CN107086888A - 一种双层混合卫星网络优化设计及其覆盖性能评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种双层混合卫星网络优化设计及覆盖性能评估方法，属于无线通信技术领域。在该设计方案中，针对单层卫星网络抗毁能力差、处理时延高以及三层卫星网络管理复杂、链路冗余度高等问题，结合“最差观察点”以及“覆盖带”理论，分别采用Walker星座和极轨星座对MEO和LEO卫星进行了组网分析和星座设计，提出了一种适合我国纬度范围的双层混合卫星网络优化设计方案；此外，针对传统卫星覆盖性能指标不能对不同构型的卫星星座进行统一评价的问题，基于层次分析法模型，建立了一种对不同构型卫星星座的覆盖性能统一评估模型。本发明不仅能够很好的提升对中国区域的覆盖率，而且可以有效的降低平均间隙时长和平均响应时间，从而满足对中国地区的全天时覆盖的总体设计要求。

Description

一种双层混合卫星网络优化设计及其覆盖性能评估方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及双层混合卫星网络优化设计及覆盖性能评估。

背景技术

与传统通信方式相比，卫星通信以其覆盖范围广、通信容量大、传输质量好、组网方便迅速、便于实现全球无缝覆盖等众多优点，成为下一代网络(NextGenerationNetwork,NGN)的重要组成部分。

单颗卫星仅仅能覆盖地球表面的一部分，一个静止轨道(GeostationaryEarthOrbit,GEO)卫星对地球的覆盖面积不超过30％，而实现全球覆盖则需要将类型和功能相似的多颗卫星，按照一定的相位要求布放在相似的或互补的轨道上，并通过合理轨道设计和星座配置来提高卫星通信系统的整体性能。因此，卫星通信系统设计的首要任务是卫星星座设计，合理的星座结构和轨道设计能够对卫星资源既可以进行充分利用,降低系统复杂度,又能满足系统的指标要求,更好地改善卫星通信系统的性能。卫星星座设计目标是以最少数量的卫星实现对指定区域的连续覆盖，其实质是在相关参数的结合中找出符合设计要求的最适合参数。卫星通信系统的覆盖性能与卫星数量、轨道高度、轨道类型、星座模型、轨道倾角、同一轨道中相邻卫星和相邻轨道中卫星间的相位关系等因素紧密关联。

传统的LEO、MEO及GEO单层卫星网络由于受到单一轨道的限制，存在系统时延过高、网络阻塞率大、网络抗毁能力差、星载跟踪瞄准系统设计困难等问题；而由LEO、MEO和GEO共同构成的三层卫星网络由于星间链路数目较多，链路的频繁切换导致链路的建立和管理极为复杂，实现比较困难。

为了解决传统单层卫星星座阻塞概率大以及三层卫星星座网络管理复杂等问题，本发明基于“最差观察点”、“覆盖带”理论进行分析，结合我国的地理位置和国情需求，提出了一种基于MEO/LEO的双层混合卫星星座优化设计方案，相互弥补了各自星座设计的不足，保证了对中国地区的全覆盖；同时，通过建立层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)模型，提出了一种统一评价指标计算模型，对不同构型的星座进行覆盖性能统一评价，从而解决了传统单一性能指标(如：最低覆盖仰角等)不能对不同构型星座的覆盖性能进行准确评价的问题。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种有效的提升对中国区域的覆盖率、降低平均间隙时长和平均响应时间的双层混合卫星网络优化设计及其覆盖性能评估方法。本发明的技术方案如下：

一种双层混合卫星网络优化设计方法，其包括以下步骤：

进行卫星网络优化设计具体包括步骤：

A1)设定卫星星座的拓扑结构(主要是卫星轨道的选取)，采用Walker星座对中轨道MEO卫星进行组网分析(分析体现在对参数的优化设计)和星座优化设计，采用极轨星座对低轨道LEO卫星进行了组网分析和星座设计，建立MEO层/LEO层双层混合卫星星座网络，其中MEO层由N_M×M_M颗MEO卫星组成，其中N_M表示MEO卫星的轨道个数，M_M表示每个轨道中MEO卫星的数目，LEO层由N_L×M_L颗LEO卫星组成，分别为N_L个轨道面，每个轨道中包含M_L颗LEO卫星；

A2)判断设定的卫星星座的拓扑结构是否满足覆盖性能，若不能满足则返回重新设计A1)的拓扑结构；若满足则对卫星的卫星数、仰角进行最优配置。

进一步的，所述建立MEO层/LEO层双层混合卫星星座网络是结合了“最差观察点”以及“覆盖带”理论。

进一步的，所述采用Walker星座对中轨道MEO卫星进行组网分析和星座优化设计，采用极轨星座对低轨道LEO卫星进行了组网分析和星座设计，具体包括步骤：

1)卫星通信系统设计，提出卫星通信系统所需要满足的覆盖范围以及卫星轨道选择，对卫星星座的拓扑结构进行预先假定设计；

2)卫星参数优化设计，对LEO、MEO卫星星座参数，包括轨道面、相位关系和轨道倾角在内的参数进行优化设计，通过最差观察点准则，以及卫星覆盖带理论分别对MEO、LEO星座的相关参数进行最优计算；

3)判断星座是否满足覆盖性能要求，如果不满足，则返回步骤1)，重新选取卫星轨道，设计新的星座拓扑结构；反之，则继续下一步；

4)判断在满足覆盖性能要求的情况下，星座结构的卫星数、仰角是否达到最优配置。如果是，则得到最优的星座设计；如果否，则返回步骤2)，继续对轨道高度、轨道倾角、轨道平面的个数、每个轨道平面上的卫星个数参数通过最差观察点准则以及卫星覆盖带理论进行优化计算，直至得到最优的星座设计。

进一步的，所述MEO卫星主要负责路由计算、对LEO卫星的网络管理、以及在LEO卫星失效或负载过重时承担部分业务，LEO卫星轨道高度较低，星地传播时延较小，因此主要作为接入层卫星，负责信息的传输和交换。

一种基于所述双层混合卫星网络优化设计的覆盖性能评估方法，其包括以下步骤：

利用层次分析法对MEO-LEO双层混合卫星星座的覆盖性能进行分析和评估，通过设置4层结构来建立递阶层次结构评估模型，所述4层结构包括目标层A、准则层B、指标层C、方案层，目标层考虑的是星座设计要满足的要求，即星座的覆盖性能；准则层进行评估决策准则的选取，即覆盖时间和覆盖重数；指标层对影响覆盖性能的指标进行判断；最后，通过对系统覆盖性能进行评估，确定出卫星星座优化设计方案来满足系统覆盖性能要求。

进一步的，所述指标层对影响覆盖性能的指标包括覆盖面积百分比、平均连续覆盖间隙时长、平均响应时间、平均连续覆盖时长、瞬时最大覆盖重数。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明中，针对单层卫星网络抗毁能力差、处理时延高以及三层卫星网络管理复杂、链路冗余度高等问题，结合“最差观察点”以及“覆盖带”理论，分别采用Walker星座和极轨星座对MEO和LEO卫星进行了组网分析和星座设计，通过MEO卫星星座实现对中国地区的全覆盖，LEO卫星星座实现对中国地区的多重覆盖，采用互补轨道设计方法分别对MEO和LEO层卫星星座进行了设计优化，对星座模型进行了优化调整、减少了系统设计所需的卫星数目；此外，针对传统卫星覆盖性能指标不能对不同构型的卫星星座进行统一评价的问题，基于层次分析法模型，结合多个覆盖性能指标，建立了一种对不同构型卫星星座的覆盖性能统一评估模型，实现了对不同星座结构的覆盖性能进行统一评价。本发明不仅能够很好的提升对中国区域的覆盖率，而且可以有效的降低平均间隙时长和平均响应时间，从而满足对中国地区的全天时覆盖的总体设计要求。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例MEO/LEO双层混合卫星星座网络模型图；

图2是圆轨道卫星覆盖特性示意图；

图3所示为最差观察点几何示意图；

图4所示为卫星覆盖带示意图；

图5是双层混合卫星网络优化设计及覆盖性能评估流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，

本发明内容所涉及的概念和模型如下：

1.网络模型

图1是MEO/LEO双层混合卫星星座网络模型图。其中，MEO层由N_M×M_M颗MEO卫星组成，其中N_M表示MEO卫星的轨道个数，M_M表示每个轨道中MEO卫星的数目。MEO卫星处理能力强，主要负责路由计算、对LEO卫星的网络管理、以及在LEO卫星失效或负载过重时承担部分业务等任务，从而能够有效的增强星座网络的抗毁性等。LEO层由N_L×M_L颗LEO卫星组成，分别为N_L个轨道面，每个轨道中包含M_L颗LEO卫星。LEO卫星轨道高度较低，星地传播时延较小，因此主要作为接入层卫星，负责信息的传输和交换，以降低时延，提高星座的性能。

2.卫星覆盖特性

图2是圆轨道卫星覆盖特性示意图。根据开普勒第二定律和第三定律可知，卫星的运行速度V_s和轨道周期T_s分别为：

其中，μ为开普勒常数，μ＝G(M+m_S)≈GM＝3.978655×10⁵km³/s²，m_S为卫星质量，可忽略不计；R_e为地球半径，h为卫星轨道高度，E为地面观察点对卫星的俯仰角，由正弦定理可以得到在星下覆盖区对应的地球中心角(即覆盖半地心角)θ，即：

以及地面观察点对卫星的仰角E，即：

γ为半卫星视角，且有：

d是地面观察点到卫星的距离，由余弦定理可以得到覆盖区边缘距卫星距离，即：

地面观察点处于卫星覆盖区域的边缘时，E取最小值E_min，由式(5)可知，此时覆盖带半地心角得到最大值θ_max，观察点到卫星的路径长度达到最长，自由空间损耗也达到最大值。

用户到卫星的传播时延为：

在地球表面，卫星的覆盖区域面积为：

S＝2π·R_e ²·(1-cosθ)

(8)

卫星在地面上的覆盖半径为：

r＝R_e·sinθ

(9)

卫星在地面上的覆盖弧长为：

L_地面＝2R_e·θ

(10)

用户可以通信的卫星轨道弧长为：

L_卫星＝2(R_e+h)·θ

(11)

用户可以与卫星通信的最长时间为：

两颗卫星间的最长星间链路距离为：

3.最差观察点准则

图3所示为最差观察点几何示意图。相邻三颗卫星的星下点在地球表面可构成一个球面三角形。设MEO星座的卫星总数为N_sum，则可形成不重叠的星下点球面三角形的个数为S_TRI＝2N_sum-4。令球面三角形顶点角为A,B,C，则最差观察点与卫星瞬时最大地心角R_ijk满足：

为保证中国地区全天时覆盖，卫星的最小覆盖半地心角需满足θ_min≥sin²(R_ijk)_max。

4.卫星覆盖带理论

图4所示为卫星覆盖带示意图。覆盖带，是指在同一个轨道平面内相邻的多颗卫星之间对地面重叠覆盖而形成的连续覆盖区域。单颗卫星覆盖的半地心角θ与覆盖带半(地心角)宽度ω之间的关系满足：

其中，S_P为每个轨道平面内的卫星数量，ε为卫星之间的半地心角宽度。

图5所示为双层混合卫星网络优化设计及覆盖性能评估流程示意图，其具体实施方法包括如下步骤：

101、结合“最差观察点”以及“覆盖带”理论，分别采用Walker星座和极轨星座对MEO和LEO卫星进行了组网分析和星座设计，如下：

1)卫星通信系统设计，提出星座的覆盖范围以及卫星选择等，对卫星星座的拓扑结构进行预先假定设计。

2)卫星参数优化设计，对LEO、MEO卫星星座参数(如：轨道面、相位关系和轨道倾角等)进行优化设计。

3)判断星座是否满足覆盖性能要求，如果不满足，则返回步骤1)，重新设计星座的拓扑结构；反之，则继续下一步。

4)判断在满足覆盖性能要求的情况下，星座结构的卫星数、仰角是否达到最优配置。如果是，则得到最优的星座设计；如果否，则返回步骤2)，继续对轨道高度、轨道倾角、轨道平面的个数、每个轨道平面上的卫星个数等参数进行优化，直至得到最优的星座设计。

102、利用层次分析法对MEO-LEO双层混合卫星星座的覆盖性能进行分析和评估，如下：

利用层次分析法对MEO-LEO双层混合卫星星座的覆盖性能进行分析和评

估。通过设置4层(目标层A、准则层B、指标层C、方案层)结构来建立

递阶层次结构评估模型，目标层考虑的是星座设计要满足的要求，即星座的

覆盖性能；准则层进行评估决策准则的选取，即覆盖时间和覆盖重数；指标

层对影响覆盖性能的指标(如：覆盖面积百分比、平均连续覆盖时长、平均

间隙时长等)进行判断；最后，通过对系统覆盖性能进行评估，考虑通过采

用怎样的卫星星座优化设计方案来满足系统覆盖性能要求。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (6)

1.一种双层混合卫星网络优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

进行卫星网络优化设计具体包括步骤：

A1)设定卫星星座的拓扑结构，采用Walker星座对中轨道MEO卫星进行组网分析和星座优化设计，采用极轨星座对低轨道LEO卫星进行了组网分析和星座设计，建立MEO层/LEO层双层混合卫星星座网络，其中MEO层由N_M×M_M颗MEO卫星组成，其中N_M表示MEO卫星的轨道个数，M_M表示每个轨道中MEO卫星的数目，LEO层由N_L×M_L颗LEO卫星组成，分别为N_L个轨道面，每个轨道中包含M_L颗LEO卫星；

A2)判断设定的卫星星座的拓扑结构是否满足覆盖性能，若不能满足则返回重新设计A1)的拓扑结构；若满足则对卫星的卫星数、仰角进行最优配置。

2.根据权利要求1所述的双层混合卫星网络优化设计方法，其特征在于，所述建立MEO层/LEO层双层混合卫星星座网络是结合了“最差观察点”以及“覆盖带”理论。

3.根据权利要求2所述的双层混合卫星网络优化设计方法，其特征在于，所述采用Walker星座对中轨道MEO卫星进行组网分析和星座优化设计，采用极轨星座对低轨道LEO卫星进行了组网分析和星座设计，具体包括步骤：

1)卫星通信系统设计，提出卫星通信系统的覆盖范围以及卫星轨道选择，对卫星星座的拓扑结构进行预先假定设计；

2)卫星参数优化设计，对LEO、MEO卫星星座参数，包括轨道面、相位关系和轨道倾角在内的参数进行优化设计，通过最差观察点准则，以及卫星覆盖带理论分别对MEO、LEO星座的相关参数进行最优计算；

3)判断星座是否满足覆盖性能要求，如果不满足，则返回步骤1)，重新选取卫星轨道，设计新的星座拓扑结构；反之，则继续下一步；

4)判断在满足覆盖性能要求的情况下，星座结构的卫星数、仰角是否达到最优配置。如果是，则得到最优的星座设计；如果否，则返回步骤2)，继续对轨道高度、轨道倾角、轨道平面的个数、每个轨道平面上的卫星个数参数通过最差观察点准则以及卫星覆盖带理论进行优化计算，直至得到最优的星座设计。

4.根据权利要求1-3之一所述的双层混合卫星网络优化设计的覆盖性能评估方法，其特征在于，所述MEO卫星主要负责路由计算、对LEO卫星的网络管理、以及在LEO卫星失效或负载过重时承担部分业务，，LEO卫星轨道高度较低，星地传播时延较小，因此主要作为接入层卫星，负责信息的传输和交换。

5.一种基于权利要求3所述双层混合卫星网络优化设计的覆盖性能评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

利用层次分析法对MEO-LEO双层混合卫星星座的覆盖性能进行分析和评估，通过设置4层结构来建立递阶层次结构评估模型，所述4层结构包括目标层A、准则层B、指标层C、方案层，目标层考虑的是星座设计要满足的要求，即星座的覆盖性能；准则层进行评估决策准则的选取，即覆盖时间和覆盖重数；指标层对影响覆盖性能的指标进行判断；最后，通过对系统覆盖性能进行评估，确定出卫星星座优化设计方案来满足系统覆盖性能要求。

6.根据权利要求5所述的双层混合卫星网络优化设计的覆盖性能评估方法，其特征在于，所述指标层对影响覆盖性能的指标包括覆盖面积百分比、平均连续覆盖间隙时长、平均响应时间、平均连续覆盖时长、瞬时最大覆盖重数。