導航星座星間星地一體化數據交互技術研究

王琦，顧亞楠，汪勃

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

星間鏈路是實現導航衛星自主運行和完好性監測的重要途徑，全球衛星導航系統趨向于采用基于星間鏈路支持的導航星座。GPS IIR/IIR-M衛星、北斗全球導航系統均配置采用時分多址體制輪詢測量通信的星間鏈路，Galileo GNSS+項目也提出星間鏈路采用時分多址輪詢測距通信體制的設計方案[1-4]。

一種典型的星間鏈路實現方案是使用相控陣天線，通過指向切換實現空域復用，分時實現與多個目標的測量通信[3,5]。在導航星座星間鏈路時分多址輪詢建鏈體制下，每顆衛星采用時分復用的工作方式，以時隙為基本時間單元與其他衛星分時聯通，全星座任意可視衛星之間可分時建立多點對多點的多條鏈路，完成數據傳輸。全星座數據通過境內衛星的星地鏈路實現與地面的交互；即通過境內衛星中轉，可以實現境外衛星與境內地面站間的前返向數據傳輸。

本文分析了全球導航星座星間鏈路與傳統星地鏈路在數據交互機制上存在的矛盾，并提出星間星地一體化數據交互的解決方法。

1 導航星座星間鏈路與傳統星地鏈路數據交互機制的矛盾

傳統的星地鏈路數據交互機制具有持續固定聯通的特點，與時分多址輪詢建鏈體制的導航星座星間鏈路區別明顯。為高效地實現星間、星地聯合數據交互，要求地面系統調整數據分發及接入模式去適應星間鏈路。

以前向數據注入為例，對同一目的衛星的前向注入數據，具體要求地面系統按照時隙時間單元進行數據拆分，并通過星地鏈路在衛星各時隙數據發送前的固定時段內，分別送達至境內多個接入節點衛星，才能按照星間鏈路拓撲路由規劃的最優路徑快速到達目的衛星。具體數據交互過程參見圖1(a)。為此,地面系統數據分發傳輸機制需經過較為復雜的技術升級。

如果保持星地鏈路的數據交互機制不變，地面需通過聯通境內衛星對境外衛星固定進行一對一的前向數據注入，與星間鏈路多對多的最優路徑拓撲路由規劃將難以匹配，地面接入數據在星間網絡中滯留時間加長，網絡負載加重，星間鏈路數據傳輸服務質量將受到較大影響。具體數據交互過程參見圖1(b)。

2 星間星地一體化數據交互實現方案

為了解決導航星座時分輪詢建鏈體制星間鏈路與非時分固定建鏈體制傳統星地鏈路間的數據交互機制兼容性問題，采用與星間鏈路體制一致的星地鏈路，將星間鏈路范圍擴展至地面，實現星地、星間鏈路數據分發處理機制的統一及星星地網絡的一體化管理和調度，從而支持導航星座星間網絡與地面數據的高效精準交互。

2.1 地面節點設計部署方法

在地面部署一定規模的地面節點站設備，測量通信體制與衛星星間鏈路終端一致，相當于將星間鏈路網絡范圍由空間節點擴展至地面，統一進行星間、星地拓撲路由規劃和數據調度。

星地鏈路采用與星間鏈路一致的時分體制輪詢建鏈方式，同一地面節點設備波束分時指向不同衛星目標；星地通道傳輸速率可設計為星間鏈路通道的2～4倍，以利于全星座數據的上注和收集。實施同等規模的導航星座用戶數據接入，采用該方法能夠有效減少星地鏈路類型和地面接入波束數量。例如，當選用6個以上天線波束、部署在2個以上異地站點且同時可見9個以上MEO衛星和6個GEO和IGSO衛星的地面節點站時，經15個以上的境內衛星的中轉，可充分支持其他境外衛星與地面節點站間的數據交互。該地面節點設備規模在支持導航星座每顆衛星前返向各10幀/時隙的星間數據注入及收集的基礎上，仍有通信余量，可有效實現導航系統星-星-地整網數據交互。

圖1 導航星座傳統星地鏈路前向數據注入流程Fig.1 Forward data injection processes with the traditional satellite-earth fixed link of navigation constellation

地面節點站具體可采用以下方案：地面節點站遠距離異地部署，確保多地對衛星的聯合覆蓋能力；針對導航星座均勻分布的特點，設備可采用4個相控陣陣面組合的實現形式，1個地面節點站可同時與4顆衛星建鏈、分時與全部可見衛星建鏈測量通信。

2.2 星間、星地鏈路一體化資源調度方法

將星間鏈路網絡范圍由空間節點擴展至地面，由地面運管中心進行星間、星地一體化網絡管理和調度。衛星、地面節點站均按照星間鏈路的時隙節拍、依據拓撲路由統一規劃結果執行數據傳輸和轉發，可實現全網星間、星地鏈路數據的精準送達；在衛星或地面節點站進行整網數據的接入、轉出，可實現高效統一的星間、星地一體化數傳。

地面各用戶的前向數據匯集于地面運管中心，地面運管中心根據用戶數據傳輸的目的節點，綜合傳輸時延及流量均衡等因素，優選地面節點站，經由地面節點站按時隙執行組幀及發送，將數據經星-星-地網絡分發送達至各衛星，具體數據交互過程參見圖2；各衛星返向數據經過星間網絡由地面節點站落地，地面運管中心收集后統一拼接處理并分發至各地面相關數據用戶。由于地面節點站設備采用與星間鏈路終端一致的通信體制，可便捷實現按星間通信協議執行數據組幀及收發。以前向數據注入為例，可避免地面系統調整傳統星地持續固定聯通鏈路的星地數據交互機制、按照時隙單元對每顆境外衛星進行數據塊拆分的復雜處理。

圖2 導航星座星間星地一體化網絡前向數據注入流程Fig.2 Forward data injection process of navigation constellation satellite-satellite-earth integrated network

采用6個以上天線波束、部署在2個以上異地站點且同時可見9個以上MEO衛星和6個GEO和IGSO衛星的地面節點站時，數據交互具體實現方法如下：

1)數據交互方法。15顆境內衛星作為15顆境外衛星的數據中轉節點，境外衛星的星間數據通過境內衛星中轉、再與地面節點站交互；境內衛星直接與地面節點站數據交互。

2)星間星地鏈路通信速率設置。衛星間通信速率建議選用雙向40幀/時隙以上，境內衛星與地面節點站間通信速率選用星間速率的2倍。

3)境內衛星作為中樞節點，建鏈時隙分配方法。每顆境內衛星對境外衛星與對地面節點站建鏈時隙的分配比例在1∶1至2∶1之間，同時也可分配全部時隙的1/4以內，用于與境內衛星或系統外擴展應用用戶建鏈。其中，每顆境內衛星對可見的全部境外衛星基本均勻分配建鏈時隙，與其持續可見衛星優先建鏈；對可見的地面節點站在可見時段相對穩定建鏈。

在導航星間鏈路網絡規劃方面，國內進行星間鏈路網絡拓撲路由規劃算法研究的單位較多[3,6-16]，具體算法對星間、星地鏈路一體化網絡同樣適用。本文不對具體算法及其優點進行比較和研究，主要明確星-星-地一體化網絡規劃的核心方法，制定規劃策略和原則，為算法研究提供指導。

3 星-星-地一體化網絡拓撲規劃方法

時分輪詢建鏈模式的星-星-地一體化網絡，各節點每個時隙的建鏈目標具有唯一性和排他性。星-星-地一體化網絡拓撲規劃以對境內衛星的分類建鏈和時隙分配為核心，境內衛星建鏈時隙應合理均勻地分配給境外衛星和地面節點站，并逐個時隙進行拓撲規劃計算。

以境內衛星的全部建鏈時隙用于與境外衛星和地面節點站建鏈為例說明拓撲規劃方法。將全網節點劃分為3組：境內衛星、境外衛星、地面節點站(按天線編號)，分別定義為集合序列LA、集合序列L0、集合序列L1。定義An為節點A在第n(n=1,2,3,…,N，N為規劃時段內時隙總量)時隙的建鏈目標，即該時隙下節點A與An建立星間鏈路。根據拓撲分配策略，A屬于LA，An屬于L0或L1。下文以境內衛星對境外衛星和地面節點站的時隙分配比例為1∶1為例，明確具體拓撲規劃方法和策略。

時隙n為奇數時，規劃境內衛星A與境外衛星An建鏈，將拓撲建鏈問題轉化為對所有境外衛星進行優化排序從而尋找最優An的計算。優化排序的策略如下：

第1優先級：為保證拓撲建鏈的合理性，計算L0中對于境內衛星A幾何關系可見并且在第n時隙前尚未建鏈的境外衛星，將可見尚未建鏈的節點設為優先，作為排序第1優先級。

第2優先級：為保證拓撲建鏈的優化性，計算L0中對于境內衛星A持續可見的境外衛星，將持續可見的節點設為優先，作為排序第2優先級。

第3優先級：為保證拓撲建鏈的均勻性，計算在1～n-1時隙L0中各境外衛星與境內衛星A建鏈的時隙數量，將建鏈時隙數量小的節點優先，作為排序第3優先級。

基于以上3重優先級對L0重新排序得到境外衛星排序集合L0An，將L0An中排在第一位的境外衛星節點選為An。

按以上方法對境內衛星集合序列LA的各個節點元素逐一規劃，完成第n時隙所有境內衛星與境外衛星的拓撲建鏈規劃。

時隙n為偶數時，規劃境內衛星A與地面節點站An建鏈，將拓撲建鏈問題轉化為對所有地面節點站進行優化排序從而尋找最優An的計算。優化排序的策略如下：

第1優先級：為保證拓撲建鏈的合理性，計算L1中對于境內衛星A幾何關系可見并且在n時隙前尚未建鏈的地面節點站節點，將可見尚未建鏈的節點設為優先，作為排序第1優先級。

第2優先級：為保證拓撲建鏈的均勻性，計算在1～n-1時隙L1中各地面節點站與境內衛星建鏈時隙數量/各地面節點站可見境內衛星節點數量，將建鏈時隙數量小的節點優先，作為排序第2優先級。

第3優先級：為保證拓撲建鏈的優化性，計算L1中各地面節點站最近一次與境內衛星建鏈時隙與n時隙的間隔，將時隙間隔最大的節點優先，作為排序第3優先級。

基于以上3重優先級對L1重新排序得到地面節點站排序集合L1An，將L1An中排在第一位的地面節點站節點選為An。

按以上方法對境內衛星集合序列LA的各個節點元素逐一規劃，完成第n時隙所有境內衛星與地面節點站節點的拓撲建鏈規劃。

時隙n=1,2,3,…,N，按以上方法逐個時隙對所有境內衛星進行規劃，輸出整網拓撲結果。

4 星-星-地一體化網絡路由規劃方法

星間鏈路網絡范圍由空間擴展至地面，將地面節點站和衛星作為網絡中的同類節點進行路由規劃計算。采用時分空分通信體制的導航星間鏈路網絡，任意時刻網絡中同組節點(每組兩個節點)相互聯通，組間節點不聯通。為解決網絡中任意節點間的數據交互問題，需要利用時隙的累積實現組間節點的聯通，完成數據路由。

路由規劃首先選定源節點、數據發送時刻以及目標節點，分別記為A、時隙n以及Z。從數據發送時刻的源節點出發，基于拓撲規劃結果按照時間前向搜索，記錄搜索過程節點，直至找到最快到達目標節點的傳輸路徑，該路徑定義為路由傳輸的最短路徑。

An為節點A在第n時隙的建鏈目標，該時隙下A與An建立星間鏈路。求解源節點A在時隙n發送的數據到達目標節點Z的路由路徑具體方法如下：

1)首先搜索時隙n的全部可達節點，當前可達節點僅為直接建鏈目標An。若An=Z則該路徑即為結果；否則加入節點An繼續前向搜索n+1時隙。

2)時隙n+1的可達節點包括An+1和(An)n+1，(An)n+1為An在第n+1時隙的建鏈目標，判斷可達節點是否包含目的節點Z。若包含則完成求解；否則加入節點An+1和(An)n+1繼續前向搜索n+2時隙。

3)依此類推，不斷加入新的節點擴大網絡搜索范圍，直至搜索到目的節點Z，完成求解，輸出最短路徑路由結果。

5 星間星地鏈路一體化通信性能分析

利用與星間鏈路體制一致的星地鏈路進行導航星座星間、星地整網數據交互，面向自主導航、遙控、遙測、短報文通信等業務提供數傳服務。構建星間、星地一體化網絡業務運行仿真系統，基于網絡拓撲路由規劃參數驅動、業務發生模型的業務數據接入，在網絡行為模型中進行完整運行周期內數據傳輸和處理的加速仿真。通過計算并統計業務數據包的網絡傳輸性能，比對服務指標，進行網絡業務服務性能的自動化評估。

設置導航星座的典型運行場景，對由24顆MEO、3顆IGSO和3顆GEO組成的衛星星座，選用部署于喀什、三亞的4波束地面節點站進行星地數據交互；境內衛星的建鏈時隙分配比例采用境外衛星:地面節點站=1∶1。

基于此場景配置條件和拓撲分配策略，星間鏈路業務服務性能的仿真結果為：按系統現有用戶數傳需求，前返向數據送達的平均時延約為2.6時隙，衛星節點緩存占用量為45幀，星間傳輸帶寬占用率為18.6%；前返向數據量未超出網絡通信容量時，數據可按最優路徑快速到達目的節點。

以前向數據注入為例，如圖3所示，與使用持續固定聯通星地鏈路的傳統星地固定節點注入方式和傳統星地最優路徑注入方式相比，星間星地一體化最優路徑注入方式的通信性能仿真結果顯示以下特性：

1)提高網絡數據傳輸容量。由于星間星地一體化最優路徑注入方式的星地通信速率顯著增加，整網通信容量可達24幀/時隙(以平均傳輸時延未超過8時隙的用戶數據接入量作為通信容量)，與傳統星地固定節點注入方式相比，整網通信容量提升1倍以上；與傳統星地最優路徑注入相比，整網通信容量提升約71%。

圖3 導航星座網絡前向數據注入通信仿真性能比對Fig.3 Performance simulation of forward data access on navigation constellation network

2)縮短網絡數據傳輸時延。相比于傳統星地固定節點注入方式，按現有用戶需求，傳輸時延減少約1.6時隙，在傳統固定節點接入方式的接入數據量上限時，一體化方式的傳輸時延減少約2.4時隙；與傳統星地最優路徑注入相比，當數據接入量未超出星間鏈路通信容量時，兩種方式都可實現數據最優路徑快速到達，傳輸時延基本相當，當數據接入量大幅提升后，星間星地一體化最優路徑注入方式的傳輸時延相對穩定。

6 結束語

在時分多址輪詢建鏈體制的全球導航星座中，通過利用與星間鏈路信號體制一致的星地鏈路，將星間鏈路范圍擴展至地面，星地、星間網絡數據分發處理一體化，解決了以導航星座時分體制星間鏈路與非時分體制常用星地鏈路的數據調度機制兼容性問題，以較少的星地鏈路資源較低的網絡調度管理代價，即可實現星-星-地網絡良好的通信容量和傳輸時延性能良好。將星間鏈路節點擴展至地面、實現星星地一體化網絡的思想，可在其他天基網絡中推廣。