CN111277322B - 一种北斗三号相控阵捷变星间链路规划方法 - Google Patents
一种北斗三号相控阵捷变星间链路规划方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111277322B CN111277322B CN202010105334.0A CN202010105334A CN111277322B CN 111277322 B CN111277322 B CN 111277322B CN 202010105334 A CN202010105334 A CN 202010105334A CN 111277322 B CN111277322 B CN 111277322B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- satellite
- link
- station
- visible
- satellites
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
- H04B7/14—Relay systems
- H04B7/15—Active relay systems
- H04B7/185—Space-based or airborne stations; Stations for satellite systems
- H04B7/18521—Systems of inter linked satellites, i.e. inter satellite service
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
- H04W40/00—Communication routing or communication path finding
- H04W40/02—Communication route or path selection, e.g. power-based or shortest path routing
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
- H04W84/00—Network topologies
- H04W84/02—Hierarchically pre-organised networks, e.g. paging networks, cellular networks, WLAN [Wireless Local Area Network] or WLL [Wireless Local Loop]
- H04W84/04—Large scale networks; Deep hierarchical networks
- H04W84/06—Airborne or Satellite Networks
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Astronomy & Astrophysics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Radio Relay Systems (AREA)
Abstract
本发明公开了一种北斗三号相控阵捷变星间链路规划方法，具体按照如下步骤实施：步骤1，根据卫星与S站可见矩阵中每一个可见时间片的卫星与S站可见关系矩阵，为每一个可见时间片的每一个S站选择一个与其建立S链路连接的卫星，步骤2，根据卫星及Ka站间的可见矩阵，以及S站接地卫星选择结果，为卫星及Ka站的每个时隙寻找Ka链路建链对象，一个可见时间片中包含的每一分钟都重复执行相同的建链方案，因此，仅需为每个可见时间片规划出一个一分钟的建链方案，包含一分钟内的20个时隙中，每个卫星、Ka站的Ka链路建链对象。本发明能够为北斗三号卫星提供卫星、S测控站、Ka测控站作为组网对象的捷变星间网络链路规划方案。
Description
技术领域
本发明属于卫星通讯技术领域，涉及一种北斗三号相控阵捷变星间链路规划方法。
背景技术
北斗三号星座由30颗卫星组成，卫星与卫星之间可以通过相控阵天线建立星间链路。为了管理星座，地面的Ka站和S站也参与组网，从卫星接收下行数据、向卫星发送上行数据。
在进行组网时：卫星与S站之间可以建立S链路；卫星与卫星、卫星与Ka站之间可以建立Ka链路。对于一个卫星来说，在某个时刻，只能与一个S站建立S链路，也只能与一个卫星或一个Ka站建立Ka链路，但S链路与Ka链路之间互不影响，可以并存。
进行链路规划时，以周期为单位，进行每周期的链路规划，一周期分为多个可见时间片，每个可见时间片包括很多分钟，每分钟划分为20个时隙，即就是每个时隙为3秒，图1给出了规划周期、可见时间片、分钟、时隙之间的关系。进行链路规划时，建链后，卫星和S站之间的S链路持续时间长，链路的持续时间为1个可见时间片，卫星与卫星，以及卫星与Ka站之间的Ka链路持续时间短，链路的持续时间为1个时隙，为了满足星间的测量要求，在相邻的每个时隙，Ka链路的网络结构都会发生变化，因此，北斗三号相控阵星间链路是捷变星间链路，在每个可见时间片内，每分钟有20个时隙，一分钟内的20个时隙的Ka链路网络结构各不相同，但是，星座在每分钟的20个时隙里依照顺序不断循环重复这20种网络结构，也就是说，在同一个可见时间片中，第a分钟的第n时隙的星座网络结构和第b分钟的第n时隙的星座网络结构是一致的，图2、图3给出了在一个可见时间片中，北斗三号星间链路在连续两个时隙中的建链情况示意图。
网络链路规划完成北斗三号星座的星间网络和星地网络的链路规划工作。在一个规划周期中完成下列工作：（1）根据各可见时间片中卫星与S站之间的可见关系，规划各可见时间片卫星与S站之间的S链路。（2）根据各可见时间片中卫星和卫星、卫星和Ka站之间的可见关系，规划各可见时间片中的各个时隙中卫星与卫星、卫星与Ka站之间的Ka链路。
中国专利《基于地面站布局约束的导航星座缓变星间链路规划方法》（公告号：CN104835011B，公告日：20180831），该专利讨论的是在卫星在具有更加丰富的星星建链能力（每颗星可同时与三颗卫星建链）情况下，通过分簇机制建立缓变星间链路网络的方法。建成的网络中，多个连续时隙的星星网络结构最大化的保持不变，属于缓变星间链路，因此此方法不适用于捷变星间链路网络规划。
中国专利《一种北斗导航系统星间链路建立的方法》（公告号：CN106597475B，公告日：20190111），该专利讨论的是北斗导航星座在有卫星发生故障情况下星间链路的建立方法。该方法并未涉及到网络链路如何规划的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种北斗三号相控阵捷变星间链路规划方法，能够为北斗三号卫星星座提供卫星、S测控站、Ka测控站作为组网对象的捷变星间网络链路规划方案。
本发明所采用的技术方案是，一种北斗三号相控阵捷变星间链路规划方法，具体按照如下步骤实施：
步骤1，S链路规划
根据卫星与S站可见矩阵中每一个可见时间片的卫星与S站可见关系矩阵，为每一个可见时间片的每一个S站选择一个与其建立S链路连接的卫星，与S站建链的卫星称为接地卫星，并形成S站接地卫星选择表，其中，S站接地卫星选择表的行为可见时间片的编号，列为各S站，行列交汇的元素为S站在对应的可见时间片选择的接地卫星名称；
步骤2，Ka链路规划
根据卫星及Ka站间的可见矩阵，以及S站接地卫星选择结果，为卫星及Ka站的每个时隙寻找Ka链路建链对象，一个可见时间片中包含的每一分钟都重复执行相同的建链方案，因此，仅需为每个可见时间片规划出一个一分钟的建链方案，包含一分钟内的20个时隙中，每个卫星、Ka站的Ka链路建链对象，形成卫星建链表，星建链表为矩阵结构，矩阵行为卫星或Ka站，矩阵列为时隙编号，矩阵元素记录了其所在行的卫星，在其所在列的时隙中，是否建立了Ka链路、建链对象、数据收发状态。
步骤1中卫星与S站可见矩阵描述卫星与S站之间是否可以建立S链路，矩阵的行为卫星，列为S站，若矩阵值为1，表示所在行的卫星与所在列的S站在本可见时间片可以建立S链路，若矩阵值为0，表示所在行的卫星与所在列的S站在本可见时间片不能建立S链路。
步骤2中的卫星及Ka可见矩阵描述在一个可见时间片中，卫星及卫星或者Ka站之间是否可以建立Ka链路，矩阵的行为卫星或Ka站，列也为卫星或Ka站，若矩阵值为1，表示所在行的卫星或Ka站与所在列的卫星或Ka站在本可见时间片中可以建立Ka链路；若矩阵值为0，表示所在行的卫星或Ka站与所在列的卫星或Ka站在本可见时间片中不能建立Ka链路。
步骤1中根据卫星与S站可见矩阵中每一个可见时间片的卫星与S站可见关系矩阵，为每一个可见时间片的每一个S站选择一个与其建立S链路连接的卫星，具体为：
第一个可见时间片内S链路规划：
步骤1.1，建立待分配接地卫星S站集合，此集合表示尚未尝试分配接地卫星的S站，初始值为全部S站；建立无接地卫星S站集合，此集合的元素是经尝试分配接地卫星后，未找到接地卫星的S站，初始值为空集；建立有接地卫星S站集合，此集合的元素是经尝试分配接地卫星后，找到了合适的接地卫星的S站，初始值为空集；建立非接地卫星集合，此集合的元素为非接地卫星，初始值为全部卫星；建立接地卫星集合，此集合的元素是接地卫星，初始值为空集；
步骤1.2，给可见卫星数量最少的一个S站分配接地卫星
从待分配接地卫星S站集合中，找到可见卫星数量最少的一个S站，用M表示此S站，尝试给测站M分配接地卫星：判断S站M与非接地卫星集合中的所有卫星是否均不可见：
若均不可见，则说明在本可见时间片中无法为该S站M找到接地卫星，则将该S站M加入无接地卫星S站集合中并从待分配接地卫星S站集合中删除该S站M；
若有可见的非接地卫星，则说明在本可见时间片中为该S站M找到了接地卫星，选择从本可见时间片开始，与该S站M连续可见时间最长的卫星P作为该S站M在本可见时间片中的接地卫星，并将该S站M添加到有接地卫星S站集合中以及从待分配接地卫星S站集合中删除该S站M，并从非接地卫星集合中删除该卫星P以及向接地卫星集合中添加该卫星P；
步骤1.3，判断待分配接地卫星S站集合是否为空集，若否，则说明还有S站尚未尝试分配接地卫星，则返回步骤1.2，继续进行S链路规划工作，若是，说明已经为全部的S站尝试分配了接地卫星，则本可见时间片的S链路规划工作完成，结束计算；
第二个以及之后的所有可见时间片内S链路规划：
步骤1.4，建待扫描S站集合，初始值为全部S站，并将待分配接地卫星S站集合设为空集；
步骤1.5，从待扫描S站集合中，按名称顺序选择一个S站，此处称为S站N，判断S站N在前一个可见时间片是否有接地卫星Q，且S站N与卫星Q在本可见时间片仍然可见；
如果是，则令S站N与接地卫星Q在本可见时间片继续保持S链路的连接；向有接地卫星S站集合中添加测站N，从非接地卫星集合中删除卫星Q；向接地卫星集合中添加卫星Q，从待扫描S站集合中删除测站N；
如果否，则说明需要为S站N在本可见时间片中重新分配接地卫星；向待分配接地卫星S站集合中添加S站N，从待扫描S站集合中删除S站N，重复上述扫描过程，完成所有S站的扫描，直到待扫描S站集合为空集；
步骤1.6，重复执行步骤1.2-1.3，完成本可见时间片的S链路规划工作；
步骤1.7，重复执行步骤1.4-1.6，进行下一个可见时间片的接地卫星分配，直到完成所有可见时间片的S链路规划。
步骤2中根据卫星及Ka站间的可见矩阵，以及S站接地卫星选择结果，为卫星及Ka站的每个时隙寻找Ka链路建链对象具体为：
步骤2.1，建立待建链卫星及Ka站集合，集合初始值为所有卫星及Ka站，计算建链需求指数，选择建链需求指数最高的卫星或Ka站作为优先建链者，从待建链卫星及Ka站集合中选择一个优先建链者A；
步骤2.2，在待建链卫星及Ka站集合中为优先建链者A选择建链效益最高的建链对象K；
若优先建链者A找到了合适的建链对象K，则完成优先建链者A在本时隙的Ka链路建立，则将优先建链者A和建链对象K从待建链卫星及Ka站集合中删除；
若待建链卫星及Ka站集合中的每一个卫星、Ka站都与优先建链者A无法建链，即就是，在卫星及Ka可见矩阵的描述中，待建链卫星及Ka站集合中的每一个对象均与优先建链者A不可见，则优先建链者A在本时隙没有Ka链路能建立，则将优先建链者A从待建链卫星及Ka站集合中删除；
步骤2.3，判断待建链卫星及Ka站集合是否为空：
若待建链卫星及Ka站集合为空，则证明本时隙的Ka链路规划完成，更新各建链对象的星上数据堆积量和可建链路覆盖率，然后按照步骤2.4执行；
若待建链卫星及Ka站集合不为空，则迭代执行步骤2.2-2.3，直到完成本时隙中所有Ka链路的建立，更新各建链对象的星上数据堆积量和可建链路覆盖率，然后按照步骤2.4执行；
步骤2.4，判断本时隙是否为本分钟内的最后一个时隙，若否则重复执行步骤2.1-2.3，进行本分钟内下一个时隙Ka链路规划，若是则完成本分钟20个时隙的Ka链路规划。
步骤2.1中的建链需求指数具体为：
将各卫星或Ka站的对地距离、星上数据堆积量以及可建链路覆盖率进行加权，得到建链需求指数；
其中，对地距离指卫星到达地面的最小跳数，对地距离越远，数据下传路径越长，建链需求越高；
星上数据堆积量表示星上当前存储的遥测数据量，星上数据堆积量越大，向地面下传遥测数据的需求越强，建链需求越高；
可建链路覆盖率表示在本分钟内，本时隙之前的所有时隙中本卫星或Ka站的已建Ka链路占可建Ka链路的百分比，链路覆盖率越低，建链需求越高。
对地距离的计算方法为：
接地卫星与S站通过S链路直接相连，对地距离为0；
Ka站本身在地面，对地距离为0；
将接地卫星与Ka站统称为接地节点，接地节点的对地距离为0；
其他卫星为非接地卫星，其对地距离的计算方法为：
根据卫星及Ka站之间的可见关系，构建无向图，各个卫星及Ka站为图的顶点，若两个顶点可见，则它们之间有边，距离为1跳，对于一颗非接地卫星，计算其到所有接地节点的距离，其最小值即为此非接地卫星的对地距离，单位为跳。
星上数据堆积量的影响因素为：各卫星在每个时隙都产生新的遥测数据，星间遥测数据传输也会使遥测数据在卫星之间传输，对地距离更大、可见接地节点更少的卫星为数据发送者，对地距离更小、可见接地节点更多的卫星或Ka站为数据接收者，数据发送者将所存遥测数据发送给数据接收者，完成遥测数据的转移，如果数据接收者不是接地卫星或Ka站，则星上数据堆积量增加，如果数据接收者是接地卫星或Ka站，将所有遥测数据传输给地面系统。
步骤2.2在待建链卫星及Ka站集合中为优先建链者选择建链效益最高的建链对象遵循以下原则：
（1）若A与B在本时隙之前的时隙均未建链，则建链效益指数升高；
（2）若A、B的对地距离均为0，则建链效益指数降低；
（3）若A、B中有一个对象的对地距离为0，且另一个对象的对地距离大于0，则建链效益指数升高；
（4）若A、B的对地距离均大于0，则B的对地距离越小，建链效益指数越高；
（5）若A、B的星上数据堆积量之和大于一次星间数据传输的最大值，则建链效益指数降低。
本发明的有益效果是：
通过本发明的方法，能够为北斗三号卫星星座提供卫星、S测控站、Ka测控站作为组网对象的网络链路规划方案，本方法可以灵活适应卫星数量的变化，以及测控站数量及类型的变化，本方法生成的星间链路规划方案具有链路资源利用率高、建链覆盖率高、数据传输跳数低的特点，目前，本方法已经在北斗三号星座的星间链路网络规划中得到应用。
附图说明
图1是规划周期、可见时间片、分钟、时隙之间的关系图；
图2是时隙t的建链情况图；
图3是时隙t+1的建链情况图；
图4是本发明一种北斗三号相控阵捷变星间链路规划方法中第一个可见时间片内S链路规划的流程图；
图5是本发明一种北斗三号相控阵捷变星间链路规划方法中第二个以及之后的所有可见时间片内S链路规划的流程图；
图6是本发明一种北斗三号相控阵捷变星间链路规划方法中Ka链路的规划流程图；
图7是本发明一种北斗三号相控阵捷变星间链路规划方法中卫星及Ka站之间的可见关系无向图的一种情况视图。
具体实施方式
本发明一种北斗三号相控阵捷变星间链路规划方法，具体按照如下步骤实施：
步骤1，S链路规划
根据卫星与S站可见矩阵中每一个可见时间片的卫星与S站可见关系矩阵，卫星与S站可见矩阵描述卫星与S站之间是否可以建立S链路，矩阵的行为卫星，列为S站，若矩阵值为1，表示所在行的卫星与所在列的S站在本可见时间片可以建立S链路，若矩阵值为0，表示所在行的卫星与所在列的S站在本可见时间片不能建立S链路，为每一个可见时间片的每一个S站选择一个与其建立S链路连接的卫星，与S站建链的卫星称为接地卫星，并形成S站接地卫星选择表，其中，S站接地卫星选择表的行为可见时间片的编号，列为各S站，行列交汇的元素为S站在对应的可见时间片选择的接地卫星名称；
其中，步骤1中根据卫星与S站可见矩阵中每一个可见时间片的卫星与S站可见关系矩阵，为每一个可见时间片的每一个S站选择一个与其建立S链路连接的卫星，具体为：
如图4所示，第一个可见时间片内S链路规划：
步骤1.1，建立待分配接地卫星S站集合，此集合表示尚未尝试分配接地卫星的S站，初始值为全部S站；建立无接地卫星S站集合，此集合的元素是经尝试分配接地卫星后，未找到接地卫星的S站，初始值为空集；建立有接地卫星S站集合，此集合的元素是经尝试分配接地卫星后，找到了合适的接地卫星的S站，初始值为空集；建立非接地卫星集合，此集合的元素为非接地卫星，初始值为全部卫星；建立接地卫星集合，此集合的元素是接地卫星，初始值为空集；
步骤1.2，给可见卫星数量最少的一个S站分配接地卫星
从待分配接地卫星S站集合中，找到可见卫星数量最少的一个S站，用M表示此S站，尝试给测站M分配接地卫星：判断S站M与非接地卫星集合中的所有卫星是否均不可见：
若均不可见，则说明在本可见时间片中无法为该S站M找到接地卫星，则将该S站M加入无接地卫星S站集合中并从待分配接地卫星S站集合中删除该S站M；
若有可见的非接地卫星，则说明在本可见时间片中为该S站M找到了接地卫星，选择从本可见时间片开始，与该S站M连续可见时间最长的卫星P作为该S站M在本可见时间片中的接地卫星，并将该S站M添加到有接地卫星S站集合中以及从待分配接地卫星S站集合中删除该S站M，并从非接地卫星集合中删除该卫星P以及向接地卫星集合中添加该卫星P；
步骤1.3，判断待分配接地卫星S站集合是否为空集，若否，则说明还有S站尚未尝试分配接地卫星，则返回步骤1.2，继续进行S链路规划工作，若是，说明已经为全部的S站尝试分配了接地卫星，则本可见时间片的S链路规划工作完成，结束计算；
如图5所示，描述了规划周期中，除第一个可见时间片之外的其它可见时间片中的S链路规划流程。从第2个可见时间片开始，部分S站在上一个可见时间片中，已经分配了接地卫星，且接地卫星与该S站在本可见时间片中继续可见。对于这种情况，应当继续保持该S站与其接地卫星的S链路关系。因此，先扫描一遍全部的S站，对能够保持上一个可见时间片中“S站-接地卫星”的情况进行保持，完成这些S站在本可见时间片中的接地卫星分配，具体为：第二个以及之后的所有可见时间片内S链路规划：
步骤1.4，建待扫描S站集合，初始值为全部S站，并将待分配接地卫星S站集合设为空集；
步骤1.5，从待扫描S站集合中，按名称顺序选择一个S站，此处称为S站N，判断S站N在前一个可见时间片是否有接地卫星Q，且S站N与卫星Q在本可见时间片仍然可见；
如果是，则令S站N与接地卫星Q在本可见时间片继续保持S链路的连接；向有接地卫星S站集合中添加测站N，从非接地卫星集合中删除卫星Q；向接地卫星集合中添加卫星Q，从待扫描S站集合中删除测站N；
如果否，则说明需要为S站N在本可见时间片中重新分配接地卫星；向待分配接地卫星S站集合中添加S站N，从待扫描S站集合中删除S站N，重复上述扫描过程，完成所有S站的扫描，直到待扫描S站集合为空集；
步骤1.6，重复执行步骤1.2-1.3，完成本可见时间片的S链路规划工作；
步骤1.7，重复执行步骤1.4-1.6，进行下一个可见时间片的接地卫星分配，直到完成所有可见时间片的S链路规划。
步骤2，Ka链路规划
如图6所示，根据卫星及Ka站间的可见矩阵，卫星及Ka可见矩阵描述在一个可见时间片中，卫星及卫星或者Ka站之间是否可以建立Ka链路，矩阵的行为卫星或Ka站，列也为卫星或Ka站，若矩阵值为1，表示所在行的卫星或Ka站与所在列的卫星或Ka站在本可见时间片中可以建立Ka链路；若矩阵值为0，表示所在行的卫星或Ka站与所在列的卫星或Ka站在本可见时间片中不能建立Ka链路，以及S站接地卫星选择结果，为卫星及Ka站的每个时隙寻找Ka链路建链对象，一个可见时间片中包含的每一分钟都重复执行相同的建链方案，因此，仅需为每个可见时间片规划出一个一分钟的建链方案，包含一分钟内的20个时隙中，每个卫星、Ka站的Ka链路建链对象，形成卫星建链表，卫星建链表为矩阵结构，矩阵行为卫星或Ka站，矩阵列为时隙编号，矩阵元素记录了其所在行的卫星，在其所在列的时隙中，是否建立了Ka链路、建链对象、数据收发状态；
其中，根据卫星及Ka站间的可见矩阵，以及S站接地卫星选择结果，为卫星及Ka站的每个时隙寻找Ka链路建链对象具体为：
步骤2.1，建立待建链卫星及Ka站集合，集合初始值为所有卫星及Ka站，计算建链需求指数，选择建链需求指数最高的卫星或Ka站作为优先建链者，从待建链卫星及Ka站集合中选择一个优先建链者A；
其中，建链需求指数具体为：
将各卫星或Ka站的对地距离、星上数据堆积量以及可建链路覆盖率进行加权，得到建链需求指数；
其中，对地距离指卫星到达地面的最小跳数，对地距离越远，数据下传路径越长，建链需求越高；
星上数据堆积量表示星上当前存储的遥测数据量，星上数据堆积量越大，向地面下传遥测数据的需求越强，建链需求越高；
可建链路覆盖率表示在本分钟内，本时隙之前的所有时隙中本卫星或Ka站的已建Ka链路占可建Ka链路的百分比，链路覆盖率越低，建链需求越高。
对地距离的计算方法为：
接地卫星与S站通过S链路直接相连，对地距离为0；
Ka站本身在地面，对地距离为0；
将接地卫星与Ka站统称为接地节点，接地节点的对地距离为0；
其他卫星为非接地卫星，其对地距离的计算方法为：
根据卫星及Ka站之间的可见关系，构建无向图，各个卫星及Ka站为图的顶点，若两个顶点可见，则它们之间有边，距离为1跳，对于一颗非接地卫星，计算其到所有接地节点的距离，其最小值即为此非接地卫星的对地距离，单位为跳，如图7所示，非接地卫星A的对地距离为1跳，非接地卫星F的对地距离为2跳；
星上数据堆积量的影响因素为：各卫星在每个时隙都产生新的遥测数据，星间遥测数据传输也会使遥测数据在卫星之间传输，对地距离更大、可见接地节点更少的卫星为数据发送者，对地距离更小、可见接地节点更多的卫星或Ka站为数据接收者，数据发送者将所存遥测数据发送给数据接收者，完成遥测数据的转移，如果数据接收者不是接地卫星或Ka站，则星上数据堆积量增加，如果数据接收者是接地卫星或Ka站，将所有遥测数据传输给地面系统；
步骤2.2，在待建链卫星及Ka站集合中为优先建链者A选择建链效益最高的建链对象K；
若优先建链者A找到了合适的建链对象K，则完成优先建链者A在本时隙的Ka链路建立，则将优先建链者A和建链对象K从待建链卫星及Ka站集合中删除；
若待建链卫星及Ka站集合中的每一个卫星、Ka站都与优先建链者A无法建链，即就是，在卫星及Ka可见矩阵的描述中，待建链卫星及Ka站集合中的每一个对象均与优先建链者A不可见，则优先建链者A在本时隙没有Ka链路能建立，则将优先建链者A从待建链卫星及Ka站集合中删除；
其中，在待建链卫星及Ka站集合中为优先建链者选择建链效益最高的建链对象遵循以下原则：
（1）若A与B在本时隙之前的时隙均未建链，则建链效益指数升高；
（2）若A、B的对地距离均为0，则建链效益指数降低；
（3）若A、B中有一个对象的对地距离为0，且另一个对象的对地距离大于0，则建链效益指数升高；
（4）若A、B的对地距离均大于0，则B的对地距离越小，建链效益指数越高；
（5）若A、B的星上数据堆积量之和大于一次星间数据传输的最大值，则建链效益指数降低；
步骤2.3，判断待建链卫星及Ka站集合是否为空：
若待建链卫星及Ka站集合为空，则证明本时隙的Ka链路规划完成，更新各建链对象的星上数据堆积量和可建链路覆盖率，然后按照步骤2.4执行；
若待建链卫星及Ka站集合不为空，则迭代执行步骤2.2-2.3，直到完成本时隙中所有Ka链路的建立，更新各建链对象的星上数据堆积量和可建链路覆盖率，然后按照步骤2.4执行；
步骤2.4，判断本时隙是否为本分钟内的最后一个时隙，若否则重复执行步骤2.1-2.3，进行本分钟内下一个时隙Ka链路规划，若是则完成本分钟20个时隙的Ka链路规划。
本发明在进行S链路规划时遵循两个约束规则，约束1：充分利用地面的S站资源，尽可能避免S站出现无接地卫星的情况。约束2：尽可能减少S站更换接地卫星的次数，减少S站在不同的可见时间片中更换接地卫星带来的消耗，以提高系统的稳定性。
应对措施如下：第一，对应于约束1，分配接地卫星时，优先给可见卫星数量少的S站分配，这样可以减少某些可见卫星数量少的S站，由于其可见卫星被分配给其它S站作为接地卫星，导致该S站最终没有接地卫星的情况。第二，为一个S站选择接地卫星时，选择从当前时刻起，未来与该S站连续可见时间最长的卫星。这样可以使每次的接地卫星分配都延续尽量长的时间，以减少S站更换接地卫星的次数。
由于上述约束的存在，在相邻的可见时间片的计算过程是相关的，因此需要根据时间顺序，串行的完成各可见时间片中S站的接地卫星选择。
本发明的方法在实现时，具体按照如下步骤：
（1）S链路规划
以卫星与S站可见矩阵作为输入，计算得到每个小时，各个S站选择哪个卫星建立S链路，作为其接地卫星，计算结果保存在数据结构中，并在文本文件中输出，形成S站接地卫星表，S站接地卫星表形式也是矩阵，矩阵行为可见时间片编号，0-167；矩阵列为S站，矩阵元素为各S站在各可见时间片中的接地卫星，文件形式如下表1所示：
表1
| 文件说明 | S站接地卫星选择表 |
| 文件类型 | txt文件 |
| NodeTable | 矩阵形式。 行为时间段编号； 列为各S站； 行列交汇的元素为S站在对应时间段选择的接地卫星名称。 |
（2）Ka链路规划。
以卫星及Ka站可见矩阵、S站接地卫星表作为输入，为卫星及Ka站在每个时隙寻找建链对象，建立Ka链路。由于Ka链路每时隙变化一次，中间结果数据量大，采用Pandas库的数据结构存储中间数据及卫星建链表，index为卫星或Ka站，column为时隙编号。元素为list结构，记录所在index的卫星在所在column的时隙的对地距离、星上数据累积量、Ka链路建链对象、数据收发角色等信息。在计算对地距离时，使用NetworkX库，在每个可见时间段中，卫星建链表的内容如下表2所示：
表2
| 属性 | 说明 |
| period_id | 可见时间段ID |
| period_start_time | 可见时间段开始时间 |
| period_end_time | 可见时间段结束时间 |
| 卫星Sat1在时隙1的建链情况 | 是否建链； 建链对象； 收发状态：本星为数据接收方/发送方； |
| … | … |
| 卫星Sat1在时隙20的建链情况 | 是否建链； 建链对象； 收发状态：本星为数据接收方/发送方； |
| … | … |
| 卫星SatN在时隙1的建链情况 | 是否建链； 建链对象； 收发状态：本星为数据接收方/发送方； |
| … | … |
| 卫星SatN在时隙20的建链情况 | 是否建链； 建链对象； 收发状态：本星为数据接收方/发送方； |
Claims (7)
1.一种北斗三号相控阵捷变星间链路规划方法，其特征在于，具体按照如下步骤实施：
步骤1，S链路规划
根据卫星与S站可见矩阵中每一个可见时间片的卫星与S站可见关系矩阵，为每一个可见时间片的每一个S站选择一个与其建立S链路连接的卫星，与S站建链的卫星称为接地卫星，并形成S站接地卫星选择表，其中，S站接地卫星选择表的行为可见时间片的编号，列为各S站，行列交汇的元素为S站在对应的可见时间片选择的接地卫星名称；
步骤2，Ka链路规划
根据卫星及Ka站间的可见矩阵，以及S站接地卫星选择结果，为卫星及Ka站的每个时隙寻找Ka链路建链对象，一个可见时间片中包含的每一分钟都重复执行相同的建链方案，因此，仅需为每个可见时间片规划出一个一分钟的建链方案，包含一分钟内的20个时隙中，每个卫星、Ka站的Ka链路建链对象，形成卫星建链表，采用Pandas库的数据结构存储卫星建链表，index为卫星或Ka站，column为时隙编号，元素为list结构，记录该卫星在该时隙是否建链、Ka链路建链对象、数据收发状态；
所述步骤1中卫星与S站可见矩阵描述卫星与S站之间是否可以建立S链路，矩阵的行为卫星，列为S站，若矩阵值为1，表示所在行的卫星与所在列的S站在本可见时间片可以建立S链路，若矩阵值为0，表示所在行的卫星与所在列的S站在本可见时间片不能建立S链路；
所述步骤1中根据卫星与S站可见矩阵中每一个可见时间片的卫星与S站可见关系矩阵，为每一个可见时间片的每一个S站选择一个与其建立S链路连接的卫星，具体为：
第一个可见时间片内S链路规划：
步骤1.1，建立待分配接地卫星S站集合，此集合表示尚未尝试分配接地卫星的S站，初始值为全部S站；建立无接地卫星S站集合，此集合的元素是经尝试分配接地卫星后，未找到接地卫星的S站，初始值为空集；建立有接地卫星S站集合，此集合的元素是经尝试分配接地卫星后，找到了合适的接地卫星的S站，初始值为空集；建立非接地卫星集合，此集合的元素为非接地卫星，初始值为全部卫星；建立接地卫星集合，此集合的元素是接地卫星，初始值为空集；
步骤1.2，给可见卫星数量最少的一个S站分配接地卫星
从待分配接地卫星S站集合中，找到可见卫星数量最少的一个S站，用M表示此S站，尝试给测站M分配接地卫星：判断S站M与非接地卫星集合中的所有卫星是否均不可见：
若均不可见，则说明在本可见时间片中无法为该S站M找到接地卫星，则将该S站M加入无接地卫星S站集合中并从待分配接地卫星S站集合中删除该S站M；
若有可见的非接地卫星，则说明在本可见时间片中为该S站M找到了接地卫星，选择从本可见时间片开始，与该S站M连续可见时间最长的卫星P作为该S站M在本可见时间片中的接地卫星，并将该S站M添加到有接地卫星S站集合中以及从待分配接地卫星S站集合中删除该S站M，并从非接地卫星集合中删除该卫星P以及向接地卫星集合中添加该卫星P；
步骤1.3，判断待分配接地卫星S站集合是否为空集，若否，则说明还有S站尚未尝试分配接地卫星，则返回步骤1.2，继续进行S链路规划工作，若是，说明已经为全部的S站尝试分配了接地卫星，则本可见时间片的S链路规划工作完成，结束计算；
第二个以及之后的所有可见时间片内S链路规划：
步骤1.4，建待扫描S站集合，初始值为全部S站，并将待分配接地卫星S站集合设为空集；
步骤1.5，从待扫描S站集合中，按名称顺序选择一个S站，此处称为S站N，判断S站N在前一个可见时间片是否有接地卫星Q，且S站N与卫星Q在本可见时间片仍然可见；
如果是，则令S站N与接地卫星Q在本可见时间片继续保持S链路的连接；向有接地卫星S站集合中添加测站N，从非接地卫星集合中删除卫星Q；向接地卫星集合中添加卫星Q，从待扫描S站集合中删除测站N；
如果否，则说明需要为S站N在本可见时间片中重新分配接地卫星；向待分配接地卫星S站集合中添加S站N，从待扫描S站集合中删除S站N，重复上述扫描过程，完成所有S站的扫描，直到待扫描S站集合为空集；
步骤1.6，重复执行步骤1.2-1.3，完成本可见时间片的S链路规划工作；
步骤1.7，重复执行步骤1.4-1.6，进行下一个可见时间片的接地卫星分配，直到完成所有可见时间片的S链路规划。
2.根据权利要求1所述的一种北斗三号相控阵捷变星间链路规划方法，其特征在于，步骤2中所述的卫星及Ka可见矩阵描述在一个可见时间片中，卫星及卫星或者Ka站之间是否可以建立Ka链路，矩阵的行为卫星或Ka站，列也为卫星或Ka站，若矩阵值为1，表示所在行的卫星或Ka站与所在列的卫星或Ka站在本可见时间片中可以建立Ka链路；若矩阵值为0，表示所在行的卫星或Ka站与所在列的卫星或Ka站在本可见时间片中不能建立Ka链路。
3.根据权利要求1所述的一种北斗三号相控阵捷变星间链路规划方法，其特征在于，所述步骤2中根据卫星及Ka站间的可见矩阵，以及S站接地卫星选择结果，为卫星及Ka站的每个时隙寻找Ka链路建链对象具体为：
步骤2.1，建立待建链卫星及Ka站集合，集合初始值为所有卫星及Ka站，计算建链需求指数，选择建链需求指数最高的卫星或Ka站作为优先建链者，从待建链卫星及Ka站集合中选择一个优先建链者A；
步骤2.2，在待建链卫星及Ka站集合中为优先建链者A选择建链效益最高的建链对象K；
若优先建链者A找到了合适的建链对象K，则完成优先建链者A在本时隙的Ka链路建立，则将优先建链者A和建链对象K从待建链卫星及Ka站集合中删除；
若待建链卫星及Ka站集合中的每一个卫星、Ka站都与优先建链者A无法建链，即就是，在卫星及Ka可见矩阵的描述中，待建链卫星及Ka站集合中的每一个对象均与优先建链者A不可见，则优先建链者A在本时隙没有Ka链路能建立，则将优先建链者A从待建链卫星及Ka站集合中删除；
步骤2.3，判断待建链卫星及Ka站集合是否为空：
若待建链卫星及Ka站集合为空，则证明本时隙的Ka链路规划完成，更新各建链对象的星上数据堆积量和可建链路覆盖率，然后按照步骤2.4执行；
若待建链卫星及Ka站集合不为空，则迭代执行步骤2.2-2.3，直到完成本时隙中所有Ka链路的建立，更新各建链对象的星上数据堆积量和可建链路覆盖率，然后按照步骤2.4执行；
步骤2.4，判断本时隙是否为本分钟内的最后一个时隙，若否则重复执行步骤2.1-2.3，进行本分钟内下一个时隙Ka链路规划，若是则完成本分钟20个时隙的Ka链路规划。
4.根据权利要求3所述的一种北斗三号相控阵捷变星间链路规划方法，其特征在于，所述步骤2.1中的建链需求指数具体为：
将各卫星或Ka站的对地距离、星上数据堆积量以及可建链路覆盖率进行加权，得到建链需求指数；
其中，对地距离指卫星到达地面的最小跳数，对地距离越远，数据下传路径越长，建链需求越高；
星上数据堆积量表示星上当前存储的遥测数据量，星上数据堆积量越大，向地面下传遥测数据的需求越强，建链需求越高；
可建链路覆盖率表示在本分钟内，本时隙之前的所有时隙中本卫星或Ka站的已建Ka链路占可建Ka链路的百分比，链路覆盖率越低，建链需求越高。
5.根据权利要求4所述的一种北斗三号相控阵捷变星间链路规划方法，其特征在于，所述对地距离的计算方法为：
接地卫星与S站通过S链路直接相连，对地距离为0；
Ka站本身在地面，对地距离为0；
将接地卫星与Ka站统称为接地节点，接地节点的对地距离为0；
其他卫星为非接地卫星，其对地距离的计算方法为：
根据卫星及Ka站之间的可见关系，构建无向图，各个卫星及Ka站为图的顶点，若两个顶点可见，则它们之间有边，距离为1跳，对于一颗非接地卫星，计算其到所有接地节点的距离，其最小值即为此非接地卫星的对地距离，单位为跳。
6.根据权利要求5所述的一种北斗三号相控阵捷变星间链路规划方法，其特征在于，星上数据堆积量的影响因素为：各卫星在每个时隙都产生新的遥测数据，星间遥测数据传输也会使遥测数据在卫星之间传输，对地距离更大、可见接地节点更少的卫星为数据发送者，对地距离更小、可见接地节点更多的卫星或Ka站为数据接收者，数据发送者将所存遥测数据发送给数据接收者，完成遥测数据的转移，如果数据接收者不是接地卫星或Ka站，则星上数据堆积量增加，如果数据接收者是接地卫星或Ka站，将所有遥测数据传输给地面系统。
7.根据权利要求3所述的一种北斗三号相控阵捷变星间链路规划方法，其特征在于，所述步骤2.2在待建链卫星及Ka站集合中为优先建链者选择建链效益最高的建链对象遵循以下原则：
（1）若优先建链者A与建链对象B在本时隙之前的时隙均未建链，则建链效益指数升高；
（2）若优先建链者A、建链对象B的对地距离均为0，则建链效益指数降低；
（3）若优先建链者A、建链对象B中有一个对象的对地距离为0，且另一个对象的对地距离大于0，则建链效益指数升高；
（4）若优先建链者A、建链对象B的对地距离均大于0，则建链对象B的对地距离越小，建链效益指数越高；
（5）若优先建链者A、建链对象B的星上数据堆积量之和大于一次星间数据传输的最大值，则建链效益指数降低。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010105334.0A CN111277322B (zh) | 2020-02-20 | 2020-02-20 | 一种北斗三号相控阵捷变星间链路规划方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010105334.0A CN111277322B (zh) | 2020-02-20 | 2020-02-20 | 一种北斗三号相控阵捷变星间链路规划方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111277322A CN111277322A (zh) | 2020-06-12 |
| CN111277322B true CN111277322B (zh) | 2021-12-14 |
Family
ID=71003648
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010105334.0A Active CN111277322B (zh) | 2020-02-20 | 2020-02-20 | 一种北斗三号相控阵捷变星间链路规划方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111277322B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114978273A (zh) * | 2022-04-06 | 2022-08-30 | 航天行云科技有限公司 | 一种星地负载均衡的处理方法以及地面控制中心 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106597475B (zh) * | 2016-11-14 | 2019-01-11 | 中国西安卫星测控中心 | 一种北斗导航系统星间链路建立的方法 |
| US10291316B1 (en) * | 2017-12-11 | 2019-05-14 | Star Mesh LLC | Data transmission systems and methods using satellite-to-satellite radio links |
-
2020
- 2020-02-20 CN CN202010105334.0A patent/CN111277322B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111277322A (zh) | 2020-06-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP1483926B1 (en) | Carrier allocation | |
| CN106059652B (zh) | 一种启发式快速卫星数据接收资源联合分配方法 | |
| US5452294A (en) | Method and apparatus for adaptive route selection in communication networks | |
| US4864563A (en) | Method for establishing and maintaining a nodal network in a communication system | |
| US20020059400A1 (en) | Method and apparatus for split download | |
| CN111277322B (zh) | 一种北斗三号相控阵捷变星间链路规划方法 | |
| JP3613826B2 (ja) | 衛星ネットワークにおける通信チャネルの割り当て方法 | |
| PL178556B1 (pl) | Sposób przydzielania częstotliwości dla stacji stałych sieci radiowej telekomunikacji ruchomej | |
| CN109743735A (zh) | 一种卫星通信系统中基于深度增强学习的动态信道分配方法 | |
| US6195553B1 (en) | Method and apparatus for determining optimal paths among objects of a communications network | |
| US5862479A (en) | Space-based communication system and method with continuous channel reuse maintenance | |
| CN114301794B (zh) | 面向leomeo双层卫星星座的层间链路拓扑设计方法 | |
| CN112600606A (zh) | 一种星间链路节点快速接入的方法 | |
| Li et al. | Joint mode selection and resource allocation for D2D communications under queueing constraints | |
| US7756064B2 (en) | Reduced complexity staged topologies for wireless communications | |
| US7756062B2 (en) | Periodically reconfigured networks | |
| US7756063B2 (en) | Parallel wireless topologies | |
| CN115765837A (zh) | 一种面向低轨卫星物联网的sdn控制器部署方法 | |
| CN111491382A (zh) | 卫星容量分配方法、装置和电子设备 | |
| Iida et al. | SatSysSim: A Novel Event-Driven Simulation Framework for DVB/RCS2 Performance Characterization | |
| CN100458760C (zh) | 一种无线网络 | |
| CN112165708B (zh) | 飞行器、多卡管理系统及其控制方法 | |
| CN114978273A (zh) | 一种星地负载均衡的处理方法以及地面控制中心 | |
| Wang et al. | A novel routing algorithm design of time evolving graph based on pairing heap for MEO satellite network | |
| CN111308502B (zh) | 一种北斗三号相控阵捷变星间链路遥控上行路径搜索方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |