要的辅助导航制导方法，地磁基准图的构建精度对地磁匹配制导的精准度起着决定性作用。针对现有地磁基准图构建精度难以满足实际地磁匹配导航需求的问题，提出了一种基于卷积神经网络的地磁基准图构建方法。首先，利用卷积层提取低分辨率基准图中的特征图像块；然后，利用基于学习的阈值收缩算法（LISTA）实现图像块的稀疏表示；最后，利用三通道的地磁信息得到重建后的高分辨率基准图。实验结果表明:所提方法对地磁基准图具有更高的构建精度，同时对噪声有更好的鲁棒性，各种客观评价指标均高于现有的超分辨率重建方法。      

基于度中心性的AFDX网络拓扑生成

航空电子系统随着任务需求和技术的发展不断向深度综合演进,其系统的复杂性给网络的设计和验证带来了巨大的挑战,如何通过网络生成实现受限资源条件下航电信息交互的实时性能保障是目前亟待解决的问题。针对目前存在的无法对航电网络进行实时性调控的拓扑设计方法进行改进,依据终端节点之间所有虚拟链路的最大通信帧长之和的大小关系,提出一种基于度中心性理论的航空电子全双工交换式以太网（AFDX）网络拓扑生成算法。将终端节点之间数据帧长作为节点度的衡量标准,对所有终端节点进行集合划分,并根据集合中终端节点的数据帧长对交换机进行连接。采用确定性网络演算以及仿真的方法对基于度中心性的AFDX网络拓扑生成算法进行效能评估。利用确定性网络演算方法,在小规模虚拟链路（VL）的组网下,结果显示:基于度中心性的拓扑生成算法生成的网络拓扑中75%的VLs实时性能优于原始人工设计的网络拓扑,且端到端延迟平均减小9.37%。利用OMNet++仿真方法,在1 400条虚拟链路的组网规模下,结果显示:基于度中心性的拓扑生成算法生成的网络拓扑中94.3%的VLs实时性能优于人为规划网络拓扑,且端到端延迟平均减小50.2%。由此表明:基于度中心性的拓扑生成算法很大程度上提高了网络的实时性能保障。      

Decentralized formation pose estimation for spacecraft swarms

For spacecraft swarms, the multi-agent localization algorithm must scale well with the number of spacecraft and adapt to time-varying communication and relative sensing networks. In this paper, we present a decentralized, scalable algorithm for swarm localization, called the Decentralized Pose Estimation (DPE) algorithm. The DPE considers both communication and relative sensing graphs and defines an observable local formation. Each spacecraft jointly localizes its local subset of spacecraft using direct and communicated measurements. Since the algorithm is local, the algorithm complexity does not grow with the number of spacecraft in the swarm. As part of the DPE, we present the Swarm Reference Frame Estimation (SRFE) algorithm, a distributed consensus algorithm to co-estimate a common Local-Vertical, Local-Horizontal (LVLH) frame. The DPE combined with the SRFE provides a scalable, fully-decentralized navigation solution that can be used for swarm control and motion planning. Numerical simulations and experiments using Caltech’s robotic spacecraft simulators are presented to validate the effectiveness and scalability of the DPE algorithm.     

星敏感器导航星表建立

导航星表是星敏感器系统用来实现恒星星图识别和姿态确定的唯一依据,它的容量、内容、存储读取方式对于完成星敏感器功能和性能指标都极为重要．通过分析恒星在视场中的分布规律,建立起星表的完备性和冗余性与星敏感器视场内导航星的数量之间的关系,确定了导航星数量,提出了筛选导航星的原则和方法,为了实现星表的快速搜索,对导航星表的组织形式进行了详细讨论．构造一个由2510颗0～6等导航星组成的导航星表,满足了星敏感器星图识别和姿态确定的需求．     

Trans-ionospheric GPS signal delay gradients observed over mid-latitude Europe during the geomagnetic storms of October–November 2003

Ionospheric disturbances are known to have adverse effects on the satellite-based communication and navigation. One particular type of ionospheric effects, observed during major geomagnetic storms and threatening the integrity performance of both ground-based and space-based GNSS augmentation systems, is the sharp increase/decrease in the ionospheric delay that propagates in horizontal direction, thus called for convenience ‘moving ionospheric wall’. This paper presents preliminary results from researching such anomalous ionospheric delay gradients at European middle latitudes during the storm events of 29 October 2003 and 20 November 2003. For the purpose, 30-s GPS data from the Belgian permanent network was used for calculating and analysing the slant ionospheric delay and total electron content values. It has been found that, during these two particular storm events, substantial gradients did occur in Europe although they were not so pronounced as in the American sector.     

基于鲁棒协同控制方法的多航天器交会问题

提出一种解决多航天器交会问题的协同控制算法。首先应用图论中邻接矩阵及拉普拉斯矩阵的定义及其相关性质,描述了多航天器之间的通信拓扑关系;其次对目标航天器轨道为椭圆形情况下的交会问题进行构建,并设计了相应的协同控制算法;最后利用李雅普诺夫函数证明该系统的稳定性,并且能够保证消耗的能量最优以及最大推力受限。仿真实验表明:提出的方法可以实现多航天器的协同交会,验证了该方法的有效性。     

自动车辆定位调度系统的研究

集群移动通信系统虽然具有话音通信调度能力但是缺乏用户定位导航能力,GPS(全球定位系统)虽然具有导航定位能力但是缺乏用户之间的通信能力.因此,如何将GPS与集群通信系统有机结合,取长补短,组成动态的自动车辆定位调度系统具有十分重要的意义.作者在研究Motolora智慧网的基础上,分析了实现自动车辆定位调度系统需要解决的几个技术难题:识辨和提取控制信令和话音信息,自动建立GPS数据链路以及信道负载平衡等,并给出了解决方案.实践结果已证明了这些方案是可行的.     

航空电子WDM网络的实时性能分析

对航空电子波分复用(WDM,Wavelength Division Multiplexing)网络实时性评估问题,采用网络演算理论,提出了一种周期消息在WDM复杂虚拓扑上多跳端对端最大延迟的计算方法.建立了波长路由器WDM网络模型,分析了消息流端对端延迟的组成部分.针对网络演算理论下的WDM网络通信模型,推导了消息经单节点和多节点波长路由器的最大延迟的计算公式.并结合实际航空电子系统对公式进行了修正,解决了突发度过大的问题.最终得到最大延迟的紧密上限.最后在OPNET仿真环境下验证了计算分析方法的有效性.