一種適用于小衛(wèi)星集群的自適應組網(wǎng)方法
【專利摘要】一種適用于小衛(wèi)星集群的自適應組網(wǎng)方法，本方法采用集中式資源分配與分布式路由相結合的方式，采用時分多址與隨機競爭組合接入方法，通過特定的信息幀格式及內(nèi)容定義設計，配合所設計的小衛(wèi)星集群自適應組網(wǎng)方法，本發(fā)明包括三個階段，分別為：1、小衛(wèi)星發(fā)射入軌；2、初始組網(wǎng)，初始組網(wǎng)分為先后開機組網(wǎng)模式和同時開機組網(wǎng)模式；3、網(wǎng)絡動態(tài)路由建立與維護，最終實現(xiàn)小衛(wèi)星群的自適應組網(wǎng)。本發(fā)明有效地解決了分布式衛(wèi)星系統(tǒng)快速組網(wǎng)與自適應靈活組網(wǎng)的矛盾，對于分布式衛(wèi)星系統(tǒng)的特殊應用場景及特點具有較強的針對性與適應性。
【專利說明】—種適用于小衛(wèi)星集群的自適應組網(wǎng)方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明的一種適用于小衛(wèi)星集群的自適應組網(wǎng)方法，屬于衛(wèi)星網(wǎng)絡技術，特別是衛(wèi)星編隊組網(wǎng)領域。
【背景技術】
[0002]現(xiàn)有的通信衛(wèi)星星座系統(tǒng)，比如銥星、全球星系統(tǒng)，衛(wèi)星位于不同軌道面，構成固定星座構型，衛(wèi)星間通信鏈路確定；而小衛(wèi)星編隊系統(tǒng)，比如Techsat-21、TanDEM-X, GRACE等，同樣采用固定編隊構型，這些系統(tǒng)僅僅建立了固定的星間通信鏈路，不具備星間數(shù)據(jù)交換和多跳傳輸能力，尚不足以稱之為星間網(wǎng)絡，更不能實現(xiàn)自組網(wǎng)。美國提出的F6系統(tǒng)概念，系統(tǒng)能自主運行，支持模塊加入/退出，集群中各模塊通過網(wǎng)絡實現(xiàn)資源共享，面對威脅能夠實現(xiàn)自主重構。但并未給出具體的集群內(nèi)自適應組網(wǎng)MAC協(xié)議設計方法?，F(xiàn)有地面自組織網(wǎng)絡MAC協(xié)議已提出多種基于TDMA (時分多址)的協(xié)議設計，但均是針對地面自組網(wǎng)網(wǎng)絡各自特點所設計，與小衛(wèi)星集群應用背景不完全相同。
[0003]本專利設計的系統(tǒng)及方法與目前國內(nèi)外在軌運行以及文獻專利中設計的系統(tǒng)均不相同，具有一定的新穎性。相關系統(tǒng)的基本情況如下:
[0004](一)衛(wèi)星星座系統(tǒng)
[0005](I) Iridium 系統(tǒng)
[0006]文獻“第二代銥星系統(tǒng)及其搭載應用概況，吳建軍程宇新等，第六屆衛(wèi)星通信新業(yè)務新技術學術年會，2010.3”中描述了銥星系統(tǒng)的基本情況:66顆低軌道衛(wèi)星星座，。
[0007](2) Globalstar 系統(tǒng)
[0008]文獻“衛(wèi)星通信系列講座之八全球星系統(tǒng)概況，張更新李罡等，數(shù)字通信世界，2007.12”描述了全球星系統(tǒng)基本情況:48顆低軌道衛(wèi)星星座和分布于全球的38個地面信關站組成，16波束固定多波束天線，無星間鏈路，星上透明轉發(fā)。系統(tǒng)建設、運行、管理和維護成本極大。
[0009](3) ICO 系統(tǒng)
[0010]文獻“中圓軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)IC0，林子杰，天津航海，2002.3”中描述了 ICO系統(tǒng)基本情況:10顆中軌道衛(wèi)星星座和7個地面關口站組成，120波束固定多波束天線。多波束天線技術復雜，系統(tǒng)建設、運行、管理和維護成本高。
[0011](4)中軌赤道衛(wèi)星星座方案
[0012]申請?zhí)枮镃N99106177.2的專利“中軌赤道衛(wèi)星星座方案”，設計的系統(tǒng)由均勻分布在赤道上方的四顆或五顆衛(wèi)星組成。該方案對于高緯度地區(qū)覆蓋困難，且僅僅給出了星座設計，沒有關于通信方法的設計。
[0013](5) 一種綜合衛(wèi)星通信系統(tǒng)框架與星座
[0014]申請?zhí)枮镃N99114761.8的專利“一種綜合衛(wèi)星通信系統(tǒng)框架與星座”，設計了一種中國綜合衛(wèi)星通信系統(tǒng)，它是由同步衛(wèi)星和若干個非同步衛(wèi)星構成，非同步衛(wèi)星是由中軌衛(wèi)星或橢圓軌道衛(wèi)星星座組成，具有區(qū)域性和時限性。該系統(tǒng)用于中國區(qū)域實時通信和非實時全球數(shù)據(jù)通信。
[0015](二)衛(wèi)星編隊系統(tǒng)
[0016]目前國際上現(xiàn)有分布式衛(wèi)星系統(tǒng)一般針對特定任務設計，每顆衛(wèi)星配置相同，集多種功能于一身，且連接關系基于系統(tǒng)功能設計，一般不能根據(jù)任務和需求的變化而改變，自適應性與擴展性差。比如，Techsat-21計劃星間距離在IOOm到5km，星間鏈路主要是傳遞編隊位置時間信息和載荷的情況，速率僅為128bps[2] ；TanDEM—X任務星間交互信息主要是GPS的位置信息以及姿態(tài)狀態(tài)信息，每IOs以32kbps發(fā)送[3] ；GRACE星間鏈路具有測距功能[4]。
[0017]在星間網(wǎng)絡方面，現(xiàn)有系統(tǒng)僅僅建立了固定的星間通信鏈路，不具備星間數(shù)據(jù)交換和多跳傳輸能力，尚不足以稱之為星間網(wǎng)絡。
[0018](三)F6衛(wèi)星系統(tǒng)
[0019]針對分布式同構衛(wèi)星系統(tǒng)的不足，美國國防高級研究計劃局(DARPA)提出了分離模塊概念，并開展了實現(xiàn)該概念的F6項目[5’6]。F6英文全稱為“Future，F(xiàn)ast, Flexible, Fractionated, Free-Flying Spacecraft”,直譯為通過信息交換連接的“未來、快速、靈活、分離模塊、自由飛行航天器”，是美國國防高級研究計劃局對分離模塊概念進行的技術研發(fā)和演示驗證項目。
[0020]美國DARPA計劃在2014-2015年進行F6的LEO在軌演示驗證，該驗證系統(tǒng)命名為“昴宿星”(Pleiades)。初期目標僅是實現(xiàn)分布式系統(tǒng)的功能性指標，即①系統(tǒng)能自主運行，支持模塊加入/退出；②集群中各模塊通過網(wǎng)絡實現(xiàn)資源共享；③面對威脅能夠實現(xiàn)自主重構。
[0021]如圖所示，“昴宿星”(Pleiades)由7個模塊構成，每個模塊飛行器具備通用的功能單元一平臺控制功能單元(ACS)和通信功能單元(Communications),以實現(xiàn)模塊群的編隊控制和組網(wǎng)通信。在通用功能單元配置基礎上，不同模塊飛行器配置不同功能的專用功能單元，包括傳感器載荷(sensor)單元、存儲(Storage)單元、數(shù)據(jù)處理(Processor)單元等。配置了專用功能單元的模塊飛行器即可在模塊群編隊系統(tǒng)中完成相應的專用功能，各模塊飛行器之間通過通信功能單元實現(xiàn)星上大容量存儲、數(shù)據(jù)處理以及對地傳輸?shù)荣Y源共享。
[0022]F6演示系統(tǒng)模塊航天器之間的通信單元采用自組織網(wǎng)絡技術實現(xiàn)組網(wǎng)通信，采用無中心網(wǎng)絡結構，模塊航天器之間為對等通信節(jié)點，具有無中心化、自發(fā)現(xiàn)、自動配置、自組織、故障自愈以及高可靠性和高可用性等特點。
[0023]但該系統(tǒng)設計并未給出具體的組網(wǎng)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0024]本發(fā)明的技術解決問題是:克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種適用于小衛(wèi)星集群的自適應組網(wǎng)方法，本發(fā)明采用了集中式資源分配與分布式路由相結合，并對信息傳遞進行一體化設計，實現(xiàn)組網(wǎng)的自適應性，同時，兼顧分布式衛(wèi)星系統(tǒng)組網(wǎng)的快速性，對于分布式衛(wèi)星系統(tǒng)的特殊應用場景及特點具有較強的針對性與適應性。
[0025]本發(fā)明的技術解決方案是:
[0026]一種適用于小衛(wèi)星集群的自適應組網(wǎng)方法，包括步驟如下:[0027](I)階段1:發(fā)射入軌
[0028]步驟1:確定小衛(wèi)星發(fā)射入軌方式:所述的入軌方式分為兩種，方式一為逐個衛(wèi)星發(fā)射入軌；方式二為一箭多星發(fā)射入軌；
[0029]步驟2:確定開機順序；所述的開機順序確定方法如下:
[0030](a)若采用逐個衛(wèi)星發(fā)射入軌方式，則當衛(wèi)星入軌后開機，網(wǎng)絡通信組件開始工作進行組網(wǎng)，定義為先后開機組網(wǎng)模式；
[0031](b)若采用一箭多星發(fā)射入軌方式，則當多顆衛(wèi)星入軌后，多顆衛(wèi)星同時開機，網(wǎng)絡通信組件開始工作進行組網(wǎng)，定義為同時開機組網(wǎng)模式；
[0032](2)階段2:初始組網(wǎng)；判斷組網(wǎng)方式，若采用先后開機組網(wǎng)模式則進入步驟(3)，若采用同時開機組網(wǎng)模式則進入步驟(7)；
[0033]步驟3:新入軌小衛(wèi)星進入信號偵聽期，偵聽期間該小衛(wèi)星僅接收信號而不發(fā)射任何信號；所述偵聽期持續(xù)時間大于I個TDMA幀周期，為幀周期的整數(shù)倍；
[0034]步驟4:判斷是否存在其他處于組網(wǎng)工作狀態(tài)的小衛(wèi)星，若在偵聽期內(nèi)，沒有接收到其他小衛(wèi)星發(fā)送的任何有效信息，則判斷不存在其他處于組網(wǎng)工作狀態(tài)的小衛(wèi)星進入步驟5 ;若接收到其他小衛(wèi)星發(fā)送的有效信息，則判斷已存在其他處于組網(wǎng)工作狀態(tài)的小衛(wèi)星進入步驟6 ;所述的有效信息指空閑信息幀、網(wǎng)絡維護信息幀和數(shù)據(jù)傳輸幀；
[0035]步驟5:該新入軌小衛(wèi)星自主確定自己為初始主節(jié)點，執(zhí)行主節(jié)點功能；所述的主節(jié)點功能為:
[0036](a)啟動資源管理分配功能，在TDMA幀周期中為自己分配時隙資源；
[0037](b)在所分配的時隙資源內(nèi)，通過空閑信息幀廣播本節(jié)點信息；
[0038]步驟6:該新入軌小衛(wèi)星與其他處于組網(wǎng)工作狀態(tài)的衛(wèi)星實現(xiàn)時隙同步與入網(wǎng)進入步驟(11);所述新入軌小衛(wèi)星的時隙同步與入網(wǎng)的方式:
[0039]步驟6-1:新入軌小衛(wèi)星通過偵聽獲取并根據(jù)網(wǎng)絡狀態(tài)信息，調(diào)整本節(jié)點的TDMA幀周期，進而實現(xiàn)與其他衛(wèi)星的TDMA時隙的同步；所述的網(wǎng)絡狀態(tài)信息包括網(wǎng)絡已有節(jié)點數(shù)量及地址、主節(jié)點地址、時隙分配情況和TDMA幀周期；
[0040]步驟6-2:根據(jù)網(wǎng)絡狀態(tài)信息自主選擇空閑時隙發(fā)送入網(wǎng)信息幀，通過一跳或其他節(jié)點多跳轉發(fā)至主節(jié)點衛(wèi)星；
[0041]步驟6-3:主節(jié)點衛(wèi)星接收到新節(jié)點入網(wǎng)信息幀，為其分配時隙資源，更新并發(fā)送網(wǎng)絡維護信息幀，新節(jié)點通過網(wǎng)絡維護信息幀獲知為其分配的時隙；
[0042]步驟7:各小衛(wèi)星通過競爭方式選舉出主節(jié)點衛(wèi)星，并轉入等待并偵聽主節(jié)點衛(wèi)星空閑信息幀；所述的競爭方式如下:
[0043]步驟7-1:各小衛(wèi)星網(wǎng)絡通信組件開機后，通過隨機競爭方式進行相互通信；
[0044]步驟7-2:各節(jié)點進行主節(jié)點協(xié)商，依據(jù)相關準則協(xié)商出一個主節(jié)點；
[0045]步驟7-3:主節(jié)點衛(wèi)星確認主節(jié)點身份唯一，所有小衛(wèi)星退出競爭；
[0046]步驟8:主節(jié)點衛(wèi)星為自己分配時隙，同時在所分配的時隙內(nèi)，廣播空閑信息幀；
[0047]步驟9:其它衛(wèi)星通過偵聽到的主節(jié)點衛(wèi)星的空閑信息幀，調(diào)整本節(jié)點的TDMA幀周期，實現(xiàn)與主節(jié)點的TDMA時隙同步；
[0048]步驟10:主節(jié)點衛(wèi)星為其他所有節(jié)點分配時隙，更新并發(fā)送網(wǎng)絡維護信息幀，各節(jié)點通過網(wǎng)絡維護信息幀可獲知為其分配的時隙進入步驟(11);[0049](3)階段3:網(wǎng)絡動態(tài)路由建立與維護；
[0050]步驟11:網(wǎng)絡狀態(tài)更新；所述網(wǎng)絡狀態(tài)更新的步驟如下:
[0051]步驟11-1:由主節(jié)點衛(wèi)星周期性發(fā)起網(wǎng)絡維護信息幀，各節(jié)點衛(wèi)星接收并轉發(fā)；
[0052]步驟11-2:各節(jié)點衛(wèi)星接收相鄰衛(wèi)星發(fā)送的各種信息(比如網(wǎng)絡維護信息幀、入網(wǎng)信息幀、空閑信息幀)，并提取各衛(wèi)星的地址；
[0053]步驟12:網(wǎng)絡路由建立與維護；所述網(wǎng)絡路由建立與維護的步驟如下:
[0054]步驟12-1:各節(jié)點衛(wèi)星更新與相鄰節(jié)點路由關系，生成本節(jié)點衛(wèi)星路由表；
[0055]步驟12-2:各節(jié)點衛(wèi)星根據(jù)接收網(wǎng)絡維護信息幀中的路由表信息，更新本節(jié)點衛(wèi)
星路由表；
[0056]步驟12-3:各節(jié)點衛(wèi)星將更新后的本節(jié)點衛(wèi)星路由表信息寫入主節(jié)點衛(wèi)星周期性廣播的網(wǎng)絡維護信息幀中，并將新的網(wǎng)絡維護信息幀進行廣播；
[0057]步驟13:任意節(jié)點衛(wèi)星之間可以通過數(shù)據(jù)傳輸幀進行各種應用業(yè)務數(shù)據(jù)的傳輸。
[0058]所述步驟(5)中的空閑信息幀包括幀頭、地址域、時隙域和FCS ;其中，幀頭又包括幀定界、幀長、幀類型和序列號；地址域包括本節(jié)點地址及主節(jié)點地址；時隙域包括本節(jié)點時隙和距離空閑時隙的個數(shù)；
[0059]幀定界和幀長屬于物理層包頭部分，用于確定一幀的起始及結束；幀類型用于確定一幀的解析方式；序列號表示接收和發(fā)送消息的順序；
[0060]本節(jié)點地址表示發(fā)送消息的衛(wèi)星的地址，主節(jié)點地址表示小衛(wèi)星集群中的主節(jié)點地址；
[0061]本節(jié)點時隙表示發(fā)送消息的衛(wèi)星可以使用的時隙資源的編號，距離空閑時隙的個數(shù)表示本節(jié)點時隙與最近的空閑時隙之間的時隙個數(shù)；
[0062]FCS (幀校驗序列)用于檢查接收到的空閑信息幀的正確性。
[0063]所述步驟(6-2)中入網(wǎng)信息幀包括幀頭、地址域、控制信息和FCS ;其中，幀頭又包括幀定界、幀長、幀類型和序列號；地址域包括直接目的節(jié)點地址、直接源節(jié)點地址、本節(jié)點地址及主節(jié)點地址；
[0064]幀定界和幀長屬于物理層包頭部分，用于確定一幀的起始及結束；幀類型用于確定一幀的解析方式；序列號表示接收和發(fā)送消息的順序；
[0065]直接目的節(jié)點地址指入網(wǎng)信息要達到的下一個衛(wèi)星的地址，直接源節(jié)點地址指發(fā)送該入網(wǎng)信息的前一個衛(wèi)星的地址，本節(jié)點地址表示表示發(fā)送入網(wǎng)信息的衛(wèi)星的地址，主節(jié)點地址表示小衛(wèi)星集群中的主節(jié)點地址；
[0066]控制信息用于存放被委托衛(wèi)星的地址:當新入軌衛(wèi)星在發(fā)入網(wǎng)信息時，如果它與主節(jié)點不在一跳范圍內(nèi)，則需要委托已入網(wǎng)的其他衛(wèi)星代向主節(jié)點衛(wèi)星發(fā)出入網(wǎng)申請，那么被委托衛(wèi)星的地址存于控制信息中；
[0067]FCS用于檢查接收到的空閑信息幀的正確性。
[0068]所述步驟(6-3)中網(wǎng)絡維護信息幀包括幀頭、地址域、網(wǎng)絡信息域和FCS (幀校驗序列)；其中，幀頭又包括幀定界、幀長、幀類型和序列號；地址域包括本節(jié)點地址和主節(jié)點地址；網(wǎng)絡信息域包括時隙表、目的地址表和路由信息表；
[0069]幀定界和幀長屬于物理層包頭部分，用于確定一幀的起始及結束；幀類型用于確定一幀的解析方式；序列號表示接收和發(fā)送消息的順序；[0070]本節(jié)點地址指發(fā)送該網(wǎng)絡維護信息幀的衛(wèi)星的地址；主節(jié)點地址表示小衛(wèi)星集群中的主節(jié)點衛(wèi)星地址；
[0071]時隙表表示每個時隙的使用狀態(tài)，所述使用狀態(tài)包括正在使用和空閑兩種狀態(tài)；目的地址表表示去往每個衛(wèi)星的路由是否存在；路由信息表表示去往不同目的地址衛(wèi)星需要的跳數(shù)；
[0072]FCS用于檢查接收到的空閑信息幀的正確性。
[0073]網(wǎng)絡維護信息幀用于更新網(wǎng)絡中各節(jié)點存儲的網(wǎng)絡信息，包括時隙資源使用情況、路由信息更新，幀的長度取決于網(wǎng)絡中入網(wǎng)衛(wèi)星個數(shù)，網(wǎng)絡維護信息幀由主節(jié)點衛(wèi)星發(fā)起，其他衛(wèi)星轉發(fā)；
[0074]所述步驟(13)中數(shù)據(jù)傳輸幀格式包括幀頭、地址域、數(shù)據(jù)域和FCS (幀校驗序列)；其中，幀頭又包括幀定界、幀長、幀類型和序列號；地址域包括直接目的節(jié)點地址、直接源節(jié)點地址、最終目的節(jié)點地址及起始源節(jié)點地址；
[0075]幀定界和幀長屬于物理層包頭部分，用于確定一幀的起始及結束；幀類型用于確定一幀的解析方式；序列號表示接收和發(fā)送消息的順序；
[0076]直接目的節(jié)點地址指入網(wǎng)信息要達到的下一個衛(wèi)星的地址，直接源節(jié)點地址指發(fā)送該入網(wǎng)信息的前一個衛(wèi)星的地址，最終目的節(jié)點地址表示數(shù)據(jù)傳輸幀需要發(fā)送的最終目的衛(wèi)星的地址，起始源節(jié)點地址表示最初生成該數(shù)據(jù)傳輸幀的衛(wèi)星的地址；
[0077]數(shù)據(jù)域為該數(shù)據(jù)傳輸幀所傳遞的數(shù)據(jù)信息，一般為各節(jié)點之間的應用業(yè)務數(shù)據(jù)，比如模塊位置信息、天線方位信息、設備控制信息等；
[0078]FCS用于檢查接收到的空閑信息幀的正確性。
[0079]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的有益效果是:
[0080](I)本發(fā)明采用集中式資源分配與分布式路由相結合，有效地解決了分布式衛(wèi)星系統(tǒng)快速組網(wǎng)與自適應靈活組網(wǎng)的矛盾，對于分布式衛(wèi)星系統(tǒng)的特殊應用場景及特點具有較強的針對性與適應性。
[0081](2)本發(fā)明統(tǒng)一了小衛(wèi)星集群不同發(fā)射模式下的自組網(wǎng)方法，能夠同時適應小衛(wèi)星集群在不同的發(fā)射模式情況下的在軌初始組網(wǎng)應用問題，滿足了小衛(wèi)星集群的實際應用需求。
[0082](3)本發(fā)明基于所設計的組網(wǎng)方法，針對組網(wǎng)過程中信息交換的需求，設計了特定的信息傳輸幀格式及內(nèi)容定義，采用集成一體化設計，提高信息傳輸?shù)男?，通過少量的信息幀實現(xiàn)了組網(wǎng)所需信息的傳遞。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0083]圖1為本發(fā)明方法流程圖；
[0084]圖2為本發(fā)明空閑信息幀格式；
[0085]圖3為本發(fā)明入網(wǎng)信息幀格式；
[0086]圖4為本發(fā)明網(wǎng)絡維護信息幀格式；
[0087]圖5為本發(fā)明網(wǎng)絡維護信息幀中的控制信息組成示意圖；
[0088]圖6為本發(fā)明數(shù)據(jù)傳輸幀格式。【具體實施方式】
[0089]下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行進一步的詳細描述。
[0090]一種適用于小衛(wèi)星集群的自適應組網(wǎng)方法包括步驟如下:
[0091](I)階段1:發(fā)射入軌
[0092]步驟1:確定小衛(wèi)星發(fā)射入軌方式:所述的入軌方式分為兩種，方式一為逐個衛(wèi)星發(fā)射入軌；方式二為一箭多星發(fā)射入軌；
[0093]步驟2:確定開機順序；所述的開機順序確定方法如下:
[0094](a)若采用逐個衛(wèi)星發(fā)射入軌方式，則當衛(wèi)星入軌后開機，網(wǎng)絡通信組件開始工作進行組網(wǎng)，定義為先后開機組網(wǎng)模式；
[0095](b)若采用一箭多星發(fā)射入軌方式，則當多顆衛(wèi)星入軌后，多顆衛(wèi)星同時開機，網(wǎng)絡通信組件開始工作進行組網(wǎng)，定義為同時開機組網(wǎng)模式；
[0096](2)階段2:初始組網(wǎng)；判斷組網(wǎng)方式，若采用先后開機組網(wǎng)模式則進入步驟(3)，若采用同時開機組網(wǎng)模式則進入步驟(7)；
[0097]步驟3:新入軌小衛(wèi)星進入信號偵聽期，偵聽期間該小衛(wèi)星僅接收信號而不發(fā)射任何信號；所述偵聽期持續(xù)時間大于I個TDMA (時分多址)幀周期，為幀周期的整數(shù)倍；
[0098]步驟4:判斷是否存在其他處于組網(wǎng)工作狀態(tài)的小衛(wèi)星，若在偵聽期內(nèi)，沒有接收到其他小衛(wèi)星發(fā)送的任何有效信息，則判斷不存在其他處于組網(wǎng)工作狀態(tài)的小衛(wèi)星進入步驟5 ;若接收到其他小衛(wèi)星發(fā)送的有效信息，則判斷已存在其他處于組網(wǎng)工作狀態(tài)的小衛(wèi)星進入步驟6 ;所述的有效信息指空閑信息幀、網(wǎng)絡維護信息幀和數(shù)據(jù)傳輸幀；
[0099]步驟5:該新入軌小衛(wèi)星自主確定自己為初始主節(jié)點，執(zhí)行主節(jié)點功能；所述的主節(jié)點功能為:
[0100](a)啟動資源管理分配功能，在TDMA幀周期中為自己分配時隙資源；
[0101](b)在所分配的時隙資源內(nèi)，通過空閑信息幀廣播本節(jié)點信息；
[0102]如圖2所示，空閑信息幀包括幀頭、地址域、時隙域和FCS (幀校驗序列)；其中，幀頭又包括幀定界、幀長、幀類型和序列號；地址域包括本節(jié)點地址及主節(jié)點地址；時隙域包括本節(jié)點時隙和距離空閑時隙的個數(shù)；
[0103]幀定界和幀長屬于物理層包頭部分，用于確定一幀的起始及結束；幀類型用于確定一幀的解析方式；序列號表示接收和發(fā)送消息的順序；
[0104]本節(jié)點地址表示發(fā)送消息的衛(wèi)星的地址(發(fā)送既表示最初的原始發(fā)送也表示中間衛(wèi)星的轉發(fā))，主節(jié)點地址表示小衛(wèi)星集群中的主節(jié)點地址；
[0105]本節(jié)點時隙表示發(fā)送消息的衛(wèi)星可以使用的時隙資源的編號，距離空閑時隙的個數(shù)表示本節(jié)點時隙與最近的空閑時隙之間的時隙個數(shù)；
[0106]FCS用于檢查接收到的空閑信息幀的正確性。
[0107]步驟6:該新入軌小衛(wèi)星與其他處于組網(wǎng)工作狀態(tài)的衛(wèi)星實現(xiàn)時隙同步與入網(wǎng)進入步驟(11);所述新入軌小衛(wèi)星的時隙同步與入網(wǎng)的方式:
[0108]步驟6-1:新入軌小衛(wèi)星通過偵聽獲取并根據(jù)網(wǎng)絡狀態(tài)信息，調(diào)整本節(jié)點的TDMA幀周期，進而實現(xiàn)與其他衛(wèi)星的TDMA時隙的同步；所述的網(wǎng)絡狀態(tài)信息包括網(wǎng)絡已有節(jié)點數(shù)量及地址、主節(jié)點地址、時隙分配情況和TDMA幀周期；
[0109]步驟6-2:根據(jù)網(wǎng)絡狀態(tài)信息自主選擇空閑時隙發(fā)送入網(wǎng)信息幀，通過一跳或其他節(jié)點多跳轉發(fā)至主節(jié)點衛(wèi)星；
[0110]步驟6-3:主節(jié)點衛(wèi)星接收到新節(jié)點入網(wǎng)信息幀，為其分配時隙資源，更新并發(fā)送網(wǎng)絡維護信息幀，新節(jié)點通過網(wǎng)絡維護信息幀獲知為其分配的時隙；
[0111]如圖3所示，入網(wǎng)信息幀包括幀頭、地址域、控制信息和FCS (幀校驗序列)；其中，幀頭又包括幀定界、幀長、幀類型和序列號；地址域包括直接目的節(jié)點地址、直接源節(jié)點地址、本節(jié)點地址及主節(jié)點地址；
[0112]幀定界和幀長屬于物理層包頭部分，用于確定一幀的起始及結束；幀類型用于確定一幀的解析方式；序列號表示接收和發(fā)送消息的順序；
[0113]直接目的節(jié)點地址指入網(wǎng)信息要達到的下一個衛(wèi)星的地址，直接源節(jié)點地址指發(fā)送該入網(wǎng)信息的前一個衛(wèi)星的地址，本節(jié)點地址表示發(fā)送入網(wǎng)信息的衛(wèi)星的地址，主節(jié)點地址表示小衛(wèi)星集群中的主節(jié)點地址(比如B衛(wèi)星發(fā)射入網(wǎng)信息到C衛(wèi)星，若該入網(wǎng)信息是從A衛(wèi)星接收到，那么B衛(wèi)星發(fā)送給C衛(wèi)星的入網(wǎng)信息幀的直接目的節(jié)點地址就是C衛(wèi)星的地址，直接源節(jié)點地址為A衛(wèi)星的地址，如果該入網(wǎng)信息不是來源A衛(wèi)星，而是B衛(wèi)星自己產(chǎn)生的，那么直接源節(jié)點地址為B衛(wèi)星的地址，無論入網(wǎng)信息來源于哪里本節(jié)點地址為B衛(wèi)星的地址)；
[0114]控制信息用于存放被委托衛(wèi)星的地址:當新入軌衛(wèi)星在發(fā)入網(wǎng)信息時，如果它與主節(jié)點不在一跳范圍內(nèi)，則需要委托已入網(wǎng)的其他衛(wèi)星代向主節(jié)點衛(wèi)星發(fā)出入網(wǎng)申請，那么被委托衛(wèi)星的地址存于控制信息中；
[0115]FCS用于檢查接收到的空閑信息幀的正確性。
[0116]步驟7:各小衛(wèi)星通過競爭方式選舉出主節(jié)點衛(wèi)星，并轉入等待并偵聽主節(jié)點衛(wèi)星空閑信息幀；所述的競爭方式如下:
[0117]步驟7-1:各小衛(wèi)星網(wǎng)絡通信組件開機后，通過隨機競爭方式(比如典型方式CSMA/CA)進行相互通信；
[0118]步驟7-2:各節(jié)點進行主節(jié)點協(xié)商，依據(jù)相關準則(例如相關準則為衛(wèi)星地址最大或最小、節(jié)點位置居中等準則)協(xié)商出一個主節(jié)點；
[0119]步驟7-3:主節(jié)點衛(wèi)星確認主節(jié)點身份唯一，所有小衛(wèi)星退出競爭；
[0120]步驟8:主節(jié)點衛(wèi)星為自己分配時隙，同時在所分配的時隙內(nèi)，廣播空閑信息幀；
[0121]步驟9:其它衛(wèi)星通過偵聽到的主節(jié)點衛(wèi)星的空閑信息幀，調(diào)整本節(jié)點的TDMA幀周期，實現(xiàn)與主節(jié)點的TDMA時隙同步；
[0122]步驟10:主節(jié)點衛(wèi)星為其他所有節(jié)點分配時隙，更新并發(fā)送網(wǎng)絡維護信息幀，各節(jié)點通過網(wǎng)絡維護信息幀可獲知為其分配的時隙進入步驟(11);
[0123]如圖4、5所示，網(wǎng)絡維護信息幀包括幀頭、地址域、網(wǎng)絡信息域和FCS (幀校驗序列)；其中，幀頭又包括幀定界、幀長、幀類型和序列號；地址域包括本節(jié)點地址和主節(jié)點地址；網(wǎng)絡信息域包括時隙表、目的地址表和路由信息表；
[0124]幀定界和幀長屬于物理層包頭部分，用于確定一幀的起始及結束；幀類型用于確定一幀的解析方式；序列號表示接收和發(fā)送消息的順序；
[0125]本節(jié)點地址指發(fā)送該網(wǎng)絡維護信息幀的衛(wèi)星的地址；主節(jié)點地址表示小衛(wèi)星集群中的主節(jié)點地址；
[0126]時隙表表示每個時隙的使用狀態(tài)，所述使用狀態(tài)包括正在使用和空閑兩種狀態(tài)；目的地址表表示去往每個衛(wèi)星的路由是否存在；路由信息表表示去往不同目的地址衛(wèi)星需要的跳數(shù)；
[0127]FCS用于檢查接收到的空閑信息幀的正確性。
[0128]網(wǎng)絡維護信息幀用于更新網(wǎng)絡中各節(jié)點存儲的網(wǎng)絡信息，包括時隙資源使用情況、路由信息更新，幀的長度取決于網(wǎng)絡中入網(wǎng)衛(wèi)星個數(shù)，網(wǎng)絡維護信息幀由主節(jié)點衛(wèi)星發(fā)起，其他衛(wèi)星轉發(fā)；
[0129](3)階段3:網(wǎng)絡動態(tài)路由建立與維護；
[0130]步驟11:網(wǎng)絡狀態(tài)更新；所述網(wǎng)絡狀態(tài)更新的步驟如下:
[0131]步驟11-1:由主節(jié)點衛(wèi)星周期性發(fā)起網(wǎng)絡維護信息幀，各節(jié)點衛(wèi)星接收并轉發(fā)；
[0132]步驟11-2:各節(jié)點衛(wèi)星接收相鄰衛(wèi)星(相鄰衛(wèi)星指一跳通信節(jié)點衛(wèi)星)發(fā)送的各種信息(比如網(wǎng)絡維護信息巾貞、入網(wǎng)信息巾貞、空閑信息幀)，并提取各衛(wèi)星的地址；
[0133]步驟12:網(wǎng)絡路由建立與維護；所述網(wǎng)絡路由建立與維護的步驟如下:
[0134]步驟12-1:各節(jié)點衛(wèi)星更新與相鄰節(jié)點路由關系，生成本節(jié)點衛(wèi)星路由表；
[0135]步驟12-2:各節(jié)點衛(wèi)星根據(jù)接收網(wǎng)絡維護信息幀中的路由表信息，更新本節(jié)點衛(wèi)星路由表；
[0136]步驟12-3:各節(jié)點衛(wèi)星將更新后的本節(jié)點衛(wèi)星路由表信息寫入主節(jié)點衛(wèi)星周期性廣播的網(wǎng)絡維護信息幀中，并將新的網(wǎng)絡維護信息幀進行廣播；
[0137]步驟13:任意節(jié)點衛(wèi)星之間可以通過數(shù)據(jù)傳輸幀進行各種應用業(yè)務數(shù)據(jù)的傳輸。
[0138]如圖6所示，數(shù)據(jù)傳輸幀格式包括幀頭、地址域、數(shù)據(jù)域和FCS (幀校驗序列)；其中，幀頭又包括幀定界、幀長、幀類型和序列號；地址域包括直接目的節(jié)點地址、直接源節(jié)點地址、最終目的節(jié)點地址及起始源節(jié)點地址；
[0139]幀定界和幀長屬于物理層包頭部分，用于確定一幀的起始及結束；幀類型用于確定一幀的解析方式；序列號表示接收和發(fā)送消息的順序；
[0140]直接目的節(jié)點地址指入網(wǎng)信息要達到的下一個衛(wèi)星的地址，直接源節(jié)點地址指發(fā)送該入網(wǎng)信息的前一個衛(wèi)星的地址，最終目的節(jié)點地址表示數(shù)據(jù)傳輸幀需要發(fā)送的最終目的衛(wèi)星的地址，起始源節(jié)點地址表示最初生成該數(shù)據(jù)傳輸幀的衛(wèi)星的地址；
[0141]數(shù)據(jù)域為該數(shù)據(jù)傳輸幀所傳遞的數(shù)據(jù)信息，一般為各節(jié)點之間的應用業(yè)務數(shù)據(jù)，比如模塊位置信息、天線方位信息、設備控制信息等；
[0142]FCS用于檢查接收到的空閑信息幀的正確性。
[0143]本發(fā)明未詳細說明部分屬于本領域技術人員公知常識。
【權利要求】
1.一種適用于小衛(wèi)星集群的自適應組網(wǎng)方法，其特征在于步驟如下: (1)階段1:發(fā)射入軌 步驟1:確定小衛(wèi)星發(fā)射入軌方式:所述的入軌方式分為兩種，方式一為逐個衛(wèi)星發(fā)射入軌；方式二為一箭多星發(fā)射入軌； 步驟2:確定開機順序；所述的開機順序確定方法如下: Ca)若采用逐個衛(wèi)星發(fā)射入軌方式，則當衛(wèi)星入軌后開機，網(wǎng)絡通信組件開始工作進行組網(wǎng)，定義為先后開機組網(wǎng)模式； (b)若采用一箭多星發(fā)射入軌方式，則當多顆衛(wèi)星入軌后，多顆衛(wèi)星同時開機，網(wǎng)絡通信組件開始工作進行組網(wǎng)，定義為同時開機組網(wǎng)模式； (2)階段2:初始組網(wǎng)；判斷組網(wǎng)方式，若采用先后開機組網(wǎng)模式則進入步驟(3)，若采用同時開機組網(wǎng)模式則進入步驟(7)； 步驟3:新入軌小衛(wèi)星進入信號偵聽期，偵聽期間該小衛(wèi)星僅接收信號而不發(fā)射任何信號；所述偵聽期持續(xù)時間大于I個TDMA幀周期，為幀周期的整數(shù)倍； 步驟4:判斷是否存在其他處于組網(wǎng)工作狀態(tài)的小衛(wèi)星，若在偵聽期內(nèi)，沒有接收到其他小衛(wèi)星發(fā)送的任何有效信息，則判斷不存在其他處于組網(wǎng)工作狀態(tài)的小衛(wèi)星進入步驟5 ；若接收到其他小衛(wèi)星發(fā)送的有效信息，則判斷已存在其他處于組網(wǎng)工作狀態(tài)的小衛(wèi)星進入步驟6 ;所述的有效信息指 空閑信息幀、網(wǎng)絡維護信息幀和數(shù)據(jù)傳輸幀； 步驟5:該新入軌小衛(wèi)星自主確定自己為初始主節(jié)點，執(zhí)行主節(jié)點功能；所述的主節(jié)點功能為: Ca)啟動資源管理分配功能，在TDMA幀周期中為自己分配時隙資源； (b)在所分配的時隙資源內(nèi)，通過空閑信息幀廣播本節(jié)點信息； 步驟6:該新入軌小衛(wèi)星與其他處于組網(wǎng)工作狀態(tài)的衛(wèi)星實現(xiàn)時隙同步與入網(wǎng)進入步驟(11);所述新入軌小衛(wèi)星的時隙同步與入網(wǎng)的方式: 步驟6-1:新入軌小衛(wèi)星通過偵聽獲取并根據(jù)網(wǎng)絡狀態(tài)信息，調(diào)整本節(jié)點的TDMA幀周期，進而實現(xiàn)與其他衛(wèi)星的TDMA時隙的同步；所述的網(wǎng)絡狀態(tài)信息包括網(wǎng)絡已有節(jié)點數(shù)量及地址、主節(jié)點地址、時隙分配情況和TDMA幀周期； 步驟6-2:根據(jù)網(wǎng)絡狀態(tài)信息自主選擇空閑時隙發(fā)送入網(wǎng)信息幀，通過一跳或其他節(jié)點多跳轉發(fā)至主節(jié)點衛(wèi)星； 步驟6-3:主節(jié)點衛(wèi)星接收到新節(jié)點入網(wǎng)信息幀，為其分配時隙資源，更新并發(fā)送網(wǎng)絡維護信息幀，新節(jié)點通過網(wǎng)絡維護信息幀獲知為其分配的時隙； 步驟7:各小衛(wèi)星通過競爭方式選舉出主節(jié)點衛(wèi)星，并轉入等待并偵聽主節(jié)點衛(wèi)星空閑信息幀；所述的競爭方式如下: 步驟7-1:各小衛(wèi)星網(wǎng)絡通信組件開機后，通過隨機競爭方式進行相互通信； 步驟7-2:各節(jié)點進行主節(jié)點協(xié)商，依據(jù)相關準則協(xié)商出一個主節(jié)點； 步驟7-3:主節(jié)點衛(wèi)星確認主節(jié)點身份唯一，所有小衛(wèi)星退出競爭； 步驟8:主節(jié)點衛(wèi)星為自己分配時隙，同時在所分配的時隙內(nèi)，廣播空閑信息幀； 步驟9:其它衛(wèi)星通過偵聽到的主節(jié)點衛(wèi)星的空閑信息幀，調(diào)整本節(jié)點的TDMA幀周期，實現(xiàn)與主節(jié)點的TDMA時隙同步； 步驟10:主節(jié)點衛(wèi)星為其他所有節(jié)點分配時隙，更新并發(fā)送網(wǎng)絡維護信息幀，各節(jié)點通過網(wǎng)絡維護信息幀可獲知為其分配的時隙進入步驟(11)； (3)階段3:網(wǎng)絡動態(tài)路由建立與維護； 步驟11:網(wǎng)絡狀態(tài)更新；所述網(wǎng)絡狀態(tài)更新的步驟如下: 步驟11-1:由主節(jié)點衛(wèi)星周期性發(fā)起網(wǎng)絡維護信息幀，各節(jié)點衛(wèi)星接收并轉發(fā)； 步驟11-2:各節(jié)點衛(wèi)星接收相鄰衛(wèi)星發(fā)送的各種信息(比如網(wǎng)絡維護信息幀、入網(wǎng)信息幀、空閑信息幀)，并提取各衛(wèi)星的地址； 步驟12:網(wǎng)絡路由建立與維護；所述網(wǎng)絡路由建立與維護的步驟如下: 步驟12-1:各節(jié)點衛(wèi)星更新與相鄰節(jié)點路由關系，生成本節(jié)點衛(wèi)星路由表； 步驟12-2:各節(jié)點衛(wèi)星根據(jù)接收網(wǎng)絡維護信息幀中的路由表信息，更新本節(jié)點衛(wèi)星路由表； 步驟12-3:各節(jié)點衛(wèi)星將更新后的本節(jié)點衛(wèi)星路由表信息寫入主節(jié)點衛(wèi)星周期性廣播的網(wǎng)絡維護信息幀中，并將新的網(wǎng)絡維護信息幀進行廣播； 步驟13:任意節(jié)點衛(wèi)星之間可以通過數(shù)據(jù)傳輸幀進行各種應用業(yè)務數(shù)據(jù)的傳輸。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種適用于小衛(wèi)星集群的自適應組網(wǎng)方法，其特征在于在:所述步驟(5)中的空閑信息幀包括幀頭、地址域、時隙域和FCS ;其中，幀頭又包括幀定界、幀長、幀類型和序列號；地址域包括本節(jié)點地址及主節(jié)點地址；時隙域包括本節(jié)點時隙和距離空閑時隙的個數(shù)；` 幀定界和幀長屬于物理層包頭部分，用于確定一幀的起始及結束；幀類型用于確定一幀的解析方式；序列號表示接收和發(fā)送消息的順序； 本節(jié)點地址表示發(fā)送消息的衛(wèi)星的地址，主節(jié)點地址表示小衛(wèi)星集群中的主節(jié)點地址； 本節(jié)點時隙表示發(fā)送消息的衛(wèi)星可以使用的時隙資源的編號，距離空閑時隙的個數(shù)表示本節(jié)點時隙與最近的空閑時隙之間的時隙個數(shù)； FCS用于檢查接收到的空閑信息幀的正確性。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種適用于小衛(wèi)星集群的自適應組網(wǎng)方法，其特征在于:所述步驟(6-2)中入網(wǎng)信息幀包括幀頭、地址域、控制信息和FCS ;其中，幀頭又包括幀定界、幀長、幀類型和序列號；地址域包括直接目的節(jié)點地址、直接源節(jié)點地址、本節(jié)點地址及主節(jié)點地址； 幀定界和幀長屬于物理層包頭部分，用于確定一幀的起始及結束；幀類型用于確定一幀的解析方式；序列號表示接收和發(fā)送消息的順序； 直接目的節(jié)點地址指入網(wǎng)信息要達到的下一個衛(wèi)星的地址，直接源節(jié)點地址指發(fā)送該入網(wǎng)信息的前一個衛(wèi)星的地址，本節(jié)點地址表示表示發(fā)送入網(wǎng)信息的衛(wèi)星的地址，主節(jié)點地址表示小衛(wèi)星集群中的主節(jié)點地址； 控制信息用于存放被委托衛(wèi)星的地址:當新入軌衛(wèi)星在發(fā)入網(wǎng)信息時，如果它與主節(jié)點不在一跳范圍內(nèi)，則需要委托已入網(wǎng)的其他衛(wèi)星代向主節(jié)點衛(wèi)星發(fā)出入網(wǎng)申請，那么被委托衛(wèi)星的地址存于控制信息中； FCS用于檢查接收到的空閑信息幀的正確性。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種適用于小衛(wèi)星集群的自適應組網(wǎng)方法，其特征在于:所述步驟(6-3)中網(wǎng)絡維護信息幀包括幀頭、地址域、網(wǎng)絡信息域和FCS ;其中，幀頭又包括幀定界、幀長、幀類型和序列號；地址域包括本節(jié)點地址和主節(jié)點地址；網(wǎng)絡信息域包括時隙表、目的地址表和路由信息表； 幀定界和幀長屬于物理層包頭部分，用于確定一幀的起始及結束；幀類型用于確定一幀的解析方式；序列號表示接收和發(fā)送消息的順序； 本節(jié)點地址指發(fā)送該網(wǎng)絡維護信息幀的衛(wèi)星的地址；主節(jié)點地址表示小衛(wèi)星集群中的主節(jié)點地址； 時隙表表示每個時隙的使用狀態(tài)，所述使用狀態(tài)包括正在使用和空閑兩種狀態(tài)；目的地址表表示去往每個衛(wèi)星的路由是否存在；路由信息表表示去往不同目的地址衛(wèi)星需要的跳數(shù)； FCS用于檢查接收到的空閑信息幀的正確性。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種適用于小衛(wèi)星集群的自適應組網(wǎng)方法，其特征在于:所述步驟(13)中數(shù)據(jù)傳輸幀格式包括幀頭、地址域、數(shù)據(jù)域和FCS ;其中幀頭又包括幀定界、幀長、幀類型和序列號；地址域包括直接目的節(jié)點地址、直接源節(jié)點地址、最終目的節(jié)點地址及起始源節(jié)點地址； 幀定界和幀長屬于物理層包頭部分，用于確定一幀的起始及結束；幀類型用于確定一幀的解析方式；序列號表示接收和發(fā)送消息的順序； 直接目的節(jié)點地址指入 網(wǎng)信息要達到的下一個衛(wèi)星的地址，直接源節(jié)點地址指發(fā)送該入網(wǎng)信息的前一個衛(wèi)星的地址，最終目的節(jié)點地址表示數(shù)據(jù)傳輸幀需要發(fā)送的最終目的衛(wèi)星的地址，起始源節(jié)點地址表示最初生成該數(shù)據(jù)傳輸幀的衛(wèi)星的地址； 數(shù)據(jù)域為該數(shù)據(jù)傳輸幀所傳遞的數(shù)據(jù)信息； FCS用于檢查接收到的空閑信息幀的正確性。
【文檔編號】H04B7/185GK103687081SQ201310637393
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年11月29日 優(yōu)先權日:2013年11月29日
【發(fā)明者】秦勇, 張映南, 范繼, 馬偉, 劉曉旭 申請人:西安空間無線電技術研究所