【航天甲子年50讲】 20 卫星自组织网络



文:晟宇(视频讲解)

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前言


春节给自己放假休息了2周,我们的航天话题分享继续。年前我们开了卫星组网的话题,狗年的第一次分享我们就来聊聊卫星的自组织网络。


这个话题有一定的特殊性,由于很多关于这方面的内容要么还处于研究阶段,要么只是做了一些非常有限的空间技术验证,应用的程度比较低,所以这次的分享开放性也很强,有很多概念也是可以讨论的。




从不是自组织的卫星网络说起


要聊卫星的自组织网络,我们还需要从不是自组织的卫星网络聊起。还是要一次又一次地搬出铱星这个典型例子来。


我们知道铱星通过非常巧妙的设计实现了全球的移动服务覆盖,实际上构成了一种空间的基础设施,要保证足够稳定的服务,铱星整个网络的构建是有很多针对性设计的。


为了保证资源有限的卫星可以实现复杂的任务并保证通信的质量,整个系统的设计非常注重稳定的结构。在星座的设计上保证了星间链路动态的高度规律性,这种规律性不但体现在可见性上,还体现在通信环境变化的规律性,使得主要的情况都在可控制的范围内。


同时任何节点都是不可或缺的,所以需要备份卫星等在备份的轨道上,一旦有节点失效就要进行替换,整个系统是通过牺牲灵活性来获得整个系统的稳定工作。






而我们今天要讨论的自组织网络的特点就是高度动态与资源有限情况下的快速卫星组网的技术。



自组织的卫星网络


卫星的自组织组网是被时代发展所推动的。首先是微纳卫星的迅猛发展使得越来越多的卫星被送入太空,微纳卫星由于资源有限,即便在微电子等技术的促进下获得很大的技术能力提升,依然难以完成很多空间任务。然而通过空间组网就能将数量的优势激发出来,这就需要组网技术的支撑。


与此同时以美国为带代表很多航天强国也在积极的寻找转型之道,提出了弹性系统的概念来实现更加灵活的空间系统实现,例如典型的面向未来的F6系统。






同时也包括利用海量甚小卫星来实现的空间传感网络。这些需求都基于微纳卫星本身资源有限,同时无法获得基础设施支持的情况下实现组网。


因此主要应用于地面的自组织网络技术在空间找到了新的应用。同时为了适应空间的环境和任务的特点形成了具体的卫星自组织组网技术。


我们以地面上使用的几种典型的自组织网络在空间的应用来简要地勾画一下卫星自组织网络的轮廓。


卫星ad hoc网络


Ad hoc网络的特点就是其无中心和自组织性。如同我们家里没有路由器的情况下,不同的设备就可以利用其通信资源通过互相之间的连接来建立起一个适应动态变化的网络。






卫星通过构建ad hoc网络可以是平面的也可以是多层的来实现不同尺度上的需要。例如C C Shen的研究里就构建了一个包含近地不同星群和火星星群以及一些独立节点构成的横跨地球火星尺度非常大的自组织网络。


由于ad hoc一般是一个无中心的网络,所以每个节点扮演的角色也是在动态变化的。同时面向于不同主任务的卫星可以通过这样的网络来在进行在轨能力拓展,实现更加丰富的应用。


卫星传感网络


微纳卫星甚至皮纳卫星由于其体积重量非常小可以实现非常大规模的部署。这样一来就可以构成面向不用空间数据采集的卫星传感网络。


例如由于发射失败而夭折的EDSN原本就是计划通过在轨试验验证一个由中心节点的在轨数据采集任务。






空间传感网络最大的特点就是其节点的资源极度有限性和数据的中心性。每个节点在实现信息采集之余可以用来信息传输的资源非常有限,同时作为中心节点来说有面临着接受来自数量巨大,位置动态变化节点的数据信息,实现一个数据聚合的过程。


卫星MESH网络


卫星MESH网络是具备较大复杂性的一种空间自组织网络。这种网络的特点在于其中的部分节点扮演着服务器的角色来提供跟复杂的任务支持。


卫星MESH网络支持Ad hoc网络,其兼容性可以适用于异构而且任务层面复杂的空间任务。





例如基于空间系统模块分散化的F6等空间系统就是使用了空间的Mesh网络。其中的一些模块在网络中扮演着基础设施的角色,提供过个其他模块的接入服务。


并通过实现面向不同服务的路由器模块来为用户模块提供可以灵活组合的“订制套餐”,打造空间的弹性系统。




空间自组织网络还处于一个探索的阶段,虽然已经进行了很多的在轨验证,其面向正式任务还缺乏成熟的场景和应用模式,还有很大的研究空间。


下一次我们回过头去聊聊已经在轨部署多年,提供了稳定空间网络的LEO星座采用了哪些组网的技术。


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参考文献:


  1. 刘月阳,无线分布式网络中基于能量的路由算法和算法研究
  2. Chien-Chung Shen.A flexible routing architecture for ad hoc space networks


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张晟宇- 中科院微小卫星创新研究院高级主管 | 到「在行」来约见我www.zaih.com图标