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《中国系统工程学会第十八届学术年会论文集——A12系统科学与系统工程理论在各个领域中的应用研究》2014年
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一种面向任务的多层次多维度空间信息网络系统结构设计

浦甲伦  李腾  
【摘要】:近年来,组建基于空、天、地立体交联的空间信息网络系统被提出,此网络能够改进现有系统和单元的松散、低效的运行模式,提高现有网络的运行效率和协同工作能力,并且随着后续网络的建设与完善,将发展成为一个以天基网络为核心,由不同平台载体及地面系统构成,向上支持深空探测、向下支持对地观测的,大时空尺度下的高动态信息网络系统。空间信息网络通过实时获取、传输和处理空间信息,服务于远洋航行、应急救援、导航定位、航空运输、航天测控等应用方向。空间信息网络是以空间平台(如同步卫星或中、低轨道卫星、平流层气球和有人或无人驾驶飞机等)为载体,实时获取、传输和处理空间信息的网络系统。对空间信息网络体系结构的研究是空间信息网络建设的重要课题。本文针对涵盖卫星网络、浮空节点、地面系统等在内的空间信息网络系统的结构进行研究,在对空间信息网络现有研究情况进行分析的基础上,面向具体应用方向并结合具体任务、结合空间信息网络物理层次和逻辑层次、分析不同网络平台节点的特性,设计了一种多层次、多维度的空间信息网络结构,以期能够为空间信息网络的建设提供参考,为空间信息网络服务能力的提升提供理论支持。本文首先分析了空间信息网络系统及其网络结构的研究现状。得到了如下分析结果:1.以卫星节点构成的天基网络是空间信息网络的核心部分,其研究成果对我国空间信息网络的组建具有重要参考意义;2.考虑到卫星节点的轨道高度较高、能量有限、轨道相对固定等特点,相对成熟的卫星星座理论不完全适用于整个空间信息网络的组建;3.在空间信息网络构型研究中,目前多是采用分层结构设计思想,如:考虑了空间信息网络的物理结构的多层网络设计;考虑空间信息网络节点的物理结构和逻辑结构的域划分网络结构设计;针对空间信息的非均匀分布和邻近性特点以及海量空间信息处理中逻辑覆盖网络与物理网络不一致的问题,引入对等网络(P2P)分层理论,提出的SIPLNM(分层网络模型);4.各种分层的网络设计思想在网络层次划分、体现节点个性、发掘节点功能以及满足实际组网要求等方面都存在一定的问题,需要进一步研究能够综合考虑信息网络物理层面和逻辑层面、能真实反映和发挥节点特性、易于实现的网络构型。在对现有空间信息网络系统及其结构研究情况进行分析的基础上,本文针对涵盖卫星网络、浮空节点、地面系统等在内的空间信息网络,面向具体应用方向并结合具体任务,充分考虑空间信息网络自身的物理结构和逻辑结构,对不同节点平台的特点进行分析后,提出了一种多层次、多维度的空间信息网络结构。首先,针对不同的应用背景,考虑不同节点平台的特点和设计使用原则,分析选取节点描述参数,建立各类异质节点的数学和仿真模型;其次,结合现有信息网络拓扑结构的研究成果,设计空间信息网络的基本构型单元及其在外部约束条件作用下的变形单元;再次,针对空间信息网络的多种不同典型应用设计多层次、多维度、各向异性的网络拓扑结构,组建满足任务要求的多个不同空间信息网络模型,利用仿真进行了模型间的对比和特性分析;最后,设计了评价函数来考核所设计的空间信息网络结构。理论分析和仿真结果表明,本文所设计的空间信息网络具有如下特点:1.所设计的空间信息网络考虑了多种不同节点的异质特性和目前空间信息网络中各平台的天然层次关系,能够更好的适应网络的实际物理结构和逻辑结构并充分发挥其性能,仿真表明,相比于单层浮空节点结构,可减少7%到18%的节点数量;2.所设计的空间信息网络的构型随着任务的变化而不同,具有更强的针对性和灵活性,在本文仿真中,快速反应时间在300至1800秒之间;3.所设计的网络结构能够针对紧急任务和网络故障进行快速调整和网络自修复,具有较强的任务适应性和高可靠性;4.所设计的空间信息网络基本单元及其变形单元易于扩展、拼接和拆分,使网络具有拆分、组合、伸缩和延展的能力。
【作者单位】:哈尔滨工业大学 哈尔滨商业大学
【分类号】:N945.12

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