星间链路在空间态势感知中的应用研究

通过对星间链路和空间态势感知系统国内外发展现状的分析,指出星间链路在空间信息有效获取、安全传输和实时应用以及保障空间态势感知系统战场生存能力等方面起着重要的作用.针对星间链路在未来空间态势感知系统中的应用需求,提出包含空间通信模型和空间导航模型在内的空间感知体系基本架构,并对该架构下星间链路的设计要求或者特点进行分析,指出星间链路应该具有灵活可变的星间路由策略和联网结构,并能够支持高速可变和安全可靠的星间数据传输.分别从空间网络和卫星节点2个层面提出了系统实现的关键技术,并给出部分关键技术的研究重点和研究方法.上述研究结果可以为星间链路及相关领域的研究工作提供一定的借鉴和帮助.     

导航卫星星间链路信号质量参数评估算法

传统的微波调制信号质量评估需要将微波信号变频到中频后进行处理,变频处理会引起非线性失真问题,而且星间链路信号许多关键质量参数如相位一致性、相关损失、I/Q(Inphase/Quadrature,同相/正交)支路功率比等无法用传统评估方法完成,针对这些问题,提出了采用软件无线电技术的导航卫星星间链路信号质量评估算法,利用高速采样器对导航卫星的星间链路信号进行直接射频采样,在数字域对星间链路信号进行相关接收和解调,实现所有关键质量参数的评估.该方法避免了使用变频器带来的附加失真,采用该方法完成实际星载设备的信号质量评估的结果表明,该评估算法精度高,能满足导航卫星星间链路设备信号质量参数评估要求.     

Walker星座星间链路构建准则及优化设计研究

首先通过分析Walker星座空间结构,得到星座星间链路基本几何关系;其次研究了卫星之间的相对运动规律和星座几何构型,确定了能够反映空间几何特性的Walker星座星间链路设计的基本准则,得到了星座全连通性数学解析判据,并根据星座一体化设计中的层次约束准则思想,给出了星间链路分析设计流程;最后,针对几个考虑星间链路的Walker星座的一体化优化设计问题,给出了分析设计实例。     

一种新的星间链路切换保护算法

 星间链路切换将严重影响卫星网络的通信性能,需要对切换链路加以保护,这方面的研究目前还很欠缺。为此,给出一种新颖的星间链路切换保护(ISLHP)算法,该算法可同时生成业务路径和备份路径,且具有最小的综合费用（包括备份费用和业务费用）。算法采用本地链路保护,为星间链路切换提供快速恢复,并利用星间链路切换的可预测性和备份资源的可共用性,通过降低需要保护的链路数,减少闲置的备份资源,来提高网络资源的利用率。仿真结果表明:该算法具有切换恢复时间短,网络资源利用率高等优点。     

卫星网络多路径QoS路由策略研究

针对卫星宽带网络业务的多样性,提出了一种基于业务QoS(服务质量)需求和星间链路信息的多路径并行路由方案。该方案利用星间链路历史信息和准实时信息进行路由预规划,并基于星间链路实时信息和业务QoS需求对预规划的路由方案进行动态调整,实现业务数据在源节点和目的节点之间进行多路径并行传输。该方案不仅确保了业务传输的高可达性,而且使整个卫星网络链路资源得到充分利用,实现负载均衡。     

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。     

高速数传中继系统返向链路脆弱性分析与电路级仿真

建立了美国TDRSS前向链路与返向星间链路信号模型，提出了TDRSS链路薄弱环节分析方法，对返向宽带数传星间链路的抗干扰能力进行了理论推导。建立了基于微波测量仪器的半物理仿真平台，该平台以物理设备为基础搭建仿真环境，利用数字模型连接各物理设备，通过修改参数可对高速数传中继系统星间链路的抗干扰能力进行电路级仿真。仿真结果表明，高速数传星间链路是TDRSS最薄弱的环节，当宽带阻塞式干扰、窄带瞄准式干扰信号到达TDRS卫星接收端的干信比分别达到-5．8dB、-8．8dB时，接收数据的比特误码率将达到10^-3,信号已经无法再使用。     

基于扩维QLEKF的脉冲星/星间定向组合导航

面向星座卫星高精度自主导航技术需求,设计了一种融合X射线脉冲星和星间定向观测信息的组合导航方法。通过X射线探测器获得脉冲到达时间观测量,照相观测星相机和星间链路设备获得星间相对位置矢量观测量,设计导航滤波器对观测量进行处理,估计参与导航的星座卫星的运动状态。针对地球星历误差影响组合导航性能的问题,将地球相对于太阳系质心的位置扩充为状态向量,设计了扩维扩展卡尔曼滤波器,利用敏感器观测量对导航所需的地球位置矢量进行实时估计,从而削弱地球星历误差的影响。进而,针对滤波器参数选取影响状态估计精度的问题,设计了一种Q学习扩展卡尔曼滤波器（QLEKF）,主要思路是利用Q学习方法的决策能力,自适应地选择适当的滤波器参数以改善估计性能。数学仿真结果表明,所提方法能够有效减小地球星历误差对星座自主导航的影响,取得优于传统滤波算法的定位精度。     

基于星间链路的星座相对构型保持方法

从巨型星座在自然摄动下轨道运动的力学特性出发，分析了星座构型保持的任务特点。针对轨道面内由大气阻力和面质比差异导致的轨道面内长期相对运动，构造了星座相对构型保持的二阶一致性控制方法。针对星座多个体系统不同的星间链路连接情况和闭环网络特征，提出了不同几何拓扑结构及其相应的图论构造方法。相较于经典的绝对位置保持方法，相对构型保持只需补偿面质比差异造成的构型漂移变化，因此能够以更小的控制代价实现星座的构型保持。以星型链路的拓扑结构为例，进行了星座相对构型保持的仿真分析，离散一致性控制能够实现星座构型长期稳定。     

LEO移动通信星座的网络综合连通度研究

 为了研究通信星座服务区域内不同地面用户之间的通信连通情况,提出了网络综合连通度(DCNC)的概念.作为服务可用性(AoS)的重要内容,网络综合连通度应该成为通信系统的一项重要性能评价指标,对系统的顶层设计起到主导作用.首先给出了星座网络综合连通度的相关定义,在此基础上基于星间链路约束和星座覆盖约束建立了LEO移动通信星座的网络综合连通度的评价模型.然后基于该模型,分别改变轨道高度和轨道倾角,就不同星座的网络综合连通度如何变化进行了仿真计算和分析.结果表明,二者都对星座的网络综合连通度有显著影响,适当减少轨道面数有利于改善网络综合连通度.最后研究了星座缺失卫星时不连通地面点的纬度分布情况,研究结论有助于在概念设计阶段对星座构型优化后的参数进行优选.     

一种在紧缩场进行捕获跟踪试验的方法

为满足不断增长的天基中继业务需求,航天器星间链路常使用大口径高增益天线,且配置自动捕获和跟踪设备,以完成对目标航天器的自动跟踪.随着天线口径的增大,对场地空间要求不断增大,地面验证试验变得愈加困难.针对越来越难以实现的捕获跟踪外场试验,提出一种在紧缩场进行捕获跟踪试验的方案,方案详细分析了在紧缩场进行试验的可行性.通过设置跟踪通道校相因子,很好地分离了角误差信号,获得良好的S曲线以及非常小的交叉耦合,从而验证了在紧缩场进行捕获跟踪试验是可行的.相对于传统的远场测试方法,该方法具有不受气候影响、费用低等优点.     

Zenith Pass Problem of Inter-satellite Linkage Antenna Based on Program Guidance Method

While adopting an elevation-over-azimuth architecture by an inter-satellite linkage antenna of a user satellite, a zenith pass problem always occurs when the antenna is tracing the tracking and data relay satellite （TDRS）. This paper deals with this problem by way of, firstly, introducing movement laws of the inter-satellite linkage to predict the movement of the user satellite antenna followed by analyzing the potential pass moment and the actual one of the zenith pass in detail. A number of specific orbit altitudes for the user satellite that can remove the blindness zone are obtained. Finally, on the base of the predicted results from the movement laws of the inter-satellite linkage, the zenith pass tracing strategies for the user satellite antenna are designed under the program guidance using a trajectory preprocessor. Simulations have confirmed the reasonability and feasibility of the strategies in dealing with the zenith pass problem.     

导航星座的自主导航技术--卫星自主时间同步

基于星载原子时钟频率稳定性的Allan方差表达,建立系统状态方程,并以星间双向测量伪距差作为基本观测量,组成系统测量方程,从而可以设计适用于导航星座卫星时间同步的Kalman滤波算法。系统仿真结果表明：通过对星间双向测量数据的滤波处理,能够实现星座卫星时间精密同步。     

Type synthesis of 2-DoF rotational parallel mechanisms actuating the inter-satellite link antenna

This paper focuses on the type synthesis of two degree-of-freedom (2-DoF) rotational parallel mechanisms (RPMs) that would be applied as mechanisms actuating the inter-satellite link antenna. Based upon Lie group theory, two steps are necessary to synthesize 2-DoF RPMs except describing the continuous desired motions of the moving platform. They are respectively generation of required open-loop limbs between the fixed base and the moving platform and definition of assembly principles for these limbs. Firstly, all available displacement subgroups or submanifolds are obtained readily according to that the continuous motion of the moving platform is the inter-section of those of all open-loop limbs. These subgroups or submanifolds are used to generate all the topology structures of limbs. By describing the characteristics of the displacement subgroups and submanifolds intuitively through employing simple geometrical symbols, their intersection and union operations can be carried out easily. Based on this, the assembly principles of two types are defined to synthesize all 2-DoF RPMs using obtained limbs. Finally, two novel categories of 2-DoF RPMs are provided by introducing a circular track and an articulated rotating platform, respectively. This work can lay the foundations for analysis and optimal design of 2-DoF RPMs that actuate the inter-satellite link antenna.     

用户星天线空间扫描策略

 天线空间扫描过程是建立中继卫星系统星间链路的关键阶段之一。首先分析比较了水平行扫、螺旋扫描和分行螺旋扫描策略,并根据分析结果,结合轨迹预处理算法,设计了一种变速分行螺旋扫描策略。然后采用蒙特卡罗仿真分析了用户星天线开环回扫指向精度,近似确定了天线空间扫描的范围。最后通过仿真比较等速分行螺旋扫描和变速分行螺旋扫描策略,并仿真了用户星天线捕获中继卫星的过程,通过仿真结果证明所设计的变速分行螺旋扫描具有一定的工程应用价值。     

编队小卫星星间基线估计算法研究

H ill方程假设卫星轨道是小偏心率和无摄动的,实际应用时难以获得高精度的星间基线估计。本文提出了一种基于主星位置展开的扩展Kalm an滤波算法,该算法采用含摄动的卫星运动模型,综合利用星间无线电和红外仪器的原始量测,实现了小卫星星间基线的融合估计,提高了估计精度。仿真实验针对J2摄动模型验证了算法的可行性和有效性。     

Wavelength dimensioning for wavelength-routed WDM satellite network

Internet and broadband applications driven by data traffic demand have become key dri-vers for satellite constellations. The key technology to satisfy the high capacity requirements between satellites is optical satellite networks by means of wavelength division multiplexing inter-satellite links (ISLs) with wavelength routing (WDM-OSN). Due to the limited optical amplifier bandwidth onboard the satellite, it is important to minimize the wavelength requirements to provi-sion requests. However, ISLs should be dynamically established and deleted for each satellite according to its visible satellites. Furthermore, different link assignments will result in different topologies, hence yielding different routings and wavelength assignments. Thus, a perfect match model-based link assignment scheme (LAS-PMM) is proposed to design an appropriate topology such that shorter path could be routed and less wavelengths could be assigned for each ISL along the path. Finally, simulation results show that in comparison to the regular Manhattan street net-work (MSN) topology, wavelength requirements and average end-to-end delay based on the topol-ogy generated by LAS-PMM could be reduced by 24.8%and 12.4%, respectively.     

Reinforcement learning based dynamic distributed routing scheme for mega LEO satellite networks

Recently, mega Low Earth Orbit (LEO) Satellite Network (LSN) systems have gained more and more attention due to low latency, broadband communications and global coverage for ground users. One of the primary challenges for LSN systems with inter-satellite links is the routing strategy calculation and maintenance, due to LSN constellation scale and dynamic network topology feature. In order to seek an efficient routing strategy, a Q-learning-based dynamic distributed Routing scheme for LSNs (QRLSN) is proposed in this paper. To achieve low end-to-end delay and low network traffic overhead load in LSNs, QRLSN adopts a multi-objective optimization method to find the optimal next hop for forwarding data packets. Experimental results demonstrate that the proposed scheme can effectively discover the initial routing strategy and provide long-term Quality of Service (QoS) optimization during the routing maintenance process. In addition, comparison results demonstrate that QRLSN is superior to the virtual-topology-based shortest path routing algorithm.