CN106792946B - 卫星网络中一种面向快速终端的自适应切换方法 - Google Patents

卫星网络中一种面向快速终端的自适应切换方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了卫星网络中一种面向快速终端的自适应切换方法，属于卫星通信技术领域。所述方法包括寻找可视卫星、构建二维移动模型并逐一计算每颗可视卫星的剩余服务时长、选择有空闲信道资源的剩余服务时长最长的可视卫星作为目标卫星、与新目标卫星建立通信链路的步骤。本发明提出的二维移动模型，不依赖用户的历史运动数据，因此不需要很大的存储空间；新提出的二维移动模型具有普适性，不仅适合于计算快速终端用户的剩余服务时长，还可以用于分析普通低速用户的剩余服务时长，满足两种类型用户的自适应切换需求；再者，提出的自适应切换策略不仅可以应用于单层卫星网络模型下，还可以用于双层卫星网络模型下，运动场景也更具有普适性。

Description

卫星网络中一种面向快速终端的自适应切换方法
技术领域
本发明属于卫星通信技术领域，具体涉及一种卫星网络中一种面向快速终端的自适应切换方法。
背景技术
在通信技术多元化发展的今天，卫星通信作为一种重要的通信方式，正发挥着越来越大的作用。卫星网络以其全球覆盖、组网灵活、抗干扰性强等优点，广泛应用于通信领域。LEO(Low Earth Oribit Satellite，低轨道卫星)以较小时延和低功耗等优点，正成为未来卫星移动通信系统的一个重要发展方向。目前卫星通信系统中的终端大多是慢速终端。但是，随着科技的发展，全球化趋势的加强以及一些特殊行业的需求，势必需要进行长距离的空间通信，这时就需要速度非常快(时速上千公里)的移动终端来服务，例如航空业中洲际间的飞机、航天中的宇宙飞船、军事上的飞机、导弹等。
在传统的关于LEO和用户终端之间的具有确定模型的移动卫星网络中，由于卫星覆盖区域内用户位置的不确定性和偶然性，导致对卫星网络中的相关参数估计值可靠性不高。参考文献[1](Younes Seyedi,Seyed Mostafa Safavi.On the Analysis of RandomCoverage Time in Mobile LEO Satellite Communications[J].IEEE COMMUNICATIONSLETTERS,2012,16(5):612-615.)提出了一种用于预估卫星对用户的覆盖时间的统计模型，在该模型下，提出了一种适用于卫星对普通低速终端剩余服务时长的有效的估计方法。该模型在设计关于用户和卫星的移动通信系统时，具有一定的指导意义。该文献指出，卫星对终端的服务时长是用户和卫星间仰角由最小值变为最大值所经历时间的2倍。
在参考文献[2](Wu Z,Hu G,Seyedi Y,et al.A simple real-time handovermanagement in the mobile satellite communication networks[C]//NetworkOperations and Management Symposium.2015)中，首先使用GPS设施完成用户终端和卫星位置信息的测量估计工作，推导出了LEO卫星对普通低速终端的剩余服务时长的实时估计值。然后，以低轨卫星移动通信系统和普通低速终端之间可视卫星集合中的每颗卫星为研究对象，计算出每一颗卫星对普通低速终端的实时剩余服务时长估计值，然后又根据得到的关于所有可视卫星的实时剩余服务时长的集合，找出剩余服务时长最大的那颗星，作为下一次将要切换的目标卫星。接下来，又对论文提出关于剩余服务时长的估计策略，做了仿真估计工作，仿真环境使用了低轨卫星通信系统中铱星网络通信系统，完成仿真与比较分析的工作。在仿真工作中，分别选取了不同的用户和卫星迹角值，将LEO卫星对普通低速终端的剩余服务时长估计值与实际剩余服务时长做比较工作，同时，对二者的差值随实际剩余服务时长的变化规律做了研究与仿真工作。论文根据实时的参数估计，自适应普通低速终端位置信息的切换策略。
然而，现阶段的相关文献大多针对普通低速终端，提出了LEO卫星对普通低速终端的剩余服务时长的估计值策略。但是，在实际通信业务中，面向快速终端业务呈现出愈来愈多，愈来愈复杂的趋势，研究一种面向快速终端的自适应切换技术具有重要的指导意义。
在卫星移动通信网络中，由于快速终端的高速运动和无线资源的有限性，随时随地保证用户的服务质量是很有挑战性的。如果能够预知用户的通信需求，获取有效的QOS会容易很多。运动是用户终端与生俱来的特性，它在网络通信的移动管理和转发服务保证通信可靠性方面，会带来相当大的开销。在实际通信当中，移动用户频繁地改变它与卫星网络的接入点，即切换；在保证用户通信可靠性方面，切换是一个关键性的因素。提出合理准确的运动模型，在保证快速终端的服务质量方面可以起到很重要的作用。
在过去十多年内，移动模型已经广泛地用在很多种类的无线网络中。首先分析终端的移动模型，提出可以预测用户移动特性的模型；根据用户的运动性评估或者预测用户未来的位置或者轨迹。常见的移动模型有随机步行、随机航路点、流体运动、马尔可夫过程的和基于规律性活动的模型。最简单的运动模型是随机步行和随机航路点模型，这些最初用于估计物理学中粒子不可预测的移动特性。其他的模型则用于预测用户的特性，例如用户运动路径的预测。由于用户的日常行程和运动模型的周期性等特点，许多研究学者都基于该理论定义预测用户移动性的模型。
用户移动预测模型的一个重要的应用领域是针对个别用户移动性的预测模型，一些基本的模型通过引入位置、方向、时间、和条件概率等因子。考虑到用户移动的规律性，基于用户运动的方向和时间，预测用户下一次移动性的条件概率，概率值最高的就是下一次移动。
然而，现阶段文献中的移动性预测模型具有(1)短暂性(比如说下一个小区)的用户移动性预测；(2)限制性的假设前提(例如，用户的运动遵循一定的特点)；(3)答案完全依赖于个别用户的历史运动特性；(4)需要很大的存储空间，开销大等特点。
发明内容
本发明为了提高剩余服务时长的准确度，减少用户通信过程中的切换次数，提高整个卫星网络通信网络系统性能，提出一种卫星网络中一种面向快速终端的自适应切换方法。
本发明结合快速终端的速度、位置、高度等信息，给出一种针对快速终端的二维移动模型，该二维移动模型不依赖快速终端的历史运动信息，所以不需要存储大量数据；不需要对快速终端的移动性做出给定的假设，可以根据快速终端的实时信息，估计快速终端的移动参数和切换参数；可以对快速终端的长期性运动给出相应的估计和预测。
本发明提供一种卫星网络中一种面向快速终端的自适应切换方法，包括两种切换场景，分别为LEO－飞行器切换场景和GEO－LEO切换场景，对于第一个LEO－飞行器切换场景，所述的飞行器作为快速终端，对于第二个GEO－LEO切换场景，LEO卫星作为快速终端，所述自适应切换方法包括如下步骤：
第一步，寻找可视卫星：当快速终端在执行任务的过程中，到达当前服务卫星的覆盖区域边缘处时，为了保证快速终端的持续通信不发生中断，需判断有没有卫星覆盖当前快速终端，如果有卫星覆盖快速终端，则称该卫星为可视卫星，执行第二步至第五步；如果没有卫星覆盖快速终端，那么卫星－快速终端通信中断。
第二步，构建二维移动模型并运算可视卫星的剩余服务时长：快速终端向一颗可视卫星发起切换请求之前，通过GPS设施提供的PNT服务获取快速终端和可视卫星的经纬度信息，构建关于卫星－快速终端的二维移动模型，在该二维移动模型下计算可视卫星和快速终端的迹角、快速终端－卫星的仰角等实时信息，同时推导并计算出当前二维移动模型中可视卫星的剩余服务时长。
第三步，逐一计算每颗可视卫星的剩余服务时长：判断是否计算完所有可视卫星的剩余服务时长，如果没有计算完，则选择下一颗可视卫星；同时，重新构建卫星－快速终端的二维移动模型，在新构建的二维移动模型下，计算该颗可视卫星的剩余服务时长。
第四步，选择剩余服务时长最长的可视卫星作为目标卫星：当计算完所有可视卫星的剩余服务时长时，从可视卫星集合中选取有空闲信道资源且剩余服务时长最长的那颗可视卫星，并把该颗可视卫星作为下一颗目标卫星。
第五步，与新目标卫星建立通信链路：目标卫星为快速终端分配信道资源，建立通信连接；快速终端释放原服务卫星的信道资源，旧的通信链路断开；完成整个卫星－快速终端通信的切换过程。快速终端在新目标卫星的覆盖下，完成通信业务服务。
本发明的优点在于：
(1)本发明将卫星网络中传统意义上的一维模型改成了二维模型，同时建立相应的二维空间移动模型。这样做的益处在于，考虑到了快速终端的速度矢量(大小和方向)、位置等实时信息，能够更精确地计算卫星对快速终端的剩余服务时长。从而可以减少快速终端持续通信过程中所需的卫星间切换次数，提高整个卫星通信网络的性能，对卫星网络中无限资源分配和利用也能起到优化的作用。
(2)本发明引入快速终端实时变化的速度矢量和位置信息，便于整个卫星通信系统的实时分析计算。这样做的好处可以减少因预算错误引起的错误切换，同时降低用户终端和卫星间的切换失败率；优化卫星网络中无线资源的分配和利用。
(3)本发明提出的在卫星网络中二维移动模型，具有不依赖用户的历史运动数据；不再需要存储很大的历史数据，因此不需要很大的存储空间；新提出的二维移动模型具有普适性，不仅适合于计算快速终端用户的剩余服务时长，还可以用于分析普通低速用户的剩余服务时长，满足两种类型用户的自适应切换需求；再者，提出的自适应切换策略不仅可以应用于单层卫星网络模型下，还可以用于双层卫星网络模型下，运动场景也更具有普适性。
附图说明
图1是本发明中二维模型下的场景示意图。
图2是本发明中LEO卫星和快速终端的几何关系分析图。
图3是本发明中GEO和LEO高动态场景。
图4是本发明的面向快速终端的自适应切换方法流程图。
图5采用原切换策略的LEO－快速终端场景下，预测剩余服务时长、实际剩余服务时长及两者差值变化关系图。
图6本发明新的自适应切换策略的LEO－快速终端场景下，预测剩余服务时长、实际剩余服务时长及两者差值变化关系图。
图7原切换策略的GEO－LEO场景下，预测剩余服务时长、实际剩余服务时长及两者差值变化关系图。
图8本发明新的自适应切换策略的GEO－LEO场景下，预测剩余服务时长、实际剩余服务时长及两者差值变化关系图。
图9 LEO－快速终端场景下本发明新的自适应切换策略与原切换策略切换次数变化关系图。
图10 GEO－LEO场景下本发明新的自适应切换策略与原切换策略切换次数变化关系图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供一种卫星网络中一种面向快速终端的自适应切换方法。所述的快速终端可以是飞行器或者是任意一颗LEO卫星，快速终端的移动速度为1000km/h以上。所述的自适应切换方法在LEO－飞行器切换场景下进行，飞行器作为快速终端，与不同的LEO卫星切换通信；或在GEO－LEO切换场景下进行，LEO作为快速终端，与不同的GEO卫星切换通信。
首先，以LEO卫星－飞行器(快速终端)切换场景为基础，抽象数学问题，并构建相关的数学模型，具体方法如下：
如图1和图2所示，假定所研究的卫星S都是轨道倾角为i、高度为h的圆轨道卫星，快速终端T即飞行器的飞行高度为h1(距离地面的高度)，从快速终端T到卫星S的仰角为θ(t)，当前快速终端T到卫星S的星下点弧距γ(t),地球半径为Re。卫星覆盖区域内的快速终端记为T。以地心O为球心，半径为Re+h1的球面记为B。
通过引入二维移动模型，分析自适应快速终端的剩余服务时长切换准则。如图1所示，卫星、快速终端依次记为S、T，把快速终端速度记为vt，然后对vt进行正交分解，分解后的速度一个记为vx(沿卫星运动方向)，另一个速度记为vy(垂直卫星运动方向)，其中vx和vt的夹角记为j，表示卫星运动方向与快速终端运动方向的夹角。vx分量对应的角速度为ωtx＝vx/(Re+h1)。在该二维移动模型中，综合考虑卫星的速度和快速终端的速度，快速终端速度大多在1000km/h以上，远大于慢速终端的速度，故其速度不可忽略。
基于快速终端和卫星的高速运动，卫星覆盖区在球面B上高速移动；X轴的切换由卫星和快速终端的运动引起；Y轴的切换由快速终端的运动引起；X轴的切换和Y轴的切换共同决定了快速终端和卫星间下次切换的位置和时刻。如图1和图2所示，快速终端和卫星之间的仰角记为θ(t)，γm表示卫星－快速终端的迹角，即是快速终端到卫星星下点轨迹最短的弧距；θc是快速终端和卫星间的最小仰角。
在地球中心固定(Earth Center Fixed，ECF)系统中，是辅助角，ωs是卫星的角速度，ωt是快速终端的角速度，则有，
γm(t)表示t时刻卫星－快速终端的迹角。
如图2，H表示卫星S在球面B上的星下点，引入辅助点Q，γm表示快速终端的迹角，根据余弦定律有：
由式(1)知，
由式(2)知，γm(t)＝tωtsinj+γm0 (5)
其中，为辅助角在0时刻的初始值，γm0为0时刻的卫星-快速终端的迹角，也称快速终端到卫星星下点轨迹的弧距取最小值。
这里，假定在t＝0时，即一颗卫星刚进入快速终端视野的时刻，有辅助角快速终端和可视卫星的迹角γm(t)在t＝0时的取值分别为γm(0)＝γm0。
由式(3)可得，
又根据图1中所示的场景模型和几何关系有，
(Re+h)cos(γ(t)+θ(t))＝(Re+h1)cosθ(t) (7)
由式(7)得
由式(8)得
当卫星开始出现在快速终端的视野中时，即t＝0时刻，有下列等式成立：
(Re+h)cos(γ0+θc)＝(Re+h1)cosθc (10)
其中，γ0为快速终端和服务卫星之间的仰角最小时对应的地球中心角(即在图1中γ(t)在t＝0时刻的取值)。
在t＝0时刻，在使用GPS设施可提供的PNT服务(Positioning，Navigation andTiming)，分别获取卫星和快速终端的经纬度位置信息，其中卫星的经纬度是(λs，ηs),快速终端的经纬度(λTηT)。
假定有
那么，快速终端到可视卫星星下点轨迹的最小弧距，即快速终端和该颗卫星的“迹角”，其在0时刻的初始值表示为：
γm0＝Min{2sin-1(Δ)} (13)
根据上述可得每个快速终端对卫星的仰角θ(t)表示为：
第n颗卫星对当前快速终端总的服务时长用tcn表示；从当前快速终端与服务卫星建立连接并通信开始，经过th的时长，快速终端往下一颗目标卫星发起切换请求；当快速终端与目标卫星发生切换时，即在th时刻，在当前系统环境下，假定有N颗卫星对当前快速终端进行覆盖，也就是说，这种情况下快速终端有N种方案完成星间切换；N等于多少，就有多少颗卫星对该快速终端覆盖，该快速终端就有多少种方案可以用于完成下一步的星间切换。
当快速终端和卫星通信过程中，当前快速终端和服务卫星之间的仰角最小时，所对应的地球中心角记为γ0。
其中,
ω＝(ωs-ωtcosj)/2，γmn表示第n颗可视卫星的迹角(即快速终端到卫星星下点轨迹最短的弧距)，N表示可视卫星颗数。
又根据式(7)和式(13)，可以得到快速终端到第n颗可视卫星的星下点弧距：
对于所述的快速终端，假设第n颗卫星可见，经过tsn时间，快速终端和卫星间的仰角变为θn(t)，再结合式(6)和式(14)可得：
γn(t)＝cos-1{cos[(ωs-ωtcosj)tsn+ωtcn]cos[ωttsnsinj+γm0]} (17)
tcn＝trn+tsn (18)
γn(t)＝cos-1{cos[(ωs-ωtcosj)(tcn-trn)+ωtcn]cos[ωt(tcn-trn)sinj+γm0]} (19)
由式(19)可以计算出满足条件的自适应快速终端的卫星剩余服务时长trn。
然后，选择切换目的卫星。通过比较获取的可见卫星剩余服务时长集合中，选取剩余服务时长值最大且有空闲信道资源的那颗卫星，并把它当作下一颗要接入的目标卫星，即，
目标卫星＝argMax{trn} (20)
当快速终端的高度h1接近零，快速终端速度减小(降为普通低速终端速度量级)时，该二维移动模型就会降级为面向普通低速终端的一维模型。
在卫星通信系统中，由于只利用单层的LEO卫星组成的卫星通信网络具有距离短、传输时延短、路径传输损耗小的优点；但是整个卫星通信网络欲实现全球覆盖需要众多卫星共同完成，往往由多达数十颗乃至数百颗卫星共同完成；这就决定了其卫星网络模型设计是非常复杂的，同时，在快速终端的持续通信过程中，势必要进行频繁的切换，切换失败率和切换次数等任何一个切换指标都关系着整个卫星网络的通信性能指标。GEO卫星通信系统技术现阶段已相当成熟，多普勒频移小、只用几颗卫星就可以实现全球无缝覆盖；再者，满足同样的通信需求时，需要进行的卫星间切换次数更少；但是有传输时延大、传输信号损耗大等显著的缺点。基于上述研究事实，近年来，具有星际链路ISL(Inter-SatelliteSL Link)的多层卫星网络模型日益成为众多卫星学者研究的热点。多层卫星通信网络模型融合了低轨道卫星和高轨道卫星的优点，既可以做到通信时延小、通信链路信号衰减小，又有地球同步轨道卫星GEO(Geostationary Earth Orbit Satellite)链路结构稳定的特点，它为卫星间的通信技术的发展提供强有力的支撑，具有很高的研究价值。接下来，在双层卫星网络通信模型的场景中，采用本发明提出的面向快速终端的自适应切换方法，仿真并研究分析相关切换参数。
所述的双层卫星网络通信模型，由GEO和LEO共同构成，GEO卫星相对地球是静止的，LEO相对地球做高速运动；LEO是做高动态的快速终端。运动场景选取地球为参照物，考虑GEO和地球相对静止的特性，等价于以GEO卫星为参照物。GEO卫星和快速终端之间的移动模型场景如图3所示，T表示LEO卫星高动态快速终端，S表示GEO高轨卫星，h2表示LEO卫星的运行高度，h表示GEO卫星的运行高度，记以地心为球心，Re+h2为半径的球面为B1。γm表示快速终端和GEO卫星间的迹角，是辅助角，γ(t)是LEO卫星到GEO卫星的弧距，H是GEO卫星在球面B1上星下点，Q是辅助点。此时，在该双层卫星网络通信模型中，基于LEO卫星和GEO卫星，构建二维移动模型。
实施例1：LEO(低轨道卫星)对快速终端用户、GEO卫星对LEO卫星的剩余服务时长的预测和分析的准确性，关系着整个卫星网络通信系统所采用的切换策略的性能指标，也关系到整个卫星通信系统的切换性能指标。下面，针对上述提出的关于覆盖星的剩余服务时长的预测及分析方法，进行仿真。
系统仿真参数如下所示：快速终端速度是3马赫(1.02千米每秒)，其飞行高度是35km；快速终端平均通信时长服从指数分布；关于LEO/GEO卫星通信系统和快速终端的详细参数见表1～表3所示：
表1快速终端飞行器的仿真参数
快速终端类型 低空飞行器
飞行高度 35千米
速度 3马赫(1.02km/s)
航线 北京－马德里
表2 LEO卫星的仿真参数
轨道高度 1414千米
轨道倾角 52度
轨道周期 114min
轨道平面数 8个
每个轨道上的卫星数 6个
用户同时可视卫星数 2-4颗
表3 GEO卫星的仿真参数
GEO 纬度 高度(千米)
1 东径63.88度 35786
2 西径15.48度 35786
3 东径178.12度 35786
4 西径53.97度 35786
采用本发明提供的基于二维模型的面向快速终端的切换策略，分别研究可视卫星对快速终端的实际剩余服务时长、可视卫星对快速终端的预测剩余服务时长以及两者的差值。
如图4所示，按照上述表1～3给出的仿真参数来描述自适应切换策略的实现过程：
步骤1-寻找LEO可视卫星：全球星卫星网络通信系统和飞行器通信过程中，全球星星座中的一颗LEO卫星和飞行器建立通信连接；由于LEO卫星和飞行器之间存在着高速的相对运动，当飞行器(用户终端)在执行任务的过程中，到达当前服务卫星的覆盖区域边缘处时，为了保证用户终端的持续通信不发生中断，需判断有没有卫星覆盖当前用户终端，如果有卫星覆盖用户终端，执行步骤2-步骤5；如果没有卫星覆盖用户终端，那么卫星－快速终端通信中断。
步骤2-构建二维移动模型并运算可视性剩余服务时长：通过GPS设施提供的PNT服务获取用户终端和可视卫星的经纬度信息，构建关于卫星－用户终端的二维运动模型，在该二维运动模型下计算卫星和用户终端的迹角、用户终端－卫星的仰角等实时信息，同时推导并计算出二维模型中的可视卫星剩余服务时长。
步骤3-逐一计算每颗覆盖星的剩余服务时长：判断是否计算完所有可视卫星的剩余服务时长，如果没有计算完，则选择下一颗可视卫星；同时，重新构建卫星－终端的二维运动模型，在新构建的二维模型下，计算该颗可视卫星对终端的剩余服务时长。
步骤4-选择剩余服务时长最长的卫星作为目标卫星：当计算完所有可视卫星的剩余服务时长时，从可视卫星集合中选取有空闲信道资源且剩余服务时长最长的那颗卫星，并把该颗星作为下一颗目标服务卫星。
步骤5-与新目标卫星建立通信链路：新目标卫星为用户终端飞行器分配信道资源，建立通信连接，用户终端飞行器释放原服务卫星的信道资源，旧的通信链路断开；完成整个卫星－飞行器通信的切换过程。快速终端在新卫星的覆盖下，完成通信服务。
关于GEO星座和LEO快速终端的通信的切换过程如下：
步骤1-寻找GEO可视卫星：GEO卫星网络通信系统和LEO快速终端的通信过程中，GEO星座中的一颗GEO卫星和LEO卫星建立通信连接；由于GEO卫星和LEO卫星之间存在着高速的相对运动，当LEO卫星在运动过程中，到达当前GEO服务卫星的覆盖区域边缘处时，为了保证LEO卫星终端的持续通信不发生中断，需判断有没有GEO卫星覆盖当前终端，如果有GEO卫星覆盖终端，执行步骤2-步骤5；如果没有GEO卫星覆盖终端，那么GEO卫星－LEO卫星终端通信中断。
步骤2-构建二维移动模型并运算可视性剩余服务时长：通过GPS设施提供的PNT服务获取LEO终端和可视GEO卫星的经纬度信息，构建关于GEO卫星－LEO终端的二维运动模型，在该二维运动模型下计算GEO卫星和LEO用户终端的迹角、仰角等实时信息，同时推导并计算出二维模型中的可视卫星的剩余服务时长。
步骤3-逐一计算每颗GEO覆盖星的剩余服务时长：判断是否计算完所有可视GEO卫星的剩余服务时长，如果没有计算完，则选择下一颗GEO可视卫星；同时，重新构建GEO卫星－LEO卫星终端的二维运动模型，在新构建的二维模型下，计算该颗可视卫星对快速终端的剩余服务时长；
步骤4-选择剩余服务时长最长的GEO卫星作为目标卫星：当计算完所有GEO可视卫星的剩余服务时长时，从可视卫星集合中选取有空闲信道资源且剩余服务时长最长的那颗GEO卫星，并把该颗星作为下一颗目标服务卫星。
步骤5-与新GEO目标卫星建立通信链路：GEO卫星给用户终端LEO卫星分配信道资源，建立通信连接；快速终端释放原服务卫星的信道资源，旧的通信链路断开；完成整个GEO卫星－LEO卫星通信的切换过程。用户终端在新GEO卫星的覆盖下，完成通信服务。
仿真结果分析：
如图5所示，在LEO卫星－飞行器业务场景下，虚线表示采用参考文献[2]卫星切换策略得到预测剩余服务时长变化趋势图，还反映该策略下预测剩余服务时长和实际剩余服务时长的相互关系及变化规律；实线表示采用参考文献[2]切换策略时，预测剩余服务时长和实际剩余服务时长之间的差值及其随实际剩余服务时长的变化规律，两者的值差值较大。
如图6所示，在LEO卫星－飞行器业务场景下，采用本发明的自适应快速终端的切换策略时，卫星对用户的预测剩余服务时长和实际剩余服务时长及二者差值间的变化规律；虚线表示采用提出的自适应切换策略时，预测剩余服务时长随实际剩余服务时长的变化趋势图，实线表示采用提出的自适应切换策略时，预测剩余服务时长和实际剩余服务时长之间的差值及其随实际剩余服务时长的变化规律。显然，相比原切换策略，采用新的自适应切换策略时，可以更好地估计卫星对快速终端的剩余服务时长，两服务时长的差值减少了。
如图7所示，采用原切换策略在GEO－LEO切换场景下，GEO对LEO的预测剩余服务时长、实际剩余服务时长及两者差值之间的变化规律。虚线表示采用原切换策略时，预测剩余服务时长随实际剩余服务时长的变化趋势图，实线表示采用原切换策略时，预测剩余服务时长和实际剩余服务时长之间的差值及其随实际剩余服务时长的变化规律。在该业务场景下，构建移动模型，仿真结果中两服务时长差值较大。
如图8所示，采用本发明提出的自适应切换策略在GEO－LEO切换场景下，GEO对LEO的预测剩余服务时长、实际剩余服务时长及两者差值之间的变化规律。虚线表示采用提出的自适应切换策略时，预测剩余服务时长随实际剩余服务时长的变化趋势图，实线表示采用提出的自适应切换策略时，预测剩余服务时长和实际剩余服务时长之间的差值及其随实际剩余服务时长的变化规律。在该业务场景下，构建二维移动模型，与图7相比，仿真结果中两服务时长差值减小，说明本发明的自适应切换策略的有效性。
如图9所示，在LEO－快速终端场景下，采用原切换策略与本发明的切换策略时，快速终端和LEO之间所发生的星间切换次数随通信时间的变化关系。虚线表示采用原切换策略时，切换次数随通信时长的变化关系；实线表示采用提出的自适应切换策略时，切换次数随通信时长的变化关系；显然，在相同的通信时间内，本发明的自适应切换策略可有效减少所需切换次数。
如图10所示，在GEO－LEO场景下，采用原切换策略与本发明的切换策略时，GEO和LEO之间所发生的星间切换次数随通信时间的变化关系。虚线表示采用原切换策略时，切换次数随通信时长的变化关系；实线表示采用本发明提出的自适应切换策略时，切换次数随通信时长的变化关系。显然，在该业务场景下，在相同的通信时间内，与采用原切换策略时的切换次数相比，采用新的面向快速终端的自适应切换策略时，星间切换次数减少了。

Claims (4)

1.卫星网络中一种面向快速终端的自适应切换方法，其特征在于：所述自适应切换方法包括如下步骤：
第一步，寻找可视卫星：当快速终端在执行任务的过程中，到达当前服务卫星的覆盖区域边缘处时，为了保证快速终端的持续通信不发生中断，需判断有没有卫星覆盖当前快速终端，如果有卫星覆盖快速终端，则称该卫星为可视卫星，执行第二步至第五步；如果没有卫星覆盖快速终端，那么卫星-快速终端通信中断；
第二步，构建二维移动模型并运算可视卫星的剩余服务时长：快速终端向一颗可视卫星发起切换请求之前，通过GPS设施提供的PNT服务获取快速终端和可视卫星的经纬度信息，构建关于卫星-快速终端的二维移动模型，在该二维移动模型下计算可视卫星和快速终端的迹角、快速终端-卫星的仰角实时信息，同时推导并计算出当前二维移动模型中可视卫星的剩余服务时长；
第三步，逐一计算每颗可视卫星的剩余服务时长；
第四步，选择有空闲信道资源且剩余服务时长最长的可视卫星作为目标卫星：当计算完所有可视卫星的剩余服务时长时，从可视卫星集合中选取有空闲信道资源且剩余服务时长最长的那颗可视卫星，并把该颗可视卫星作为下一颗目标卫星；
第五步，与新目标卫星建立通信链路：新的目标卫星为快速终端分配信道资源，建立通信连接；快速终端释放原服务卫星的信道资源，旧的通信链路断开；完成整个卫星-快速终端通信的切换过程；快速终端在新目标卫星的覆盖下，完成通信业务服务；
所述的可视卫星的剩余服务时长，通过如下方法获得：
建立卫星-快速终端二维移动模型：假定卫星S都是轨道倾角为i、高度为h的圆轨道卫星，快速终端T即飞行器的飞行高度为h1，从快速终端T到卫星S的仰角为θ(t)，当前快速终端T到卫星S的星下点弧距γ(t)，地球半径为Re，卫星覆盖区域内的快速终端记为T，以地心O为球心，半径为Re+h1的球面记为B；把快速终端速度记为vt，然后对vt进行正交分解，分解后的速度一个记为vx，vx方向沿卫星运动方向，另一个速度记为vy，vy方向垂直卫星运动方向，其中vx和vt的夹角记为j，vx分量对应的角速度为ωtx＝vx/(Re+h1)；γm表示卫星-快速终端的迹角，即是快速终端到卫星星下点轨迹最短的弧距；是辅助角，ωs是卫星的角速度，ωt是快速终端的角速度；根据该二维移动模型，有，
γm(t)表示t时刻卫星-快速终端的迹角；
根据余弦定律有：
由式(1)知，
由式(2)知，γm(t)＝tωtsinj+γm0 (5)
其中，为辅助角在0时刻的初始值，γm0为0时刻的可视卫星-快速终端的迹角；
假定在t＝0时，即一颗卫星刚进入快速终端视野的时刻，有辅助角快速终端和可视卫星的迹角γm(t)在t＝0时的取值分别为γm(0)＝γm0；
由式(3)得，
又根据二维场景模型和几何关系有，
(Re+h)cos(γ(t)+θ(t))＝(Re+h1)cosθ(t) (7)
由式(7)得
由式(8)得
当卫星开始出现在快速终端的视野中时，即t＝0时刻，有下列等式成立：
(Re+h)cos(γ0+θc)＝(Re+h1)cosθc (10)
其中，γ0为快速终端和服务卫星之间的仰角最小时对应的地球中心角；
在t＝0时刻，使用GPS分别获取卫星和快速终端的准确的经纬度位置信息，其中卫星的经纬度是(λs，ηs)，快速终端的经纬度(λT，ηT)；
假定有那么，快速终端到可视卫星星下点轨迹的弧距取最小值时，该最小弧距记为快速终端和该颗卫星的“迹角”，其在0时刻的初始值表示为：
γm0＝Min{2sin-1(Δ)} (13)
根据上述得每个快速终端对可视卫星的仰角θ(t)为：
第n颗卫星对当前快速终端总的服务时长用tcn表示；从当前快速终端与服务卫星建立连接并通信开始，经过th的时长，快速终端往下一颗目标卫星发起切换请求；当快速终端与目标卫星发生切换时，即在th时刻，假定有N颗卫星对当前快速终端进行覆盖；
当快速终端和卫星通信过程中，当前快速终端和服务卫星之间的仰角最小时，所对应的地球中心角记为γ0；其中，
ω表示(ωs-ωtcosj)/2，γmn表示第n颗可视卫星的迹角，N表示快速终端的可视卫星颗数；又根据式(7)和式(13)，得到快速终端用户到第n颗可视卫星的星下点弧距：
对于所述的快速终端，假设第n颗卫星可见，经过tsn时间，快速终端和卫星间的仰角变为θn(t)，再结合式(6)和式(14)得：
γn(t)＝cos-1{cos[(ωs-ωtcosj)tsn+ωtcn]cos[ωttsnsinj+γm0]} (17)
tcn＝trn+tsn (18)
γn(t)＝cos-1{cos[(ωs-ωtcosj)(tcn-trn)+ωtcn]cos[ωt(tcn-trn)sinj+γm0]} (19)
由式(19)计算出满足条件的自适应快速终端的卫星剩余服务时长trn。
2.根据权利要求1所述的卫星网络中一种面向快速终端的自适应切换方法，其特征在于：所述的可视卫星，对于LEO-快速终端切换场景，快速终端为飞行器，可视卫星为LEO卫星；对于GEO-LEO切换场景，可视卫星为GEO卫星，快速终端为LEO卫星。
3.根据权利要求1所述的卫星网络中一种面向快速终端的自适应切换方法，其特征在于：所述的自适应切换方法的切换场景为卫星-快速终端，则自适应切换方法包括如下步骤：
步骤1-寻找LEO可视卫星：如果有卫星覆盖用户终端，执行步骤2-步骤5；如果没有卫星覆盖用户终端，那么卫星-快速终端通信中断；
步骤2-构建二维移动模型并运算可视星剩余服务时长；
步骤3-逐一计算每颗覆盖星的剩余服务时长；
步骤4-选择剩余服务时长最长的卫星作为目标卫星；
步骤5-与新目标卫星建立通信链路，快速终端在新可视卫星的覆盖下，完成通信服务。
4.根据权利要求1所述的卫星网络中一种面向快速终端的自适应切换方法，其特征在于：所述的自适应切换方法的切换场景为GEO星座-LEO快速终端，则自适应切换方法包括如下步骤：
步骤1-寻找GEO可视卫星，如果有GEO卫星覆盖终端，执行步骤2-步骤5；如果没有GEO卫星覆盖终端，那么GEO卫星-LEO卫星终端通信中断；
步骤2-构建二维移动模型并运算可视星剩余服务时长；
步骤3-逐一计算每颗GEO覆盖星的剩余服务时长；
步骤4-选择有空闲信道资源且剩余服务时长最长的GEO卫星作为目标卫星；
步骤5-与新GEO目标卫星建立通信链路，在新GEO卫星的覆盖下，完成通信服务。
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