CN103490960A - 基于有线等效网络的空间信息网架构 - Google Patents

Abstract

为对空间众多高速飞行器组网，提出有线等效网络WEN的概念。WEN把太空中的飞行器按区域，轨道，功能分类处理。首先，一颗同步卫星和它视场区域的中低轨飞行器可通过无线链路把它们连接组网，在短时间内（无飞行器的出入），可认为这是一个用若干长光缆、电缆连接成的短期有线局部区域网。其次，在空间众多高速飞行器中可发现一些点是相对固定的。它们是同步卫星和地面站。把这些点经宽带星际链路ISL、星地链路SGL连接成网，可认为这是一个用若干长光缆、电缆连接成的长期稳定的有线网。再次，太空中长期稳定的有线网可作为骨干网把太空中短期有线局部区域网连接成太空中的广大区域网。最后设计越区切换技术使短期有线网变成动态稳定的长期有线网。

Description

基于有线等效网络的空间信息网架构

技术领域    空间电子学

背景技术

所述的空间信息网SIN是指地球同步轨道GEO以下的地球空间飞行器组成的信息网络，也称地球空间的信息网ESIN，以区别深空信息网DSIN或星际互联网IPN。 

浩瀚空间有众多高速飞行器（卫星，飞船，导弹，临空平台，无人机，…），空间尺度变化大而复杂，SIN的网络架构和链路模型在时-空域大尺度变化，网络中信号微弱，延迟大。空间与地面在网络环境，网络功能，服务对象等方面差异太大。地面网络架构、协议、传输链路不能直接用于SIN。需研究适应空间环境与功能的网络。例1：中国工程院信息学部于2010年下达了“空间信息网SIN的构建研究”重点咨询研究项目，由申报者负责。信息学部于2013年在郑州由15位信息学部的院士对该课题进行验收评审。评审意见书（见附件）第二条指出：“报告针对SIN在时、空域的高动态、长延迟、高误码、异构性论述了有线等效网络WEN、空间区域网SLAN、空间广域网SWAN等概念”，最后认为研究报告的结论和建议有前瞻性、综合性、创新性。例2：国家基金委组织了多次“双清论坛”讨论有关SIN的基础问题。申报者参加了41期、47期、63期论坛，并作大会报告。申报者提出的有线等效网络WEN作为SIN基础架构方案，得到大家一致认同。例3：中国空间技术研究院CAST西安分院市场部也要求申报者作“天空地一体化网络”探索储备性研究。例4：多所高校、学会、研究单位邀请申报者作相关学术报告。另方面，上述情况也得到大家关心，建议申报发明专利，既推广又保护这一知识。 

发明内容

在浩瀚空间，有众多飞行器高速飞行，为对它们组网，提出有线等效网络WEN（Wired Equivalent Network）的概念。WEN把空间中的飞行器按区域，轨道，功能分类处理。首先，一颗同步卫星和它视场区域的中低轨飞行器，物理上可通过无线链路把它们连接组网。在短时间内（时间长了，有的飞行器飞出，有的飞入），可认为这是一个用若干长到几万公里的光缆、电缆连接成的短期有线局部区域网络。其次，虽然空间众多飞行器在时-空域大尺度变化，但还是可以设置一些相对固定的点。它们是同步卫星和地面站。这些点在物理上可经微波或激光的星际链路ISL、星地链路SGL连接成网络。可认为这是一个用若干长到几万公里的光缆、电缆连接成的空间中长期稳定的有线网络。再次，空间中长期稳定的有线网络可作为骨干网把空间中短期有线局部区域网络连接成空间中的广大区域网。最后是解决“短期”问题，为此设计了越区切换协议，把一个短期有线网络变成动态稳定的长期有线等效网络，即SIN。 

以上基于WEN构建SIN的详细内容叙述如下： 

1、在同步轨道GEO上放置一颗测控通信卫星TCS（TTC&COM Satellite）。国际上的TTC（Tracking Telemetering&Command）我国业内人士称“测控”。集成文献[1]→[6]所述技术，能使TCS同时对其视场内的空间飞行器，即用户USER或称移动站MS，进行测控与通信。TCS与其服务范围的众多MS之间虽有第一宇宙速度的大动态时空变化，但仍可通过窄波束多目标跟踪和码分多址CDMA技术以柔性电波链路连接，如同有若干长到几万公里的光缆、电缆连接成的有线网络。当然WEN的大动态延迟，低信噪比，网络环境与功能，服务对象等都和地面网络有很大差异，两种网络运行的协议也自然不同。地面网络运行的TCP/IP协议，而WEN可借用已有的CCSDS协议或其它空间数据标准协议。协议不属本专利范围。 

2、建立空间区域网SLAN（Space Local Area Network）。基于WEN的SLAN如图1所示。这是一个有基础构架的基本业务组If-BSS。TCS为访问点AP。TCS覆盖 区域的入网飞行器是移动站MS，即用户（USER）。AP的主要功能是：①AP与各MS进行通信，各MS之间不直接通信，需要时通过AP通信。②AP负责整个SLAN与网外通信。③AP对SLAN进行管理，包括会话管理、功率管理、同步管理。会话管理包括MS申请加入SLAN时的认证、关联，数据交换时的地址过滤、加密和信息保护。功率管理指各MS平时处于静默（只收不发）状态，当收到AP的询问后才作回答发射。同步管理保证收发端的载波、时钟、码位、帧、标识号等同步。 

3、建立空间广域网SWAN(Space Wide Area Network)。虽然空间众多飞行器在时-空域大尺度变化，但在星座设计中，还是可设置一些点是相对固定的。它们是同步卫星和地面站。把这些点经宽带星际链路ISL、星地链路SGL连接成骨干网，如图1中粗细所示。现在把若干SLAN经骨干网构成SWAN，即SIN。这样，把一个随时空变化网络变为相对静止的网络。SWAN由同步轨道上的3颗以上TCS和地面测控通信管理中心（GTCMC）以及众多MS（即USER）组成。骨干网的星座设计如图2所示。TCS东和TCS西的位置可由GTCMC精确确定。TCS中的位置可由已知的TCS东和TCS西的位置和测量的ISL1、ISL2、ISL3距离和角度确定。图2中标出的经纬度和单址多址天线的视场角度完全是举例，可以是其他值。SWAN覆盖出两极外的全球。这样，在GTCMC就可以对全球的网内MS进行管理与通信。 

4、MS的越区切换。越区切换保证绕地球飞行的USER无缝与SWAN连接。实现GTCMC能对USER进行透明的测控通信。当MS从TCS1管辖的SLAN1飞到TCS2管辖的SLAN2要进行越区切换,即在SLAN1与SLAN2的空域交集区完成下述越区切换协议。———————————————————————————————————— 

参考资料[1]→[6] 

[1]杨士中、杨力生等，多飞行器测控技术的研究，宇航学报，2002-6 

[2]杨力生、杨士中等，多目标的搜索、成像、跟踪、测控与通信。仪器仪表学报，2007-10 

[3]Lisheng Yang,Shizhong Yang,，DBF Monopulse Technique and System for Multitarget Tracking，Intelligent Automation and Soft Computing，2009（02） 

[4]杨士中，移动卫星地面站***及其使用的搜索与跟踪方法，专利号ZL02126611.5 

[5]杨士中、杨力生，空中多目标成像搜索方法与***，专利号ZL200710080825.9 

[6]杨士中、杨力生等，单脉冲多目标跟踪方法与***，专利号ZL200610142664.7 

具体实施方式

实施上述发明内容，在战略上是国家行为，在战术上，需采用世界公认的集成创新方法，使1+1>>2。除集成资料[1]→[6]技术外，还有很多已有技术可借用，当然，这些单项技术不属本专利范围。 

WEN的主要研究内容是星座设计、越区切换，骨干网与接入网链路、多目标测控和通信、网络协议与关口转换-中继。具体如下： 

1、星座设计应使我境内的GTCMC能对覆盖全球的3颗TCS，作精密TTC与通信，且仰角大于15°。举例说明：设GTCMC在西安，经纬度为（108.9°，34.3°）。GTCMC俯仰角为ε时能观测到同步卫星的最大经度Δλ如图3所示： 

在球面三角形PGS'中： 

cosβ=cos(L'/r_E)=cosφ_GcosΔλ故

同步卫星最远经度： ${\mathrm{\λ}}_S={\mathrm{\λ}}_G+\arccos \left(\frac{\cos \mathrm{\β}}{\cos {\mathrm{\φ}}_G}\right)$

把西安经纬度代入，用Mathcad软件计算测站俯仰角为5°,10°,15°,20°时卫星的最大经度λ_S。划红线的一组数据标注在图2上的TCS东170.16°E。 

同理可得TCS西47.61°E。TCS中的位置可由已知的TCS东和TCS西的位置和可测量的ISL1、ISL2、ISL3距离和角度确定。 

RE:=6378       Km    RS:=42166     Km    e:=5     i:=1..4     ε_i:=i·e 

φg:=34.2657    deg   λg:=108.88     deg   

${\mathrm{\γ}}_i:=a\sin \left(\frac{\mathrm{RE}\·\cos ({\mathrm{\ϵ}}_i\·d)}{\mathrm{RS}}\right)$      ${\mathrm{\β}}_i:=\left(\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)-({\mathrm{\γ}}_i+{\mathrm{\ϵ}}_i\·d)$

$\cos \mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_i:=\frac{\cos \left({\mathrm{\β}}_i\right)}{\cos (\mathrm{\φg}\·d)}$      $\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_i:=\frac{a\cos \left(\cos \mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_i\right)}{d}\mathrm{deg}$     λs_i:=λg+Δλ_i

2、越区切换保证绕地球飞行的USER无缝与SWAN连接。实现GTCMC能对USER进行透明的测控通信。当MS从TCS1管辖的SLAN1飞到TCS2管辖的SLAN2要进行越区切换,即在SLAN1与SLAN2的空域交集区完成以下协议： 

（1）TCS1把USER在SLAN1内被跟踪精测的7个飞行参数通过ISL传到TCS2： 

决定轨道形状的 

半长轴（semimajor axis）=a 

偏心率(eccentricity)=e 

决定轨道位置的 

轨道面倾角（Inclination）i＝轨道平面与赤道平面夹角 

近地点幅角（argument of perigee）ω＝升交点与近地点夹角 

升交点赤径（RAAN＝right ascension of the ascending node） 

Ω＝赤道平面春分点向右与升交点夹角 

决定卫星位置的 

真近点角（True Anomaly）f＝近地点-地心-卫星当前位置夹角 

卫星飞越升交点的时刻(Time Past Ascending Node)t_N

（2）TCS2准备好对该星测控通信所需的波束与信道，并在预定角度范围搜索。TCS2收到该星的信标或应答信号，并稳定跟踪后，通过ISL通知TCS1。 

（3）TCS1收到通知后向TCS2发送对该星会话管理所需的信息和该星属性数据TCS2对该星认证；该星关联到SLAN2；TCS2取代TCS1对该星作测控和通信服务。由于有TCS1向TCS2的移交，认证关联很迅速实现无缝切换。 

（4）若M颗星在同时段越区，TCS具有对多目标并行测控通信能力，TCS1把i(i=1→M)星在SLAN1内被跟踪精测的7个飞行参数通过ISL传到TCS2。TCS2准备好对各星测控通信所需的多波束与信道。TCS2稳定跟踪i(i=1→M)星后,通知TCS1。TCS1并向TCS2发送对i星会话管理所需的信息和该星属性数据；TCS2对i星认证。i星关联到SLAN2。TCS2取代TCS1对i星作测控和通信服务。这样对M个星顺序进行越区切换。 

3、骨干网与接入网链路 

骨干网链路如图1中粗红线所示，由ISL和SGL形成，把各TCS连接构成SWAN。物理上ISL和SGL一般采用成熟的微波MW或自由空间光通信FSO链路技术、多目标测控和通信技术和电脉冲跟踪测角技术等已有技术实现。由于FSO在大气中传输困难，一般SGL采用微波链路实现。接入网链路如图1中SLAN内的黑色细线所示。用于SLAN中AP（即TCS）与各MS之间通信空间链接。物理上一般采用成熟的微波MW或自由空间光通信FSO链路技术、多目标测控和通信技术和电脉冲跟踪测角技术等已有技术实现。 

4、SWAN的空间链路运行协议可借用已有的CCSDS协议或其它空间数据标准协议。地面通信是成熟的TCP/IP网络协议（与蜂窝移动通信协议）。两种协议在星地网关中转换、包装与中继。这些超出了本专利范围。 

附图说明：

在图1中：1是空间局域网SLAN1；2是空间局域网SLAN2；3是空间局域网SLAN3；4是星际链路ISL1；5是星际链路ISL2；6是星际链路ISL3；7是星-地链路SGL；8是地面测控通信管理中心GTCMC；9是SLAN的访问点AP；10是SLAN的移动站MS或用户USER；11是空间广域网SWAN即空间信息网SIN； 

在图2中：12是地球同步轨道GEO；13是测控通信星西TCS西，在星座设计举例中位于赤道47.61oE处；14是测控通信星东TCS东，在星座设计举例中位于赤道170.16oE处；15是测控通信星中TCS中，它在赤道上的位置可由已知的TCS东和TCS西的位置和可测量的ISL1、ISL2、ISL3距离和角度确定；16是地球；17是TCS的单址天线视场角，举例：东西方向E-W=±22°，南北方向N-S=±28°，当然也可是其他值；18是TCS的多址天线视场角，举例：为26°圆锥形； 

在图3中：19是地球；20是赤道；21是地心；22是北极P；23是地球半径R E；24是GTCMC位置G；25是同步轨道上的TCS；26是24观测25的俯仰角ε。 

Claims (4)

1.本技术公开一种基于有线等效网络WEN的空间信息网架构，包括基于WEN的空间局域网SLAN、基于WEN的空间广域网SWAN、越区切换协议。WEN是把空间飞行器按区域，轨道，功能来分集组网，在这种网络中，众多飞行器之间物理上是通过无线链路连接的，但在一定时间和一定条件下，可认为这是一个用若干长到几万公里的光缆、电缆柔性（或弹性）连接成的有线网络，并称为有线等效网络WEN。

2.根据权利要求1，一颗同步卫星和它视场区域的中低轨飞行器物理上可用无线链路连接。但在短时间内（时间长了，有的飞行器飞出，有的飞入），可认为这是一个用若干长到几万公里的光缆、电缆连接成的短期有线局部区域网络，并称为基于WEN的空间局域网SLAN。 

3.根据权利要求1，虽然空间众多飞行器在时-空域大尺度变化，但通过星座设计，可设置一些相对固定点，它们是同步卫星和地面站，这些点物理上可经无线链路连接成网络。可认为这是一个用若干长到几万公里的光缆、电缆连接成的太空中长期稳定的有线网络，并作为骨干网把太空中短期有线等效局部区域网络连接成太空中的广大区域网，称为基于WEN的空间广域网SWAN。 

4.为解决权利要求2中所述“短时间内”问题，设计了越区切换协议，把一个短期有线等效网络变成动态稳定的长期有线等效网络。 

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