CN112131691A - 一种面向星间链路运行管理的时隙规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种面向星间链路运行管理的时隙规划方法，规划主要包括以下几步：统计时隙资源及规划周期，划分不同资源类型，地面站与境内星等时隙间隔均匀建链，根据运控约束补充建链，根据测控约束补充建链，从而建立导航系统星间链路时隙规划。通过引入负载均衡策略，使星间链路的传输时延、几何构型均可以达到良好的业务指标水平。

Description

一种面向星间链路运行管理的时隙规划方法

技术领域

本发明涉及航天技术领域，具体涉及一种面向星间链路运行管理的时隙规划方法。

背景技术

导航卫星星座能够利用星间链路通信和进行测距，实现自主导航，借助转发测控信号来达到间接测控。尤其是通过星间链路还可以实现星地联合定轨,提高导航定位精度，对地面站过少的国家大有益处。所以星间链路是可以很好的解决导航卫星星座地面站数量与位置受限的难题，是导航系统发展的必然趋势。为实现以上功能，需要全部星座中的卫星通过无线链路达到全连通，并且卫星自主定轨也要求每颗卫星都有轨道间星间链路。不过，星座拓扑结构复杂，需求和边界条件繁多，而且还有时变空变的特点。星间链路的时隙拓扑设计实现了规划与调度星间链路的相关资源。它是整个系统的顶层方案,是整个星间链路的核心，并且影响星地联合定轨和自主定轨的精度。因此开展星间链路时隙拓扑设计具有重要意义。

目前，星间链路时隙拓扑设计，大多以优化卫星几何构型(DOP值)为优化目标，随着DOP值的减小，其对卫星定轨精度的改善效果将变得非常有限。如果一味追求几何构型的最优化，会在一定程度上浪费了星间链路资源。

发明内容

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种面向星间链路运行管理的时隙规划方法，其包括以下步骤：

步骤1、统计时隙资源及规划周期：时隙是拓扑设计的最小单元，为两个节点(地面站、卫星)一次建链的持续时长；一分钟内时隙数量＝一分钟/两个节点一次建链的持续时长；通常为了减少数据传输量，在一周期内每分钟时隙是相同的；时隙表数＝周期数量＝星间链路规划总时长/周期持续长度；

步骤2、划分不同资源类型：根据周期内卫星与地面站可视关系，将卫星划分为境内星和境外星；与地面站可见的卫星为境内星，境内星和地面站在本周期内可以建链；与地面站不可见的卫星为境外星，境外星和地面站在本周期内不可以建链；根据每个周期内一颗卫星与其他卫星可视关系，可以将其他卫星划分为可见卫星集合和不可见卫星集合；可见卫星集合中的卫星可以在本周期内与所述卫星建链；不可见卫星集合中的卫星不可以在本周期内与所述卫星建链；

步骤3、地面站与境内星等时隙间隔均匀建链：境内星与地面站建链，可以实现星地数据互传；在每分钟内，境内星应与地面站等时隙间隔均匀建链；这样建链，有利于将与境内星建链的其他卫星以及境内星本身的数据，尽快地与地面站实现互传，有助于减少时延；

步骤4、根据运控约束补充建链：由于高轨道卫星不能作为运控时频体系下的境内星，所以此时高轨道卫星要先从境内星集合中去除；根据业务需求不同，需要每分钟境外星至少与2颗去除高轨道卫星的境内星一跳建链；

步骤5、根据测控约束补充建链：由于所述步骤3中进行星地建链的过程中，已经尽可能实现星地链路的均匀分散建链；在本步骤中，主要进行境外星与境内星建链；由此，打通境外星-境内星-地面站的链路，实现境外星与地面站信息相互传输。

进一步地，所述步骤3中，地面站与境内星等时隙间隔均匀建链包括具体以下几步：

步骤31、设置星地建链时隙间隔：若时隙间隔太大，会导致星地链路建立稀疏，星地传输能力无法满足需求；若时隙间隔太小，会出现资源抢占；

步骤32、将境内星分配到地面站：依次遍历每一颗境内星，分别从可选(可见)地面站中，选出已分配境内星个数最少的一个地面站，将所述待规划境内星分配给所述地面站；

步骤33、星地均匀建链：依次遍历每一个地面站，根据步骤31所述间隔，对步骤32规划好的境内星和地面站，在一分钟内等时隙间隔建链。

进一步地，所述步骤4中，根据运控约束补充建链，包括具体以下几步：

步骤41、选出可建链境内星集合：依次遍历每一颗境外星，分别选出与所述境外星可见的境内星集合，以便于实现境外星与境内星一跳建链；

步骤42、生成建链对：依次遍历每一颗境外星，分别对选出的境内星，计算本分钟内作为接入星的次数；选出接入次数最小的两颗境内星；因此，在一分钟内，对于每一颗境外星，都有两颗境内星，形成两组建链对；

步骤43、建链对进行建链：在本分钟循环建链过程中，先判断当前时隙建链对的两颗卫星是否为待机时隙；若均为待机时隙，则建链，并从全部建链对集合中删除该建链对，再进入下一时隙搜索，若不为待机时隙，则不建链，进入下一时隙搜索，直到所有建链对全部实现建链。

进一步地，所述步骤5中，根据测控约束补充建链，具体包括以下步骤：

步骤51、设置待机时隙阈值：需要在时隙规划中预留一定空余待机时隙，为后期规划遥控指令上注、星地联合定轨与时间同步等业务预留时隙；

步骤52、排列境外星：根据本分钟境外星待机时隙次数，降序排列境外星。即实现待机次数越多的境外星优先规划，减少时延，实现负载均衡；

步骤53、判断是否达到阈值：计算本次循环待机时隙比例；若此时待机时隙比例未达到步骤51所述阈值，则继续执行之后步骤；若已经达到或超过所述阈值，则本时隙建链完毕，进入下一时隙建链；

步骤54、针对每颗境外星搜索可建链星：所述可建链星是境外星的可见星，同时在本时隙内为待机状态的境内星；

步骤55、选出最优的可建链星：对步骤54所述可建链星，按照优先级顺序，选出最优的可建链星；同一类优先级顺序相同时，比较下一优先级，排序优先级为：

第1优先级，境外星与各可建链星已建链次数：对在本分钟内当前规划境外星，与所述步骤54各可建链星已建链次数，按照升序排列。次数越低的，优先级越高；

第2优先级，可建链星已建链次数：对本分钟内，所述步骤54各可建链星已建链时隙次数，按照升序排列，次数越低的，优先级越高；

步骤56、测控建链：对所述步骤53每颗境外星与步骤55选出的最优境内星，在本时隙进行建链；

步骤57、循环测控建链：重复步骤53至步骤56，实现本时隙内测控循环建链，直到超出步骤51所设阈值或者全部境外星建链。

附图说明

图1面向星间链路运行管理的时隙规划流程图。

图2地面站与境内星等时隙间隔均匀建链流程图。

图3根据运控约束补充建链流程图

图4根据测控约束补充建链流程图

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

图1为面向星间链路运行管理的时隙规划流程图，包括以下步骤：

步骤1、统计时隙资源及规划周期：时隙是拓扑设计的最小单元，为两个节点(地面站、卫星)一次建链的持续时长；一分钟内时隙数量＝一分钟/两个节点一次建链的持续时长；规划周期＝时隙表数＝星间链路规划总时长/周期持续长度；通常为了减少数据传输量，在一周期内每分钟时隙是相同的。

示例性的，若两个节点一次建链持续时常为2秒，则一分钟内有个30时隙；若星间链路规划总时长为10天，周期持续长度为10分钟，则时隙表数＝周期数量＝1440张。因此，可以按照1440个不同周期进行规划；每个周期为10分钟，其中每分钟时隙规划是相同的；每分钟需要规划30个不同时隙。

步骤2、划分不同资源类型：根据周期内卫星与地面站可视关系，将卫星划分为境内星和境外星；与地面站可见的卫星为境内星，境内星和地面站在本周期内可以建链；与地面站不可见的卫星为境外星，境外星和地面站在本周期内不可以建链；根据每个周期内一颗卫星与其他卫星可视关系，可以将其他卫星划分为可见卫星集合和不可见卫星集合；可见卫星集合中的卫星可以在本周期内与所述卫星建链；不可见卫星集合中的卫星不可以在本周期内与所述卫星建链。

步骤3、地面站与境内星等时隙间隔均匀建链：境内星与地面站建链，可以实现星地数据互传；在每分钟内，境内星应与地面站等时隙间隔均匀建链；这样建链，有利于将与境内星建链的其他卫星以及境内星本身的数据，尽快地与地面站实现互传，有助于减少时延。

步骤4、根据运控约束补充建链：由于高轨道卫星不能作为运控时频体系下的境内星，所以此时高轨道卫星要先从境内星集合中去除；根据业务需求不同，需要每分钟境外星至少与2颗去除高轨道卫星的境内星一跳建链。

步骤5、根据测控约束补充建链：由于所述步骤3中进行星地建链的过程中，已经尽可能实现星地链路的均匀分散建链；在本步骤中，主要进行境外星与境内星建链；由此，打通境外星-境内星-地面站的链路，实现境外星与地面站信息相互传输。

进一步地，所述步骤3中，地面站与境内星等时隙间隔均匀建链包括具体以下几步，如图2所示：

步骤31、设置星地建链时隙间隔：若时隙间隔太大，会导致星地链路建立稀疏，星地传输能力无法满足需求；若时隙间隔太小，会出现资源抢占；可选的，境内星与地面站时隙建链间隔在3-8之间。

步骤32、将境内星分配到地面站：依次遍历每一颗境内星，分别从可选(可见)地面站中，选出已分配境内星个数最少的一个地面站，将所述待规划境内星分配给所述地面站。

示例性的，若此时编号9的境内星可选的地面站编号为[1 3 7 8]，地面站已分配境内星数量分别为[1 2 3 2]。由于编号1的地面站此时只分配了一颗境内星，故将编号9的境内星分配给编号1的地面站。

步骤33、星地均匀建链：依次遍历每一个地面站，根据步骤31所述间隔，对步骤32规划好的境内星和地面站，在一分钟内等时隙间隔建链。

示例性的，若编号1的地面站分配了编号9的境内星和编号13的境内星，且建链间隔为4，则编号1地面站时隙可以是[9 13 0 0 9 13 0 0 9 13 0 0 9 13 0 0 9 13 0 0 913 0 0 9 13 0 0 9 13]，此时编号9的境内星时隙为[1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 01 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0]，编号13的境内星时隙为[0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 10 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1]。其中，0元素表示该时隙未建链。

进一步地，所述步骤4中，根据运控约束补充建链，包括具体以下几步，如图3所示：

步骤41、选出可建链境内星集合：依次遍历每一颗境外星，分别选出与所述境外星可见的境内星集合，以便于实现境外星与境内星一跳建链。

示例性的，若编号7的境外星的可见星为[3 6 9 10 12 13 15 16 18 19 23 2425 26 27 28 29 30]，若境内星为[4 5 6 8 9 10 11 15 16 25 26 27 28]。对所述境外星的可见星和所述境内星为求交集，则选出的境内星集合为[6 9 10 15 16 25 26 27 28]。

步骤42、生成建链对：依次遍历每一颗境外星，分别对选出的境内星，计算本分钟内作为接入星的次数；选出接入次数最小的两颗境内星；因此，在一分钟内，对于每一颗境外星，都有两颗境内星，形成两组建链对。对于N颗境外星，则会形成2*N组建链对。

示例性的，若编号7的境外星，合适的境内星编号为[6 9 10 15 16 25 26 2728]，在本分钟内作为接入星次数分别为[2 1 1 2 1 2 2 2 1]。此时，编号9和编号10作为接入星次数为1(虽然编号16和编号28作为接入星次数也为1，但是仅能选两颗，且排在后面，故不选)。则在本实施例中，编号7的境外星选出的境内星为[9 10]，两组建链对分别为[7 9]，[7 10]。依次循环N颗境外星，生成2*N组建链对。

步骤43、建链对进行建链：在本分钟循环建链过程中，先判断当前时隙建链对的两颗卫星是否为待机时隙；若均为待机时隙，则建链，并从全部建链对集合中删除该建链对，再进入下一时隙搜索，若不为待机时隙，则不建链，进入下一时隙搜索，直到所有建链对全部实现建链。

进一步地，所述步骤5中，根据测控约束补充建链，具体包括以下步骤，如图4所示：

步骤51、设置待机时隙阈值：需要在时隙规划中预留一定空余待机时隙，为后期规划遥控指令上注、星地联合定轨与时间同步等业务预留时隙。可选的，待机时隙阈值取值范围一般在5％-30％之间。

步骤52、排列境外星：根据本分钟境外星待机时隙次数，降序排列境外星。即实现待机次数越多的境外星优先规划，减少时延，实现负载均衡。

步骤53、判断是否达到阈值：计算本次循环待机时隙比例；若此时待机时隙比例未达到步骤51所述阈值，则继续执行之后步骤；若已经达到或超过所述阈值，则本时隙建链完毕，进入下一时隙建链。

步骤54、针对每颗境外星搜索可建链星：所述可建链星是境外星的可见星，同时在本时隙内为待机状态的境内星。

示例性的，若编号11的境外星，可见星的编号为[1 2 4 5 8 9 13 14 15 19 2022 23 24 25 26 27 28 29 30]，境内星编号为[1 2 3 4 5 6 8 9 10 11 15 16 25 26 2728]，则可见的境内星集合编号为[1 2 4 5 8 9 15 25 26 27 28]。若编号[1 2 8]卫星本时隙内已经建链，则不能再建链，应去除。所以最终选出的可建链星集合编号为[4 5 9 1525 26 27 28]。

步骤55、选出最优的可建链星：对步骤54所述可建链星，按照优先级顺序，选出最优的可建链星；同一类优先级顺序相同时，比较下一优先级，排序优先级为：

第1优先级，境外星与各可建链星已建链次数：对在本分钟内当前规划境外星，与所述步骤54各可建链星已建链次数，按照升序排列。次数越低的，优先级越高。

示例性的，第1优先级：若可建链星编号为[4 5 9 15 25 26 27 28]，与编号11的境外星建链次数分别为[0 0 2 1 0 0 0 0]，则可建链星排列为[4 5 25 26 27 28 9 15]。此时，与编号11境外星建链次数为0的境内星编号为[4 5 25 26 27 28]。

第2优先级，可建链星已建链次数：对本分钟内，所述步骤54各可建链星已建链时隙次数，按照升序排列，次数越低的，优先级越高。

示例性的，第2优先级：可建链星编号为[4 5 25 26 27 28]，在本时隙内已经建链次数为[4 1 2 2 2 3]，则可建链星排列为[5 25 26 27 28 4]。因此，对于编号11的境外星，最优的可建链星编号为5。

步骤56、测控建链：对所述步骤53每颗境外星与步骤55选出的最优境内星，在本时隙进行建链。

步骤57、循环测控建链：重复步骤53至步骤56，实现本时隙内测控循环建链，直到超出步骤51所设阈值或者全部境外星建链。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种面向星间链路运行管理的时隙规划方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、统计时隙资源及规划周期：时隙是拓扑设计的最小单元，为两个节点(地面站、卫星)一次建链的持续时长；一分钟内时隙数量＝一分钟/两个节点一次建链的持续时长；规划周期＝时隙表数＝星间链路规划总时长/周期持续长度；

步骤2、划分不同资源类型：根据周期内卫星与地面站可视关系，将卫星划分为境内星和境外星；与地面站可见的卫星为境内星，境内星和地面站在本周期内可以建链；与地面站不可见的卫星为境外星，境外星和地面站在本周期内不可以建链；根据每个周期内一颗卫星与其他卫星可视关系，可以将其他卫星划分为可见卫星集合和不可见卫星集合；可见卫星集合中的卫星可以在本周期内与所述卫星建链；不可见卫星集合中的卫星不可以在本周期内与所述卫星建链；

步骤3、地面站与境内星等时隙间隔均匀建链：境内星与地面站建链，可以实现星地数据互传；在每分钟内，境内星应与地面站等时隙间隔均匀建链；这样建链，有利于将与境内星建链的其他卫星以及境内星本身的数据，尽快地与地面站实现互传，有助于减少时延；

步骤4、根据运控约束补充建链：由于高轨道卫星不能作为运控时频体系下的境内星，所以此时高轨道卫星要先从境内星集合中去除；根据业务需求不同，需要每分钟境外星至少与两颗去除高轨道卫星的境内星一跳建链；

步骤5、根据测控约束补充建链：由于所述步骤3中进行星地建链的过程中，已经尽可能实现星地链路的均匀分散建链；在本步骤中，主要进行境外星与境内星建链；由此，打通境外星-境内星-地面站的链路，实现境外星与地面站信息相互传输。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3包括以下步骤：

步骤31、设置星地建链时隙间隔：若时隙间隔太大，会导致星地链路建立稀疏，星地传输能力无法满足需求；若时隙间隔太小，会出现资源抢占；

步骤32、将境内星分配到地面站：依次遍历每一颗境内星，分别从可选(可见)地面站中，选出已分配境内星个数最少的一个地面站，将所述待规划境内星分配给所述地面站；

步骤33、星地均匀建链：依次遍历每一个地面站，根据步骤31所述间隔，对步骤32规划好的境内星和地面站，在一分钟内等时隙间隔建链。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4包括以下步骤：

步骤41、选出可建链境内星集合：依次遍历每一颗境外星，分别选出与所述境外星可见的境内星集合，以便于实现境外星与境内星一跳建链；

步骤42、生成建链对：依次遍历每一颗境外星，分别对选出的境内星，计算本分钟内作为接入星的次数；选出接入次数最小的两颗境内星；因此，在一分钟内，对于每一颗境外星，都有两颗境内星，形成两组建链对；

步骤43、建链对进行建链：在本分钟循环建链过程中，先判断当前时隙建链对的两颗卫星是否为待机时隙；若均为待机时隙，则建链，并从全部建链对集合中删除该建链对，再进入下一时隙搜索，若不为待机时隙，则不建链，进入下一时隙搜索，直到所有建链对全部实现建链。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5，包括以下步骤：

步骤51、设置待机时隙阈值：需要在时隙规划中预留一定空余待机时隙，为后期规划遥控指令上注、星地联合定轨与时间同步等业务预留时隙；

步骤52、排列境外星：根据本分钟境外星待机时隙次数，降序排列境外星。即实现待机次数越多的境外星优先规划，减少时延，实现负载均衡；

步骤53、判断是否达到阈值：计算本次循环待机时隙比例；若此时待机时隙比例未达到步骤51所述阈值，则继续执行之后步骤；若已经达到或超过所述阈值，则本时隙建链完毕，进入下一时隙建链；

步骤54、针对每颗境外星搜索可建链星：所述可建链星是境外星的可见星，同时在本时隙内为待机状态的境内星；

步骤55、选出最优的可建链星：对步骤54所述可建链星，按照优先级顺序，选出最优的可建链星；同一类优先级顺序相同时，比较下一优先级，排序优先级为：

第1优先级，境外星与各可建链星已建链次数：对在本分钟内当前规划境外星，与所述步骤54各可建链星已建链次数，按照升序排列。次数越低的，优先级越高；

第2优先级，可建链星已建链次数：对本分钟内，所述步骤54各可建链星已建链时隙次数，按照升序排列，次数越低的，优先级越高；

步骤56、测控建链：对所述步骤53每颗境外星与步骤55选出的最优境内星，在本时隙进行建链；

步骤57、循环测控建链：重复步骤53至步骤56，实现本时隙内测控循环建链，直到超出步骤51所设阈值或者全部境外星建链。

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