CN106100718B - 基于时变图的空间信息网络资源表征方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时变图的空间信息网络资源管理方法，其实现过程为：初始化待表征空间信息网络的卫星、地面站、待观测目标节点的集合；将待表征空间信息网络的规划周期划分为M个等长的时间间隔；根据星历表中星体的运动轨迹，计算观测目标是否在观测卫星的观测范围内及中继卫星和地面站是否在观测卫星的通信范围内，得到观测卫星、中继卫星、地面站和观测目标两两之间的可见情况；最后，根据网络中的节点集合和可见情况构造资源时变图表征空间信息网络的观测、存储、传输资源。本发明使用资源时变图表征网络中资源的时变性与相关性，显著降低了空间信息网络中资源管理的复杂度，可用于空间信息网络观测、存储、传输资源的分析和管理。

Description

基于时变图的空间信息网络资源表征方法

技术领域

本发明属于空间信息技术领域，特别涉及一种空间信息网络资源表征方法，可用于空间信息网络观测、存储、传输资源的分析和管理实施。

背景技术

空间信息网络是我国重要的基础设施，是支持对地观测、远洋航行、应急救援、导航定位、航空运输、航天测控的重要平台。然而，由于卫星、地面站等空间信息网络设施造价高卫星发射周期长等缺点，我国空间信息网络长期面临资源紧张供不应求的局面。为了缓解资源紧张和业务发展的矛盾，研究适用于空间信息网络的高效资源管理方法十分重要。

空间信息网络中完成同一任务往往需要多种资源，同时，由于卫星的运动特性，使得网络中的资源具有时变性。繁多的资源种类和不同任务需求的多样性，以及资源的时变性给空间信息网络资源的管理带来极大的挑战。资源表征是资源管理方法的基础，建立一个良好的针对空间信息网络资源的表征方法，对于研究空间信息网络中的观测、存储、传输等资源的时变性和相关性规律以及进行具体的管理而言，都是至关重要的。

以往对空间信息网络资源的研究中，大多是从设计高效资源分配方法的角度进行考虑，并未对构建空间信息网络资源模型和表征方式进行深入探索。如在LauraBarbulescu的文章“Scheduling Space–Ground Communications for the Air ForceSatellite Control Network”中，仅着重说明该如何进行任务过程建模和高效的调度方法设计，并未能从本质上解释空间网络资源在时空二维的上的承接转化关系，从而影响了空间信息网络资源的高效利用。

发明内容

本发明的目的是针对现有研究的不足，对空间信息网络领域资源模型进行研究，提出一种基于时变图的空间信息网络资源表征方法，以实现对动态网络环境下网络观测存储传输资源的时空二维表征，刻画不同资源间的承接转化关系，从而支持空间信息网络的资源的高效利用。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：

1、一种基于时变图的空间信息网络资源表征方法，其特征在于：

(1)初始化待表征空间信息网络的观测卫星集合OS＝{os₁,os₂,...,os_n,...}，中继卫星集合RS＝{rs₁,rs₂,...,rs_n,...}，地面站集合GS＝{gs₁,gs₂,...,gs_n,...}，待观测目标集合OB＝{ob₁,ob₂,...,ob_n,...}，其中os_n表示第n颗观测卫星，rs_n表示第n颗中继卫星，gs_n表示第n个地面站，ob_n表示第n个观测目标；

(2)将待表征空间信息网络的规划周期T划分为M个等长的时间间隔，每个时间间隔的长度为τ＝T/M；

(3)根据星历表中星体的运动轨迹，计算观测目标是否在观测卫星的观测范围内以及中继卫星和地面站是否在观测卫星的通信范围内；

(4)绘制一幅资源时变图，表征网络中的观测、存储和传输资源：

(4a)初始化一张空白的M层有向图，其中的时隙用k表示，k∈1,2,…,M

(4b)添加资源时变图中的顶点：

(4b1)遍历观测卫星集合OS中所有的观测卫星，每一观测卫星os_n∈OS，在资源时变图中添加观测卫星顶点其中顶点位于资源时变图的第k层，表示在第k个时隙中的观测卫星os_n；

(4b2)遍历中继卫星集合RS中所有的中继卫星，每一中继卫星rs_n∈RS，在资源时变图中添加中继卫星顶点其中顶点位于资源时变图的第k层，表示在第k个时隙中的中继卫星rs_n；

(4b3)遍历地面站集合GS中所有的地面站，每一地面站gs_n∈GS，在资源时变图中添加地面站顶点其中顶点位于资源时变图的第k层，表示在第k个时隙中的地面站gs_n；

(4b4)遍历待观测目标集合OB中所有的待观测点，每一待观测点ob_n∈OB，在资源时变图中添加待观测点顶点其中顶点位于资源时变图的第k层，表示在第k个时隙中的待观测点ob_n；

(4c)在资源时变图中添加观测弧、存储弧和传输弧，以从空间和时间两个维度上表征观测、存储和传输三种资源。

2、根据1所述的方法，其中步骤(3)计算观测目标是否在观测卫星的观测范围内以及中继卫星和地面站是否在观测卫星的通信范围内，通过使用卫星工具包STK计算得到。

3、根据1所述的方法，其中步骤(4c)中在资源时变图中添加观测弧、存储弧和传输弧，按如下步骤进行：

(4c1)添加观测弧，即对于每一观测卫星os_j和待观测点ob_i，若在第k个时隙观测卫星os_j可以看见待观测点ob_i，则在资源时变图中添加观测弧其中观测弧的容量为rc_j为观测卫星os_j的观测速率，k＝1,2,…,M；

(4c2)添加存储弧，包括观测存储弧、中继存储弧和地面站存储弧三类：

对于观测卫星os_n∈OS，在资源时变图中添加观测存储弧

对于中继卫星rs_n∈RS，在资源时变图中添加中继存储弧

对于地面站gs_n∈GS，在资源时变图中添加地面站存储弧

其中观测存储弧的容量为观测卫星os_n在第k个时隙和第k+1个时隙的分界时刻的存储空间大小；中继存储弧的容量为中继卫星rs_n在第k个时隙和第k+1个时隙的分界时刻的存储空间大小；地面站存储弧的容量为地面站gs_n在第k个时隙和第k+1个时隙的分界时刻的存储空间大小，k＝1,2,…,M-1；

(4c3)添加传输弧，包括观测-中继传输弧、观测-地面站传输弧和中继-地面站传输弧三类：

对于每一观测卫星os_i和中继卫星rs_j，若在第k个时隙观测卫星os_i可以看见中继卫星rs_j，则在资源时变图中添加观测-中继传输弧

对于每一观测卫星os_i和地面站gs_j，若在第k个时隙观测卫星os_i可以看见地面站gs_j，则在资源时变图中添加观测-地面站传输弧

对于每一中继卫星rs_i和地面站gs_j，若在第k个时隙中继卫星rs_i可以看见地面站gs_j，则在资源时变图中添加中继-地面站传输弧

其中观测-中继传输弧的容量为rt_i为观测卫星os_i到中继卫星的链路的传输速率；观测-地面站传输弧的容量为rg_i为观测卫星os_i到地面站的链路的传输速率；中继-地面站传输弧的容量为：

rr_i为中继卫星rs_i到地面站的链路的传输速率，k＝1,2,…,M。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1)本发明通过构造资源时变图从空间、时间两个维度表征空间信息网络中的观测、存储、传输资源，既刻画了卫星运动对网络中资源分布的影响，又能够描述不同资源间的承接转换关系。

2)本发明用资源时变图中的观测、存储、传输弧表征空间信息网络中的观测、存储、传输资源，用弧的容量代表资源的大小，从而实现用统一的单位来量化空间信息网络中的不同资源。

3)本发明通过构造资源时变图表征空间信息网络中的多种资源，将空间信息网络中的资源管理问题转化为时变图中的网络流问题，大大简化了空间信息网络中资源管理问题的复杂度，为空间信息网络中的资源管理提供技术支持。

附图说明

图1是本发明使用的场景示意图；

图2是本发明的实现总流程图；

图3是本发明网络每个时隙中的观测卫星与待观测目标、观测卫星与中继卫星以及观测卫星与地面站之间的可见情况示意图；

图4是本发明中构造资源时变图的子流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细说明。

参照图1，该空间信息网络包含两颗低轨观测卫星os₁、os₂，一颗位于同步轨道的中继卫星rs₁，一个地面站gs₁、两个待观测点ob₁、ob₂。网络中观测卫星观测过程中的数据收集速率为rc，观测卫星到中继卫星链路的传输速率为rt，观测卫星到地面站链路的传输速率为rg，中继卫星到地面站链路的传输速率为rr。观测卫星、中继卫星和地面站的存储容量分别为bo、br、bg。网络的规划周期为4τ，在规划周期内观测卫星和待观测目标、中继卫星以及地面站之间的可见情况如图3所示，横轴表示时间，纵轴表示是否可见，每条黑色实线表示一对节点间的可见关系，高状态表示可见，低状态表示不可见。

参见图2，本发明基于时变图的空间信息网络资源表征方法，包括如下步骤：

步骤1，初始化待表征空间信息网络的卫星、地面站、待观测点集合。

初始化观测卫星集合OS＝{os₁,os₂}，其中os₁、os₂分别代表两颗低轨观测卫星；

初始化中继卫星集合RS＝{rs₁}，其中rs₁代表一颗位于同步轨道的中继卫星；

初始化地面站集合GS＝{gs₁}，其中gs₁代表地面站；

初始化待观测目标集合OB＝{ob₁,ob₂}，其中ob₁、ob₂代表两个待观测点。

步骤2，初始化待表征空间信息网络的规划周期及时隙长度。

将待表征空间信息网络的规划周期4τ划分为4个等长的时隙，每个时隙的长度为τ。

步骤3，根据星历表中星体的运动轨迹，计算观测目标是否在观测卫星的观测范围内以及中继卫星和地面站是否在观测卫星的通信范围内，最终得到观测卫星、中继卫星、地面站和观测目标两两之间的可见情况。

如图3所示，可见情况主要分为四类：

第一类为观测目标与观测卫星之间的可见情况，包括ob₁-os₁，ob₁-os₂，ob₂-os₁，ob₂-os₂这四种，其中ob₁-os₁的可见情况为观测卫星os₁在第1个时隙和第2个时隙可以看见待观测目标ob₁，在第3个时隙和第4个时隙不可见；ob₁-os₂的可见情况为观测卫星os₂在第4个时隙可以看见待观测目标ob₁，在第1个、第2个和第3个时隙不可见；ob₂-os₁的可见情况为观测卫星os₁在第2个和第3个时隙可以看见待观测目标ob₂，在第1个和第4个时隙不可见；ob₂-os₂的可见情况为观测卫星os₂在第1个和第2个时隙可以看见待观测目标ob₂，在第3个和第4个时隙不可见；

第二类为观测卫星与中继卫星之间的可见情况，包括os₁-rs₁，os₂-rs₁这两种，其中os₁-rs₁的可见情况为观测卫星os₁在第3个和第4个时隙可以看见中继卫星rs₁，在第1个和第2个时隙不可见；os₂-rs₁的可见情况为观测卫星os₂在第1个、第2个和第3个时隙可以看见中继卫星rs₁，在第4个时隙不可见；

第三类为观测卫星与地面站之间的可见情况，包括os₁-gs₁，os₂-gs₁这两种，其中os₁-gs₁的可见情况为观测卫星os₁在所有时隙均看不见地面站gs₁；os₂-gs₁的可见情况为观测卫星os₂在第4个时隙可以看见地面站gs₁，在第1个、第2个和第3个时隙不可见；

第四类为中继卫星与地面站之间的可见情况为rs₁-gs₁这一种，且rs₁-gs₁的可见情况为中继卫星rs₁在所有时隙均可以看见地面站gs₁。

步骤4，绘制一幅资源时变图，表征网络中的观测、存储和传输资源。

(4a)初始化一张空白的4层有向图，如图4(a)所示；

(4b)添加资源时变图中的顶点，如图4(b)所示：

(4b1)在资源时变图中添加观测卫星顶点以顶点为例，其位于资源时变图的第1层，表示在第1个时隙中的观测卫星os₁；

(4b2)在资源时变图中添加中继卫星顶点以顶点为例，其位于资源时变图的第1层，表示在第1个时隙中的中继卫星rs₁；

(4b3)在资源时变图中添加地面站顶点以顶点为例，其位于资源时变图的第1层，表示在第1个时隙中的地面站gs₁；

(4b4)在资源时变图中添加待观测点顶点以顶点为例，其位于资源时变图的第1层，表示在第1个时隙中的待观测点ob₁；

(4c)添加资源时变图中的弧，如图4(c)所示：

(4c1)在资源时变图中添加观测弧 这些观测弧的容量均为rc·τ，以观测弧为例，其表示观测卫星os₁在第1个时隙能够观测到待观测点ob₁，且其能够观测到的数据至多为rc·τ；

(4c2)在资源时变图中添加三种存储弧：

在资源时变图中添加观测存储弧 其中每个观测存储弧容量为bo；以观测存储弧为例，其表示在t＝τ时刻观测卫星os₁至多能够存储的数据量为bo；

在资源时变图中添加中继存储弧其中每个中继存储弧容量为br；以中继存储弧为例，其表示在t＝τ时刻观测卫星rs₁至多能够存储的数据量为br；

在资源时变图中添加地面站存储弧其中每个地面站存储弧容量为bg；以地面站存储弧为例，其表示在t＝τ时刻观测卫星gs₁至多能够存储的数据量为bg。

(4c3)在资源时变图中添加三种传输弧：

在资源时变图中添加观测-中继传输弧 其中每个观测-中继传输弧容量为rt·τ；以观测-中继传输弧为例，其表示在第3个时隙观测卫星os₁到中继卫星rs₁的链路至多能够传输的数据量为rt·τ；

在资源时变图中添加观测-地面站传输弧其中每个观测-地面站传输弧容量为rg·τ；观测-地面站传输弧表示在第4个时隙观测卫星os₂到地面站gs₁的链路至多能够传输的数据量为rg·τ；

在资源时变图中添加中继-地面站传输弧其中每个中继-地面站传输弧容量为rr·τ；以中继-地面站传输弧为例，其表示在第1个时隙中继卫星rs₁到地面站gs₁的链路至多能够传输的数据量为rr·τ。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于时变图的空间信息网络资源表征方法，其特征在于：

(1)初始化待表征空间信息网络的观测卫星集合OS＝{os₁,os₂,...,os_n,...}，中继卫星集合RS＝{rs₁,rs₂,...,rs_n,...}，地面站集合GS＝{gs₁,gs₂,...,gs_n,...}，待观测目标集合OB＝{ob₁,ob₂,...,ob_n,...}，其中os_n表示第n颗观测卫星，rs_n表示第n颗中继卫星，gs_n表示第n个地面站，ob_n表示第n个观测目标；

(2)将待表征空间信息网络的规划周期T划分为M个等长的时间间隔，每个时间间隔的长度为τ＝T/M；

(3)根据星历表中星体的运动轨迹，计算观测目标是否在观测卫星的观测范围内以及中继卫星和地面站是否在观测卫星的通信范围内；

(4)绘制一幅资源时变图，表征网络中的观测、存储和传输资源：

(4a)初始化一张空白的M层有向图，其中的时隙用k表示，k∈1,2,…,M(4b)添加资源时变图中的顶点：

(4b1)遍历观测卫星集合OS中所有的观测卫星，每一观测卫星os_n∈OS，在资源时变图中添加观测卫星顶点其中顶点位于资源时变图的第k层，表示在第k个时隙中的观测卫星os_n；

(4b2)遍历中继卫星集合RS中所有的中继卫星，每一中继卫星rs_n∈RS，在资源时变图中添加中继卫星顶点其中顶点位于资源时变图的第k层，表示在第k个时隙中的中继卫星rs_n；

(4b3)遍历地面站集合GS中所有的地面站，每一地面站gs_n∈GS，在资源时变图中添加地面站顶点其中顶点位于资源时变图的第k层，表示在第k个时隙中的地面站gs_n；

(4b4)遍历待观测目标集合OB中所有的待观测点，每一待观测点ob_n∈OB，在资源时变图中添加待观测点顶点其中顶点位于资源时变图的第k层，表示在第k个时隙中的待观测点ob_n；

(4c)在资源时变图中添加观测弧、存储弧和传输弧，以从空间和时间两个维度上表征观测、存储和传输三种资源。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(3)计算观测目标是否在观测卫星的观测范围内以及中继卫星和地面站是否在观测卫星的通信范围内，通过使用卫星工具包STK计算得到。

3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(4c)中在资源时变图中添加观测弧、存储弧和传输弧，按如下步骤进行：

(4c1)添加观测弧，即对于每一观测卫星os_j和待观测点ob_i，若在第k个时隙观测卫星os_j可以看见待观测点ob_i，则在资源时变图中添加观测弧其中观测弧的容量为rc_j为观测卫星os_j的观测速率，k＝1,2,…,M；j为观测卫星编号，变化范围：1≤j≤|OS|，|OS|为观测卫星集合OS中观测卫星的个数，i为待观测点编号，1≤i≤|OB|，|OB|为待观测目标集合OB中待观测目标的个数；

(4c2)添加存储弧，包括观测存储弧、中继存储弧和地面站存储弧三类：

对于观测卫星os_n∈OS，在资源时变图中添加观测存储弧

对于中继卫星rs_n∈RS，在资源时变图中添加中继存储弧

对于地面站gs_n∈GS，在资源时变图中添加地面站存储弧

其中观测存储弧的容量为观测卫星os_n在第k个时隙和第k+1个时隙的分界时刻的存储空间大小；中继存储弧的容量为中继卫星rs_n在第k个时隙和第k+1个时隙的分界时刻的存储空间大小；地面站存储弧的容量为地面站gs_n在第k个时隙和第k+1个时隙的分界时刻的存储空间大小，k＝1,2,…,M-1；

(4c3)添加传输弧，包括观测-中继传输弧、观测-地面站传输弧和中继-地面站传输弧三类：

对于每一观测卫星os_i和中继卫星rs_j，若在第k个时隙观测卫星os_i可以看见中继卫星rs_j，则在资源时变图中添加观测-中继传输弧

对于每一观测卫星os_i和地面站gs_j，若在第k个时隙观测卫星os_i可以看见地面站gs_j，则在资源时变图中添加观测-地面站传输弧

对于每一中继卫星rs_i和地面站gs_j，若在第k个时隙中继卫星rs_i可以看见地面站gs_j，则在资源时变图中添加中继-地面站传输弧

其中观测-中继传输弧的容量为rt_i为观测卫星os_i到中继卫星的链路的传输速率；观测-地面站传输弧的容量为rg_i为观测卫星os_i到地面站的链路的传输速率；中继-地面站传输弧的容量为：

rr_i为中继卫星rs_i到地面站的链路的传输速率，k＝1,2,…,M。