遥感卫星网络路由协议研究与实现

发布时间：2020-07-29 07:54

【摘要】：20世纪60年代以来,人类在航空航天信息获取和卫星对地观测方面成绩斐然,卫星遥感技术快速发展,遥感卫星数据呈现出星上实时处理,实时下传等特征。遥感卫星网络是一个典型的断续连通网络,具有拓扑时变,长时延,高误码等特点,无法提供像地面网络一样的长时间连通的端到端路径。另外,遥感卫星节点对能量资源依赖过高,星上遥感任务执行与星上计算需要消耗大量的节点能量,如何保证能量受限的条件下遥感数据的高吞吐量分发仍然是一个具有挑战性的难题。针对该问题,本文进行了如下研究:首先,本文从网络路由的基本原理出发,将遥感数据路由分为拓扑发现与维护和路由规划两个阶段。针对传统的拓扑发现与维护机制直接应用于遥感卫星网络中产生的星上节点能量消耗过大和过时路由问题,设计了基于轨道信息区分的拓扑发现与维护算法。该算法在节点路由交互报文中增加了卫星轨道六根数信息,根据卫星的轨道六根数实时计算邻居节点的位置信息和节点的相对运动速度,并根据节点的位置信息和相对运动速度自适应改变Hello报文的交互周期。该算法采用分布式的动态拓扑发现与维护思想,在时变的空间网络环境中能够及时的进行邻居节点的发现与路由表更新,与此同时减少了节点能量的消耗,为实际的遥感业务传输保留了足够的能量。其次,针对遥感卫星网络节点能量受限与数据传输量大的特点,提出了能量受限的遥感卫星网络最大流路由算法。该算法考虑了节点受限的能量资源以及卫星网络拓扑的时变性,首先对传统的时间扩展图模型进行修正,通过增加虚拟节点和能量受限链路,构建了能量受限的时间扩展图模型,该模型能够精确表征卫星节点能量资源约束,便于图模型的计算和求解。然后,基于所构建的图模型,提出了能量受限的遥感卫星网络最大流路由算法,算法步骤中增加了能量受限链路的动态更新机制,保证了节点不同时隙能量的一致性和最大流求解的准确性。该算法有效提升了遥感卫星网络的数据传输量,解决了在能量受限的条件下遥感卫星网络端到端数据传输的最大流问题,为遥感卫星网络最大吞吐量路由协议的设计提供了方法。最后,为了验证所提算法的可行性,本文设计了遥感卫星网络路由协议仿真平台。平台由链路模拟系统,仿真场景控制系统,路由协议仿真模块和协议性能评估系统组成,并基于该平台搭建了仿真测试场景,测试并验证了本文提出的拓扑发现与维护机制和路由规划算法的可行性和高效性。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN927.2;P237
【图文】：

卫星编队

单轨卫星编队构型图 2.3 是单轨卫星编队连通时间仿真图，单轨卫星编队连通时间短，一般采用过顶下传的模式获取数据，无法实现对全球任意范围的快速访问，遥感数据也无法即时下传到地面站，这种构型主要用于早期的遥感卫星架构，不需要星间组网就可以实现遥感数据的获取与分发，但是一般需要数个小时甚至数天才能实现测控指令的注入与遥感数据的下传。

布局图,直图,全球覆盖,星座

快速重访模式的星座布局图如图 2.5 所示，是对快速重访构型的全球覆盖仿真，从图中可以看出，快速重访模式的星座构图可以实现对各个纬度的 100%覆盖，实现了真正的全球覆盖。但是当前的卫星组网数量远远达不到上述规模，难以实现全连通组网。

运行图,运行图,控制系统,链路

链路的运行状态信息，用户可以动态添加网络节点和配置文件，并实时发送给各链路模拟节点，提供了良好的仿真网络扩展性。另外，通过 STK 提供的 API 接口，可以动态展示当前网络的拓扑连接情况，在如图5.8所示的3D界面上用户可以进行旋转、拉伸等操作，具有十分友好的用户操作体验。开始添加链路配置文件,设定场景各个仿真节点参数读取各个节点的轨迹文件通过自定义的计算规则计算并更新链路通断、时延、误码率形成卫星网络拓扑与链路状态数据调用STK显示接口仿真场景显示与链路状态数据打印拓扑状态发生变化？否是将节点参数和轨迹文件分发给链路模拟器节点仿真场景控制系统运行流程图

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