CN118118077A - 一种微纳星群组网方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种微纳星群组网方法，构建包括至少两颗子星和一颗主星的维纳星群网络，主星与任意一个子星均进行通信，全部子星组成子星群，子星群在主星的指挥下完成集群任务且子星群中的子星之间也可进行通信。本发明通过双通道双天线、相应的星间网络协议实现多颗微纳星组成协同星群。维纳星群网络中的每个成员彼此协同配合、互相通信联络，协作完成数据分析、通讯、勘察等工作，具有抗毁能力强、性能可靠、机动性强、适应性强等诸多优点。解决在任务执行周期中存在的快速动态拓扑适应性以及低时延传输等典型多目标优化的复杂性问题，促进快速动态组网技术在微纳星群平台的应用。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种微纳星群组网方法。
背景技术
欧空局小卫星编队飞行计划Proba航天器是一系列的小型、低成本卫星，携带科学载荷，用以验证新的航天器技术，其中Proba－3用于验证多个航天器编队飞行所需的技术。美国大学纳星计划是一项关于纳星及其编队飞行技术的研究计划，集中于编队飞行、微推进、多功能性、小型化遥感器、制导与导航、协同处理及星间通信等方面。
“美国国防高级研究计划局F6***”是一个典型的分布式航天器组网***，每颗模块卫星携带与航天任务相关的不同功能或资源，采用物理分离、星群自由飞行、无线信息交换和无线能量交换方式，功能协同，资源共享，构成一颗虚拟大卫星来完成特定的任务。
随着微纳卫星集群编队技术的发展，星群组网技术的需求也越来越迫切，每个成员如何配合，如何增加可靠性是亟待解决的问题。
发明内容
本发明是为了解决星群组网的协同问题和可靠性差的问题，提供一种微纳星群组网方法，通过双通道双天线、相应的星间网络协议实现多颗微纳星组成协同星群。维纳星群网络中的每个成员彼此协同配合、互相通信联络，协作完成数据分析、通讯、勘察等工作，具有抗毁能力强、性能可靠、机动性强、适应性强等诸多优点。解决在任务执行周期中存在的快速动态拓扑适应性以及低时延传输等典型多目标优化的复杂性问题，促进快速动态组网技术在微纳星群平台的应用。
本发明提供一种微纳星群组网方法，构建包括至少两颗子星和一颗主星的维纳星群网络，主星与任意一个子星均进行通信，全部子星组成子星群，子星群在主星的指挥下完成集群任务且子星群中的子星之间也可进行通信；
维纳星群网络为簇架构并使用有中心的组织网络架构，主星为簇首节点，进行维纳星群网络的入网控制、资源调度、遥测信息回传中继和遥控指令上注分发；子星为成员节点，向主星申请获得网络资源并进行星间协同通信。
本发明所述的一种微纳星群组网方法，作为优选方式，维纳星群网络的数据业务帧包括依次设置的同步序列SYN、传输格式指示TFI、数据Data和保护间隔GP；
同步序列SYN进行AGC、位同步和载波同步，传输格式指示TFI进行帧同步，数据Data为编码帧，保护间隔GP部分内容为空。
本发明所述的一种微纳星群组网方法，作为优选方式，维纳星群网络的通信使用L波段、BPSK+扩频调制，数据部分使用2/3LDPC编码；
数据Data为LDPC编码帧，传输格式指示TFI分别位于数据Data的前部和后部。
本发明所述的一种微纳星群组网方法，作为优选方式，维纳星群网络还包括连接在子星内部的子星通信终端和连接在主星内部的主星通信终端；
子星通信终端包括组网模块A、组网模块B和与组网模块A、组网模块B均相连的子星电源模块、接口及天线转接模块；组网模块A和组网模块B均包括SOC芯片和射频收发器且互为备份，子星通信终端进行在轨组网；
主星通信终端包括结构相同的主星通信终端A机和主星通信终端B机，主星通信终端A机包括互连的综合控制管理模块、信号收发与处理模块和电源模块，信号收发与处理模块包括处理单元和与主星天线连接的信道单元，处理单元为FPGA；
信号收发与处理模块以以FPGA为信号处理核心，可进行在轨功能配置和在轨功能重构。
本发明所述的一种微纳星群组网方法，作为优选方式，子星连接双通道天线***，双通道天线***同时接收2路不同方向的信号。
本发明所述的一种微纳星群组网方法，作为优选方式，双通道天线***包括连接在子星顶部的第一天线，连接在子星底部的第二天线，连接在子星内部与第一天线相连的第一射频单元、与第二天线相连的第二射频单元和连接在子星内部并与第一射频单元、第二射频单元均相连的基带FPGA；
双通道天线***的工作方法为：第一天线和第二天线同时接收信号并分别通过第一射频单元、第二射频单元传输至基带FPGA，基带FPGA将接收到的两路信号进行同步和频偏估计并计算信噪比；
基带FPGA判断信号质量是否满足设定基准，如果是，基带FPGA对两路信号的信噪比进行比较，选择信噪比高的信号进行解调、信道译码；如果否，基带FPGA对两路信号进行数字合成。
本发明所述的一种微纳星群组网方法，作为优选方式，第一天线和第二天线均为半球天线；
双通道天线***还包括连接在主星上的定向天线；
两路信号进行数字合成前进行延迟和相位调整，利用信号的频谱特征进行频谱合成；当接收信号的频谱特征已知时，对所接收信号的频谱滤波；当接收信号的频谱是未知或者类似噪声，则将接收信号作为一个整体来处理；
频谱合成的方法为：两路信号同时接收后在延迟和移相控制器的控制下分别进行延迟、移相、匹配滤波，然后进行互相关和信号合成依次得到载波环、副载波环和符号环并输出；
两路信号进行数字合成时的相关算法为Simple算法。
本发明所述的一种微纳星群组网方法，作为优选方式，维纳星群网络的星网络协议体系为：OSI七层模型与TCP/IP五层模型。
本发明所述的一种微纳星群组网方法，作为优选方式，TCP/IP五层模型包括从上至下依次互连的应用层、传输层、网络层、链路层和物理层；
应用层处理相对位置信息、地面指控信息、任务指派信息和低速情报信息；
传输层包括UDP/IP和专用通道；
网络层进行无线资源管理、流量控制、IP寻址并作为路由子层；
链路层进行无线链路控制、媒体接入控制、业务汇聚、加密和解密；
物理层进行频率/时间同步、编码/译码、调制/调节、高速链路和低速链路。
本发明所述的一种微纳星群组网方法，作为优选方式，在TDMA通信模式下，维纳星群网络使用资源竞争机制和OLSR改进协议；
资源竞争机制为：各个子星完成时钟同步和网络同步，创建路由表后进入正常工作状态；随后各个子星进行业务传输，时敏业务及控制指令在固定时隙上优先传输；普通业务先进行时隙的竞争预约，各节点根据分布式时隙竞争结果在分配预定的时隙中进行业务数据的传输；
OLSR改进协议为：通过HELLO分组的周期***互建立链路感知表、邻居节点表；通过TC分组的周期***互建立拓扑表；最终以HELLO分组和TC分组所建立起来的信息库为基础，进行路由计算及路由表更新。
随着微纳卫星集群编队技术的发展，星群组网技术的需求也越来越迫切。本发明涉及一种微纳星群组网方法，通过双通道双天线技术、相应的星间网络协议实现多颗微纳星组成协同星群。维纳星群网络中的每个成员彼此协同配合、互相通信联络，协作完成数据分析、通讯等工作，具有低功耗、抗毁能力强、性能可靠、机动性强、适应性强等诸多优点。
本发明结合当前对微纳星群构架、体制、链路、协议等方面的研究，按照“理清应用需求，合理设计链路，提升传输能力、规范体制要求”的思路，统筹现有状态及未来发展要求，提出了一种微纳星群组网方法，为微纳星群的建设提供了设计思路和技术支撑。
本发明具有以下优点：
本发明提供一种微纳星群组网方法，每个成员彼此协同配合、互相通信联络，协作完成数据分析、通讯等工作，具有抗毁能力强、性能可靠、机动性强、适应性强等诸多优点。
(1)维纳星群网络由主星平台和子星组成，主星平台携带子星入轨后，释放子星，子星组成子星群，在主星平台指挥下完成集群任务。
(2)星群内各子星间的通信为双向通信；
(3)通联成本低、可靠性强、可重构；
(4)维纳星群网络能够动态组网，可适应分布式信息处理架构；
(5)全向星间通信分***重量轻，产品适应不同轨道空间环境。
附图说明
图1为一种微纳星群组网方法的微纳星群网络架构示意图；
图2为一种微纳星群组网方法的数据业务帧结构类型示意图；
图3为一种微纳星群组网方法的子星通信终端结构示意图；
图4为一种微纳星群组网方法的子星通信终端组成示意图；
图5为一种微纳星群组网方法的主星通信终端结构示意图；
图6为一种微纳星群组网方法的主星通信终端组成示意图；
图7为一种微纳星群组网方法的微纳星群网络示意图；
图8为一种微纳星群组网方法的子星示意图；
图9为一种微纳星群组网方法的子星2路信号接收示意图；
图10为一种微纳星群组网方法的子星2路信号相干合成示意图；
图11为一种微纳星群组网方法的星网络协议体系示意图；
图12为一种微纳星群组网方法的2路天线信号合成前频谱仿真结果图；
图13为一种微纳星群组网方法的2路天线信号合成后频谱仿真结果图。
附图标记：
1、子星；2、主星；3、子星通信终端；31、组网模块A；32、组网模块B；33、子星电源模块；34、接口及天线转接模块；4、主星通信终端；41、主星通信终端A机；411、综合控制管理模块；412、信号收发与处理模块；413、电源模块；42、主星通信终端B机；5、第一天线；6、第二天线；7、第一射频单元；8、第二射频单元；9、基带FPGA；10、定向天线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
如图1～13所示，一种微纳星群组网方法，根据星群的拓扑运动场景，网络架构总体设计为一个簇，采用有中心的组织网络架构，任意两个卫星节点1均可通信，网络架构示意图见图1、7。主星2作为簇首节点，负责整个网络的入网控制、资源调度、遥测信息回传中继、遥控指令上注分发等。子星1作为成员节点，向母星2申请获得网络资源，进行星间协同通信。
一、链路体制
L波段空间链路衰减较小，有助于星间通信机的小型化、低功耗设计。采用BPSK+扩频调制，数据部分采用2/3LDPC编码。数据业务帧由同步序列SYN、传输格式指示TFI、数据Data和保护间隔GP四部分组成。数据业务帧结构如图2所示，帧结构包含SYN、TFI、Data和GPs，帧结构中的同步序列SYN用于AGC、位同步、载波同步，传输格式指示TFI用于帧同步，数据Data为LDPC编码帧，GP部分内容为空。数据业务帧结构见图2。
二、硬件方案
星群内单机包含子星通信终端3和主星通信终端4两个单机，分别部署在子星1和主星平台2。两终端的硬件设计思路根据所搭载的卫星资源，采用差异化设计。
1.子星通信终端3
子星通信终端3设计遵循以下原则：
基于软件无线电设计理念，以SOC+射频收发器的架构为核心，实现终端在轨组网功能；
根据卫星资源量，采用模块化、通用化设计理念，完成小型化、低功耗的终端设计；
在满足任务的需求下，采用多模块备份的方式，提高终端的可靠性与寿命，终端构型如图3～4。
2.主星通信终端4
主星通信终端4设计遵循以下原则：
基于软件无线电设计理念，以FPGA为信号处理核心，实现在轨功能可配置、可重构，满足后续产品系列化的升级改造需求；
采用模块化、通用化设计理念，统筹终端指标要求，对其进行合理的模块划分，降低实现复杂度，提高产品可靠性、可维护性及可扩展性，终端构型如图5～6。
三、双通道双天线方案
集群内的每个节点需要与其他节点进行通信，各个节点在立体空间的位置是随机的，节点之间的通信方向是不固定。考虑卫星星群的应用场景，使用传统的全向天线或者定向天线，很难保证在全空域内可靠、稳定的建立链路，如何实现节点之间的全空域通信是一个关键点。
如图7～9所示，双通道双天线***可以同时接收2路不同方向的信号，实现增大***的空域通信范围的功能。将2个方向图为半球的天线5、6分别安放在卫星1的顶部和底部，在空域形成一个全向的方向图。
2个天线后端分别连接独立的射频通道7、8接收信号，并将2路信号同时发送给基带FPGA9。FGPA9将接收到的2路信号进行同步和频偏估计，并计算SNR。信号质量满足要求的情况下，对2路信号的SNR进行比较，选择质量高的信号进行解调、信道译码。信号质量较差的情况下，对2路信号进行数字合成，以满足通信要求。
如图10所示，为了确保相干性，信号必须在合成前进行延迟和相位调整。频谱合成可以利用信号的频谱特征，并不依赖其频谱。如果频谱特征是已知的，可以对所接收信号的频谱滤波；如果接收信号的频谱是未知的或者类似噪声，则可以将其作为一个整体来处理。
四、组网协议方案
1.网络协议体系
星间通信***采用OSI七层模型与TCP/IP五层模型，采用广泛应用的五层协议体系，从上至下依次为应用层、传输层、网络层、链路层和物理层。网路协议体系如图11所示。
2.网络协议设计
在TDMA通信模式下，采用资源竞争机制和OLSR改进协议，可以有效地提高网络资源利用率，动态适应网络拓扑变化。
在TDD通信模式下，网络需要具备高精度时间传递能力，网络节点的时间基准必须统一。主星平台和子星群均运行在GEO轨道，难以通过北斗/GPS进行授时同步，所以采用自同步方式进行网络各节点的时间同步。全网采用双向时间同步体制，消除传输距离延迟。对于固定TDMA接入方式，在网络运行过程中经常会遇到传输业务不平衡的情况，即在某些节点上的负载过重，甚至出现拥塞导致分组丢失，而其他一些节点上却存在空闲的时隙资源，大大降低了信道利用率，因此我们引入带竞争的TDMA时隙分配方法。
对于资源动态分布的动态路由协议，针对多跳网络场景，需要引入动态路由协议，以适应节点移动速度较快、拓扑变化频繁等情况。OLSR路由协议是一种先验式的链路状态路由协议，它是为了适应Ad hoc网络的需求，对标准链路状态路由协议进行优化而形成的。每个节点维护一张路由表，已知目的节点，通过查找路由表得知下1跳节点。本方案本着最短路径优先和防止洪泛的原则，采用OLSR改进协议，通过HELLO分组的周期***互，建立链路感知表、邻居节点表等；通过TC分组的周期***互建立拓扑表。最终以这些分组所建立起来的信息库为基础，进行路由计算及路由表更新。
网络中各个子星完成时钟同步和网络同步，创建路由表后进入正常工作状态；随后各个子星进行业务传输，时敏业务及控制指令在固定时隙上优先传输；普通业务先进行时隙的竞争预约，各节点根据分布式时隙竞争结果在分配预定的时隙中进行业务数据的传输。
本实施例对2路信号合成的频谱进行了仿真，仿真***的仿真信号源采用同一信号源，调制信号采用BPSK信号，设定每个天线性能一致，接收到的信号强度也一致；每个天线信道的噪声是相互独立的高斯白噪声。仿真假定延迟已经修正，需要处理的主要是通过相关求出信号之间的相位偏移并进行相位修正，天线信号合成时的相关算法采用Simple算法。仿真结果如图12～13显示，合成信号明显增强。
2路天线信号合成前与合成后频谱仿真结果
子星通信终端3使用2个半球天线5、6，主要指标如下表。
| 天线形式 | 半球天线 |
| 极化方式 | 垂直极化 |
| 最大增益 | ≥-2.5dBi |
| 波束宽度 | ≥±60° |
| 输入阻抗 | 50Ω |
| 驻波比 | ≤2:1 |
| 天线形式 | 单极子天线 |
主星平台通信终端4采用定向天线10，主要指标如下表。
| 水平面前瓣3dB波束宽度 | ≥30° |
| 垂直面前瓣3dB波束宽度 | ≥30° |
| 输入阻抗 | 50Ω |
| 驻波比 | ≤2:1 |
| 天线形式 | 喇叭天线 |
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种微纳星群组网方法，其特征在于：构建包括至少两颗子星(1)和一颗主星(2)的维纳星群网络，所述主星(2)与任意一个所述子星(1)均进行通信，全部所述子星(1)组成子星群，所述子星群在所述主星(2)的指挥下完成集群任务且所述子星群中的所述子星(1)之间也可进行通信；
所述维纳星群网络为簇架构并使用有中心的组织网络架构，所述主星(2)为簇首节点，进行所述维纳星群网络的入网控制、资源调度、遥测信息回传中继和遥控指令上注分发；所述子星(1)为成员节点，向所述主星(2)申请获得网络资源并进行星间协同通信。
2.根据权利要求1所述的一种微纳星群组网方法，其特征在于：所述维纳星群网络的数据业务帧包括依次设置的同步序列SYN、传输格式指示TFI、数据Data和保护间隔GP；
所述同步序列SYN进行AGC、位同步和载波同步，所述传输格式指示TFI进行帧同步，所述数据Data为编码帧，所述保护间隔GP部分内容为空。
3.根据权利要求2所述的一种微纳星群组网方法，其特征在于：所述维纳星群网络的通信使用L波段、BPSK+扩频调制，数据部分使用2/3LDPC编码；
所述数据Data为LDPC编码帧，所述传输格式指示TFI分别位于所述数据Data的前部和后部。
4.根据权利要求1所述的一种微纳星群组网方法，其特征在于：所述维纳星群网络还包括连接在所述子星(1)内部的子星通信终端(3)和连接在所述主星(2)内部的主星通信终端(4)；
所述子星通信终端(3)包括组网模块A(31)、组网模块B(32)和与所述组网模块A(31)、所述组网模块B(32)均相连的子星电源模块(33)、接口及天线转接模块(34)；所述组网模块A(31)和所述组网模块B(32)均包括SOC芯片和射频收发器且互为备份，所述子星通信终端(3)进行在轨组网；
所述主星通信终端(4)包括结构相同的主星通信终端A机(41)和主星通信终端B机(42)，所述主星通信终端A机(41)包括互连的综合控制管理模块(411)、信号收发与处理模块(412)和电源模块(413)，所述信号收发与处理模块(412)包括处理单元和与所述主星(2)天线连接的信道单元，所述处理单元为FPGA；
所述信号收发与处理模块(412)以以FPGA为信号处理核心，可进行在轨功能配置和在轨功能重构。
5.根据权利要求1所述的一种微纳星群组网方法，其特征在于：所述子星(1)连接双通道天线***，所述双通道天线***同时接收2路不同方向的信号。
6.根据权利要求5所述的一种微纳星群组网方法，其特征在于：所述双通道天线***包括连接在所述子星(1)顶部的第一天线(5)，连接在所述子星(1)底部的第二天线(6)，连接在所述子星(1)内部与所述第一天线(5)相连的第一射频单元(7)、与所述第二天线(6)相连的第二射频单元(8)和连接在所述子星(1)内部并与所述第一射频单元(7)、所述第二射频单元(8)均相连的基带FPGA(9)；
所述双通道天线***的工作方法为：所述第一天线(5)和所述第二天线(6)同时接收信号并分别通过所述第一射频单元(7)、所述第二射频单元(8)传输至所述基带FPGA(9)，所述基带FPGA(9)将接收到的两路信号进行同步和频偏估计并计算信噪比；
所述基带FPGA(9)判断信号质量是否满足设定基准，如果是，所述基带FPGA(9)对两路信号的信噪比进行比较，选择信噪比高的信号进行解调、信道译码；如果否，所述基带FPGA(9)对两路信号进行数字合成。
7.根据权利要求6所述的一种微纳星群组网方法，其特征在于：所述第一天线(5)和所述第二天线(6)均为半球天线；
所述双通道天线***还包括连接在所述主星(2)上的定向天线(10)；
两路信号进行数字合成前进行延迟和相位调整，利用信号的频谱特征进行频谱合成；当接收信号的频谱特征已知时，对所接收信号的频谱滤波；当接收信号的频谱是未知或者类似噪声，则将接收信号作为一个整体来处理；
频谱合成的方法为：两路信号同时接收后在延迟和移相控制器的控制下分别进行延迟、移相、匹配滤波，然后进行互相关和信号合成依次得到载波环、副载波环和符号环并输出；
两路信号进行数字合成时的相关算法为Simple算法。
8.根据权利要求1所述的一种微纳星群组网方法，其特征在于：所述维纳星群网络的星网络协议体系为：OSI七层模型与TCP/IP五层模型。
9.根据权利要求8所述的一种微纳星群组网方法，其特征在于：TCP/IP五层模型包括从上至下依次互连的应用层、传输层、网络层、链路层和物理层；
应用层处理相对位置信息、地面指控信息、任务指派信息和低速情报信息；
传输层包括UDP/IP和专用通道；
网络层进行无线资源管理、流量控制、IP寻址并作为路由子层；
链路层进行无线链路控制、媒体接入控制、业务汇聚、加密和解密；
物理层进行频率/时间同步、编码/译码、调制/调节、高速链路和低速链路。
10.根据权利要求8所述的一种微纳星群组网方法，其特征在于：在TDMA通信模式下，所述维纳星群网络使用资源竞争机制和OLSR改进协议；
所述资源竞争机制为：各个所述子星(1)完成时钟同步和网络同步，创建路由表后进入正常工作状态；随后各个所述子星(1)进行业务传输，时敏业务及控制指令在固定时隙上优先传输；普通业务先进行时隙的竞争预约，各节点根据分布式时隙竞争结果在分配预定的时隙中进行业务数据的传输；
所述OLSR改进协议为：通过HELLO分组的周期***互建立链路感知表、邻居节点表；通过TC分组的周期***互建立拓扑表；最终以HELLO分组和TC分组所建立起来的信息库为基础，进行路由计算及路由表更新。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410163529.9A CN118118077A (zh) | 2024-02-05 | 2024-02-05 | 一种微纳星群组网方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410163529.9A CN118118077A (zh) | 2024-02-05 | 2024-02-05 | 一种微纳星群组网方法 |
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Family Applications (1)
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