Page 65 - 《武汉大学学报（信息科学版）》2025年第9期

第 50 卷第 9 期 王 楠等：兼顾测距和通信需求的导航星座激光星间链路规划 1793

in the transition state is realized while ensuring the steady-state ranging and communication performance.
Results: The assignment and simulation of a global navigation constellation LISL were carried out. The op⁃
timal solution set generated by NSGA-II could dominate the optimal solution generated by the multi-objec⁃
tive simulated annealing algorithm. The ranging position dilution of precision of steady-state LISL topolo⁃
gies corresponding to the comprehensive optimal solution of all link periods ranged from 1.9 to 3.2, and the
communication delay ranged from 0.14 to 0.34 s. The transition state communication delay ranged from
0.14 to 0.43 s. Conclusions: The proposed laser link assignment method is able to realize efficient inter-satel⁃
lite ranging and communication in steady link states, and ensures the whole constellation network connec⁃
tivity and satellite-to-earth communication in link transition states.
Key words： navigation satellite constellation； inter-satellite laser link； ranging and communication； edge
connectivity； non-dominated sorting genetic algorithm-II (NSGA-II)

当前的全球导航卫星系统（global navigation 耗时的捕获、跟踪、瞄准（acquisition， tracking and
satellite system， GNSS）包括美国的 GPS、俄罗斯 pointing， ATP）过程，无法实现链路的灵活切换，
的 GLONASS、欧洲的 Galileo 以及中国的北斗卫 因此需要每颗卫星上搭载多个激光链路终端以
星 导 航 系 统（BeiDou satellite navigation system， 实现星座的实时整网连通。
BDS），均在一定程度上实现了全球或区域性的 受 到 星 上 激 光 链 路 终 端 数 量 限 制 ，每 颗 卫
定 位 、导 航 和 授 时（positioning， navigation and 星无法同时与所有可见卫星建链。为了实现激
timing， PNT）服务功能。在系统建设初期，导航 光 星 间 链 路 效 能 的 最 大 化 ，就 需 要 解 决 激 光 星
星座的测运控都由地面系统承担，以实现星座的 间链路的最优规划问题。文献［13］在无向图模
精密定轨与时间同步、控制指令上注与运行信息 型 的 基 础 上 ，将 激 光 链 路 规 划 定 义 为 一 个 受 拓
回传。但随着导航星座规模越来越大，有限的地 扑 可 靠 性 要 求 和 节 点 度 限 制 的 多 约 束 优 化 问
面测控资源逐渐无法承担庞大空间段的管理任 题 ，并 提 出 了 基 于 可 靠 性 约 束 的 最 小 化 时 延 优
务。特别是在 BDS 地面区域性布站的限制下，地 化算法。文献［14］分析了北斗激光链路网络的
面运控系统无法进行对空间段的全弧段监测，限 吞吐量 ，并提出了一种基于最长可见性 Dijkstra
制了系统 PNT 服务能力的提升。为了提高系统 算法的激光链路规划方法。文献［15］采用多目
运行精度和效率，各大卫星导航系统都相继引入 标 粒 子 群 算 法（multi-objective particle swarm op⁃
了星间链路技术。 timization， MOPSO）实 现 了 对 导 航 星 座 激 光 星
目前绝大多数导航卫星系统采用微波星间 间链路拓扑的几何精度因子（position dilution of
链路进行星间测距和通信 。GPS Block ⅡR 采 precision， PDOP）、点对点通信时延以及链路终
［1］
用 了 超 高 频（ultra high frequency， UHF）宽 波 束 端利用率的优化。在星间激光链路稳定建立之
微波星间链路，并基本实现了自主定轨功能 ［2］ 。 前，处于 ATP 过程的过渡态链路不可用，导致星
为了克服 UHF 频段宽波束链路抗干扰能力差等 间通信性能下降。文献［16］提出了一种激光/微
缺点，GPS Ⅲ将改用更高频段的窄波束微波星间 波混合链路方案，在激光链路过渡态由微波链路
链路 ［3-4］ 。BDS-3 在所有卫星上均搭载了 Ka 波段 提 供 星 间 路 由 ，从 而 实 现 导 航 星 座 的 不 间 断 通
窄波束星间链路载荷，实现了厘米级的星间测距 信，但由于微波链路体制的限制，星间通信时延
精度以及对中圆轨道（medium earth orbit，MEO） 达 到 数 秒 ；针 对 混 合 网 络 中 的 激 光 链 路 规 划 问
卫星的全弧段观测 ［5-7］ 。针对微波链路的规划问 题 ，采 用 多 目 标 模 拟 退 火 算 法（multi-objective
题，智能优化算法已广泛应用于链路测距和通信 simulated annealing algorithm，MOSA）优 化 了 网
性能的优化，应用的关键是针对微波链路体制和 络通信时延和点连通度。文献［17］设计了基于
建链约束的算法适应性改进 ［8-9］ 。相比于微波链 轮询体制的激光链路切换方案，通过减少瞬时链
路 ，激 光 星 间 链 路 的 无 线 光 通 信 具 有 高 传 输 速 路切换数量有效降低了激光链路切换对网络性
率、高安全性、低功耗、抗干扰能力强等优点。为 能的影响，但轮询切换方案导致两个规划周期之
了追求更高的测距精度和通信效率，激光星间链 间的链路切换过程需持续更长时间。
路被逐渐引入到卫星导航系统 ［10-12］ 。但受限于极 本文兼顾导航卫星星座的星间测距和通信
小的光束发散角，激光星间链路的建立需要经过 需求，在星间可见性、星上激光终端数量及链路