李静玲，黎 军，崔 涛，梁 薇，张 怡

(中国空间技术研究院西安分院 空间微波技术重点实验室，西安 710000)

0 引言

随着航天技术的进一步发展，卫星所承担的各类军事任务及科学任务愈发复杂多样，从解决任务的角度来看，传统依赖单颗功能强大的卫星解决空间任务的方案不仅成本高昂，且灵活性差、研发难度大、研制周期长，并不能完全满足当前日益增长且复杂多变的航天任务需求[1-3]。目前提出的天地一体化网络、空间信息网络、全球卫星星座通信系统以及高通量卫星通信系统等空间网络[4-6]，其功能齐全、规模庞大，可应对全球范围内的空间任务，但该类网络部署周期长、预设任务需求比较固定，在解决某些特定军事需求或应对某类突发状况时，功能可伸缩的余地不大，灵活性较差[1-2]。其次，从空间安全的角度考虑，传统卫星中的部分平台或载荷若损毁可能导致整星无法正常运行，安全性及抗毁性较弱；已提出的空间网络主要面向全球进行部署，某一颗卫星的损毁将导致网络功能受损，该卫星所涉及的任务也将受到影响。

由于集群卫星网络在研制成本、灵活性以及安全性等方面的优势，得到了越来越多的关注，目前针对不同的空间应用场景，提出了多种集群卫星网络[3-4,7-8]，其未来也将成为全球空间网络的重要组成部分[3]。其中董云峰等[7]认为卫星集群的核心特征是卫星之间的集群关系，林来兴等[9]对星群、星座与编队飞行的概念进行了辨析，Faber、Nakamura以及Alena等[10-12]提出异构航天器网络的概念，认为集群卫星网络是由异构卫星组成的多用途网络，史凤振[13]认为集群卫星网络是由多颗微小卫星协同工作的系统，刘润滋等[14]针对资源受限的小卫星组网进行了理论分析，刘鹏飞[8]阐明了空间自组织网络的基本特征，统一表述了空间自组织网络的概念，陈庆等[3]认为集群卫星网络具有松散拓扑特性，通过自组织网络组网形式，将多个功能相同或者相异的卫星连接成为有机的整体，实现集群内信息、资源的动态共享和灵活配置。

信息拓扑控制技术作为集群卫星网络的关键技术之一，通过优化网络节点状态和信息连通方式，可提升集群网络整体性能，并为上层卫星路由提供良好的拓扑基础[15-17]。本文从集群卫星网络的信息拓扑控制技术内涵出发，构建通用的异构卫星信息拓扑模型，分析星地联合的信息拓扑控制策略，并对现有的卫星网络/集群卫星网络的信息拓扑控制算法进行分类说明，最后分析了该技术未来的研究方向。

1 信息拓扑控制概念与内涵

集群卫星网络作为天地一体化网络的天基部分，其网络信息主要包括卫星运行状态信息(相对位置信息、3维姿态信息、相对运行速度、空间/时间/频率同步信息等)、网络控制信息(姿态、轨道、轨位等)以及基于任务的大容量数据信息[13]。将卫星运行状态信息和控制信息统一称为卫星基础信息，与卫星具体任务相关的信息称为数据信息，卫星基础信息和卫星数据信息的产生、作用、传输路径均不同，为两类异质信息，如图1所示为卫星异质信息网络的示意图[18]。其中，卫星基础信息用于保障集群卫星网络的连通性，该网络信息拓扑必须为连通状态，而卫星数据信息针对任务需求进行传输，可以是部分节点之间进行互联互通。

图1 卫星异质信息网络示意图Fig.1 Satellite heterogeneous information network

集群卫星网络中的不同卫星在协同执行某任务过程中，通过每个卫星节点去获取其位置附近的拓扑状态信息，若是集中式拓扑结构，则统一汇聚到中心节点，获得全局最优拓扑信息，若是分布式拓扑结构，则每个节点与其相邻节点相互传递拓扑状态信息，根据相应算法迭代计算，获得近似全局最优拓扑结构。当网络中某卫星节点失效或某链路中断时，集群卫星网络能够及时发现，并动态调整网络信息拓扑结构，从而提高网络的可靠性及容错性。

集群卫星网络中的信息拓扑控制属于网络层与数据链路层的中间层，其功能之一是负责选择邻居节点以及建立底层链路，是网络路由的基础，其协议分层如图2所示；另外一个功能是基于任务需求，维护已生成的网络拓扑，在保证网络连通性及覆盖性的前提下，依据集群卫星网络不同应用场景来优化邻居节点选择方式，形成稳定优化的网络信息拓扑结构。

图2 信息拓扑控制协议分层示意图Fig.2 Hierarchical diagram of information topology control protocol

为了体现“面向信息”的内涵，集群卫星网络的信息拓扑控制可以从两个层次进行考虑：首先是从网络拓扑的角度，针对网络节点的高动态进行卫星网络构型设计及控制，维持网络的连通性，优化网络节点生存性；其次从信息传输的角度，针对信息传输所形成的信息拓扑进行信息逻辑控制，使网络能够更好地支持业务信息的传输，提高网络吞吐量。本文主要针对网络信息拓扑的控制问题进行探讨。

2 集群卫星信息网络信息拓扑技术分析

信息拓扑控制技术的完整流程主要包括拓扑发现、拓扑控制、拓扑重构以及突发状态检测4个部分，如图3所示，其中每个模块的作用如下。

1)拓扑发现

网络中每个节点发现及建立邻居节点集的方法。与集群卫星网络构型紧密相关，若没有突发情况，可根据卫星运行规律预测任意时刻卫星节点的在轨位置及星间链路状态。

2)拓扑控制

依据信息组网模型，以算法连通度、收敛时间、计算复杂度等为优化目标，获得网络信息拓扑结构的方法。

3)拓扑重构

在网络节点信息拓扑周期性变化情况下，当发生节点运行所导致的网络信息连接可预测变化，或节点损毁、链路失效等非可预测突发情况，以保持网络较高鲁棒性和快速收敛为前提，重新计算网络信息拓扑结构的方法。

4)突发状态检测

在初始网络建立后，现有网络状态检测及维护方法，以及信息拓扑重构的触发机制。

图3 信息拓扑控制通用流程示意图Fig.3 General flow chart of information topology control

2.1 集群卫星信息网络信息拓扑模型

由于信息拓扑控制技术与网络的拓扑构型是强相关的，需要首先对集群卫星网络的组网结构、信息特点、节点能力等进行限定，构建一个基本的网络模型。本文根据集群卫星网络中组网方式及信息拓扑的特征[19-20]，综合算法的可实现性等因素，对集群卫星网络信息拓扑模型进行如下设定，其组网示意图如图4所示。

1)网络包含3类信息：任务信息、状态信息以及控制信息，其中状态信息及控制信息作为网络的管控信息，需要全网进行感知，而任务信息只在特定链路进行传输。

2)网络具有两类天线，全向天线用于传输状态信息及控制信息(低速)，定向天线用于传输业务信息(高速)。

3)全网共享卫星节点状态信息：接入卫星集群网络中的每颗卫星定期与其他卫星节点共享其状态信息，包括导航信息的参考系中的3维姿态、相对位置和速度，以及空间/时间/频率同步信息等。

4)每颗卫星上的通信协议具有理想的MAC层，即任意两颗卫星只要在各自的通信范围内就能建立通信链路(节点距离在天线可通信范围内)。

5)每颗卫星仅按照自身轨道运行，网络拓扑可以是通过动力控制形成的规律阵列集群卫星网络，也可以是松散构型的集群卫星网络。

6)暂不考虑除地球以外其他天体对卫星造成的摄动影响。

图4 集群卫星信息组网示意图Fig.4 Example diagram of cluster satellite information networking

2.2 集群航天器网络星地联合拓扑控制策略

目前所讨论的集群航天器网络主要面向侦察探测、遥感类或通信类任务(本文暂不考虑太空探索领域)，其节点多为低轨或近轨小卫星。小卫星所具有的天线能力有限，单纯依靠卫星自身去发现或感知全网状态比较困难，不符合实际应用，因此本文中所讨论的集群航天器网络采用地面统一管控与卫星自适应调整相结合的拓扑控制策略，如图5所示，并设定网络中每个节点具备与地面通信能力，可定期汇报其状态信息，以及获取整网拓扑结构图以及该卫星节点邻居节点拓扑结构子图。当集群网络中的卫星运行到可与地面站通信位置时，可通过地面站与地面控制中心进行信息交互，回传网络状态信息；当卫星运行到其他位置时，可通过间接感知邻居节点状态，自行维护现有信息拓扑或触发信息拓扑重构。

其中星地分工如下：

1)地面管控中心：与地面站互联，生成整网拓扑结构图以及卫星邻居节点拓扑结构子图，及时更新整网信息拓扑状态信息，下发相应指令。

2)地面站：与卫星进行互联，及时搜集卫星信息拓扑状态信息，发送至地面管控中心，并向卫星下发地面管控中心指令。

3)卫星节点：与地面站互联，分为两种状态：①在与地面站通信期间，实时回传信息，接收指令；②在其他时期，执行离线拓扑控制程序，并自适应感知局部拓扑变化，参与拓扑维护，具备一定拓扑计算能力，可小范围调整信息拓扑构型。

图5 星地信息拓扑控制结构示意图Fig.5 Schematic diagram of satellite-to-ground information topology control structure

2.3 集群卫星网络主要信息拓扑控制算法分析

网络拓扑控制算法有不同的分类方式，可依据拓扑控制算法的假设条件、节点发射功率、拓扑构建参考信息来源、生成的拓扑结构、所参考的理论模型将其进行分类[3]。例如可依据拓扑动态特性对卫星网络拓扑控制技术进行分类[16]，分为静态拓扑和动态拓扑，或依据网络拓扑构型将拓扑控制算法分为集中式、分布式以及混合式拓扑控制算法。本文针对第二种分类方式对不同信息拓扑控制算法进行分析。

集中式拓扑控制算法依赖于中心节点单元，能够获取全网信息，并依靠中心节点单元对全网拓扑进行计算和控制，可以得到全局最优的拓扑控制结果[20-24]。在卫星网络中可将控制中心设置在地面，节点拓扑状态信息由卫星节点通过地面站发往地面控制中心，由控制中心进行计算获得全网最优的拓扑连接关系；分布式拓扑控制算法中的每个节点均可获取周边节点的相关信息，依靠节点间的相互协同完成全网拓扑控制，不需要核心节点单元。采用分布式拓扑控制算法可以避免控制信息开销过大、中心式网络抗毁性差的问题，适合于节点较多、空间跨度较大的卫星网络[25-31]。该类型算法所面临的问题是由于各节点仅获取局部信息，只能最大化趋向最优，无法使整个网络的拓扑性能达到最优。混合式拓扑控制算法结合集中式和分布式拓扑控制算法特点，将网络分为不同层次，在不同网络层次采用不同拓扑控制方法[32]，尤其适合用于大型网络体系中，在集群卫星网络中也可借鉴该算法思想。

采用集中式拓扑控制算法的卫星网络中，各节点的功能与地位不同，包括星型、树型、分层型等多种网络拓扑结构，可进一步细化为树状拓扑控制与簇状拓扑控制等算法；采用分布式拓扑控制算法的卫星网络中，按照所形成的网络拓扑可分成网络及分布式拓扑等结构，并进一步细化为平面拓扑控制及3D拓扑控制等算法；采用混合式拓扑控制算法的卫星网络则较为复杂，可能具有多种形态、不同层次的网络拓扑结构，可能采用包括集中式和分布式中所具有的算法，如图6所示。

图6 卫星网络拓扑控制算法分类Fig.6 Satellite network topology control algorithm classification

下面针对集中式、分布式以及混合式拓扑控制算法中的典型算法及其优缺点进行分析。

2.3.1 集中式卫星拓扑控制算法

卫星星座网络中卫星的移动轨迹和信息链接都是周期变化的，可由地面生成拓扑表对网络中的拓扑进行提前规划。

目前基于Walker星座提出了两种异构卫星动态建立链接的拓扑控制方案[23]，基于卫星的在轨周期，预测卫星拓扑状态及连接关系。文献[24]针对集群卫星网络的异质信息特点，构建了一种面向包括地球观测卫星(EOS)，地面站通信卫星(GSC)和数据路由卫星(DRS)的异构卫星网络[24]，通过异构卫星之间的协同工作，扩展整个网络的功能。在该网络场景中，构建出3维卫星信息拓扑模型，并提出一种集中式的拓扑控制策略，集群卫星网络通过集群内某一个卫星定期计算所有可能的网络链路，然后将结果分发给其他卫星。拓扑控制策略的过程主要包括两个部分：1)拓扑矩阵计算及其分布。拓扑矩阵计算意味着数据路由卫星的其中一个负责分析网络链路连接并获得可靠性优化的拓扑；2)分配的过程是具有链接关系的卫星将其发送给其他卫星。在一个拓扑更新周期中，网络根据拓扑矩阵改变链路连接。该算法的不足之处是没有分析该算法的复杂度及算法收敛时间，并且对于集中式算法也欠缺网络鲁棒性分析，没有考虑如果中心计算节点失效，网络如何重新计算网络信息拓扑结构。

由于卫星网络的中心节点通常设置在地面，而低轨卫星节点存在过顶效应，与地面站有效通信时间较短，当星地无法通信时，卫星的信息拓扑只能依赖于预先设置，而不能灵活调整，因此集中式拓扑控制算法在集群航天器网络中应用并不广泛。

2.3.2 分布式卫星拓扑控制算法

陈庆等[28]所构建的集群航天器网络类似于无线传感器网络，具有网络去中心化、信息多跳传输、拓扑动态时变等网络特点，通过对网络分级结构和平面结构的优缺点分析，结合集群航天器特性和功能要求，选择网络构型单一、节点功能相同的平面构型作为集群航天器网络的基本构型，提出基于FlYG算法的改进拓扑控制算法，通过将集群航天器相关特性与网络通信距离期望值相结合，对算法进行优化，从而改善拓扑控制算法性能，可有效降低集群卫星网络中数据传输的能量损毁，并延长网络节点的有效生命周期。该文献假设集群航天器网络为同构网络，每个航天器节点具有相同的性能参数及传输特性，且每个节点均具有全向天线，在可通信范围内可获得所有邻居节点信息。该网络设定没有考虑到集群卫星异构问题，所构建的集群卫星网络模型相对简单，不能完全反映集群卫星网络特点。

Zhong等[29]描述了分布式集群卫星网络，该网络可提供保证服务质量的灵活空间场景。在这样的多星异构系统中，合理的功率控制方案可以提高系统性能。通过分析分布式集群卫星网络特性和功率控制的难点，建立网络功率控制模型，并提出基于预测的功率控制方法。该方法主要通过控制卫星节点功率来调整网络中的信息链路，对构成集群卫星网络的小卫星功率可调整能力要求较高。

为了充分体现集群航天器网络拓扑的高动态性以及周期性，集群航天器被认为是一种新型空间分布式系统，该系统中卫星在轨高速运动、星间链路频繁切换[30]。该系统以主卫星节点和从卫星节点为主体构建一体化通信网络体系结构，从星间相对运动、星间链路的建立条件和节点能耗模型3个方面对集群航天器网络结构特征进行了详细分析。在网络模型中设定每颗卫星能够感知整个集群网络的动态拓扑结构，根据已知的卫星轨道数据可以计算出任意时刻彼此之间的星间距离，因此每颗卫星都实时参与信息拓扑的计算与维护。从网络能耗均衡的角度出发，提出星簇网络管理思想，根据节点能耗情况设定主卫星节点选择机制，该动态更换主星的网络拓扑更新策略，避免主卫星节点能耗过高。该方法所构建的网络模型对于星地/星间链路设定较简单，没有考虑卫星节点之间无线链路建立的局限性。

在空间信息网络中，通过激光进行星间数据传输已成为星间通信的发展趋势，激光星间链路对于卫星拓扑的构建至关重要。研究卫星拓扑控制技术，不仅需要考虑激光星间链路特点，还要考虑卫星高速运动所导致的星间链路动态变化以及激光链路对于跟瞄的高精确度要求。目前已有文献针对激光星间链路特点，提出导航卫星系统中的拓扑动态控制方法[31],将链路利用率、端到端传输时延以及网络构型参数等作为优化目标，构建多约束条件下的函数优化算法。假设网络中的两颗卫星满足持续可见条件，则认为这两颗卫星在一定状态内可视，激光通信具有速率高、无法缓存的特点，要进行冲突避免设计，将需要建链的节点关系视为建链矩阵，可视的节点对关系用可视矩阵表示，通过建链矩阵与可视矩阵的交叉变换，优化激光链路路由算法，获得最小时延，并且当卫星节点或激光链路不可用时，可进行拓扑动态优化。该算法在导航卫星系统中应用，其节点通常为中高轨卫星，视距较大，而集群卫星网络中卫星节点为低轨卫星，视距较小，变化更快速，如何保障网络拓扑连续性，优化激光星间链路组成的拓扑构型，需要有更优化的拓扑控制策略。

2.3.3 混合式拓扑控制算法

由于空间信息网络具有大尺度特性，若采用集中式控制算法，拓扑时效性较弱，若采用分布式控制算法，则无法获得整体网络拓扑视图，不利于算法优化。因此文献[32]提出一种混合式的拓扑控制策略，将空间信息网络划分为不同的自治域，每个自治域包括若干数量不等的空间节点，并采用独立的控制策略，不同自治域直接通过指定的边界空间节点进行数据交换，自治域可根据需要进行下一级自治域的划分，从而构建不同层级的组网控制架构。由于空间信息网络节点具有异构属性，通过这种控制网络层级划分，可将具有相同属性的节点划分为同一自治域，从而将异构网络解耦为多个同构网络的组合，并将高动态网络解耦为不同时间片网络的组合，每个时间片内自治域网络可视为准静态网络，从而简化空间信息网络的控制问题。集群航天器网络相对空间信息网络，其时空跨度较小，网络复杂度较弱，但也同样具有网络异构及高动态特性，可借鉴文献[32]所提方法，将具有相同功能的卫星节点划分为同一类别的子网，并采用卫星“快照”方法，从网络节点、时空尺度方面对集群卫星网络进行简化，通过在算法精确度及复杂度方面进行均衡，从而构建更适合集群航天器网络的控制算法。

3 信息拓扑控制技术研究方向

目前空间信息网络、导航卫星网络、星座网络、集群卫星网络等卫星网络中拓扑控制算法的研究逐渐增多，针对卫星网络高动态、异构组网以及网络能量受限等特点开展研究，提出了动态更换主星的网络拓扑更新策略、避免冲突的链路交叉更新算法、跨层动态拓扑控制、基于集中式与分布式混合控制的算法等多种类型、多优化目标的拓扑控制算法[33-34]。由于集群卫星网络具有更强的灵活性，对信息拓扑控制的实时性要求更高，与其他类型卫星网络相比面临一些特殊问题，需要进一步研究。

1)集群卫星网络中信息链路建立方式与地面不同，地面终端基本采用全向天线进行链路建立，而卫星节点之间距离非常远，且集群卫星网络中节点功率有限，若传输高速载荷数据，很难通过全向天线进行传输。在集群网络星间传输较大速率信息时，需要通过定向建链方式感知邻居节点，获得拓扑控制的初始信息。由于卫星定向建链过程较为复杂，星间链路资源非常有限，在这种情况下，若假定每一颗卫星都可以感知所有相邻节点的状态并获取邻居节点信息较为困难，李墨等[35]提出一种基于定向天线的邻居发现方法，在节点进行邻居节点扫描时，通过Q-Learning机制来确定每次邻居扫描的收/发模式，并依据当前扫描结果获得回报值，通过学习扫描中的经验，从而达到提高邻居发现效率的目的。但该方法搜索及获取邻居节点时间较长，针对集群网络的高动态特性还需要进一步研究相应策略。

2)集群卫星所传输的信息主要包括运控信息及数据信息，在该网络中，同一条物理链路可能传输不同的异质信息，如何评估异质信息对于网络的重要程度，不同层次子网之间的信息拓扑有什么关系，都需要进一步研究。初步的思路可将集群卫星网络架构设计为两层逻辑上独立的子网，其中卫星在轨运动及网络控制信息传输需要连接各个节点，为全连通，称为控制面子网；而基于任务的高速载荷数据与任务相关，为部分连通，称为数据面子网。可假设卫星节点具有两类天线，其中全向天线用于控制面信息传输，定向天线用于高速数据面信息传输[12,18]。

3)集群卫星网络未来的发展趋势是通过自组织网络组网形式[3]，如何通过星上有限资源完成整网的信息存储、更新及自主计算是一大难题。未来的集群卫星网络可将多个功能相同或者相异的航天器连接成为有机的整体，通过集群内信息、资源的共享和流动配置，灵活实现多变任务，并可针对突发事件自发地做出反应，调整网络任务结构或者空间拓扑结构，自主维持网络安全和动态稳定。这种情况下需要综合考虑卫星拓扑控制算法的容错能力、收敛时间以及计算复杂度等参数。目前，对集群卫星网络中的拓扑控制技术进行综合性分析研究的文献较少。

4 结论

目前，各国均开展了集群卫星网络在对地观测、通信、科学探索、空间监视和攻防等领域中的应用研究，使其在空间信息网络中发挥重要作用，其研究有助于加快新一代小卫星/微小卫星组网的部署及实现，在进一步降低卫星网络研发成本、研制周期及系统复杂度的基础上，提高卫星网络的灵活性和可扩展性，探索由集群卫星网络进行快速功能部署、能力升级、主动避险等新型卫星组网目标，为战时局部热点区域快速探测部署、自然灾害灾情地区的通信部署及快速评估以及边远偏僻地区的通信加强等具体应用带来巨大优势。集群卫星网络中的拓扑控制技术属于二层技术，作为连接物理层和三层的桥梁，使得设计高效路由更具有可行性。本文从网络拓扑结构的角度对卫星网络中的拓扑控制技术进行分类，分别探讨集群卫星网络中信息拓扑控制技术的可行性，最后指出集群卫星网络拓扑控制技术的研究方向。