多層衛(wèi)星網絡結構設計與分析.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)向網絡化方向發(fā)展。在民用通信領域，以全球化個人通信為特征的非靜止軌道衛(wèi)星通信網絡(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；在軍用通信領域，以空間信息資源綜合利用為目的的天基綜合信息網要求不同軌道上多種類型的衛(wèi)星系統(tǒng)能夠互通互連，構成有機的智能化體系。
　　衛(wèi)星網絡可以通過地面信關站間接連接，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)以及敵對國家領土內建立信關站，因此單靠地面站完成衛(wèi)星組網是不現實的。采用ISL連接方式則可以彌補信關站連接方式的不足，降低衛(wèi)星網絡對地面系統(tǒng)依賴性，實現信息的快速傳遞。
　　針對單層衛(wèi)星網絡拓撲結構持續(xù)變動、時延指標過高、網絡阻塞概率大、網絡抗毀性差和由于衛(wèi)星相對運動所帶來的星載跟瞄系統(tǒng)設計困難等問題，本文研究了由多種軌道衛(wèi)星構成的多層衛(wèi)星網絡的設計過程

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

4、點，衛(wèi)星網絡的拓撲結構隨著時間不斷的變化，這使得衛(wèi)星網絡與其它通信網絡有著很大的區(qū)別。在此部分中，通過理論分析和仿真方法對衛(wèi)星網絡的軌道、空間幾何結構以及網絡拓撲結構等網絡體系結構相關的方面進行了深入研究，為進行多層衛(wèi)星網絡的設計提供參考及理論支持。
　　第三，基于分層結構的衛(wèi)星網絡。在分析單層衛(wèi)星網絡問題的基礎上，研究了分層網絡的構成，并對分層網絡的拓撲結構特性進行了分析，通過與單層拓撲結構比較說明了分層網絡結構具有更好的拓撲特

5、性。結合衛(wèi)星網絡中不同軌道上衛(wèi)星的特點，提出了基于“骨干/接入”模型的分層天基網絡，研究了分層天基網絡的衛(wèi)星分組模型并對網絡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)星網絡和多層衛(wèi)星網絡在網絡性能上的差別，說明了基于分層結構的多層衛(wèi)星網絡更適合天基綜合信息網的要求。
　　第四，分層天基網絡的星座設計。根據分層天基網絡的體系結構，在設計由不同軌道上的衛(wèi)星構成的多層衛(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。在此部分的研究中，通過對星座設計的參數進行分析，研究星座設計方法。從星座設計的角度著手，通過對衛(wèi)星軌道的運動方程進行分析，經過數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，分別設計了同步軌道衛(wèi)星星座、中軌衛(wèi)星星