卫星网络中基于风险意识的无线光卫星间链路快照路由策略：多阶段空间碎片演变

《IEEE Transactions on Network Science and Engineering》：Wireless Optical Inter-Satellite Link Risk-Aware Snapshot Routing Strategy in Satellite Networks: Multi-Stage Space Debris Evolution

空间碎片威胁低地球轨道卫星通信，尤其是无线光学星间链路易受干扰。提出ASR-LSA算法动态调整网络拓扑和路由，优化快照合并与风险感知决策，结合实时碎片数据和预测模型，提升服务成功率7.35%，降低快照切换频率51.72%。

　　

摘要：

太空碎片来源于人类活动，如火箭残骸和卫星破裂，对卫星运行构成了严重威胁，尤其是在近地轨道（LEO）上。航天器的迅速增加加剧了太空碎片的积累，导致支持全球通信、导航和遥感的卫星网络频繁中断。无线光卫星间链路（WOISLs）对于下一代卫星网络至关重要，但它们特别容易受到碎片干扰，从而影响网络稳定性和服务质量。为了解决这个问题，我们提出了一种基于碎片演变的链路风险状态感知的自适应快照路由（ASR-LSA）算法，该算法能够动态调整网络拓扑结构和路由路径。该算法采用自适应快照生成机制，通过优化快照合并和风险感知的路由决策来减轻太空碎片的影响。通过将实时碎片信息与预测模型相结合，ASR-LSA减少了冗余的快照切换，并在不同碎片条件下提高了路由的适应性。大量模拟表明，在1,152颗卫星的拓扑结构中，ASR-LSA可以将服务成功率提高7.35%，并将快照切换频率降低51.72%。这些改进对于提高卫星通信系统的效率和可靠性至关重要，尤其是在太空碎片威胁日益增加的背景下。

引言

太空碎片是指人类太空活动产生的废弃物，包括火箭残骸、卫星碎片和火箭排气。这些是太空环境中的主要污染源。自1957年第一颗人造卫星发射以来，由于太空活动的不断增加，轨道上的航天器数量迅速增长。一系列太空碰撞、爆炸和反卫星试验导致太空环境污染日益严重，太空碎片数量急剧增加[1]、[2]。到2019年，直径10厘米或更大的大型碎片数量达到了34,000个，到2023年6月，这一数字至少增加到了37,000个[3]。这些太空碎片主要分布在250至40,000公里的高度范围内，其中大部分位于2,000公里以内，特别是在800–1,000公里和1,400公里的近地轨道（LEO）上[4]、[5]。在这样一个密集且高速运动的LEO环境中，再加上凯斯勒综合症[6]、[7]的影响，碰撞和中断是不可避免的。这无疑会对在轨的航天器和卫星造成灾难性影响。