一種虛實結合的星間鏈路組網地面試驗驗證框架*

彭海軍 王 玲 黃文德 楊 俊

1.湖南大學電氣與信息工程學院，長沙410082 2.國防科技大學機電工程與自動化學院，長沙410073

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一種虛實結合的星間鏈路組網地面試驗驗證框架*

彭海軍1, 2王 玲1黃文德2楊 俊2

1.湖南大學電氣與信息工程學院，長沙410082 2.國防科技大學機電工程與自動化學院，長沙410073

建立地面試驗驗證環境是降低星間鏈路技術風險的有效途徑。針對導航衛星組網功能和性能的測試問題，本文提出一種星間鏈路組網地面試驗驗證框架。該框架根據星間鏈路信息處理流程，設計基于虛(虛擬衛星)實(實際衛星)結合的星地試驗方案，并采用正交試驗測試技術測試組網算法。通過對星間鏈路試驗場景和試驗方法的設計，實現對星間鏈路組網功能和性能的測試與評估分析。結果表明，該框架能滿足單星網絡接入、整網組網測試等地面試驗驗證需求，為降低地面試驗成本和風險提供了一種可行方案。 關鍵詞 星間鏈路；正交試驗；網絡拓撲；路由策略；框架設計

星間鏈路是我國北斗衛星導航系統建設的重要方向，發展星間鏈路對我國衛星導航系統具有重要意義[1-3]。星間鏈路組網技術是衛星導航系統實現自主導航的關鍵技術之一[4]。在系統建設前期，開展單星網絡接入、整網組網測試等地面驗證工作是實現高效可靠星間組網的前提。

目前，美國GPS是唯一一個具備星間鏈路能力的全球衛星導航定位系統，其研發的GPS Block IIR和GPS Block IIF已經具備星間鏈路組網能力，并在2012年進行了GPSIII與OCX通信鏈路軟件和硬件接口的測試[5]。近些年，美國在GPSIII的組網測試方面做了大量的研究，提出了一些GPSIII通信組網策略，最終形成了一套基于空間、控制、用戶段的DOT&E GPSIII測試評估體系[6]。國內也在開展新一代北斗衛星系統的試驗研究，已于2015年3月30號發射了新一代北斗試驗衛星，并將開展新一代北斗全球衛星導航系統星間鏈路關鍵技術驗證工作。

許多專家學者對星間鏈路組網進行了研究，并針對不同的建鏈約束提出了多種星間鏈路組網算法[1，2，4]；也有學者利用STK，OPNET，Simulink，局域網測試，半物理仿真等方法對星間組網算法進行仿真和評估，驗證了特定組網算法的可行性[7-11]。但由于現實條件的復雜性和特殊性，對星間鏈路組網需要綜合考慮建鏈跳數、通信頻率、天線發射功率、天線切換速率、數據誤碼率、建鏈功耗、建鏈時延、同一時刻建鏈數量、故障處理能力和空間環境等多方面的因素[12]，需要研究適用于實際星間鏈路組網功能和性能測試的試驗驗證系統。

為解決上述問題，本文提出一種虛實結合的星間鏈路組網地面試驗框架，即設計由實際衛星參與和地面站虛擬星間衛星構成的系統平臺。為提高地面試驗驗證的效率，采用正交試驗方法，降低試驗風險、減少試驗成本，提高測試的覆蓋性。

1 地面試驗驗證框架設計

1.1 星間鏈路組網試驗分析

進行星間鏈路組網試驗時，除保證試驗過程中通信體制(時分體制)[1]、組網協議與實際星間鏈路一致之外，還需要在組網結構、組網環境上做到與實際星間鏈路近似。根據我國北斗全球衛星導航系統建設需求：北斗星座將由24MEO+3IGSO+3GEO構成。對該星座進行仿真分析，得到表1的星座可見性分析結果。

表1 北斗全球衛星導航系統星座可見性分析

表1數據表明：單顆衛星可能存在至少與10顆以上的衛星保持建鏈的需求；星地距離與星間距離保持在同一數量級左右；任意衛星具備至少6h的理論試驗時間，且地面同一時段可見衛星數至少大于11顆。對于組網協議和組網體制，地面能做到與實際星間一致；并且在時分體制下，單顆衛星同一時刻只與1顆衛星進行建鏈，使得地面能夠分時承擔多顆虛擬衛星角色。因此，設計合理的試驗，補償組網環境差異，才能使地面組網試驗具有驗證組網部分功能和性能的能力。

1.2 星間鏈路組網地面試驗系統結構

根據上述星間鏈路組網地面試驗設計要求，需構建一個能與待測衛星載荷構成全星座組網的閉環測試環境。因此，地面試驗應具備4個條件： 1)滿足星間鏈路組網節點數； 2)星地全星座閉環保持時間同步； 3)能夠對整個閉環測試環境進行監測和控制； 4)能夠對試驗數據進行分析和存儲。由于研制衛星設備投入量大，可重復性不高，而地面站設備具備靈活性，可由固定設備或移動設備組成，基于此，可用地面站來模擬試驗衛星節點，組成虛實結合網絡參與試驗。因此，地面試驗系統由試驗衛星、地面站、地面控制中心、地面網絡傳輸系統、時間同步、測控系統、數據庫系統組成。整個地面試驗系統組成結果如圖1所示。

圖1 虛實結合星間鏈路組網地面試驗驗證系統組成圖

整個星間鏈路地面試驗以時間同步為基準。試驗衛星與地面站采用目前組網首選的Ka頻段[1，13]進行無線組網通信，地面各系統通過有線網絡采用UDP進行數據通信。其中，試驗衛星應滿足我國新一代北斗衛星系統的設計需求，配置高精度時鐘(如銣鐘)，并保持良好的兼容性，試驗期間主要完成新一代衛星導航本身的任務和配合地面完成在軌試驗任務；地面系統主要包括試驗系統的虛擬衛星部分、控制部分和地面輔助系統，其中地面站組成的虛擬衛星節點主要完成與衛星建鏈的功能；控制中心完成任務規劃、調度和評估功能，地面輔助系統如測控系統等用于輔助完成整個試驗的開展；時間同步系統作為地面試驗的關鍵支撐，用于保持整個地面試驗系統與衛星的時間同步功能；數據庫系統用于試驗數據的分析和存儲，最終為試驗提供可信的試驗結果，并用于指導下一次試驗的開展。

1.3 星間鏈路組網地面試驗框圖設計

星間鏈路組網地面試驗執行框圖如圖2所示。整個流程大體可分為4個部分：試驗前期準備、試驗設計、試驗執行和試驗結果分析。1)試驗前期準備包括時間同步、試驗初始信息獲取、試驗因素分析。其中，時間同步系統為整個試驗提供時間基準，確保整個試驗順利進行，初始狀態信息獲取主要包括衛星軌道、姿態、指向等信息，地面站工作狀態、指向、位置信息和環境信息等數據的獲取；根據初始信息，判斷地面試驗是否具備開展條件； 2)試驗設計包括對組網算法的仿真分析、正交試驗設計和虛擬通道控制等關鍵技術的設計； 3)試驗執行是將生成的試驗任務下發到地面站和試驗衛星，然后對試驗生成的數據進行收集和分析計算，用于繼續開展正交試驗設計；4)試驗結果分析是對正交試驗結果進行處理，根據組網算法的試驗結果判斷其是否具備在軌后星間組網的條件。

圖2 虛實結合星間鏈路組網地面試驗驗證流程

2 星間鏈路組網試驗關鍵技術

2.1 虛擬拓撲管理技術

為了通過有限地面站點模擬各種星間鏈路拓撲下通信處理流程，需在地面站規劃配置信息中加上一些控制信息，使地面站能夠近似模擬實際衛星，模擬整個星間鏈路的運行流程。本文在文獻[11]的虛擬移動和虛擬拓撲管理方法上進行拓展，采用新的虛擬拓撲管理關鍵虛擬技術支持地面試驗。

虛擬拓撲管理執行如圖3所示，在承擔多于試驗站點數量的星間鏈路組網時，單個地面站在天線跟蹤能力和處理能力下，通過時分復用技術，承擔多顆虛擬衛星任務。在時間段T1，地面虛擬模擬Virtual1任務；在時間段T2，地面站讀取控制文件和虛擬衛星參數，處理虛擬衛星Virtual2任務，……；地面站通過執行控制指令調整天線，使處理流程與實際星間鏈路網絡過程保持一致。

圖3 虛擬拓撲管理技術實現

地面試驗方案設計時，首先收集地面站和衛星的當前狀態信息，進行試驗因素分析；然后將地面站參數作為規劃方案算法輸入參數，設計出滿足虛擬拓撲條件的規劃方案；最后將設計的規劃方案作為地面試驗規劃方案執行。

2.2 虛擬通道技術

地面站承擔虛擬衛星時，需模擬衛星所有功能，同時也要消除星地環境帶來的影響。因此，通過虛擬通道技術可使星地鏈路逼近實際星間鏈路。虛擬通道實現過程如圖4所示。

圖4 虛擬通道實現圖

2.2.1 延時控制

星地測量時，測距結果可表示為[14]：

ρ=ρ0+ρtro+ρion+ρpha+ρΔτ+δ

(1)

式中,ρ,ρ0,ρtro,ρion,ρpha,ρΔτ,δ分別為實際測距結果、測距準確值、對流層、電離層、相位中心偏移、設備延時及隨機噪聲引入的測距誤差。因此，環境誤差和偽距都可以通過控制時間t來實現。通過衛星星歷數據和試驗站點監測信息，消除式(1)中星地環境帶來的影響，實際實星到虛星的發射偽距應滿足下式：

τs=τr+Δτ-τsg

式中，τs，τr，Δτ，τsg分別為理論虛星和實星傳輸時延、仿真場景中實星與虛星的傳輸時延、實際地面站與試驗衛星傳輸時延差值、地面站與衛星間環境因素帶來的傳輸延遲量。

2.2.2 多普勒效應模擬

星間衛星存在相對運動，接收端收到信號時會發生多普勒頻移，因此，星間鏈路地面試驗需模擬多普勒頻移效應，使試驗接近真實環境。多普勒公式定義為[13]：

(1)

式中，f0為衛星信號發射頻率,v為衛星間徑向運動速度，c為光速，r為衛星間相對位置矢量。星間鏈路地面試驗驗證時，衛星位置由測控系統得到，虛擬衛星速度由地面控制中心仿真得到。因此，地面站在發射試驗衛星Ka頻段通信數據時，要進行多普勒效應模擬。其多普勒效應轉換過程公式為：

(2)

(3)

2.2.3 空間環境模擬

空間環境模擬主要通過虛擬信道技術實現對地面試驗的空間損耗、空間干擾等的模擬。

(1)空間干擾模擬

星間鏈路采用Ka頻段相控陣天線本身具有良好的抗干擾性能，但在信息傳播過程中，仍存在鏈路互干擾、單頻干擾等；文獻[15]指出，Walker星座鏈路在一定時間段中平均互干擾為69.8232dB，單頻干擾信干比平均為-12.01dB，干擾直接影響衛星通信的誤碼率。因此，在星間鏈路通信協議地面試驗系統中，可在地面站發射Ka信號前，對信號加干擾信道，如添加隨機噪聲等，然后再發射到試驗衛星。

(2)空間損耗模擬

星間通信和星地通信都存在傳輸損耗，并且傳輸損耗量大，因此，星間鏈路地面試驗系統中必須考慮傳輸損耗。同時，星間通信和星地通信信道環境不同，在進行地面試驗時，必須對空間損耗進行補償。試驗中，主要考慮自由空間損耗和雨衰損耗；實際星間鏈路過程中，不存在雨衰損耗，因此試驗必須對發射功率進行補償。

自由空間損耗公式為：

(4)

式中，f為天線發射頻率，c為光速，d為空間傳播距離。地面試驗中根據星間距離和發射頻率調整信號的發射功率。

國際上，雨衰損耗通常采用ITU-RP618提供的CCIR模型，其計算公式為[16]：

A0.01=γRLE

(5)

式中，A0.01表示超過年平均0.01%雨衰，γR為降雨損耗率，LE為有效路徑長度，公式具體推導參見文獻[16]。根據Ka信號工作頻率，計算過程中選取頻率段為10GHz≤f≤100GHz。

在星間鏈路地面試驗中，無需考慮雨衰情況時，發射功率調整公式如下：

10lg(Tr)-10lg(Lf1)≈10lg(Tr′)-10lg(Lf1′)

(6)

式中，Tr,Tr′,Lf1,Lf1′分別表示理論發射功率、實際試驗發射功率、理論的自由空間損耗和實際試驗自由空間損耗。調整后，地面站與衛星的自由空間損耗與待測星座星間自由空間損耗率相同。

存在雨衰情況時，應根據試驗需求和式(7)直接補償雨衰，調整發射功率，消除試驗環境帶來的影響。

2.3 正交試驗設計技術

星間鏈路組網算法的可行性和性能試驗驗證時，影響因素多，試驗周期長，過程復雜。為得到較好的試驗結果，不同的試驗方法所需要的試驗次數各不相同。因此，設計性能優的試驗方案能從一定程度上降低試驗成本，更快的達到試驗目的。目前，常見的試驗方法有正交試驗、均勻試驗和抽樣試驗等。而正交試驗方法能獲取高質量、高可靠性的試驗數據；并且，在合理的試驗安排下，正交實驗能次數少，結果優的完成試驗任務[17]。因此，本文采用正交試驗進行星間鏈路組網試驗。

2.3.1 正交試驗設計

處理多因素情況下，如A,B,C 三種因素時，且每個因素取3個具有代表性的值，利用正交試驗，通過9次實驗可以找到最佳水平組合。正交試驗利用正交表安排試驗， 3個平面分別代表3種因素，平面上有3個取值，每個平面上的點均勻分布，代表性強。結果能夠全面的反應試驗情況，用盡可能少的次數找到試驗最佳水平。

星間鏈路組網功能和性能測試試驗的目的是找到星間鏈路組網算法的組網代價或缺陷，此處將其定義為組網代價因子P。其中，P定義為：

(7)

式中，Pi為第i個代價因子，包括建鏈跳數、天線切換頻率、數據誤碼率、建鏈功耗、建鏈時延、網絡吞吐量、網絡利用率、網絡可用性、網絡帶寬容限和故障處理能力等；λi為代價權值，可根據評定指標和代價因子對星間鏈路組網的影響進行確定。

(1)確定試驗影響因素

影響星間鏈路組網試驗的因素主要包括Ka通信頻率、天線切換速率、空間干擾、衛星天線掃描范圍，天線發射功率、天線指向及衛星天線切換能力等。

測試過程中，多因子同時試驗時存在嚴重的耦合問題，并且多因子同時試驗加大了試驗的控制量，進而增加了試驗控制帶來的誤差。因此，單批實驗設計過程中，可將接近相互獨立的3個因素作為試驗因素.

(2)量化試驗影響因素

為簡化處理，以A,B,C表示影響試驗的3個主要性能指標，并確定各因素的取值范圍。

(3)正交表的制作

選擇三因素三水平正交表，如表2所示。

表2 三因素三水平正交表

(4)正交試驗分析

按照表2進行正交試驗，代入各因素、各水平值，計算得到帶有試驗數據的正交表3。

表3 正交試驗處理表

(5)極差分析

采用如式(10)～(11)計算：

(8)

Rmax,j=max(δ1j,δ2j,δ3j)，1≤j≤3

(9)

Rmin,j=min(δ1j,δ2j,δ3j)，1≤j≤3

(10)

式中，δ,Rmax和Rmin為中間變量，最終極差計算方法如表4所示。

表4 極差分析表

分析測試結果，如果R1>R2>R3，則說明因素1對試驗影響最大。此時，得到了試驗因素與組網代價的取值曲線。然后在試驗約束條件下，將組網代價曲線作為已知量，并取得最大代價對應的因素水平值，再開展進一步試驗。

2.3.2 正交試驗結果處理

試驗過程中，實際星地試驗系統按照星間鏈路組網算法進行建鏈通信；最終根據長時間的測試結果，對星間鏈路組網進行綜合判定。試驗中，如果發現異常或者是結果超出了指標范圍，則首先應當排除試驗設計存在缺陷的問題。如果試驗設計存在缺陷，則立即對試驗方案進行改進并重新組織試驗；否則，可以判定待試驗的星間鏈路組網策略不能滿足要求。

3 應用

3.1 應用分析

根據實際試驗需求，在只有單顆試驗衛星時，星間組網試驗可按如下步驟開展：

1) 協議試驗(試驗衛星和地面站虛擬衛星)，包括協議正確性、一致性和魯棒性等試驗；

2) 局部組網試驗(試驗衛星和地面站虛擬建鏈規劃中與試驗衛星有建鏈的虛擬衛星)，進行試驗衛星轉發、重傳和擁塞控制等組網能力試驗；

3) 全星座組網試驗(試驗衛星和地面站模擬其它所有虛擬衛星業務)，進行組網綜合性能試驗，包括廣播、多播和組播等試驗，驗證組網吞吐量、傳播時延等網絡性能指標試驗。

在具備多顆試驗衛星時，試驗衛星之間可以進行組網，同時地面試驗系統也能夠模擬與試驗衛星組網的虛擬衛星；對于每顆試驗衛星都可以用上述方法進行試驗，直至達到最終目的。

3.2 應用示例

為驗證天線發射功率、天線指向和衛星天線掃描角度對北斗二代導航系統中的衛星MEO1和IGSO1的建鏈性能影響，進行如下試驗：設定星間最大距離為70000km,天線實際發射功率為比額定功率低0dB, 6dB, 9dB，天線指向精度(俯仰角精度)為0,-0.3, -0.5，天線掃描角度為45°，精度為0,-1.25,-2.5；建鏈性能以可見時間概率計算。按照窮舉法來做試驗，則需要做33=27次。采用正交法可設計如表5實驗。

表5 正交試驗處理結果

采用正交試驗，在控制天線發射功率、天線指向、衛星天線掃描角度時，得到表6極差分析結果：

表6 極差分析結果

經分析，有R3>R1>R2；在精度指標范圍內，衛星天線掃描角度精度對組網建鏈性能影響最大，天線發射功率與天線指向精度對組網建鏈性能影響少且非常接近。因此，在星間鏈路組網地面試驗設計中，需要重點考慮衛星天線掃描角度控制精度的影響。通過將天線掃描角度精度設為指標精度值，然后對組網算法進行評判，這樣再通過少量試驗就達到了試驗目的。

4 結論

綜上所述，基于虛實結合的星間鏈路組網地面試驗驗證系統能模擬整個星間鏈路信息處理流程，可以實現單顆試驗衛星接入的組網試驗，同時也能支持多顆試驗衛星的星間鏈路組網試驗。通過地面試驗場景的正交試驗設計，可同時綜合多因素情況下的星間鏈路組網試驗，在較少試驗次數情況下能找到影響星間組網的主要因素，為后續開展和優化星間鏈路組網試驗提供了試驗依據。該方法在不影響星間鏈路組網試驗驗證結果的情況下，有效避免了單因素下重復試驗中凸顯的高費用、高風險等問題。

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A Framework of Ground Test and Verification for Inter-Satellite Links Communication Based on Virtual and Physical Combined Technique

Peng Haijun1,2, Wang Ling1, Huang Wende2, Yang Jun2

1. College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China 2. College of Mechatronics Engineering and Automation, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China

Buildingagroundtestandverificationexperimentenvironmentisaneffectivewaytoreducetheriskoftheinter-satellitelinks(ISLs)technology.Inthispaper,atestandverificationframeworkofISLscommunicationprotocolisimplemented,whichisaimedatfiguringoutthenetworkingtestingandverificationproblemsoffunctionandperformance.Morespecifically,basedontherealISLsinformationprocessing,aschemeconsistedofvirtualandrealsatellitesiscreated,whichtakesorthogonaltestascommunicationprotocolverificationmethodofISLs.ThroughscenesandmethodsdesignofISLs,atestandanevaluationanalysismethodaredeveloped.Astheresultsofperformance,thisframeworkisafeasiblescheme,whichpossesseslowcostandlowrisk,andtotallymeetsthegroundtestandverificationrequirementsofsignalsatelliteaccessingandcommunicationprotocoltesting.

Inter-satellitelinks;Orthogonaltest;Networktopology;Routerpolice;Frameworkdesign

*國家自然科學基金(41274023)和科技重大專項(GFZX0301010105)共同資助

2015-07-29

彭海軍(1991-)，男，湖南衡南人，碩士研究生，主要研究方向為星間鏈路；王 玲(1962-),女，博士，長沙人，教授，主要研究方向為現代通信與網絡技術等；黃文德(1981-)，男，廣西寧明人，博士，講師，主要研究方向為航天器軌道動力學、衛星導航系統技術；楊 俊(1972-)，男， 江蘇如皋人，教授，博士，主要研究方向為空間儀器工程、衛星導航技術。

V448．25+3

A

1006-3242(2016)02-0031-07