一种对地观测卫星的数据传输系统及星地链路设计

主要对某种对地观测卫星的数据传输系统与星地链路进行了探讨,介绍并分析了卫星的轨道特点、数据存储与传输的工作模式,提出了星地数据传输系统的设计方案,对星地数据传输链路做了详细的分析与计算.     

星地链路建模与分析

卫星网络技术以其独特优势成为研究热点,本文以卫星地面链路作为研究对象,对星地链路进行深入分析,细致刻画链路特性,在此基础上归纳星地链路延时的构成因素,从固定延时、可变延时和突发延时3个方面考虑,建立了时变的星地链路延时模型.详细分析了链路中影响误码率的各种损耗和噪声源,建立了基于卫星链路功率预算的链路误码率模型,基于给定的星地链路场景对延时和误码率模型进行了对比验证.结果表明本文提出的延时模型能够更细腻地刻画星地链路的延时,更精细地反映链路延时的变化特性;误码率模型考虑的因素更加全面,能够更真实地刻画星地链路的误码特性.两个模型可以作为卫星链路分析和设计的一个有效辅工具.     

中继卫星与用户航天器之间星间链路的研究

中继卫星在地球同步静止轨道上运行,既能直视中低轨道用户航天器,又能直视地面站,是沟通用户航天器与地面站的桥梁。如果考虑中继卫星星座,则中低轨道用户航天器基本上在中继卫星星座的覆盖范围内,因此只考虑单颗中继卫星与用户航天器之间的星间链路情形。中继卫星与中低轨道用户航天器之间的星间链路可以用中继卫星与用户航天器之间的时间窗口个数、平均时间窗口长度、最大和最小的时间窗口长度等参数描述。利用STK,采用模拟仿真的方法,分析了中继卫星与用户航天器之间的星间链路特性。     

星地测控链路中的功率控制策略研究

对于卫星来说,能源是极其重要的资源,为有效节约星上能源、延长卫星寿命,研究了星地测控链路的功率控制策略;首先,分析了造成星地测控链路信号衰减的因素,在此基础上,建立了卫星下行链路信噪比计算模型,然后,在保证地面设备能够正确解调星上遥测数据的前提下,在星地测控链路中,提出了基于信噪比平衡准则的闭环功率控制策略,最后,利用构建的计算模型,仿真分析了所提功率控制策略对卫星功耗的影响和对雨衰的抑制作用;研究结果表明,所提的功率控制策略能大幅降低卫星功耗,且复杂度低,具有工程实践性,同时,对雨衰有较强的抑制作用,能有效提高设备跟踪时长,保证卫星下行信号接收。     

基于蚁群算法的卫星地面站任务规划方法

卫星在运行过程中,与地面站之间存在许多可见窗口,只有在可见窗口之内,地面站才能直接对卫星进行观测和操作,因此,如何合理调度地面站资源,实现最大化利用星地可见窗口是一个重要的课题。本文定义卫星与地面站之间的可见窗口为任务集合,将蚁群算法应用于构造有效的任务调度序列,求解任务最大执行时间,即可利用的可见窗口时间最长。实验数据显示,蚁群算法有着优良的调度结果,同时其调度结果亦优于FCFS和贪婪算法。由此可以看出,该算法能有效求解卫星地面站任务调度问题。     

基于OPNET的星地光网络性能测试仿真平台研究

为了测试星地光网络的性能,设计了一种基于OPNET的星地光网络性能测试仿真平台。介绍了平台的总体技术架构,探讨了星间链路建立的条件。采用最大接入仰角与最长服务时间加权的方式,完成星地链路的卫星接入服务;按照切换呼叫优先的策略完成业务传输中的卫星切换服务,确保星地链路不间断的通信能力。根据最小链路代价和首次命中原则,实现星地光网络的路由与波长的动态分配。最后,利用平台的OPNET软件测试了三种星座下的星地光网络性能,测试结果表明：在LEO、MEO和GEO星座下,星地光网络的网络阻塞率分别为10%、40%和54%,平均网络时延分别为0.1s、0.07s和0.054s。测试结果对星地光网络的工程应用具有一定的指导意义。     

星地激光通信相对运动研究与仿真

星地激光通信系统中,为了确定激光链路的传输方向,确定卫星相对于地面站的位置参数。采用两行星历数据的轨道六要素,根据坐标变换原理,依次计算卫星在地心轨道坐标系、地心惯性坐标系和地心地固坐标系中的位置,再由地面站的经纬度和海拔计算在地心地固坐标系中的位置分量,最后计算在观测坐标系中卫星相对于地面站的位置参数,包括方位角、仰角和斜距。在MATLAB上进行仿真,输出与卫星工具箱仿真的二体模型时空分布相一致,证明了方法的正确性,可为星地激光通信系统的研究提供参考。     

星间链路天线指向建模与仿真分析

星间链路天线指向的分析在卫星通信中非常重要.为了深入研究天线指向特性从而改善星间链路以及轨道构型的设计,通过仿真方法实现了星间天线指向的建模与分析.在介绍天线参数基础上,分析了天线方向图和天线指向模型.根据卫星是否同轨道面或同轨道高度,区别描述了4种不同情况下的天线指向特性.基于HLA/RTI构建了卫星网络仿真环境,通过建立由MEO、LEO卫星和地面站构成的仿真场景,对MEO卫星间链路和LEo/地面站与MEO卫星间链路的天线指向特性进行仿真,得出轨内和轨间星间链路在天线指向特性方面的差异,并提出对星间链路设计的建议.     

空间信息传输模型设计

空间信息传输是空间信息获取和应用的纽带。空间信息传输模型是空间信息系统仿真应用中的关键环节之一，它包括了通信卫星模型和链路模型，链路模型包括星间链路和星地链路。论文分析了通信卫星模型和链路模型的特点，阐述了模型设计的主要思路。论文分析并计算了通信卫星实体的空间位置和速度属性，设计了通信卫星对空间通信节点和地面通信节点的覆盖计算模型，对空间链路和星地链路的可通性、误码特性和传输时延等主要指标的计算进行了描述。文中各模型均按照HLA思想设计，具有可重用性，可应用于多种模拟系统。     

基于路由需求的空间信息系统星地链路及星间链路特征分析

有效的路由算法是空间信息系统需要解决的核心技术之一。由于卫星网络的拓扑结构的变化,空间信息系统的路由算法应充分考虑到星间、星地链路连通性特征及卫星网络的拓扑结构演化规律。分析了空间信息系统卫星网络体系结构,研究了星间、星地链路的几何特性,并利用STK仿真软件对星间、星地链路的性能进行仿真,通过分析仿真结果得到了某些星间链路、星地链路的链路连通性特性,进一步分析得到了空间信息系统信息传输网络拓扑结构的演化规律,其可为卫星链路的设计以及后续空间信息系统路由算法的研究提供一定的参考。     

基于三层卫星网络的星间链路性能分析

星间链路性能分析是建立星间通信的基础。以包含GEO卫星、IGSO卫星和MEO卫星的三层卫星网络为例,仿真了三层卫星网络层间卫星星间距离的变化范围。在设定星间传输体制、链路参数、传输损耗等条件下,分别分析了该三层卫星网络的GEO-IGSO、GEO-MEO和IGSO-MEO三种链路在Ka频段和激光频段的性能。结果表明,在Ka频段,0.5m天线仅需5W的发射功率,可以满足2Mb/s以上的星间数据传输率;激光频段仅需0.5W的发射功率,直径0.25m的天线,可以达到2Gb/s以上的星间数据传输率,激光链路更有利于星间链路性能的提高。研究结果在未来三层卫星网络建立星间链路时,为卫星的发射功率、天线直径和星间链路数据传输速率等方面的选择提供了参考。     

基于GEO/MEO星座的卫星网络抗毁结构研究

设计并分析了一种基于链路冗余与修补方法的双层抗毁卫星网络。通过对网络中MEO星层进行基于快照周期的分群管理和群首备份选择机制,从星座组网结构方面提高卫星网络的抗毁性能;通过设计网络结构中群内、星层以及整个星座的通信链路,特别是对星座中MEO星层的通信链路进行充分的冗余设计,以及启用视距范围内间隔失效卫星间次相邻卫星节点链路连接的链路设计,从星座网络的通信链路上提高整个卫星网络的抗毁性能。最后对所设计的卫星网络的结构性能进行了简要分析。     

A model, a heuristic and a decision support system to solve the scheduling problem of an earth observing satellite constellation

China plans to launch four small optical satellites and four small SAR satellites to form a natural disaster monitoring constellation. Data can be obtained by the constellation in all weather conditions for disaster alert and environmental damage analysis. The scheduling problem for the constellation consists of selecting and timetabling the observation activities to acquire the requested images of the earth surface and scheduling the download activities to transmit the image files to a set of ground stations. The scheduling problem is required to be solved every day in a typical 1-day horizon and it must respect complex satellite operational constraints as well as request preferences, such as visibility time windows, transition time between consecutive observations or downloads, memory capacity, energy capacity, polygon target requests and priorities. The objective is to maximize the rewards of the images taken and transmitted. We present a nonlinear model of the scheduling problem, develop a priority-based heuristic with conflict-avoided, limited backtracking and download-as-needed features, which produces satisfactory feasible plans in a very short time. A decision support system based on the model and the heuristic is also provided. The system performance shows a significant improvement with respect to faster and better scheduling of an earth observing satellite constellation.     

基于TDMA的星间链路时隙分配设计与仿真评估

基于TDMA的星间链路体制组网灵活,传输效率高,已成为今后星间链路的一种发展趋势;对于TDMA的星座网络而言,其时隙分配是影响业务时延的重要因素,文章就一种双层混合型星座提出了一种时隙分配方案,并对星座网络的传输进行了仿真,分别从广播和单播两种业务的角度针对星间链路传输性能的时延指标进行了评估分析,结果显示,该TDMA星座网络基本能在30s内广播全网数据,且单播时在地面站仰角不受限的情况下,绝大部分(95%以上)的境外星最多都只需要一跳即可到达,该结果会在地面站仰角限制增大的情况下随之递减。     

卫星网络路由器高速数据转发设计

卫星网络由多颗卫星和地面站组成,星间通过高速激光链路通信。卫星网络的核心之一就是路由器。高性能路由器的典型特点为数据路径和控制路径的分离。控制路径处理与高层路由协议相关的数据包,数据路径处理需要转发的数据包。数据路径是路由器的关键路径,直接影响着路由器的整体性能。在调研路由器技术发展历程之后,分析了高性能路由器典型结构及相关关键技术,考虑目前卫星网络系统需求、软硬件环境约束条件,对现有技术进行了优化和适应性修改,确定了卫星网络路由器中数据路径的实现方案。该方案满足当前卫星网络应用需求,且经简单扩展后,还可满足后续更高性能卫星网络路由器的设计需求。     

分布式卫星组网管理域划分算法

卫星组网作为一种新型的无线移动通信网络,与其他通信网络相比独有的特性增加了网络管理的难度。在分布式卫星组网管理结构下,首先提出了一种基于被管卫星与管理分站之间的通信链路时延的管理域划分算法,被管卫星选择时延最短的管理分站作为其管理者,并在不同星座结构下对该算法进行了仿真验证。最后通过分析仿真结果,对算法进行了改进,引入了划分因子δ提高了管理域的稳定性。     

基于QoE感知的中继卫星带宽资源分配方法研究

为改善数据中继卫星的带宽分配对负载传输效率的影响，提出了一种基于用户体验质量QoE感知的中继卫星带宽资源分配方法。考虑到空间信息网络高动态链路情况下传输的可靠性，建立基于多个静止同步轨道卫星协同接入模型，研究了低轨道用户卫星进行多路数据上传的优势特点。通过设置链路效能函数，其将用户QoE满意度量化为链路反馈和链路成本，并用库恩塔克方法求解，实现最大化系统效能和带宽公平分配。研究结果表明，与Load-Balancing和Best-SNR-First方法相比，该方法不仅保证了用户QoE满意度，还提升了网络的接入性能。     

Orientation accuracy analysis of multiple satellite networks using epidemic model

Micro-navigation sensors provide position and orientation information for the network of satellites. Each micro-navigation sensor system consists of a global positioning system receiver, a solid-state inertial measurement unit and lasers. To maintain the orientation accuracy of the satellites in the network, an orientation information transfer (OIT) method was developed. Two laser links are established to align a satellite with low orientation accuracy from a satellite with high orientation accuracy. The OIT process is similar to the spread of an epidemic, which has been extensively studied in the epidemiology. Therefore, the information transfer process was analysed by applying a modified epidemic model. The relation between OIT process and the orientation accuracy of the satellites in the network was mathematically investigated. It is shown that the OIT using lasers greatly improves the orientation accuracy of all satellites in the network. Furthermore, the overall orientation accuracy of the satellite network can be improved by increasing the alignment rate or decreasing the decay rate, which are the parameters of the system. The simulation results verified the analysis of the system. The results showed the feasibility of using epidemic theory to analyse orientation accuracy of a satellite network. Finally, this OIT model will allow coordination of relative attitudes between satellites.