星间链路数量受限的导航卫星网络链路分配问题

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJul．252015V01．36No．72329．2339ISSN1000—6893CN11．1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cnDOI：10．7527／$1000—6893．2015．0071星间链路数量受限的导航卫星网络链路分配问题燕洪成*，张庆君，孙勇中国空间技术研究院总体部，北京100094摘要：对星间链路数量非常有限、需要同时满足星间测距和星间通信需求的导航卫星网络的链路分配问题进行了研究。首先，分析了导航卫星网络的特点，并设计了

2、一种基于有限状态自动机(FSA)的拓扑处理机制。然后，将星间测距需求作为一个约束，以星间通信的延时性能为优化目标，将导航卫星网络的链路分配问题建模为一个多目标优化问题。最后，针对建立的多目标优化问题，分别提出一种基于首次改善(FI)的本地搜索算法和基于模拟退火(SA)的启发式优化算法以对链路分配问题进行求解，并提出一种基于分支交换策略的新链路分配生成方法。仿真结果表明，通过FI算法和SA算法获得的优化链路分配的网络延时性能均得到了改进，且SA算法的性能要优于FI算法；同时，FSA的状态持续时间的减小有利于获得网络延时性能好的链路分配。关键词：导航卫星网络；链路分配；多

3、目标优化；首次改善；模拟退火；网络延时中图分类号：V44；TP393文献标识码：A文章编号：1000—6893(2015)07—2329—11卫星导航系统作为重要的国家战略基础设施，提高其可靠性和系统性能具有重要意义。美国的GPS率先实现了星问链路(Inter—satelliteLink，ISL)，并计划在GPSIII中采用更高频段的指向性星间链路，以提供更高的通信速率和更强的抗干扰能力[1]。通过采用指向性星间链路，卫星导航系统可以实现星间测距和星间通信。其中，星间测距可以实现星座自主导航，使系统在脱离地面站支持下仍然可以保持一定精度运行一段时间[23；星间通信则可

4、以实现导航卫星组网，使地面运控系统通过任何一颗卫星即可与全星座所有其他卫星进行通信。由于卫星平台和星间链路的约束，卫星所能装配的星间链路天线数量非常有限。通常，卫星装配的星间链路天线数量少于可见卫星的数量，因此，存在如何选择可见卫星建立星间链路使系统性能最优的问题，即导航卫星网络的链路分配问题。导航卫星网络的链路分配需要同时满足星间测距和星间通信的需求，星间测距需求要求卫星通过星间链路切换建立尽可能多的星间链路，以获取尽可能多的星间观测信息，提高自主导航精度[3’4]。由于卫星仅能携带数量非常有限的星间链路(比如仅能携带一条星间链路)，导航卫星网络并不处于全连通状态[

5、5]，即网络节点之间并不总是存在端到端路径，从而形成一种延迟／中断容忍网络(Delay／DisruptionTolerantNetworks，DTN)[6。7]。导航卫星网络的这种DTN属性使其链路分配需要考虑星间链路切换前后的网络拓扑关系，以使全网的通信性能最优，如延时最小、瓶颈链路利用率最低等。星间链路的测距需求和收稿日期：2014—08．22；退修日期：2015-01—04；录用El期：2015—03．11；网络出版时间：2015—03—1313：25网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／111929V．20150313．1326．00

6、1．htmI基金项目：国家自然科学基金(91438102)*通讯作者．Tel．：010·68113006E-mail：yanhc519@163．corn黝焉格武}YanHC，ZhangQJ，SunY．Linkassignmentproblemofnavigationsatellitenetworkswithlimitednumberofinter-satellite／inksCJ]．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica。2015。36(7)：2329—2339．燕洪成．张庚君．孙雾．星闯链路数i受限的导航l星礴络链路分配阃题iJ]．航

7、空学报．2015，36(7)：2329-2339．航空学报DTN属性使导航卫星网络的链路分配不仅要考虑空间维度的约束，还要考虑时间维度的约束，从而使其更具有挑战性。针对星间链路的链路分配问题，学术界目前已有相关研究，文献[8—11]针对卫星通信网络，以不同的网络性能为优化目标，提出了相应的链路分配算法。其中，文献[10]针对低轨道卫星网络的链路分配问题，提出了一种基于有限状态自动机(FiniteStateAutomaton，FSA)的链路分配算法，并以最小化最大链路利用率为优化目标，利用模拟退火(SimulatedAnnealing，SA)算法对问题