基于地面站布局約束的導航星座緩變星間鏈路規(guī)劃方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及導航星座的星地-星間鏈路管理領域，尤其是一種具有緩變星間鏈路 的導航星座路由優(yōu)化及維護方法。
【背景技術】
[0002] 衛(wèi)星星座（簡稱"星座"）是指由多顆衛(wèi)星組成、衛(wèi)星軌道形成穩(wěn)定的空間幾何構 型，衛(wèi)星之間保持固定的時空關系，用于完成特定航天任務的衛(wèi)星系統(tǒng)。導航星座的功能是 充分利用星座本身構成的空間約束，運用適當?shù)臏y量手段實現(xiàn)對地面和空間用戶的導航定 位。通常采用運行在20000km左右高度的中等地球軌道衛(wèi)星組成導航星座。
[0003] 隨著星座規(guī)模的擴大，給地面測控管理資源造成了巨大的壓力，因此產(chǎn)生了星間 鏈路。星間鏈路是指星座中衛(wèi)星與衛(wèi)星之間進行無線電信號傳輸和相對測量的鏈路，鏈路 的天線波束并不指向地球，而是指向其它衛(wèi)星。這樣，境內(nèi)的地面測控站能夠利用星間鏈 路，通過境內(nèi)可見衛(wèi)星管理境外衛(wèi)星。星間鏈路可以將導航星座構建成一個全連通的網(wǎng)絡， 在網(wǎng)絡中星間信息按照事先設計的路由進行傳輸。
[0004] 通常，在星座中存在兩種形式的星間鏈路，分別是緩變星間鏈路和捷變星間鏈路。 緩變星間鏈路采用一種比較穩(wěn)定的鏈路建立方式，在正常情況下不進行鏈路切換操作；捷 變星間鏈路采用周期輪詢的鏈路建立方式，將根據(jù)星間建鏈規(guī)則周期性地進行鏈路切換操 作。無論采用緩變星間鏈路還是捷變星間鏈路，路由設計都是不可或缺的環(huán)節(jié)。本發(fā)明所 涉及的工作是針對緩變星間鏈路開展的。
[0005] 緩變星間鏈路是建立在穩(wěn)定的網(wǎng)絡拓撲基礎上的，網(wǎng)絡拓撲是基于星座構型而建 立的。通常，穩(wěn)定的網(wǎng)絡拓撲利用星座中永久星間鏈路構建的。永久星間鏈路是一種在星 座運行周期中保持不間斷的鏈路。
[0006] 本質(zhì)上講，路由設計是無線電信息在網(wǎng)絡中的傳輸路徑優(yōu)化問題，在多顆衛(wèi) 星組成的衛(wèi)星網(wǎng)絡中，需要在從源端到目的端的多條路徑中按照鏈路度量或者用戶 QoS(Quality of Service)需求選擇最優(yōu)路徑。衛(wèi)星網(wǎng)絡的路由設計對決定整個網(wǎng)絡系統(tǒng) 的效率和可靠性起著重要的作用。
[0007] 我國航天測控領域首次面臨導航星座緩變星間鏈路的規(guī)劃問題，與傳統(tǒng)的基于衛(wèi) 星網(wǎng)絡通信任務規(guī)劃相比，其特點體現(xiàn)在星間鏈路管理與地面站布局緊密耦合以及導航與 通信任務的聯(lián)合規(guī)劃方面，規(guī)劃的難點在于考慮地面站布局前提下的約束模型建立和考慮 可靠管理前提下的優(yōu)化目標函數(shù)確定。檢索公開文獻表明：未見有面向航天器測控及導航 星座星間鏈路管理的鏈路規(guī)劃方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為了克服現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種穩(wěn)定、可重構、易于工程實現(xiàn)的滿足地 面站布局約束的路由設計方法。
[0009] 本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案包括以下步驟：
[0010] ①根據(jù)中軌星座的構型和軌道根數(shù)、地面測控站的幾何布局和站址坐標，采用 J2000地球慣性坐標系構建星地鏈路可見模型；
[0011] ②構建星間鏈路可見模型，包括：根據(jù)中軌星座的構型和軌道根數(shù)、星間天線的安 裝位置，構建星間鏈路的幾何可見模型；根據(jù)星間天線的波束范圍，構建天線覆蓋模型；根 據(jù)星間天線的收發(fā)信道技術指標，建立信號可達模型；
[0012] ③根據(jù)星間鏈路可見模型和星地鏈路可見模型獲取星座中每一顆衛(wèi)星與所有地 面站的可見弧段，以及每一顆衛(wèi)星與其它衛(wèi)星的可見弧段；按照確定的時間片對有效數(shù)據(jù) 進行歸一化，并建立有效鏈路可見矩陣；
[0013] ④根據(jù)星座構型和星載星間天線的數(shù)量，在滿足星座的連通性和導航定位精度需 求的前提下建立星座中星間鏈路的拓撲結構；
[0014] ⑤建立路由優(yōu)化的約束模型；
[0015] ⑥根據(jù)跳數(shù)、分簇的均勻性、時延指標，建立以加權滿足率最大化為目標的路由優(yōu) 化目標函數(shù)；
[0016] ⑦針對步驟⑤和⑥得到的結果，采用改進型智能算法對數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖顑?yōu)路徑進行 求解，獲得導航星座緩變星間鏈路的路由表。
[0017] 所述的步驟②包括以下步驟：
[0018] 2. 1星座中任意兩顆衛(wèi)星SJP S』的幾何可見條件是：
[0019]
[0020] 其中山」是衛(wèi)星SgSj之間的距離，最大幾何可見距離
【主權項】
1. 一種基于地面站布局約束的導航星座緩變星間鏈路規(guī)劃方法，其特征在于包括以下 步驟： ① 根據(jù)中軌星座的構型和軌道根數(shù)、地面測控站的幾何布局和站址坐標，采用J2000 地球慣性坐標系構建星地鏈路可見模型； ② 構建星間鏈路可見模型，包括：根據(jù)中軌星座的構型和軌道根數(shù)、星間天線的安裝位 置，構建星間鏈路的幾何可見模型；根據(jù)星間天線的波束范圍，構建天線覆蓋模型；根據(jù)星 間天線的收發(fā)信道技術指標，建立信號可達模型； ③ 根據(jù)星間鏈路可見模型和星地鏈路可見模型獲取星座中每一顆衛(wèi)星與所有地面站 的可見弧段，以及每一顆衛(wèi)星與其它衛(wèi)星的可見弧段；按照確定的時間片對有效數(shù)據(jù)進行 歸一化，并建立有效鏈路可見矩陣； ④ 根據(jù)星座構型和星載星間天線的數(shù)量，在滿足星座的連通性和導航定位精度需求的 前提下建立星座中星間鏈路的拓撲結構； ⑤ 建立路由優(yōu)化的約束模型； ⑥ 根據(jù)跳數(shù)、分簇的均勻性、時延指標，建立以加權滿足率最大化為目標的路由優(yōu)化目 標函數(shù)； ⑦ 針對步驟⑤和⑥得到的結果，采用改進型智能算法對數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖顑?yōu)路徑進行求 解，獲得導航星座緩變星間鏈路的路由表。
2. 根據(jù)權利要求1所述的基于地面站布局約束的導航星座緩變星間鏈路規(guī)劃方法，其 特征在于所述的步驟②包括以下步驟： 2. 1星座中任意兩顆衛(wèi)星SJP S」的幾何可見條件是： Lij< L g max和 O eE〉h 其中，Lij是衛(wèi)星51與Sj之間的距離，最大幾何可見距離Lg" m = 2^(RE + Hf-(RE+hdf, H是衛(wèi)星SjP S j的軌道高度，R A地球的半徑，O eE是地球地心0濟S占 S j連線的距離， hd為電離層頂部的高度，h = RE+hd; 2. 2星間天線覆蓋模型是： 其中，ai是衛(wèi)星Si星載星間天線波束的半功率角，γ u是衛(wèi)星51與\之間的地 心張角，衛(wèi)星Si星載星間天線波束對地球的最大覆蓋角我= ，衛(wèi)星^星 h 載星間天線波束對1的覆蓋角
，衛(wèi)星間的張角
2. 3衛(wèi)星Si至衛(wèi)星S』的最遠信號可達距離￡ = ?5]其中， EIRPsi是衛(wèi)星S ^勺有效輻射功率，衛(wèi)星S j的星間天線增益是G Sj、接收靈敏度為Ssj、天線至 接收系統(tǒng)輸入端的鏈路損耗為Lsj，衛(wèi)星Si至衛(wèi)星S j的空間損耗為L sp、鏈路的工作頻率為 f ; 2. 4 右 OeE〉h 且 Li：j< max{L g max，Lmax}且 y β max時 αa i，γ β 匪時 9〇° - β _〈 α y α ρ則衛(wèi)星SJP S」之間存在星間鏈路，用Length 3表示星間鏈路持續(xù)的時 間長度。
3. 根據(jù)權利要求1所述的基于地面站布局約束的導航星座緩變星間鏈路規(guī)劃 方法，其特征在于所述步驟③包括以下步驟：對于星地鏈路持續(xù)時間長度Length e 和星間鏈路持續(xù)時間長度Lengths采用一個固定的時間長度△進行歸一化，得到
，Δ T < LengthjP Length s，形成 星地和星間鏈路的可見矩陣。
4. 根據(jù)權利要求1所述的基于地面站布局約束的導航星座緩變星間鏈路規(guī)劃方法，其 特征在于所述步驟④包括以下步驟：設在導航衛(wèi)星星座中共有K顆衛(wèi)星，分布在P個軌道面 內(nèi)，每個軌道面內(nèi)有K/P顆衛(wèi)星；每顆衛(wèi)星能夠同時收發(fā)N條鏈路的信息、星間同時存在M 條永久星間鏈路，且有M彡N，則得到的星間鏈路拓撲用4元組表示為Π = <S A, T，0, G>，其 中：SAT是星座中的衛(wèi)星集合，SAT = <Sn，…S1K/P; ???5[)1，一5_>，511表示第一個軌道面內(nèi) 的第一顆衛(wèi)星，S 1K/P表示第一個軌道面內(nèi)的第K/P顆衛(wèi)星，S P1表示第P個軌道面內(nèi)的第一顆 衛(wèi)星，SPK/P表示第P個軌道面內(nèi)的第K/P顆衛(wèi)星；I是星座中星間天線建鏈的初始狀態(tài)集合， I = <ISLn，…，ISLin;…ISLki，…，ISLKN>，ISL 11表示第一顆衛(wèi)星上第一副星間天線的建鏈 狀態(tài)，ISLra表示第K顆衛(wèi)星上第N副星間天線的建鏈狀態(tài)，建鏈狀態(tài)用的[KXN] X [KXN] 狀態(tài)矩陣描述；〇是星座中星間天線重新建鏈的操作集合，〇 = <〇n,…，Oin，…，Oki，…，〇KN>， 〇 n表示對鏈路ISL n進行操作，ο KN表示對鏈路ISL 進行操作；G是對星間鏈路進行重新建 鏈操作的目標集合，G =〈ISL, C0N>，ISL表示星座中的每一條星間鏈路必須處于建鏈狀態(tài)， 不能閑置，CON表示以星座中任意衛(wèi)星作為星地鏈路節(jié)點能夠連通整個星座。
5. 根據(jù)權利要求1所述的基于地面站布局約束的導航星座緩變星間鏈路規(guī)劃方法，其 特征在于所述步驟⑤包括以下步驟： 5. 1定義直接和地面站進行信息交換的衛(wèi)星是節(jié)點衛(wèi)星（Nod);和節(jié)點衛(wèi)星及子節(jié)點 衛(wèi)星均能進行信息交換，且存在成為節(jié)點衛(wèi)星可能的衛(wèi)星是備份節(jié)點衛(wèi)星Nod b;在簇內(nèi)既 不屬于節(jié)點衛(wèi)星，也不屬于備份節(jié)點衛(wèi)星的衛(wèi)星是子節(jié)點衛(wèi)星Nodsub; 5. 2設星座中的簇數(shù)是Ncdustw, Nm= N ^stw;設在一個星座軌道回歸周期內(nèi)， 任意地面站與所有衛(wèi)星的歸一化可見時長Lengthe= {Length ei，…LengthaJ，則 Nod G max Lenqthr ： κ 5. 3設導航星座中所有衛(wèi)星的數(shù)傳帶寬是，節(jié)點衛(wèi)星的傳輸速率為R_node，星 /OSL η 7 ) / , 間傳輸速率為fmax，得到每一簇中衛(wèi)星數(shù)A^mfter = I.,,.,- ^+1，導航星座中的簇數(shù) J max
5. 4設星地一體化拓撲是圖T(V，E)，圖的頂點集合包括地面站Gs、節(jié)點衛(wèi)星NocU備份 節(jié)點衛(wèi)星Nodb和子節(jié)點衛(wèi)星Nod sub，圖的邊集合包括星地鏈路和星間鏈路；構成圖T(V，E) 的子拓撲是Iw (t，），有：FfcF，五子圖T" (V"，E")是1^ (t，）的 空間部分，有：G丨〃，P 得到導航星座緩變星間鏈路的路由切換優(yōu)先級，由高至 低描述為：保持T' (V'，E')的結構不變；如果前一條件無法滿足，保持T" (V"，E") 的結構不變；如果前一條件無法滿足，對T" (V"，E")內(nèi)部進行重構；如果前一條件無法 滿足，將產(chǎn)生新的Iw (t，E< )結構。
6. 根據(jù)權利要求1所述的基于地面站布局約束的導航星座緩變星間鏈路規(guī)劃方法，其 特征在于所述步驟⑥包括以下步驟：設Sn是第η個地面站管理的衛(wèi)星總數(shù)，1是地面站總 數(shù)，hop n是第η個地面站管理的星間鏈路中節(jié)點的最大跳數(shù)，X、λ、κ是加權系數(shù)，取值 范圍為任意整數(shù)，得到優(yōu)化目標函數(shù)
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于地面站布局約束的導航星座緩變星間鏈路規(guī)劃方法，首先構建星地鏈路可見模型和星間鏈路可見模型，然后進行星間/地可見時隙預處理，建立星座的拓撲結構后確定路由優(yōu)化的約束模型和優(yōu)化目標函數(shù)，對模型求解獲得導航星座緩變星間鏈路的路由表。本發(fā)明解決了在地面測控資源匱乏的情況下通過緩變星間鏈路管理全球?qū)Ш叫亲膯栴}，模型貼近工程需要，有很好的應用價值，能夠在節(jié)點發(fā)生變化的情況下快速以最小代價建立新的路由。
【IPC分類】G06Q10-06
【公開號】CN104835011
【申請?zhí)枴緾N201510242869
【發(fā)明人】李晶, 耶剛強, 張?zhí)祢? 董衛(wèi)華, 崔衛(wèi)華, 張江, 趙國強, 安靜斌, 余培軍
【申請人】中國西安衛(wèi)星測控中心
【公開日】2015年8月12日
【申請日】2015年5月13日