導航星座星間鏈路運行管理模式研究

王琦 顧亞楠

(1 北京跟蹤與通信技術研究所，北京 100094)(2 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

為實現全球導航系統精密定軌與時間同步、自主導航、境外衛星監視與控制等核心功能，在全球導航系統衛星之間建立了具有精密測量和通信功能的星間鏈路[1-3]。導航星座任意可視衛星間可通過分時建立多點對多點的多條鏈路，完成端到端數據傳輸[2-5]。

星間鏈路運行管理是在復雜星間鏈路出現后，對航天器測控業務的延伸和擴展。星間鏈路運行管理指對星間鏈路進行資源管理與調度、狀態監視和故障診斷、性能測試與評估等，使星間鏈路協調、高效、穩定運行。與傳統面向單個航天器的測控有較大區別，星間鏈路運行管理的對象是多節點聯通的星間鏈路及其動態變化形成的空間通信網絡。

北斗導航星座星間鏈路是我國首個網絡化的星間鏈路，在對北斗導航星座星間鏈路運行支持的實現過程中，星間鏈路運行管理的概念得以建立并豐富，并成為獨立發展的技術方向(下文“導航”專指“北斗導航”)。隨著北斗全球衛星導航系統的組網演進，星間鏈路運行管理的對象也在動態增加，運行管理的內涵也由在軌測試、組網聯調和試運行逐步向穩定運行服務轉化。

本文根據導航星座星間鏈路運行及管控的特點，對導航星座星間鏈路運行管理模式及場景進行了具體設計和定義，以支持導航星座星間鏈路的高效運行及精細管理?；趯Ш叫情g鏈路運行管理的實踐經驗和星間鏈路的技術發展，論述了星間鏈路運行管理的發展方向。

1 星間鏈路運行管理的概念及內涵

1.1 管理對象

星間鏈路是指用于衛星之間通信(和測量)的鏈路[1]。通過星間鏈路將多顆衛星互聯在一起，可形成以衛星作為交換節點的空間通信網絡。星間鏈路運行管理的對象是星間鏈路通信網絡及在網絡上接入和傳輸的數據。

導航星座星間鏈路是當前具有應用代表性的網絡級星間鏈路。導航星座星間鏈路運行管理的對象是涵蓋導航系統星間鏈路節點和星地各類數據接入節點的網絡運行及服務。

1.2 服務對象

由星間鏈路構成的空間通信網絡，主要為用戶提供通信(和測量)服務。以導航星座星間鏈路為例，其用戶包括導航系統內部用戶和外部擴展應用用戶。導航系統內部用戶具體包括衛星用戶和地面用戶；內部用戶基于星間鏈路的測量和通信功能，實現精密定軌與時間同步、境外衛星控制管理、自主導航等服務。導航系統外部擴展應用用戶主要為運載器、航天器等，通過接入導航星座星間鏈路，獲取軌道測量、數據傳輸等服務。

1.3 功能定義

星間鏈路運行管理功能具體可分解為網絡規劃、網絡控制、網絡監控、用戶服務、測試評估等。

(1)網絡規劃功能，指網絡拓撲、路由及接入參數的計算生成功能。

(2)網絡控制功能，指網絡管控指令生成、分發、上注、執行確認等功能。

(3)網絡監控功能，指網絡運行狀態監視、運行性能監控等功能。

(4)用戶服務功能，指用戶使用申請綜合分析、使用申請答復、配置參數分發、可用狀態公布、用戶使用評估等功能。

(5)測試評估功能，指星間鏈路入網驗證、在軌測試、在軌試驗、新技術驗證等功能。

2 導航星座星間鏈路運行管理模式設計

2.1 模式定義及劃分

根據導航星座星間鏈路整體建設階段和服務狀態將星間鏈路運行管理模式劃分為以下三類。

1)系統演化模式

系統演化模式下，導航星座星間鏈路網絡拓撲變化發展，尚不具備整體星座導航運行服務的條件。系統演化模式可包含在軌星間鏈路分別處于不同運行狀態的情況，例如，一部分星間鏈路進行組網試運行，不提供有質量保證的服務，另一部分單獨進行在軌測試或故障處置；也包含全部星間鏈路都處于組網聯調或試運行的情況。

2)常規服務模式

常規服務模式下，導航星座星間鏈路完成組網，地面系統可正常支持導航業務，導航系統具備正常運行服務的條件。常規服務模式允許少部分星間鏈路處于故障或恢復狀態，但不影響整體星座導航運行服務要求的滿足。

3)自主運行模式

自主運行模式下，導航星座基于星間鏈路進行自主導航，播發自主導航星歷；允許部分星間鏈路未入網，但星座整體滿足自主導航服務要求。當導航星座超出一定時間無法獲得地面系統導航業務正常支持的情況下，或收到地面發出的自主導航切換指令，轉為自主運行模式[6-10]。

2.2 模式間轉化關系

導航星座星間鏈路運行管理三種模式之間的轉化關系如圖1所示。

圖1 星間鏈路運行管理模式轉化關系示意圖Fig.1 Transformation relations of navigation constellation inter-satellite link command-and-control management modes

1)系統演化模式與常規服務模式間的轉化

系統演化模式向常規服務模式轉化：星間鏈路處于測試聯調或故障等狀態，無法支持整體星座導航運行服務，經在軌測試或故障處置后，星間鏈路具備組網條件，且導航系統具備整體星座導航運行服務條件時，星間鏈路由系統演化模式轉為常規服務模式。

常規服務模式向系統演化模式轉化：因暫時不可恢復的在軌故障，導致星間網絡規?；蛲負浣Y構不具備支持整體星座導航運行服務的條件時，全部星間鏈路由常規服務模式轉為系統演化模式。

2)常規服務模式與自主運行模式間的轉化

常規服務模式向自主運行模式轉化：如果各衛星收到地面轉為自主運行狀態的指令，或者各衛星自主判斷地面注入的電文齡期與當前時刻時差超差，觸發衛星切換至播發自主導航星歷，星間鏈路轉化為自主運行模式。

自主運行模式向常規服務模式轉化：如果各衛星收到地面轉為常規運行狀態的指令，或者各衛星自主判讀地面星歷數據更新標志符合常規運行條件，星間鏈路恢復常規服務模式。

3 導航星座星間鏈路運行管理場景設計

導航星座星間鏈路3種運行管理模式下，根據星間鏈路局部運行特點可細分為10種運行管理場景，具體劃分如表1所示。導航星座星間鏈路可處于同一模式的多種場景下，某一星間鏈路節點僅處于唯一場景中。星間鏈路工作場景轉化關系如圖2所示。

表1 導航星座星間鏈路運行管理場景劃分Table 1 Scenes of navigation constellation inter-satellite link command-and-control management

圖2 星間鏈路工作場景轉化關系示意圖Fig.2 Transformation relations of navigation constellation inter-satellite link command-and-control management scenes

3.1 系統演化模式下的場景定義及轉化

1)入網測試場景

入網測試場景適用于局部星間鏈路節點的運行管理，指衛星入軌后星間鏈路入網測試和某些情況下故障排除后重新入網測試的場景。處于入網測試場景的衛星，其星間鏈路與其它衛星星間鏈路獨立運行，暫不對外服務，可通過地面管理設備對其開展入網測試，單獨進行拓撲路由規劃。當衛星完成入網測試、功能性能正常后，可通過衛星入網流程進入聯調試用場景。

2)聯調試用場景

聯調試用場景適用于規模逐步演化的星間鏈路網絡。局部星間鏈路節點完成入網測試后，可加入星間鏈路的聯調試用場景。在聯調試用場景中，星間鏈路的規模和網絡拓撲結構可持續變化和進展，業務服務效果不作考核性要求，經過試用可優化管理策略和調度方式，為轉入常規服務模式奠定基礎。經過聯調試用，若星間鏈路具備整體星座導航運行服務能力，則可轉為常規服務模式的相關場景。

3)故障處置場景

故障處置場景適用于星間鏈路節點故障或星間鏈路局部網絡故障導致星座無法提供或較快恢復整體星座導航運行服務的情況。在該場景下，對故障節點或局部網絡進行故障診斷和故障恢復。待故障恢復后，可依次轉為入網測試、聯調試用場景。

4)試驗驗證場景

試驗驗證場景用于在系統演化階段開展擴展應用、異構網絡間互聯互通、業務性能測試等試驗驗證，為導航星座常規服務奠定基礎。

3.2 常規服務模式下的場景定義及轉化

1)導航常規服務場景

導航常規服務場景是指在常規服務模式下，通過對導航星座星間鏈路的運行管理，實現星間鏈路整體星座導航運行服務要求，是最基本的運行管理場景。

當有部分星間鏈路故障影響導航星座實現整體星座導航運行服務能力時，故障節點轉入系統演化模式的故障處置場景，正常節點轉為系統演化模式的聯調試用場景。故障恢復后經過在軌測試、聯調試用，星間鏈路重新轉入正常服務模式的常規業務場景。

2)擴展應用服務場景

擴展應用服務場景是指在常規服務模式下，在不影響星間鏈路支持整體星座導航運行服務的基礎上，以部分星間鏈路資源支持擴展應用服務的場景。

擴展應用服務場景分為短期使用和常態運行兩種方式。短期使用方式將用戶航天器視為星間鏈路的特殊節點，僅進行突發性的試驗或試用，由導航星座星間鏈路的預留資源進行支持。

常態運行方式將用戶航天器視為星間鏈路一個新增周期服務節點，納入星間鏈路網絡進行統一規劃，綜合內外用戶服務需求進行支持。

擴展應用服務場景適用于部分或全部星間鏈路節點。當擴展應用用戶通過使用申請通過后，可由導航常規服務場景切換至擴展應用服務場景。

3)用戶應急服務場景

用戶應急服務場景是指在常規服務模式下，由于某些特殊情況，部分用戶可申請提高用戶服務等級或調整服務要求，同時兼顧實現星間鏈路整體星座導航運行服務支持的場景。

以短報文通信業務為例，在特殊搜救等情況下，可經過申請提高搜救數據在星間鏈路的接入優先級和數據量，為其提供更高質量的服務。

4)故障處置恢復場景

故障處置恢復場景是指在星間鏈路滿足整體星座導航運行服務的前提下，對少量星間鏈路進行故障處置及恢復的場景。

少量星間鏈路的故障處置恢復場景，通常與主體星間鏈路的其他各服務場景共存。故障恢復后，故障節點無需經過在軌測試等過程，直接入網轉為相應服務場景。

3.3 自主運行模式下的場景定義及轉化

1)星座半自主運行場景

星座半自主運行場景是指在無地面導航業務支持情況下，導航星座基于星間鏈路進行自主導航，通過地面錨固支持進行星座整體旋轉、地球定向參數(EOP)等修正的場景。當失去地面錨固支持時，星座半自主運行場景向星座自主運行場景轉化。

2)星座自主運行場景

星座自主運行場景是指在無地面導航業務支持情況下，導航星座基于星間鏈路進行自主導航的場景。

4 導航星座星間鏈路運行管理重點

星間鏈路運行管理在衛星進入工作軌道后開展，具備網絡管理的特性。在導航星座不同的運行管理模式下，運行管理的重點有所不同。

1)系統演化模式的運行管理

系統演化模式下，星間鏈路運行管理涵蓋在軌測試、故障處置、組網聯調、組網試運行等，主要測試星間鏈路終端性能、驗證星間鏈路網絡運行的協調性，調整和優化運行管理策略和方案。

在軌測試一般采用星地聯合的方式，對星間鏈路終端進行發射信號特性測試、天線工作狀態檢查、收發通道時延標定、設備功能評估等操作，驗證在軌星間鏈路終端星間接口適配性和信息路由正確性。

故障處置采用地面為主控制的方式，對星間鏈路的故障狀態進行識別和診斷，對故障星間鏈路進行隔離處置和故障恢復。

組網聯調采用地面集中控制的方式，將待入網的星間鏈路節點接入星間鏈路網絡進行調試，檢查新規模網絡運行協調性及星間鏈路業務服務性能。

組網試運行采用地面監控的方式，在星間鏈路網絡提供正式服務前可進行一定周期的服務性能監測，為星間鏈路轉入常規服務模式奠定基礎。

2)常規服務模式的運行管理

常規服務模式下，星間鏈路運行管理涵蓋配置管理、資源管控、狀態監控與故障處置、用戶服務等，主要實現導航星座星間鏈路對導航服務及外部用戶的穩定可靠支持。

配置管理可采用集中規劃的方式，完成星間鏈路物理層、數據鏈路層、網絡層等的參數配置，實現星間鏈路的網絡化運行；待技術條件成熟后可發展網絡自組織配置管理，采用“集中+分布式”管理方式。

資源管控現階段可采用地面集中管理的方式，對星間鏈路資源和星間接入鏈路資源進行管理和分配，支持各類用戶獲取星間鏈路服務。

狀態監控與故障處置采用衛星自主處置與地面控制處置相結合的方式，盡可能快速判斷并恢復星間鏈路故障，降低故障對導航星座穩定運行的影響。

用戶服務當前主要采用地面集中管理的方式，進行用戶需求匯總、用戶請求反饋、服務狀態發布、服務效果評估等，為用戶提供網絡化服務。

3)自主運行模式的運行管理

自主運行模式下，星間鏈路運行管理主要通過衛星自主規劃調度、自主狀態監測與故障診斷恢復、星座自主維持等實現。星間鏈路通過衛星自主運行管理實現星間建鏈測量和數傳，支持自主導航功能實現。

5 導航星座星間鏈路運行管理實例

以常規服務模式下節點故障處置恢復事件為例，具體分解星間鏈路精細化運行管理的過程。

基本工作流程為：在導航常規服務場景下，當星間鏈路發生衛星節點故障且故障規模不影響星座整體導航服務時，故障節點進入故障處置恢復場景進行故障處置，同時星間鏈路運行管理系統對導航常規服務場景進行用戶服務判斷和配置管理，以確保星間鏈路網絡持續支持導航服務及其他用戶業務服務。衛星節點故障恢復后，重新加入導航常規服務場景恢復服務。

在故障處置恢復場景下，對故障節點從物理層至應用層逐層向下依次進行信息收集和故障診斷。具體根據遙測分層狀態監視信息，進行包括單機器件、網絡拓撲、網絡路由、網絡數據傳輸及用戶服務的故障診斷。故障定位后，按照相應的故障處置預案進行處置恢復。

在導航常規服務場景下，對可服務星間鏈路從應用層至物理層逐層向下判斷是否需要整網配置參數重規劃。其中，應用層面向故障狀態，核驗用戶接入計劃是否維持原有狀態；傳輸層基于用戶服務需求，核驗是否重新生成網絡傳輸參數；網絡層基于網絡拓撲，核驗是否重新生成路由規劃；鏈路層基于節點構成和拓撲規則，核驗是否重新生成拓撲規劃；物理層基于工作狀態要求，核驗是否重新生成網絡物理參數。當原故障對星間鏈路網絡服務影響判決結果為可忽略時，整網配置參數重規劃可推遲至下一運行周期進行。

當節點在短期內快速實現故障恢復后，則立刻進入導航常規服務場景，全網使用原網絡配置管理參數運行服務。當節點故障恢復前整網已完成了配置參數重規劃及使用，則在下一運行周期開始前加入該節點重新規劃網絡。

整個故障處置恢復過程按照星間鏈路運行管理模式、場景的定義及轉化關系，由星間鏈路運行管理系統軟件自動化執行以上工作流程。工程實踐結果表明，基于場景和模式的精細化運行管理，對星間鏈路穩定運行服務支持的效果良好。

6 星間鏈路運行管理的發展方向

星間鏈路運行管理的發展，旨在完成天地一體化網絡資源協同優化調度，實現星間鏈路資源的高效配置，采用開放的網絡接入思想對整個星間鏈路網絡實施管理，滿足用戶網絡化通信服務需求。

隨著激光星間鏈路技術的發展和應用[11-12]，未來星間鏈路將具備高速空間傳輸網絡的屬性，星間鏈路運行管理也應向一體化、網絡化、服務化的方向發展。

1)“集中+分布式”一體化網絡管控架構

由地面集中統一組織所轄鏈路及網絡的入網流程、故障診斷、健康狀態評估等；各鏈路或各節點自組織完成拓撲、路由、鏈路工作性能等運行狀態控制、狀態監視，并完成狀態向地面上報工作；服務受理、任務調度以及服務性能監視與評估等工作一般也由各鏈路或各節點自組織完成；形成星地“集中+分布式”一體化網絡管控架構，如圖3所示。

圖3 “集中+分布式”一體化網絡管控架構Fig.3 Centralized plus distributed management and control architecture of integrated network

該架構是一種分層演進式架構，支持星載節點與地面中心節點組成一體化的管控平面，也支持將本級星間鏈路網絡的管控平面加入更高一級網絡。通過這種演進式架構，實現空間網絡的發展兼容性。

2)分層調度管理策略

將復雜的星間鏈路調度管理劃分為物理層管理、鏈路層管理、網絡層管理、傳輸層管理、應用層管理等層次，將每一層管理功能作為獨立模塊實現，下層為上層提供支撐，如圖4所示。物理層管理控制網絡物理參數；鏈路層管理確定網絡拓撲；網絡層管理生成路由規劃；傳輸層管理控制網絡傳輸參數；應用層管理生成用戶接入計劃。通過分層調度管理，將有效降低用戶應用與星間鏈路通信網絡運行的耦合度，降低星間鏈路通信網絡運行管理的復雜度。

圖4 分層調度管理策略Fig.4 Hierarchical scheduling management policy

3)標準化服務接口

綜合各類星間鏈路用戶不同的業務使用要求，定義統一的標準化、普適性的服務接口。通過服務接口規范用戶接入方式，使各類用戶可以便捷地接入星間鏈路，并具有良好的擴展性。用戶按照接口規范提出使用需求，根據星地管控節點分配的接入點接入星間鏈路，無需關心星間鏈路的具體實現，即可獲取星間鏈路“一點通、全網通”的網絡服務。

4)天地一體化網絡管控平滑擴展

星間鏈路的網絡化發展，將促進星間、星地網絡的融合，實現天地一體化傳輸網絡。預期星間鏈路運行管理也將與傳統測控及運控、地面通信網絡管理融合，向更加復雜的天地一體化網絡管控發展。在推動“集中+分布式”管控、分層調度管理、標準化服務接口的同時，星間鏈路運行管理還應重點發展復雜網絡管控體系、高效資源調度管理技術，支持星間鏈路運行管理向天地一體化網絡管控的平滑擴展。

7 結束語

星間鏈路運行管理與傳統單一測控目標的規模化管控不同，具備鮮明的網絡化、服務化的需求和特點，已成為航天器控制領域新的技術方向。在對導航星座星間鏈路運行管理的過程中，運行管理模式及具體場景得到精細化區分和設計，運行管理功能和內容得到立足實際且面向未來的實現，有力支持了導航星座的高效穩定運行，有效促進了星間鏈路運行管理的蓬勃發展。