Page 66 - 《武汉大学学报（信息科学版）》2025年第9期

1794 武 汉 大 学 学 报 （信 息 科 学 版） 2025 年 9 月

体制约束下，首先，建立了导航星座激光星间链
路多目标规划模型。根据激光链路的 ATP 过程
将激光链路建立过程划分为过渡态和稳态，通过
引入星间链路网络边连通度约束，在确保激光测
距 性 能 的 前 提 下 ，维 持 过 渡 态 与 稳 态 的 整 网 连
通。然后，提出了基于第二代非支配排序遗传算
法（non-dominated sorting genetic algorithms-II，
NSGA-II）的链路拓扑多目标优化算法。最后 ，
开展全球导航星座激光星间链路规划仿真，验证
了算法的有效性。

1 激光链路建立方案

图 1 基于 FSA 体制的激光链路建立与切换
1.1 激光链路体制
Fig. 1 Establishment and Switching of Laser Inter-
激光链路的能量密度高、终端质量小，可以
satellite Links Based on FSA
有效降低卫星能耗及对卫星平台容量的要求，使
得一颗卫星可搭载多个激光终端 ［18］ 。与传统射
频星间链路不同，激光信号是高度定向的，极窄
的光束发散角导致仅在激光束路径上的接收器
才能接收到信号，因此激光链路只能在卫星之间
点对点建链。此外，链路两端更高的对准和跟踪
精度要求，使得建立可靠稳定的激光星间链路需
要经历一个较长的 ATP 过程，导致其无法像微波
链路一样实现频繁的链路切换。为此，导航星座
图 2 激光链路建链过程的静态处理
激光星间链路网络的建立采用有限状态机（finite Fig. 2 Static Processing of Laser Link Construction
state automaton， FSA）体制，其运行机理是将星
座的运行过程划分为多个激光链路周期。根据 链路周期，该周期为激光链路建立与维持的基本
链路建立的 ATP 过程，将每个链路周期划分为过 单元；在每个激光周期内，每颗卫星携带的 D 个
i
渡 态 和 稳 态 两 个 阶 段 。 链 路 过 渡 态 主 要 完 成 激光终端分别与一颗可见卫星 S（1 ≤ i ≤ I ≤ D）
ATP 过程，处于过渡态的链路短期不可用；完成 建链，I 为单颗卫星在一个链路周期内所建立的
ATP 过程后链路进入稳态，激光链路网络维持固 激光链路总数。由此整个星座在每个链路周期
定的拓扑结构。在下一个激光链路周期按照此 内构成的激光链路拓扑均维持静态结构。
过程进行拓扑结构重建，如图 1 所示。
1.2 链路拓扑静态化处理 2 激光链路规划模型
导航星座星间可见性和相对方位的变化决
2.1 规划要素矩阵
定了星间链路拓扑结构是动态变化的，但根据激
光星间链路的 FSA 体制，星座激光链路在每个链 导航卫星之间能够建立星间链路的基本前
路周期内维持固定的拓扑，因此可以将其视为一 提是彼此之间相互可见。两颗卫星之间相互可
个静态结构。由于导航星座的空间运动具有周 见的充分必要条件是同时满足几何可见性和链
期 性 ，可 以 将 系 统 运 行 时 间 划 分 为 多 个 运 行 周 路终端可见性。几何可见性即卫星之间的信号
期。当需要考虑星地通信时，该运行周期为星座 传递路径不被地球遮挡，链路终端可见性即两颗
的回归周期。卫星及地面站的空间相对方位在 卫 星 位 于 彼 此 激 光 链 路 终 端 的 覆 盖 范 围 内 ［19］ 。
各运行周期内具有重复性，因此可采用相同的链 文献［20］详细介绍了星间激光链路可见性的计
路拓扑。 算方法。
激光链路建链过程的静态处理如图 2 所示。 将链路拓扑进行静态化处理后，激光链路在
将星座回归周期划分为 C 个等时间长度的激光 各周期内维持静态拓扑结构，相应要求星间可见