面向资源优化配置的集群航天器网络拓扑管理研究

发布时间：2017-08-05 16:33

  本文关键词：面向资源优化配置的集群航天器网络拓扑管理研究

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【摘要】：集群航天器是一个极具创新性和革命性的新概念空间分布式系统,各个功能单一的模块航天器通过星间无线通信链路相互连接,构成一个空间自组织网络,相当于一颗功能完整的大卫星,执行探测、通信等复杂的空间任务。网络技术是集群航天器系统最关键的技术之一,本文的集群航天器系统是以Cubesat为代表的超小型卫星进行组网,Cubesat多为2U或3U的标准结构,太阳帆的电池阵面积有限,集群航天器的能量消耗受到限制。因此,对于集群航天器网络而言,急需解决的就是能量受限的问题:在能量有限的条件下,构建一个高效、稳定、可靠的集群航天器的空间自组织通信网络,实现对其网络拓扑的自主管理与动态优化,有效均衡和降低网络能耗,延长集群航天器网络在轨工作时间。卫星的在轨高速运动期间、星间链路的频繁切换和成员卫星节点的加入和退出,充分体现了集群航天器网络拓扑具有很高的动态性和周期性。本文建立了以主卫星节点和从卫星节点为主体的一体化通信网络体系结构,从星间相对运动、星间链路的建立条件和节点能耗模型三个方面对集群航天器网络结构特征进行了详细分析。结合图论相关理论建立了集群航天器网络模型。结合Ad hoc网络技术,从网络能耗均衡的角度出发,提出星簇网络管理思想。分析经典的LEACH分簇算法并进行优化,在改进的算法N-LEACH中,根据节点能耗情况设定主卫星节点选择机制。这种动态更换主卫星节点的网络拓扑更新策略,避免了主卫星节点能耗过高而过早失效,有效实现了网络能耗的均衡性。在网络最短传输路径能耗最低的研究背景下,分析目前最具有代表性的三种最短路径算法,Floyd-warshall算法,Dijkstra算法和Bellman-Ford算法。研究网络拓扑的多跳路径传输和单跳路径传输的两种数据传输方式,应用经典的最短路径算法Dijkstra,仿真结果证明,在降低网络能耗方面,多跳路径传输优于单跳路径传输方式,然后分析路径跳数对网络能耗的影响并确定最优跳数opth。基于集群航天器网络的动态特性,确定星间链路发生切换的所有时刻,将网络运性周期T划分为n个时隙,每个时刻t都对应着一个静态的网络拓扑,则相应的动态网络拓扑等效为按照时间展开的一系列静态网络拓扑快照集合。以降低算法的复杂度为目的,结合卫星节点的邻居集合理论,优化Dijkstra算法。结果充分说明根据星间链路切换时刻划分时隙的方法能够有效改善网络通信质量和通信实时性。
【关键词】：集群航天器 网络拓扑 能耗 最短路径 时隙
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V57;TN929.5
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-21
• 1.1 研究背景及意义10-12
• 1.2 集群航天器网络拓扑概念12-13
• 1.3 集群航天器网络研究概况13-19
• 1.3.1 集群航天器网络13-15
• 1.3.2 动态网络建模方法研究15-16
• 1.3.3 网络能量均衡技术16-17
• 1.3.4 最短路径理论与应用研究17-19
• 1.4 主要研究内容及论文结构安排19-21
• 第2章 集群航天器网络特性分析与建模21-32
• 2.1 引言21
• 2.2 集群航天器网络特征21-28
• 2.2.1 集群航天器网络结构21-23
• 2.2.2 集群航天器相对运动模型23-25
• 2.2.3 星间链路25-27
• 2.2.4 能耗模型27-28
• 2.3 集群航天器网络拓扑建模28-31
• 2.3.1 图论的基本概念28-29
• 2.3.2 集群航天器网络拓扑模型29-31
• 2.4 本章小结31-32
• 第3章 集群航天器网络能量均衡技术32-43
• 3.1 引言32
• 3.2 集群航天器网络能量均衡性分析32-34
• 3.3 LEACH算法的分析34-37
• 3.3.1 LEACH算法描述34-35
• 3.3.2 LEACH算法原理35-37
• 3.4 LEACH算法的改进37-39
• 3.4.1 基于能量限制的阈值设定37
• 3.4.2 最优簇首节点数37-39
• 3.5 仿真分析39-41
• 3.6 本章小结41-43
• 第4章 集群航天器网络拓扑多跳传输路径43-55
• 4.1 引言43
• 4.2 网络拓扑最短路径算法分析43-46
• 4.3 集群航天器网络的多跳路径传输策略46-51
• 4.3.1 单跳传输路径网络能耗分析47-50
• 4.3.2 多跳传输路径网络能耗分析50-51
• 4.4 仿真分析51-54
• 4.5 本章小结54-55
• 第5章 集群航天器网络拓扑的最短路径算法55-67
• 5.1 引言55
• 5.2 集群航天器动态网络拓扑55-58
• 5.2.1 集群航天器动态网络拓扑描述56-57
• 5.2.2 数学模型57-58
• 5.3 基于动态网络的N-Dijkstra算法58-62
• 5.3.1 网络拓扑时隙的划分58-60
• 5.3.2 Dijkstra算法的优化60-62
• 5.3.3 N-Dijkstra算法设计思想62
• 5.4 仿真分析62-66
• 5.5 本章小结66-67
• 结论67-69
• 参考文献69-74
• 致谢74

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 李素叶;陈曙;;基于最优簇首分布的传感器网络跨层设计[J];计算机工程与应用;2010年11期

2 林来兴;;立方体星的技术发展和应用前景[J];航天器工程;2013年03期

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本文编号：625878