面向時(shí)間同步業(yè)務(wù)的空間信息網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚酆蠄D模型

蔚保國(guó) 鮑亞川 魏海濤

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面向時(shí)間同步業(yè)務(wù)的空間信息網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚酆蠄D模型

蔚保國(guó) 鮑亞川*魏海濤

(衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 石家莊 050081)(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 石家莊 050081)

空間信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展呈現(xiàn)出節(jié)點(diǎn)異構(gòu)和功能多樣化趨勢(shì)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步是實(shí)現(xiàn)協(xié)同任務(wù)的重要技術(shù)基礎(chǔ)。論文對(duì)空間信息網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步業(yè)務(wù)特性進(jìn)行了分析，并提出基于多跳中繼的時(shí)間同步誤差模型。針對(duì)非實(shí)時(shí)時(shí)間同步業(yè)務(wù)特點(diǎn)，提出了鐘差相對(duì)不變性概念，并基于此提出了面向時(shí)間同步業(yè)務(wù)的空間信息網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚酆蠄D模型。不同于面向通信業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ停撃Ｐ偷慕⒁怨?jié)點(diǎn)時(shí)鐘性能和時(shí)間比對(duì)鏈路性能為約束條件，反映了時(shí)間同步業(yè)務(wù)的特性和需求。針對(duì)該模型進(jìn)行了空間信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于該模型進(jìn)行多跳中繼時(shí)間同步，可以減少時(shí)間同步過(guò)程的路由篩選及建鏈次數(shù)，降低時(shí)間同步業(yè)務(wù)的鏈路資源消耗，同時(shí)可以達(dá)到更高的時(shí)間同步精度。

空間信息網(wǎng)絡(luò)；時(shí)間同步；鐘差相對(duì)不變性；拓?fù)渚酆蠄D

1 引言

空間信息網(wǎng)絡(luò)是以地球同步衛(wèi)星(GEO和IGSO)、中軌道衛(wèi)星(MEO)、低軌道衛(wèi)星(LEO)、平流層氣球和有人或無(wú)人駕駛飛機(jī)等空間平臺(tái)為載體，實(shí)時(shí)獲取、傳輸和處理空間信息的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[1]。最初的空間信息網(wǎng)絡(luò)是基于星間鏈路由空間平臺(tái)作為節(jié)點(diǎn)所構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)，主要面向解決空間平臺(tái)的信息傳輸問(wèn)題，服務(wù)于衛(wèi)星通信系統(tǒng)，最典型代表是1998年部署的銥星系統(tǒng)。隨著星間/星地鏈路技術(shù)的逐漸成熟，多類非衛(wèi)星通信系統(tǒng)包括GPS、北斗、GRACE、“白云”系列監(jiān)視衛(wèi)星系統(tǒng)等也采用星間鏈路技術(shù)實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)間信息的互傳以及高精度測(cè)量，執(zhí)行自主導(dǎo)航、空間物理實(shí)驗(yàn)以及多星協(xié)同目標(biāo)監(jiān)視等功能。

面向未來(lái)的空間信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，美國(guó)于2004年提出了TSAT計(jì)劃[2,3]，計(jì)劃在太空建立類似地面的Internet網(wǎng)絡(luò)，把太空、空中、陸地、海洋的網(wǎng)絡(luò)整合為一體化；歐洲提出了全球通信一體化空間架構(gòu)(ISICOM)，計(jì)劃基于微波和激光鏈路構(gòu)建大容量空間信息網(wǎng)絡(luò)，將包括通信衛(wèi)星、伽利略導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)、對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星星座、高空平臺(tái)、無(wú)人機(jī)以及地面網(wǎng)絡(luò)融為一體[4]。我國(guó)也在謀劃開(kāi)展天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)論證[5,6]。

未來(lái)空間信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展呈現(xiàn)出節(jié)點(diǎn)數(shù)量劇增、節(jié)點(diǎn)類型異構(gòu)以及功能業(yè)務(wù)多樣化的趨勢(shì)，而節(jié)點(diǎn)間的功能協(xié)同將成為空間信息網(wǎng)絡(luò)重要的應(yīng)用模式。時(shí)間同步，作為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行以及節(jié)點(diǎn)協(xié)同的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)空間信息網(wǎng)絡(luò)大時(shí)空跨度網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的高速信息傳輸，稀疏觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)反演與高時(shí)效應(yīng)用等技術(shù)的重要保障，在未來(lái)的空間信息網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)中具有關(guān)鍵作用。

目前針對(duì)空間信息網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ偷难芯恐饕嫦蛲ㄐ艠I(yè)務(wù)，為了表征空間信息網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)拓?fù)涮卣鳎臻g信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)變圖模型被提出[7]，在此基礎(chǔ)上又有學(xué)者提出了擴(kuò)展時(shí)變圖等模型，針對(duì)空間信息網(wǎng)絡(luò)空間連接、傳輸和計(jì)算等多維能力評(píng)估方法進(jìn)行了探索[8]。在網(wǎng)絡(luò)模型研究的基礎(chǔ)上針對(duì)空間信息網(wǎng)絡(luò)的信息容量理論[9]、資源管理方法[10,11]和最大流路由算法[12]等研究成果不斷涌現(xiàn)。這些研究絕大多數(shù)都面向通信業(yè)務(wù)，以實(shí)現(xiàn)通信容量與服務(wù)質(zhì)量最優(yōu)化為目標(biāo)，但是對(duì)于空間信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步，這些模型沒(méi)用反映時(shí)間同步業(yè)務(wù)的本質(zhì)特點(diǎn)和需求，難以滿足時(shí)間同步業(yè)務(wù)性能最優(yōu)化的需求。

本文面向空間信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步需求，基于對(duì)空間信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步業(yè)務(wù)特性的分析，提出了空間信息網(wǎng)絡(luò)的鐘差相對(duì)不變性以及時(shí)間比對(duì)誤差模型，在此基礎(chǔ)上提出了基于鐘差相對(duì)不變性的空間信息網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚酆蠄D模型，并進(jìn)行了空間信息網(wǎng)絡(luò)建模仿真與時(shí)間比對(duì)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明基于該模型進(jìn)行空間信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步可以以更少的比對(duì)建鏈次數(shù)獲得更優(yōu)的時(shí)間同步性能。

2 空間信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步誤差模型

目前的GPS和北斗系統(tǒng)均基于星間鏈路建立了星間測(cè)量通信網(wǎng)絡(luò)，采用雙向時(shí)間同步體制實(shí)現(xiàn)星地和星間的時(shí)間同步，當(dāng)進(jìn)行時(shí)間同步的兩節(jié)點(diǎn)的時(shí)間信號(hào)傳播路徑及設(shè)備處理時(shí)延絕對(duì)對(duì)稱時(shí)，理論上可以消除所有系統(tǒng)誤差，因此雙向時(shí)間同步是目前精度最高的時(shí)間同步技術(shù)之一，時(shí)間同步精度最高可達(dá)亞納秒級(jí)，是未來(lái)空間信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的主要技術(shù)體制之一，本文將以此作為研究對(duì)象。

空間信息網(wǎng)絡(luò)條件下的節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大且分布廣泛，可視節(jié)點(diǎn)間可以通過(guò)單一雙向鏈路直接實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，但是大量節(jié)點(diǎn)間不具備可視條件或者比對(duì)鏈路作用距離有限，這類節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步將需要依賴于一個(gè)或者多個(gè)節(jié)點(diǎn)作為中繼實(shí)現(xiàn)彼此間的雙向時(shí)間同步。根據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)類型的不同，可以分為透明轉(zhuǎn)發(fā)雙向時(shí)間同步，以及中繼比對(duì)多跳雙向時(shí)間同步兩種類型。

透明轉(zhuǎn)發(fā)中繼時(shí)間同步過(guò)程中，中繼節(jié)點(diǎn)不進(jìn)行時(shí)間比對(duì)的處理，只進(jìn)行時(shí)間同步信號(hào)的轉(zhuǎn)發(fā)，一般中繼節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)，目前廣泛應(yīng)用的地面站間雙向時(shí)間同步就是這一類型的典型代表，如圖1(a)所示。由中繼節(jié)點(diǎn)引入的誤差主要是轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延不等誤差。其誤差模型為

圖1 空間信息網(wǎng)絡(luò)條件下的中繼雙向時(shí)間同步

對(duì)于中繼比對(duì)多跳雙向時(shí)間同步，中繼節(jié)點(diǎn)不進(jìn)行時(shí)間同步信號(hào)的轉(zhuǎn)發(fā)，而是作為時(shí)間同步過(guò)程的直接參與者，進(jìn)行鐘差的處理與解算。這種模式下，/鐘差等于整個(gè)鏈路所包含+1次雙向時(shí)間比對(duì)鐘差之和。

時(shí)間同步誤差也就等于每條中繼鏈路的時(shí)間同步誤差為各種影響誤差的累積。發(fā)起的時(shí)間同步兩節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步誤差等于整條比對(duì)鏈路中各單鏈路的時(shí)間比對(duì)誤差的累積，此外還會(huì)受到比對(duì)過(guò)程中各中繼節(jié)點(diǎn)原子鐘的鐘差漂移影響。

歸納來(lái)說(shuō)，基于中繼節(jié)點(diǎn)的雙向時(shí)間比對(duì)性能會(huì)受到各中繼鏈路比對(duì)精度的影響，同時(shí)也會(huì)受到中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)頻性能的影響。若中繼節(jié)點(diǎn)原子鐘穩(wěn)定性能很差，在短時(shí)間內(nèi)就會(huì)發(fā)生較為明顯的時(shí)鐘偏差，由此將導(dǎo)致比對(duì)結(jié)果的不準(zhǔn)確。

3 空間信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步業(yè)務(wù)特性分析

空間信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間時(shí)間同步業(yè)務(wù)，根據(jù)其應(yīng)用時(shí)效性可以分為實(shí)時(shí)性和非實(shí)時(shí)性兩類。

實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)主要面向一些不具有較好守時(shí)能力的節(jié)點(diǎn)，要保持時(shí)間同步需要提高時(shí)間同步的頻度，強(qiáng)調(diào)鐘差信息的實(shí)時(shí)獲取；非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，一種是裝備高穩(wěn)定原子鐘的節(jié)點(diǎn)間時(shí)間同步，同步過(guò)程允許較長(zhǎng)時(shí)延的存在，典型代表是歐空局空間原子鐘計(jì)劃(ACES)中類似于空間搬鐘法的非共視時(shí)間同 步[13]；另一種是面向事后數(shù)據(jù)處理的時(shí)間同步信息業(yè)務(wù)，時(shí)間比對(duì)信息不應(yīng)用于節(jié)點(diǎn)間時(shí)間同步，而用于觀測(cè)數(shù)據(jù)后期融合處理、事后精密鐘差產(chǎn)品生成、精密軌道外推等。總體而言，空間原子鐘技術(shù)的進(jìn)步使非實(shí)時(shí)的時(shí)間同步業(yè)務(wù)在空間信息網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用更為廣泛。

對(duì)于非實(shí)時(shí)的時(shí)間同步業(yè)務(wù)，高精度測(cè)量是其根本目標(biāo)，少量的較高精度測(cè)量相比于多次較低精度的測(cè)量平均對(duì)于提高整體測(cè)量精度更有意義，結(jié)合其比對(duì)過(guò)程的間歇性和延遲性特點(diǎn)，因此在時(shí)間比對(duì)鏈路的選擇上，可以在時(shí)間和空間尺度上進(jìn)行綜合考慮。

3.1 鐘差相對(duì)不變性

如式(2)所示，對(duì)基于多點(diǎn)中繼的時(shí)間同步，中繼節(jié)點(diǎn)具有較好的頻率準(zhǔn)確度，其在一定時(shí)間間隔內(nèi)鐘差的變化相對(duì)于時(shí)間比對(duì)測(cè)量精度而言是可以忽略的話，可以認(rèn)為是該中繼節(jié)點(diǎn)的鐘差相對(duì)不變。

不同頻率準(zhǔn)確度和比對(duì)測(cè)量精度條件下的鐘差相對(duì)不變時(shí)間如表1所示。

50025050 50002500500 50000250005000

3.2 等效鐘差相對(duì)不變性

高準(zhǔn)確度的原子鐘可以具有很長(zhǎng)的鐘差相對(duì)不變時(shí)間，但是空間信息網(wǎng)絡(luò)中大量的節(jié)點(diǎn)往往只能裝備性能有限的原子鐘，因此其鐘差相對(duì)不變時(shí)間有限。從另一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，如果能夠?qū)?jié)點(diǎn)原子鐘的鐘差在一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)行精確預(yù)報(bào)，在該時(shí)段內(nèi)，以該節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行雙向時(shí)間同步，基于精確鐘差預(yù)報(bào)對(duì)時(shí)間比對(duì)結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償，理論上也可以消除中繼過(guò)程時(shí)延所帶來(lái)的誤差。

鐘差預(yù)報(bào)與原子鐘準(zhǔn)確度、星座建模方法以及預(yù)報(bào)算法等有關(guān)。空間原子鐘的精密鐘差建模與預(yù)報(bào)技術(shù)目前主要應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航定位領(lǐng)域，可以分為短期預(yù)報(bào)和長(zhǎng)期預(yù)報(bào)兩類。短期預(yù)報(bào)主要面向高精度定位應(yīng)用，長(zhǎng)期預(yù)報(bào)主要面向現(xiàn)代化衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的自主導(dǎo)航需求。常用的鐘差預(yù)報(bào)模型主要有多項(xiàng)式模型、周期項(xiàng)模型、灰色模型以及ARIMA模型等[14]。相關(guān)研究表明針對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星的精密鐘差預(yù)報(bào)精度可以達(dá)到2小時(shí)內(nèi)誤差約為0.1~0.2 ns[14,15]。

基于上述分析可將精確鐘差預(yù)報(bào)時(shí)間定義為等效鐘差相對(duì)不變時(shí)間，

4 基于鐘差相對(duì)不變性的空間信息網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚酆蠄D

4.1 空間信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)變拓?fù)?/h3>

由于衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)特性，空間信息網(wǎng)絡(luò)具有時(shí)變性特征，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟簿途哂辛说湫偷臅r(shí)變特征以及斷續(xù)連通特征。在不同時(shí)段，空間信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連通情況不斷改變，在每一個(gè)時(shí)段的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，被稱為快照?qǐng)D，快照?qǐng)D變化具有周期性。

拓?fù)淇煺請(qǐng)D也可以用拓?fù)渚仃囘M(jìn)行表示。矩陣元素定義如下：

以圖2中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇槔W(wǎng)絡(luò)內(nèi)共用7個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇杀硎緸?×7拓?fù)渚仃嚒２煌瑫r(shí)段節(jié)點(diǎn)連通性不同，將獲得不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚仃嚒r(shí)段1的拓?fù)渚仃嚍?/p>

4.2 基于鐘差相對(duì)不變性的空間信息網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚酆蠄D

基于時(shí)間比對(duì)節(jié)點(diǎn)的鐘差相對(duì)不變性，提出了空間信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)間比對(duì)拓?fù)渚酆蠄D模型。該模型基本思想是將鐘差相對(duì)不變時(shí)間間隔內(nèi)的空間信息網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾r(shí)變圖進(jìn)行聚合，形成拓?fù)渚酆蠄D。基本原理如圖3所示。

圖2 空間信息網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾r(shí)變圖

圖3 基于鐘差相對(duì)不變性的空間信息網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚酆蠄D

空間信息網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的時(shí)間同步基本要素由時(shí)間比對(duì)節(jié)點(diǎn)和比對(duì)鏈路構(gòu)成。比對(duì)節(jié)點(diǎn)根據(jù)時(shí)間過(guò)程中的功能可以劃分為端節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚哂袝r(shí)間起點(diǎn)差異性，在不同的起始時(shí)刻發(fā)起時(shí)間比對(duì)，會(huì)形成不同的拓?fù)渚酆蠄D。拓?fù)渚酆蠄D變化周期只與中繼節(jié)點(diǎn)壽命有關(guān)，與端節(jié)點(diǎn)壽命無(wú)關(guān)。

基于鐘差相對(duì)不變性的拓?fù)渚酆蠄D網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行空間信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間時(shí)間比對(duì)鏈路規(guī)劃，相比基于聚合前的空間網(wǎng)絡(luò)時(shí)變圖模型可以帶來(lái)以下的優(yōu)勢(shì)：反映了時(shí)間比對(duì)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，基于非實(shí)時(shí)時(shí)間同步業(yè)務(wù)特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同時(shí)段拓?fù)涞倪B通，可以獲得更優(yōu)的多點(diǎn)中繼時(shí)間比對(duì)性能；減少網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D的數(shù)量，減少拓?fù)渌阉鞔螖?shù)。

4.3 基于拓?fù)渚酆蠄D的多跳時(shí)間同步方法

基于所提出的時(shí)間比對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚酆蠄D模型以及多跳時(shí)間同步誤差模型，算法主要解決中繼多跳時(shí)間同步方法中中繼節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化選擇問(wèn)題，算法主要包括以下3個(gè)步驟。

(1)空間信息網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚酆蠄D生成：根據(jù)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)中繼節(jié)點(diǎn)的原子鐘性能或鐘差預(yù)報(bào)水平確定各節(jié)點(diǎn)鐘差不變時(shí)間，確定拓?fù)渚酆蠄D更新周期，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇煺請(qǐng)D疊加得到基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚酆蠄D。

(2)比對(duì)鏈路代價(jià)定義：以各中繼節(jié)點(diǎn)間的比對(duì)鏈路時(shí)間同步測(cè)量精度作為鏈路選擇的主要約束條件，各條比對(duì)鏈路的時(shí)間同步精度通過(guò)長(zhǎng)期觀測(cè)得到，以此作為鏈路選擇的代價(jià)。

(3)比對(duì)鏈路優(yōu)選：基于代價(jià)最小原則進(jìn)行比對(duì)鏈路優(yōu)選，每個(gè)拓?fù)渚酆蠄D周期進(jìn)行一次鏈路優(yōu)選。可選用Dijkstra或者Floyd代價(jià)最小算法進(jìn)行鏈路的選取。

4.4 模型性能分析

式中，假設(shè)該時(shí)段包含條比對(duì)路徑。

設(shè)拓?fù)渚酆现芷诎瑐€(gè)時(shí)段。在該周期內(nèi)基于時(shí)變圖模型得到時(shí)間同步誤差均方根為

基于拓?fù)渚酆夏Ｐ退@得的時(shí)間同步誤差上限與基于時(shí)變圖模型的時(shí)間同步誤差下限一致，因此基于拓?fù)渚酆峡梢允沟枚嗵欣^時(shí)間同步獲得更好的時(shí)間同步精度。

5 基于拓?fù)渚酆蠄D的空間信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步仿真實(shí)驗(yàn)

5.1 空間信息網(wǎng)絡(luò)建模

基于STK進(jìn)行空間信息網(wǎng)絡(luò)建模，該網(wǎng)絡(luò)包含一個(gè)地面站，一顆LEO衛(wèi)星，2顆GEO衛(wèi)星，以及3 顆MEO衛(wèi)星。如圖4所示。地面站選取為北京，LEO衛(wèi)星采用天宮2號(hào)軌道數(shù)據(jù)，兩顆GEO衛(wèi)星分別位于東經(jīng)80°和東經(jīng)140°, 3顆MEO衛(wèi)星為同軌道面Walker星座，軌道高度為27906.1 km。衛(wèi)星間均可以建立雙向時(shí)間比對(duì)鏈路進(jìn)行時(shí)間同步。

圖4 空間信息網(wǎng)絡(luò)軌道星座圖

表2各節(jié)點(diǎn)原子鐘參數(shù)

原子鐘秒穩(wěn)鐘差預(yù)報(bào)時(shí)間鐘差不變時(shí)間(最低1 ns比對(duì)測(cè)量精度，w 取為0.1) 地面站- 天宮2- MEO12 h內(nèi)0.1 ns2 h MEO22 h內(nèi)0.1 ns2 h MEO32 h內(nèi)0.1 ns2 h GEO12 h內(nèi)0.1 ns2 h GEO22 h內(nèi)0.1 ns2 h

5.2 時(shí)間同步實(shí)驗(yàn)

取2016年12月5日至2016年12月6日24小時(shí)運(yùn)行時(shí)段進(jìn)行觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，以MEO3與地面站的時(shí)間比對(duì)過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。該時(shí)間段內(nèi)地面站及MEO3與其他各節(jié)點(diǎn)的鏈路連通性如圖5所示。時(shí)變圖快照頻度為30 min。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚酆蠄D周期為2 h，截取21:00~23:00時(shí)段進(jìn)行分析。

該時(shí)段內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)變拓?fù)渚仃嚾缦拢仃囋仨樞虬凑盏孛嬲尽⑻鞂m二號(hào)、MEO1, MEO2, MEO3, GEO1和GEO2的順序排列。

圖5 時(shí)間同步可視鏈路變化

基于鐘差不變時(shí)間的拓?fù)渚酆蠄D矩陣為

對(duì)各節(jié)點(diǎn)間鏈路時(shí)間同步精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以時(shí)間同步精度作為鏈路代價(jià)得到時(shí)間比對(duì)代價(jià)矩陣，此處實(shí)驗(yàn)鏈路比對(duì)精度為隨機(jī)定義。

表3不同時(shí)段的比對(duì)路徑選擇與觀測(cè)誤差

路徑選擇時(shí)間同步精度(ns) 時(shí)段1MEO3→GEO1→地面站0.98 時(shí)段2MEO3→GEO1→地面站0.98 時(shí)段3MEO3→天宮2→地面站0.50 時(shí)段4MEO3→GEO2→地面站0.92 均方值-0.87

對(duì)24小時(shí)內(nèi)的時(shí)間同步精度變化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示。仿真分別基于固定可視鏈路、時(shí)變圖模型以及拓?fù)渚酆蠄D模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中固定路由為MEO3與北京站不可見(jiàn)時(shí)依靠始終可見(jiàn)的另外兩顆MEO星交替作為中繼。可以看到，固定鏈路單純依靠可視性進(jìn)行路徑選擇，所實(shí)現(xiàn)的多跳時(shí)間同步精度較差；當(dāng)比對(duì)節(jié)點(diǎn)直接可視或者網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溟L(zhǎng)時(shí)間保持不變時(shí)，采用拓?fù)渚酆蠄D模型與時(shí)變圖模型效果一致，當(dāng)拓?fù)渥兓^快時(shí)，即該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的LEO星周期性與地面站間歇性可視情況下，基于時(shí)變圖模型會(huì)進(jìn)行頻繁的路由切換，而拓?fù)渚酆蠄D模型可以始終最優(yōu)路徑進(jìn)行時(shí)間同步。統(tǒng)計(jì)24小時(shí)數(shù)據(jù)，基于可視性固定鏈路的時(shí)間比對(duì)平均精度為0.9792 ns，采用時(shí)變圖模型的時(shí)間比對(duì)平均精度為0.7768 ns，采用拓?fù)渚酆蠄D模型的時(shí)間同步精度提高為0.6359 ns。

改變時(shí)變圖快照頻度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)時(shí)變圖模型以快照頻度為間隔進(jìn)行時(shí)間同步，統(tǒng)計(jì)24 h內(nèi)時(shí)間同步誤差均方根，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。對(duì)于基于時(shí)變圖模型的時(shí)間同步，測(cè)量頻度的提高并不能夠使時(shí)間同步精度得到提高，主要原因就在于時(shí)變圖割裂了節(jié)點(diǎn)在時(shí)間域上的連通關(guān)系，難以得到最優(yōu)的時(shí)間同步路徑。基于拓?fù)渚酆蠄D模型的時(shí)間同步，其測(cè)量精度與拓?fù)鋾r(shí)變圖的快照頻度有關(guān)，更高頻度的快照?qǐng)D聚合能夠更逼真的反映節(jié)點(diǎn)在時(shí)間域上的連通關(guān)系，獲得最優(yōu)的路徑選擇。

對(duì)該構(gòu)建的空間網(wǎng)絡(luò)模型，統(tǒng)計(jì)24 h內(nèi)所有空間節(jié)點(diǎn)與北京地面站節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間比對(duì)精度的平均值。快照頻度選取為15 min，采用時(shí)變圖模型時(shí)，時(shí)間同步精度平均值為0.75 ns；采用基于拓?fù)渚酆蠄D模型時(shí)的時(shí)間同步精度為0.59 ns。

仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于鐘差不變性拓?fù)渚酆蠄D模型的有效性，基于該模型進(jìn)行多跳中繼時(shí)間同步，減少了時(shí)間比對(duì)路徑選擇次數(shù)，降低了時(shí)間比對(duì)次數(shù)，同時(shí)獲得了更優(yōu)的時(shí)間比對(duì)精度。

6 結(jié)論

本文以空間信息網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步業(yè)務(wù)為研究對(duì)象，針對(duì)誤差模型和業(yè)務(wù)特點(diǎn)進(jìn)行了分析，面向非實(shí)時(shí)高精度時(shí)間同步業(yè)務(wù)需求，提出了基于鐘差相對(duì)不變性的空間信息網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚酆蠄D模型。不同于面向通信業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化模型，該模型以時(shí)間同步業(yè)務(wù)為約束條件和優(yōu)化對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了從時(shí)間同步業(yè)務(wù)的角度對(duì)空間信息網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目坍?huà)。基于該模型進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間多跳中繼時(shí)間同步，以少量精度更高的測(cè)量代替多次精度相對(duì)較低的測(cè)量，在降低時(shí)間同步建鏈次數(shù)的同時(shí)，使時(shí)間同步精度得到提高，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膬?yōu)化建模實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步性能的提高，對(duì)于提高空間信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步業(yè)務(wù)的鏈路資源利用效率和時(shí)間同步精度具有意義。

圖6 24小時(shí)內(nèi)北京站與MEO3的時(shí)間比對(duì)精度變化

圖7 不同時(shí)變圖快照頻度下的時(shí)間同步精度

[1] 李德仁, 沈欣, 龔健雅, 等. 論我國(guó)空間信息網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版)[J]. 2015, 40(6): 711-716. doi: 10.13203/j.whugis20150021.

LI Deren, SHEN Xin, GONG Jianya,. On construction of China’s space information network[J]., 2015, 40(6): 711-716. doi: 10.13203/j.whugis20150021.

[2] PULLIAM J, ZAMBRZ Y, ARMARKER A,. TSAT network architecture[C]. Military Communications Conference 2008 IEEE. San Diego, CA, 2008: 1-7. doi: 10.1109/MILCOM.2008.4753508.

[3] COOK K L B. Current wideband MILSATCOM infrastructure and the future of bandwidth availability[J]., 2010, 25(12): 23-28. doi: 10.1109/MAES.2010.5638785.

[4] The Integrated Space Infrastructure for global Communications [OL]. http: //www. isi-initiative.org/.2008.

[5] 張乃通, 趙康僆, 劉功亮. 對(duì)建設(shè)我國(guó)“天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)”的思考[J]. 中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào), 2015, 10(3): 223-230. doi: 10.3969/j.issn.1673-5692.2015.03.001.

ZHANG Naitong, ZHAO Kanglian, and LIU Gongliang. Thought on constructing the integrated space-terrestrial information network[J]., 2015, 10(3): 223-230. doi: 10.3969/j.issn.1673-5692.2015.03.001.

[6] 李賀武, 吳茜, 徐恪, 等. 天地一體化網(wǎng)絡(luò)研究進(jìn)展與趨勢(shì)[J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2016, 34(14): 95-106.doi: 10.3981/j.issn.1000-7857. 2016.14.011.

LI Hewu, WU Qian, XU Ke,. Progress and tendency of space and earth integrated network[J].&, 2016, 34(14): 95-106. doi: 10.3981/j.issn.1000-7857. 2016.14.011

[7] LIU R, SHENG M, LUI K,. An analytical framework for resource-limited small satellite networks[J]., 2016, 20(2): 388-391. doi: 10.1109/ LCOMM.2015.2509993

[8] LI Yong, SONG Chaoming, JIN Depeng,. A dynamic graph optimization framework for multihop device-to-device communication underlaying cellular networks[J]., 2014, 21(5): 52-61. doi: 10.1109/ MWC.2014.6940433

[9] LIU R, SHENG M., LUI K,. Capacity analysis of two- layered LEO/MEO satellite networks[C]. 2015 IEEE 81st Vehicular Technology Conference (VTC Spring), Glasgow, 2015: 1-5. doi: 10.1109/VTCSpring.2015.7145726.

[10] 燕洪成, 張慶君, 孫勇. 空間延遲/中斷容忍網(wǎng)絡(luò)擁塞控制策略研究[J]. 通信學(xué)報(bào), 2016, 37(1): 142-150. doi: 10.11959/j.issn.1000-436x.2016016.

YAN Hongcheng, ZHANG Qingjun, and SUN Yong. On congestion control strategy for space delay/disruption tolerant networks[J]., 2016, 37(1): 142-150. doi: 10.11959/j.issn.1000-436x.2016016.

[11] 張威, 張更新, 邊東明, 等. 基于分層自治域空間信息網(wǎng)絡(luò)模型與拓?fù)淇刂扑惴╗J]. 通信學(xué)報(bào), 2016, 37(6): 94-105. doi: 10.11959/j.issn.1000-436x.2016120.

ZHANG Wei, ZHANG Gengxin, BIAN Dongming,. Network model and topology control algorithm based on hierarchical autonomous system in space information network[J]., 2016, 37(6): 94-105. doi: 10.11959/j.issn. 1000-436x.2016120.

[12] LI Hongyan and ZHANG Tao. A maximum flow algorithm based on storage time aggregated graph for delay-tolerant networks[OL]. Ad Hoc Networks(2017),http://dx.doi.org/ 10.1016/j.adhoc.2017.01.006.

[13] 楊文可, 孟文東, 韓文標(biāo), 等. 歐洲空間原子鐘組ACES與超高精度時(shí)頻傳遞技術(shù)新進(jìn)展[J]. 天文學(xué)進(jìn)展, 2016, 34(2): 221-237. doi: 10.3969/j.issn.1000-8349.2016.02.06.

YANG Wenke, MENG Wendong, HAN Wenbiao,. Advances in atomic clock ensemble in space of europe and ultraprecise time and frequency transfer[J]., 2016, 34(2): 221-237. doi: 10.3969/j.issn.1000- 8349.2016.02.06.

[14] 雷雨, 李變, 趙丹寧, 等. 一種高精度實(shí)時(shí)GPS衛(wèi)星鐘差預(yù)測(cè)算法[J]. 中國(guó)空間科學(xué)技術(shù), 2014, 8(4): 39-45. doi: 10.3780/ j.issn.1000-758X.2014.04.006.

LEI Yu, LI Bian, ZHAO Danning,. Real-time prediction algorithm for high-accuracy GPS satellite clock offset[J]., 2014, 8(4): 39-45. doi: 10.3780/j.issn.1000-758X.2014.04.006.

[15] 楊富春, 李素英, 李斌, 等. 四種模型在衛(wèi)星鐘差短期預(yù)報(bào)中的應(yīng)用研究[J]. 水利與建筑工程學(xué)報(bào), 2014, 12(6): 199-204. doi: 10.3969/j.issn.1672-1144.2014.06.040.

YANG Fuchun, LI Suying, LI Bin,. Research on the application of four models used in the short-term prediction of satellite clock errors[J]., 2014, 12(6): 199-204. doi: 10.3969 /j.issn.1672-1144.2014.06.040.

蔚保國(guó)： 男，1966年生，研究員，研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)總體設(shè)計(jì).

鮑亞川： 男，1985年生，博士生，研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航、高精度時(shí)間同步.

魏海濤： 男，1979年生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航、高精度時(shí)間同步.

Time Synchronization Service Oriented Topology AggregationModel of Space Information Network

YU Baoguo BAO Yachuan WEI Haitao

(,050081,)(54,050081,)

The trend of heterogeneous node and functional diversification is presented in the development of space information network. The synchronization of network nodes is the technical foundation of task coordination of network nodes. The characteristic of time synchronization service of space information network is analyzed in this paper and the error model of multi-hop relay time synchronization is given. The concept of clock offset relative invariance is proposed based on the characteristic of non-real-time time synchronization, and a novel space information network topology aggregation model is given for time synchronization service. Differing from normal communication-service-oriented network models, the constraint condition of the model establishment is the performance of node clock and the time synchronization link, and the characteristic and requirement of time synchronization service is concerned. Simulation of space information network time synchronization is made according to the model. In the process of multi-hop relay time synchronization based on the model, less routing and linking number is needed. The link resource consumption is reduced, and the time synchronization precision is improved.

Space information network; Time synchronization; Relative invariance of clock offset; Topology aggregation

TN967.1

A

1009-5896(2017)12-2929-08

10.11999/JEIT170252

2017-03-29；

2017-08-31；

2017-10-27

通信作者：鮑亞川 baoyachuan@126.com

國(guó)家自然科學(xué)基金(91638203)，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFB0502102)

: The National Natural Science Foundation of China (91638203), The National Key Research and Development Program (2016YFB0502102)