CN103701548B - 一种基于分簇的低轨卫星故障发现方法 - Google Patents

一种基于分簇的低轨卫星故障发现方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种基于分簇的低轨卫星故障发现方法,采用高轨卫星GEO/低轨卫星LEO双层卫星网络体系结构,利用分簇思想,以穿越南北极的轴线为界,将一个圆形的低轨卫星轨道划分为位于东西半球的两个低轨卫星簇,在每个簇中,选取纬度最低的低轨卫星作为该簇的簇头,用以收集本簇内的低轨卫星故障信息,并将收集到的故障信息发送给覆盖它的高轨卫星,由星上处理能力更强大的高轨卫星统筹把握低轨卫星故障信息。使得低轨卫星故障发现脱离了在地理上有很强依赖性的传统地面站测控技术,从而大大提高了低轨卫星故障发现的灵活性。

Description

一种基于分簇的低轨卫星故障发现方法
技术领域
本发明涉及一种应用于低轨卫星系统的卫星故障发现方法,本发明基于GEO-
LEO双层卫星网络,利用分簇思想实现低轨卫星故障发现,使得低轨卫星故障发现摆脱了在地理上有很强依赖性的传统地面站测控技术,提高了低轨卫星故障发现的灵活性,在航空、航天、军事层卫星体系结构,采用及社会经济等领域具有较好的转化应用前景,属于卫星通信技术领域。
背景技术
伴随星上处理技术和小卫星技术的发展,利用星际链路把不同轨道上的卫星连接在一起,按照空间信息资源的最大有效综合利用原则,互通互连,形成以低轨卫星做接入、高轨卫星做骨干传输的空天信息网络体系结构成为了当下新的研究热点。相比于高轨卫星系统,低轨卫星系统的卫星数目更多,卫星的星上处理能力更加薄弱。同时在军事应用中,我军也不可能在敌方作战区域内建设地面站,管理高速移动的低轨卫星群。因此对于应用于军事场景的空天信息网络来说,设计出脱离地面站测控技术的低轨卫星故障发现方法显得尤为重要。其主要作用就是自动地获取空天信息网络中低轨卫星的故障问题,从而帮助系统对出现的故障及时做出相关响应,保障空天信息网络的正常运行。本发明提出了一种基于分簇的低轨卫星故障发现方法,用以辅助进行空天信息网络拓扑管理,帮助系统对发生的故障及时做出相关相应,保障空天信息网络的正常运行。
发明内容
技术问题:在以低轨卫星做接入,高轨卫星做骨干传输的空天信息网络中,低轨卫星群因为数目较多,星上处理能力较弱,属于整个网络中比较脆弱的一部分,需要对其进行有效地故障管理。然而在军事应用场景中,我军并不可能在敌方作战区域内建设地面站,管理高速移动的低轨卫星群。本发明提供了一种基于分簇的低轨卫星故障发现方法。它将低轨卫星轨道以南北轴为界分为两个簇,选定每个簇内纬度绝对值最小的低轨卫星作为簇头,进行本簇内低轨卫星故障发现,并将发现的故障信息发送给覆盖它的高轨卫星,由星上处理能力更强大的高轨卫星统筹把握低轨卫星故障信息,使得低轨卫星故障发现脱离了在地理上有很强依赖性的传统地面站测控技术,从而大大提高了低轨卫星故障发现的灵活性。
技术方案:以穿越南北极的轴线为界,将一个圆形的低轨卫星轨道分割成位于东西两个半球的两个半圆,即两个簇。在每个簇内,选取纬度绝对值最小的低轨卫星作为该簇的簇头,负责通过轨内星际链路收集本簇内的卫星故障信息,并将这些故障信息整合后通过层间星际链路发送给覆盖其的高轨卫星。高轨卫星整合各簇头发来的卫星故障并和其他高轨卫星交换信息,从而获得全网的卫星故障信息表。分簇方案示意图如图1所示。整体解决方案示意图如图2所示。在该方法中,正常状况下只有簇头维持了与高轨卫星之间的层间星际链路,而簇内其他的低轨卫星都通过轨内星际链路与簇头通信,显然这大大降低了高轨卫星同时维持的层间星际链路数目,以及低轨卫星用于维持层间星际链路的星上开销。
本方法中,在每个低轨卫星簇内,选取纬度最低的低轨卫星作为簇头的主要原因有三个:
●高轨卫星轨道位于赤道正上方,因此纬度最低的低轨卫星与高轨卫星之间的仰角最大,信号相对更稳定;
●纬度最低的低轨卫星与高轨卫星之间的距离比簇内其他低轨卫星与高轨卫星之间的距离小,选取纬度最低的低轨卫星做簇头,有利于降低簇头与高轨卫星通信的传播时延;
●纬度最低的低轨卫星到簇内其他低轨卫星的距离基本对等,有利于算法的快速收敛。
一、体系结构
基于分簇的低轨卫星故障发现方法采用仅由高轨卫星和低轨卫星组成的GEO/LEO双层卫星星座结构作为低轨卫星故障发现的框架。如图3所示,在这种体系结构中存在两种类型的星际链路:
●层内星际链路(ISL):同一层卫星之间的双向链路,包括GEO-ISL和LEO-ISL;其中,LEO-ISL又分为轨道面内ISL和轨道面间ISL;
●层间星际链路(IOL):GEO卫星(高轨卫星)和LEO卫星(低轨卫星)之间的双向链路。
二、相关标记与定义
1.层内星际链路(ISL):同一层卫星之间的双向链路,包括GEO-ISL和LEO-ISL;
2.层间星际链路(IOL):不同层卫星之间的双向链路,即GEO卫星(高轨卫星)和LEO卫星(低轨卫星)之间的双向链路;
3.低轨卫星轨道:标记低轨卫星轨道为Li(i=0,1,2...n-1),其中n为低轨卫星轨道的个数;
4.低轨卫星:标记低轨卫星轨道Li上的LEO卫星分别为Sati,j(j=0,1,2...m-1),其中m为低轨卫星轨道Li上LEO卫星的个数;
5.低轨卫星簇:以穿越南北极的轴线为界,一个圆形LEO轨道Li被分为分别位于东半球和西半球的两个半圆轨道,定义一个半圆轨道上的所有LEO卫星集合为一个LEO卫星簇(标记为lci1),并称另一个半圆轨道上所有LEO卫星的集合为该簇的对等簇(标记为lci2);
6.簇头:
在一个LEO卫星簇内,定义纬度绝对值最小的低轨卫星LEO作为该簇的簇头(若某簇内两颗卫星的纬度绝对值相等且为最小,则任选一颗作为簇头)标记为hi1,并标记对等簇簇头为hi2
7.前向卫星(FrontSatellite):在一个簇内,某颗卫星Sati,j的两颗相临卫星中,纬度绝对值较小的那颗卫星称为该卫星的前向卫星,标记为FSATi,j;特别地,若Sati,j的两颗相邻卫星的纬度绝对值相等,则任选一颗作为前向卫星;
8.后向卫星(BackSatellite):在一个簇内,某颗卫星Sati,j的两颗相临卫星中,纬度绝对值较大的那颗卫星称为该卫星的后向卫星,标记为BSATi,j;特别地,若Sati,j的两颗相邻卫星的纬度绝对值相等,则选取非前向卫星作为后向卫星;
9.卫星故障信息(FailureInformation):在网络运行的过程中,若发现卫星Sati,j发生故障,则最先发现该卫星故障的卫星为其创建故障信息(标记为FIi,j)。
三、方法流程
以南北轴为界,将低轨卫星轨道分为位于东西两个半球的两个低轨卫星簇。选取每个簇内纬度最低的低轨卫星作为该簇的簇头,用于进行簇内卫星故障发现,并将发现的故障信息发送给覆盖它的高轨卫星。
将低轨卫星LEO分簇,选择簇内纬度最低的低轨卫星作为簇头,由每簇簇头负责收集簇内低轨卫星故障信息,并将收集到的故障信息发送给覆盖其的高轨卫星;使得低轨卫星系统故障卫星的发现,摆脱了在地理上有很强依赖性的传统地面站测控技术,从而大大提高了低轨卫星故障发现的灵活性,其具体执行步骤如下:
将低轨卫星LEO分簇,选择簇内纬度最低的低轨卫星作为簇头,由每簇簇头负责收集簇内低轨卫星故障信息,并将收集到的故障信息发送给覆盖其的高轨卫星;使得低轨卫星系统故障卫星的发现,摆脱了在地理上有很强依赖性的传统地面站测控技术,从而大大提高了低轨卫星故障发现的灵活性,其具体执行步骤如下:
步骤1.
获取每颗低轨卫星LEO的经纬度信息,以南北轴为界,将低轨卫星轨道Li划分为位于东西两个半球的两个簇lci1以及簇lci2(i为轨道编号,i=0,1,2,…n-1);
步骤2.
选取簇lci1和簇lci2内纬度绝对值最小的低轨卫星LEO作为该簇簇头,分别标记为hi1和hi2
步骤3.每一颗低轨卫星LEOSati,j(i为卫星所在轨道编号,j为卫星在轨道内的编号)标识出自己的前向卫星FSATi,j和后向卫星BSATi,j
步骤4.
簇头故障发现:高轨卫星GEO向其覆盖范围内的簇头发送请求数据,若簇头hi,k(k=1或2)对三次数据请求均无应答,则产生该簇头的卫星故障信息FIi,j(i,j取自该簇头原本卫星标识Sati,j,i为卫星所在轨道编号,j为卫星在轨道内的编号),并将该故障信息加入卫星故障信息表;
步骤5.高轨卫星GEO分析并汇总簇头故障信息:
A)若轨道Li内没有损坏簇头,转步骤6;
B)若轨道Li内有簇头损坏,则打开高轨卫星GEO与该轨道上非簇头低轨卫星LEO之间的层间星际链路IOL,向其发送请求数据,若Sati,j对三次数据请求均无应答,则高轨卫星GEO产生其故障信息FIi,j(i,j取自该簇头原本卫星标识Sati,j,i为卫星所在轨道编号,j为卫星在轨道内的编号),并将该故障信息加入卫星故障信息表,转步骤11;
步骤6.
非簇头故障发现:包括簇头,轨道内所有低轨卫星LEO Sati,j并发地向其前向卫星FSATi,j和后向卫星BSATi,j发送请求数据,若其前向卫星或者后向卫星对三次数据请求均无应答,则Sati,j产生其前向卫星或者后向卫星的故障信息FIp,q,其中,p,q取自故障卫星原本标识Satp,q,p为故障卫星所在轨道编号,q为故障卫星在轨道内的编号;
步骤7.故障信息传递:对Sati,j而言,
A)FSATi,j故障,BSATi,j正常:向对等簇簇头发送FSATi,j的故障信息FIp,q
B)FSATi,j正常,BSATi,j故障:向本簇簇头发送BSATi,j的故障信息FIp,q
C)FSATi,j故障,BSATi,j故障:不做任何事;
D)FSATi,j正常,BSATi,j正常:不做任何事;
步骤8.
簇头hi,k,k=1或2;将其收集到的故障信息汇报给覆盖他的高轨卫星GEO;
步骤9.
高轨卫星GEO进行故障信息整合:将收到的故障信息一一加入卫星故障信息表中,重复的故障信息仅保留一份;
步骤10.高轨卫星GEO分析卫星故障信息表:
A)若轨道Li内仅有一颗低轨卫星LEO故障或仅两颗连续的低轨卫星LEO故障或无故障:则不做任何事;
B)
若轨道Li内低轨卫星LEO故障情况非以上任何一种:打开高轨卫星GEO与该轨道上故障非已知故障低轨卫星LEO Sati,j之间的层间星际链路IOL,向其发送数据请求,若三次请求均无应答,则高轨卫星GEO产生其故障信息FIi,j,并将该故障信息加入卫星故障信息表;
步骤11.完成。
其中:
步骤1和步骤2中的低轨卫星簇的划分,以及每个低轨卫星簇中簇头的选择:
1)
获取每颗卫星的经纬度信息,以南北轴为界,将卫星轨道Li划分为位于东西两个半球的两个簇lci1以及簇lci2;从此,本方法所运行的低轨卫星故障发现方法,均以这里划分出来的低轨卫星簇为单位,进行故障发现;
2)在每个簇内选取纬度最低的低轨卫星LEO作为该簇的簇头,分别标记为hi1和hi2,选择簇内纬度最低的低轨卫星LEO作为该簇簇头的主要原因有以下三个:
●高轨卫星轨道位于赤道正上方,因此纬度最低的低轨卫星与高轨卫星之间的仰角最大,信号相对更稳定;
●纬度最低的低轨卫星与高轨卫星之间的距离比簇内其他低轨卫星与高轨卫星之间的距离小,选取纬度最低的低轨卫星做簇头,有利于降低簇头与高轨卫星通信的传播时延;
●纬度最低的低轨卫星到簇内其他低轨卫星的距离基本对等,有利于算法的快速收敛。
有益效果:本发明提出了一种基于分簇的低轨卫星故障发现方法,来解决卫星故障发现依赖于地面站测控的问题。有效地使低轨卫星故障发现摆脱了在地理上有很强依赖性的传统地面站测控技术,提高了低轨卫星故障发现的灵活性。
传统的依赖于地面站测控的低轨卫星故障发现方法在现实应用中非常不灵活,当空天信息网络应用于军事场景的时候,我军并不可能在敌方的作战区域内建设地面站测控低轨卫星运行状况。基于分簇的低轨卫星故障发现方法利用GEO/LEO双层卫星网络体系结构,采用分簇思想,自动实现低轨卫星故障发现。
因此,本发明的主要有益效果是使得低轨卫星故障发现摆脱了在地理上有很强依赖性的传统地面站测控技术,提高了低轨卫星故障发现的灵活性。适用于如军事作战环境等卫星测控地面站的建立受地理影响比较大的场景。在航天、航空、军事及社会经济等领域具有较好的转化应用前景。
附图说明
图1是低轨卫星轨道分簇方案示意图;
图2是基于分簇的低轨卫星故障发现方法总体解决方案示意图;
图3是两种星际链路ISL和IOL示意图;
图4是基于分簇的低轨卫星故障发现方法应用实例图。
图5a是基于分簇的低轨卫星故障发现方法算法流程图的上半部;
图5b是基于分簇的低轨卫星故障发现方法算法流程图的下半部。
具体实施方式
步骤1.
获取每颗低轨卫星LEO的经纬度信息,以南北轴为界,将低轨卫星轨道Li划分为位于东西两个半球的两个簇lci1以及簇lci2(i为轨道编号,i=0,1,2,…n-
1);
步骤2.
选取簇lci1和簇lci2内纬度绝对值最小的低轨卫星LEO作为该簇簇头,分别标记为hi1和hi2
步骤3.每一颗低轨卫星LEOSati,j(i为卫星所在轨道编号,j为卫星在轨道内的编号)标识出自己的前向卫星FSATi,j和后向卫星BSATi,j
步骤4.
簇头故障发现:高轨卫星GEO向其覆盖范围内的簇头发送请求数据,若簇头hi,k(k=1或2)对三次数据请求均无应答,则产生该簇头的卫星故障信息FIi,j(i,j取自该簇头原本卫星标识Sati,j,i为卫星所在轨道编号,j为卫星在轨道内的编号),并将该故障信息加入卫星故障信息表;
步骤5.高轨卫星GEO分析并汇总簇头故障信息:
A)若轨道Li内没有损坏簇头,转步骤6;
B)若轨道Li内有簇头损坏,则打开高轨卫星GEO与该轨道上非簇头低轨卫星LEO之间的层间星际链路IOL,向其发送请求数据,若Sati,j对三次数据请求均无应答,则高轨卫星GEO产生其故障信息FIi,j(i,j取自该簇头原本卫星标识Sati,j,i为卫星所在轨道编号,j为卫星在轨道内的编号),并将该故障信息加入卫星故障信息表,转步骤11;
步骤6.
非簇头故障发现:包括簇头,轨道内所有低轨卫星LEO Sati,j并发地向其前向卫星FSATi,j和后向卫星BSATi,j发送请求数据,若其前向卫星或者后向卫星对三次数据请求均无应答,则Sati,j产生其前向卫星或者后向卫星的故障信息FIp,q,其中,p,q取自故障卫星原本标识Satp,q,p为故障卫星所在轨道编号,q为故障卫星在轨道内的编号;
步骤7.故障信息传递:对Sati,j而言,
A)FSATi,j故障,BSATi,j正常:向对等簇簇头发送FSATi,j的故障信息FIp,q
B)FSATi,j正常,BSATi,j故障:向本簇簇头发送BSATi,j的故障信息FIp,q
C)FSATi,j故障,BSATi,j故障:不做任何事;
D)FSATi,j正常,BSATi,j正常:不做任何事;
步骤8.
簇头hi,k(k=1或2)将其收集到的故障信息汇报给覆盖他的高轨卫星GEO;
步骤9.
高轨卫星GEO进行故障信息整合:将收到的故障信息一一加入卫星故障信息表中,重复的故障信息仅保留一份;
步骤10.高轨卫星GEO分析卫星故障信息表:
A)若轨道Li内仅有一颗低轨卫星LEO故障或仅两颗连续的低轨卫星LEO故障或无故障:则不做任何事;
B)
若轨道Li内低轨卫星LEO故障情况非以上任何一种:打开高轨卫星GEO与该轨道上故障非已知故障低轨卫星LEO Sati,j之间的层间星际链路IOL,向其发送数据请求,若三次请求均无应答,则高轨卫星GEO产生其故障信息FIi,j,并将该故障信息加入卫星故障信息表;
步骤11.完成。
其中,关于步骤1和步骤2中的低轨卫星簇的划分,以及每个低轨卫星簇中簇头的选择:
1)
获取每颗卫星的经纬度信息,以南北轴为界,将卫星轨道Li划分为位于东西两个半球的两个簇lci1以及簇lci2;从此,本方法所运行的低轨卫星故障发现方法,均以这里划分出来的低轨卫星簇为单位,进行故障发现;
2)在每个簇内选取纬度最低的低轨卫星LEO作为该簇的簇头,分别标记为hi1和hi2,选择簇内纬度最低的低轨卫星LEO作为该簇簇头的主要原因有以下三个:
●高轨卫星轨道位于赤道正上方,因此纬度最低的低轨卫星与高轨卫星之间的仰角最大,信号相对更稳定;
●纬度最低的低轨卫星与高轨卫星之间的距离比簇内其他低轨卫星与高轨卫星之间的距离小,选取纬度最低的低轨卫星做簇头,有利于降低簇头与高轨卫星通信的传播时延;
●纬度最低的低轨卫星到簇内其他低轨卫星的距离基本对等,有利于算法的快速收敛。
为了方便描述,我们假定有如下应用实例,如图4所示:整个低轨卫星轨道L0有LEO卫星Sat0,8和Sat0,10发生故障(L0为铱星轨道平面,轨道倾角设为90°)。应用基于分簇的低轨卫星故障发现方法进行故障发现,其具体步骤如下:
步骤1.获取每颗低轨卫星LEO的经纬度信息如下:
以南北轴为界,将低轨卫星轨道L0划分为位于东西两个半球的簇lc01以及簇lc02
lc01的成员为:Sat0,0,Sat0,1,Sat0,2,Sat0,3,Sat0,4
lc02的成员为:Sat0,5,Sat0,6,Sat0,7,Sat0,8,Sat0,9,Sat0,10
步骤2.选取簇lc01中纬度绝对值最小的低轨卫星Sat0,2作为簇头h0,1选取簇lc01中纬度绝对值最小的低轨卫星Sat0,7作为簇头h0,2
步骤3.每一颗低轨卫星LEOSati,j(i=0;j=0,1,2……10)标识出自己的前向卫星FSATi,j和后向卫星BSATi,j:
步骤4.高轨卫星GEO向簇头h0,1和h0,2发送请求数据,均得到应答;
步骤5.高轨卫星GEO分析出该轨道内无故障簇头,转步骤6;
步骤6.轨道内所有低轨卫星LEO Sati,j并发地向其前向卫星FSATi,j和后向卫星BSATi,j发送请求数据,探测其前向卫星FSATi,j和后向卫星BSATi,j的故障情况:Sat0,0产生故障信息FI0,10,Sat0,9产生故障信息FI0,10和FI0,8,Sat0,7产生故障信息FI0,8
步骤7.
Sat0,0将故障信息FI0,10传递给簇头h0,1,Sat0,7将故障信息FI0,8传递给簇头h0,2(即其自身,所以不需要传递)
步骤8.
簇头h0,1和h0,2将其收集到的故障信息汇报给覆盖它们的高轨卫星GEO;
步骤9.高轨卫星GEO将收到的故障信息FI0,10和FI0,8加入卫星故障信息表;
步骤10.
高轨卫星GEO分析卫星故障信息表,发现若轨道L0内并非仅有一颗低轨卫星LEO故障或仅两颗连续的低轨卫星LEO故障或无故障,此时打开高轨卫星GEO和该轨道上非Sat0.8和Sat0.10低轨卫星之间的层间星际链路IOL,探测其故障,并未发现新的故障信息;
步骤11.完成。

Claims (1)

1.一种基于分簇的低轨卫星故障发现方法,其特征在于将低轨卫星LEO分簇,选择簇内纬度最低的低轨卫星作为簇头,由每簇簇头负责收集簇内低轨卫星故障信息,并将收集到的故障信息发送给覆盖其的高轨卫星;使得低轨卫星系统故障卫星的发现,摆脱了在地理上有很强依赖性的传统地面站测控技术,从而大大提高了低轨卫星故障发现的灵活性,其具体执行步骤如下:
步骤1.获取每颗低轨卫星LEO的经纬度信息,以南北轴为界,将低轨卫星轨道Li划分为位于东西两个半球的两个簇lci1以及簇lci2;i为轨道编号,i=0,1,2,…n-1;
步骤2.
选取簇lci1和簇lci2内纬度绝对值最小的低轨卫星LEO作为该簇簇头,分别标记为hi1和hi2
步骤3.每一颗低轨卫星LEOSati,j,j为卫星在轨道内的编号,标识出自己的前向卫星FSATi,j和后向卫星BSATi,j
步骤4.簇头故障发现:高轨卫星GEO向其覆盖范围内的簇头发送请求数据,若簇头hi,k,k=1或2;对三次数据请求均无应答,则产生该簇头的卫星故障信息FIi,j,i,j取自该簇头原本卫星标识Sati,j,并将该故障信息加入卫星故障信息表;
步骤5.高轨卫星GEO分析并汇总簇头故障信息:
A)若轨道Li内没有损坏簇头,转步骤6;
B)若轨道Li内有簇头损坏,则打开高轨卫星GEO与该轨道上非簇头低轨卫星LEO之间的层间星际链路IOL,向其发送请求数据,若Sati,j对三次数据请求均无应答,则高轨卫星GEO产生其故障信息FIi,j,并将该故障信息加入卫星故障信息表,转步骤11;
步骤6.非簇头故障发现:包括簇头,轨道内所有低轨卫星LEOSati,j并发地向其前向卫星FSATi,j和后向卫星BSATi,j发送请求数据,若其前向卫星或者后向卫星对三次数据请求均无应答,则Sati,j产生其前向卫星或者后向卫星的故障信息FIp,q
其中,p,q取自故障卫星原本标识Satp,q,p为故障卫星所在轨道编号,q为故障卫星在轨道内的编号;
步骤7.故障信息传递:对Sati,j而言,
A)FSATi,j故障,BSATi,j正常:向对等簇簇头发送FSATi,j的故障信息FIp,q
B)FSATi,j正常,BSATi,j故障:向本簇簇头发送BSATi,j的故障信息FIp,q
C)FSATi,j故障,BSATi,j故障:不做任何事;
D)FSATi,j正常,BSATi,j正常:不做任何事;
步骤8.簇头hi,k,k=1或2,将其收集到的故障信息汇报给覆盖他的高轨卫星GEO;
步骤9.高轨卫星GEO进行故障信息整合:将收到的故障信息一一加入卫星故障信息表中,重复的故障信息仅保留一份;
步骤10.高轨卫星GEO分析卫星故障信息表:
A)若轨道Li内仅有一颗低轨卫星LEO故障或仅两颗连续的低轨卫星LEO故障或无故障:则不做任何事;
B)
若轨道Li内低轨卫星LEO故障情况非以上任何一种:打开高轨卫星GEO与该轨道上故障非已知故障低轨卫星LEOSati,j之间的层间星际链路IOL,向其发送数据请求,若三次请求均无应答,则高轨卫星GEO产生其故障信息FIi,j,并将该故障信息加入卫星故障信息表;
步骤11.完成。
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