关键词:
卫星通信网络
能耗脆弱性
关键节点识别
级联失效
充放电深度
摘要:
随着卫星发射技术的成熟与生产成本的降低,近几年低轨卫星组网构建卫星通信网络的形式逐渐成为一种趋势。然而随着卫星通信网络的发展,其所面临的安全性问题也接踵而来,由于其无处不在的可访问性以及轨迹的可预测性等,其不仅会面临数据安全同样也存在能耗风险。具体表现为,在一个轨道周期内,当卫星运行至阴影区时,高额的能量消耗导致卫星在离开阴影区前就因电量低于阈值而失效,我们称其为短期能耗脆弱性问题;亦或是在多个轨道周期中,卫星长期处于高额异常能量消耗状态,即多次卫星电池的充放电深度均高于常态但电量又未低于阈值,在该模式下,卫星的电池寿命由于多次放电深度的异常而显著缩减进而导致提前报废,我们称其为长期能耗脆弱性问题。
本文基于仿真方法,从短期与长期两个角度设计卫星通信网络能耗脆弱性测试方案,测试主要包括故障注入与能耗脆弱性评估两个阶段。在短期能耗脆弱性评估阶段引入级联失效进行分析,不单以目标卫星的失效作为评判标准,而是将卫星失效后引发的连锁反应对整个卫星通信网络造成的影响作为脆弱性评估准则。在长期能耗脆弱性测试方案中,考虑到这种能耗脆弱性测试结果验证周期过长且卫星失效后短期不会恢复的特征,提出优先寻找关键节点进行测试的思路,使用时序特征向量中心性对节点进行排序,针对排序较高的节点进行测试,并通过仿真评估卫星通信网络面临的长期能耗风险。
同时,本文还改进了测试方案中涉及的网络模型与能耗模型,一方面考虑到卫星通信网络拓扑相对规则的问题,改进后的网络模型使用每条链路承载的流量作为参数替代了以往单纯的连接关系,另一方面在能耗模型中量化了各部分组件的功率参数并给出了充放电深度与电池剩余使用寿命的关系模型。通过改进测试方案的算法,包括采用区间覆盖、基于隐式重启Arnoldi的Krylov子空间方法、局部拓扑等价等思路,优化了方案的测试时间,提升了可行性。鉴于实际卫星通信网络的复杂性和资源限制,本文通过STK仿真软件与自定义仿真代码推测可能的脆弱性,并通过仿真结果验证了测试方案的有效性。实验表明,就短期能耗脆弱性而言,已经进入阴影区600秒以内的卫星均呈现了较高的失效率,且承载流量越多的卫星越易触发级联失效,同样的就长期能耗脆弱性而言,重要度排序较高的卫星更易触发更多组件的失效,且从长期的角度来看,卫星以高于标准15%的充放电深度运行一年后,其剩余使用寿命将额外损失50%以上。