CN112202485A - 低轨卫星网络拓扑动态性屏蔽方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低轨卫星网络拓扑动态性屏蔽方法，该方法包括：每个卫星分配一个二元数组(v,h)作为虚拟节点的虚拟地址，表示其为第h个轨道面第v颗卫星；假定与卫星运行轨道平面保持相对静止的天球，每个虚拟地址在天球中对应的区域为固定区域；通过更新卫星的虚拟地址实现卫星与天球区域一一映射；卫星运行过程中h地址保持不变，v地址随卫星纬度变化而更新；将天球区域划分为四个区域，分别为虚拟北极区、虚拟南极区、第一连通区和第二连通区，第一连通区和第二连通区位于虚拟北极区和虚拟南极区之间并通过缝隙隔开。本发明的低轨卫星网络拓扑动态性屏蔽方法，通过虚拟地址更新实现了静态的虚拟网络拓扑。

Description

低轨卫星网络拓扑动态性屏蔽方法

技术领域

本发明涉及卫星网路拓扑技术领域，尤其涉及一种低轨卫星网络拓扑动态性屏蔽方法。

背景技术

近年来，基于低轨(LEO)卫星星座构建的卫星网络系统不断涌现，是未来天地一体化信息网络的发展重点。LEO极轨道星座是应用最广泛的星座类型，具有低时延、覆盖性能优的特点。由于极区和地球自转影响以及异轨卫星存在相位差问题，在该类型星座中星间链路(ISL，inter-satellite links)切换频繁，主要表现为：1、极区异轨星间链路(H-ISL)中断与重建：极区异轨星间链路(H-ISL)方向变化剧烈，因此在卫星飞入极区时H-ISL断开，飞出极区时H-ISL重建。2、跨缝隙不建立H-ISL：第一轨道面和第n₂轨道面卫星运动方向相反，H-ISL难以维持，此处不建立H-ISL，形成两个相隔180°的缝隙。3、异轨卫星相位差存在时非同步切换：当异轨卫星间相位差不为0时，由H-ISL相连的卫星(定义为同一行卫星)相位不同，先后飞越极区边界时，会出现同行卫星H-ISL非同步中断或重建问题。

卫星网络拓扑动态性给网络移动性管理和路由算法设计带来巨大挑战。目前用于屏蔽拓扑动态性的方法主要是虚拟节点(VN，Virtual Node)法。该方法通过对地理区域进行网格划分，将每个网格作为虚拟节点并分配一个虚拟地址，将卫星与地理网格一一对应。同时卫星采用地球足印固定模式，在运动过程中对准固定的地理网格，当卫星飞越对应网格后由同轨道面下一颗卫星接替，且继承上一卫星的虚拟节点地址和网络状态，从而实现在虚拟节点网络中的静态拓扑。

发明人发现现有技术至少存在以下问题：

由于虚拟节点与地理区域绑定，当考虑地球自转时，地理网格与其对应的卫星经度差越来越大，卫星对该地理网格的天线偏转角也越来越大，同时当地的通信仰角逐渐减小,直至通信仰角减小至0。此时该轨道面内卫星无法继续对该地理网格实现覆盖，虚拟拓扑被迫发生重构。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种低轨卫星网络拓扑动态性屏蔽方法。具体技术方案如下：

一种低轨卫星网络拓扑动态性屏蔽方法，所述方法包括：

对于n₁个轨道面采用π型分布沿赤道均匀分布，每轨道面包含n₂颗均匀分布的卫星的LEO极轨道星座，相邻轨道间升交点赤经差为ΔΩ＝π/n₁，同一轨道面内相邻卫星相位差为ω_f＝2π/n₂，所有卫星轨道高度相同且轨道倾角为近90°，当相位因子为F时，异轨卫星相位差为Δf＝2πF/(n₁n₂)，0≤F≤n₂-1，F为整数；

每个卫星分配一个二元数组(v,h)作为虚拟节点的虚拟地址，表示其为第h个轨道面第v颗卫星；

假定与卫星运行轨道平面保持相对静止的天球，每个虚拟地址在天球中对应的区域为固定区域；

通过更新卫星虚拟地址实现卫星与天球区域一一映射，h地址由西向东编号h＝1,2,...,n₁；v地址沿卫星移动方向编号v＝1,2,...,n₂；

卫星运行过程中h地址保持不变，v地址随卫星纬度变化而更新；

将天球区域划分为四个区域，分别为虚拟北极区、虚拟南极区、第一连通区和第二连通区，第一连通区和第二连通区位于虚拟北极区和虚拟南极区之间并通过缝隙隔开；

将位于缝隙两侧的卫星间的星间链路处于断开状态；

若异轨卫星相位差为0，将虚拟地址位于虚拟北极区和虚拟南极区的卫星的星间链路处于断开状态，虚拟地址位于第一连通区和第二连通区的卫星的星间链路保持连接状态；

若异轨卫星相位差不为0，同一行卫星中存在虚拟地址位于虚拟北极区或虚拟南极区的卫星时该行卫星的星间链路保持断开状态，同一行卫星中所有卫星的虚拟地址均位于第一连通区或第二连通区时该行卫星的星间链路保持连接状态。

在一种可能的设计中，给定VN(1，1)的纬度和经度起点分别为-Φ_P和λ₀，Φ_P为给定的极区纬度阈值，λ₀随卫星轨道和地面间的相对运动而变化；

若异轨卫星的相位差为0，

VN(v,h)的经度范围

可由下式确定：

VN(v,h)的纬度范围

可由下式确定：

其中，φ′＝-Φ_P+(v-1)ω_f。

在一种可能的设计中，虚拟北极区、虚拟南极区、第一连通区和第二连通区的虚拟地址中h＝1,2,...,n₁，

第一连通区的v地址范围为1,2,...,v_A，虚拟北极区的v地址范围为v_A+1,v_A+2,...,v_B-1，第二连通区的v地址范围为v_B,v_B+1,...,v_C，虚拟南极区的v地址范围为v_C+1,v_C+2,...,n₂，v_A，v_B，v_C通过下式确定：

在一种可能的设计中，异轨卫星相位差不为0时，

令K＝n₁/F，第mK轨道面上的卫星与右侧轨道面上最近且相位差为负的卫星建立后向ISL，m为整数。

在一种可能的设计中，给定VN(1，1)的纬度和经度起点分别为-Φ_P和λ₀，Φ_P为给定的极区纬度阈值，λ₀随卫星轨道和地面间的相对运动而变化，

若异轨卫星的相位差不为0，

VN(v,h)的经度范围

可由下式确定：

VN(v,h)的纬度范围

可由下式确定：

其中，φ′＝-Φ_P+mod(h-1,K)Δf+(v-1)ω_f。

在一种可能的设计中，虚拟北极区、虚拟南极区、第一连通区和第二连通区的虚拟地址中h＝1,2,...,n₁，

第一连通区的v地址范围为1,2,...,v_A，虚拟北极区的v地址范围为v_A+1,v_A+2,...,v_B-1，第二连通区的v地址范围为v_B,v_B+1,...,v_C，虚拟南极区的v地址范围为v_C+1,v_C+2,...,n₂，v_A，v_B，v_C通过下式确定：

本发明技术方案的主要优点如下：

本发明的低轨卫星网络拓扑动态屏蔽方法，考虑了地球自转因素，基于天球区域进行虚拟地址的编址，由于天球与卫星运行轨道平面保持相对静止，每个虚拟地址对应的区域为固定的天球区域，从而使极区内和缝隙两侧的虚拟地址固定且不随地球自转而改动，虚拟链路状态可完全由虚拟地址推断出并始终保持不变，通过虚拟地址更新实现了静态的虚拟网络拓扑。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为现有技术提供的LEO极轨道星座内卫星网络拓扑及星间链路结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的异轨卫星相位差为0时的天球区域划分示意图；

图3-1为现有技术提供的异轨卫星相位差不为0时的异轨ISL建链模式；

图3-2为本发明一实施例提供的异轨卫星相位差不为0时的异轨ISL建链模式；

图4为本发明一实施例提供的异轨卫星相位差不为0时的天球区域划分示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。

首先，对LEO极轨道星座进行说明：

LEO极轨道星座也称为Walker星型星座，n₁个轨道面采用π型分布沿赤道均匀分布，每轨道面包含n₂颗均匀分布的卫星。相邻轨道间升交点赤经差为ΔΩ＝π/n₁，同一轨道面内相邻卫星相位差为ω_f＝2π/n₂。所有卫星轨道高度相同且轨道倾角为近90°。当相位因子为F时(0≤F≤n₂-1，F为正整数)，异轨卫星相位差为Δf＝2πF/(n₁n₂)。

通常每颗卫星建立四条星间链路，两条同轨ISL(V-ISL)连接同一轨道面内前后两颗卫星，两条异轨ISL(H-ISL)连接相邻轨道面内的卫星。一般地，卫星与右侧轨道面上最近且相位差为正的卫星建立前向ISL。LEO极轨道星座的结构可以参见附图1。

本发明实施例提供了一种低轨卫星网络拓扑动态性屏蔽方法，该方法包括：

每个卫星分配一个二元数组(v,h)作为虚拟节点的虚拟地址，表示其为第h个轨道面第v颗卫星。

假定与卫星运行轨道平面保持相对静止的天球，每个虚拟地址在天球中对应的区域为固定区域。

通过更新卫星虚拟地址实现卫星与天球区域一一映射，h地址由西向东编号h＝1,2,…,n₁；v地址沿卫星移动方向编号v＝1,2,…,n₂。

卫星运行过程中h地址保持不变，而v地址随卫星纬度变化而更新。每个虚拟节点具有固定的虚拟地址,并对应固定的天球区域，将这个虚拟地址分配给卫星,通过更新卫星的虚拟地址来实现卫星对VN(也就是天球区域)的映射。

将天球区域划分为四个区域，分别为虚拟北极区、虚拟南极区、第一连通区和第二连通区，第一连通区和第二连通区位于虚拟北极区和虚拟南极区之间并通过缝隙隔开；

将位于缝隙两侧的卫星间的星间链路处于断开状态；

若异轨卫星相位差为0，将虚拟地址位于虚拟北极区和虚拟南极区的卫星的星间链路处于断开状态，虚拟地址位于第一连通区和第二连通区的卫星的星间链路保持连接状态；

若异轨卫星相位差不为0，同一行卫星中存在虚拟地址位于虚拟北极区或虚拟南极区的卫星时该行卫星的星间链路保持断开状态，同一行卫星中所有卫星的虚拟地址均位于第一连通区或第二连通区时该行卫星的星间链路保持连接状态。

本发明实施例提供的低轨卫星网络拓扑动态屏蔽方法，考虑了地球自转因素，基于天球区域进行虚拟地址的编址，由于天球与卫星运行轨道平面保持相对静止，每个虚拟地址对应的区域为固定的天球区域，从而使极区内和缝隙两侧的虚拟地址固定，且不随地球自转而改动，虚拟链路状态可完全由虚拟地址推断出并始终保持不变，通过虚拟地址更新实现了静态的虚拟网络拓扑。

对于天球区域的具体划分方法，以下进行进一步说明：

若异轨卫星的相位差为0，给定VN(1，1)的纬度和经度起点分别为-Φ_P和λ₀，Φ_P为给定的极区纬度阈值，λ₀随卫星轨道和地面间的相对运动而变化。λ₀的数值反映了天球(卫星轨道平面)与地球之间的位置关系由于地球自转而发生的变动，其获取方式为：在星座中任意选取一个基准卫星,以其所在的经度为λ₀。

VN(v,h)的经度范围

可由下式确定：

其中经度已归一化至[-180°,180°]范围。

VN(v,h)的纬度范围

可由下式确定：

其中，纬度已标准化至[-90°,90°]，且φ′＝-Φ_P+(v-1)ω_f。

此时，虚拟北极区、虚拟南极区、第一连通区和第二连通区的虚拟地址中h＝1,2,...,n₁，

第一连通区的v地址范围为1,2,...,v_A，虚拟北极区的v地址范围为v_A+1,v_A+2,...,v_B-1，第二连通区的v地址范围为v_B,v_B+1,...,v_C，虚拟南极区的v地址范围为v_C+1,v_C+2,...,n₂，v_A，v_B，v_C通过下式确定：

此时，天球区域的划分示意图可以参见附图2。第一连通域区和第二连通区内VN之间的所有H-ISL始终保持连接，而虚拟北极区和虚拟南极区中的H-ISL则始终断开。此外，缝隙两侧的VN的h地址固定为1或n₁。虚拟链路状态可完全由虚拟地址推断出并始终保持不变。因此，利用该种VN映射方法实现了静态的虚拟网络拓扑。

异轨卫星相位差不为0时，即Δf≠0时，同一行卫星先后进入极区，此时若该行卫星虚拟地址非同步切换，则会发生地址冲突，因此将该行所有H-ISL全部中断。同时为保留尽可能多的可用ISL数目，本发明实施例中采用如下建链模式：

令K＝n₁/F，第mK轨道面上的卫星与右侧轨道面上最近且相位差为负的卫星建立后向ISL，m为整数，而其它卫星则采用常规方式(与右侧轨道面上最近且相位差为正的卫星建立正向ISL)。现有技术提供的建链模式与本发明实施例的建链模式可以分别参见附图3-1和附图3-2。

此时，依然给定VN(1，1)的纬度和经度起点分别为-Φ_P和λ₀，Φ_P为给定的极区纬度阈值，λ₀随卫星轨道和地面间的相对运动而变化，

VN(v,h)的经度范围

可由下式确定：

VN(v,h)的纬度范围

可由下式确定：

其中，φ′＝-Φ_P+mod(h-1,K)Δf+(v-1)ω_f。

虚拟北极区、虚拟南极区、第一连通区和第二连通区的虚拟地址中h＝1,2,...,n₁，第一连通区的v地址范围为1,2,...,v_A，虚拟北极区的v地址范围为v_A+1,v_A+2,...,v_B-1，第二连通区的v地址范围为v_B,v_B+1,...,v_C，虚拟南极区的v地址范围为v_C+1,v_C+2,...,n₂，v_A，v_B，v_C通过下式确定：

图4中示出了K的取值为2时的天球区域划分示意图。

综上所述，本发明实施例提供的低轨卫星网络拓扑动态性屏蔽方法，与传统虚拟节点法相比,本发明考虑了地球自转因素,使得虚拟节点划分与地球自转相互独立,从而使极区内和缝隙两侧虚拟节点的地址固定,通过虚拟地址更新得到静态的虚拟网络。还考虑了异轨卫星相位差导致的极区切换不同步问题,进而提出了一种改进的建链模式,使得极区切换同步的同时保留尽可能多的可用星间链路。不需卫星天线支持地球固定足印模式,减小了天线的复杂度和卫星平台成本。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。

最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种低轨卫星网络拓扑动态性屏蔽方法，其特征在于，所述方法包括：

对于n₁个轨道面采用π型分布沿赤道均匀分布，每轨道面包含n₂颗均匀分布的卫星的LEO极轨道星座，相邻轨道间升交点赤经差为ΔΩ＝π/n₁，同一轨道面内相邻卫星相位差为ω_f＝2π/n₂，所有卫星轨道高度相同且轨道倾角为近90°，当相位因子为F时，异轨卫星相位差为Δf＝2πF/(n₁n₂)，0≤F≤n₂-1，F为整数；

每个卫星分配一个二元数组(v,h)作为虚拟节点的虚拟地址，表示其为第h个轨道面第v颗卫星；

假定与卫星运行轨道平面保持相对静止的天球，每个虚拟地址在天球中对应的区域为固定区域；

通过更新卫星虚拟地址实现卫星与天球区域一一映射，h地址由西向东编号h＝1,2,...,n₁；v地址沿卫星移动方向编号v＝1,2,...,n₂；

卫星运行过程中h地址保持不变，v地址随卫星纬度变化而更新；

将天球区域划分为四个区域，分别为虚拟北极区、虚拟南极区、第一连通区和第二连通区，第一连通区和第二连通区位于虚拟北极区和虚拟南极区之间并通过缝隙隔开；

将位于缝隙两侧的卫星间的星间链路处于断开状态；

若异轨卫星相位差为0，将虚拟地址位于虚拟北极区和虚拟南极区的卫星的星间链路处于断开状态，虚拟地址位于第一连通区和第二连通区的卫星的星间链路保持连接状态；

若异轨卫星相位差不为0，同一行卫星中存在虚拟地址位于虚拟北极区或虚拟南极区的卫星时该行卫星的星间链路保持断开状态，同一行卫星中所有卫星的虚拟地址均位于第一连通区或第二连通区时该行卫星的星间链路保持连接状态。

2.根据权利要求1所述的低轨卫星网络拓扑动态性屏蔽方法，其特征在于，给定VN(1，1)的纬度和经度起点分别为-Φ_P和λ₀，Φ_P为给定的极区纬度阈值，λ₀随卫星轨道和地面间的相对运动而变化；

若异轨卫星的相位差为0，

VN^(v,h)的经度范围

可由下式确定：

VN^(v,h)的纬度范围

可由下式确定：

其中，φ′＝-Φ_P+(v-1)ω_f。

3.根据权利要求2所述的低轨卫星网络拓扑动态性屏蔽方法，其特征在于，虚拟北极区、虚拟南极区、第一连通区和第二连通区的虚拟地址中h＝1,2,...,n₁，

第一连通区的v地址范围为1,2,...,v_A，虚拟北极区的v地址范围为v_A+1,v_A+2,...,v_B-1，第二连通区的v地址范围为v_B,v_B+1,...,v_C，虚拟南极区的v地址范围为v_C+1,v_C+2,...,n₂，v_A，v_B，v_C通过下式确定：

4.根据权利要求1所述的低轨卫星网络拓扑动态性屏蔽方法，其特征在于，异轨卫星相位差不为0时，

令K＝n₁/F，第mK轨道面上的卫星与右侧轨道面上最近且相位差为负的卫星建立后向ISL，m为整数。

5.根据权利要求4所述的低轨卫星网络拓扑动态性屏蔽方法，其特征在于，给定VN(1，1)的纬度和经度起点分别为-Φ_P和λ₀，Φ_P为给定的极区纬度阈值，λ₀随卫星轨道和地面间的相对运动而变化，

若异轨卫星的相位差不为0，

VN^(v,h)的经度范围

可由下式确定：

VN^(v,h)的纬度范围

可由下式确定：

其中，φ′＝-Φ_P+mod(h-1,K)Δf+(v-1)ω_f。

6.根据权利要求5所述的低轨卫星网络拓扑动态性屏蔽方法，其特征在于，虚拟北极区、虚拟南极区、第一连通区和第二连通区的虚拟地址中h＝1,2,...,n₁，

第一连通区的v地址范围为1,2,...,v_A，虚拟北极区的v地址范围为v_A+1,v_A+2,...,v_B-1，第二连通区的v地址范围为v_B,v_B+1,...,v_C，虚拟南极区的v地址范围为v_C+1,v_C+2,...,n₂，v_A，v_B，v_C通过下式确定：

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