多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析.pdf

1、進入20世紀90年代后期，民用和軍用兩方面需求都推動衛(wèi)星通信系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。在民用通信領(lǐng)域，以全球化個人通信為特征的非靜止軌道衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)(中、低軌衛(wèi)星)已成為未來個人通信系統(tǒng)的重要組成部分；在軍用通信領(lǐng)域，以空間信息資源綜合利用為目的的天基綜合信息網(wǎng)要求不同軌道上多種類型的衛(wèi)星系統(tǒng)能夠互通互連，構(gòu)成有機的智能化體系。
　　衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可以通過地面信關(guān)站間接連接，也可以通過星間鏈路(ISL,Inter-Satellite-Lin

2、ks)直接連接。由于信關(guān)站連接方式不僅需要大量地面站，而且需要在海洋和荒蕪地區(qū)以及敵對國家領(lǐng)土內(nèi)建立信關(guān)站，因此單靠地面站完成衛(wèi)星組網(wǎng)是不現(xiàn)實的。采用ISL連接方式則可以彌補信關(guān)站連接方式的不足，降低衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)對地面系統(tǒng)依賴性，實現(xiàn)信息的快速傳遞。
　　針對單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)持續(xù)變動、時延指標過高、網(wǎng)絡(luò)阻塞概率大、網(wǎng)絡(luò)抗毀性差和由于衛(wèi)星相對運動所帶來的星載跟瞄系統(tǒng)設(shè)計困難等問題，本文研究了由多種軌道衛(wèi)星構(gòu)成的多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計過程

3、中的幾個問題：
　　第一，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的建模與仿真。隨著衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和規(guī)模的復雜化以及衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)應用的多樣化，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分析方法已經(jīng)不能適應衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的需要。通過對現(xiàn)有衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)的分析，建立了基于STK的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)星座仿真模型和基于OPNET的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真模型，并通過實驗驗證了此衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真平臺的有效性，為衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的研究提供了技術(shù)手段和必要的理論基礎(chǔ)。
　　第二，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)特性與拓撲結(jié)構(gòu)分析。由于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點不斷運動的特

4、點，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)隨著時間不斷的變化，這使得衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與其它通信網(wǎng)絡(luò)有著很大的區(qū)別。在此部分中，通過理論分析和仿真方法對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的軌道、空間幾何結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)等網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的方面進行了深入研究，為進行多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計提供參考及理論支持。
　　第三，基于分層結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。在分析單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)問題的基礎(chǔ)上，研究了分層網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成，并對分層網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)特性進行了分析，通過與單層拓撲結(jié)構(gòu)比較說明了分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有更好的拓撲特

5、性。結(jié)合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中不同軌道上衛(wèi)星的特點，提出了基于“骨干/接入”模型的分層天基網(wǎng)絡(luò)，研究了分層天基網(wǎng)絡(luò)的衛(wèi)星分組模型并對網(wǎng)絡(luò)中的鏈路特性進行了分析，并通過仿真的方法比較了單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)性能上的差別，說明了基于分層結(jié)構(gòu)的多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)更適合天基綜合信息網(wǎng)的要求。
　　第四，分層天基網(wǎng)絡(luò)的星座設(shè)計。根據(jù)分層天基網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，在設(shè)計由不同軌道上的衛(wèi)星構(gòu)成的多層衛(wèi)星星座時，不僅要考慮星座對地面的覆蓋能力，還要考慮高層衛(wèi)星

6、對低層衛(wèi)星的覆蓋，因為層間鏈路的建立和高層衛(wèi)星對低層衛(wèi)星的通信與管理同覆蓋性能密切相關(guān)。在此部分的研究中，通過對星座設(shè)計的參數(shù)進行分析，研究星座設(shè)計方法。從星座設(shè)計的角度著手，通過對衛(wèi)星軌道的運動方程進行分析，經(jīng)過數(shù)值仿真得到了建立永久星間鏈路的兩顆衛(wèi)星之間所必須滿足的位置關(guān)系，和能夠建立永久性的星間鏈路的必要條件，并給出了建立永久星間鏈路的方法。根據(jù)永久星間鏈路的條件，基于多層衛(wèi)星星座的覆蓋模型，分別設(shè)計了同步軌道衛(wèi)星星座、中軌衛(wèi)星星