CN108832985A - 用于中继卫星天地一体化网络的移动ip通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于中继卫星天地一体化网络的移动IP通信系统及方法，属于卫星通信技术领域。切换控制器使用SNMP协议对IP路由器进行控制：当用户中心的设备需要与航天器内的设备进行通信时，切换控制器根据可视状态信息，实时选定可使用的中继卫星，从静态路由表和动态路由表中确定最优路由路径；据此建立前向通信链路进行数据传输。所提出的静态和动态路由控制方法针对不同的中继卫星网络结构，适用性强，控制简单、实现灵活，适合对中继卫星系统中的网络设备进行管理，解决固定IP移动所带来的天地网络链路自动化切换和动态路由修复问题。

Description

用于中继卫星天地一体化网络的移动IP通信系统及方法

技术领域

本发明涉及一种利用中继卫星系统的移动IP通信系统及方法，属于卫星通信领域。

背景技术

为适应以载人空间站为代表的具有IP子网的大型航天器的出现，如何将地面网络与航天器进行对接，形成天地一体化IP网络的传输需求越来越明显。中继卫星系统由于其高覆盖率、高传输速率和高动态适应性的特点，在卫星管理和空间信息传输方面发挥着巨大作用，是未来天地一体化网络中的重要空间基础设施。对于基于中继卫星的天地一体化IP网络的应用，用户航天器在多颗中继卫星间切换所产生的移动性管理问题是必需要解决的关键问题，首先当存在多颗可供选择的中继卫星时(虽然当前各国发射的中继卫星数量较小，但是随着未来部署更多的中继卫星和地面站是必然的趋势)，如发明申请201710006256.7、201710006683.5等提供了根据多种因素选择最优中继卫星进行数据转发方法。而对于在空间移动中且具有IP地址的航天器从一颗中继卫星覆盖区域运动到另一颗中继卫星覆盖区域时，地面路由器不能自动改变路由路径，造成前向数据不能自动路由到用户航天器的现象。虽然地面蜂窝移动通信系统给出一些类似的启示，但是天地一体化IP网络的拓扑结构和通信方式有其自身的特点，应根据地面IP网络的拓扑结构特点，针对中继卫星系统的工程特点，提出一种基于中继卫星的天地一体化IP网络移动性管理方法，适用于不同中继卫星网络拓扑结构的路由控制算法，解决固定IP移动所带来的天地网络链路自动化切换和动态路由修复问题。

发明内容

针对现有技术的不足，根据地面IP网络的拓扑结构特点，针对中继卫星系统的工程特点，本发明提供了一种用于中继卫星天地一体化网络的移动IP通信系统及方法，适用于不同中继卫星网络拓扑结构的路由控制算法，解决固定IP移动所带来的天地网络链路自动化切换和动态路由修复问题。

本发明提出的用于中继卫星天地一体化网络的移动IP通信系统，包括：

航天器、中继卫星、地面站、管控中心和用户中心、地面IP网络；地面站和中继卫星的数量分别大于等于2个；每个中继卫星对应一个或多个隶属于该中继卫星的地面站；

其中，航天器、地面站、管控中心和用户中心内均具设有各自的IP路由器，地面站、管控中心和用户中心内的IP路由器均接入地面IP网络；

用户中心和航天器内均有多个设备，每个设备均通过网络接口与各自的IP路由器相连；每个设备都具有唯一的IP地址；

管控中心还包括切换控制器；其中切换控制器包括服务器、显示设备；所述服务器包括存储器、处理器和文件服务器；显示设备用于显示各IP路由器状态、静态路由控制方法和动态路由控制方法下得到的路由路径规划结果；

管控中心还包括可视状态信息，存储于管控中心的文件服务器；

所述可视状态信息，包括航天器运行轨道信息、各中继卫星波束覆盖范围、当前的时间信息、各地面站与中继卫星的隶属关系、各地面站与管控中心之间的相对距离信息、各地面站与管控中心的地理位置信息、地面站当前是否处于正常工作状态的信息；

管控中心还包括静态路由表，装载至管控中心IP路由器；

所述静态路由表，包括从用户中心到管控中心，再经指定地面站到航天器的各路由。

本发明提出的用于中继卫星天地一体化网络的移动IP通信方法，针对前向通信链路，即路由路径的出发点和结束点分别为用户中心的设备和航天器内的设备，若设备A位于用户中心的IP路由器IP地址范围内，设备C位于航天器的IP路由器IP地址范围内，则当设备A向设备C建立通信时，包括如下步骤：

①用户中心的设备A发出与航天器的设备C建立路由的申请信息，该申请信息通过用户中心的IP路由器接入地面IP网络，管控中心的切换控制器通过网络接口从地面IP网络接收该申请信息；

②切换控制器从文件服务器中读取可视状态信息，通过网络接口导入切换控制器的存储器；切换控制器根据可视状态信息，实时选定可使用的中继卫星，使航天器在中继卫星的波束覆盖范围内；

若当前系统采用静态路由控制方法，则根据可视状态信息、所选定的中继卫星和指定地面站，切换控制器的处理器从静态路由表中确定路由路径，作为路由路径规划结果；并发送至显示设备进行输出；

若当前系统采用动态路由控制方法，则根据可视状态信息、所选定的中继卫星，切换控制器的处理器依据OSPF协议计算获得从用户中心到航天器的最优路由路径，作为路由路径规划结果；并发送至显示设备进行输出；

③若当前系统采用静态路由控制方法，则切换控制器使用SNMP协议对管控中心路由器进行控制；切换控制器通过网络接口，将路由路径规划结果经地面IP网络发送至用户中心IP路由器，用户中心根据路由路径规划结果，将用户中心设备A中待发送的IP业务数据经该路由路径发送至航天器设备C；

若当前系统采用动态路由控制方法，则切换控制器使用SNMP协议对地面IP网络内的各个IP路由器进行控制，地面IP网络中的其它地面站的IP路由器通过OSPF协议收敛获取路由路径规划结果；切换控制器通过网络接口，将路由路径规划结果经地面IP网络发送至用户中心IP路由器，用户中心根据路由路径规划结果，将用户中心设备A中待发送的IP业务数据经该路由路径发送至航天器设备C；

④切换控制器根据可视状态信息判断航天器是否处于所使用的中继卫星的覆盖范围内，并按照需要对路由路径规划进行更新；或者每隔一段时间重复步骤②，对路由路径规划结果进行更新；然后重复步骤③；直至用户中心向航天器发送数据完成后，或者当目标航天器飞出各中继卫星的覆盖范围时，将已建立的路由路径释放。

对比现有技术，本发明有益效果在于，根据基于中继卫星的天地一体化IP网络特点，采用简单网络管理协议(Simple Network Management Protocol，SNMP)监测和管理连接到网络上的设备，实现用户航天器在高度运动条件下与IP网络的可靠连接，解决了固定IP移动所带来的天地网络链路自动化切换和动态路由修复问题，解决了用户目标在多星间进行切换时必需解决的关键问题。两种路由控制算法针对不同的中继卫星网络结构，具有更广的适用性，控制简单、实现灵活，适合对中继卫星系统中的网络设备进行管理。

附图说明

图1为本发明所述系统的实施例示意图；

图2为本发明所述系统的实施例中管控中心和切换控制器的示意图。

具体实施方式

下面将对本发明加以详细说明，同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

本发明提供的一种用于中继卫星天地一体化网络的移动IP通信系统，包括：

航天器、中继卫星、地面站、管控中心和用户中心、地面IP网络；地面站和中继卫星的数量分别大于等于2个；每个中继卫星对应一个或多个隶属于该中继卫星的地面站；

其中，航天器、地面站、管控中心和用户中心内均具设有各自的IP路由器，地面站、管控中心和用户中心内的IP路由器均接入地面IP网络；

用户中心和航天器内均有多个设备，每个设备均通过网络接口与各自的IP路由器相连；每个设备都具有唯一的IP地址；

管控中心还包括切换控制器；其中切换控制器包括服务器、显示设备；所述服务器包括存储器、处理器和文件服务器；显示设备用于显示各IP路由器状态、静态路由控制方法和动态路由控制方法下得到的路由路径规划结果；

管控中心还包括可视状态信息，存储于管控中心的文件服务器；

所述可视状态信息，包括航天器运行轨道信息、各中继卫星波束覆盖范围、当前的时间信息、各地面站与中继卫星的隶属关系、各地面站与管控中心之间的相对距离信息、各地面站与管控中心的地理位置信息、地面站当前是否处于正常工作状态的信息；

管控中心还包括静态路由表，装载至管控中心IP路由器；

所述静态路由表，包括从用户中心到管控中心，再经指定地面站到航天器的各路由。

当采用静态路由控制方法时，切换控制器使用SNMP协议对管控中心IP路由器进行控制：当用户中心的设备需要与航天器内的设备进行通信时，切换控制器根据可视状态信息，实时选定可使用的中继卫星，使航天器在该中继卫星的波束覆盖范围内，并获得与该中继卫星具有隶属关系的可用的地面站，从静态路由表中确定路由信息作为路由路径规划结果；然后根据切换控制器提供的路由信息建立路由路径，进行数据传输；当用户中心向航天器发送数据完成后，将已建立的路由路径释放。

当采用动态路由控制方法时，切换控制器使用SNMP协议对地面IP网络内的各个IP路由器进行控制：当用户中心的设备需要与航天器内的设备进行通信时，切换控制器根据可视状态信息，实时选定可使用的中继卫星，使航天器在中继卫星的波束覆盖范围内，并依据OSPF协议得到的用户中心与航天器通信的最优路由路径，从而确定路由信息，地面IP网络中的各地面站的IP路由器通过OSPF协议收敛获取此条路由信息；然后根据切换控制器提供的路由信息建立路由路径，进行数据传输；通信过程中，将管控中心视作一个可用的地面站；当用户中心向航天器发送数据完成后，将已建立的路由路径释放。

此处，对切换控制器进一步解释，见附图2：

①组成：切换控制器硬件为一台具备基本运算能力的服务器和一台显示设备，使用专用开发的软件，具体由存储器、处理器、显示设备和文件服务器四个模块组成。

②接口：切换控制器与管控中心IP路由器通过网络接口相连接，从而接入地面IP网络，可以对所有路由节点进行控制。

切换控制器与文件服务器通过网络接口相连接，用于读取服务器中的可视状态信息，作为IP移动管理方法的输入条件。

③协议：使用简单网络管理协议(Simple Network Management Protocol，SNMP)协议。

④显示设备的软件界面：软件的显示界面用于显示接入网络的路由器状态(包括是否在线，是否可用)、静态和动态路由控制方法下得到路由路径规划结果等。

实施例1：静态路由控制方法

采用静态路由控制方法的路由路径必须通过管控中心：

如附图1，静态路由表中可选择的具体路由路径为：

设备A-路由器4-地面IP网络-路由器3-地面IP网络-路由器1-中继卫星1-路由器5-设备C。

设备A-路由器4-地面IP网络-路由器3-地面IP网络-路由器2-中继卫星2-路由器5-设备C。

1)当目标航天器进入中继卫星1的覆盖范围时，管控中心的切换控制器根据可视状态信息，通过SNMP协议对管控中心的IP路由器进行控制，切换控制器根据可视状态信息从静态路由表确定路由路径规划结果：设备A-路由器4-地面IP网络-路由器3-地面IP网络-路由器1-中继卫星1-路由器5-设备C；

2)当目标航天器从中继卫星1的覆盖范围向中继卫星2的覆盖范围进行切换时，切换控制器根据可视状态信息，通过SNMP协议对管控中心的IP路由器进行控制，切换控制器根据可视状态信息从静态路由表确定路由路径规划结果，设置管控中心IP路由器的下一跳路由从隶属于中继卫星1的地面站1切换为隶属于中继卫星2的地面站2；此时，根据路由路径规划结果建立路由路径：设备A-路由器4-地面IP网络-路由器3-地面IP网络-路由器2-中继卫星2-路由器5-设备C。

3)每隔一段时间切换控制器根据可视状态信息对路由路径规划结果进行更新，直至用户中心向航天器发送数据完成后，或者当目标航天器飞出各中继卫星的覆盖范围时，将已建立的路由路径释放。

实施例2：动态路由控制方法

如附图1，根据网络的拓扑结构，可选择的具体路由路径为：

设备A-路由器4-地面IP网络-路由器1-中继卫星1-路由器5-设备C。

设备A-路由器4-地面IP网络-路由器2-中继卫星2-路由器5-设备C。

设备A-路由器4-地面IP网络-路由器3-地面IP网络-路由器1-中继卫星1-路由器5-设备C。

设备A-路由器4-地面IP网络-路由器3-地面IP网络-路由器2-中继卫星2-路由器5-设备C。

设备A-路由器4-地面IP网络-路由器2-地面IP网络-路由器1-中继卫星1-路由器5-设备C。

设备A-路由器4-地面IP网络-路由器1-地面IP网络-路由器2-中继卫星2-路由器5-设备C。

1)当目标航天器进入中继卫星1的覆盖范围时，切换控制器使用SNMP协议对地面IP网内的各个IP路由器进行控制，依据OSPF协议计算获得从用户中心到航天器的最优路由路径(动态路由控制方法下的最优路由路径，假设为设备A-路由器4-地面IP网络-路由器3-地面IP网络-路由器1-中继卫星1-路由器5-设备C)作为路由路径规划结果，地面IP网络内其它IP路由器通过OSPF协议收敛获取此条路由信息；当设备A与设备C进行前向通信时，建立路由路径：设备A-路由器4-地面IP网络-路由器3-地面IP网络-路由器1-中继卫星1-路由器5-设备C。

2)当目标航天器从中继卫星1的覆盖范围向中继卫星2的覆盖范围进行切换时，切换控制器通过SNMP协议将地面站1路由器中目标地址为设备C的路由信息释放，依据OSPF协议计算获得从用户中心到航天器的最优路由路径(动态路由控制方法下的最优路由路径，假设为设备A-路由器4-地面IP网络-路由器3-地面IP网络-路由器2-中继卫星2-路由器5-设备C)，地面IP网络内其它路由器通过OSPF协议重新收敛获取修改后的路由信息。此时，路由路径重新变成了设备A-路由器4-地面IP网络-路由器3-地面IP网络-路由器2-中继卫星2-路由器5-设备C；

3)每隔一段时间切换控制器根据可视状态信息对路由路径规划结果进行更新，直至用户中心向航天器发送数据完成后，或者当目标航天器飞出各中继卫星的覆盖范围时，将已建立的路由路径释放。

本发明主要基于SNMP协议的IP网络静态和动态路由控制方法，为航天器在不同条件下均能可靠地接入IP网提供技术支撑。

本技术方案采用简单网络管理协议(Simple Network Management Protocol，SNMP)监测和管理连接到网络上的设备，具有控制简单、实现灵活的特点，适合对中继卫星系统中的网络设备进行管理。

1)对于地面站规模小、用户数量少、相对简单的中继卫星系统，采用静态路由控制方法，即在基于中继卫星的天地一体化IP网络中添加一个静态路由表和一台专用的路由切换控制器。其中，静态路由表用来记录前向数据通信时所有可能通过的路由信息，作为接入和切换时的路由寻址依据，将其装载至切换控制器内；切换控制器为一台支持SNMP协议的专用设备，将航天器飞行航迹和可视状态信息提前输入切换控制器，作为触发条件，实现对中心路由器的切换控制。该方法实现简单、影响域小，必须要有中心路由器支持。

2)对于地面站规模较大、用户数量较多、相对复杂的中继卫星系统，采用动态路由控制方法，即在基于中继卫星的天地一体化IP网络中添加一组动态路由表和一台专用的切换控制器。其中，每个地面站的IP路由器加载一个路由表项，用于指向航天器用户设备的路由信息；切换控制器接入网内并对网内各IP路由器进行控制，依然采用可视状态信息作为触发条件，直接对各地面站的路由信息进行控制。该方法灵活性强、便于扩展。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换和替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (2)

1.用于中继卫星天地一体化网络的移动IP通信系统，其特征在于，包括：

航天器、中继卫星、地面站、管控中心和用户中心、地面IP网络；地面站和中继卫星的数量分别大于等于2个；每个中继卫星对应一个或多个隶属于该中继卫星的地面站；

其中，航天器、地面站、管控中心和用户中心内均具设有各自的IP路由器，地面站、管控中心和用户中心内的IP路由器均接入地面IP网络；

用户中心和航天器内均有多个设备，每个设备均通过网络接口与各自的IP路由器相连；每个设备都具有唯一的IP地址；

管控中心还包括切换控制器；其中切换控制器包括服务器、显示设备；所述服务器包括存储器、处理器和文件服务器；显示设备用于显示各IP路由器状态、静态路由控制方法和动态路由控制方法下得到的路由路径规划结果；

管控中心还包括可视状态信息，存储于管控中心的文件服务器；

所述可视状态信息，包括航天器运行轨道信息、各中继卫星波束覆盖范围、当前的时间信息、各地面站与中继卫星的隶属关系、各地面站与管控中心之间的相对距离信息、各地面站与管控中心的地理位置信息、地面站当前是否处于正常工作状态的信息；

管控中心还包括静态路由表，装载至管控中心IP路由器；

所述静态路由表，包括从用户中心到管控中心，再经指定地面站到航天器的各路由。

2.用于中继卫星天地一体化网络的移动IP通信方法，其特征在于，

针对前向通信链路，即路由路径的出发点和结束点分别为用户中心的设备和航天器内的设备，若设备A位于用户中心的IP路由器IP地址范围内，设备C位于航天器的IP路由器IP地址范围内，则当设备A向设备C建立通信时，包括如下步骤：

①用户中心的设备A发出与航天器的设备C建立路由的申请信息，该申请信息通过用户中心的IP路由器接入地面IP网络，管控中心的切换控制器通过网络接口从地面IP网络接收该申请信息；

②切换控制器从文件服务器中读取可视状态信息，通过网络接口导入切换控制器的存储器；切换控制器根据可视状态信息，实时选定可使用的中继卫星，使航天器在中继卫星的波束覆盖范围内；

若当前系统采用静态路由控制方法，则根据可视状态信息、所选定的中继卫星和指定地面站，切换控制器的处理器从静态路由表中确定路由路径，作为路由路径规划结果；并发送至显示设备进行输出；

若当前系统采用动态路由控制方法，则根据可视状态信息、所选定的中继卫星，切换控制器的处理器依据OSPF协议计算获得从用户中心到航天器的最优路由路径，作为路由路径规划结果；并发送至显示设备进行输出；

③若当前系统采用静态路由控制方法，则切换控制器使用SNMP协议对管控中心路由器进行控制；切换控制器通过网络接口，将路由路径规划结果经地面IP网络发送至用户中心IP路由器，用户中心根据路由路径规划结果，将用户中心设备A中待发送的IP业务数据经该路由路径发送至航天器设备C；

若当前系统采用动态路由控制方法，则切换控制器使用SNMP协议对地面IP网络内的各个IP路由器进行控制，地面IP网络中的其它地面站的IP路由器通过OSPF协议收敛获取路由路径规划结果；切换控制器通过网络接口，将路由路径规划结果经地面IP网络发送至用户中心IP路由器，用户中心根据路由路径规划结果，将用户中心设备A中待发送的IP业务数据经该路由路径发送至航天器设备C；

④切换控制器根据可视状态信息判断航天器是否处于所使用的中继卫星的覆盖范围内，并按照需要对路由路径规划进行更新；或者每隔一段时间重复步骤②，对路由路径规划结果进行更新；然后重复步骤③；直至用户中心向航天器发送数据完成后，或者当目标航天器飞出各中继卫星的覆盖范围时，将已建立的路由路径释放。