基于OPNET的一种导航卫星系统通用仿真模型

邵丰伟，龚文斌，姜兴龙

（1.中国科学院上海 微系统与信息技术研究所，上海 200050；2.上海微小卫星工程中心 上海 201203）

基于OPNET的一种导航卫星系统通用仿真模型

邵丰伟1，2，龚文斌2，姜兴龙2

（1.中国科学院上海 微系统与信息技术研究所，上海 200050；2.上海微小卫星工程中心 上海 201203）

为了考察装配指向性星间链路的导航卫星系统性能，从导航星座数据通信的需求出发，本文基于软件OPNET设计了一种导航卫星系统通信性能通用仿真模型。该模型可应用于一类装配指向性天线的时分体制导航卫星系统，通过模拟境外卫星信息下传和地面站信息上注等过程，对信息的通信时延进行统计，分析不同星间链路方案设计下的导航系统通信性能。通过对一种星间链路设计方案进行仿真，验证了该导航系统通信性能通用仿真模型的可行性。

导航卫星系统；仿真模型；星间链路；通信时延；OPNET

星间链路技术是全球导航卫星系统的关键技术之一，使用高频段指向性星间链路的导航系统有着更大的通信容量和更强的抗干扰能力，是全球卫星导航系统星间链路的建设趋势[1]，但是这类导航系统对星间链路的设计方案提出了较高要求，星间链路的链路分配策略和路由设计直接决定了导航星座网络通信性能的优劣。为了对导航星座网络的通信性能进行考察，可以对其进行建模和仿真，利用仿真结果可为星间链路的方案设计和选择提供支持。OPNET是一款用于网络仿真的商用软件，能够准确地分析复杂网络的性能和行为，但是由于OPNET没有提供卫星标准模块，使得其对于卫星网络的性能分析较为复杂，需要定制专属的卫星模型实现对于卫星网络的性能仿真与分析[2]。

文中从卫星导航星座星间数据通信的需求出发，使用软件OPNET，基于其网络层、节点层和进程层的三层建模机制，建立了一种导航系统通信性能通用仿真模型，该模型能够对一类装配指向性天线的时分体制导航系统的性能进行分析与仿真，通过输入不同的星间链路规划表和路由表，可考察不同设计方案下的导航星座网络通信性能，重点分析系统的通信时延，具有良好的通用性。

1 导航系统星座网络特点

1.1 网络拓扑特点

导航系统通过建设星间链路，可以实现导航星座的全网通信。但是由于星间链路采用指向性天线，当每颗卫星只装配一副指向性天线时，同一时刻每颗卫星上只存在一条星间链路，一颗卫星只能与其余一颗卫星进行通信，导致导航星座网络并不处于全连通的状态[3]。卫星通过在不同时刻切换天线指向来实现与其余多颗卫星的通信，即该系统采用时分多址（TDMA）的通信体制进行通信。本文研究的正是这样一类卫星上只装配一副指向性天线的时分体制导航星座网络。

图1展示了3个连续时间间隔的导航星座网络拓扑结构，包括6颗卫星，标号为1～6，两颗卫星相连代表两颗卫星建立了星间链路。假设星间链路的一个建链时隙的时长Δt=3 s，在一个建链时隙内卫星保持天线指向不变，星座网络的拓扑结构固定，下一建链时隙，卫星切换建链对象，网络拓扑更新。可以看出，每颗卫星在同一时刻只能与其余一颗卫星建立星间链路，卫星通过在不同时隙与不同的卫星建立星间链路，在多个建链时隙内实现了整个星座网络的全连通。因此，导航星座网络的拓扑结构是一种动态的网络拓扑结构，由每个时隙内每两颗卫星间的建链规划决定，这样的网络拓扑结构采用星间链路规划表描述。

图1 导航星座网络拓扑示意图

图2展示了一种链路分配策略下的星间链路规划表，表中的数字代表卫星的编号。在该链路分配中，时隙1卫星1与卫星3建立星间链路，时隙2卫星1与卫星4建立星间链路，以此类推。不同的星间链路拓扑设计方案可用不同的星间链路规划表进行描述。由于导航卫星轨道具有周期性[4]，因此只需要计算一个周期内的星间链路调度方案即可，导航系统按照一个星间链路规划表周期性循环建链。

图2 星间链路规划表展示

1.2 网络路由策略

导航系统中，星间链路用以通信的主要功能是通过星间数据传输，实现地面站与任意一颗卫星的通信。处于地面站天线扫描范围内、可以与地面站直接进行通信的卫星称作境内卫星；处于地面站天线扫描范围以外的、无法与地面站直接进行通信的卫星称作境外卫星。当卫星为境内卫星时，地面站可以与其建立持续的星地链路，实现星地通信；当卫星为境外卫星时，地面站无法与其直接建立连接，要实现境外卫星与地面站的通信，境外卫星需要利用境内卫星中继，经过境内卫星转发实现与地面站的通信[5]。对于装配指向性星间链路的时分体制导航星座而言，星座不是全连通的，信息的中继需要在多个时隙内完成，由于网络结构较为复杂，为路由算法的制定和计算提出了较高要求。

此类导航星座网络的星间链路建链规划已知，路由的计算可以完全以星间链路的调度为基础，并由地面计算。地面站将路由信息上注至卫星，实现整个星座网络的通信。与星间链路的建链规划类似，路由策略采用路由表进行描述，与星间链路规划表一一对应。在装配指向性星间链路的导航系统中，常见的路由算法包括演化图路由算法[3]、连接图路由算法[6]、时隙等待路由算法[7]等，不同的路由算法生成不同的路由表，控制整个星座网络内信息的传输路径，对导航系统的通信性能有很大影响。

2 导航系统仿真模型

文中在OPNET网络仿真环境下，基于OPNET的网络域、节点域、进程域的三层建模仿真机制[8]，建立了用于装配指向性天线的时分体制导航系统通用仿真模型。模型使用星间链路规划表和路由表作为模型的输入，主要仿真地面站信息上注和境外卫星信息回传的过程，可对不同的星间链路设计方案进行分析，考察系统的通信性能。模型的主要特点包括：

1）模型中采用OPNET基于包的通信机制，上注信息和下传信息封装成包，以包的形式在不同节点间传输信息，可依据导航系统真实的需求产生特定格式的包，同时控制包生成的频度进行业务建模。

2）导航系统星间链路的拓扑和路由策略使用星间链路规划表和路由表描述，规划表和路由表作为已知量输入至模型，控制星间链路的切换和信息的中继，通过输入不同的规划表和路由表可考察不同的星间链路设计方案。

3）导航系统的星座设计用卫星轨道描述，卫星轨道使用STK软件生成，并将生成的轨道文件导入模型，轨道高度、倾角、相位等可参照具体的星座设计灵活配置。

2.1 网络域模型

导航系统主要由地面段、用户端和空间段组成[9]。由于模型重点关注的是地面站信息的上注过程和境外卫星信息回传的过程，因此，在网络域建模中只包含地面段和空间段部分。其中地面段部分主要有地面站节点组成，空间段部分由卫星节点组成。其中地面站节点可参照现实导航系统的地面站布设情况进行布站，在模型中用经纬度描述；卫星节点的运行轨道参照导航星座进行设置，使用STK生成轨道文件并输入至模型中。

2.2 卫星节点域与进程域模型

卫星节点的节点域模型由星上控制进程模型、星间收发模块和星地收发模块组成。其中星间收发模块和星地收发模块都由天线、接收机和发射机组成，分别用以建立星间链路实现星间通信和建立星地链路实现星地通信。星上控制进程模型主要用以控制星间链路的建立、维持和切换，同时负责信息的产生、存储、处理和传输等，是实现卫星节点功能的软件核心。

OPNET采用基于离散事件驱动的仿真机制，只有“事件”发生时网络模型的状态才会发生变化[10]，其中自中断事件（self）对应于计时器和时延行为，这类事件是由被某个进程调度后又回到该进程，即源和目的模块是同一模块；流中断类事件（stream）对应于数据包的发送和接收行为，这类事件由数据流触发，源和目的模块通过包流线连接[11]。进程域模型由状态和状态转移线组成，用状态转移图描述，并通过事件触发执行进程。卫星节点的星上控制进程模型如图3所示。

图3 卫星节点进程域模型

星上控制进程模型包含有6个状态：idle、init、route、data、rcvr和 queue。其中 idle 为空闲状态，等待事件中断的发生；init状态为初始化状态，用以初始化卫星节点，主要包括统计量的注册、文件的读取及属性设置等。除了空闲和初始化状态以外，表1列出了其余4个状态route、data、rcvr和queue的逻辑事件和中断类型。

表1 星上控制进程事件列表

事件的中断类型包括自中断和流中断，自中断由进程内通过定时自我触发，流中断由接收到的地面站或其他卫星传来的数据包触发，各个事件和状态的具体实现方法如下：

1）route_tri

route状态通过读取规划表和路由表进行星间链路的切换。在星间链路的调度中，每个建链时隙的时长为 Δt，因此每隔 Δt产生一次自中断事件route_tri进入route状态，完成星间链路切换和更新路由信息。

2）data_tri

卫星节点产生的下行数据主要包括卫星载荷观测和状态信息、星间链路监测信息及自主导航信息等[12]，各类数据具有不同的数据量和频度。data状态依据业务模型创建不同格式的数据包，并控制数据包的产生频度，根据数据的频度定时产生自中断data_tri。

3）rcvr_tri

卫星节点接收到数据包，触发流中断事件rcvr_tri进入状态rcvr，对数据进行分类处理。若卫星接收数据包的目的地址为本星，则计算数据包的接收时间与产生时间之差，统计数据的传输时延；若接收数据包的地址为其他卫星或是地面站，则对数据包进行中继处理。

4）queue_tri

当接收到数据包或数据包产生时，自中断事件queue_tri被触发。queue状态负责对数据包的发送行为进行管理。queue状态对数据包依据包产生时间将其排入发送队列，确保优先发送产生时刻较早的数据以减少数据的传输时延。同时控制数据包的发送时机，若数据包的下一跳地址与当前建链卫星一致，则进行数据发送；否则数据包等待发送，直至本星与下一跳地址的建链时隙到来，数据进行发送。

2.3 地面站节点域与进程域模型

地面站节点的节点域模型由地面站控制进程模型和星地收发模块组成。星地收发模块由天线、接收机和发射机组成，用以建立星地链路实现星地通信。地面站控制进程模型主要用以实现上注信息的生成与发送，接收信息的处理与统计等，是实现地面站节点功能的软件核心。地面站节点的控制进程模型如图4所示。

图4 地面站节点进程域模型

地面站节点的控制进程模型包含有5个状态：idle、init、path、data、collect。其中 idle 为空闲状态，等待事件中断的发生；init状态为初始化状态，用以初始化地面站节点，主要包括统计量的注册、文件的读取及属性设置等。除了空闲和初始化状态以外，表2列出了其余3个状态path、data和collect的逻辑事件和中断类型。

表2 地面站控制进程事件列表

各个事件和状态的具体实现方法如下：

1）path_tri

path状态可以读取上注信息的传输路径，在星间链路的调度中，每个建链时隙的时长为Δt，在每个建链时隙Δt内导航系统星间链路的网络拓扑结构不变。因此，每隔Δt定时产生一次自中断path_tri进入path状态，查询当前时刻上注信息的传输路径，每次查询的传输路径有效期为Δt。

2）data_tri

地面站产生的上行数据主要包括基本导航信息、历书信息、卫星导航载荷控制信息及路由信息等[12]。该状态的触发和工作模式与星上控制进程模型一致，按照业务模型以相应频度产生对应格式的数据包，由于星地链路是持续建立的，完成信息生成后，数据包立刻被上注至境内卫星。

3）collect_tri

地面站接收到卫星发送的下行数据后，触发流中断collect_tri进入collect状态，通过计算数据包的接收时间与产生时间之差统计下行数据的传输时延，统计完成后对数据包进行销毁处理。

3 示例分析

文中利用建立的导航系统通用仿真模型，对一种星座设计方案下的导航系统通信性能进行了仿真分析，系统的星间链路设计方案参考已有研究[13]对建链方案进行了配置，并规定星间链路的一个建链时隙的时长Δt=3 s，一个建链周期包含20个时隙，即星间链路的指向每3 s切换一次，建链周期为20×Δt=1 min。境外卫星下行数据的路由采用了连接图算法的路由策略[14]，地面站上注信息的路由采用了等待传输的一跳路由算法[15]，仿真分析了系统内信息传输的时延特性。

仿真统计了数据的传输时延，包括境外卫星向地面站发送的下行数据的传输时延和地面站向境外卫星发送的上注信息的传输时延。由于仿真重点考察导航系统中数据的通信时延，因此仿真设定每颗境外卫星每隔1 s向地面站发送一个数据包，地面站分别统计不同境外卫星产生的下行数据的传输时延。图5展示了卫星1向地面站发送的下行数据的传输时延，考察其在1小时内的传输时延特性，在这1小时中，卫星1始终为境外卫星，无法与地面站直接建立星地连接。其中横轴为仿真时间，纵轴为信息的传输时延，单位为秒（s）。

图5 卫星1下行信息传输时延

从图5中可以看出，卫星1向地面站发送的下行数据，其传输时延在1～6.5 s之间，由于星间链路的一个建链时隙的时长为3 s，这意味着卫星1的下行数据经过一颗至两颗卫星中继便可完成信息的回传，对于这样时分体制的导航系统而言，时延性能出色，具有较低的传输时延。此外，在放大图中可以进一步看出，数据经过一颗卫星中继的传输时延在1～3.5 s之间，数据经过两颗卫星中继的时延在3.5～6.5 s之间，由于星间链路的一个建链时隙的时长为3 s，每增加一次中继次数，数据的传输时延增加3 s，中继次数的增加将会导致传输时延的迅速增长大。

仿真同样设定地面站每隔1 s分别向所有境外卫星发送一个数据包，每颗境外卫星分别统计接收到的地面站上注信息的传输时延。图6展示了卫星1接收到的地面站上注信息的时延。

从图6中可以看出地面站向卫星1发送上注信息的传输时延在1～12.5 s之间，相比于下行信息的传输时延，时延有所增加，这主要是因为在仿真中下行信息和上注信息的路由策略不同导致的，地面站采用了等待传输的一跳路由算法是导致传输时延增大的主要原因。从放大图中可以看出，数据经过1个时隙等待的传输时延在1～3.5 s之间，传输过程中最多需要等待4个传输时延，传输时延达到了9～12.5 s，传输性能有所下降。

图6 地面站上注信息传输时延

4 结 论

文中利用软件OPNET建立了一种导航系统通用仿真模型，该模型可对一类装配指向性天线的时分体制导航系统的通信性能进行仿真分析，可以考察境外卫星下行数据的传输时延及地面站上注信息的传输时延。通过输入不同的星间链路规划表和路由表，可对该类导航系统的网络拓扑和路由策略进行灵活配置，利用模型的仿真结果，可对多种建链规划和路由策略进行优选，从而为导航系统星间链路的拓扑及路由设计提供了重要依据。

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General simulation model of navigation satellite system based on OPNET

SHAO Feng-wei1，2，GONG Wen-bin2，JIANG Xing-long2
（1.Shanghai Institute of Micro-system and Information Technology，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 200050，China；2.Shanghai Engineering Center for Micro-satellite，Shanghai 201203，China）

To analyze the performance of navigation satellite system equipped with ISL（Inner-satellite link），taking the communication requirements of satellite constellation into consideration，this paper establishes a general simulation model of navigation satellite system based on OPNET.The general model could be applied to a kind of navigation satellite system which is equipped with directional antenna，and simulate the information transmission process to calculate the transmission delay.The communication performance of navigation system using different ISL design could be analyzed and compared.By simulating a typical navigation system，the model is verified correct and reliable.

navigation satellite system； simulation model； ISL（Inner-satellite link）； delay； OPNET

TN297+.3

：A

：1674－6236（2017）14-0105-06

2016-05-27稿件编号：201605267

邵丰伟（1992—），男，山东济南人，硕士研究生。研究方向：导航系统星间链路。