CN108306671A - 用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计方法及装置，其中，方法包括：目标规划步骤：确定深空任务场景下的端到端通信约束条件与优化目标；路由策略步骤：根据约束条件确定统计周期内端到端中继通信最佳路径，以得到路由最佳策略；星座设计步骤：根据约束条件、优化目标和路由最佳策略获取太阳系公转轨道星座设计；建模分析步骤：利用数学方法构建太阳系公转轨道星座网络拓扑模型，通过蒙特卡洛遍历搜索实现组合规划问题求解。该方法可以在网络层面给出带约束条件下地球‑火星之间端到端全程有效通信的太阳系公转轨道星座优化设计方案，进一步提升了系统通信路由的鲁棒性与端到端信息传输能力。

Description

用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计方法及装置
技术领域
本发明涉及深空通信技术领域，特别涉及一种用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计方法及装置。
背景技术
深空通信是深空探索任务的基本保障之一。现阶段侧重于点到点物理链路能力提升，深空网络并未构建起来。出于国家战略发展的需要，未来人类政府还将逐步增加空间节点，深空通信将由点到点链路逐步过渡到具有稀疏节点特性的空间网络。
点到点链路存在技术发展的缓慢性，现阶段的射频通信或激光通信均存在各方面的不足，要求另辟蹊径找到提升端到端通信容量的有效途径。网络的优势在于连接，即在端到端节点之间构建起可达通信路径，提供灵活可靠的通信传输服务。
1、点对点通信技术
点对点传输的局限性主要在于通信方式的单一性，即只有双方通视、电磁波可达(单向或双向)的通信时段内才具有通信的意义。在地球自转、火星自转、地火相对运行这样的空间位置关系下，以及凌日干扰、太阳黑子爆发等极端空间环境下，点对点通信方式大大降低了通信机会。此外，在点对点通信场景下，提升任务数据回传吞吐量的方法也只能局限在物理层参数调整方法，比如提高发送端EIRP(Effective Isotropic Radiated Power，有效全向辐射功率)、提高地球站天线口径(天线组阵)、采用高效通信方式(激光通信)等，这些方式可以从根本上提升点对点信道传输容量，但是随着信息传输速率的提高，技术突破的难度也越来越大，同时伴随着后续探测任务空间传输距离的增加，势必造成有效信息传输速率的急剧下降。
2、火星轨道器中继
在欧美等航天机构开展的火星探测任务中，使用了火星轨道器作为地球与着陆器/火星车之间通信的中继节点，利用轨道器增加了通信弧段，部分克服了火星车与地球无法通视的局限，其拓扑结构示意图如图1所示，该方法的缺点在于，轨道器为环火低轨卫星，无法克服地-火无法通视的局限性，且火星轨道器与地球站之间仍具有超距特性，无法克服超远距离通信局限性。
3、拉格朗日点卫星中继
在火星轨道器中继的启发下，国内外学者又研究提出了基于太阳系平动点的中继通信方案，即利用日地拉格朗日点卫星、日火拉格朗日点卫星作为中继节点增加通信弧段，部分克服了地-火无法通视的局限，其拓扑结构示意图如图2所示，该方法的缺点在于，拉格朗日点卫星与下一跳节点之间仍具有超距特性，无法克服超远距离通信局限性，超出点到点通信极限后无法建立有效通信链路。
综上分析可知，在现有空间拓扑结构、物理层技术体制约束条件下，上述三种方法均无法为地球站与着陆器/火星车之间提供全程有效的端到端通信路径。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计方法，该方法进一步提升了系统通信路由的鲁棒性与端到端信息传输能力。
本发明的另一个目的在于提出一种用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计装置。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计方法，包括以下步骤：目标规划步骤：确定深空任务场景下的端到端通信约束条件与优化目标；路由策略步骤：根据所述约束条件确定统计周期内端到端中继通信最佳路径，以得到路由最佳策略；星座设计步骤：根据所述约束条件、所述优化目标和所述路由最佳策略获取太阳系公转轨道星座设计；建模分析步骤：利用数学方法构建太阳系公转轨道星座网络拓扑模型，通过蒙特卡洛遍历搜索实现组合规划问题求解。
本发明实施例的用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计方法，以太阳系质心为原点构建同心圆多环轨道星座，通过控制单条点到点物理链路的距离上限来确保通信容量不因距离增加而无限降低，从而在网络层面给出带约束条件下地球-火星之间端到端全程有效通信的太阳系公转轨道星座优化设计方案，进一步提升了系统通信路由的鲁棒性与端到端信息传输能力。
另外，根据本发明上述实施例的用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计方法还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，在所述目标规划步骤中，所述深空任务场景包括火星探测任务长期运行阶段地球站与火星车双向通信；所述约束条件包括统计周期、地球轨道参数、火星轨道参数、通信收发单元物理参数、单跳链路最大距离、全程建立双向通信链路；所述优化目标包括统计周期内端到端之间平均路径最短、平均跳数最小或遍历节点数最少。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述路由最佳策略包括前向链路、返向链路、端到端要求、中继节点和路由算法，其中，所述前向链路由源节点位于地球和目的节点位于火星得到；所述返向链路由源节点位于火星和目的节点位于地球得到；所述端到端要求根据地球与火星通过中继节点建立双向通路得到；所述中继节点根据太阳系公转轨道星座各卫星节点得到；所述路由算法根据带所述约束条件的最短路径优先算法得到。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述星座设计步骤进一步包括：根据太阳系质心为原点构建同心圆轨道星座，以得到星座构型，其中，所述星座构型为单环或多环；通过星座轨道与地球轨道、火星轨道共面，内环位于所述地球轨道环与太阳系质心之间，外环位于地球轨道环与火星轨道环之间，且环间距离满足所述约束条件的单跳链路最大距离约束，以得到轨道参数；通过面内节点按照相位均匀分布，且节点数目满足近邻节点之间所述单跳链路最大距离约束，以得到节点设置。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述建模分析步骤进一步包括：构建二维平面极坐标系，基于开普勒定律得到节点运动方程，构建时变加权图，以得到数学建模，其中，所述数学建模包括坐标系、网络拓扑、节点运动、时变加权图；采用带所述约束条件的最短路径优先算法求解最佳路径，通过所述蒙特卡洛遍历搜索实现组合规划问题求解，以进行数学分析。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计装置，包括：目标规划模块，用于确定深空任务场景下的端到端通信约束条件与优化目标；路由策略模块，用于根据所述约束条件确定统计周期内端到端中继通信最佳路径，以得到路由最佳策略；星座设计模块，用于根据所述约束条件、所述优化目标和所述路由最佳策略获取太阳系公转轨道星座设计；建模分析模块，用于利用数学方法构建太阳系公转轨道星座网络拓扑模型，通过蒙特卡洛遍历搜索实现组合规划问题求解。
本发明实施例的用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计装置，以太阳系质心为原点构建同心圆多环轨道星座，通过控制单条点到点物理链路的距离上限来确保通信容量不因距离增加而无限降低，从而在网络层面给出带约束条件下地球-火星之间端到端全程有效通信的太阳系公转轨道星座优化设计方案，进一步提升了系统通信路由的鲁棒性与端到端信息传输能力。
另外，根据本发明上述实施例的用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计装置还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，在所述目标规划模块中，所述深空任务场景包括火星探测任务长期运行阶段地球站与火星车双向通信，所述约束条件包括统计周期、地球轨道参数、火星轨道参数、通信收发单元物理参数、单跳链路最大距离、全程建立双向通信链路，以及所述优化目标包括统计周期内端到端之间平均路径最短、平均跳数最小或遍历节点数最少。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述路由最佳策略包括前向链路、返向链路、端到端要求、中继节点和路由算法，其中，所述前向链路由源节点位于地球和目的节点位于火星得到；所述返向链路由源节点位于火星和目的节点位于地球得到；所述端到端要求根据地球与火星通过中继节点建立双向通路得到；所述中继节点根据太阳系公转轨道星座各卫星节点得到；所述路由算法根据带所述约束条件的最短路径优先算法得到。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述星座设计模块进一步用于根据太阳系质心为原点构建同心圆轨道星座，以得到星座构型，其中，所述星座构型为单环或多环，并通过星座轨道与地球轨道、火星轨道共面，内环位于所述地球轨道环与太阳系质心之间，外环位于地球轨道环与火星轨道环之间，且环间距离满足所述约束条件的单跳链路最大距离约束，以得到轨道参数，以及通过面内节点按照相位均匀分布，且节点数目满足近邻节点之间所述单跳链路最大距离约束，以得到节点设置。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述建模分析模块进一步用于构建二维平面极坐标系，基于开普勒定律得到节点运动方程，构建时变加权图，以得到数学建模，其中，所述数学建模包括坐标系、网络拓扑、节点运动、时变加权图，并采用带所述约束条件的最短路径优先算法求解最佳路径，通过所述蒙特卡洛遍历搜索实现组合规划问题求解，以进行数学分析。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据相关技术的地球站与火星车通过火星轨道器中继转发通信的示意图；
图2为相关技术的地球站与火星车通过日地拉格朗日点卫星、日火拉格朗日点卫星及火星轨道器中继转发通信的示意图；
图3为根据本发明一个实施例的用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计方法的流程图；
图4为根据本发明一个具体实施例的用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计方法的流程图；
图5为根据本发明一个实施例的太阳系公转轨道星座拓扑的示意图；
图6为根据本发明一个实施例的内外三环公转轨道星座端到端最优路径遍历搜索过程的示意图；
图7为根据本发明一个实施例的用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计装置的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计方法及装置，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计方法。
图3是本发明一个实施例的用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计方法的流程图。
如图3所示，该用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计方法包括以下步骤：
在步骤S301中，目标规划步骤：确定深空任务场景下的端到端通信约束条件与优化目标。
可以理解的是，如图4所示，首先进行目标规划，用于确定深空任务场景下的端到端通信约束条件与优化目标。
进一步地，在本发明的一个实施例中，在目标规划步骤中，深空任务场景包括火星探测任务长期运行阶段地球站与火星车双向通信；约束条件包括统计周期、地球轨道参数、火星轨道参数、通信收发单元物理参数、单跳链路最大距离、全程建立双向通信链路；优化目标包括统计周期内端到端之间平均路径最短、平均跳数最小或遍历节点数最少。
具体而言，目标规划包括：
(1)深空任务场景，火星探测任务长期运行阶段地球站与火星车双向通信；
(2)约束条件，统计周期(1个火星年)、地球轨道参数、火星轨道参数、通信收发单元物理参数、单跳链路最大距离(边界阈值)、全程建立双向通信链路等；
(3)优化目标，统计周期内端到端(地球与火星)之间平均路径最短、平均跳数最小或遍历节点数最少。
举例而言，目标规划阶段包括：
1、深空任务场景
(1)地球站：用于接收任务中心的上行控制数据并按要求通过无线信道调制发送，接收解调下行遥测数传数据并按要求向任务中心发送；
(2)火星车：用于接收前向链路发送的控制数据完成相关指令，将遥测数传数据通过返向链路发送至地球站。
2、约束条件
用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计的约束条件主要包括：
(1)工作周期：1个火星年(约688个地球日)，起始时刻设为历元时刻，如北京时间2021年7月1日12时；
(2)地球轨道参数：地球距离太阳系质心的距离(1Au)，历元时刻地球在太阳系质心系下的初始相位；
(3)火星轨道参数：火星距离太阳系质心的距离(1.5237Au)，历元时刻火星在太阳系质心系下的初始相位；
(4)通信收发单元物理参数：发射EIRP值、接收G/T值、天线增益、工作频段等，本发明所依赖的物理参数应能保障边界阈值范围内均可实现通信的有效性；
(5)单跳链路最大距离(边界阈值)：本发明所要求的边界阈值应能确保物理参数在其范围内均可实现通信的有效性；
(6)全程双向通信链路：工作周期内的每个地球日均能建立地球站与火星车的双向通信链路。
在步骤S302中，路由策略步骤：根据约束条件确定统计周期内端到端中继通信最佳路径，以得到路由最佳策略。
可以理解的是，如图4所示，路由策略，根据约束条件确定统计周期内端到端通信最佳路径。
进一步地，在本发明的一个实施例中，路由最佳策略包括前向链路、返向链路、端到端要求、中继节点和路由算法，其中，前向链路由源节点位于地球和目的节点位于火星得到；返向链路由源节点位于火星和目的节点位于地球得到；端到端要求根据地球与火星通过中继节点建立双向通路得到；中继节点根据太阳系公转轨道星座各卫星节点得到；路由算法根据带约束条件的最短路径优先算法得到。
具体而言，路由策略包括：
(1)前向链路，源节点位于地球，目的节点位于火星；
(2)返向链路，源节点位于火星，目的节点位于地球；
(3)端到端要求，前/返向链路同时工作，即地球与火星通过中继节点建立双向通路；
(4)中继节点，太阳系公转轨道星座各卫星节点；
(5)路由算法，带约束的最短路径优先算法。
举例而言，路由策略阶段包括：
1、端到端通信
端到端通信要求地球站与火星车之间前/返向链路同时有效工作，即建立全程有效双向通信链路，其中：
(1)前向链路：源节点为地球站，位于地球表面；目的节点为火星车，位于火星表面；前向链路节点包括地球站、太阳系公转轨道星座中继节点(可选)、火星轨道器(可选)、日火/地火拉格朗日点卫星(可选)、火星车。
(2)返向链路：源节点为火星车，位于火星表面；目的节点为地球站，位于地球表面；返向链路节点包括火星车、火星轨道器(可选)、日火/地火拉格朗日点卫星(可选)、太阳系公转轨道星座中继节点(可选)、地球站。
2、路由算法
带约束的最短路径优先算法，其中：
(1)约束条件：具体见步骤S2的单跳链路最大距离(边界阈值)，对大于该边界阈值的边赋值正无穷；
(2)最短路径：从源节点出发到达目的节点的所经过边的权重之和最小的一条路径；
最短路径优先算法：采用迪杰斯特拉算法(Dijkstra算法)，该算法使用广度优先搜索策略可以解决加权有向图或加权无向图的单源最短路径问题，最终可以得到一个从源节点至深空通信网其他任意节点的最短路径树，其中源节点即为该最短路径树的根节点，目的节点为该最短路径树的某个叶子节点。
在步骤S303中，星座设计步骤：根据约束条件、优化目标和路由最佳策略获取太阳系公转轨道星座设计。
可以理解的是，如图4所示，星座设计，根据约束条件与优化目标，基于给定的路由策略给出太阳系公转轨道星座设计。
进一步地，在本发明的一个实施例中，星座设计步骤进一步包括：根据太阳系质心为原点构建同心圆轨道星座，以得到星座构型，其中，星座构型为单环或多环；通过星座轨道与地球轨道、火星轨道共面，内环位于地球轨道环与太阳系质心之间，外环位于地球轨道环与火星轨道环之间，且环间距离满足约束条件的单跳链路最大距离约束，以得到轨道参数；通过面内节点按照相位均匀分布，且节点数目满足近邻节点之间单跳链路最大距离约束，以得到节点设置。
具体而言，星座设计包括：
(1)星座构型，以太阳系质心为原点构建同心圆轨道星座，构型包括单环/多环。
(2)轨道参数，星座轨道与地球轨道、火星轨道共面，内环位于地球轨道环与太阳系质心之间，外环位于地球轨道环与火星轨道环之间，环间距离满足单跳链路最大距离约束。
(3)轨道参数，星座轨道与地球轨道、火星轨道共面，内环位于地球轨道环与太阳系质心之间，外环位于地球轨道环与火星轨道环之间，环间距离满足单跳链路最大距离约束。
举例而言，星座设计阶段包括：
1、星座构型
以太阳系质心为原点构建同心圆轨道星座，构型包括单环/多环，如图5所示。
2、轨道参数
星座轨道与地球轨道、火星轨道共面，内环位于地球轨道环与太阳系质心之间，外环位于地球轨道环与火星轨道环之间，环间距离满足单跳链路最大距离约束。
3、节点设置
环内节点按照相位均匀分布，节点数目满足近邻节点之间单跳链路最大距离约束。
一个太阳系公转轨道星座内外多环实施例(N＝5)的具体描如表1所示，其中，表1为内外双环/三环公转轨道星座端到端最优路径遍历搜索统计分析结果表。
表1
其中，小内环：i＝1，距离R1＝0.6000Au，节点数：6个；
大内环：i＝2，距离R2＝0.9333Au，节点数：9个；
地球环：i＝3，距离R3＝1.0000Au，节点数：1个(地球)；
外环：i＝4，距离R4＝1.1746Au，节点数：11个；
火星环：i＝5，距离R5＝1.5237Au，节点数：1个(火星)。
在步骤S304中，建模分析步骤：利用数学方法构建太阳系公转轨道星座网络拓扑模型，通过蒙特卡洛遍历搜索实现组合规划问题求解。
可以理解的是，如图4所示，建模分析，利用数学方法构建太阳系公转轨道星座网络拓扑模型，通过蒙特卡洛遍历搜索实现组合规划问题求解
进一步地，在本发明的一个实施例中，建模分析步骤进一步包括：构建二维平面极坐标系，基于开普勒定律得到节点运动方程，构建时变加权图，以得到数学建模，其中，数学建模包括坐标系、网络拓扑、节点运动、时变加权图；采用带约束条件的最短路径优先算法求解最佳路径，通过蒙特卡洛遍历搜索实现组合规划问题求解，以进行数学分析。
可以理解的是，建模分析包括：
(1)数学建模，构建二维平面极坐标系，基于开普勒定律得到节点运动方程，构建时变加权图；
(2)数学分析，采用带约束的最短路径优先算法求解最佳路径，通过蒙特卡洛遍历搜索实现组合规划问题求解。
具体而言，数学建模包括：
(1)坐标系：以太阳系质心为原点构建二维平面极坐标系。
(2)网络拓扑：以太阳系质心为圆心构建多环多节点网络拓扑，具体包括：
a、多环：从太阳系质心由内而外构成N个太阳系公转圆轨道；
b、多节点：在环上布设多个节点(相角均匀分布)，环内相邻节点之间、相邻环近邻节点之间存在星间链路。
(3)节点运动：星座节点围绕太阳系做公转运动，具体包括：
a、星座节点的公转运动可用角速率表征。
a、给定节点初始相位，则可以得到任意时刻下各节点运行轨迹。
(4)时变加权图：星座节点为图的节点，任意两点间的物理链路为图的边，具体包括：
a、边的权重：根据深空通信特点，在收发通信单元物理参数一定的情况下(超远距离条件下具有普适性)，端到端接收信噪比数值将主要受制于传输距离的长度，因此边的权重可选择为节点间的空间距离。
b、约束处理：若权重大于边界阈值，则强制将该边的权重设为正无穷，即此链路无效(可根据工程要求对阈值进行调整。
c、时变性：节点之间存在相对运动关系，则边的权重具有时变特性。
d、有向图：根据通信单元的收发方向构造时变加权有向图，并根据发送节点与接收节点的先后次序构造有向图的边权重矩阵。
e、无向图：由于空间通信具有双向传输特点，且任意两点之间空间距离与传输方向无关，因此可将时变加权有向图进一步规约为时变加权无向图。
另外，数学分析具体包括：
(1)带约束的最短路径优选，根据任意时刻、任意两点之间二维欧氏距离计算时变加权图的边权值，据此计算源节点与目的节点之间全部有效通路的权重，根据最短路径优先算法进行最佳路径求解。
(2)蒙特卡洛遍历搜索，每轮仿真开始时随机生成一组星座拓扑，星座环数、各环与太阳系质心的距离具有随机性，环内节点数目与距离相关，环内各节点均匀分布，节点初相具有随机性；通过多轮次蒙特卡洛仿真，对于整个火星周期进行遍历搜索，寻找最短路径、最少跳数或最少遍历节点数的拓扑结构。
举例而言，如图4所示，建模分析阶段包括：
1、数学建模：构建二维平面极坐标系，基于开普勒定律得到节点运动方程，构建时变加权图，详细说明见步骤S4.1。
2、数学分析：采用带约束的最短路径优先算法求解最佳路径，通过蒙特卡洛遍历搜索实现组合规划问题求解，详细说明见步骤S4.2。
步骤S4.1、数学建模
数学建模阶段主要包括：
1、坐标系
以太阳系质心为原点构建二维平面极坐标系，任意节点可用二维向量(r,θ)表征，其中r表示节点与坐标原点之间的欧氏距离、θ表示节点在极坐标系下角度(相角)。
2、网络拓扑
以太阳系质心为圆心构建多环多节点网络拓扑，具体包括：
a、多环
从太阳系质心由内而外构成N个太阳系公转圆轨道(含地球环与火星环)，各环标记为{i},i∈1,…,N，各环距太阳系质心距离为{Ri}。
b、多节点
在环i上布设Mi个节点(相角均匀分布)，各节点记为{ji}，j∈1～Mi，环内相邻节点之间、相邻环近邻节点之间存在星间链路，节点数目需满足边界阈值约束条件。一个单环实施例(边界阈值为0.7Au)的具体分析如下，通过蒙特卡洛遍历搜索得到的多环实施例如表1所示。
A、地球近邻单环
为满足与地球站时刻保持通信，可以将之安置于地球环上，使之与地球均匀分布于该环，以此有地球环各节点之间满足阈值条件所需的最少节点数目Ne如公式所示：
则有，
由于各环公转角速率不同，根据开普勒第三定律可知，内环的角速率要高于外环，因此即使地球近邻单环卫星与火星初始相位相同，经过一段时间后二者的相位差还会拉大，从而空间距离从最小值不断加大(同心圆)直至达到0.7Au。经过数学推导可知，
其中，Rm＝1.5237Au，Re＝1Au，则有二者的相位差约为0.3785rad。因此可以推知，只要地球环相邻两个节点之间的相位差△θ≤0.3785×2＝0.757rad，即可保证单环星座随时存在一颗卫星与火星之间的距离小于0.7Au，此时有地球环节点与火星之间通信满足阈值条件所需的最少节点数目Nm要求为：
综上分析可知，单环轨道与地球环重合时，同时满足与地球、火星间距均小于0.7Au的卫星数目为9颗。此处需要说明的是，由于该环与地球环重合，则因为地球位于该环上，实际部署卫星节点时可以节省1个节点，即只需再安置8个节点即可。
B、火星近邻单环
位于火星环上的卫星节点与火星之间通信满足不大于0.7Au条件所需节点数目为：
位于火星环上的卫星节点与地球之间满足不大于0.7Au的条件所需的节点数目等同于地球环上的节点数目(从数学上来看其实与地球环是相互映射的关系)。因此，单环轨道与火星环重合时，同时满足与地球、火星间距均小于0.7Au的卫星数目为14颗。此处需要说明的是，由于该环与火星环重合，则因为火星位于该环上，实际部署卫星节点时可以节省1个节点，即只需再安置13个节点即可。
C、地火之间的单环
根据圆周公式可知，在地火之间的环中，地球环均匀分布所需节点(节点间距不超过固定值)是最小的(9个，计入地球则只需8个)，而火星环所需节点是最多的(14个，计入火星则只需13个)，因此地火之间的环上布设节点数目为9个至14个即可。一个实施例的具体分析如表2所示，其中，表2为地火之间满足通信阈值条件各单环所需节点数目及其环半径的一个实施例表。
表2
3、节点运动
星座节点围绕太阳系做公转运动，具体包括：
a、星座节点的公转运动可用角速率ωi表征，在天体运动学领域二体运动符合开普勒第三定律，则有ωi∝Ri -3/2。
b、给定节点ji的初始相位则可以得到任意时刻t下各节点运行轨迹，即：由此得到多环多节点运动方程的一个实施例(环数N＝5)的描述矩阵如公式所示：
4、时变加权图
基于太阳系公转轨道星座的端到端通信网络可以用一个时变加权图来描述，其中多环星座节点(各节点记为{ji})为该图的节点，任意两点间的物理链路(各链路记为)为该图的边，该图具有以下特征：
a、边的权重
根据深空通信特点及香农定理，在收发通信单元物理参数一定的情况下(超远距离条件下具有普适性)，端到端信息传输容量将主要受制于传输距离的长度，因此边的权重可选择为节点间的空间距离
b、约束处理
若权重大于边界阈值，则强制将该边的权重设为正无穷(Inf)，即此链路无效(可根据工程要求对阈值进行调整)。
c、时变性
节点之间存在相对运动关系，则边的权重具有时变特性。
d、有向图
根据通信单元的收发方向构造时变加权有向图，并根据发送节点与接收节点的先后次序构造有向图的边权重矩阵。
e、无向图
由于空间通信具有双向传输特点，且任意两点之间空间距离与传输方向无关，因此可将时变加权有向图进一步规约为时变加权无向图，操作方式为将边的权重矩阵与其转置阵相加后取方阵的下三角或上三角。
进一步地，步骤S4.2、问题求解
1、带约束的最短路径优选
根据任意时刻、任意两点之间二维欧氏距离计算时变加权图的边权值，据此计算源节点与目的节点之间全部有效通路的权重，根据最短路径优先算法进行最佳路径求解，具体描述见图4的步骤S2。
2、蒙特卡洛遍历搜索
内外三环公转轨道星座端到端最优路径遍历搜索过程如图6所示，每轮仿真开始时随机生成一组星座拓扑，星座环数、各环与太阳系质心的距离具有随机性，环内节点数目与距离相关(具体分析参见步骤S4.1数学建模部分)，环内各节点均匀分布，节点初相具有随机性；通过多轮次蒙特卡洛仿真，对于整个火星周期进行遍历搜索，寻找最短路径、最少跳数或最少遍历节点数的拓扑结构。
3、实施例求解结果
一个实施例的最优化问题求解结果如表1所示，其中，
a、以平均路径最短为优化目标的求解结果
平均长度为：1.751[Au]；
平均跳数为：3.3488[跳]；
小内环半径为：0.6[Au]；
大内环半径为：0.93333[Au]；
外环半径为：1.1746[Au]；
小内环节点数目为：6[个]；
大内环节点数目为：9[个]；
外环节点数目为：11[个]；
遍历1个火星年所用到的中继节点总数为：21[个]。
b、以平均跳数最少为优化目标的求解结果
平均跳数为：3.2602[跳]；
平均长度为：1.7888[Au]；
小内环半径为：0.53333[Au]；
大内环半径为：1[Au]；
外环半径为：1.0582[Au]；
小内环节点数目为：5[个]；
大内环节点数目为：9[个]；
外环节点数目为：10[个]；
遍历1个火星年所用到的中继节点总数为：22[个]；
c、以遍历节点数最少为优化目标的求解结果
平均跳数为：3.5102[跳]；
平均长度为：2.0244[Au]；
单环半径为：1[Au]，即地球环；
单环节点数目为：9[个]，若考虑地球作为节点则只需要8个几点；
遍历1个火星年所用到的中继节点总数为：8[个]；
根据本发明实施例提出的用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计方法，以太阳系质心为原点构建同心圆多环轨道星座，通过控制单条点到点物理链路的距离上限来确保通信容量不因距离增加而无限降低，从而在网络层面给出带约束条件下地球-火星之间端到端全程有效通信的太阳系公转轨道星座优化设计方案，进一步提升了系统通信路由的鲁棒性与端到端信息传输能力。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计装置。
图7是本发明一个实施例的用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计装置的结构示意图。
如图7所示，该用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计装置10包括：目标规划模块100、路由策略模块200、星座设计模块300和建模分析模块400。
其中，目标规划模块100用于确定深空任务场景下的端到端通信约束条件与优化目标。路由策略模块200用于根据约束条件确定统计周期内端到端中继通信最佳路径，以得到路由最佳策略。星座设计模块300用于根据约束条件、优化目标和路由最佳策略获取太阳系公转轨道星座设计。建模分析模块400用于利用数学方法构建太阳系公转轨道星座网络拓扑模型，通过蒙特卡洛遍历搜索实现组合规划问题求解。本发明实施例的装置10可以在网络层面给出带约束条件下地球-火星之间端到端全程有效通信的太阳系公转轨道星座优化设计方案，进一步提升了系统通信路由的鲁棒性与端到端信息传输能力。
进一步地，在本发明的一个实施例中，在目标规划模块100中，深空任务场景包括火星探测任务长期运行阶段地球站与火星车双向通信，约束条件包括统计周期、地球轨道参数、火星轨道参数、通信收发单元物理参数、单跳链路最大距离、全程建立双向通信链路，以及优化目标包括统计周期内端到端之间平均路径最短、平均跳数最小或遍历节点数最少。
进一步地，在本发明的一个实施例中，路由最佳策略包括前向链路、返向链路、端到端要求、中继节点和路由算法，其中，前向链路由源节点位于地球和目的节点位于火星得到；返向链路由源节点位于火星和目的节点位于地球得到；端到端要求根据地球与火星通过中继节点建立双向通路得到；中继节点根据太阳系公转轨道星座各卫星节点得到；路由算法根据带约束条件的最短路径优先算法得到。
进一步地，在本发明的一个实施例中，星座设计模块300进一步用于根据太阳系质心为原点构建同心圆轨道星座，以得到星座构型，其中，星座构型为单环或多环，并通过星座轨道与地球轨道、火星轨道共面，内环位于地球轨道环与太阳系质心之间，外环位于地球轨道环与火星轨道环之间，且环间距离满足约束条件的单跳链路最大距离约束，以得到轨道参数，以及通过面内节点按照相位均匀分布，且节点数目满足近邻节点之间单跳链路最大距离约束，以得到节点设置。
进一步地，在本发明的一个实施例中，建模分析模块400进一步用于构建二维平面极坐标系，基于开普勒定律得到节点运动方程，构建时变加权图，以得到数学建模，其中，数学建模包括坐标系、网络拓扑、节点运动、时变加权图，并采用带约束条件的最短路径优先算法求解最佳路径，通过蒙特卡洛遍历搜索实现组合规划问题求解，以进行数学分析。
需要说明的是，前述对用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计方法实施例的解释说明也适用于该实施例的用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计装置，此处不再赘述。
根据本发明实施例提出的用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计装置，以太阳系质心为原点构建同心圆多环轨道星座，通过控制单条点到点物理链路的距离上限来确保通信容量不因距离增加而无限降低，从而在网络层面给出带约束条件下地球-火星之间端到端全程有效通信的太阳系公转轨道星座优化设计方案，进一步提升了系统通信路由的鲁棒性与端到端信息传输能力。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
目标规划步骤：确定深空任务场景下的端到端通信约束条件与优化目标；
路由策略步骤：根据所述约束条件确定统计周期内端到端中继通信最佳路径，以得到路由最佳策略；
星座设计步骤：根据所述约束条件、所述优化目标和所述路由最佳策略获取太阳系公转轨道星座设计；以及
建模分析步骤：利用数学方法构建太阳系公转轨道星座网络拓扑模型，通过蒙特卡洛遍历搜索实现组合规划问题求解。
2.根据权利要求1所述的用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计方法，其特征在于，在所述目标规划步骤中，所述深空任务场景包括火星探测任务长期运行阶段地球站与火星车双向通信；所述约束条件包括统计周期、地球轨道参数、火星轨道参数、通信收发单元物理参数、单跳链路最大距离、全程建立双向通信链路；所述优化目标包括统计周期内端到端之间平均路径最短、平均跳数最小或遍历节点数最少。
3.根据权利要求1或2所述的用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计方法，其特征在于，所述路由最佳策略包括前向链路、返向链路、端到端要求、中继节点和路由算法，其中，所述前向链路由源节点位于地球和目的节点位于火星得到；所述返向链路由源节点位于火星和目的节点位于地球得到；所述端到端要求根据地球与火星通过中继节点建立双向通路得到；所述中继节点根据太阳系公转轨道星座各卫星节点得到；所述路由算法根据带所述约束条件的最短路径优先算法得到。
4.根据权利要求1或2所述的用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计方法，其特征在于，所述星座设计步骤进一步包括：
根据太阳系质心为原点构建同心圆轨道星座，以得到星座构型，其中，所述星座构型为单环或多环；
通过星座轨道与地球轨道、火星轨道共面，内环位于所述地球轨道环与太阳系质心之间，外环位于地球轨道环与火星轨道环之间，且环间距离满足所述约束条件的单跳链路最大距离约束，以得到轨道参数；
通过面内节点按照相位均匀分布，且节点数目满足近邻节点之间所述单跳链路最大距离约束，以得到节点设置。
5.根据权利要求1或2所述的用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计方法，其特征在于，所述建模分析步骤进一步包括：
构建二维平面极坐标系，基于开普勒定律得到节点运动方程，构建时变加权图，以得到数学建模，其中，所述数学建模包括坐标系、网络拓扑、节点运动、时变加权图；
采用带所述约束条件的最短路径优先算法求解最佳路径，通过所述蒙特卡洛遍历搜索实现组合规划问题求解，以进行数学分析。
6.一种用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计装置，其特征在于，包括：
目标规划模块，用于确定深空任务场景下的端到端通信约束条件与优化目标；
路由策略模块，用于根据所述约束条件确定统计周期内端到端中继通信最佳路径，以得到路由最佳策略；
星座设计模块，用于根据所述约束条件、所述优化目标和所述路由最佳策略获取太阳系公转轨道星座设计；以及
建模分析模块，用于利用数学方法构建太阳系公转轨道星座网络拓扑模型，通过蒙特卡洛遍历搜索实现组合规划问题求解。
7.根据权利要求6所述的用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计装置，其特征在于，在所述目标规划模块中，所述深空任务场景包括火星探测任务长期运行阶段地球站与火星车双向通信，所述约束条件包括统计周期、地球轨道参数、火星轨道参数、通信收发单元物理参数、单跳链路最大距离、全程建立双向通信链路，以及所述优化目标包括统计周期内端到端之间平均路径最短、平均跳数最小或遍历节点数最少。
8.根据权利要求6或7所述的用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计装置，其特征在于，所述路由最佳策略包括前向链路、返向链路、端到端要求、中继节点和路由算法，其中，所述前向链路由源节点位于地球和目的节点位于火星得到；所述返向链路由源节点位于火星和目的节点位于地球得到；所述端到端要求根据地球与火星通过中继节点建立双向通路得到；所述中继节点根据太阳系公转轨道星座各卫星节点得到；所述路由算法根据带所述约束条件的最短路径优先算法得到。
9.根据权利要求6或7所述的用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计装置，其特征在于，所述星座设计模块进一步用于根据太阳系质心为原点构建同心圆轨道星座，以得到星座构型，其中，所述星座构型为单环或多环，并通过星座轨道与地球轨道、火星轨道共面，内环位于所述地球轨道环与太阳系质心之间，外环位于地球轨道环与火星轨道环之间，且环间距离满足所述约束条件的单跳链路最大距离约束，以得到轨道参数，以及通过面内节点按照相位均匀分布，且节点数目满足近邻节点之间所述单跳链路最大距离约束，以得到节点设置。
10.根据权利要求6或7所述的用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计装置，其特征在于，所述建模分析模块进一步用于构建二维平面极坐标系，基于开普勒定律得到节点运动方程，构建时变加权图，以得到数学建模，其中，所述数学建模包括坐标系、网络拓扑、节点运动、时变加权图，并采用带所述约束条件的最短路径优先算法求解最佳路径，通过所述蒙特卡洛遍历搜索实现组合规划问题求解，以进行数学分析。
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