CN112532296B - 一种基于椭圆形卫星覆盖的大规模卫星网络构建方法 - Google Patents

一种基于椭圆形卫星覆盖的大规模卫星网络构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于椭圆形卫星覆盖的大规模卫星网络构建方法，包括：构建低轨和高/中轨卫星网络环境；定义最优控制器布设；构造高/中轨卫星对低轨卫星的椭圆形覆盖模型；构建线形控制域形状时的最优控制器布设单元和最优低轨卫星网络拓扑单元；定义并构建六边形控制域形状间的基本位置关系、高/中轨卫星控制器间的基本距离关系，沿两条边界扩展方向、在两条边界扩展方向之间放置高/中轨卫星控制器，分别构建J＞1且i≠J、J＞1且i＝J时的最优控制器布设单元和最优低轨卫星网络拓扑单元；几何扩展最优低轨卫星网络拓扑单元；计算高/中轨卫星的轨道高度和覆盖角度。本发明降低了问题建模及求解复杂度，从而有效、快速地应用于实际的大规模卫星网络布设构建。

Description

一种基于椭圆形卫星覆盖的大规模卫星网络构建方法
技术领域
本发明属于卫星通信技术领域，具体涉及一种基于椭圆形卫星覆盖的大规模卫星网络构建方法。
背景技术
卫星网络被认为是未来空间互联网和6G星地融合网络必不可缺的组成部分。为了保障卫星网络的服务能力，新兴的卫星网络逐渐趋于规模化和密集化，且单星能力不断提升，最终将会形成包含上万个卫星平台的大规模卫星网络。然而，卫星网络规模的不断增长和无法全球布设地面关口站的事实给大规模卫星网络的网络构型设计和网络管控带来了新的挑战，如局部网络拥塞和高管控时延，因此，新的卫星网络管控架构亟待探索。
最近，高/中轨卫星携带控制器载荷逐渐成为了一种新的卫星网络管控架构选择，这种架构受益于高/中轨卫星可实现对全球及低轨卫星的无缝覆盖且控制器布设不受地理区域限制的优势，通过高/中轨卫星搭载的控制器对低轨卫星实施网络管控。在该架构中，高效的控制器布设策略在网络构型(网络规模和网络结构)设计和性能(时延和开销)提升方面都将起到十分重要的作用。考虑到高/中轨卫星与低轨卫星间的连接与高/中轨卫星的覆盖有直接关系，且椭圆形卫星覆盖已被广泛应用于卫星天线设计中，因此，如何基于椭圆形卫星覆盖的特性设计一种最优的控制器布设策略，并在最优的控制器布设方案下构建大规模卫星网络以实现低成本、高效率的网络管控是现阶段大规模卫星网络中亟待解决的问题。现有的卫星网络控制器布设研究主要面向低轨卫星网络和星地融合网络场景，采用图优化的方法对单一或多维优化目标，如时延、经济成本、可靠性等进行优化建模，建模出的优化问题通常为多项式复杂程度的非确定性问题，该问题的求解方法一般有两种：一种是改写优化模型使其适用于求解器求解；另一种是提出相应的启发式算法求解问题的近似最优解。现有的卫星网络构型研究主要关注于探索网络构型、网络容量和业务分布及需求之间的关系。一些研究通过分析建立卫星网络构型与网络容量之间的关系，指导卫星网络的网络构型设计；还有一些研究不仅仅关注于卫星网络自身所能提供的容量，还结合实际的全球移动业务分布及容量需求，研究与业务需求容量匹配的最优卫星网络构型。
然而，上述研究既没有考虑由高/中轨卫星搭载控制器载荷管控低轨卫星的管控架构，也没有考虑大规模卫星网络的应用场景。在最优控制器布设方面，上述研究没有考虑实际的高/中轨卫星覆盖对最优控制器布设的影响，而且现有最优控制器布设方法的求解复杂度较高，并且往往会随着网络规模的增大而增大，此外这类方法通常也没有闭式解，一旦网络参数改变，则需要重新迭代计算，现有研究很难有效、快速地应用于实际的大规模卫星网络构型和控制器布设设计。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于椭圆形卫星覆盖的大规模卫星网络构建方法。
本发明的一个实施例提供了一种基于椭圆形卫星覆盖的大规模卫星网络构建方法，该基于椭圆形卫星覆盖的大规模卫星网络构建方法包括：
步骤1、构建低轨和高/中轨卫星网络环境，包括若干低轨卫星、若干高/中轨卫星，每一高/中轨卫星搭载一控制器，根据若干低轨卫星建立低轨卫星网络拓扑构型；
步骤2、定义最优控制器布设满足最优控制器布设条件，最优控制器布设条件为使用最少的控制器实现对所有低轨卫星的非重复控制，且每个控制器控制的低轨卫星数量相同；
步骤3、构造高/中轨卫星对低轨卫星的椭圆形覆盖模型，包括一跳覆盖形状和控制域形状，其中，若一跳覆盖形状为线形时，J＝1则控制域形状为线形，J＞1则控制域形状为六边形，若一跳覆盖形状为六边形时，转化一跳覆盖形状为线形的情况处理；
步骤4、定义最优控制器布设单元为满足最优控制器布设的最小高/中轨卫星控制器布设构型，并定义最优低轨卫星网络拓扑单元为满足最优控制器布设对应的低轨卫星网络拓扑构型，若J＝1，则执行步骤5，若J＞1，则执行步骤6；
步骤5、构建线形控制域形状时的最优控制器布设单元和最优低轨卫星网络拓扑单元，执行步骤12；
步骤6、根据若干高/中轨卫星控制器在环面网格图上的垂直投影点确定若干六边形控制域形状，定义并构建六边形控制域形状间的基本位置关系、高/中轨卫星控制器间的基本距离关系；
步骤7、判断六边形控制域形状间的基本位置关系是否满足最优控制器布设条件；
步骤8、i≠J时满足最优控制器布设条件的基本位置关系和基本距离关系，则沿两条边界扩展方向放置高/中轨卫星控制器，其中，两条边界扩展方向定义为环面网格图上夹角小于90度的两个向量，且两个向量的起始点和方向由基本位置关系确定，i定义为满足最优控制器布设条件的第i种基本位置关系；
步骤9、i≠J时满足最优控制器布设条件的基本位置关系和基本距离关系，则在两条边界扩展方向之间放置高/中轨卫星控制器；
步骤10、构建J＞1且i≠J时的最优控制器布设单元和最优低轨卫星网络拓扑单元，执行步骤12；
步骤11、构建J＞1且i＝J时的基本最优控制器布设单元和最优低轨卫星网络拓扑单元；
步骤12、几何扩展最优低轨卫星网络拓扑单元，构成一个规模更大的低轨卫星网络，最优控制器布设单元也随之相应扩展得到新的控制器布设单元，且新的控制器布设单元仍然满足最优；
步骤13、根据卫星网络规模和结构需求以及高/中轨卫星的一跳覆盖形状计算高/中轨卫星的轨道高度和覆盖角度得到所有可行的轨道高度和卫星覆盖角度组合，剔除高/中轨卫星轨道高度和覆盖角度超出预设范围的数值，以完成基于椭圆形卫星覆盖的大规模卫星网络的构建。
在本发明的一个实施例中，步骤1包括：
步骤1a、设低轨卫星集合为Sleo，建立环面网格图近似表征低轨卫星网络拓扑构型，其中环面网格图的纵向维数为低轨卫星网络的轨道数，环面网格图的横向维数为低轨卫星网络每条轨道上的低轨卫星数；
步骤1b、设高/中轨卫星数量为Q，每一颗高/中轨卫星搭载一控制器，任意一控制器q＝1,...,Q管控J跳范围内的V＝|Cq|颗低轨卫星，其中Cq是被控制器q管控的低轨卫星所构成的集合。
在本发明的一个实施例中，步骤3包括：
步骤3a、定义高/中轨卫星一跳可达的低轨卫星在环面网格图上形成的形状为一跳覆盖形状，定义高/中轨卫星J跳可达的低轨卫星在环面网格图上形成的形状为控制域形状；
步骤3b、一跳覆盖形状为线形或六边形，若一跳覆盖形状为线形，则执行步骤3c，若一跳覆盖形状为六边形，则执行步骤3e；
步骤3c、设一跳覆盖形状为n×m的线形，其中n≥2为线形一跳覆盖形状横向维度包含的最大低轨卫星数量，m＝1为线形一跳覆盖形状纵向维度包含的最大低轨卫星数量；
步骤3d、若J＝1，则控制域形状为线形，若J＞1，则控制域形状为六边形，线形或六边形控制域形状内包含的低轨卫星数量为：
Figure BDA0002774575750000051
则执行步骤4；
步骤3e、设一跳覆盖形状为n'×m'的六边形，且六边形一跳覆盖形状满足n'-ne＝m'-1，其中n'和m'分别为六边形一跳覆盖形状横向和纵向维度包含的最大低轨卫星数量，ne为六边形一跳覆盖形状顶边包含的低轨卫星数量；
步骤3f、六边形一跳覆盖形成的控制域形状为六边形，六边形控制域形状内包含的低轨卫星数量为：
Figure BDA0002774575750000052
步骤3g、若一跳覆盖形状为六边形，则转换六边形一跳覆盖形状为线形一跳覆盖形状的情况，即n＝ne，
Figure BDA0002774575750000053
则执行步骤3a～3d。
在本发明的一个实施例中，步骤5包括：
当J＝1时，最优控制器布设单元仅由1颗高/中轨卫星控制器组成，则高/中轨卫星控制器在环面网格图上的垂直投影位于线形控制域形状的中心，则线形控制域形状为最优低轨卫星网络拓扑单元，最优低轨卫星网络拓扑单元的横向维数为N*＝n，纵向维数为M*＝1。
在本发明的一个实施例中，步骤6包括：
步骤6a、设C0点为任意一个高/中轨卫星控制器在环面网格图上的垂直投影点，CDS0为C0的六边形控制域形状，定义边界扩展方向
Figure BDA0002774575750000061
和
Figure BDA0002774575750000062
是起始于C0点的两个向量，且两个边界扩展方向的夹角小于90度，设C1和C2点分别是在
Figure BDA0002774575750000063
和
Figure BDA0002774575750000064
上放置的首个高/中轨卫星控制器在环面网格图上的垂直投影点，CDS1和CDS2分别是C1和C2的六边形控制域形状；
步骤6b、定义CDS0、CDS1和CDS2之间的位置关系是六边形控制域形状间的基本位置关系，CDS0、CDS1和CDS2之间互相相邻，这里相邻指的是存在属于不同六边形控制域形状中的两个低轨卫星间具有一跳连接，定义C0、C1和C2之间的距离关系是基本距离关系；
步骤6c、若n＝2，则执行步骤6d，若n＞2，则执行步骤6e；
步骤6d、当n＝2时，存在J种基本位置关系，每种基本位置关系记为i，i＝1,...,J，当i＝1时，CDS1的横向中线与CDS0的底边在同一横向维度上，CDS2的顶边与CDS1的底边在同一横向维度上，则保持CDS1和CDS2的位置关系，将CDS1和CDS2沿着CDS0的侧边方向D'平移，依次得到(J-1)种基本位置关系，其中当i＝J时，CDS1与CDS0的横向中线在同一横向维度上，CDS2的顶边与CDS1的底边在同一横向维度上，则执行步骤6f；
步骤6e、当n＞2时，则仅存在1种基本位置关系，记为i＝1，此时CDS1的横向中线与CDS0的底边在同一横向维度上，CDS2的顶边与CDS1的底边在同一横向维度上；
步骤6f、用环面网格图的横向和纵向相位差Δθ和Δω分别表征C0与C1、C0与C2之间的基本距离关系，设C0与C1的横向和纵向相位差分别为ΔΘ1和ΔΩ1，C0与C2的横向和纵向相位差分别为ΔΘ2和ΔΩ2，则：
Figure BDA0002774575750000071
其中，g1定义为C0与C1的横向相位差因子，g2定义为C0与C1的纵向相位差因子，g3定义为C0与C2的横向相位差因子，g4定义为C0与C2的纵向相位差因子。
在本发明的一个实施例中，步骤7包括：
步骤7a、若i≠J，则执行步骤7b，若i＝J，则执行步骤7d；
步骤7b、遍历全部的基本位置关系，对任一种基本位置关系i，判断
Figure BDA0002774575750000072
是否成立，若成立，则执行步骤7d，若不成立，则不存在最优控制器布设单元，结束基于椭圆形卫星覆盖的大规模卫星网络的构建；
步骤7c、判断是否存在自然数p1和p2'使得等式(p1-1)g2＝i+(p2'-1)g4和等式ip2'＝J-i成立，若成立，则执行步骤8，若不成立，则不存在最优控制器布设单元，结束基于椭圆形卫星覆盖的大规模卫星网络的构建；
步骤7d、当前六边形控制域形状间的基本位置关系总是满足最优控制器布设条件，则执行步骤11。
在本发明的一个实施例中，步骤8中沿两条边界扩展方向放置高/中轨卫星控制器包括：
除C0之外，布设p1和p2个高/中轨卫星控制器，并使它们在环面网格图上的垂直投影点分别位于扩展边界方向
Figure BDA0002774575750000081
和
Figure BDA0002774575750000082
上，其中
Figure BDA0002774575750000083
Figure BDA0002774575750000084
并保证
Figure BDA0002774575750000085
和
Figure BDA0002774575750000086
上的控制器垂直投影点之间满足基本距离关系，共需布设(p1+p2)个高/中轨卫星控制器。
在本发明的一个实施例中，步骤9中在两条边界扩展方向之间放置高/中轨卫星控制器包括：
步骤9a、除C0之外，边界扩展方向
Figure BDA0002774575750000087
上有p1个高/中轨卫星控制器垂直投影点，以这p1个点为射线起始点分别作p1条平行于边界扩展方向
Figure BDA0002774575750000088
的射线，记为
Figure BDA0002774575750000089
边界扩展方向
Figure BDA00027745757500000810
上有p2个高/中轨卫星控制器垂直投影点，以这p2个点为射线起始点分别作p2条平行于边界扩展方向
Figure BDA00027745757500000811
的射线，
Figure BDA00027745757500000812
步骤9b、对于所有的x和y，x＝1,...,p1-1，y＝1,...,p2，布设高/中轨卫星控制器，使得这些高/中轨卫星控制器在环面网格图上的垂直投影点位于射线
Figure BDA00027745757500000813
和
Figure BDA00027745757500000814
的交点上，并保证各条射线上的六边形控制域形状之间满足基本距离关系，共需布设((p1-1)p2)个高/中轨卫星控制器；
步骤9c、布设(n-1)个高/中轨卫星控制器，使得(n-1)个高/中轨卫星控制器在环面网格图上的垂直投影点依次位于射线
Figure BDA00027745757500000815
与射线
Figure BDA00027745757500000816
的交点上，y′＝1，...，n-1。
在本发明的一个实施例中，步骤10包括：
步骤10a、以CDS0的顶边所在直线、
Figure BDA00027745757500000817
上第(p2+1)个六边形控制域形状的横向中线所在直线、CDS0的左起第(J+1-i)列所在直线和
Figure BDA00027745757500000818
上第(p1+1)个六边形控制域形状的右起第(J+1-i)列所在直线，围成的四边形为最优低轨卫星网络拓扑单元；
步骤10b、借助于环面网格图的循环特性，将最优低轨卫星网络拓扑单元外的低轨卫星节点对向填充到最优低轨卫星网络拓扑单元内的空缺区域中，构成一个四边形的网格图，需要布设的高/中轨卫星控制器数量为(p1(p2+1)+n)，最优低轨卫星网络拓扑单元的横向维数为N*＝g1p1+(n+(J-1-g3p2')+(i-1))，纵向维数为M*＝g4p2+J，则执行步骤12。
在本发明的一个实施例中，步骤11包括：
步骤11a、以CDS0的顶边所在直线、CDS1的横向中线所在直线、CDS0的左起第(J+2)列所在直线和CDS1的最右一列所在直线，围成的四边形为最优低轨卫星网络拓扑单元；
步骤11b、借助于环面网格图的循环特性，将最优低轨卫星网络拓扑单元外的低轨卫星节点对向填充到最优低轨卫星网络拓扑单元内的空缺区域中，构成一个四边形的网格图，需要布设的高/中轨卫星控制器数量为2，最优低轨卫星网络拓扑单元的横向维数为N*＝2J，纵向维数为M*＝g4+J。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明提供的基于椭圆形卫星覆盖的大规模卫星网络构建方法，考虑了高/中轨卫星+低轨卫星的双层卫星网络场景和实际的椭圆形卫星覆盖，利用高/中轨卫星对低轨卫星的一跳覆盖形状及控制域形状构建卫星覆盖模型，从而将最优控制器布设的优化问题转化为了几何拓扑的最优组合和嵌入问题，降低了问题建模及求解的复杂度，同时最优控制器布设判断公式、低轨卫星网络拓扑单元计算公式等均以闭式公式的形式给出，这些公式具有较低的计算复杂度，且计算复杂度不受网络规模的影响，当网络规模发生变化时，无需重复迭代计算，从而有效、快速地应用于实际的大规模卫星网络构型和控制器布设设计。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于椭圆形卫星覆盖的大规模卫星网络构建方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的高/中轨卫星的线形和六边形一跳覆盖形状的示意图；
图3(a)～图(3b)是本发明实施例提供的基于线形覆盖形状对应的三个六边形控制域形状间的基本位置关系示意图；
图4是本发明实施例提供的沿两条边界扩展方向放置高/中轨卫星控制器的示意图；
图5是本发明实施例提供的在两条边界扩展方向之间放置高/中轨卫星控制器的示意图；
图6是本发明实施例提供的J＞1，i≠J时构建最优控制器布设单元的示意图；
图7是本发明实施例提供的J＞1，i＝J时构建最优控制器布设单元的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
现有大规模卫星网络构型的布设设计：在最优控制器布设方面，没有考虑实际的高/中轨卫星覆盖对最优控制器布设的影响，而且现有最优控制器布设方法的求解复杂度较高；在卫星网络构型设计方面，上述研究没有考虑控制器布设、网络管控与卫星网络构型设计之间的关系，无法从网络管控的角度对卫星网络的构型设计给予指导，使得大规模卫星网络管控的高效性和可靠性很难保障。因此，现有研究的场景、方法和结论均很难有效、快速地应用于实际的大规模卫星网络构型和控制器布设设计。基于上述存在的问题，请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种基于椭圆形卫星覆盖的大规模卫星网络构建方法的流程示意图。本实施例提供了一种基于椭圆形卫星覆盖的大规模卫星网络构建方法，该基于椭圆形卫星覆盖的大规模卫星网络构建方法包括以下步骤：
步骤1、构建低轨和高/中轨卫星网络模型，包括若干低轨卫星、若干高/中轨卫星，每一高/中轨卫星搭载一控制器，根据若干低轨卫星建立低轨卫星网络拓扑构型，其中，每一高/中轨卫星搭载的控制器的可控跳数为J。
具体而言，本实施例步骤1包括步骤1a、步骤1b，具体地：
步骤1a、设低轨卫星集合为Sleo，建立环面网格图近似表征低轨卫星网络的拓扑构型，其中环面网格图的纵向维数为低轨卫星网络的轨道数，环面网格图的横向维数为低轨卫星网络每条轨道上的低轨卫星数。
步骤1b、设高/中轨卫星数量为Q，每一颗高/中轨卫星搭载着一个控制器，每一高/中轨卫星搭载的控制器的可控跳数为J，任意一个控制器q＝1,...,Q可以管控J跳范围内的V＝|Cq|颗低轨卫星，其中Cq是被控制器q管控的低轨卫星所构成的集合。
步骤2、定义最优控制器布设满足最优控制器布设条件。
具体而言，本实施例定义最优控制器布设满足最优控制器布设条件，该最优控制器布设条件为使用最少的控制器实现对所有低轨卫星的非重复控制，且每个控制器控制的低轨卫星数量相同，定义的最优控制器布设数学形式可以表示为：
Figure BDA0002774575750000121
其中，∪表示求并集，∩表示求交集，
Figure BDA0002774575750000122
表示空集，
Figure BDA0002774575750000123
表示对于所有的，|·|表示集合中元素的数量。
步骤3、构造高/中轨卫星对低轨卫星的椭圆形覆盖模型，包括一跳覆盖形状和控制域形状。
具体而言，本实施例构造高/中轨卫星对低轨卫星的椭圆形覆盖模型，包括一跳覆盖形状和控制域形状，其中，若一跳覆盖形状为线形时，J＝1则控制域形状为线形，J＞1则控制域形状为六边形，若一跳覆盖形状为六边形时，转化一跳覆盖形状为线形情况处理。请参见图2，图2是本发明实施例提供的高/中轨卫星的线形和六边形一跳覆盖形状的示意图，具体步骤3包括步骤3a、步骤3b、步骤3c、步骤3d、步骤3e、步骤3f：
步骤3a、定义高/中轨卫星一跳可达的低轨卫星在环面网格图上形成的形状为一跳覆盖形状，定义高/中轨卫星J跳可达的低轨卫星在环面网格图上形成的形状为控制域形状。
步骤3b、当高/中轨卫星具有椭圆形覆盖时，一跳覆盖形状可能为线形或六边形，若一跳覆盖形状为线形，则执行步骤3c，若一跳覆盖形状为六边形，则执行步骤3e。
步骤3c、设一跳覆盖形状为n×m的线形，其中n≥2为线形一跳覆盖形状横向维度包含的最大低轨卫星数量，m＝1为线形一跳覆盖形状纵向维度包含的最大低轨卫星数量。
步骤3d、若J＝1，则控制域形状为线形，若J＞1，则控制域形状为六边形，线形或六边形控制域形状内包含的低轨卫星数量为：
Figure BDA0002774575750000131
则执行步骤4。
步骤3e、设一跳覆盖形状为n'×m'的六边形，且该六边形一跳覆盖形状满足n'-ne＝m'-1，其中n'和m'分别为六边形一跳覆盖形状横向和纵向维度包含的最大低轨卫星数量，ne为六边形一跳覆盖形状顶边包含的低轨卫星数量。
步骤3f、六边形一跳覆盖形成的控制域形状为六边形，六边形控制域形状内包含的低轨卫星数量为：
Figure BDA0002774575750000132
步骤3g、若一跳覆盖形状为六边形，本实施例定义线形一跳覆盖形状与六边形一跳覆盖形状可以相互转换，则将六边形一跳覆盖形状转换为线形一跳覆盖形状，即n＝ne，
Figure BDA0002774575750000133
接下来执行步骤3a～3d，按一跳覆盖形状为线形的情况进行上述处理，在此不再赘述。
步骤4、定义最优控制器布设单元和最优低轨卫星网络拓扑单元，并分情况继续流程处理。
具体而言，本实施例步骤4具体包括步骤4a、步骤4b：
步骤4a、定义最优控制器布设单元为满足最优控制器布设的最小高/中轨卫星控制器布设构型，并定义最优低轨卫星网络拓扑单元为满足最优控制器布设对应的低轨卫星网络拓扑构型，其中最优控制器布设为满足步骤2的布设情况。
步骤4b、根据步骤4a定义最优控制器布设单元和最优低轨卫星网络拓扑单元，若J＝1，则执行步骤5，若J＞1，则执行步骤6。
步骤5、构建线形控制域形状时的最优控制器布设单元和最优低轨卫星网络拓扑单元。
具体而言，本实施例线形控制域形状对应的J＝1，J＝1时，最优控制器布设单元仅由1颗高/中轨卫星控制器组成，该高/中轨卫星控制器在环面网格图上的垂直投影位于线形控制域形状的中心，此时线形控制域形状就是最优低轨卫星网络拓扑单元，最优低轨卫星网络拓扑单元的横向维数为N*＝n，纵向维数为M*＝1，接下来执行步骤12。
步骤6、根据若干高/中轨卫星控制器在环面网格图上的垂直投影点确定若干六边形控制域形状，定义并构建六边形控制域形状间的基本位置关系和高/中轨卫星控制器间的基本距离关系。
具体而言，请参见图3(a)～图(3b)，图3(a)～图(3b)是本发明实施例提供的基于线形覆盖形状对应的三个六边形控制域形状间的基本位置关系示意图，本实施例步骤6包括步骤6a、步骤6b、步骤6c、步骤6d、步骤6e、步骤6f：
步骤6a、设C0点为任意一个高/中轨卫星控制器在环面网格图上的垂直投影点，CDS0为C0的六边形控制域形状，定义边界扩展方向
Figure BDA0002774575750000141
和
Figure BDA0002774575750000142
是起始于C0点的两个向量，且两个边界扩展方向的夹角小于90度，设C1和C2点分别是在
Figure BDA0002774575750000143
和
Figure BDA0002774575750000144
上放置的首个高/中轨卫星控制器在环面网格图上的垂直投影点，CDS1和CDS2分别是C1和C2的六边形控制域形状。
步骤6b、定义CDS0、CDS1和CDS2之间的位置关系是六边形控制域形状间的基本位置关系，CDS0、CDS1和CDS2之间互相相邻，这里相邻指的是存在属于不同六边形控制域形状中的两个低轨卫星间具有一跳连接，定义C0、C1和C2之间的距离关系是基本距离关系。
步骤6c、若n＝2，则执行步骤6d，若n＞2，则执行步骤6e。
步骤6d、请再参见图3(a)，当n＝2时，存在J种基本位置关系，每种基本位置关系记为i，i＝1,...,J，当i＝1时，CDS1的横向中线与CDS0的底边在同一横向维度上，CDS2的顶边与CDS1的底边在同一横向维度上，然后保持CDS1和CDS2的位置关系，将CDS1和CDS2沿着CDS0的侧边方向，即图3(a)左图中的方向D'平移，可以依次得到接下来的(J-1)种基本位置关系，其中当i＝J时，CDS1与CDS0的横向中线在同一横向维度上，CDS2的顶边与CDS1的底边在同一横向维度上，图3(a)右图所示即为i＝J时的基本位置关系示意，接下来执行步骤6f。
步骤6e、请再参见图3(b)，若n＞2，则仅存在1种基本位置关系，记为i＝1，此时CDS1的横向中线与CDS0的底边在同一横向维度上，CDS2的顶边与CDS1的底边在同一横向维度上。
步骤6f、请再参见图3(a)左图中的标识所示，C0与C1、C0与C2之间的基本距离关系分别可以用环面网格图的横向和纵向相位差Δθ和Δω表征，设C0与C1的横向和纵向相位差分别为ΔΘ1和ΔΩ1，C0与C2的横向和纵向相位差分别为ΔΘ2和ΔΩ2，本实施例基本距离关系定义为：
Figure BDA0002774575750000151
其中，g1定义为C0与C1的横向相位差因子，g2定义为C0与C1的纵向相位差因子，g3定义为C0与C2的横向相位差因子，g4定义为C0与C2的纵向相位差因子。
步骤7、判断六边形控制域形状间的基本位置关系是否满足最优控制器布设条件。
具体而言，本实施例步骤7包括步骤7a、步骤7b、步骤7c、步骤7d：
步骤7a、若i≠J，则执行步骤7b，若i＝J，则执行步骤7d。
步骤7b、遍历全部的基本位置关系，对任一种基本位置关系i，判断
Figure BDA0002774575750000161
Figure BDA0002774575750000162
表示正整数集合，是否成立，若成立，则执行步骤7d，若不成立，则不存在最优的控制器布设，即最优控制器布设单元，结束基于椭圆形卫星覆盖的大规模卫星网络的构建。
步骤7c、判断是否存在自然数p1和p2'使得等式(p1-1)g2＝i+(p2'-1)g4和等式ip2'＝J-i成立，若成立，则执行步骤8，若不成立，则不存在最优的控制器布设，即最优控制器布设单元，结束基于椭圆形卫星覆盖的大规模卫星网络的构建。
步骤7d、当前六边形控制域形状间的基本位置关系总是满足步骤2所述的最优控制器布设条件，接下来执行步骤11。
步骤8、基于步骤7中i≠J时满足最优控制器布设条件的基本位置关系和基本距离关系，则沿两条边界扩展方向放置高/中轨卫星控制器。
具体而言，本实施例i≠J时满足最优控制器布设条件的基本位置关系和基本距离关系，则沿两条边界扩展方向放置高/中轨卫星控制器，其中，两条边界扩展方向定义为环面网格图上夹角小于90度的两个向量，且两个向量的起始点和方向由基本位置关系确定，i定义为满足最优控制器布设条件的第i种基本位置关系。请参见图4，图4是本发明实施例提供的沿两条边界扩展方向放置高/中轨卫星控制器的示意图，具体地：
除C0之外，布设p1和p2个高/中轨卫星控制器，并使它们在环面网格图上的垂直投影点分别位于扩展边界方向
Figure BDA0002774575750000163
和
Figure BDA0002774575750000164
上，其中
Figure BDA0002774575750000165
Figure BDA0002774575750000171
并保证
Figure BDA0002774575750000172
和
Figure BDA0002774575750000173
上的控制器垂直投影点之间满足基本距离关系，即公式(1)，当前步骤共需布设(p1+p2)个高/中轨卫星控制器。
步骤9、基于步骤7中i≠J时满足最优控制器布设条件的基本位置关系和基本距离关系，在两条边界扩展方向之间放置高/中轨卫星控制器。
具体而言，请参见图5，图5是本发明实施例提供的在两条边界扩展方向之间放置高/中轨卫星控制器的示意图，本实施例步骤9包括步骤9a、步骤9b：
步骤9a、除C0之外，边界扩展方向
Figure BDA0002774575750000174
上有p1个高/中轨卫星控制器垂直投影点，以这p1个点为射线起始点分别作p1条平行于边界扩展方向
Figure BDA0002774575750000175
的射线，记为
Figure BDA0002774575750000176
边界扩展方向
Figure BDA0002774575750000177
上有p2个高/中轨卫星控制器垂直投影点，以这p2个点为射线起始点分别作p2条平行于边界扩展方向
Figure BDA0002774575750000178
的射线，
Figure BDA0002774575750000179
步骤9b、对于所有的x和y，x＝1,...,p1-1，y＝1,...,p2，布设高/中轨卫星控制器，使得这些高/中轨卫星控制器在环面网格图上的垂直投影点位于射线
Figure BDA00027745757500001710
和
Figure BDA00027745757500001711
的交点上，并保证各条射线上的六边形控制域形状之间满足基本距离关系，当前步骤共需布设((p1-1)p2)个高/中轨卫星控制器。
步骤9c、布设(n-1)个高/中轨卫星控制器，使得这些高/中轨卫星控制器在环面网格图上的垂直投影点依次位于射线
Figure BDA00027745757500001712
与射线
Figure BDA00027745757500001713
的交点上，y′＝1，...，n-1。
步骤10、构建J＞1且i≠J时的最优控制器布设单元和最优低轨卫星网络拓扑单元。
具体而言，请参见图6，图6是本发明实施例提供的J＞1，i≠J时构建最优控制器布设单元的示意图，本实施例步骤10包括步骤10a、步骤10b：
步骤10a、以CDS0的顶边所在直线、
Figure BDA0002774575750000181
上第(p2+1)个六边形控制域形状的横向中线所在直线、CDS0的左起第(J+1-i)列所在直线和
Figure BDA0002774575750000182
上第(p1+1)个六边形控制域形状的右起第(J+1-i)列所在直线，围成的四边形为最优低轨卫星网络拓扑单元。
步骤10b、借助于环面网格图的循环特性，将最优低轨卫星网络拓扑单元外的低轨卫星节点对向填充到最优低轨卫星网络拓扑单元内的空缺区域中，构成一个四边形的网格图，当前步骤需要布设的高/中轨卫星控制器数量为(p1(p2+1)+n)，最优低轨卫星网络拓扑单元的横向维数为N*＝g1p1+(n+(J-1-g3p2')+(i-1))，纵向维数为M*＝g4p2+J，接下来执行步骤12。
步骤11、构建J＞1且i＝J时的基本最优控制器布设单元和最优低轨卫星网络拓扑单元。
具体而言，请参见图7，图7是本发明实施例提供的J＞1，i＝J时构建最优控制器布设单元的示意图，本实施例步骤11包括步骤11a、步骤11b：
步骤11a、以CDS0的顶边所在直线、CDS1的横向中线所在直线、CDS0的左起第(J+2)列所在直线和CDS1的最右一列所在直线，围成的四边形为最优低轨卫星网络拓扑单元。
步骤11b、借助于环面网格图的循环特性，将最优低轨卫星网络拓扑单元外的低轨卫星节点对向填充到最优低轨卫星网络拓扑单元内的空缺区域中，构成一个四边形的网格图，当前步骤需要布设的高/中轨卫星控制器数量为2，最优低轨卫星网络拓扑单元的横向维数为N*＝2J，纵向维数为M*＝g4+J。
步骤12、几何扩展最优低轨卫星网络拓扑单元，构建具有最优控制器布设的大规模卫星网络。
具体而言，本实施例通过几何扩展最优低轨卫星网络拓扑单元的方式构建具有最优控制器布设的大规模卫星网络，具体地：将最优低轨卫星网络拓扑单元可以分别横向或/和纵向扩展k1或/和k2倍，
Figure BDA0002774575750000191
Figure BDA0002774575750000192
表示正整数集合，构成一个规模更大的低轨卫星网络，最优控制器布设单元也会随之相应扩展得到新的控制器布设单元，且新的控制器布设单元仍然满足步骤2所述的最优条件。
步骤13、根据卫星网络规模和结构需求以及高/中轨卫星的一跳覆盖形状，计算高/中轨卫星的轨道高度和覆盖角度。
具体而言，本实施例设构造的大规模卫星网络的低轨卫星层的平均异轨道间经度差为ΔLo，则椭圆形卫星覆盖的长轴方向锥角所对的地球半球心角约为α≈n·ΔLo/2，半球心角α与高/中轨卫星波束覆盖角β，高/中轨卫星轨道高度κ和低轨卫星轨道高度κleo间满足：
Figure BDA0002774575750000193
其中，R为地球半径，根据公式(2)可以解得所有可行的轨道高度和卫星覆盖角度组合，然后剔除高/中轨卫星轨道高度和覆盖锥角超出预设范围的数值，至此基于椭圆形卫星覆盖和最优控制器布设的大规模卫星网络构建完毕。其中，预设范围包括轨道高度和波束锥角的范围，本实施例轨道高度在预设范围具体指在高/中轨卫星轨道高度范围，中轨2000～20000km，高轨20000km以上，波束锥角通过公式
Figure BDA0002774575750000194
计算得到，具体波束锥角在预设范围指波束锥角需小于等于
Figure BDA0002774575750000201
综上所述，本实施例提供了一种基于椭圆形卫星覆盖的大规模卫星网络构建方法，考虑了高/中轨卫星+低轨卫星的双层卫星网络场景和实际的椭圆形卫星覆盖，利用高/中轨卫星对低轨卫星的一跳覆盖形状及控制域形状构建卫星覆盖模型，从而将最优控制器布设的优化问题转化为了几何拓扑的最优组合和嵌入问题，降低了问题建模及求解的复杂度，同时最优控制器布设判断公式、低轨卫星网络拓扑单元计算公式等均以闭式公式的形式给出，这些公式具有较低的计算复杂度，且计算复杂度不受网络规模的影响，当网络规模发生变化时，无需重复迭代计算，从而有效、快速地应用于实际的大规模卫星网络构型和控制器布设设计；本实施例揭示了卫星网络管控与网络构型设计之间的关系，一体化设计了卫星网络构型和最优控制器布设，其中最优控制器布设单元和最优低轨卫星网络拓扑单元可以成几何式地扩展，从而构成满足最优控制器布设的大规模卫星网络，为大规模卫星网络的网络构型设计、控制器布设和网络管控提供指导和参考意义，可用于设计大规模卫星网络的网络构型和控制器放置，为未来大规模卫星网络的网络构型设计和控制器部署提供理论支撑和技术保障，对未来空间互联网和6G星地融合网络的研究和发展起到了引领和推动作用。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于椭圆形卫星覆盖的大规模卫星网络构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、构建低轨和高/中轨卫星网络环境，包括若干低轨卫星、若干高/中轨卫星，每一高/中轨卫星搭载一控制器，根据若干低轨卫星建立低轨卫星网络拓扑构型，其中，每一高/中轨卫星搭载的控制器的可控跳数为J；
步骤2、定义最优控制器布设满足最优控制器布设条件，最优控制器布设条件为使用最少的控制器实现对所有低轨卫星的非重复控制，且每个控制器控制的低轨卫星数量相同；
步骤3、构造高/中轨卫星对低轨卫星的椭圆形覆盖模型，包括一跳覆盖形状和控制域形状，其中，若一跳覆盖形状为线形时，J＝1则控制域形状为线形，J＞1则控制域形状为六边形，若一跳覆盖形状为六边形时，转化一跳覆盖形状为线形的情况处理；
步骤4、定义最优控制器布设单元为满足最优控制器布设的最小高/中轨卫星控制器布设构型，并定义最优低轨卫星网络拓扑单元为满足最优控制器布设对应的低轨卫星网络拓扑构型，若J＝1，则执行步骤5，若J＞1，则执行步骤6；
步骤5、构建线形控制域形状时的最优控制器布设单元和最优低轨卫星网络拓扑单元，执行步骤12；
步骤6、根据若干高/中轨卫星控制器在环面网格图上的垂直投影点确定若干六边形控制域形状，定义并构建六边形控制域形状间的基本位置关系、高/中轨卫星控制器间的基本距离关系；
步骤7、判断六边形控制域形状间的基本位置关系是否满足最优控制器布设条件；
步骤8、i≠J时满足最优控制器布设条件的基本位置关系和基本距离关系，则沿两条边界扩展方向放置高/中轨卫星控制器，其中，两条边界扩展方向定义为环面网格图上夹角小于90度的两个向量，且两个向量的起始点和方向由基本位置关系确定，i定义为满足最优控制器布设条件的第i种基本位置关系，i＝1,...,J；
步骤9、i≠J时满足最优控制器布设条件的基本位置关系和基本距离关系，则在两条边界扩展方向之间放置高/中轨卫星控制器；
步骤10、构建J＞1且i≠J时的最优控制器布设单元和最优低轨卫星网络拓扑单元，执行步骤12；
步骤11、构建J＞1且i＝J时的基本最优控制器布设单元和最优低轨卫星网络拓扑单元；
步骤12、几何扩展最优低轨卫星网络拓扑单元，构成一个规模更大的低轨卫星网络，最优控制器布设单元也随之相应扩展得到新的控制器布设单元，且新的控制器布设单元仍然满足最优；
步骤13、根据卫星网络规模和结构需求以及高/中轨卫星的一跳覆盖形状计算高/中轨卫星的轨道高度和覆盖角度得到所有可行的轨道高度和卫星覆盖角度组合，剔除高/中轨卫星轨道高度和覆盖角度超出预设范围的数值，以完成基于椭圆形卫星覆盖的大规模卫星网络的构建。
2.根据权利要求1所述的基于椭圆形卫星覆盖的大规模卫星网络构建方法，其特征在于，步骤1包括：
步骤1a、设低轨卫星集合为Sleo，建立环面网格图近似表征低轨卫星网络拓扑构型，其中环面网格图的纵向维数为低轨卫星网络的轨道数，环面网格图的横向维数为低轨卫星网络每条轨道上的低轨卫星数；
步骤1b、设高/中轨卫星数量为Q，每一颗高/中轨卫星搭载一控制器，任意一控制器q＝1,...,Q管控J跳范围内的V＝|Cq|颗低轨卫星，其中，Cq是被控制器q管控的低轨卫星所构成的集合。
3.根据权利要求1所述的基于椭圆形卫星覆盖的大规模卫星网络构建方法，其特征在于，步骤3包括：
步骤3a、定义高/中轨卫星一跳可达的低轨卫星在环面网格图上形成的形状为一跳覆盖形状，定义高/中轨卫星J跳可达的低轨卫星在环面网格图上形成的形状为控制域形状；
步骤3b、一跳覆盖形状为线形或六边形，若一跳覆盖形状为线形，则执行步骤3c，若一跳覆盖形状为六边形，则执行步骤3e；
步骤3c、设一跳覆盖形状为n×m的线形，其中n≥2为线形一跳覆盖形状横向维度包含的最大低轨卫星数量，m＝1为线形一跳覆盖形状纵向维度包含的最大低轨卫星数量；
步骤3d、若J＝1，则控制域形状为线形，若J＞1，则控制域形状为六边形，线形或六边形控制域形状内包含的低轨卫星数量为：
Figure FDA0003390062810000031
则执行步骤4；
步骤3e、设一跳覆盖形状为n'×m'的六边形，且六边形一跳覆盖形状满足n'-ne＝m'-1，其中n'和m'分别为六边形一跳覆盖形状横向和纵向维度包含的最大低轨卫星数量，ne为六边形一跳覆盖形状顶边包含的低轨卫星数量；
步骤3f、六边形一跳覆盖形成的控制域形状为六边形，六边形控制域形状内包含的低轨卫星数量为：
Figure FDA0003390062810000032
步骤3g、若一跳覆盖形状为六边形，则转换六边形一跳覆盖形状为线形一跳覆盖形状的情况，即n＝ne，
Figure FDA0003390062810000041
则执行步骤3a～3d。
4.根据权利要求3所述的基于椭圆形卫星覆盖的大规模卫星网络构建方法，其特征在于，步骤5包括：
当J＝1时，最优控制器布设单元仅由1颗高/中轨卫星控制器组成，则高/中轨卫星控制器在环面网格图上的垂直投影位于线形控制域形状的中心，则线形控制域形状为最优低轨卫星网络拓扑单元，最优低轨卫星网络拓扑单元的横向维数为N*＝n，纵向维数为M*＝1。
5.根据权利要求3所述的基于椭圆形卫星覆盖的大规模卫星网络构建方法，其特征在于，步骤6包括：
步骤6a、设C0点为任意一个高/中轨卫星控制器在环面网格图上的垂直投影点，CDS0为C0的六边形控制域形状，定义边界扩展方向
Figure FDA0003390062810000042
和
Figure FDA0003390062810000043
是起始于C0点的两个向量，且两个边界扩展方向的夹角小于90度，设C1和C2点分别是在
Figure FDA0003390062810000044
和
Figure FDA0003390062810000045
上放置的首个高/中轨卫星控制器在环面网格图上的垂直投影点，CDS1和CDS2分别是C1和C2的六边形控制域形状；
步骤6b、定义CDS0、CDS1和CDS2之间的位置关系是六边形控制域形状间的基本位置关系，CDS0、CDS1和CDS2之间互相相邻，这里相邻指的是存在属于不同六边形控制域形状中的两个低轨卫星间具有一跳连接，定义C0、C1和C2之间的距离关系是基本距离关系；
步骤6c、若n＝2，则执行步骤6d，若n＞2，则执行步骤6e；
步骤6d、当n＝2时，存在J种基本位置关系，每种基本位置关系记为i，i＝1,...,J，当i＝1时，CDS1的横向中线与CDS0的底边在同一横向维度上，CDS2的顶边与CDS1的底边在同一横向维度上，则保持CDS1和CDS2的位置关系，将CDS1和CDS2沿着CDS0的侧边方向D'平移，依次得到(J-1)种基本位置关系，其中当i＝J时，CDS1与CDS0的横向中线在同一横向维度上，CDS2的顶边与CDS1的底边在同一横向维度上，则执行步骤6f；
步骤6e、当n＞2时，则仅存在1种基本位置关系，记为i＝1，此时CDS1的横向中线与CDS0的底边在同一横向维度上，CDS2的顶边与CDS1的底边在同一横向维度上；
步骤6f、用环面网格图的横向和纵向相位差Δθ和Δω分别表征C0与C1、C0与C2之间的基本距离关系，设C0与C1的横向和纵向相位差分别为ΔΘ1和ΔΩ1，C0与C2的横向和纵向相位差分别为ΔΘ2和ΔΩ2，则：
Figure FDA0003390062810000051
其中，g1定义为C0与C1的横向相位差因子，g2定义为C0与C1的纵向相位差因子，g3定义为C0与C2的横向相位差因子，g4定义为C0与C2的纵向相位差因子。
6.根据权利要求5所述的基于椭圆形卫星覆盖的大规模卫星网络构建方法，其特征在于，步骤7包括：
步骤7a、若i≠J，则执行步骤7b，若i＝J，则执行步骤7d；
步骤7b、遍历全部的基本位置关系，对任一种基本位置关系i，判断
Figure FDA0003390062810000052
是否成立，若成立，则执行步骤7d，若不成立，则不存在最优控制器布设单元，结束基于椭圆形卫星覆盖的大规模卫星网络的构建；
步骤7c、判断是否存在自然数p1和p2'使得等式(p1-1)g2＝i+(p2'-1)g4和等式ip2'＝J-i成立，若成立，则执行步骤8，若不成立，则不存在最优控制器布设单元，结束基于椭圆形卫星覆盖的大规模卫星网络的构建；
步骤7d、当前六边形控制域形状间的基本位置关系总是满足最优控制器布设条件，则执行步骤11。
7.根据权利要求5所述的基于椭圆形卫星覆盖的大规模卫星网络构建方法，其特征在于，步骤8中沿两条边界扩展方向放置高/中轨卫星控制器包括：
除C0之外，布设p1和p2个高/中轨卫星控制器，并使它们在环面网格图上的垂直投影点分别位于扩展边界方向
Figure FDA0003390062810000061
和
Figure FDA0003390062810000062
上，其中
Figure FDA0003390062810000063
Figure FDA0003390062810000064
并保证
Figure FDA0003390062810000065
和
Figure FDA0003390062810000066
上的控制器垂直投影点之间满足基本距离关系，共需布设(p1+p2)个高/中轨卫星控制器。
8.根据权利要求5所述的基于椭圆形卫星覆盖的大规模卫星网络构建方法，其特征在于，步骤9中在两条边界扩展方向之间放置高/中轨卫星控制器包括：
步骤9a、除C0之外，边界扩展方向
Figure FDA0003390062810000067
上有p1个高/中轨卫星控制器垂直投影点，以这p1个点为射线起始点分别作p1条平行于边界扩展方向
Figure FDA0003390062810000068
的射线，记为
Figure FDA0003390062810000069
边界扩展方向
Figure FDA00033900628100000610
上有p2个高/中轨卫星控制器垂直投影点，以这p2个点为射线起始点分别作p2条平行于边界扩展方向
Figure FDA00033900628100000611
的射线，
Figure FDA00033900628100000612
步骤9b、对于所有的x和y，x＝1,...,p1-1，y＝1,...,p2，布设高/中轨卫星控制器，使得这些高/中轨卫星控制器在环面网格图上的垂直投影点位于射线
Figure FDA0003390062810000071
和
Figure FDA0003390062810000072
的交点上，并保证各条射线上的六边形控制域形状之间满足基本距离关系，共需布设((p1-1)p2)个高/中轨卫星控制器；
步骤9c、布设(n-1)个高/中轨卫星控制器，使得(n-1)个高/中轨卫星控制器在环面网格图上的垂直投影点依次位于射线
Figure FDA0003390062810000073
与射线
Figure FDA0003390062810000074
的交点上，y′＝1，...，n-1。
9.根据权利要求6或7所述的基于椭圆形卫星覆盖的大规模卫星网络构建方法，其特征在于，步骤10包括：
步骤10a、以CDS0的顶边所在直线、
Figure FDA0003390062810000075
上第(p2+1)个六边形控制域形状的横向中线所在直线、CDS0的左起第(J+1-i)列所在直线和
Figure FDA0003390062810000076
上第(p1+1)个六边形控制域形状的右起第(J+1-i)列所在直线，围成的四边形为最优低轨卫星网络拓扑单元；
步骤10b、借助于环面网格图的循环特性，将最优低轨卫星网络拓扑单元外的低轨卫星节点对向填充到最优低轨卫星网络拓扑单元内的空缺区域中，构成一个四边形的网格图，需要布设的高/中轨卫星控制器数量为(p1(p2+1)+n)，最优低轨卫星网络拓扑单元的横向维数为N*＝g1p1+(n+(J-1-g3p2')+(i-1))，纵向维数为M*＝g4p2+J，则执行步骤12。
10.根据权利要求5所述的基于椭圆形卫星覆盖的大规模卫星网络构建方法，其特征在于，步骤11包括：
步骤11a、以CDS0的顶边所在直线、CDS1的横向中线所在直线、CDS0的左起第(J+2)列所在直线和CDS1的最右一列所在直线，围成的四边形为最优低轨卫星网络拓扑单元；
步骤11b、借助于环面网格图的循环特性，将最优低轨卫星网络拓扑单元外的低轨卫星节点对向填充到最优低轨卫星网络拓扑单元内的空缺区域中，构成一个四边形的网格图，需要布设的高/中轨卫星控制器数量为2，最优低轨卫星网络拓扑单元的横向维数为N*＝2J，纵向维数为M*＝g4+J。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110169688A1 (en) * 2007-10-18 2011-07-14 Gregory Thane Wyler Apparatus and methods for satelite communication
CN102208955B (zh) * 2011-05-25 2013-08-07 北京航空航天大学 卫星网络化测控方法及系统
JP6386674B2 (ja) * 2015-02-03 2018-09-05 クラウド コンステレーション コーポレイション 宇宙ベースの電子データストレージおよび転送ネットワークシステム
CN109951335B (zh) * 2019-03-24 2022-03-04 西安电子科技大学 基于时间聚合图的卫星网络时延与速率联合保障路由方法

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