CN112235038A - 一种基于星间链路网络寻优的卫星异常处置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明针对我国地面测控网覆盖率较低、难以及时对境外卫星开展异常处置的现状，提出一种基于星间链路网络寻优的卫星异常处置方法，用于解决我国卫星在境外发生异常而无法在短时间内进行处置的问题，通过星间链路网络用表的查询寻优，利用改进粒子群的信息融合(AWIPSO‑DS)优化函数，合理规划选择最优路径，可快速完成网内节点卫星的星间测控链路建立寻优，从而实现卫星异常应急处置。本发明提高了卫星异常处置的时效性和高效性。
Description
技术领域
本发明属于航天测量与控制领域，具体涉及一种基于星间链路网络寻优的北斗导航卫星异常处置方法。
背景技术
全球布局的星间链路星座已成为各个国家军事航天重点发展和研究的技术，在国际上已经开始逐步推广应用。星间链路运行稳定，有效弥补了地面测控资源不足的劣势，确保了全网的稳定运行。
但当前星间链路在轨应用也带来了许多新的问题，其中链路建立及网络寻优问题显得尤为关键。国内外学者提出了许多基于星间链路的建链函数，这些函数对建链的计算采用离线预先计算的方式以减少星上实时计算量。但并没有考虑随着卫星节点的增加星间链路建链条数变得非常复杂，以及故障卫星异常状态对星间链路建链的影响。因此，卫星在境外发生异常时，如何通过星间链路对异常卫星进行应急处置，及时恢复全网运行状态，利用星间链路最优建链路径提高异常处置时效性就显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是解决我国地面测控网覆盖率较低、星间链路建链路由较多，难以及时对境外卫星开展异常处置的问题。针对星间链路建链复杂性，提出一种基于星间链路网络寻优的卫星异常处置方法，用于解决我国卫星在境外发生异常而无法在短时间内进行处置的问题。
本发明是这样实现的：
一种基于星间链路网络寻优的卫星异常处置方法，具体包括如下步骤：
第一步：对星间链路系统中卫星位置路由地址编码；
第二步：D-S理论构建证据函数及节点卫星加权赋值；
第三步：AWIPSO-DS融合函数的星间链路建链寻优过程实现；
第四步：利用最优建链链路进行卫星异常处置。
如上所述的第一步具体包括如下内容：
卫星位置路由地址编码在于为区分星间链路网络节点，将卫星节点在规划的网络路由时隙大表中赋予一个唯一的地址。用<m,n>表示某节点的地址，其中m为同轨道面内节点的序号，n为轨道面序号。
如上所述的第二步具体包括如下步骤：
步骤2.1：D-S合成规则。设α1,α2,…αn为2L上的n个mass函数，则可用其正交和来合成
即
式中K为不同mass函数间冲突程度的度量，K越小表示证据一致性越高，当K→∞时表示证据完全相互矛盾，合成失效。
步骤2.2：节点卫星证据源的加权赋值。D-S合成规则默认其各个证据间的影响是相等的，而实际合成过程中的不同证据源所占的比重不同，对融合结果的影响也势必不同，所以需要对不同证据源赋予不同的权值。设辨识框架L＝{A1,A2,…,AN}，证据集E＝{E1,E2,…,En}，则α1,α2,…αn为各证据源E1,E2,…,En的相对权值，m(Θ)为证据源的不确定度，则合成公式改进为：
式中，
m'为对应权值的加权平均，且
距离函数dBPA表示证据mi加权后与平均证据间的差异程度，dBPA值越大，表明该证据与证据集中其他证据存在的冲突越大，可信任度较低，所配权值应较小；反之，冲突较小，信任度越高，其权值也应越大。Q为一个2N×2N矩阵，称为Jaccard系数，用于描述证据源之间的关系。||m||2＝<m,m>，<m1,m2>表示两个向量的内积。
步骤2.3：为获取修正后各证据源权值的最接近状态，构建统一化权值距离函数F(α)作为改进PSO函数的优化对象，以求得dBPA最小时的各权值αi，从而即可以使赋值改进后的证据总体间更加接近，即证据源间的差异度(冲突度)最小，避免和消除高冲突现象以使最终决策更加合理，也可减小直接计算权值距离的运算复杂度，因此建立PSO的目标优化函数模型J,
如上所述的第三步具体包括如下步骤：
PSO是一种用于连续非线性函数优化的人工智能优化方法，在理论上可以完成收敛至全局最优。其中每个备选解集称为一个粒子，一般情况下每个粒子均追随当前的最优粒子在解空间内运动搜索，经过多次迭代获得最优解。
步骤3.1：设搜索空间为D维，粒子总数为N，第i个粒子的位置向量表示为xi＝(xi1,xi2,…,xiD)，其个体当前搜索到的位置最优解为pbesti＝(Pi1,Pi2,…,PiD)，粒子群当前的全局最优解gbest＝(g1,g2,…,gD)，则每次迭代中粒子都将跟踪这两个最优解来实现自我位置的更新。
步骤3.2：设第i个粒子的速度向量vi＝(vi1,vi2,…,viD)，则此时该粒子的速度和位置更新公式如下：vid(t+1)＝ωvid(t)+c1r1(pid(t)-xid(t))+c2r2(gd(t)-xid(t))；
xid(t+1)＝xid(t)+vid(t+1),1≤i≤N,1≤d≤D.式中：ω为惯性权重；c1和c2为加速因子，用于调节自身及全局的飞行步长；r1和r2为(0,1)间的随机数。
步骤3.3：为获得最优解，需限制粒子i在XmaxXd和VmaxXd内，以免粒子超出搜索空间的边界。整体函数的基本框架如图2所示。
为满足通过星间链路网络寻优进行北斗导航卫星异常处置的要求，采用最优化思想，使融合函数在证据源权值和证据权值距离最小的情况下，得到最优化的证据权值分配，从而达到对D-S证据源进行修正的目的，改进证据理论的实效性。参照图3，具体步骤如下：
步骤3.4：设定种群规模M和粒子维数D，初始化粒子群(包括pbest和gbest)。
步骤3.5：设定证据源mi的权值αi，并构建目标函数J＝F(α)。
步骤3.6：依据目标函数J计算出各个粒子的适应度。
步骤3.7：根据动态调整ω(其参数s由卫星星间链路系统根据实际情况运算得到)，并将其代入式，结合式更新位置，产生新粒子群状态。
步骤3.8：优化终止判决，判断粒子适应度是否达到收敛条件或迭代次数是否达到阈值，若是则完成优化，搜索到最优解，否则返回步骤3.3。
步骤3.9：将优化得到的最优αi对证据mi进行赋值，对赋值后的证据源Ei进行D-S融合处理，生成星间链路建链最优路径决策结果。
如上所述的第四步具体包括如下内容：
通过在卫星遥控发令平台设置最优路径发令节点参数，建立星间链路最优路径测控链路，根据故障预案发送相应异常处置指令，从而实现异常卫星故障快速恢复处置。
本发明的有益效果是：
1)解决了地面测控网覆盖率较低、难以对境外卫星开展异常处置的问题，融合了D-S证据函数和改进粒子群AWIPSO函数的优点，为合理规划最优路径提供了新思路、新方法。
2)通过快速完成网内节点卫星星间测控链路的建立，及时完成卫星逻辑地址编址确定、故障信息传递以及最优测控链路建立，从而实现卫星异常的应急处置。
3)提高了卫星异常处置的时效性和高效性，并且该发明对其他具有星间链路系统卫星的异常处置具有普适性。
附图说明
图1是节点卫星位置路由地址编码图；
图2是基于D-S方法的多信息融合模型图；
图3是AWIPSO-DS函数融合运行结构实现星间链路网络寻优流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
参照图1，其为本方法节点卫星位置路由地址编码示意图。为区别卫星网络节点，需要将全网节点赋予一个唯一的地址。设网络中存在一个初始的静止状态，用<m,n>表示某节点的地址，其中m为同轨道面内节点的序号，n为轨道面序号。例如此刻左上角的卫星地址为<1,1>。处于相同纬度但不同轨道面内的卫星，具有相同的m值。节点地址在网络中固定，不会因为卫星的运动而改变。
参照图2，其为本方法D-S理论构建证据函数及节点卫星加权赋值示意图。基于卫星在规划的网络用表中的位置编码及卫星节点至地面节点的建链跳数，利用D-S理论构建证据函数及加权赋值给予节点卫星动态的权值分配，依据Jousselme距离概念，构建适合本系统的统一化权值距离函数dBPA，用于优化函数中寻优距离函数的建立。
参照图3，其为本方法AWIPSO-DS函数融合运行结构实现星间链路网络寻优流程示意图。为获取修正后各证据源权值的最接近状态，构建统一化权值距离函数F(α)作为AWIPSO函数的优化对象，建立目标优化函数模型J,
为满足通过星间链路网络寻优进行北斗导航卫星异常处置的要求，使融合函数在证据源权值和证据权值距离最小的情况下，得到最优化的证据权值分配，从而达到对D-S证据源进行修正的目的，得出星间链路建链节点链路最优解，实现在最优星间链路网络测控链路下的卫星异常遥控发令处置。
综上所述，本发明提供了一种基于星间链路网络寻优的卫星异常处置方法。解决了我国地面测控网覆盖率较低、星间链路建链路由复杂，难以及时有效对境外卫星开展异常处置的问题。
虽然在上文中已经参考实施例对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本发明所披露的实施例中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (2)
1.一种基于星间链路网络寻优的卫星异常处置方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
第一步：对星间链路系统中卫星位置路由地址编码；所述卫星位置路由地址编码在于为区分星间链路网络节点，将卫星节点在规划的网络路由时隙大表中赋予一个唯一的地址，用<m,n>表示某节点的地址，其中m为同轨道面内节点的序号，n为轨道面序号；
第二步：D-S理论构建证据函数及节点卫星加权赋值；所述卫星相对位置加权赋值，利用卫星在规划的网络用表中的位置编码及卫星节点至地面节点的建链跳数，利用D-S理论构建证据函数及加权赋值给予北斗节点卫星动态的权值分配，建立寻优距离函数；
第三步：AWIPSO-DS融合函数的星间链路建链寻优过程实现；具体过程：利用AWIPSO-DS融合函数在证据源权值和证据权值距离最小的情况下，得到最优化的证据权值分配，根据最优化的证据权值分配对D-S证据源进行修正，确定星间链路路径寻优；
第四步：利用最优建链链路进行卫星异常处置：使用第三步确定的星间链路路径寻优，进行卫星异常处置。
2.根据权利要求1所述的一种基于星间链路网络寻优的卫星异常处置方法，其特征在于，所述第四步包括：通过在卫星遥控发令平台设置最优路径发令节点参数，建立星间链路最优路径测控链路，根据故障预案发送相应异常处置指令，对异常卫星故障快速恢复处置。
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