王琦 顧亞楠

(1 北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094)(2 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

為實(shí)現(xiàn)全球?qū)Ш较到y(tǒng)精密定軌與時(shí)間同步、自主導(dǎo)航、境外衛(wèi)星監(jiān)視與控制等核心功能，在全球?qū)Ш较到y(tǒng)衛(wèi)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(dǎo)航星座任意可視衛(wèi)星間可通過分時(shí)建立多點(diǎn)對多點(diǎn)的多條鏈路，完成端到端數(shù)據(jù)傳輸[2-5]。

星間鏈路運(yùn)行管理是在復(fù)雜星間鏈路出現(xiàn)后，對航天器測控業(yè)務(wù)的延伸和擴(kuò)展。星間鏈路運(yùn)行管理指對星間鏈路進(jìn)行資源管理與調(diào)度、狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷、性能測試與評(píng)估等，使星間鏈路協(xié)調(diào)、高效、穩(wěn)定運(yùn)行。與傳統(tǒng)面向單個(gè)航天器的測控有較大區(qū)別，星間鏈路運(yùn)行管理的對象是多節(jié)點(diǎn)聯(lián)通的星間鏈路及其動(dòng)態(tài)變化形成的空間通信網(wǎng)絡(luò)。

北斗導(dǎo)航星座星間鏈路是我國首個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的星間鏈路，在對北斗導(dǎo)航星座星間鏈路運(yùn)行支持的實(shí)現(xiàn)過程中，星間鏈路運(yùn)行管理的概念得以建立并豐富，并成為獨(dú)立發(fā)展的技術(shù)方向(下文“導(dǎo)航”專指“北斗導(dǎo)航”)。隨著北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的組網(wǎng)演進(jìn)，星間鏈路運(yùn)行管理的對象也在動(dòng)態(tài)增加，運(yùn)行管理的內(nèi)涵也由在軌測試、組網(wǎng)聯(lián)調(diào)和試運(yùn)行逐步向穩(wěn)定運(yùn)行服務(wù)轉(zhuǎn)化。

本文根據(jù)導(dǎo)航星座星間鏈路運(yùn)行及管控的特點(diǎn)，對導(dǎo)航星座星間鏈路運(yùn)行管理模式及場景進(jìn)行了具體設(shè)計(jì)和定義，以支持導(dǎo)航星座星間鏈路的高效運(yùn)行及精細(xì)管理?；趯?dǎo)航星間鏈路運(yùn)行管理的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和星間鏈路的技術(shù)發(fā)展，論述了星間鏈路運(yùn)行管理的發(fā)展方向。

1 星間鏈路運(yùn)行管理的概念及內(nèi)涵

1.1 管理對象

星間鏈路是指用于衛(wèi)星之間通信(和測量)的鏈路[1]。通過星間鏈路將多顆衛(wèi)星互聯(lián)在一起，可形成以衛(wèi)星作為交換節(jié)點(diǎn)的空間通信網(wǎng)絡(luò)。星間鏈路運(yùn)行管理的對象是星間鏈路通信網(wǎng)絡(luò)及在網(wǎng)絡(luò)上接入和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

導(dǎo)航星座星間鏈路是當(dāng)前具有應(yīng)用代表性的網(wǎng)絡(luò)級(jí)星間鏈路。導(dǎo)航星座星間鏈路運(yùn)行管理的對象是涵蓋導(dǎo)航系統(tǒng)星間鏈路節(jié)點(diǎn)和星地各類數(shù)據(jù)接入節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行及服務(wù)。

1.2 服務(wù)對象

由星間鏈路構(gòu)成的空間通信網(wǎng)絡(luò)，主要為用戶提供通信(和測量)服務(wù)。以導(dǎo)航星座星間鏈路為例，其用戶包括導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)部用戶和外部擴(kuò)展應(yīng)用用戶。導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)部用戶具體包括衛(wèi)星用戶和地面用戶；內(nèi)部用戶基于星間鏈路的測量和通信功能，實(shí)現(xiàn)精密定軌與時(shí)間同步、境外衛(wèi)星控制管理、自主導(dǎo)航等服務(wù)。導(dǎo)航系統(tǒng)外部擴(kuò)展應(yīng)用用戶主要為運(yùn)載器、航天器等，通過接入導(dǎo)航星座星間鏈路，獲取軌道測量、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确?wù)。

1.3 功能定義

星間鏈路運(yùn)行管理功能具體可分解為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)控制、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、用戶服務(wù)、測試評(píng)估等。

(1)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃功能，指網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、路由及接入?yún)?shù)的計(jì)算生成功能。

(2)網(wǎng)絡(luò)控制功能，指網(wǎng)絡(luò)管控指令生成、分發(fā)、上注、執(zhí)行確認(rèn)等功能。

(3)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能，指網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、運(yùn)行性能監(jiān)控等功能。

(4)用戶服務(wù)功能，指用戶使用申請綜合分析、使用申請答復(fù)、配置參數(shù)分發(fā)、可用狀態(tài)公布、用戶使用評(píng)估等功能。

(5)測試評(píng)估功能，指星間鏈路入網(wǎng)驗(yàn)證、在軌測試、在軌試驗(yàn)、新技術(shù)驗(yàn)證等功能。

2 導(dǎo)航星座星間鏈路運(yùn)行管理模式設(shè)計(jì)

2.1 模式定義及劃分

根據(jù)導(dǎo)航星座星間鏈路整體建設(shè)階段和服務(wù)狀態(tài)將星間鏈路運(yùn)行管理模式劃分為以下三類。

1)系統(tǒng)演化模式

系統(tǒng)演化模式下，導(dǎo)航星座星間鏈路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l(fā)展，尚不具備整體星座導(dǎo)航運(yùn)行服務(wù)的條件。系統(tǒng)演化模式可包含在軌星間鏈路分別處于不同運(yùn)行狀態(tài)的情況，例如，一部分星間鏈路進(jìn)行組網(wǎng)試運(yùn)行，不提供有質(zhì)量保證的服務(wù)，另一部分單獨(dú)進(jìn)行在軌測試或故障處置；也包含全部星間鏈路都處于組網(wǎng)聯(lián)調(diào)或試運(yùn)行的情況。

2)常規(guī)服務(wù)模式

常規(guī)服務(wù)模式下，導(dǎo)航星座星間鏈路完成組網(wǎng)，地面系統(tǒng)可正常支持導(dǎo)航業(yè)務(wù)，導(dǎo)航系統(tǒng)具備正常運(yùn)行服務(wù)的條件。常規(guī)服務(wù)模式允許少部分星間鏈路處于故障或恢復(fù)狀態(tài)，但不影響整體星座導(dǎo)航運(yùn)行服務(wù)要求的滿足。

3)自主運(yùn)行模式

自主運(yùn)行模式下，導(dǎo)航星座基于星間鏈路進(jìn)行自主導(dǎo)航，播發(fā)自主導(dǎo)航星歷；允許部分星間鏈路未入網(wǎng)，但星座整體滿足自主導(dǎo)航服務(wù)要求。當(dāng)導(dǎo)航星座超出一定時(shí)間無法獲得地面系統(tǒng)導(dǎo)航業(yè)務(wù)正常支持的情況下，或收到地面發(fā)出的自主導(dǎo)航切換指令，轉(zhuǎn)為自主運(yùn)行模式[6-10]。

2.2 模式間轉(zhuǎn)化關(guān)系

導(dǎo)航星座星間鏈路運(yùn)行管理三種模式之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系如圖1所示。

圖1 星間鏈路運(yùn)行管理模式轉(zhuǎn)化關(guān)系示意圖Fig.1 Transformation relations of navigation constellation inter-satellite link command-and-control management modes

1)系統(tǒng)演化模式與常規(guī)服務(wù)模式間的轉(zhuǎn)化

系統(tǒng)演化模式向常規(guī)服務(wù)模式轉(zhuǎn)化：星間鏈路處于測試聯(lián)調(diào)或故障等狀態(tài)，無法支持整體星座導(dǎo)航運(yùn)行服務(wù)，經(jīng)在軌測試或故障處置后，星間鏈路具備組網(wǎng)條件，且導(dǎo)航系統(tǒng)具備整體星座導(dǎo)航運(yùn)行服務(wù)條件時(shí)，星間鏈路由系統(tǒng)演化模式轉(zhuǎn)為常規(guī)服務(wù)模式。

常規(guī)服務(wù)模式向系統(tǒng)演化模式轉(zhuǎn)化：因暫時(shí)不可恢復(fù)的在軌故障，導(dǎo)致星間網(wǎng)絡(luò)規(guī)?；蛲?fù)浣Y(jié)構(gòu)不具備支持整體星座導(dǎo)航運(yùn)行服務(wù)的條件時(shí)，全部星間鏈路由常規(guī)服務(wù)模式轉(zhuǎn)為系統(tǒng)演化模式。

2)常規(guī)服務(wù)模式與自主運(yùn)行模式間的轉(zhuǎn)化

常規(guī)服務(wù)模式向自主運(yùn)行模式轉(zhuǎn)化：如果各衛(wèi)星收到地面轉(zhuǎn)為自主運(yùn)行狀態(tài)的指令，或者各衛(wèi)星自主判斷地面注入的電文齡期與當(dāng)前時(shí)刻時(shí)差超差，觸發(fā)衛(wèi)星切換至播發(fā)自主導(dǎo)航星歷，星間鏈路轉(zhuǎn)化為自主運(yùn)行模式。

自主運(yùn)行模式向常規(guī)服務(wù)模式轉(zhuǎn)化：如果各衛(wèi)星收到地面轉(zhuǎn)為常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)的指令，或者各衛(wèi)星自主判讀地面星歷數(shù)據(jù)更新標(biāo)志符合常規(guī)運(yùn)行條件，星間鏈路恢復(fù)常規(guī)服務(wù)模式。

3 導(dǎo)航星座星間鏈路運(yùn)行管理場景設(shè)計(jì)

導(dǎo)航星座星間鏈路3種運(yùn)行管理模式下，根據(jù)星間鏈路局部運(yùn)行特點(diǎn)可細(xì)分為10種運(yùn)行管理場景，具體劃分如表1所示。導(dǎo)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(jié)點(diǎn)僅處于唯一場景中。星間鏈路工作場景轉(zhuǎn)化關(guān)系如圖2所示。

表1 導(dǎo)航星座星間鏈路運(yùn)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(zhuǎn)化關(guān)系示意圖Fig.2 Transformation relations of navigation constellation inter-satellite link command-and-control management scenes

3.1 系統(tǒng)演化模式下的場景定義及轉(zhuǎn)化

1)入網(wǎng)測試場景

入網(wǎng)測試場景適用于局部星間鏈路節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行管理，指衛(wèi)星入軌后星間鏈路入網(wǎng)測試和某些情況下故障排除后重新入網(wǎng)測試的場景。處于入網(wǎng)測試場景的衛(wèi)星，其星間鏈路與其它衛(wèi)星星間鏈路獨(dú)立運(yùn)行，暫不對外服務(wù)，可通過地面管理設(shè)備對其開展入網(wǎng)測試，單獨(dú)進(jìn)行拓?fù)渎酚梢?guī)劃。當(dāng)衛(wèi)星完成入網(wǎng)測試、功能性能正常后，可通過衛(wèi)星入網(wǎng)流程進(jìn)入聯(lián)調(diào)試用場景。

2)聯(lián)調(diào)試用場景

聯(lián)調(diào)試用場景適用于規(guī)模逐步演化的星間鏈路網(wǎng)絡(luò)。局部星間鏈路節(jié)點(diǎn)完成入網(wǎng)測試后，可加入星間鏈路的聯(lián)調(diào)試用場景。在聯(lián)調(diào)試用場景中，星間鏈路的規(guī)模和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可持續(xù)變化和進(jìn)展，業(yè)務(wù)服務(wù)效果不作考核性要求，經(jīng)過試用可優(yōu)化管理策略和調(diào)度方式，為轉(zhuǎn)入常規(guī)服務(wù)模式奠定基礎(chǔ)。經(jīng)過聯(lián)調(diào)試用，若星間鏈路具備整體星座導(dǎo)航運(yùn)行服務(wù)能力，則可轉(zhuǎn)為常規(guī)服務(wù)模式的相關(guān)場景。

3)故障處置場景

故障處置場景適用于星間鏈路節(jié)點(diǎn)故障或星間鏈路局部網(wǎng)絡(luò)故障導(dǎo)致星座無法提供或較快恢復(fù)整體星座導(dǎo)航運(yùn)行服務(wù)的情況。在該場景下，對故障節(jié)點(diǎn)或局部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障診斷和故障恢復(fù)。待故障恢復(fù)后，可依次轉(zhuǎn)為入網(wǎng)測試、聯(lián)調(diào)試用場景。

4)試驗(yàn)驗(yàn)證場景

試驗(yàn)驗(yàn)證場景用于在系統(tǒng)演化階段開展擴(kuò)展應(yīng)用、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間互聯(lián)互通、業(yè)務(wù)性能測試等試驗(yàn)驗(yàn)證，為導(dǎo)航星座常規(guī)服務(wù)奠定基礎(chǔ)。

3.2 常規(guī)服務(wù)模式下的場景定義及轉(zhuǎn)化

1)導(dǎo)航常規(guī)服務(wù)場景

導(dǎo)航常規(guī)服務(wù)場景是指在常規(guī)服務(wù)模式下，通過對導(dǎo)航星座星間鏈路的運(yùn)行管理，實(shí)現(xiàn)星間鏈路整體星座導(dǎo)航運(yùn)行服務(wù)要求，是最基本的運(yùn)行管理場景。

當(dāng)有部分星間鏈路故障影響導(dǎo)航星座實(shí)現(xiàn)整體星座導(dǎo)航運(yùn)行服務(wù)能力時(shí)，故障節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)入系統(tǒng)演化模式的故障處置場景，正常節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)為系統(tǒng)演化模式的聯(lián)調(diào)試用場景。故障恢復(fù)后經(jīng)過在軌測試、聯(lián)調(diào)試用，星間鏈路重新轉(zhuǎn)入正常服務(wù)模式的常規(guī)業(yè)務(wù)場景。

2)擴(kuò)展應(yīng)用服務(wù)場景

擴(kuò)展應(yīng)用服務(wù)場景是指在常規(guī)服務(wù)模式下，在不影響星間鏈路支持整體星座導(dǎo)航運(yùn)行服務(wù)的基礎(chǔ)上，以部分星間鏈路資源支持?jǐn)U展應(yīng)用服務(wù)的場景。

擴(kuò)展應(yīng)用服務(wù)場景分為短期使用和常態(tài)運(yùn)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(jié)點(diǎn)，僅進(jìn)行突發(fā)性的試驗(yàn)或試用，由導(dǎo)航星座星間鏈路的預(yù)留資源進(jìn)行支持。

常態(tài)運(yùn)行方式將用戶航天器視為星間鏈路一個(gè)新增周期服務(wù)節(jié)點(diǎn)，納入星間鏈路網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，綜合內(nèi)外用戶服務(wù)需求進(jìn)行支持。

擴(kuò)展應(yīng)用服務(wù)場景適用于部分或全部星間鏈路節(jié)點(diǎn)。當(dāng)擴(kuò)展應(yīng)用用戶通過使用申請通過后，可由導(dǎo)航常規(guī)服務(wù)場景切換至擴(kuò)展應(yīng)用服務(wù)場景。

3)用戶應(yīng)急服務(wù)場景

用戶應(yīng)急服務(wù)場景是指在常規(guī)服務(wù)模式下，由于某些特殊情況，部分用戶可申請?zhí)岣哂脩舴?wù)等級(jí)或調(diào)整服務(wù)要求，同時(shí)兼顧實(shí)現(xiàn)星間鏈路整體星座導(dǎo)航運(yùn)行服務(wù)支持的場景。

以短報(bào)文通信業(yè)務(wù)為例，在特殊搜救等情況下，可經(jīng)過申請?zhí)岣咚丫葦?shù)據(jù)在星間鏈路的接入優(yōu)先級(jí)和數(shù)據(jù)量，為其提供更高質(zhì)量的服務(wù)。

4)故障處置恢復(fù)場景

故障處置恢復(fù)場景是指在星間鏈路滿足整體星座導(dǎo)航運(yùn)行服務(wù)的前提下，對少量星間鏈路進(jìn)行故障處置及恢復(fù)的場景。

少量星間鏈路的故障處置恢復(fù)場景，通常與主體星間鏈路的其他各服務(wù)場景共存。故障恢復(fù)后，故障節(jié)點(diǎn)無需經(jīng)過在軌測試等過程，直接入網(wǎng)轉(zhuǎn)為相應(yīng)服務(wù)場景。

3.3 自主運(yùn)行模式下的場景定義及轉(zhuǎn)化

1)星座半自主運(yùn)行場景

星座半自主運(yùn)行場景是指在無地面導(dǎo)航業(yè)務(wù)支持情況下，導(dǎo)航星座基于星間鏈路進(jìn)行自主導(dǎo)航，通過地面錨固支持進(jìn)行星座整體旋轉(zhuǎn)、地球定向參數(shù)(EOP)等修正的場景。當(dāng)失去地面錨固支持時(shí)，星座半自主運(yùn)行場景向星座自主運(yùn)行場景轉(zhuǎn)化。

2)星座自主運(yùn)行場景

星座自主運(yùn)行場景是指在無地面導(dǎo)航業(yè)務(wù)支持情況下，導(dǎo)航星座基于星間鏈路進(jìn)行自主導(dǎo)航的場景。

4 導(dǎo)航星座星間鏈路運(yùn)行管理重點(diǎn)

星間鏈路運(yùn)行管理在衛(wèi)星進(jìn)入工作軌道后開展，具備網(wǎng)絡(luò)管理的特性。在導(dǎo)航星座不同的運(yùn)行管理模式下，運(yùn)行管理的重點(diǎn)有所不同。

1)系統(tǒng)演化模式的運(yùn)行管理

系統(tǒng)演化模式下，星間鏈路運(yùn)行管理涵蓋在軌測試、故障處置、組網(wǎng)聯(lián)調(diào)、組網(wǎng)試運(yùn)行等，主要測試星間鏈路終端性能、驗(yàn)證星間鏈路網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的協(xié)調(diào)性，調(diào)整和優(yōu)化運(yùn)行管理策略和方案。

在軌測試一般采用星地聯(lián)合的方式，對星間鏈路終端進(jìn)行發(fā)射信號(hào)特性測試、天線工作狀態(tài)檢查、收發(fā)通道時(shí)延標(biāo)定、設(shè)備功能評(píng)估等操作，驗(yàn)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(tài)進(jìn)行識(shí)別和診斷，對故障星間鏈路進(jìn)行隔離處置和故障恢復(fù)。

組網(wǎng)聯(lián)調(diào)采用地面集中控制的方式，將待入網(wǎng)的星間鏈路節(jié)點(diǎn)接入星間鏈路網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)試，檢查新規(guī)模網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行協(xié)調(diào)性及星間鏈路業(yè)務(wù)服務(wù)性能。

組網(wǎng)試運(yùn)行采用地面監(jiān)控的方式，在星間鏈路網(wǎng)絡(luò)提供正式服務(wù)前可進(jìn)行一定周期的服務(wù)性能監(jiān)測，為星間鏈路轉(zhuǎn)入常規(guī)服務(wù)模式奠定基礎(chǔ)。

2)常規(guī)服務(wù)模式的運(yùn)行管理

常規(guī)服務(wù)模式下，星間鏈路運(yùn)行管理涵蓋配置管理、資源管控、狀態(tài)監(jiān)控與故障處置、用戶服務(wù)等，主要實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航星座星間鏈路對導(dǎo)航服務(wù)及外部用戶的穩(wěn)定可靠支持。

配置管理可采用集中規(guī)劃的方式，完成星間鏈路物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層等的參數(shù)配置，實(shí)現(xiàn)星間鏈路的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)行；待技術(shù)條件成熟后可發(fā)展網(wǎng)絡(luò)自組織配置管理，采用“集中+分布式”管理方式。

資源管控現(xiàn)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(jìn)行管理和分配，支持各類用戶獲取星間鏈路服務(wù)。

狀態(tài)監(jiān)控與故障處置采用衛(wèi)星自主處置與地面控制處置相結(jié)合的方式，盡可能快速判斷并恢復(fù)星間鏈路故障，降低故障對導(dǎo)航星座穩(wěn)定運(yùn)行的影響。

用戶服務(wù)當(dāng)前主要采用地面集中管理的方式，進(jìn)行用戶需求匯總、用戶請求反饋、服務(wù)狀態(tài)發(fā)布、服務(wù)效果評(píng)估等，為用戶提供網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)。

3)自主運(yùn)行模式的運(yùn)行管理

自主運(yùn)行模式下，星間鏈路運(yùn)行管理主要通過衛(wèi)星自主規(guī)劃調(diào)度、自主狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷恢復(fù)、星座自主維持等實(shí)現(xiàn)。星間鏈路通過衛(wèi)星自主運(yùn)行管理實(shí)現(xiàn)星間建鏈測量和數(shù)傳，支持自主導(dǎo)航功能實(shí)現(xiàn)。

5 導(dǎo)航星座星間鏈路運(yùn)行管理實(shí)例

以常規(guī)服務(wù)模式下節(jié)點(diǎn)故障處置恢復(fù)事件為例，具體分解星間鏈路精細(xì)化運(yùn)行管理的過程。

基本工作流程為：在導(dǎo)航常規(guī)服務(wù)場景下，當(dāng)星間鏈路發(fā)生衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)故障且故障規(guī)模不影響星座整體導(dǎo)航服務(wù)時(shí)，故障節(jié)點(diǎn)進(jìn)入故障處置恢復(fù)場景進(jìn)行故障處置，同時(shí)星間鏈路運(yùn)行管理系統(tǒng)對導(dǎo)航常規(guī)服務(wù)場景進(jìn)行用戶服務(wù)判斷和配置管理，以確保星間鏈路網(wǎng)絡(luò)持續(xù)支持導(dǎo)航服務(wù)及其他用戶業(yè)務(wù)服務(wù)。衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)故障恢復(fù)后，重新加入導(dǎo)航常規(guī)服務(wù)場景恢復(fù)服務(wù)。

在故障處置恢復(fù)場景下，對故障節(jié)點(diǎn)從物理層至應(yīng)用層逐層向下依次進(jìn)行信息收集和故障診斷。具體根據(jù)遙測分層狀態(tài)監(jiān)視信息，進(jìn)行包括單機(jī)器件、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒕W(wǎng)絡(luò)路由、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸及用戶服務(wù)的故障診斷。故障定位后，按照相應(yīng)的故障處置預(yù)案進(jìn)行處置恢復(fù)。

在導(dǎo)航常規(guī)服務(wù)場景下，對可服務(wù)星間鏈路從應(yīng)用層至物理層逐層向下判斷是否需要整網(wǎng)配置參數(shù)重規(guī)劃。其中，應(yīng)用層面向故障狀態(tài)，核驗(yàn)用戶接入計(jì)劃是否維持原有狀態(tài)；傳輸層基于用戶服務(wù)需求，核驗(yàn)是否重新生成網(wǎng)絡(luò)傳輸參數(shù)；網(wǎng)絡(luò)層基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌蓑?yàn)是否重新生成路由規(guī)劃；鏈路層基于節(jié)點(diǎn)構(gòu)成和拓?fù)湟?guī)則，核驗(yàn)是否重新生成拓?fù)湟?guī)劃；物理層基于工作狀態(tài)要求，核驗(yàn)是否重新生成網(wǎng)絡(luò)物理參數(shù)。當(dāng)原故障對星間鏈路網(wǎng)絡(luò)服務(wù)影響判決結(jié)果為可忽略時(shí)，整網(wǎng)配置參數(shù)重規(guī)劃可推遲至下一運(yùn)行周期進(jìn)行。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)在短期內(nèi)快速實(shí)現(xiàn)故障恢復(fù)后，則立刻進(jìn)入導(dǎo)航常規(guī)服務(wù)場景，全網(wǎng)使用原網(wǎng)絡(luò)配置管理參數(shù)運(yùn)行服務(wù)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)故障恢復(fù)前整網(wǎng)已完成了配置參數(shù)重規(guī)劃及使用，則在下一運(yùn)行周期開始前加入該節(jié)點(diǎn)重新規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)。

整個(gè)故障處置恢復(fù)過程按照星間鏈路運(yùn)行管理模式、場景的定義及轉(zhuǎn)化關(guān)系，由星間鏈路運(yùn)行管理系統(tǒng)軟件自動(dòng)化執(zhí)行以上工作流程。工程實(shí)踐結(jié)果表明，基于場景和模式的精細(xì)化運(yùn)行管理，對星間鏈路穩(wěn)定運(yùn)行服務(wù)支持的效果良好。

6 星間鏈路運(yùn)行管理的發(fā)展方向

星間鏈路運(yùn)行管理的發(fā)展，旨在完成天地一體化網(wǎng)絡(luò)資源協(xié)同優(yōu)化調(diào)度，實(shí)現(xiàn)星間鏈路資源的高效配置，采用開放的網(wǎng)絡(luò)接入思想對整個(gè)星間鏈路網(wǎng)絡(luò)實(shí)施管理，滿足用戶網(wǎng)絡(luò)化通信服務(wù)需求。

隨著激光星間鏈路技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用[11-12]，未來星間鏈路將具備高速空間傳輸網(wǎng)絡(luò)的屬性，星間鏈路運(yùn)行管理也應(yīng)向一體化、網(wǎng)絡(luò)化、服務(wù)化的方向發(fā)展。

1)“集中+分布式”一體化網(wǎng)絡(luò)管控架構(gòu)

由地面集中統(tǒng)一組織所轄鏈路及網(wǎng)絡(luò)的入網(wǎng)流程、故障診斷、健康狀態(tài)評(píng)估等；各鏈路或各節(jié)點(diǎn)自組織完成拓?fù)?、路由、鏈路工作性能等運(yùn)行狀態(tài)控制、狀態(tài)監(jiān)視，并完成狀態(tài)向地面上報(bào)工作；服務(wù)受理、任務(wù)調(diào)度以及服務(wù)性能監(jiān)視與評(píng)估等工作一般也由各鏈路或各節(jié)點(diǎn)自組織完成；形成星地“集中+分布式”一體化網(wǎng)絡(luò)管控架構(gòu)，如圖3所示。

圖3 “集中+分布式”一體化網(wǎng)絡(luò)管控架構(gòu)Fig.3 Centralized plus distributed management and control architecture of integrated network

該架構(gòu)是一種分層演進(jìn)式架構(gòu)，支持星載節(jié)點(diǎn)與地面中心節(jié)點(diǎn)組成一體化的管控平面，也支持將本級(jí)星間鏈路網(wǎng)絡(luò)的管控平面加入更高一級(jí)網(wǎng)絡(luò)。通過這種演進(jìn)式架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)空間網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展兼容性。

2)分層調(diào)度管理策略

將復(fù)雜的星間鏈路調(diào)度管理劃分為物理層管理、鏈路層管理、網(wǎng)絡(luò)層管理、傳輸層管理、應(yīng)用層管理等層次，將每一層管理功能作為獨(dú)立模塊實(shí)現(xiàn)，下層為上層提供支撐，如圖4所示。物理層管理控制網(wǎng)絡(luò)物理參數(shù)；鏈路層管理確定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?；網(wǎng)絡(luò)層管理生成路由規(guī)劃；傳輸層管理控制網(wǎng)絡(luò)傳輸參數(shù)；應(yīng)用層管理生成用戶接入計(jì)劃。通過分層調(diào)度管理，將有效降低用戶應(yīng)用與星間鏈路通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的耦合度，降低星間鏈路通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行管理的復(fù)雜度。

圖4 分層調(diào)度管理策略Fig.4 Hierarchical scheduling management policy

3)標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)接口

綜合各類星間鏈路用戶不同的業(yè)務(wù)使用要求，定義統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化、普適性的服務(wù)接口。通過服務(wù)接口規(guī)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(kuò)展性。用戶按照接口規(guī)范提出使用需求，根據(jù)星地管控節(jié)點(diǎn)分配的接入點(diǎn)接入星間鏈路，無需關(guān)心星間鏈路的具體實(shí)現(xiàn)，即可獲取星間鏈路“一點(diǎn)通、全網(wǎng)通”的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

4)天地一體化網(wǎng)絡(luò)管控平滑擴(kuò)展

星間鏈路的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，將促進(jìn)星間、星地網(wǎng)絡(luò)的融合，實(shí)現(xiàn)天地一體化傳輸網(wǎng)絡(luò)。預(yù)期星間鏈路運(yùn)行管理也將與傳統(tǒng)測控及運(yùn)控、地面通信網(wǎng)絡(luò)管理融合，向更加復(fù)雜的天地一體化網(wǎng)絡(luò)管控發(fā)展。在推動(dòng)“集中+分布式”管控、分層調(diào)度管理、標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)接口的同時(shí)，星間鏈路運(yùn)行管理還應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)管控體系、高效資源調(diào)度管理技術(shù)，支持星間鏈路運(yùn)行管理向天地一體化網(wǎng)絡(luò)管控的平滑擴(kuò)展。

7 結(jié)束語

星間鏈路運(yùn)行管理與傳統(tǒng)單一測控目標(biāo)的規(guī)模化管控不同，具備鮮明的網(wǎng)絡(luò)化、服務(wù)化的需求和特點(diǎn)，已成為航天器控制領(lǐng)域新的技術(shù)方向。在對導(dǎo)航星座星間鏈路運(yùn)行管理的過程中，運(yùn)行管理模式及具體場景得到精細(xì)化區(qū)分和設(shè)計(jì)，運(yùn)行管理功能和內(nèi)容得到立足實(shí)際且面向未來的實(shí)現(xiàn)，有力支持了導(dǎo)航星座的高效穩(wěn)定運(yùn)行，有效促進(jìn)了星間鏈路運(yùn)行管理的蓬勃發(fā)展。