CN111162830B - 一种基于轨道预报的星地数据传输路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于轨道预报的星地数据传输路由方法，属于星地数据传输技术领域；步骤一、确定1个地面站节点；统计卫星序列信息S；步骤二、将卫星序列信息S发送至卫星S₁；由卫星S₁将卫星序列信息S发送至其余S₂‑S_N卫星；步骤三、卫星S_X将数据量M_x传输至卫星S_i；步骤四、卫星S_X对存储余量M_d进行判断；步骤五、卫星S_X向卫星S_i发送M_d数据；剩余M_x‑M_d数据暂停发送；直至卫星S_i的存储余量被释放或经过地面站节点的卫星变为卫星S_i+1，再次传输剩余M_x‑M_d数据量；步骤六、卫星S_i将数据量M_x发送至地面站节点；本发明实现了低轨卫星星座的在轨数据到地面站的高效可靠传输，有效减少直接进行星地网络通信时的网络丢包问题。

Description

一种基于轨道预报的星地数据传输路由方法

技术领域

本发明属于星地数据传输技术领域，涉及一种基于轨道预报的星地数据传输路由方法。

背景技术

目前地面站获取卫星数据的方式仍主要采用传统直连的“烟囱式”设计，即当获取到数据的卫星经过地面站时，利用建立的星地链路实现在轨数据的下传。近年来，随着低轨卫星星座发射的日益增多，星间链路的建立使得星座中某颗卫星获取的在轨数据有了发往其他卫星的传输渠道，但地面站获取上述卫星的在轨数据仍旧是采用卫星到卫星的、卫星到地面站的传统直连数据传输通信。这种星地数据的直接传输方式存在着明显缺陷：几乎都需要靠地面进行繁琐的程控任务上注，协调好所有与数据传输相关的星间传输与星地传输的资源，当卫星节点数目众多、网络拓扑复杂时，依靠程控任务上注完成“一事一注”的方式，不仅繁琐易错而且效率极低。

针对大规模通信节点的数据通信，在地面已经有非常成熟的网络通信方案与各种协议标准。以TCP/IP协议为代表的互联网通信，已经成为当前最主要的地面网络通信方案。随着地面网络通信的广泛应用，互联网技术已经逐渐应用到空间数据传输领域，基于TCP/IP、CCSDS及DTN等协议形成的天星地网、天基网络等网络通信方式也日渐增多，这种空间信息网络根据空间环境特点及网络动态特性，完成网络的接入管理、路由交换和可靠传输等工作。如应用于大规模网络测控运维管理的天星地通信网络，将地面信关站、运控站、测控站、控管中心等节点联网，对各种轨道飞行器实施测控、运控和提供数传服务；或类似于移动蜂窝通信，通过卫星接力完成地面终端到地面终端的通信卫星服务等。

随着目前各国大规模低轨卫星星座的部署与发射，网络数据传输将成为用户及时高效获取卫星数据的主要途径。但是针对地面站对大规模低轨卫星星座的在轨数据获取，目前国内卫星设计领域尚没有采用网络数据传输的实例，也未见文献或相关资料来描述上述应用场景下卫星星座到地面站的具体路由实现方式。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于轨道预报的星地数据传输路由方法，实现了低轨卫星星座的在轨数据到地面站的高效可靠传输，有效减少直接进行星地网络通信时因为星地通信链路未建立而无法发现星地路由等原因引起的网络丢包问题。

本发明解决技术的方案是：

一种基于轨道预报的星地数据传输路由方法，包括如下步骤：

步骤一、在地面确定1个地面站节点；统计即将依次经过该地面站节点的卫星序列信息S，S＝{(S₁,T₁)，(S₂,T₂)，…，…，(S_i,T_i)，(S_N-1,T_N-1)，(S_N,T_N)}；其中，S_i为经过地面站节点的卫星序号；T_i为S_i卫星的出站时间；

步骤二、当第一颗卫星S₁经过地面站节点时，通过地面站节点将卫星序列信息S发送至第一颗卫星S₁；由第一颗卫星S₁将卫星序列信息S发送至其余S₂-S_N卫星；

步骤三、当有星地数据传输需求，需要传输数据的卫星S_X判断当前时刻t，正在经过地面站节点卫星S_i；将需要传输的数据量M_x传输至卫星S_i；

步骤四、卫星S_i接收数据量M_x后，计算自身存储余量M_d；并将存储余量M_d发送至传输数据卫星S_X；传输数据卫星S_X根据存储余量M_d进行判断；当存储余量M_d小于数据量M_x时，进入步骤五；否则，进入步骤六；

步骤五、传输数据卫星S_X向卫星S_i发送M_x中M_d数据量的数据；剩余M_x-M_d数据量的数据暂停发送；直至卫星S_i的存储余量被释放或随时间推移，经过地面站节点的卫星变为卫星S_i+1时，再次传输剩余M_x-M_d数据量；

步骤六、卫星S_i将接收的数据量M_x发送至地面站节点。

在上述的一种基于轨道预报的星地数据传输路由方法，所述步骤一中，i为正整数，且1≤i≤N。

在上述的一种基于轨道预报的星地数据传输路由方法，所述卫星序列信息S的统计方法为：

地面站节点在起始时刻T₀，根据在轨卫星的轨道参数和自身的地理位置，对在轨卫星进行轨道外推计算，生成经过该地面站节点的在轨卫星的序列信息S。

在上述的一种基于轨道预报的星地数据传输路由方法，所述步骤三中，判断当前时刻t正在经过地面站节点卫星S_i为第几颗卫星的具体方法为：

将t与卫星序列信息S进行遍历对比，当t属于(T_i-1-ΔT，T_i-ΔT]时间区间内，则当前时刻t，节点卫星S_i正在经过地面站节点。

在上述的一种基于轨道预报的星地数据传输路由方法，所述ΔT为切换准备时间，即在当前卫星S_i在出站时间T_i之前ΔT时刻，当前卫星S_i已开始切断与底面站节点的链路连接。

在上述的一种基于轨道预报的星地数据传输路由方法，所述步骤五中，当经过地面站节点的卫星变为卫星S_i+1时，重复步骤三至步骤四，进行数据传输。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明使低轨卫星星座的在轨数据到地面站的高效可靠传输得以实现，星座内任意卫星均能利用网络路由算法将获取的在轨数据通过过站卫星下发至地面站，实现可靠传输与流量控制；

(2)本发明不对现有过站卫星到地面站的数据传输的体制和方法进行改动，地面站不需要配置网络交换设备。本发明不受网络路由具体查找方法的限制，且对除网络层外的其他各层的机制与协议没有使用约束，具有普适性。

附图说明

图1为本发明星地数据传输路由流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本发明提供了一种基于轨道预报的星地数据传输路由方法。能够实现低轨卫星星座的在轨数据到地面站的高效可靠传输，有效减少直接进行星地网络通信时因为星地通信链路未建立而无法发现星地路由等原因引起的网络丢包问题。

如图1所示，星地数据传输路由方法，主要包括如下步骤：

步骤一、在地面确定1个地面站节点；统计即将依次经过该地面站节点的卫星序列信息S，S＝{(S₁,T₁)，(S₂,T₂)，…，(S_i,T_i)，…，(S_N-1,T_N-1)，(S_N,T_N)}；其中，S_i为经过地面站节点的卫星序号；T_i为S_i卫星的出站时间；i为正整数，且1≤i≤N。所述卫星序列信息S的统计方法为：

卫星入轨后，根据常规测控站的外测结果或自身携带的GNSS定位系统，能够容易的得到卫星星座中所有卫星的轨道参数，如常用的卫星轨道开普勒参数等，通过动力学法和几何法对获得的卫星轨道参数进行连续轨道的推算，是目前进行卫星轨道预报的常规方法。将星座中的卫星进行唯一编号处理，将每个编号映射网络中的唯一IP地址。在星地数据传输的地面站确定后，将上述轨道预报的结果结合地面站的经纬高度信息，可以较准确的估算出从起始时刻T₀起卫星的序列信息S。所述的卫星序列信息应在保证轨道外推精度的基础上进行外推，另外需要考虑，该过站卫星序列信息由过站卫星在尽可能短的时间内传输至在轨所有卫星，应根据具体的卫星星座规模和星间传输特性，确定该信息的合理长度。

步骤二、首次经过地面站的卫星，在建立星地通信链路后，由地面站将上述过站卫星序列信息进行上注。根据目前国内外的星地通信系统设计，都留有比较大的通信链路余量，星地数据传输基本上为可靠的无误码传输。为简化系统设计，不必在地面站配置网络交换设备，因此在本发明中过站卫星到地面站的数据传输，以及地面站向过站卫星的过站卫星序列信息传输，仍采用直接通信的方式。当第一颗卫星S₁经过地面站节点时，通过地面站节点将卫星序列信息S发送至第一颗卫星S₁；由第一颗卫星S₁将卫星序列信息S发送至其余S₂-S_N卫星；过站卫星在收到地面站上注的卫星序列信息后，将上述信息进行全网的传输。本发明不对上述信息的传输方式进行限定。例如可以按照网络重复广播的方式将本信息广播到全网。为尽可能减小信息传输过程中部分在轨卫星未收到最新信息而仍依据旧路由进行错误传输，或没有目的节点可以路由的问题，应对具体的卫星星座场景进行端到端的最长时延进行充分考虑，在地面上注最新过站卫星序列时留有足够余量。

步骤三、当有星地数据传输需求，需要传输数据的卫星S_X判断当前时刻t，正在经过地面站节点卫星S_i；将需要传输的数据量M_x传输至卫星S_i；判断当前时刻t正在经过地面站节点卫星S_i为第几颗卫星的具体方法为：

将t与卫星序列信息S进行遍历对比，当t属于(T_i-1-ΔT，T_i-ΔT]时间区间内，则当前时刻t，节点卫星S_i正在经过地面站节点。ΔT为切换准备时间，即在当前卫星S_i在出站时间T_i之前ΔT时刻，当前卫星S_i已开始切断与底面站节点的链路连接。本发明要求系统内所有节点的时间，包括地面站在进行轨道外推计算得出的时间，尽可能保持精确同步，其实现方法较多，比较常用的有使用GNSS系统完成各节点时间的统一授时，将所有节点的本地时间统一至GNSS标准时间。同时为避免卫星S_n出站后仍有部分传输中的数据包以出站卫星S_n为目的节点，应对具体的卫星星座场景中的源节点到过站目的节点的端到端时延进行评估，本步骤中的ΔT应不小于此评估时间。

步骤四、卫星S_i接收数据量M_x后，计算自身存储余量M_d；并将存储余量M_d发送至传输数据卫星S_X；传输数据卫星S_X根据存储余量M_d进行判断；当存储余量M_d小于数据量M_x时，进入步骤五；否则，进入步骤六；根据接收缓存区的状态进行发送节点的流量控制的方法很多，譬如常见的滑动窗口设计。为确保接收缓存区中的数据得到有效释放，各卫星节点的接收缓冲区M_d应不大于该卫星节点到地面的数据传输速率与过站时间的乘积，即星地数据最大传输能力。

步骤五、传输数据卫星S_X向卫星S_i发送M_x中M_d数据量的数据；剩余M_x-M_d数据量的数据暂停发送；直至卫星S_i的存储余量被释放或随时间推移，经过地面站节点的卫星变为卫星S_i+1时，再次传输剩余M_x-M_d数据量；

当目的节点接收缓存区M_d已满时，源节点S_x的发送缓存队列M_x不再向外推送发送数据包，新产生的数据包将存入发送缓存M_x队列尾部，并进入步骤(4)，若t∈(T_n-1-ΔT，T_n-ΔT]，当节点S_i的接收缓存区M_d因为过站而进行星地数据传输得到释放，源节点S_x继续向S_i发送发送缓存队列中的数据；若t∈(T_n-ΔT，T_n+1-ΔT]，则将发送缓存队列中的数据的路由目的节点更换为S_i+1，再次向外发送数据。

当目的节点接收缓存区M_d是否未满时，目的节点S_i将收到的网络数据包存入接收缓存区M_d。如果在t∈(T_n-1-ΔT，T_n-ΔT]时间内，源节点S_x和目的节点S_i为同一节点，则直接将发送数据存入接收缓存区M_d，等待卫星过站时向地面站节点下传。

当经过地面站节点的卫星变为卫星S_i+1时，重复步骤三至步骤四，进行数据传输。

步骤六、卫星S_i将接收的数据量M_x发送至地面站节点。

在轨卫星依次经过地面站，将过站卫星的接收缓存区M_d中的数据按先入先出的方式推出送入星地发送缓存队列，并将星地发送缓存队列内的数据通过星地链路进行下传。为确保在轨数据的可靠下传，星地数据传输速率应高于星间数据的接收速率。

判断网络数据是否传输完毕，即判断经过地面站的卫星接收缓存区M_d在过站时是否有数据持续写入，若有，说明过站卫星一直根据本方法持续接收网络中的数据；若在卫星过站时，其接收缓存区M_d持续未收到数据，说明网络中的数据传输完毕，则结束流程；

地面站判断当前过站卫星是否为S_N-k，若不是，则进入步骤三；若是，则进入步骤一，由地面站根据最新的卫星轨道参数，更新从当前时刻之后依次经过地面站的过站卫星序列信息，并上传至过站卫星。本步骤描述的S_N-k即表示在第N-k号卫星过站时提前上注过站卫星序列信息，即更新的信息前k个过站卫星与旧信息的末尾k个过站卫星重叠，应充分考虑更新的过站卫星序列信息的全网传输时延，避免出现因端到端时延造成网络中部分节点未收到最新信息而仍依据旧路由进行错误传输，或没有目的节点可以路由的问题。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于轨道预报的星地数据传输路由方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、在地面确定1个地面站节点；统计即将依次经过该地面站节点的卫星序列信息S，S＝{(S₁,T₁)，(S₂,T₂)，…，(S_i,T_i)，…，(S_N-1,T_N-1)，(S_N,T_N)}；其中，S_i为经过地面站节点的卫星序号；T_i为S_i卫星的出站时间；

步骤二、当第一颗卫星S₁经过地面站节点时，通过地面站节点将卫星序列信息S发送至第一颗卫星S₁；由第一颗卫星S₁将卫星序列信息S发送至其余S₂-S_N卫星；

步骤三、当有星地数据传输需求，需要传输数据的卫星S_X判断当前时刻t，正在经过地面站节点卫星S_i；将需要传输的数据量M_x传输至卫星S_i；

步骤四、卫星S_i接收数据量M_x后，计算自身存储余量M_d；并将存储余量M_d发送至传输数据卫星S_X；传输数据卫星S_X根据存储余量M_d进行判断；当存储余量M_d小于数据量M_x时，进入步骤五；否则，进入步骤六；

步骤五、传输数据卫星S_X向卫星S_i发送M_x中M_d数据量的数据；剩余M_x-M_d数据量的数据暂停发送；直至卫星S_i的存储余量被释放或随时间推移，经过地面站节点的卫星变为卫星S_i+1时，再次传输剩余M_x-M_d数据量；

步骤六、卫星S_i将接收的数据量M_x发送至地面站节点；

所述步骤一中，i为正整数，且1≤i≤N；

所述卫星序列信息S的统计方法为：

地面站节点在起始时刻T₀，根据在轨卫星的轨道参数和自身的地理位置，对在轨卫星进行轨道外推计算，生成经过该地面站节点的在轨卫星的序列信息S；

所述步骤三中，判断当前时刻t正在经过地面站节点卫星S_i为第几颗卫星的具体方法为：

将t与卫星序列信息S进行遍历对比，当t属于(T_i-1-ΔT，T_i-ΔT]时间区间内，则当前时刻t，节点卫星S_i正在经过地面站节点；

所述ΔT为切换准备时间，即在当前卫星S_i在出站时间T_i之前ΔT时刻，当前卫星S_i已开始切断与底面站节点的链路连接；

所述步骤五中，当经过地面站节点的卫星变为卫星S_i+1时，重复步骤三至步骤四，进行数据传输。

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