面向资源优化配置的集群航天器网络拓扑管理研究

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1、硕士学位论文面向资源优化配置的集群航天器网络拓扑管理研究RESEARCHONOPTIMALENERGYMANAGEMENTFORFRACTIONATEDSPACECRAFTNETWORKTOPOLOGY吕志超哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：V19学校代码：10213国际图书分类号：654密级：公开工程硕士学位论文面向资源优化配置的集群航天器网络拓扑管理研究硕士研究生：吕志超导师：张锦绣教授申请学位：工程硕士学科：航天工程所在单位：卫星技术研究所答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V19U.D.C:654Dissertationfo

2、rtheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONOPTIMALENERGYMANAGEMENTFORFRACTIONATEDSPACECRAFTNETWORKTOPOLOGYCandidate：LvZhichaoSupervisor：Prof.ZhangJinxiuAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpecialty：AerospaceEngineeringAffiliation：ResearchCenterofSatelliteTechDateofDefense：June,2015Degree-Confe

3、rring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要集群航天器是一个极具创新性和革命性的新概念空间分布式系统，各个功能单一的模块航天器通过星间无线通信链路相互连接，构成一个空间自组织网络，相当于一颗功能完整的大卫星，执行探测、通信等复杂的空间任务。网络技术是集群航天器系统最关键的技术之一，本文的集群航天器系统是以Cubesat为代表的超小型卫星进行组网，Cubesat多为2U或3U的标准结构，太阳帆的电池阵面积有限，集群航天器的能量消耗受到限制。因此，对于集群航天器网络而言，急需解决的就是能量受限的问题：在能量有限的条

4、件下，构建一个高效、稳定、可靠的集群航天器的空间自组织通信网络，实现对其网络拓扑的自主管理与动态优化，有效均衡和降低网络能耗，延长集群航天器网络在轨工作时间。卫星的在轨高速运动期间、星间链路的频繁切换和成员卫星节点的加入和退出，充分体现了集群航天器网络拓扑具有很高的动态性和周期性。本文建立了以主卫星节点和从卫星节点为主体的一体化通信网络体系结构，从星间相对运动、星间链路的建立条件和节点能耗模型三个方面对集群航天器网络结构特征进行了详细分析。结合图论相关理论建立了集群航天器网络模型。结合Adhoc网络技术，从网络能耗均衡的角度出发，提出星簇网络管理思想。分析经典的LEACH分簇算法并进行优化

5、，在改进的算法N-LEACH中，根据节点能耗情况设定主卫星节点选择机制。这种动态更换主卫星节点的网络拓扑更新策略，避免了主卫星节点能耗过高而过早失效，有效实现了网络能耗的均衡性。在网络最短传输路径能耗最低的研究背景下，分析目前最具有代表性的三种最短路径算法，Floyd-warshall算法，Dijkstra算法和Bellman-Ford算法。研究网络拓扑的多跳路径传输和单跳路径传输的两种数据传输方式，应用经典的最短路径算法Dijkstra，仿真结果证明，在降低网络能耗方面，多跳路径传输优于单跳路径传输方式，然后分析路径跳数对网络能耗的影响并确定最优跳数hopt。基于集群航天器网络的动态特性

6、，确定星间链路发生切换的所有时刻，将网络运性周期T划分为n个时隙，每个时刻t都对应着一个静态的网络拓扑，则相-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文应的动态网络拓扑等效为按照时间展开的一系列静态网络拓扑快照集合。以降低算法的复杂度为目的，结合卫星节点的邻居集合理论，优化Dijkstra算法。结果充分说明根据星间链路切换时刻划分时隙的方法能够有效改善网络通信质量和通信实时性。关键词:集群航天器；网络拓扑；能耗；最短路径；时隙-II-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractFractionatedspacecraftisahighlyinnovativeandrevolutionarydis

7、tributedsystem,allmodulespacecraftconnecttoeachothertoformaspacewirelesscommunicationnetworkthroughintersatellitelinks.whichisequivalenttoatraditionallargesatelliteandexecutesomecomplexspacemissionssuchasdetectio