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

1、進(jìn)入20世紀(jì)90年代后期，民用和軍用兩方面需求都推動(dòng)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(gè)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(lái)個(gè)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(jī)的智能化體系。
　　衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)地面信關(guān)站間接連接，也可以通過(guò)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(duì)國(guó)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(shí)的。采用ISL連接方式則可以彌補(bǔ)信關(guān)站連接方式的不足，降低衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)對(duì)地面系統(tǒng)依賴性，實(shí)現(xiàn)信息的快速傳遞。
　　針對(duì)單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)持續(xù)變動(dòng)、時(shí)延指標(biāo)過(guò)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(duì)運(yùn)動(dòng)所帶來(lái)的星載跟瞄系統(tǒng)設(shè)計(jì)困難等問(wèn)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(jì)過(guò)程

3、中的幾個(gè)問(wèn)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(fù)雜化以及衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的多樣化，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分析方法已經(jīng)不能適應(yīng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的需要。通過(guò)對(duì)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(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析。由于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)不斷運(yùn)動(dòng)的特

4、點(diǎn)，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨著時(shí)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(guò)理論分析和仿真方法對(duì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)等網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的方面進(jìn)行了深入研究，為進(jìn)行多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)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(wèn)題的基礎(chǔ)上，研究了分層網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成，并對(duì)分層網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了分析，通過(guò)與單層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較說(shuō)明了分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有更好的拓?fù)涮?/p>

5、性。結(jié)合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中不同軌道上衛(wèi)星的特點(diǎn)，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(duì)網(wǎng)絡(luò)中的鏈路特性進(jìn)行了分析，并通過(guò)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(shuō)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(jì)。根據(jù)分層天基網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)由不同軌道上的衛(wèi)星構(gòu)成的多層衛(wèi)星星座時(shí)，不僅要考慮星座對(duì)地面的覆蓋能力，還要考慮高層衛(wèi)星

6、對(duì)低層衛(wèi)星的覆蓋，因?yàn)閷娱g鏈路的建立和高層衛(wèi)星對(duì)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(guò)對(duì)星座設(shè)計(jì)的參數(shù)進(jìn)行分析，研究星座設(shè)計(jì)方法。從星座設(shè)計(jì)的角度著手，通過(guò)對(duì)衛(wèi)星軌道的運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行分析，經(jīng)過(guò)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(jì)了同步軌道衛(wèi)星星座、中軌衛(wèi)星星