中继卫星多址链路调度问题的约束规划模型及算法研究

中继卫星多址链路调度问题是中继卫星系统应用中必须解决的重要问题,其重要特点在于,中继卫星与用户航天器之间并非时时可见,因此通信任务存在可见时间窗口约束。只有在可见时间窗口内,通信任务才可能执行并完成。在进行合理假设的基础上,采用人工智能中的约束规划技术,建立中继卫星多址链路调度问题的约束规划模型,并提出了基于时间窗口期望值的多步迭代算法。应用结果表明,中继卫星多址链路调度模型的建立与求解是合理的。     

中继卫星多址链路调度问题的约束规划模型及算法研究

中继卫星多址链路调度问题是中继卫星系统应用中必须解决的重要问题，其重要特点在于，中继卫星与用户航天器之间并非时时可见，因此通信任务存在可见时间窗口约束。只有在可见时间窗口内，通信任务才可能执行并完成。在进行合理假设的基础上，采用人工智能中的约束规划技术，建立中继卫星多址链路调度问题的约束规划模型，并提出了基于时间窗口期望值的多步迭代算法。应用结果表明，中继卫星多址链路调度模型的建立与求解是合理的。     

信号采集卫星系统星地资源快速调度优化方法

针对信号采集卫星系统中,采集目标的优先级和携带的信息量在星地资源调度过程中不断随时间变化的特点,提出了一种基于二次映射编码的动态调度差分演化算法（QMDSDE）。算法将采集目标的优先级和携带的信息量进行加权,作为采集的收益。在迭代求解时,根据卫星可见时间窗口的周期性特点设置固定的检测频率,以当前时刻所有目标收益的平均值和敏感系数的乘积作为检测环境变化的阈值。当检测算子的值大于阈值时,算法通过前向预测模型动态调整搜索方向,寻找问题的实时Pareto最优解。算法采用二次映射编码消除星地资源组合中的无效解,降低了算法的搜索空间,提高了算法的求解速度。经仿真校验,该方法在信号采集过程中,可以得到收益较好的星地资源调度方案,且具备较快的收敛速度。     

一种兼顾卫星导航系统星间观测及通信的链路分配算法

卫星导航系统星间采用点波束建立星间链路时,由于星上波束数量小于可建立星间链路的卫星数量,因此便产生了如何有效分配有限波束来建立星间链路的问题。针对该问题首先利用星座运行的周期性提出了一种适用于星间观测及星间通信的拓扑处理方式,并以该拓扑处理方式为基础提出了一种链路分配算法。算法在保证星间观测数量最大化的前提下,以降低整网通信代价为优化目标,尽管为了保证星间观测数量会不可避免地导致通信性能的部分损失,但是仿真结果表明算法的性能整体上优于铱星系统所采用的网状链路分配方法的性能。     

卫星集群网络仿真建模与路由算法性能分析

卫星集群是一类基于星间协同工作的分布式卫星系统,具有空间结构灵活、数据共享、智能服务等特点。针对当前卫星集群网络仿真平台及其路由算法的研究的不足,基于网络仿真软件NS-3与卫星场景分析软件STK,设计了卫星集群生成模块,搭建了更准确、通用且可扩展的卫星集群网络仿真平台。通过同单一的STK卫星轨道数据对比,验证了仿真平台中卫星运动模块的有效性。对AODV(自组网按需距离矢量路由),DSDV(目标序列距离矢量路由)和OLSR(链路状态优化路由)算法应用在卫星集群网络中的性能进行了仿真。结果表明:OLSR算法在卫星集群网络中性能最优,其分簇和链路状态感知机制可为卫星集群网络路由算法的研究提供借鉴。     

基于局部洪泛优化的低轨星座分布式路由算法

针对传统分布式路由算法应用于大型低轨星座时拥塞控制能力有限的问题,提出了基于局部洪泛优化的分布式路由算法。该算法通过局部洪泛的机制收集星间链路的拥塞信息,以应对局部通信需求密集所导致的常见拥塞现象;通过局部路径优化,以较低运行开销实现了流量疏导和网络负载均衡。并且该算法可适用于多层低轨卫星网络结构,不会产生路由环路,对卫星随机故障具有宽适应性。仿真实验表明:该算法在通信需求分布不均的高网络负载情况下能降低2%~10%的丢包率,并对网络随机故障具有鲁棒的表现。     

基于深度网络的太赫兹波束预判方法研究

针对太赫兹波波束较窄引起的伺服天线被动跟踪无法达到空间太赫兹通信链路性能要求的问题,提出了一种基于优化深度网络的太赫兹波束预判方法。首先通过分析方位、俯仰角误差大小随运行周期、外推初始时刻的变化,得到高轨对低轨卫星指向误差呈周期性发散的特征;然后采用粒子群算法优化长短时记忆网络参数,对未来时刻指向误差进行预测并修正,针对粒子群算法易陷入局部最优、全局搜索能力较差的问题,通过动态调整粒子群算法的惯性权重,以达到优化长短时记忆网络的目的。仿真结果表明：基于改进后粒子群算法优化的长短时记忆网络能够有效预测未来时刻指向误差,在同一链路场景中相比未改进网络平均绝对百分比误差降低13.08%。     

双层规划求解兼顾测量与通信的星间链路设计

通过研究当前GPS下时分多址（TDMA）体制星间链路方案,并在分析星间链路测量和通信新需求的基础上,提出改进的分时体制星间链路方案,保证了测距和通信的同时隙执行。针对兼顾星间测量和通信的星间链路设计这一多目标优化问题,考虑测量与通信之间的依赖关系,构建双层规划模型求解,上层对星间测量进行优化,下层对星间通信进行优化,并分别设计上层启发式星间测量链路贪婪搜索分配算法（RL-HGSA）和下层基于全局“邻域”搜索的星间路由优化算法(ROA-SGN)。仿真算例表明,根据本文模型和算法构建的星间链路,星间测量链路利用率达到100%,星间通信采用最短时间最少跳数(MTMJ)的路由策略更优。     

基于星间链路的分布式导航自主定轨算法研究

针对脱离地面支持自主定轨的导航应用需求,提出了基于星间链路双向测距的自主导航定轨算法。文章分析了导航星座星间链路双向伪距测量模型,给出了分布式自主定轨数据流程,设计了导航星座基于星间链路分布式自主定轨算法。根据国际卫星导航服务组织公开的真实GPS系统事后精密星历,对本文设计的自主定轨算法进行仿真验证,结果表明：采用该设计的自主导航算法在自主定轨90天末期,用户测距误差（URE）达到30 m左右,验证了该设计的自主定轨算法具有较高的自主定轨精度。     

一种基于反向探测的低轨星座路由算法

针对低轨卫星星座通信系统动态拓扑结构的特点,提出了一种基于反向探测的路由算法（Reverse Detection Based Routing,RDBR）,采用分布式实现且具有极低的运算复杂度,适合于星上实时计算,对于提高星座网络的自主运行能力具有重要意义。与快照序列（Sequent Snap Shots,SSS）算法的对比分析和仿真表明,RDBR算法以有限的信令开销取得的路由性能优于60s快照序列算法。
     

Iteration-based identification of faulty links in LEO/MEO satellite communication networks

Satellite systems are going to be an important part of the future personal communication infrastructure. The first-generation candidates for satellite personal communication networks (S-PCN) will rely on low earth orbiting (LEO) and medium earth orbiting (MEO) constellations. For LEO satellite systems employing intersatellite links (ISLs), we present a iteration-based algorithm to identify faulty links, which applies to a satellite network assuming a connection-oriented network structure, e.g., ATM or ATM-type switches on-board satellites. In the algorithm a management satellite can autonomously and real-time identify a ranked list of the most probable failed network links through building discrete-time dynamic virtual topology graph (DT-DVTG), then testing can be used to quickly pinpoint the actual faulty links. The performance of the algorithm is evaluated through simulations.     

一种高动态卫星网络的拥塞控制算法

针对卫星网络通信路径发生改变引起往返时延突变,导致现有的拥塞控制机制中超时重传时间估计不准确,并对拥塞窗口计算产生不利影响的问题,提出一种基于链路长度的带宽估计TCPW\|BLC算法。该算法通过计算通信链路长度合理调整拥塞窗口、慢启动阈值及超时重传定时器中相关参数的增益因子,使拥塞控制算法在往返时延突变情况下仍保持较高吞吐量,适应卫星网络动态环境特性。NS2仿真结果表明,TCPW\|BLC算法相比TCPW算法在卫星网络中吞吐量性能提高了2.8%,有效降低了时延突变给拥塞控制机制造成的不利影响。     

一种基于正弦波高精度互模糊函数的通信卫星干扰定位技术

通信卫星系统易遭到敌方恶意干扰、地面无意干扰，对通信卫星系统的干扰排查具有重要意义，而通信卫星系统的干扰定位一直是重难点问题。在双星定位互模糊函数算法的基础上，提出了一种基于正弦波高精度互模糊函数频差估计方法，同时针对利用两颗静止通信卫星实现干扰定位时主信号和辅助信号信噪比差异大、辅助信号微弱的问题，采用改进的互模糊度函数实现双星TDOA和FDOA的测量，完成对通信卫星系统干扰信号的定位。仿真试验表明，采用本算法，对通信卫星系统干扰信号的定位精度较高，满足系统实际运用要求。     

低轨卫星高能效载波功率资源联合调度算法

结合多波束低轨（multi-beam low earth orbit, MB-LEO）卫星通信场景，研究了一种多目标载波功率联合优化（joint subcarrier scheduling and power control resource allocation, JSSPC-RA）算法。通过求解整数混合规划非凸优化问题，得到了不同通信需求下MC-DS-CDMA子载波和子载波功率的联合调度方案，实现了系统用户未满足容量和卫星总功耗的最小化。仿真结果表明，相对于传统的载波功率均分策略，JSSPC-RA算法能够在满足系统吞吐量需求的前提下大幅节省卫星总功耗；同时，通过调节权值系数，JSSPC-RA算法可以生成用户吞吐量需求与卫星总能耗折中的系统设计方案，适用于频谱、能量资源高度受限的MB-LEO卫星系统。     

基于改进遗传算法的移动目标成像侦测任务规划问题研究

基于先验信息调用成像侦察卫星监控陆地或海洋移动目标动态信息是卫星成像侦察面临的新 课题。在已知移动目标位置等先验信息基础上,动态构造目标可变潜在区域及其运动预测模 型,利用STK辅助构造其候选成像观测活动集合;在此集合及目标运动预测模型基础上 对动态可变区域成像卫星调度问题进行建模,并设计了一种基于模拟退火算法及遗传算法的 改进遗传算法对问题进行求解,得到近最优的移动目标成像侦测方案。最后通过实例及算法 对比验证了规划模型及算法对解决该类问题的合理性和有效性。
     

一种同轨区域集中的北斗卫星自主导航算法

基于北斗三号卫星配置规划,提出了一种同轨区域集中的北斗卫星自主导航算法.利用Ka星间链路指向切换灵活特性与激光链路高速通信特性,并克服激光终端异轨面通信困难,指向切换不便等缺陷,算法设计将轨道面内各卫星采集的Ka双向测距信息利用激光星间链路传入轨道面主卫星中,从而将测距信息集中处理并完成轨道面内各卫星的轨道信息更新.并...     

空间环境中的多处理器混合容错调度算法

为提高空间应用环境中混合实时任务的容错调度效率,提出基于空间环境的多处理器混合容错调度算法。算法在周期任务调度中采用基于分组的“最佳适应”分配策略,以少量增加的计算时间获得更为紧凑的任务调度结果,从而减少调度所需的处理器数目和任务执行时间;在非周期任务调度中,利用基于空闲时间片的方法完成动态调度,使得混合实时任务的容错调度效率有显著提高,能够更好地适应复杂空间环境的任务处理。仿真结果表明算法在改善混合实时任务容错调度性能上具有重要作用。     

敏捷成像卫星调度的改进量子遗传算法

针对敏捷成像卫星调度问题中解空间大,选择任务的搜索空间和确定任务观测时间的搜索空间分别是离散域和连续域的难题。建立了多种决策变量混合的敏捷成像卫星调度模型,提出一种改进的量子遗传算法对其求解,改进的量子遗传算法采用二进制与实数杂合的编码方式,降低染色体的基因位编码数目,提高了搜索效率,有效适应了敏捷成像卫星调度问题中离散与连续混合的解空间;以杂合编码为基础,设计对应的观测函数将敏捷成像卫星调度问题的解映射到相位空间,从而将量子优化机制引入敏捷成像卫星调度问题中,利用量子遗传算法在相位空间搜索的特性解决敏捷成像卫星解空间大、解空间离散与连续并存的问题。最后,通过不同规模的仿真校验对算法的调度效果进行测试和分析。结果表明,所提改进的量子遗传算法在收敛速度和方案收益方面都有较好的表现,能够满足敏捷成像卫星调度的需要。     

考虑目标间不同转换方式的成像卫星调度

针对相邻目标间具有不同转换方式的成像卫星调度问题,分析动作转换时间、存储容量、卫星能量等复杂约束,建立动态拓扑结构无环路有向图模型,引入非约束支配路径的概念,提出基于标记更新思想的动态路径搜索算法(DPSA)对问题进行求解。实验结果表明,考虑目标间不同转换方式的DPSA算法在牺牲一定求解效率的基础上,能够全面提高调度效果。     

面向卫星电源系统的一种新颖异常检测方法

面向卫星电源高维周期性时序遥测数据，提出了一种新颖的代表性特征自编码器（RFAE）模型，并用于无监督的异常检测。RFAE采用改进的堆叠自编码器损失函数和训练算法，从而使模型可以学习到相位相同样本的代表性特征；然后根据代表性特征重构样本，根据重构误差来判断样本是否异常。在试验部分首先通过模拟数据校验了RFAE算法能够有效地检测出高维周期性时序数据的异常，然后又采用某卫星电源系统2014年1~12月真实遥测数据进行试验，RFAE异常检测准确率达到99%，检测效果明显优于目前的其他异常检测算法，具有较高应用价值。