CN110266366A - 一种卫星导航系统数据传输跨层高效交换方法 - Google Patents

一种卫星导航系统数据传输跨层高效交换方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种卫星导航系统数据传输跨层高效交换方法。针对一种由GEO卫星星座、IGSO卫星星座、MEO卫星星座和地面注入站(Uplink Stations)组成的混合多层星座网络拓扑结构，基于节点之间的可见性进行网段划分，提出在网段内节点之间通信采用MAC地址进行二层交换，网段外节点之则通过网络层IP地址进行交换的跨层交换思想。详细描述了应用于全球卫星导航系统多层星座网络的跨层交换技术和应用于该混合多层星座网络拓扑结构的算法，与传统的数据链路交换和网络层路由技术相比，本方法结合了交换与路由各自的优势，既克服了链路层交换存在的广播风暴问题，又比网络层路由复杂度低，延迟小，有利于星上实现。

Description

一种卫星导航系统数据传输跨层高效交换方法
技术领域
本发明属于数据传输技术领域，具体涉及一种卫星导航系统数据传输跨层高效交换方法。
背景技术
全球卫星导航系统建立类似于铱系统的星间数据传输系统是未来导航系统发展的趋势。应用于GNSS的交换技术正在逐步展开应用，如美国GPS IIF已有UFH波段星间链路，GPS IIIC将建立全Ka波段的星间链路，因此卫星导航系统基于星上的交换、路由技术国外已展开研究。国内外研究卫星通信网络的交换、路由技术的文献较多，由于系统业务需求差异，导航卫星载荷空间等限制，不能具有像通信卫星那样强的通信能力等因素，使得这些技术一般不能直接运用。而研究用于GNSS交换、路由技术的相关著作却较少。文献提出了一种地面站集中式处理导航卫星星间链路动态路由技术，有效的解决了路由计算量大，星上资源难以承受的问题，但此算法对地面站的依赖较大，离开地面系统支持，导航系统难以实现自主导航。本发明建议在设计导航卫星星间链路通信协议时引入跨层思想，但未给出具体算法。本发明充分考虑以上问题，提出了一种应用于多层星座卫星导航系统的跨层交换技术，使得网络层和数据链路层共同参与数据交换，该技术基于导航卫星有限的通信处理能力，利用网段划分和链路层交换简化路由计算开销，同时，系统具有脱离地面自主运行的能力。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种卫星导航系统数据传输跨层高效交换方法。
本发明的技术方案为：一种卫星导航系统数据传输跨层高效交换方法，建立一个将由5颗GEO，3颗IGSO，3×8颗MEO，共32颗星组成GEO/IGSO/MEO多层卫星星座系统，基于所述系统抽象出网络拓扑结构，进行分析，包括以下步骤：
步骤1，为网络拓扑的构建以及网段的划分进行可见性分析，分别通过公式(1)-(4)定义两圆轨道卫星在能见极限情况下的极限能见角；
步骤2，利用STK软件建立模型场景对系统进行了仿真分析，得到系统之间的可见关系和持续时间，进而分析整网的可见性关系；
步骤3，利用地面注入站具有注入能力强、天线覆盖卫星多的优势，在地面注入站与卫星之间建立多条链路，其中，对于注入站E1，建立的星地注入链路有：GEO 1、GEO2和GEO3的星地链路；和过境可视的0～4颗可视MEO卫星的星地链路；注入站E2、E3与E1有相似的链路结构；GEO卫星之间有星间链路；异轨的MEO卫星同向平面间相邻卫星有星间链路，相反运动方向轨道面卫星间无星间链路。构造一个分层的网络拓扑结构；
步骤4，根据步骤3的网络拓扑结构，将所述系统划分为5个网段：
NSi＝(MEOi,1,MEOi,2,MEOi,3,MEOi,4,MEOi,5,MEOi,6,MEOi,7,MEOi,8)，i＝1,2,3；
NS4＝(GEO1,GEO2,GEO3,GEO4,GEO5,E1,E2,E3)；
NS5＝(IGSO1,IGSO2,IGSO3)
其中，三个MEO轨道面内部之间构成类似与环形网的结构，拓扑结构固定不变；GEO1，GEO2，GEO3，GEO4，GEO5，E1，E2，E3星地之间通信，直接通过MAC地址进行数据转发，拓扑结构固定不变；
步骤5，对MAC映射表和路由表进行查询和围护；
步骤6，当数据在网段内传输时，链路层MAC地址映射表负责对接受到得数据进行判断，若为本节点的数据，则直接递交给上层，否则通过映射关系转发；
步骤7，进行伪码算法建立IP地址与MAC地址映射表，星间链路路由表上注，即要求所有卫星对上注信息同时执行，确保所有卫星星间链路路由信息同步。
进一步地，步骤1中所述公式(1)-(4)为：
α1＝cos-1(Re/r10) (1)
α2＝cos-1(Re/r20) (2)
式中，Re为地球半径，r10和r20卫星轨道半径；
两颗卫星与地心的连线之间的夹角为：
式中r1和r2为两颗卫星与地心的距离矢量，因此，两颗卫星之间的能见性函数为：
若则卫星之间可见，则不可见；因此，两卫星之间通信的必要条件是对于卫星与地面注入站的可见关系，本质上和卫星之间的能见性函数一致，只要把其中一颗卫星与地心的距离矢量如r2改为注入站与地心的距离矢量re即可。
进一步地，步骤2中STK软件仿真分析的参数为：GEO星座包括GEO1、GEO2、GEO3、GEO4、GEO5，经度依次为58°、80°、110°、140°、160°；IGSO星座的真近点角0°/120°/240°，倾角45°，经度100°；MEO星座的轨道高度为20190km，星座类型为Walker 24/3/2；地面站注入站包括E1、E2、E3，分别代表喀什、三亚、北京。
进一步地，步骤3所述的网络拓扑结构模型的邻接矩阵可表示为：
其中，设G＝(V,E)是一个无向图，V＝(v1,v2,...,v14)，v1,v2,...,v14分别代表注入站E1、E2与E3，GEO卫星1、2、3、4、5，IGSO卫星1、2、3和MEO轨道面1、2、3；把同轨道面的8颗MEO卫星作为一个节点整体对待；把MEO星座同轨道面的8颗卫星视作一个节点，-为地面注入站之间的通信，作为地面通信，一般考虑用地面专线通信和通用协议；函数、、和分别表示注入站与IGSO卫星之间、注入站与MEO轨道节点之间、GEO卫星与MEO轨道节点之间以及IGSO与MEO轨道节点之间的可达性，与其连接的卫星数随时间周期变化，周期与卫星周期相同，因此A是一个周期的动态的矩阵。其N步可达矩阵；，当N≥3时，矩阵中的元素都为1。
进一步地，步骤5中所述路由表里面存放网段地址划分、IP地址、下一跳MAC地址、端口信息等。MAC映射表由网段内部分和网段间部分组成；网段内部分一般很少更新，除非有故障设备，网段间部分则一天内有数次更新，更新由网络层发起；路由表一天也会有数次更新，当链路层交换发现有链路不通时，激发网络层进行重新路由，引起路由表更新，当路由成功后，把该条路径的MAC地址对应更新到MAC映射表。
进一步地，步骤6中所述数据在网段间传输时，节点首先查看是否MAC地址映射表里已有该数据目的节点的地址，如果有，直接通过链路层转发，否则，则网络层发起路由，成功后对数据进行转发，并在MAC地址映射表中建立相应的映射关系，MAC地址映射表。
进一步地，步骤7中所述星间链路路由信息数据域包括：目的卫星编号、时间信息、星间路由信息。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明的卫星导航系统将建立星地一体化的数据传输体制，过星间测距和数据传输实现自主导航。针对一种由GEO卫星星座、IGSO卫星星座、MEO卫星星座和地面注入站(Uplink Stations)组成的混合多层星座网络拓扑结构，基于节点之间的可见性进行网段划分，提出在网段内节点之间通信采用MAC地址进行二层交换，网段外节点之则通过网络层IP地址进行交换的跨层交换思想。详细描述了应用于全球卫星导航系统多层星座网络的跨层交换技术和应用于该混合多层星座网络拓扑结构的算法，与传统的数据链路交换和网络层路由技术相比，本方法结合了交换与路由各自的优势，既克服了链路层交换存在的广播风暴问题，又比网络层路由复杂度低，延迟小，有利于星上实现。
附图说明
图1是本发明GEO/IGSO/MEO多层卫星星座系统通信节点的组成图；
图2是本发明实施例中三亚注入站对卫星的可见关系和持续时间图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对于本发明的各种等价形式地修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
1.网络拓扑模型假设
建立了一个将由5颗GEO，3颗IGSO，3×8颗MEO，共32颗星组成GEO/IGSO/MEO多层卫星星座系统(GEO/IGSO/MEO Constellations)。抽象出网络拓扑结构，进行分析。本文还把注入站作为网络通信节点的重要组成部分。其组成可二维表示如图1所示。
1.1可见性分析
可见性的分析，主要是为网络拓扑的构建，网段的划分提供基础。对于两颗在轨卫星来说，只有它们之间的连线高于地球表面时才能互相看到对方。对于卫星和注入站而言，它们之间的连线必须高于地平线才能互相可见。定义两圆轨道卫星在能见极限情况下的极限能见角分别为式1和式2：
α1＝cos-1(Re/r10) (1)
α2＝cos-1(Re/r20) (2)
式中，Re为地球半径，r10和r20卫星轨道半径。
两颗卫星与地心的连线之间的夹角为：
式中r1和r2为两颗卫星与地心的距离矢量。因此，两颗卫星之间的能见性函数为：
若则卫星之间可见，则不可见。因此，两卫星之间通信的必要条件是对于卫星与地面注入站的可见关系，本质上和卫星之间的能见性函数一致，只要把其中一颗卫星与地心的距离矢量如r2改为注入站与地心的距离矢量re即可。
为进一步分析整网的可见性关系，本文对用STK软件建立该模型的场景对系统进行了仿真分析，设置参数如表1：
表1 STK软件对系统进行仿真分析的可见性仿真参数配置
仿真可得到系统之间的可见关系和持续时间，图2显示的是2007年7月1日12时到次日12时，三亚对卫星的可见关系和持续时间，最低仰角设置为5°。
从图2可以看出，三亚注入站对GEO星座的5颗卫星一直可见；对IGSO星座的3颗卫星一直可见；对MEO星座每个轨道面的8颗卫星都有一段时间是非可见的，图中用长方形进行了标注，在其它时间里，三亚注入站对每个轨道面的卫星最大可视个数可达4个。系统内所有节点互相之间的可见关系都可以用类似来得到结果。
从分析仿真可进一步得出：节点之间可视度较高，这是GEO/IGSO/MEO多层卫星星座相比单层LEO星座特有的优势。但考虑到卫星携带天线数目的限制和实现复杂度，不能在所有可视节点之间就搭建链路，这样是不经济的，也不利于系统的管理。
1.2网络拓扑构造
利用地面注入站具有注入能力强、天线覆盖卫星多的优势，可在地面注入站与卫星之间建立多条链路。对于注入站E1，建立的星地注入链路有：GEO 1、GEO2和GEO3的星地链路；和过境可视的0～4颗可视MEO卫星的星地链路；注入站E2、E3与E1有相似的链路结构；GEO卫星之间有星间链路；异轨的MEO卫星同向平面间(inter-plane)相邻卫星有星间链路(ISL)，相反运动方向轨道面卫星间(越缝cross-seam轨道)无ISL。设G＝(V,E)是一个无向图，V＝(v1,v2,...,v14)，v1,v2,...,v14分别代表注入站E1、E2与E3，GEO卫星1、2、3、4、5，IGSO卫星1、2、3和MEO轨道面1、2、3；把同轨道面的8颗MEO卫星作为一个节点整体对待。整个网络模型的拓扑可用以下邻接矩阵(adjacency matrix)表示：
式中，把MEO星座同轨道面的8颗卫星视作一个节点，“—”为地面注入站之间的通信，作为地面通信，一般考虑用地面专线通信和通用协议。函数vi,j、fi,j、gi,j和ui,j分别表示注入站与IGSO卫星之间、注入站与MEO轨道节点之间、GEO卫星与MEO轨道节点之间以及IGSO与MEO轨道节点之间的可达性，与其连接的卫星数随时间周期变化，周期与卫星周期相同，因此A是一个周期的动态的矩阵。其N步可达矩阵(reachability matrix)：RN＝(A+I)N，当N≥3时，矩阵中的元素都为1。
至此，本发明构造了一个分层的网络拓扑结构，GEO卫星有高于MEO的地位，对以上矩阵进行分析可以得出，任何节点在3跳之内都有可达路径，这样的网络结构有利于整网的管理和增强整个网络的鲁棒性。当某个MEO卫星，GEO卫星或地球注入站发生故障或被摧毁，依靠星间、星—地、地—地链路，整个网络依然能够正常工作。
2.跨层交换设计
2.1网段(network segment)划分
根据上节对系统网络拓扑的构造，把系统划分为如下5个网段
NSi＝(MEOi,1,MEOi,2,MEOi,3,MEOi,4,MEOi,5,MEOi,6,MEOi,7,MEOi,8)，i＝1,2,3；NS4＝(GEO1,GEO2,GEO3,GEO4,GEO5,E1,E2,E3)；
NS5＝(IGSO1,IGSO2,IGSO3)
式中，三个MEO轨道面内部之间构成类似与环形网的结构，拓扑结构固定不变。GEO1，GEO2，GEO3，GEO4，GEO5，E1，E2，E3星地之间通信，直接通过MAC地址进行数据转发，拓扑结构固定不变。
2.2映射表查询与维护
每颗卫星一般需要存储两种类型的表，即MAC映射表和路由表。路由表里面存放网段地址划分、IP地址、下一跳MAC地址、端口信息等。MAC映射表由网段内部分和网段间部分组成。网段内部分一般很少更新，除非有故障设备，网段间部分则一天内有数次更新，更新由网络层发起。路由表一天也会有数次更新，当链路层交换发现有链路不通时，激发网络层进行重新路由，引起路由表更新，当路由成功后，把该条路径的MAC地址对应更新到MAC映射表。
2.3协议设计
当数据在网段内传输时，链路层MAC地址映射表负责对接受到得数据进行判断，若为本节点的数据，则直接递交给上层，否则通过映射关系转发。当数据在网段间传输时，节点首先查看是否MAC地址映射表里已有该数据目的节点的地址，如果有，直接通过链路层转发，否则，则网络层发起路由，成功后对数据进行转发，并在MAC地址映射表中建立相应的映射关系，MAC地址映射表。
2.4伪码算法
2)星间链路路由表上注
星间链路路由表上注要求所有卫星对上注信息同时执行，确保所有卫星星间链路路由信息同步。在正常情况下，卫星可以自主计算星间路由，同时地面同步进行动态路由维护，也可以按计划提前由地面上注；在出现异常现象时，可能需要利用星间链路传递路由信息，使星间链路快速恢复正常运行。星间链路路由信息数据域应当包括：目的卫星编号、时间信息、星间路由信息等。一个上注数据包约5000bit。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知技术，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭示的方法范围内，根据本发明的方法及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种卫星导航系统数据传输跨层高效交换方法，建立一个将由5颗GEO，3颗IGSO，3×8颗MEO，共32颗星组成GEO/IGSO/MEO多层卫星星座系统，基于所述系统抽象出网络拓扑结构，进行分析，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，为网络拓扑的构建以及网段的划分进行可见性分析，分别通过公式(1)-(4)定义两圆轨道卫星在能见极限情况下的极限能见角；
步骤2，利用STK软件建立模型场景对系统进行了仿真分析，得到系统之间的可见关系和持续时间，进而分析整网的可见性关系；
步骤3，利用地面注入站具有注入能力强、天线覆盖卫星多的优势，在地面注入站与卫星之间建立多条链路，其中，对于注入站E1，建立的星地注入链路有：GEO1、GEO2和GEO3的星地链路；和过境可视的0～4颗可视MEO卫星的星地链路；注入站E2、E3与E1有相似的链路结构；GEO卫星之间有星间链路；异轨的MEO卫星同向平面间相邻卫星有星间链路，相反运动方向轨道面卫星间无星间链路。构造一个分层的网络拓扑结构；
步骤4，根据步骤3的网络拓扑结构，将所述系统划分为5个网段：
NSi＝(MEOi,1,MEOi,2,MEOi,3,MEOi,4,MEOi,5,MEOi,6,MEOi,7,MEOi,8)，i＝1,2,3；
NS4＝(GEO1,GEO2,GEO3,GEO4,GEO5,E1,E2,E3)；
NS5＝(IGSO1,IGSO2,IGSO3)
其中，三个MEO轨道面内部之间构成类似与环形网的结构，拓扑结构固定不变；GEO1，GEO2，GEO3，GEO4，GEO5，E1，E2，E3星地之间通信，直接通过MAC地址进行数据转发，拓扑结构固定不变；
步骤5，对MAC映射表和路由表进行查询和围护；
步骤6，当数据在网段内传输时，链路层MAC地址映射表负责对接受到得数据进行判断，若为本节点的数据，则直接递交给上层，否则通过映射关系转发；
步骤7，进行伪码算法建立IP地址与MAC地址映射表，星间链路路由表上注，即要求所有卫星对上注信息同时执行，确保所有卫星星间链路路由信息同步。
2.根据权利要求1所述的一种卫星导航系统数据传输跨层高效交换方法，其特征在于，步骤1中所述公式(1)-(4)为：
α1＝cos-1(Re/r10) (1)
α2＝cos-1(Re/r20) (2)
式中，Re为地球半径，r10和r20卫星轨道半径；
两颗卫星与地心的连线之间的夹角为：
式中r1和r2为两颗卫星与地心的距离矢量，因此，两颗卫星之间的能见性函数为：
若则卫星之间可见，则不可见；因此，两卫星之间通信的必要条件是对于卫星与地面注入站的可见关系，本质上和卫星之间的能见性函数一致，只要把其中一颗卫星与地心的距离矢量如r2改为注入站与地心的距离矢量re即可。
3.根据权利要求1所述的一种卫星导航系统数据传输跨层高效交换方法，其特征在于，步骤2中STK软件仿真分析的参数为：GEO星座包括GEO1、GEO2、GEO3、GEO4、GEO5，经度依次为58°、80°、110°、140°、160°；IGSO星座的真近点角0°/120°/240°，倾角45°，经度100°；MEO星座的轨道高度为20190km，星座类型为Walker24/3/2；地面站注入站包括E1、E2、E3，分别代表喀什、三亚、北京。
4.根据权利要求1所述的一种卫星导航系统数据传输跨层高效交换方法，其特征在于，步骤3所述的网络拓扑结构模型的邻接矩阵可表示为：
其中，设G＝(V,E)是一个无向图，V＝(v1,v2,...,v14)，v1,v2,...,v14分别代表注入站E1、E2与E3，GEO卫星1、2、3、4、5，IGSO卫星1、2、3和MEO轨道面1、2、3；把同轨道面的8颗MEO卫星作为一个节点整体对待；把MEO星座同轨道面的8颗卫星视作一个节点，-为地面注入站之间的通信，作为地面通信，一般考虑用地面专线通信和通用协议；函数、、和分别表示注入站与IGSO卫星之间、注入站与MEO轨道节点之间、GEO卫星与MEO轨道节点之间以及IGSO与MEO轨道节点之间的可达性，与其连接的卫星数随时间周期变化，周期与卫星周期相同，因此A是一个周期的动态的矩阵。其N步可达矩阵；，当N≥3时，矩阵中的元素都为1。
5.根据权利要求1所述的一种卫星导航系统数据传输跨层高效交换方法，其特征在于，步骤5中所述路由表里面存放网段地址划分、IP地址、下一跳MAC地址、端口信息等。MAC映射表由网段内部分和网段间部分组成；网段内部分一般很少更新，除非有故障设备，网段间部分则一天内有数次更新，更新由网络层发起；路由表一天也会有数次更新，当链路层交换发现有链路不通时，激发网络层进行重新路由，引起路由表更新，当路由成功后，把该条路径的MAC地址对应更新到MAC映射表。
6.根据权利要求1所述的一种卫星导航系统数据传输跨层高效交换方法，其特征在于，步骤6中所述数据在网段间传输时，节点首先查看是否MAC地址映射表里已有该数据目的节点的地址，如果有，直接通过链路层转发，否则，则网络层发起路由，成功后对数据进行转发，并在MAC地址映射表中建立相应的映射关系，MAC地址映射表。
7.根据权利要求1所述的一种卫星导航系统数据传输跨层高效交换方法，其特征在于，步骤7中所述星间链路路由信息数据域包括：目的卫星编号、时间信息、星间路由信息。
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