基于负载均衡的导航时分网络建链优化技术研究

导航卫星可基于相控阵星间链路构成覆盖全球的时分捷变网络,文章针对卫星之间建链拓扑的优化问题进行研究。首先,建立导航卫星星座动态时分建链的拓扑模型,确定了在特定路由策略下,信息路径及网络节点负荷由网络拓扑唯一确定的原则,并分析了导航卫星网络业务流量不对称的特征。然后,基于导航星座模型提出基于目标评价函数进行负载均衡的网络拓扑优化方法,形成建链优化方法的计算步骤。最后,以网络时延和接入能力为指标验证时分网络建链规划方法对负载进行均衡的性能。仿真结果证明了基于负载均衡的时分网络建链优化方法的可行性,对全球卫星导航系统的星间链路管理与运行具有参考价值。     

星上抽样侦听统计自适应多址

ALOHA类协议是实现卫星通信网的信令传输系统多址接入协议。但由于卫星链路传输时延长,当用户站较多、业务量较大时分组冲突率增高,导致上行链路的信道利用率急剧下降及端到端分组传输的时延增大。文章提出了一种新颖的随机竞争多址接入协议—星上抽样侦听统计自适应多址。该协议考虑到卫星链路长时延特点,在星上对上行链路信道进行抽样侦听,以确定出各站最合理的分组发送概率,并通过下行链路广播到各站,以实现发送概率的自适应控制。理论分析和仿真结果表明:该协议可将上行链路的吞吐率提高并稳定到最大值区间附近,使端到端传输时延明显减小,而且其实现简单方便。     

星-地混合通信网络前向链路安全传输方案研究

针对星-地混合通信网络前向链路在部分非理想信道状态信息(CSI)及非理想CSI下卫星窃听链路的安全问题,提出一种将地面基站信号作为协同干扰的安全传输方案。优化目标为地面基站节点传输速率最大,确保卫星合法节点接收信号质量,同时利用地面基站发送信号阻塞卫星潜在窃听节点对卫星信号的侦听。通过半定松弛原理将其转化为可解的凸优化问题,分别设计分层迭代、高斯随机化和二分搜索算法对问题进行优化求解。仿真校验结果表明,所提方案能够降低网络对CSI误差的敏感性,提高网络的可靠性和保密性。     

SCPS-TP协议用于LEO卫星网的性能分析与改进

SCPS-TP是空间通信传输协议,可用于卫星网络。为分析SCPS-TP在LEO卫星网中的性能和选择合适的拥塞避免机制,进行原理分析和仿真实验。在LEO卫星网中的典型时延和误比特率条件下,SCPS-TP协议采用Ve-gas机制比Van Jacobson机制能达到更好的性能。但LEO卫星网中存在的切换和路径改变情况会严重降低Vegas机制的性能。对此提出一种利用SCPS-NP包头信息感知路径变化和更新时延基准的改进方法,具有较好的可实现性。仿真结果表明,此举能明显提高SCPS-TP协议在LEO卫星网路径改变时的性能。     

基于互联网的导航定位增强信息大规模实时播发研究

在卫星导航系统中，可通过注入增强信息的方法提高导航定位精度、可靠性和完好性。导航定位增强信息一般由卫星播发，通过互联网播发导航定位增强信息是近期一个新的研究热点。本文综述了互联网播发技术的研究现状，提出了一个基于互联网的导航定位增强信息大规模实时播发系统模型，采用基于对等网络技术、具有自组织特性的分层混合结构覆盖网络，有效降低了系统构建和管理的复杂性。论文还分析了导航定位增强信息播发的实时性和安全性需求，并提出了解决思路。     

卫星遥感图像无损压缩技术改进方法

采用预测原理的JPEG-LS无损压缩算法存在着固有的误码扩散现象,会影响其在卫星工程中的应用,且基于整幅图像预测的压缩算法还存在较大的处理时延,难以满足遥感图像实时性应用需求。文章对JPEG-LS无损压缩算法进行了改进,提出了采取分块压缩的措施来抑制误码扩散同时降低图像处理时延的方法,并利用风云四号(FY-4)卫星扫描图像对改进的JPEG-LS无损压缩算法进行了验证。结果表明:改进的JPEG-LS无损压缩算法可在有效抑制误码扩散的条件下,实时无损地将卫星遥感图像数据量压缩至一半左右。可为卫星遥感图像无损压缩技术的改进及工程应用提供参考。     

天地联合测控鲁棒性路由算法

针对未来海量飞行器的测控需求与中继卫星有限资源之间的矛盾,在天地联合组网测控架构的基础上,设计了基于时变图的时延保障鲁棒性路由算法,以满足测控任务低时延、高可靠的通信要求。首先,构建时间扩展图(TEG),精准表征天地联合网络的时变拓扑、链路时延与业务需求;然后,将时延保障鲁棒性路由问题建模为最短时延备份路径问题,采用贪心思想和增广路径回退机制,设计基于TEG的最短时延备份路径算法,高效获取两条低时延且互为链路备份的端到端路径,为测控业务传输提供鲁棒性保障;最后,分析了时间复杂度并给出算法应用示例。相比于传统备份路由方法,所提算法能够构建时延性能较好的备份路径(仅增加0.01 s),100%保障单链路失效情况下测控业务传输不中断。     

北斗卫星导航系统在汶川地震中的应用及建议

分析了汶川地震救援对卫星导航定位及应急通信的需求,简要介绍了北斗卫星导航技术、功能及导航卫星特点,总结了北斗卫星导航系统在这次汶川地震中的应用情况,最后提出了建设我国北斗导航卫星系统的建议。     

基于算力路由的空间信息网络低时延在轨协同计算策略

针对当前空间信息网络（Spatial Information Network, SIN）地面数据处理模式中存在的高传输时延问题,提出了基于算力路由的低时延在轨协同计算策略。考虑到卫星网络的动态变化及卫星计算资源的异构性,提出了要素时空扩展图模型,以实现在屏蔽SIN动态性的同时对星上资源进行精确表征。在此基础上,构建基于算力路由的多星在轨协同计算数学模型,提出时延优化问题,并利用改进的异构最早完成时间（Heterogeneous Earliest Finish Time, HEFT）算法进行求解。仿真结果表明：卫星在轨协同计算可有效降低卫星数据的任务处理时延;同时,本文所提的改进HEFT算法以较小且可接受的收敛性能为代价,换取了业务处理时延的大幅度降低。     

具有星间链路的导航星座重构研究

针对具有星间链路的导航星座在卫星节点或链路失效情况下的重构优化设计问题,提出了一种基于遗传算法的设计方法。首先,根据导航星座的功能需求与设计约束,建立了星座综合重构优化设计模型。其次,提出了基于遗传算法的综合优化设计方法,并根据问题特性对遗传算法的具体操作进行了修改。最后,应用该方法对Walker 24/3/2构型星座及网状星间网络在节点和链路混合故障模式下的重构进行了优化设计。结果表明,基于该方法重构后的星座与网络拓扑性能能够得到一定程度的改善,证明了方法的可行性。     

导航卫星星载自主轨道预报技术

全球导航星座自主导航技术对卫星自主轨道预报精度和计算速度提出了新的高要求,结合地面长期轨道预报精度现状和星载计算机性能,提出一种基于地面上注长期电文的卫星自主轨道预报技术。该技术的主要特点有二:首先,充分利用地面上注电文的高精度和高凝练度,可兼顾参考星历的高精度和节省星上存储资源;其次,选用状态转移的星上分析解算法,与地面上行注入、星上存储的方式相比,可大大节约星地上行数据量、星上数据存储量和计算量。通过仿真试验对计算资源、存储资源消耗和预报精度作了统计分析,结果表明,采用该技术进行星上自主轨道预报,计算资源占用少、计算速度快、预报精度高,该技术对于导航星座自主导航总体技术有着重要应用价值。     

空海自组网随机接入仿真研究

针对无人机在远海远域协同任务过程中的空海信息协同共享需求,提出了一种基于优先级传输的动态随机接入协议。首先,通过设计高效集群组网信令保证集群测控通信自组网的遥测、遥控信息的稳定传输;然后,结合改进的TDMA （时分多址）组网时隙结构实现节点快速入网与动态时隙分配协议;最后,通过OPNET （网络仿真技术软件包）分析所设计的集群空海自组网系统的随机接入低时延、业务传输高吞吐量和端到端传输低时延性能。结果表明：该组网信令下建网时间只需要2～3个飞控周期,在32节点场景下节点完成随机Aloha入网时延平均不到0.6 s,改进的TDMA协议在端到端时延比传统TDMA协议降低1/3。     

具有优先级的LEO卫星网络路由研究

文章提出了带有优先级的最短时延卫星路由策略,将业务分为话音业务和数据业务,根据业务时延要求的不同,优先处理话音业务,再根据源卫星、目的卫星的位置,计算路径延时的度量标准,以此得到经过优劣排序的候选路径集合,并对最佳路径进行计算。仿真结果表明,算法显著降低了话音业务的时延水平,有效提高通话质量。     

低轨卫星Link16数据链关键技术研究

将Link16战术数据链搭载到低轨卫星上进行网络中继能够扩大数据链的通信距离,扩展战术信息的保障范围,增加数据链的态势感知距离.低轨卫星相对于地面数据链终端具有通信距离远,运动速度快等特点,如何将Link16数据链的技术体制进行适应性修改使得在不改造地面终端的情况下实现卫星Link16数据链是文章的主要研究内容,针对星地通信距离远造成的长时延对数据封装格式和RTT同步消息格式不适用的问题,提出星地传输时延补偿算法,设计了卫星节点的时隙结构,并推导出RTT精同步计算公式,针对多普勒频移,提出了接收机的时频同步方案,为未来低轨卫星Link16数据链的实现提供了可行性支撑.     

SpaceWire星载网络通信协议设计

SpaceWire是ESA和NASA推荐的新一代星载数据总线标准,其应用方向之一是构建统一总线星载网络。星载网络是典型的实时系统,它对网络信息的传输时延具有严格要求。然而,传统SpaceWire网络多源、异步、事件触发的特性使它难以提供确定的信息传输时延,这制约了它在统一总线星载网络中的应用。本文为克服SpaceWire的上述应用瓶颈,提出一种基于时间触发的SpaceWire星载网络通信协议,并提出相应的节点通信调度算法,通过合理的规划使节点在确定的时间窗口发送通信数据,从而避免了网络资源冲突,使信息传输时延的确定性得到保证。     

GPS卫星光压摄动建模发展与启示

对中高轨道的导航卫星而言,光压摄动模型误差是目前导航卫星动力学模型最大的误差源,因此,需要对光压摄动进行分析并精确建模。文章按照光压涉动建模原理的不同,研究分析了GPS卫星光压模型随工程需求的发展过程、建模方法的改进以及最新的建模方法,比较了不同建模方法下光压摄动模型的工程应用特点,提出了建立适用于北斗导航卫星姿态控制规律的高精度光压摄动模型有待研究的问题,以上内容可为北斗卫星精密定轨与轨道预报工作提供借鉴。     

北斗卫星导航系统测量误差指标体系

围绕北斗卫星导航系统中的伪距测量误差，全面分析系统的测量原理，提出系统误差指标体系的构建流程，构建基于误差层次分解方法的北斗卫星导航系统测量误差指标体系，指标体系由1个系统层指标、3个准则层指标、11个要素层指标和36个基础指标等51个指标组成。同时，结合实例，从卫星下行链路的绝对时延的测试需求，引出了绝对时延的测试问题，定义星载导航任务处理单元对外1PPS信号的输出口作为卫星的时间零点，给出需要测试的绝对时延的路径组成。根据目前系统的实际情况，通过每一部分的测试误差，求出整个绝对时延的测量误差精度。     

天基信息网络低轨非对称路由协议研究

天基信息网络中的低轨道(LEO)卫星因拓扑变化快、轨道周期短,存在较多的信息网络相关节点间的非对称链路。文章从路由表优化和特殊链路处理方案等方面进行研究,提出了一种基于分时的低轨卫星网络路由算法。以星间链路传输时延作为计算代价度量来判断路由选择的优劣,从链路检测、路由计算和数据转发等三部分对路由协议进行描述,并制定了低轨链路处理方案,可以有效地发现网络中的非对称链路,及时进行相应处理。最后,仿真对比分析结果表明,文章所提出的协议方案在非对称链路存在的情况下性能更为优越。     

基于“OODA环”优化的卫星导航定位安全与对抗应用研究

卫星导航定位设备的“生存”环境日益复杂、严峻,各类电子对抗、干扰欺骗十分激烈,人为干扰已成为卫星导航定位安全与对抗的重点。针对传统手段无法有效应对干扰复杂性、全面性、系统性的不足,本文在分析“OODA环”理论和实践转化的基础上,结合复杂环境下“干扰-抗干扰”的整体对抗过程,优化“OODA环”运行,将其与卫星导航定位安全与对抗应用进行耦合,提出基于“环境感知-筛选隔离-检测识别-效能评估-策略规划-对抗反制-回访反馈-再感知”的卫星导航定位安全与对抗不定向循环链路,并对拓展、映射的七个环节及关键技术进行分析、论证。通过引入“循环”和“不定向”两个概念,不仅实现了周期性外循环和部分环节内循环的嵌套迭代和导向性传输的运行机制;而且优化了内循环的自由度,使得各环节互联且独立、循环但不定向,有效增强了卫星导航定位安全与对抗的鲁棒性。本文的设计思路可加快实现循环链路的动态闭环,提高对抗的整体效能,在实践应用和技术论证中具有一定的参考价值。     

一种卫星IP交换系统中ICMP协议FPGA实现方法

卫星IP交换技术是实现星上IP网络的关键技术,在卫星IP交换系统中,通过ICMP协议可报告差错报文信息,并可对卫星IP网络中的不同节点进行连通性测试,因此ICMP协议在卫星IP交换系统中起着重要作用。针对星上模块化设计及处理能力有限的特点,提出一种星上ICMP协议的FPGA实现方法,将ICMP报文的判断和生成流程分开,判断部分可在各个端口处理模块完成,生成部分采用单独模块完成,不需要在每个端口模块都完成ICMP报文生成处理操作,不仅优化了星上ICMP协议处理流程,并且节约了星上存储及处理资源。