导航星座星间链路运行管理模式研究

王琦 顾亚楠

(1 北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094)(2 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

为实现全球导航系统精密定轨与时间同步、自主导航、境外卫星监视与控制等核心功能，在全球导航系统卫星之间建立了具有精密测量和通信功能的星间链路[1-3]。导航星座任意可视卫星间可通过分时建立多点对多点的多条链路，完成端到端数据传输[2-5]。

星间链路运行管理是在复杂星间链路出现后，对航天器测控业务的延伸和扩展。星间链路运行管理指对星间链路进行资源管理与调度、状态监视和故障诊断、性能测试与评估等，使星间链路协调、高效、稳定运行。与传统面向单个航天器的测控有较大区别，星间链路运行管理的对象是多节点联通的星间链路及其动态变化形成的空间通信网络。

北斗导航星座星间链路是我国首个网络化的星间链路，在对北斗导航星座星间链路运行支持的实现过程中，星间链路运行管理的概念得以建立并丰富，并成为独立发展的技术方向(下文“导航”专指“北斗导航”)。随着北斗全球卫星导航系统的组网演进，星间链路运行管理的对象也在动态增加，运行管理的内涵也由在轨测试、组网联调和试运行逐步向稳定运行服务转化。

本文根据导航星座星间链路运行及管控的特点，对导航星座星间链路运行管理模式及场景进行了具体设计和定义，以支持导航星座星间链路的高效运行及精细管理。基于导航星间链路运行管理的实践经验和星间链路的技术发展，论述了星间链路运行管理的发展方向。

1 星间链路运行管理的概念及内涵

1.1 管理对象

星间链路是指用于卫星之间通信(和测量)的链路[1]。通过星间链路将多颗卫星互联在一起，可形成以卫星作为交换节点的空间通信网络。星间链路运行管理的对象是星间链路通信网络及在网络上接入和传输的数据。

导航星座星间链路是当前具有应用代表性的网络级星间链路。导航星座星间链路运行管理的对象是涵盖导航系统星间链路节点和星地各类数据接入节点的网络运行及服务。

1.2 服务对象

由星间链路构成的空间通信网络，主要为用户提供通信(和测量)服务。以导航星座星间链路为例，其用户包括导航系统内部用户和外部扩展应用用户。导航系统内部用户具体包括卫星用户和地面用户；内部用户基于星间链路的测量和通信功能，实现精密定轨与时间同步、境外卫星控制管理、自主导航等服务。导航系统外部扩展应用用户主要为运载器、航天器等，通过接入导航星座星间链路，获取轨道测量、数据传输等服务。

1.3 功能定义

星间链路运行管理功能具体可分解为网络规划、网络控制、网络监控、用户服务、测试评估等。

(1)网络规划功能，指网络拓扑、路由及接入参数的计算生成功能。

(2)网络控制功能，指网络管控指令生成、分发、上注、执行确认等功能。

(3)网络监控功能，指网络运行状态监视、运行性能监控等功能。

(4)用户服务功能，指用户使用申请综合分析、使用申请答复、配置参数分发、可用状态公布、用户使用评估等功能。

(5)测试评估功能，指星间链路入网验证、在轨测试、在轨试验、新技术验证等功能。

2 导航星座星间链路运行管理模式设计

2.1 模式定义及划分

根据导航星座星间链路整体建设阶段和服务状态将星间链路运行管理模式划分为以下三类。

1)系统演化模式

系统演化模式下，导航星座星间链路网络拓扑变化发展，尚不具备整体星座导航运行服务的条件。系统演化模式可包含在轨星间链路分别处于不同运行状态的情况，例如，一部分星间链路进行组网试运行，不提供有质量保证的服务，另一部分单独进行在轨测试或故障处置；也包含全部星间链路都处于组网联调或试运行的情况。

2)常规服务模式

常规服务模式下，导航星座星间链路完成组网，地面系统可正常支持导航业务，导航系统具备正常运行服务的条件。常规服务模式允许少部分星间链路处于故障或恢复状态，但不影响整体星座导航运行服务要求的满足。

3)自主运行模式

自主运行模式下，导航星座基于星间链路进行自主导航，播发自主导航星历；允许部分星间链路未入网，但星座整体满足自主导航服务要求。当导航星座超出一定时间无法获得地面系统导航业务正常支持的情况下，或收到地面发出的自主导航切换指令，转为自主运行模式[6-10]。

2.2 模式间转化关系

导航星座星间链路运行管理三种模式之间的转化关系如图1所示。

图1 星间链路运行管理模式转化关系示意图Fig.1 Transformation relations of navigation constellation inter-satellite link command-and-control management modes

1)系统演化模式与常规服务模式间的转化

系统演化模式向常规服务模式转化：星间链路处于测试联调或故障等状态，无法支持整体星座导航运行服务，经在轨测试或故障处置后，星间链路具备组网条件，且导航系统具备整体星座导航运行服务条件时，星间链路由系统演化模式转为常规服务模式。

常规服务模式向系统演化模式转化：因暂时不可恢复的在轨故障，导致星间网络规模或拓扑结构不具备支持整体星座导航运行服务的条件时，全部星间链路由常规服务模式转为系统演化模式。

2)常规服务模式与自主运行模式间的转化

常规服务模式向自主运行模式转化：如果各卫星收到地面转为自主运行状态的指令，或者各卫星自主判断地面注入的电文龄期与当前时刻时差超差，触发卫星切换至播发自主导航星历，星间链路转化为自主运行模式。

自主运行模式向常规服务模式转化：如果各卫星收到地面转为常规运行状态的指令，或者各卫星自主判读地面星历数据更新标志符合常规运行条件，星间链路恢复常规服务模式。

3 导航星座星间链路运行管理场景设计

导航星座星间链路3种运行管理模式下，根据星间链路局部运行特点可细分为10种运行管理场景，具体划分如表1所示。导航星座星间链路可处于同一模式的多种场景下，某一星间链路节点仅处于唯一场景中。星间链路工作场景转化关系如图2所示。

表1 导航星座星间链路运行管理场景划分Table 1 Scenes of navigation constellation inter-satellite link command-and-control management

图2 星间链路工作场景转化关系示意图Fig.2 Transformation relations of navigation constellation inter-satellite link command-and-control management scenes

3.1 系统演化模式下的场景定义及转化

1)入网测试场景

入网测试场景适用于局部星间链路节点的运行管理，指卫星入轨后星间链路入网测试和某些情况下故障排除后重新入网测试的场景。处于入网测试场景的卫星，其星间链路与其它卫星星间链路独立运行，暂不对外服务，可通过地面管理设备对其开展入网测试，单独进行拓扑路由规划。当卫星完成入网测试、功能性能正常后，可通过卫星入网流程进入联调试用场景。

2)联调试用场景

联调试用场景适用于规模逐步演化的星间链路网络。局部星间链路节点完成入网测试后，可加入星间链路的联调试用场景。在联调试用场景中，星间链路的规模和网络拓扑结构可持续变化和进展，业务服务效果不作考核性要求，经过试用可优化管理策略和调度方式，为转入常规服务模式奠定基础。经过联调试用，若星间链路具备整体星座导航运行服务能力，则可转为常规服务模式的相关场景。

3)故障处置场景

故障处置场景适用于星间链路节点故障或星间链路局部网络故障导致星座无法提供或较快恢复整体星座导航运行服务的情况。在该场景下，对故障节点或局部网络进行故障诊断和故障恢复。待故障恢复后，可依次转为入网测试、联调试用场景。

4)试验验证场景

试验验证场景用于在系统演化阶段开展扩展应用、异构网络间互联互通、业务性能测试等试验验证，为导航星座常规服务奠定基础。

3.2 常规服务模式下的场景定义及转化

1)导航常规服务场景

导航常规服务场景是指在常规服务模式下，通过对导航星座星间链路的运行管理，实现星间链路整体星座导航运行服务要求，是最基本的运行管理场景。

当有部分星间链路故障影响导航星座实现整体星座导航运行服务能力时，故障节点转入系统演化模式的故障处置场景，正常节点转为系统演化模式的联调试用场景。故障恢复后经过在轨测试、联调试用，星间链路重新转入正常服务模式的常规业务场景。

2)扩展应用服务场景

扩展应用服务场景是指在常规服务模式下，在不影响星间链路支持整体星座导航运行服务的基础上，以部分星间链路资源支持扩展应用服务的场景。

扩展应用服务场景分为短期使用和常态运行两种方式。短期使用方式将用户航天器视为星间链路的特殊节点，仅进行突发性的试验或试用，由导航星座星间链路的预留资源进行支持。

常态运行方式将用户航天器视为星间链路一个新增周期服务节点，纳入星间链路网络进行统一规划，综合内外用户服务需求进行支持。

扩展应用服务场景适用于部分或全部星间链路节点。当扩展应用用户通过使用申请通过后，可由导航常规服务场景切换至扩展应用服务场景。

3)用户应急服务场景

用户应急服务场景是指在常规服务模式下，由于某些特殊情况，部分用户可申请提高用户服务等级或调整服务要求，同时兼顾实现星间链路整体星座导航运行服务支持的场景。

以短报文通信业务为例，在特殊搜救等情况下，可经过申请提高搜救数据在星间链路的接入优先级和数据量，为其提供更高质量的服务。

4)故障处置恢复场景

故障处置恢复场景是指在星间链路满足整体星座导航运行服务的前提下，对少量星间链路进行故障处置及恢复的场景。

少量星间链路的故障处置恢复场景，通常与主体星间链路的其他各服务场景共存。故障恢复后，故障节点无需经过在轨测试等过程，直接入网转为相应服务场景。

3.3 自主运行模式下的场景定义及转化

1)星座半自主运行场景

星座半自主运行场景是指在无地面导航业务支持情况下，导航星座基于星间链路进行自主导航，通过地面锚固支持进行星座整体旋转、地球定向参数(EOP)等修正的场景。当失去地面锚固支持时，星座半自主运行场景向星座自主运行场景转化。

2)星座自主运行场景

星座自主运行场景是指在无地面导航业务支持情况下，导航星座基于星间链路进行自主导航的场景。

4 导航星座星间链路运行管理重点

星间链路运行管理在卫星进入工作轨道后开展，具备网络管理的特性。在导航星座不同的运行管理模式下，运行管理的重点有所不同。

1)系统演化模式的运行管理

系统演化模式下，星间链路运行管理涵盖在轨测试、故障处置、组网联调、组网试运行等，主要测试星间链路终端性能、验证星间链路网络运行的协调性，调整和优化运行管理策略和方案。

在轨测试一般采用星地联合的方式，对星间链路终端进行发射信号特性测试、天线工作状态检查、收发通道时延标定、设备功能评估等操作，验证在轨星间链路终端星间接口适配性和信息路由正确性。

故障处置采用地面为主控制的方式，对星间链路的故障状态进行识别和诊断，对故障星间链路进行隔离处置和故障恢复。

组网联调采用地面集中控制的方式，将待入网的星间链路节点接入星间链路网络进行调试，检查新规模网络运行协调性及星间链路业务服务性能。

组网试运行采用地面监控的方式，在星间链路网络提供正式服务前可进行一定周期的服务性能监测，为星间链路转入常规服务模式奠定基础。

2)常规服务模式的运行管理

常规服务模式下，星间链路运行管理涵盖配置管理、资源管控、状态监控与故障处置、用户服务等，主要实现导航星座星间链路对导航服务及外部用户的稳定可靠支持。

配置管理可采用集中规划的方式，完成星间链路物理层、数据链路层、网络层等的参数配置，实现星间链路的网络化运行；待技术条件成熟后可发展网络自组织配置管理，采用“集中+分布式”管理方式。

资源管控现阶段可采用地面集中管理的方式，对星间链路资源和星间接入链路资源进行管理和分配，支持各类用户获取星间链路服务。

状态监控与故障处置采用卫星自主处置与地面控制处置相结合的方式，尽可能快速判断并恢复星间链路故障，降低故障对导航星座稳定运行的影响。

用户服务当前主要采用地面集中管理的方式，进行用户需求汇总、用户请求反馈、服务状态发布、服务效果评估等，为用户提供网络化服务。

3)自主运行模式的运行管理

自主运行模式下，星间链路运行管理主要通过卫星自主规划调度、自主状态监测与故障诊断恢复、星座自主维持等实现。星间链路通过卫星自主运行管理实现星间建链测量和数传，支持自主导航功能实现。

5 导航星座星间链路运行管理实例

以常规服务模式下节点故障处置恢复事件为例，具体分解星间链路精细化运行管理的过程。

基本工作流程为：在导航常规服务场景下，当星间链路发生卫星节点故障且故障规模不影响星座整体导航服务时，故障节点进入故障处置恢复场景进行故障处置，同时星间链路运行管理系统对导航常规服务场景进行用户服务判断和配置管理，以确保星间链路网络持续支持导航服务及其他用户业务服务。卫星节点故障恢复后，重新加入导航常规服务场景恢复服务。

在故障处置恢复场景下，对故障节点从物理层至应用层逐层向下依次进行信息收集和故障诊断。具体根据遥测分层状态监视信息，进行包括单机器件、网络拓扑、网络路由、网络数据传输及用户服务的故障诊断。故障定位后，按照相应的故障处置预案进行处置恢复。

在导航常规服务场景下，对可服务星间链路从应用层至物理层逐层向下判断是否需要整网配置参数重规划。其中，应用层面向故障状态，核验用户接入计划是否维持原有状态；传输层基于用户服务需求，核验是否重新生成网络传输参数；网络层基于网络拓扑，核验是否重新生成路由规划；链路层基于节点构成和拓扑规则，核验是否重新生成拓扑规划；物理层基于工作状态要求，核验是否重新生成网络物理参数。当原故障对星间链路网络服务影响判决结果为可忽略时，整网配置参数重规划可推迟至下一运行周期进行。

当节点在短期内快速实现故障恢复后，则立刻进入导航常规服务场景，全网使用原网络配置管理参数运行服务。当节点故障恢复前整网已完成了配置参数重规划及使用，则在下一运行周期开始前加入该节点重新规划网络。

整个故障处置恢复过程按照星间链路运行管理模式、场景的定义及转化关系，由星间链路运行管理系统软件自动化执行以上工作流程。工程实践结果表明，基于场景和模式的精细化运行管理，对星间链路稳定运行服务支持的效果良好。

6 星间链路运行管理的发展方向

星间链路运行管理的发展，旨在完成天地一体化网络资源协同优化调度，实现星间链路资源的高效配置，采用开放的网络接入思想对整个星间链路网络实施管理，满足用户网络化通信服务需求。

随着激光星间链路技术的发展和应用[11-12]，未来星间链路将具备高速空间传输网络的属性，星间链路运行管理也应向一体化、网络化、服务化的方向发展。

1)“集中+分布式”一体化网络管控架构

由地面集中统一组织所辖链路及网络的入网流程、故障诊断、健康状态评估等；各链路或各节点自组织完成拓扑、路由、链路工作性能等运行状态控制、状态监视，并完成状态向地面上报工作；服务受理、任务调度以及服务性能监视与评估等工作一般也由各链路或各节点自组织完成；形成星地“集中+分布式”一体化网络管控架构，如图3所示。

图3 “集中+分布式”一体化网络管控架构Fig.3 Centralized plus distributed management and control architecture of integrated network

该架构是一种分层演进式架构，支持星载节点与地面中心节点组成一体化的管控平面，也支持将本级星间链路网络的管控平面加入更高一级网络。通过这种演进式架构，实现空间网络的发展兼容性。

2)分层调度管理策略

将复杂的星间链路调度管理划分为物理层管理、链路层管理、网络层管理、传输层管理、应用层管理等层次，将每一层管理功能作为独立模块实现，下层为上层提供支撑，如图4所示。物理层管理控制网络物理参数；链路层管理确定网络拓扑；网络层管理生成路由规划；传输层管理控制网络传输参数；应用层管理生成用户接入计划。通过分层调度管理，将有效降低用户应用与星间链路通信网络运行的耦合度，降低星间链路通信网络运行管理的复杂度。

图4 分层调度管理策略Fig.4 Hierarchical scheduling management policy

3)标准化服务接口

综合各类星间链路用户不同的业务使用要求，定义统一的标准化、普适性的服务接口。通过服务接口规范用户接入方式，使各类用户可以便捷地接入星间链路，并具有良好的扩展性。用户按照接口规范提出使用需求，根据星地管控节点分配的接入点接入星间链路，无需关心星间链路的具体实现，即可获取星间链路“一点通、全网通”的网络服务。

4)天地一体化网络管控平滑扩展

星间链路的网络化发展，将促进星间、星地网络的融合，实现天地一体化传输网络。预期星间链路运行管理也将与传统测控及运控、地面通信网络管理融合，向更加复杂的天地一体化网络管控发展。在推动“集中+分布式”管控、分层调度管理、标准化服务接口的同时，星间链路运行管理还应重点发展复杂网络管控体系、高效资源调度管理技术，支持星间链路运行管理向天地一体化网络管控的平滑扩展。

7 结束语

星间链路运行管理与传统单一测控目标的规模化管控不同，具备鲜明的网络化、服务化的需求和特点，已成为航天器控制领域新的技术方向。在对导航星座星间链路运行管理的过程中，运行管理模式及具体场景得到精细化区分和设计，运行管理功能和内容得到立足实际且面向未来的实现，有力支持了导航星座的高效稳定运行，有效促进了星间链路运行管理的蓬勃发展。