CN110690918B - 航天测控链路参数调整的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种航天测控链路参数调整的方法，旨在提供一种有效提高传输效率和可靠性的链路参数调整方法。本发明通过下述技术方案实现：调整发起端接收到信号后，传输环境感知模块将传输环境感知信息传递给决策模块，决策模块决定链路参数的调整内容后，通过链路参数调整模块对调整发起端相应链路各模块进行参数调整，并经反馈链路将链路参数调整信息发送给链路参数调整响应端，调整响应端通过射频接收、解调、译码、解帧得到链路参数调整发起端的参数调整信息，并依照调整信息对本端相应链路各模块进行参数调整；发射端调整链路参数后，进行链路重建，将传输信息通过工作链路发送给接收端，作为对链路参数调整发起端的响应，基于非计划式收发端协同，完成协作，链路恢复正常工作。

Description

航天测控链路参数调整的方法

技术领域

本发明涉及一种基于收发协同的航天测控链路参数调整方法，该方法可应用于航空、航天测控通信等技术领域。

技术背景

星通信在现代社会各领域都发挥了越来越重要的作用，特别是应对各种突发自然灾害和公共***中，但是由于卫星网络固有的特点，导致运行在卫星链路上的TCP性能受到很大的限制，特别是路由选择、拥塞控制、多路径传输冲突等控制功能在卫星网络中都没有体现出来。面对未来智能化、高速率、大带宽的航天通信发趋势，航天测控***作为空天一体化通信的基础和保障，已成为参与空间通信国际各方技术竞争的重要领域，其自身生存状况和效能发挥的程度成为影响空天通信业务链路建立的关键因素。随着航天规模化发展，航天器的种类和数量不断增加，资源冲突和共址干扰愈发严重，使航天测控***面临越来越严峻的多星同时过境和多星同时测控的形势。一方面，面对日趋饱和空间电磁环境，尤其存在多用户共址干扰和资源分配冲突的情况下，实现航天测控信息的高速、稳定、有效传输，需要一种收发端协同的机制，通过对当前空间传输环境进行感知、评估和灵活决策，对航天测控链路参数进行针对性调整，保证航天测控链路的高效性和稳定性。另一方面，在某些卫星通信场景中，需要收发端协同配合修改链路参数，来实现资源分配和资源优化，譬如，在几个多卫星***中多任务的分离与融合存在***间和业务间的同构和异构干扰，常规的干扰抑制方式难以抑制这类干扰，因此，需要通过给不同卫星***和传输业务分配合理的物理资源，并且优化资源配置，来尽量避免此类干扰；尤其，当多卫星***通过同一地面站进行测控、调度时，更需要不同卫星和地面站的收发端协同工作，完成资源分配优化，以保证航天测控链路的可靠性。

随着在轨卫星数量的不断增加对地面测控资源的需求迅速增多，卫星测控的特点及测控需求类型也变得越来越多样化，给测控***带来越来越大的压力。在卫星数量增加与卫星任务需求增加或者卫星***故障需要长时间的进行测控服务的条件下，任务需求与资源可提供的服务能力之间的也矛盾不断增加。航天测控***是任何空间活动中不可缺少的一个重要组成部分，负责对直接承载空间活动的飞行状态的运载器及航天器进行跟踪、测量、监视、控制，由测控中心、地面站包括测控船、通信链路和测控软件组成。在航天***的建设与发展过程中，对于地面***而言，由于费用、地理位置等的限制，地面***资源并不能随着卫星数量的增加而线性增加，且地面测控和数据接收网中的地面站设备，在一定条件下能为卫星提供的支持服务的容量是有限的。这就使得对于卫星的测控服务而言，测控网中的测控资源所能支持的卫星数量总是有限的。当所支持的卫星数量超过一定限度时，各卫星对资源的需求就会产生冲突出现测控资源争用，使某些卫星的测控任务需求无法得到满足。卫星地面***是一个复杂的***，地面资源的优化设计涉及到地面站的数量、位置、地面设备的数量和类型等诸多因素。卫星地面站测控资源配置问题是研究如何在地面站上合理配置地面站设备使得卫星任务需求既能得到满足，又能充分利用测控资源。卫星地面站测控资源配置问题涉及的因素众多，在进行模型学习时需要对各种配置对应的场景进行调度，耗费的时间代价很高。地面资源配置的建模比较复杂，配置方案及配置效能之间的函数关系甚至连隐式的关系都难于解析表达出来。因此，用经典的数学规划方法解决这一类优化配置问题十分困难，只能采用枚举法，但在问题规模较大时枚举法的时间和空间复杂度是很大的。地面资源配置问题的输入输出关系是一种不确定的非线性关系。在原始输入输出数据量较小的情况下，选择一种非线性拟合的方法来对这种关系进行精确地逼近是相当困难的。卫星地面站测控资源配置问题的输入输出关系是一种复杂的非线性关系难以用解析的方法求解。卫星链路是一种典型的长粗管道。由于卫星链路的高时延和高带宽的特点，会出现卫星链路远远不能被充分利用的结果出现。卫星链路自身的高误码率、长传播时延、高时延带宽积等因素导致了TCP性能的大幅下降。这使得传统TCP协议应用到卫星网络时性能不理想。当前，采用传统计划方式的航天测控链路参数调整处理流程较长并需要大量人工操作，导致***时效性较差和处理效率较低，且很难处理一些突发性的问题，已无法适应未来航天***的测控需求。并且，随着空间测控通信业务内容的日益丰富和测控精度要求的不断提高，基于传统计划方式的很难满足链路参数根据业务需求改变进行调整的时效性和精确性。因此，急需一种可实现航天测控链路资源分配合理、资源调度优化的链路参数调整方法，以实现航天测控链路综合化的传输效率提升。

由于航天技术的不断发展，不同时期制造和发射的航天卫星的控制方式、调制方式以及使用的数据协议都是不相同的，这对空间探测器以及卫星的通信会造成了严重的影响。现在的航天电磁环境非常复杂，再加上信号调制方式的多样性，导致传统的检测识别方法难以正常工作。误比特率卫星链路由于信道衰减、反向多径传播信道以及干扰噪声等原因，会造成错误比特的产生，从而导致链路误比特率明显高于有线信道。采用前向纠错可以减小链路的误码情况，但仍不能达到有线的误比特率在无差错控制编码的情况下，典型卫星链路的误比特率一般在10-6，最坏为10-4；然而TCP数据成功传输的误比特率在10-8以下。所以大多数的数据分组丢失是因为拥塞造成的，TCP的发送方就是按照这种假定来工作的。共享状态信息在TCP连接中有许多参数需要通过慢启动和拥塞规避来确定和调整，在延时长的卫星链路上这种调整需要的时间长、效率低。航天测控资源调度是一个具有很强工程背景的复杂问题,生成的调度方案还需进行大量的人工干预调整，资源利用率低，人员负担重，能解决的问题规模有限。随着航天技术和相关应用的发展，有越来越多的长寿命传输型卫星同时在轨运行.使得测控站设备面临越来越严重的多星调度冲突问题。当高误码率造成数据分组丢失时，TCP认为出现了数据拥塞故障，会自动采取拥塞控制策略。慢启动和拥塞规避策略发送端在建立连接后或者错误恢复时使用慢启动来确定发送速率，并通过拥塞窗口来控制速率。在慢启动过程中，发送端每接收一个应答就将拥塞窗口增加一倍，直到拥塞窗口达到慢启动门限为止。不难看出慢启动时间随信道延时线性的增加，慢启动时间越长，TCP的传输效率越低。慢启动过程中另一个造成信道浪费的原因是延迟应答，在慢启动过程中发送端接收应答越快，拥塞窗口增加也就越快，而延迟应答减少了应答的数量和速度，在慢启动结束后拥塞规避策略开始工作，此过程中拥塞规避策略将以更慢的速度增加拥塞窗口尺寸。影响TCP性能的卫星链路因素卫星网络的特点是高带宽、功率受限、干扰大、信噪比低等，这些对于通过卫星链路进行TCP传输有较大的影响，如过长的TCP超时和重传会引起较大的带宽浪费，此外卫星的数量、轨道变化、星间链路路由策略等都会影响到时延大小。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术方案的不足，提供一种可有效提高航天测控链路的传输效率和可靠性，时效性好的航天测控链路参数调整的方法。该方法基于收发协作，实现航天测控链路高效和针对性的参数调整。

本发明解决现有技术问题所采用的方案是：一种航天测控链路参数调整的方法，其特征在于，包括如下步骤：

针对上行链路的参数调整，飞行器接收端作为调整发起端，地面测控站作为调整响应端；针对下行链路的参数调整，地面测控站作为调整发起端，飞行器作为调整响应端；调整发起端在顺利接收到信号后，传输环境感知模块将进行传输环境感知，并将传输环境感知信息传递给决策模块，决策模块决定链路参数的具体调整内容，一方面，通过参数调整模块输出信息实现对链路参数的调整；另一方面，将参数调整模块输出信息进行组帧、编码、调制，经射频发射模块，通过反馈链路发送给链路参数调整响应端，告知其具体参数调整内容；链路参数调整响应端将发射端作为调整响应端，提取参数调整内容，对发射端进行参数调整，通过射频接收、解调、译码、解帧得到链路参数调整发起端的参数调整信息，依照调整信息对相应链路各模块进行参数调整；发射端调整链路参数后，进行链路重建，将传输信息通过工作链路发送给接收端，作为对链路参数调整发起端的响应，基于非计划式收发端协同，完成协作，链路恢复正常工作。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)提高传输效率和可靠性。本发明针对上行链路的参数调整，将飞行器接收端作为调整发起端，地面测控站作为调整响应端；针对下行链路的参数调整，将地面测控站作为调整发起端，飞行器作为调整响应端；基于非计划式的收发端协同，减少了人工操作步骤，缩减了指令处理流程，提升了***整体稳定性和链路参数调整效率。

(2)实效性好。本发明采用调整发起端接收信号，传输环境感知模块将传输环境感知信息传递给决策模块，参数调整模块在接收到决策模块输出的调整信息后，为与对端建立协作，判断传输环境是否良好，由决策模块输出链路参数调整命令，对接收端链路参数调整，根据收发端协同的链路调整策略对当前测控链路传输情况进行调整，基于收发协作，实现航天测控链路高效和针对性的参数调整调，调整内容具有针对性强、实效性好的特点，实时的链路参数调整可极大限度地利用航天测控链路传输资源，提高测控链路传输效率。

附图说明

图1为本发明航天测控链路参数调整流程图；

图2是图1链路参数调整发起端的功能模块框图；

图3是链路参数调整响应端的功能模块框图；

图4为本发明航天测控链路参数帧结构的实施例示意图。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明，针对上行链路的参数调整，飞行器接收端作为调整发起端，地面测控站作为调整响应端；调整发起端接收信号，传输环境感知模块将环境感知信息传递给决策模块，决策模块根据环境感知信息判断传输环境是否良好，是则链路正常工作，否则，由决策模块输出链路参数调整命令，发送指令给参数调整模块对接收端链路参数调整，参数调整模块在接收到决策模块输出的调整信息后，为与对端建立协作，根据参数调整模块输出信息，对己端相应链路各模块进行参数调整，与此同时，将参数调整模块输出信息进行组帧、编码、调制，经射频发射模块，通过反馈链路发送给链路参数调整响应端，告知其具体参数调整内容；发射端作为链路参数调整响应端，提取参数调整内容，对发射端进行参数调整，通过射频接收、解调、译码、解帧得到链路参数调整发起端的参数调整信息，依照调整信息对相应链路各模块进行参数调整；发射端调整链路参数后，进行链路重建，将传输信息通过工作链路发送给接收端，作为对链路参数调整发起端的响应，完成协作，链路恢复正常工作。

传输环境感知模块感知传输环境，全频段监测、识别信号类型，判断全频段频谱中是否存在干扰信号，传输强度、传输频点、信号带宽、信号类型的信息，将全频段频谱干净程度信息的传输环境感知结果，提供给决策模块。

决策模块读取传输环境感知模块输出的传输环境感知结果，决定输出何种参数调整命令，对如何调整链路参数或不调整链路参数进行决策，若决策模块输出链路参数调整命令，则对接收端链路链路参数调整项和链路参数量进行调整；若决策模块输出不调整链路参数命令，则维持当前测控链路参数配置继续进行传输。链路参数调整项包括：传输频率、码率、调制阶数、传输速率和扩频因子等。

当调整发起端接收到信号时，传输环境感知模块会对当前空间传输环境进行感知：若感知传输环境良好，即传输链路频段噪声较小，传输频点没有被占用，且不存在干扰信号，传输环境感知模块将该信息传递给决策模块，决策模块输出不进行链路参数调整的命令，参数调整模块不被使能，维持当前测控链路参数配置继续进行传输；若感知传输环境较差或存在干扰，传输环境感知模块将频带噪声、占用程度和人为、多址、同构、异构等干扰情况传递给决策模块，决策模块根据传输环境感知模块输出的噪声、频带情况和干扰程度等信息，对链路参数进行针对性调整，例如，传输频点被占用，则分配感知情况较好的传输频点；当前频带噪声较大，则降低码率和提升扩频系数；其调整依据为试验中的效能最优，即在链路参数调整效果足够好的情况下，尽量降低链路参数调整的代价。

参阅图2。接收端作为调整发起端，包含连接射频天线的射频接收功能模块和射频发射功能模块，信号通过射频接收功能模块后被分为两条支路，第一条支路顺次串联解调功能模块、译码功能模块、解帧功能模块，获得最终接收数据；第二条支路顺次串联传输环境感知功能模块、决策功能模块和参数调整功能模块，参数调整模块将链路参数调整信息发送给解帧调功能模块、译码功能模块、解调帧功能模块，通过射频接收功能模块构成反馈链路。参数调整模块顺次通过串联的组帧功能模块、编码功能模块、调制功能模块和射频发射功能模块构成工作链路。

参阅图3。发送端作为调整响应端，包含连接射频接收天线的射频接收功能模块和射频发射功能模块，射频接收功能模块顺次串联的解调功能模块、译码功能模块、解帧功能模块和参数调整功能模块组成反馈链路。参数调整功能模块将解帧得到的链路参数调整信息发送给顺次串联的组帧功能模块、编码功能模块、调制功能模块和射频发射模块，天线调制功能模块通过射频发射功能模块连接天线构，成工作链路。

发射端作为调整响应端，在接收到反馈链路反馈的调整信息后，通过射频接收、解调、译码、解帧得到链路参数调整发起端的参数调整信息，依照调整信息对链路参数包含的工作频率、调制编码方式、传输速率、扩频码率和发射电平进行对应调整，作为对链路参数调整发起端的响应，完成协作；在经过链路参数调整和重建的过程后，链路恢复正常工作。

参阅图4。在可选的实施例中，航天测控链路参数包含测控体制、工作频率、调制编码方式、传输速率、扩频码率和发射电平记数和相关航天***体制信息的链路参数调整帧头。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下所做出若干简单的推演或替换都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (10)

1.一种航天测控链路参数调整的方法，其特征在于，包括如下步骤：

针对上行链路的参数调整，飞行器接收端作为链路参数调整发起端，地面测控站作为链路参数调整响应端；针对下行链路的参数调整，地面测控站作为发起端，飞行器作为响应端；发起端在接收到信号后，传输环境感知模块将环境感知信息传递给决策模块，决策模块根据环境感知信息判断传输环境是否良好，是则链路正常工作，否则由决策模块输出链路参数调整命令，发送给参数调整模块，参数调整模块在接收到决策模块输出的调整命令后，为与响应端建立协作，根据参数调整模块输出信息，对发起端相应链路各模块进行参数调整，与此同时，将参数调整信息进行组帧、编码、调制，经射频发射模块，通过反馈链路发送给响应端，告知其具体参数调整内容；响应端通过射频接收、解调、译码、解帧得到发起端的参数调整信息，依照参数调整信息对相应链路各模块进行参数调整；响应端调整链路参数后，进行链路重建，将传输信息通过工作链路发送给发起端，作为对发起端的响应，完成协作，恢复链路正常工作。

2.如权利要求1所述的航天测控链路参数调整的方法，其特征在于：传输环境感知模块感知传输环境，进行全频段监测，判断全频段频谱中是否存在干扰信号，若不存在干扰信号，则链路继续正常工作；若存在干扰信号，则反馈干扰信号的传输强度、传输频点、信号带宽、信号类型的信息，并将全频段传输环境感知结果，提供给决策模块。

3.如权利要求2所述的航天测控链路参数调整的方法，其特征在于：决策模块读取传输环境感知模块输出的传输环境感知结果，决定输出何种参数调整命令，对如何调整链路参数或不调整链路参数进行决策；若决策模块输出链路参数调整命令，则对链路参数调整项和链路参数量进行调整；若决策模块输出不调整链路参数命令，则维持当前测控链路参数配置继续进行传输。

4.如权利要求3所述的航天测控链路参数调整的方法，其特征在于：链路参数调整项包括：传输频率、码率、调制阶数、传输速率和扩频因子。

5.如权利要求1所述的航天测控链路参数调整的方法，其特征在于：发起端包含连接射频天线的射频接收模块和射频发射模块，信号通过射频接收模块后被分为两条支路，第一条支路顺次串联解调模块、译码模块、解帧模块，获得最终接收数据；第二条支路顺次串联传输环境感知模块、决策模块和参数调整模块，参数调整模块将链路参数调整信息发送给解帧模块、译码模块、解调模块，并与射频接收模块构成反馈链路。

6.如权利要求5所述的航天测控链路参数调整的方法，其特征在于：参数调整模块通过顺次串联的组帧模块、编码模块、调制模块和射频发射模块构成工作链路。

7.如权利要求1所述的航天测控链路参数调整的方法，其特征在于：响应端包含连接射频天线的射频接收模块和射频发射模块，射频接收模块顺次串联解调模块、译码模块、解帧模块和参数调整模块组成反馈链路。

8.如权利要求7所述的航天测控链路参数调整的方法，其特征在于：响应端参数调整模块将解帧得到的链路参数调整信息发送给顺次串联的组帧模块、编码模块、调制模块和射频发射模块，并通过射频发射模块连接天线构成工作链路。

9.如权利要求1所述的航天测控链路参数调整的方法，其特征在于：响应端接收到反馈链路反馈的调整信息后，通过射频接收、解调、译码、解帧得到发起端的参数调整信息，并依照参数调整信息对链路参数中包含的工作频率、调制编码方式、传输速率、扩频码率和发射电平进行对应调整。

10.如权利要求1所述的航天测控链路参数调整的方法，其特征在于：航天测控链路参数包含测控体制、工作频率、调制编码方式、传输速率、扩频码率和发射电平级数，另外，航天***体制信息包含于链路参数调整帧头中。

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