低軌航空安全監視星座路由規劃算法設計與仿真

鄭曉冬，顧青濤,鮑亞川,葉紅軍

(1.衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；3.北京衛星導航中心，北京 100094)

0 引言

隨著民用航空產業的蓬勃發展，航空安全的保障日益得到各國政府、企業以及科研機構的關注。目前最為通用的航空安全監視手段是全球范圍內所建立ADS-B位置報告體制，民用飛行器通過搭載ADS-B信號機，按照一定的時間間隔進行自身位置信息的播發，在陸地范圍廣泛布設的地面監測站接收導航信號后，可以近實時獲取飛行器的位置信息，信息匯總后由空管部門實現對區域航班動態的監控[1-2]。但是馬航MH370事件充分暴露了基于地面布設的監測網難以對全球廣大海域范圍內的飛行進行有效監控，由此所帶來的安全隱患得到了國際范圍的關注[3-4]。伴隨空間信息網絡的快速發展，依托衛星系統建設航空安全監視系統由于其全球范圍和可控的成本優勢，逐步得到各國的青睞，目前包括美國和中國在內都已開展相關系統的布局和技術研究[5]。

基于衛星平臺進行航空安全監視，監視信息要通過星間鏈路網絡傳回地面站，因此在星間鏈路網絡路由規劃算法設計方面要充分考慮網絡動態特性以及可靠傳輸需求，眾多學者針對星間鏈路網絡路由規劃算法開展了大量研究[6-8]。

面向基于低軌星座和星間鏈路建立的低軌航空安全監視網絡在全球范圍內實現數據高效可靠回傳的需求，進行了路由算法設計研究，并開展了仿真驗證，試驗表明所設計的路由規劃策略可以有效保障航空安全監視信息的高效、高可靠傳輸需要。

1 低軌航空安全監視網絡構成

本文研究的基于低軌航空安全監視星座，是由66顆衛星組成的Walker星座，星座排布為6個軌道面，每個軌道面由11顆衛星構成,如圖1所示。每顆衛星裝載4部星間鏈路波束天線，可以與同軌道面相鄰衛星以及相鄰軌道面的2顆衛星建立星間鏈路，組成覆蓋全球范圍的星間鏈路網絡。系統在中國境內設置了2處地面站，所有的航空安全監視由衛星接收后，在2處地面站落地[9-12]。

圖1 低軌航空安全監視星座設計

2 星間鏈路路由規劃算法設計

針對低軌星座星間鏈路未來可能的多種星間鏈路頻譜帶寬條件及多業務負載情況，提出了適用于不同網絡條件下的星間鏈路路由規劃方法設計，并結合本項目低軌星座航空安全監視系統設計功能和性能指標要求，形成了基于雙重不交叉路徑傳輸的多地面站就近落地算法設計，滿足了航空安全監視信息快速落地和高可靠傳輸的需求[13-14]。

2.1 基于最短路徑的多地面站就近落地算法

2.1.1 適用條件

當星間鏈路資源十分充沛，不需考慮規劃鏈路沖突，以追求監視數據落地時延最小為目標時，對于低軌航空安全監視星座，將設計多個地面站，同時滿足監視數據下行傳輸落地需求，設計實現了基于最短路徑的多地面站就近落地算法。

2.1.2 方法步驟

輸入：衛星節點s，地面站集合D，地面站數目NStation，網絡拓撲矩陣A。

if(s!∈D)

for(i=1;i≤NStation;i++)

輸入矩陣A，采用Dijkstra算法計算得到最短路徑Pi;

end

獲得路徑集合{Pi}，1≤i≤NStation，i∈N

{Pi}排序，獲得最小值Pd

end

輸出：落地地面站d，最短路徑Pd。

2.2 多路徑路由高可靠傳輸規劃方法

2.2.1 適用條件

以提高安全監視信息傳輸可靠性為目的，系統設計中提出了監視信息冗余傳輸設計，冗余傳輸鏈路≥2。在路由規劃中就需要對同一航班的安全監視信息采用多條不交叉路徑進行多備份傳輸，避免因部分衛星或鏈路故障可能導致的航空安全監視信息丟失，最大限度提高航空安全監視信息傳輸的可靠性[15-18]。

2.2.2 方法步驟

輸入：源節點s，目標節點d，多路徑數目Npath，網絡拓撲矩陣A

if(s!=d)

for(i=1;i≤Npath;i++)

A1=A;

輸入矩陣Ai，采用Dijkstra算法計算得到最短路徑Pi;

刪除矩陣Ai中Pi的轉發節點行與列，得到Ai+1；

end

end

輸出：多路徑集{Pi}，1≤i≤Npath，i∈N。

2.3 基于分區機制的負載均衡路徑規劃方法

2.3.1 適用條件

當安全監視信息數據量較大，星間鏈路信道資源受限情況下，對于接近地面站的節點或航空安全監視信息較多的節點，轉發傳輸負載較重的單一路徑規劃有可能導致由該節點轉發的傳輸時延增大，甚至信息超出衛星緩存能力導致丟失。

基于上述考慮設計了基于分區機制的負載均衡路由規劃方法，即不同區域衛星采用不同的路由規劃策略，避免由于所有衛星均按照相同規則進行路由選擇，導致個別衛星鏈路傳輸壓力過大的問題。

2.3.2 方法步驟

首先定義星間鏈路負載不均衡度，即統計所有節點轉發次數，獲得轉發次數方差。當所有鏈路占用次數一致時，負載不均衡度為0；當不同鏈路占用次數差異越大，負載不均衡度將越大。

基于某種規則，將衛星星座劃分為K個動態區域，形成分區集合{Si}，1≤i≤K，i∈N；對不同分區Si內的衛星根據需求，采用不同的路由規劃準則，分別獲取路由規劃集合{Pi}，1≤i≤K，i∈N。

3 仿真系統設計

天基航空安全監視網絡仿真平臺劃分為低軌航空安全監視星座仿真模塊、時變拓撲分析模塊、路由規劃與分析模塊以及動態展示模塊，如圖2所示。仿真平臺通過模塊間數據傳輸，完成低軌星座航空安全監視。

圖2 星間鏈路網絡仿真平臺構成

3.1 仿真輸入

低軌衛星星座參數：衛星軌道高度、軌道傾角等參數；

地面站：根據經緯度進行地面站配置；

飛行器軌跡：設置飛行器的起始位置及軌跡、速度等。

3.2 仿真過程

星座模擬仿真模塊：通過STK軟件對低軌衛星星座、地面站以及飛機飛行軌跡進行動態仿真，構建低軌航空安全監視星座動態模型；生成低軌衛星星座飛機動態位置數據報告。

時變拓撲分析模塊：根據星地建鏈、衛星監視飛機和星間建鏈規則，進行飛機與衛星建鏈、星地建鏈和星間建鏈分析，生成包含距離信息的飛機與衛星、星地和星間的時變拓撲矩陣。

路由規劃與分析模塊：根據路由規劃算法，進行低軌星座-地面站路由規劃、路徑時延和轉發跳數分析，并生成報告；根據飛機與衛星動態拓撲矩陣，進行飛機-星座-地面站路由規劃。

動態展示模塊：通過STK軟件、Matlab-GUI進行航空安全監視模型仿真3D，2D動態展示界面、航空安全監視動態路由規劃、地面入站時延和地面站入站試驗均值分析界面的動態展示。

3.3 仿真輸出

航空安全監視動態路由規劃報告、星地路由規劃報告、傳輸時延報告、轉發跳數分析報告；航空安全監視模型仿真3D，2D動態展示界面、航空安全監視動態路由規劃、地面入站時延和地面站入站試驗均值的GUI展示界面。

3.4平臺功能

① 空間節點動態仿真；

② 提供空間節點動態位置數據報告；

③ 整網時變拓撲矩陣計算；

④ 空間節點路由規劃；

⑤ 路由規劃傳輸時延和轉發跳數分析；

⑥ 動態展示分析報告。

4 算法驗證

4.1 基于最短路徑的多地面站就近落地

模擬低軌星座安全監視數據落地傳輸過程，設計采用了2個站點。仿真結果如圖3和圖4所示。

單一時刻落地傳輸入站傳輸時延最大值為4.602 s，傳輸時延均值為2.628 s；單一時刻落地傳輸入站轉發跳數最大值為9跳，轉發跳數均值為5.143跳。

圖3 單一時刻-落地入站時延

圖4 單一時刻-落地入站跳數

仿真24 h低軌星座監視數據落地進行路徑規劃的過程，對數據進行統計。

每個時隙的監視數據傳輸時延均值均小于3.2 s，所有衛星24 h傳輸時延的均值為2.589 2 s。

每個時隙的監視數據傳輸轉發跳數均值均小于6跳，所有衛星24 h轉發跳數均值為5.068跳。

圖5和圖6仿真結果表明，在鏈路資源充裕條件下，以實現數據傳輸時延最小為目標，進行星間鏈路路由規劃，可以滿足傳輸時延10 s的技術指標要求，并且有較大余量。

圖5 落地入站時延均值(24 h)

圖6 落地入站轉發跳數均值(24 h)

4.2 面向高可靠傳輸需求的星間鏈路網絡多路徑路由

模擬低軌星座安全監視數據落地的多路徑路由規劃過程，實驗中對所有節點進行兩路徑規劃，仿真結果如圖7和圖8所示。兩路徑傳輸時，次優路徑相比于最優路徑在傳輸時延方面會有所延長，但是仍然可以保證在較快時間段內實現信息回傳。

圖7 單一時刻-北京入站時延

圖8 單一時刻-北京入站跳數

衛星鏈路中的任意一顆衛星發生故障，都有可能導致借由該衛星轉發的信息丟失或中斷，因此可以考慮采用多路徑傳輸避免上述問題出現。

圖9為統計分析一天內單顆衛星出現故障將可能導致的鏈路中斷概率。單顆衛星出現故障，一天內最多將可能導致10%的鏈路中斷，平均鏈路中斷概率為6.77%。

圖9 一天內單顆衛星故障導致的鏈路中斷概率

圖10統計了某一時刻單顆衛星故障受影響的鏈路數量，在該時刻下21號衛星正處于地面站上空，其故障將導致39條鏈路中斷，整網鏈路中斷率將高達50.7%。

圖10 單一時刻單顆衛星故障受影響鏈路數量

由于系統設計對同一架飛機由大于等于2顆衛星同時進行ADS-B信息發送，所以單顆衛星故障不會造成其覆蓋區域內航班監視能力的缺失；同時，由于所有信息都采用不交叉的雙重路徑進行傳輸，所以單顆衛星故障也不會造成其轉發信息的丟失。因此采用雙重不交叉路徑規劃方法，可以徹底避免單顆衛星故障對航空安全監視的影響。

4.3 基于分區機制的負載均衡路徑規劃

基于統一的路由規劃方法，如本節所提出的就近落地算法，在某一時刻，所有衛星轉發次數如圖11所示，該時刻負載不均衡度為25.35。采用分區機制路由方法，將整個星座分為2個區域，分別采用不同的算法，負載不均衡度降低為15.6。

圖11 特定時刻的負載不均衡度變化

統計一天內所有衛星負載均衡程度如圖12所示。單一策略下整星座負載不均衡度MSE為20.76，采用分區均衡策略后，負載不均衡度MSE為6.55，鏈路負載均衡程度改善度達68%。

圖12 一天內負載不均衡度變化

5 結束語

伴隨空間信息網絡的快速發展，依托衛星系統建設航空安全監視系統的相關技術難題已初步開始布局研究，其路由規劃算法與仿真驗證技術也是研究熱點之一，本文設計了多站就近落地、高可靠備份傳輸及分區負載均衡等3種算法，可實現雙重不交叉路徑傳輸的多地面站就近落地規劃設計，試驗表明其具備一定的適用性和應用參考價值。