齊星，柳震，梁家輝，肇啟明，劉暢

（航天科工集團(tuán)第三研究院航天科工海鷹衛(wèi)星運(yùn)營事業(yè)部，北京 100071）

0 引言

近年來，低軌星座以其發(fā)射成本低、距離地面近、傳輸時延短、路徑損耗小、數(shù)據(jù)傳輸率高等優(yōu)勢，在通信、遙感、導(dǎo)航和預(yù)警等眾多領(lǐng)域備受青睞[1-8]。由于低軌衛(wèi)星相對地球高速運(yùn)動，因此在缺乏有效的空間網(wǎng)絡(luò)支撐的情況下，低軌衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸必須依賴地面站進(jìn)行中繼?，F(xiàn)有的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸（簡稱“數(shù)傳”）任務(wù)采用彎管式的周期性、批處理過境的下傳方式。而隨著遙感需求的增加和衛(wèi)星制造技術(shù)的成熟，地面站建設(shè)的步伐遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于在軌衛(wèi)星數(shù)量的增長，地面站資源不足、衛(wèi)星過境時間短等問題嚴(yán)重制約了遙感衛(wèi)星的服務(wù)能力，難以滿足社會對遙感信息獲取的實(shí)時性需求[9-10]。隨著星間鏈技術(shù)的發(fā)展，將多顆衛(wèi)星互聯(lián)互通，建立與地面系統(tǒng)低耦合的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，不僅可以提升系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r效性，還可以提升整個系統(tǒng)的抗毀性、自主性、機(jī)動性和靈活性[11-13]。然而考慮低軌衛(wèi)星的運(yùn)動使整個衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳粩嘧兓?，且星地之間高速移動，這對低軌衛(wèi)星路由策略的設(shè)計提出了挑戰(zhàn)。

目前，低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法主要分為動態(tài)拓?fù)渎酚?、基于快照序列的路由和虛擬節(jié)點(diǎn)路由三大類。動態(tài)拓?fù)渎酚伤惴ǜ鶕?jù)實(shí)時的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行路由計算，具有實(shí)時性高、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)勢，但頻繁交換拓?fù)湫畔⒑透侣酚尚畔⒔o系統(tǒng)帶來較大的開銷。文獻(xiàn)[14-16]均采用基于快照序列的路由，將動態(tài)拓?fù)渫ㄟ^時間離散轉(zhuǎn)化為多個單獨(dú)的拓?fù)淇煺?，每個拓?fù)淇煺諆?nèi)的拓?fù)浞€(wěn)定不變，針對不同快照進(jìn)行相應(yīng)的路由計算。文獻(xiàn)[17-18]采用虛擬節(jié)點(diǎn)路由，將初始狀態(tài)下的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)投影定義為虛擬節(jié)點(diǎn)并配置獨(dú)立標(biāo)識，衛(wèi)星運(yùn)動過程中將距離最近的虛擬節(jié)點(diǎn)標(biāo)識作為衛(wèi)星標(biāo)識，以屏蔽衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母邉討B(tài)性。

與通信星座路由規(guī)劃初衷不同的是，遙感星座的路由規(guī)劃主要用于將拍攝的遙感數(shù)據(jù)盡快傳輸?shù)降孛娌⑦M(jìn)行數(shù)據(jù)處理，地面站應(yīng)該作為路由的目的節(jié)點(diǎn)。遙感衛(wèi)星的路由規(guī)劃基于遙感衛(wèi)星成像任務(wù)規(guī)劃結(jié)果[19-20]，成像任務(wù)的時長和鏡頭載荷種類決定了源節(jié)點(diǎn)攜帶的數(shù)據(jù)量大小，路由任務(wù)規(guī)劃并非不可預(yù)測，在已知數(shù)傳任務(wù)序列的情況下，非占用鏈路的狀態(tài)變化并不會影響路由結(jié)果。因此，本文基于快照序列的拓?fù)鋭澐炙枷?，將衛(wèi)星與地面站之間的路由看作低軌遙感星座路由的一部分，并提出了一種基于遙感任務(wù)調(diào)度規(guī)劃結(jié)果的路由任務(wù)規(guī)劃算法。

1 路由任務(wù)規(guī)劃算法

低軌衛(wèi)星的相對運(yùn)動使衛(wèi)星之間的連接狀態(tài)被看作以時間為變量的周期函數(shù)，而衛(wèi)星相對地球的運(yùn)動使地面站節(jié)點(diǎn)與低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)之間構(gòu)成了一個大的時變網(wǎng)絡(luò)。本文利用基于快照序列的拓?fù)鋭澐炙枷?，將低軌衛(wèi)星星座和地面站共同組成的時變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行時間切片，并在每個時間片內(nèi)進(jìn)行從衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)到地面站節(jié)點(diǎn)的路由計算。為了減少路由切換的頻率、降低鏈路切換的代價損失，本文將數(shù)傳任務(wù)占用鏈路狀態(tài)不變的相鄰時間片進(jìn)行合并，在確保路由路徑可達(dá)的基礎(chǔ)上盡量不頻繁地切換路由，為數(shù)傳任務(wù)尋找相對最短的路由路徑。

1.1 拓?fù)涞目煺招蛄袆澐?/h3>

將衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)和地面站節(jié)點(diǎn)共同構(gòu)成一個大的網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用衛(wèi)星星歷信息預(yù)報衛(wèi)星運(yùn)動規(guī)律，為每個星間鏈路計算兩衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)間的俯仰角、方位角、距離和相對角速度，根據(jù)星間鏈載荷的跟蹤能力判斷星間鏈路是否可用，根據(jù)衛(wèi)星與地面站的最優(yōu)建鏈策略時星地鏈路的可用情況，構(gòu)建包含衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)和地面站節(jié)點(diǎn)的鄰接矩陣，并基于鄰接矩陣隨時間的變化對隨時間動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行時間切片，每一個時間片內(nèi)都對應(yīng)一個相對穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。拓?fù)涞目煺招蛄袆澐质疽鈭D如圖1所示。

圖1 拓?fù)涞目煺招蛄袆澐质疽鈭D

1.2 星地最優(yōu)建鏈策略

本文考慮多星多站的星間星地共同組網(wǎng)路由，星間鏈路對應(yīng)的兩端衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)固定，因此只需要判斷星間鏈路的通斷狀態(tài)；星地鏈路對應(yīng)的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)固定，而地面節(jié)點(diǎn)不固定，在地面站同時可見多顆衛(wèi)星的情況下認(rèn)為可通過增加地面站天線避免沖突，但衛(wèi)星對多個地面站出現(xiàn)可見時間窗口重疊的問題，必須利用沖突消解方法進(jìn)行求解，一顆衛(wèi)星在同一時間段只能選擇一個地面站接入。星地最優(yōu)建鏈策略流程如圖2所示。

圖2 星地最優(yōu)建鏈策略流程

利用衛(wèi)星的星歷信息、各地面站的位置信息、起始計算時間tstart、結(jié)束計算時間tstop、天線接收的最低仰角Emin計算得到衛(wèi)星過境時段。具體計算方法如下。

步驟1對于低軌衛(wèi)星，地面站天線可捕獲范圍不超過衛(wèi)星軌道的四分之一，如果在起始計算時刻衛(wèi)星已處于地面站可建鏈范圍內(nèi)，此時需要回退到衛(wèi)星未進(jìn)入天線捕獲范圍之前的某個時刻t1才可計算得到這一圈的完整時間窗口，因此，可選擇回退四分之一軌道：

其中，tstart是起始計算時間，單位為分，meanMotion 為衛(wèi)星的平均運(yùn)動速度，單位為圈/天。

步驟2判斷衛(wèi)星當(dāng)前仰角是否高于約束的最低仰角，如果高于最低仰角，說明此時衛(wèi)星在地面站的可建鏈范圍內(nèi)，則以60 s的步長不斷推進(jìn)時間，直至當(dāng)前仰角低于最低仰角，說明衛(wèi)星已離開天線可捕獲的范圍。為了能夠更快地找到下一圈的進(jìn)站時間，在衛(wèi)星出站時刻tout加上四分之三的軌道時間，得到計算下一個時間窗口的起始計算時間t2：

步驟3如果衛(wèi)星當(dāng)前仰角低于約束的最低仰角，說明此時衛(wèi)星還未到達(dá)地面站的可建鏈范圍內(nèi)，則開始計算進(jìn)入天線捕獲范圍的時刻，以60 s的步長推進(jìn)時間，當(dāng)仰角等于或超過最低仰角時，表明此時已進(jìn)入天線的捕獲范圍內(nèi)，記錄當(dāng)前時間tin。

步驟4步驟1～步驟3以60 s的步長計算進(jìn)站時間，主要目的是減小系統(tǒng)的計算復(fù)雜度，當(dāng)計算得到大致的進(jìn)站時間之后，為了更精確，回退60 s，以1 s的步長推進(jìn)時間，直到衛(wèi)星當(dāng)前仰角再次等于或超過最低仰角，同時更新進(jìn)站時間tin。

步驟5在進(jìn)入地面站可建鏈范圍后，開始計算衛(wèi)星離開地面站覆蓋范圍的時間。以30 s的步長推進(jìn)時間，同時將每次推進(jìn)后的時間與最初輸入的結(jié)束計算時間進(jìn)行比較，如果未超過結(jié)束計算時間且當(dāng)前仰角還在覆蓋范圍內(nèi)，則繼續(xù)推進(jìn)時間；如果超過結(jié)束計算時間，則立即結(jié)束計算。在計算過程中比較每一次的仰角大小，計算完成后輸出衛(wèi)星過境時的最大仰角Emax。

步驟6類似步驟5，為更精確地計算衛(wèi)星的出站時間，回退30 s，以1 s的步長推進(jìn)時間，直到衛(wèi)星當(dāng)前時間超過結(jié)束計算時間或當(dāng)前仰角再次超過最低仰角，同時更新出站時間tout。

步驟7判斷當(dāng)前時間是否超出了結(jié)束計算時間，如果未超出，說明此次計算的衛(wèi)星過境時段在任務(wù)要求范圍內(nèi)，可正常輸出；如果當(dāng)前時間超出了結(jié)束計算時間，說明此次計算得到的衛(wèi)星出站時間不在任務(wù)要求范圍內(nèi)，此時應(yīng)該以計算得到的進(jìn)站時間和結(jié)束計算時間作為一個時間窗口進(jìn)行輸出。

步驟8每計算出一個時間窗口，將輸出的進(jìn)站時間與結(jié)束計算時間進(jìn)行比較，如果進(jìn)站時間超過了結(jié)束計算時間，則此組結(jié)果作廢，并立即結(jié)束計算；如果未超過，則更新下一次計算的起始計算時間，從步驟2再次開始計算。

步驟9一顆衛(wèi)星在某一時段可能會處在多個地面站的天線捕獲范圍內(nèi)，但是由于衛(wèi)星在一個時段內(nèi)只能和一個地面站建立星地鏈路，因此需要構(gòu)建衛(wèi)星與地面站的最優(yōu)建鏈策略。比較衛(wèi)星和不同地面站的建鏈/拆鏈時間窗口長度，如果有沖突時段，則選擇與時間窗口長度更大的地面站建立星地鏈路，以此消解沖突。

1.3 路由任務(wù)規(guī)劃算法

在每個時間片內(nèi)對應(yīng)一個相對穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在此網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，由于衛(wèi)星與地面站建立的最優(yōu)建鏈策略將星上路由的最后一跳衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)與地面站綁定，因此計算攜帶數(shù)據(jù)的源衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)到與地面站建立最優(yōu)建鏈的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)之間的路由即可得到最優(yōu)的星地路由。路由任務(wù)規(guī)劃算法流程如圖3所示。

圖3 路由任務(wù)規(guī)劃算法流程

本文暫不考慮帶寬、誤碼率以及時延等因素，假設(shè)星間鏈路、星地鏈路每一跳的傳輸代價相同。由于當(dāng)前成熟的星間鏈路載荷速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于星地鏈路速率，本文設(shè)計每條星間鏈路同一時刻只為一條數(shù)據(jù)流提供數(shù)傳服務(wù)。具體策略如下。

步驟1定義所有在遙感任務(wù)規(guī)劃結(jié)果中獲得成像任務(wù)的遙感衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)對象集合為A，A集合中節(jié)點(diǎn)對象包括該衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)ID、該衛(wèi)星執(zhí)行完成成像任務(wù)的時間點(diǎn)和此次任務(wù)產(chǎn)生的遙感數(shù)據(jù)量。

步驟2遍歷時間片序列，并在起始時刻更新S矩陣和D集合。S矩陣定義為已完成成像任務(wù)但沒完成數(shù)傳任務(wù)的遙感衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)集合，包含衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)ID和衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)待傳數(shù)據(jù)量Si。D集合定義為當(dāng)前時間片內(nèi)具有滿足約束條件的對地時間窗口的遙感衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)集合，包含衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)ID和衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)對地面站的可見時間窗口Tj。

步驟3利用該時刻的鄰接矩陣M構(gòu)造無向圖G=（V，E），其中V包含所有遙感衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，E包含每個節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的邊。當(dāng)星間鏈路可用時，默認(rèn)節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的邊權(quán)重為1；當(dāng)星間鏈路中斷時，默認(rèn)節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的邊權(quán)重為無窮大。

步驟4遍歷集合D中的每一個衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)j，首先判斷j節(jié)點(diǎn)此刻是否存在于集合S中。若存在，說明可對地下傳數(shù)據(jù)的衛(wèi)星本身也有數(shù)據(jù)需要下傳，則衛(wèi)星先為自己下傳數(shù)據(jù)，下傳數(shù)據(jù)量為dataSizeByGround，并更新S和D矩陣。dataSizeByGround定義為：

其中，Tj是j節(jié)點(diǎn)的時間窗口，單位為s，Vg是星地鏈路速率，單位為Mbit/s。

步驟5若不存在，則循環(huán)遍歷集合S中的每一個衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)i，以節(jié)點(diǎn)i為信源，以節(jié)點(diǎn)j為信宿，利用最短路徑優(yōu)先算法找出一條跳數(shù)最小的路徑（path）。若存在一條最短路徑，則節(jié)點(diǎn)j為節(jié)點(diǎn)i對地下傳數(shù)據(jù)量dataSizeBySatellite，更新矩陣S和D，并在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D中刪除此路徑，進(jìn)而更新無向圖G。進(jìn)入下一次循環(huán)，直到節(jié)點(diǎn)j的數(shù)據(jù)量Dj為0時，結(jié)束循環(huán)。dataSizeBySatellite定義為：

其中，Tj是j節(jié)點(diǎn)的時間窗口，單位為s，Vs是星間鏈路速率，單位為Mbit/s。

步驟6每次從一個時間片切換到下一個時間片，判斷上一個時間片內(nèi)的每條最短路徑中的星間和星地鏈路狀態(tài)是否發(fā)生變化，如果沒有發(fā)生變化，則將兩時間片合并，保留該path并更新S和D矩陣，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D中刪除此路徑后更新無向圖G。重復(fù)步驟2～4，直至所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸完成或時間序列遍歷結(jié)束。

2 仿真設(shè)計及結(jié)果分析

2.1 仿真模型

本文構(gòu)造了一個搭載SAR（synthetic aperture radar，合成孔徑雷達(dá)）載荷的Walker構(gòu)型遙感衛(wèi)星星座。將軌道高度設(shè)定為562.22 km，軌道傾角為97.65°，構(gòu)建15個軌道面，升交點(diǎn)赤經(jīng)分別為0°、24°、48°、72°、96°、120°、144°、168°、192°、216°、240°、264°、288°、312°和336°，每個軌道面均勻分布16顆遙感衛(wèi)星，相鄰軌道面同位置的衛(wèi)星相位差為5°。每顆衛(wèi)星上有4個星間鏈路天線和一個星地鏈路天線，星間鏈路天線用于與相鄰4顆衛(wèi)星建立星間連接，星地鏈路天線用于與地面數(shù)傳站建立星地連接。分別沿經(jīng)緯方向設(shè)計星間鏈路，生成網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，隨著衛(wèi)星的在軌運(yùn)行，計算星間相對距離、角速度、俯仰角和方位角，根據(jù)這些參數(shù)的約束值判定星間鏈路的通斷狀態(tài)和權(quán)值，并更新到鄰接矩陣中。地面站選擇我國國境區(qū)域內(nèi)的烏魯木齊站區(qū)、鄭州站區(qū)和常熟站區(qū)，每個站區(qū)配置10副天線，該3站區(qū)過軌機(jī)會較多并符合建站條件。

2.2 仿真參數(shù)設(shè)置

設(shè)置兩組實(shí)驗，分別配置不同的異軌星間鏈搭載規(guī)模。兩組實(shí)驗星間鏈配置示意圖如圖4所示，第一組實(shí)驗每個軌道選取4顆星（位置分別為第1位置、第5位置、第9位置、第13位置）搭載異軌星間鏈，全網(wǎng)配置同軌星間鏈，第二組實(shí)驗全網(wǎng)配置同軌、異軌星間鏈，每組實(shí)驗分別仿真?zhèn)鹘y(tǒng)遙感衛(wèi)星彎管式數(shù)傳和基于本文路由任務(wù)規(guī)劃算法的數(shù)傳情況。根據(jù)調(diào)研現(xiàn)有的成熟星間鏈載荷參數(shù)并結(jié)合星座構(gòu)型的設(shè)計情況，設(shè)置星間鏈路約束項為距離不大于3 000 km，配置星間鏈載荷的俯仰角為?14 °～+14 °，相對運(yùn)動角速度不大于0.2 °/s，星間鏈路數(shù)傳速率為200 Mbit/s。其中，同軌星間保持相對較為穩(wěn)定，約束方位角范圍為?10 °～+10 °，異軌星間相對方位角變化較大，根據(jù)載荷調(diào)研結(jié)果約束方位角范圍為?75 °～+75 °。星地可見時間窗口約束項為最低仰角不小于5 °，星地鏈路數(shù)傳速率為900 Mbit/s。

圖4 兩組實(shí)驗星間鏈配置示意圖

選取福建省作為遙感星座的觀測目標(biāo)區(qū)域，為簡化仿真配置項，假定僅采用星座的前三軌用于觀測，所有衛(wèi)星可作為中繼節(jié)點(diǎn)完成路由。利用STK（Satellite Tool Kit）仿真計算該星座前三軌在一天內(nèi)（開始時間：2023年1月1日00:00:00，結(jié)束時間：2023年1月2日00:00:00）對福建省的覆蓋情況，輸出的240 顆衛(wèi)星在一天內(nèi)滿足側(cè)擺條件的可成像時段統(tǒng)計報告，結(jié)合SAR載荷條帶模式（幅寬為30 km，分辨率為3 m）下每秒成像產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量為1.12 GB，得出遙感任務(wù)調(diào)度規(guī)劃結(jié)果，見表1。根據(jù)以上約束項和遙感任務(wù)調(diào)度規(guī)劃結(jié)果，分別對兩組實(shí)驗進(jìn)行一天（開始時間：2023年1月1日00:00:00，結(jié)束時間：2023年1月2日00:00:00）的路由仿真。

表1 遙感任務(wù)調(diào)度規(guī)劃結(jié)果

2.3 仿真結(jié)果

每軌選擇4顆星配置異軌星間鏈的拓?fù)湎聝煞N策略的數(shù)傳量（速率）對比如圖5所示，由第一組實(shí)驗結(jié)果可知，基于本文路由任務(wù)規(guī)劃算法的數(shù)傳速度明顯高于基于傳統(tǒng)遙感衛(wèi)星彎管式數(shù)傳的數(shù)傳速度?；诒疚穆酚扇蝿?wù)規(guī)劃算法，星座在2 h內(nèi)完成全部遙感數(shù)據(jù)的對地數(shù)傳，而基于傳統(tǒng)遙感衛(wèi)星彎管式數(shù)傳方法則再需要額外30 min左右才能完成全部數(shù)傳任務(wù)。本文提出的路由任務(wù)規(guī)劃算法能夠顯著提升低軌遙感衛(wèi)星星座的數(shù)傳能力。

圖5 每軌選擇4顆星配置異軌星間鏈的拓?fù)湎聝煞N策略的數(shù)傳量（速率）對比

第一組實(shí)驗拓?fù)涞男情g鏈路配置規(guī)模較小，第二組實(shí)驗設(shè)置全網(wǎng)配置星間鏈，其他參數(shù)與第一組實(shí)驗完全相同。全網(wǎng)配置星間鏈的拓?fù)湎聝煞N策略的數(shù)傳量（速率）對比如圖6所示，由第二組實(shí)驗結(jié)果可以看出，異軌星間鏈的配置規(guī)模的擴(kuò)大對遙感星座的數(shù)傳速率影響很大，全網(wǎng)配置同軌星間鏈的拓?fù)湓?.5 h左右即完成全部遙感數(shù)據(jù)的對地數(shù)傳，其數(shù)傳能力約為每軌選擇4顆星配置異軌星間鏈的1.5倍。

圖6 全網(wǎng)配置星間鏈的拓?fù)湎聝煞N策略的數(shù)傳量（速率）對比

3 結(jié)束語

本文針對遙感衛(wèi)星星座的數(shù)傳任務(wù)能力不足、觀測數(shù)據(jù)對地下傳實(shí)時性差的問題，提出了一種基于遙感任務(wù)調(diào)度規(guī)劃結(jié)果的路由任務(wù)規(guī)劃算法。該算法借鑒通信星座中基于快照序列的拓?fù)鋭澐炙枷?，提出星地最?yōu)建鏈策略和將地面站節(jié)點(diǎn)與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)籌規(guī)劃的策略，能夠基于遙感任務(wù)調(diào)度規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行數(shù)傳任務(wù)的路由規(guī)劃。下一步工作將對遙感星座的路由協(xié)議部分進(jìn)行深入研究。