CN114499640B - 面向空间信息网络的跨域资源层次化稀疏表征方法 - Google Patents

面向空间信息网络的跨域资源层次化稀疏表征方法 Download PDF

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CN114499640B CN202210087220.7A CN202210087220A CN114499640B CN 114499640 B CN114499640 B CN 114499640B CN 202210087220 A CN202210087220 A CN 202210087220A CN 114499640 B CN114499640 B CN 114499640B
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Abstract

本发明公开了一种面向空间信息网络的跨域资源层次化稀疏表征方法，实现的具体步骤为：1)构建待表征的空间信息网络；2)划分待表征空间信息网络的规划时间；3)获取同层异轨卫星的星间关系矩阵；4)对同层异轨卫星的星间关系进行稀疏表征；5)计算每个卫星的真近点角；6)获取J2000.0地心惯性坐标系下的三维坐标；7)计算层间卫星的地心角；8)对层间卫星星间关系进行跨域稀疏表征。本发明应用卫星链路连接关系的周期性、卫星的轨道运动规律以及卫星之间的几何关系，显著降低了资源表征的空间复杂度，能够很好的适用于空间信息网络的通信资源表征，可用于实现空间信息网络跨域资源的高效调度。

Description

面向空间信息网络的跨域资源层次化稀疏表征方法
技术领域
本发明属于卫星通信技术领域，涉及一种面向空间信息网络的跨域资源层次化稀疏表征方法。本发明可用于实现空间信息网络通信资源的层次化稀疏表征，从而为空间信息网络跨域资源的高效调度提供支持。
背景技术
空间信息网络中包括卫星通信系统、卫星导航系统、对地观测系统等多种卫星系统。随着星间链路在卫星通信中的应用，空间信息网络中各种卫星系统的卫星不仅能够在系统内进行通信，也能够实现跨系统建立通信链路。然而，由于卫星的高速轨道运动以及各种卫星系统的卫星分布在不同的轨道高度上，空间信息网络的拓扑结构是复杂多变的并且具有很强的动态性。这使得空间信息网络中通信资源是不断变化的。因此，要实现空间信息网络通信资源的高效利用，需要对各种卫星系统的不断变化的通信资源进行表征，设计跨系统资源的表征方法。
在对空间信息网络的通信资源进行表征时，由于处于相同轨道的两个卫星之间通常具有稳定的连接关系，对异轨卫星之间的连接关系的表征成为通信资源表征的重点。这里的异轨卫星包括处于相同轨道高度的两个异轨卫星，即，同层异轨卫星，以及处于不同轨道高度的两个异轨卫星，即，层间卫星。使用布尔值表示两个异轨卫星之间的通信链路能否被建立是通信资源表征的常用方式，表征的结果将以矩阵的形式存储在每个卫星上。然而，随着空间信息网络中各种卫星系统规模的不断扩大，任意两个异轨卫星的通信资源都将被表征，进而被存储，这使得表征的空间复杂度迅速增加。事实上，卫星的存储资源是有限的，应该被用于业务数据，而不是表征。因此，需要降低通信资源表征的空间复杂度，设计一种面向空间信息网络的通信资源层次化稀疏表征方法。
Tao Zhang等人在其发表的论文“Application of Time-Varying Graph Theoryover the Space Information Networks”(IEEE Network，March/April 2020)中公开了一种基于时变图的空间信息网络通信资源表征方法。该方法以卫星作为顶点，顶点之间的连线为边，使用连接两个顶点的边表示两个卫星之间有通信资源，没有边则表示没有通信资源。虽然时变图的表征方法以图的形式对通信资源进行表征，但是在对表征的结果进行存储时依然按照布尔值来表示链路能否被建立。此外，该方法无论对同层异轨卫星还是层间卫星都需要对每个时隙的拓扑连接关系进行表征，随着规模的增加，每个时隙的时变图中将包含空间信息网络中所有系统的卫星之间的拓扑连接关系，这使得每个时变图中具有数千个卫星，从而导致使用该方法表征通信资源具有很高的空间复杂度。此外，在时变图表征的基础上进行资源调度，必须提前将规划时间内所有时隙的网络拓扑连接关系均表征出来，这使得在该表征方法上进行资源调度具有很高的空间复杂度。因此，基于时变图的表征方式不能够很好的适用于空间信息网络的资源表征。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出了一种面向空间信息网络的跨域资源层次化稀疏表征方法。用于解决现有技术无论对同层异轨卫星还是层间卫星都需要表征每个时隙的拓扑连接关系以及基于现有表征方法进行通信资源调度时必须提前表征规划时间内所有时隙网络的拓扑连接关系导致的具有很高的空间复杂度的技术问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括如下步骤：
(1)构建待表征的空间信息网络：
构建包括多个卫星系统且每个卫星系统包括多个卫星的待表征的空间信息网络，并将每个卫星系统作为一个域，然后将处于相同轨道的所有卫星进行组合，得到包括N个轨道的卫星集合O＝{O1,…,Oi,…,ON}，其中，N≥2，Oi表示包括K个卫星的第i个轨道的卫星子集，
Figure BDA0003487419080000021
表示第i个轨道的第k个卫星；
(2)划分待表征空间信息网络的规划时间：
以τ为时隙长度将待表征的空间信息网络的规划时间Ts划分为T个时隙，τ＝Ts/T；
(3)获取同层异轨卫星的星间关系矩阵：
(3a)将处于相同轨道高度的任意两个卫星集合作为一个待表征分组G＝{Oa,Ob}，其中，Oa表示第a个轨道的卫星集合，Ob表示第b个轨道的卫星集合，a,b∈{1,2,…,N},a≠b；
(3b)将第t个时隙待表征分组G所包含的两个卫星集合中处于彼此通信范围内的两个卫星
Figure BDA0003487419080000031
和
Figure BDA0003487419080000032
评定为可见，不处于彼此通信范围内评定为不可见，并将可见的
Figure BDA0003487419080000033
和
Figure BDA0003487419080000034
的星间关系表示为
Figure BDA0003487419080000035
将不可见的
Figure BDA0003487419080000036
和
Figure BDA0003487419080000037
的星间关系表示为
Figure BDA0003487419080000038
然后将T个时隙
Figure BDA0003487419080000039
和
Figure BDA00034874190800000310
的星间关系组成星间关系矩阵
Figure BDA00034874190800000311
其中，
Figure BDA00034874190800000312
表示第a个轨道的第p个卫星，
Figure BDA00034874190800000313
表示第b个轨道的第q个卫星，p∈{1,2,…,K}，q∈{1,2,…,K}，t∈{1,2,…,T}；
(4)对同层异轨卫星的星间关系进行稀疏表征：
将星间关系矩阵
Figure BDA00034874190800000314
中第一个由不可见变为可见的时隙作为开始时隙
Figure BDA00034874190800000315
并将第二个由不可见变为可见的时隙作为结束时隙
Figure BDA00034874190800000316
然后，将
Figure BDA00034874190800000317
中从第
Figure BDA00034874190800000318
个时隙到第
Figure BDA00034874190800000319
个时隙的星间关系提取出来，组成一个截断的星间关系矩阵
Figure BDA00034874190800000320
截断的星间关系矩阵
Figure BDA00034874190800000321
实现对同层异轨卫星星间关系的稀疏表征；
(5)计算每个卫星的真近点角：
(5a)利用
Figure BDA00034874190800000322
的第1个时隙的平近点角
Figure BDA00034874190800000323
时隙长度τ以及
Figure BDA00034874190800000324
运行的角速度ωi，计算Oi中
Figure BDA00034874190800000325
的第t个时隙的平近点角
Figure BDA00034874190800000326
(5b)判断
Figure BDA00034874190800000327
的偏心率ei＝0是否成立，若是则
Figure BDA00034874190800000328
位于圆形轨道，
Figure BDA00034874190800000329
的第t个时隙的真近点角
Figure BDA00034874190800000330
等于
Figure BDA00034874190800000331
的平近点角
Figure BDA00034874190800000332
否则
Figure BDA00034874190800000333
位于椭圆轨道，利用ei和
Figure BDA00034874190800000334
在第t个时隙的偏近点角
Figure BDA00034874190800000335
计算Oi中
Figure BDA00034874190800000336
的第t个时隙的真近点角
Figure BDA00034874190800000337
(6)获取J2000.0地心惯性坐标系下的三维坐标：
(6a)构建以地球质心为原点，以指向近地点为x轴正方向、指向升交点为y轴负方向、z轴与x轴，y轴呈右手法则的Oi的三维坐标系，并且构建以地球质心为原点，以指向春分点为x轴正方向、指向平北天极为
Figure BDA00034874190800000338
轴正方向、y轴与x轴，
Figure BDA00034874190800000339
轴呈右手法则的J2000.0地心惯性坐标系；
(6b)利用偏心率ei、真近点角
Figure BDA0003487419080000041
Oi所在轨道的轨道高度hi以及偏近点角
Figure BDA0003487419080000042
计算
Figure BDA0003487419080000043
第t个时隙在其三维坐标系下的三维坐标
Figure BDA0003487419080000044
然后利用
Figure BDA0003487419080000045
Oi所在轨道的近地点幅角Ωi、轨道倾角Ii以及升交点赤经RAi，旋转Oi所属轨道的三维坐标系，将
Figure BDA0003487419080000046
的三维坐标转换为在J2000.0地心惯性坐标系下的三维坐标
Figure BDA0003487419080000047
其中，
Figure BDA0003487419080000048
表示转置操作；
(7)计算层间卫星的地心角：
(7a)将处于不同轨道高度的任意两个卫星集合作为一个待表征分组G＝{Om,On}，其中，Om表示第m个轨道的卫星集合，On表示第n个轨道的卫星集合，m,n∈{1,2,…,N},m≠n；
(7b)利用第t个时隙待表征分组G所包含的两个卫星集合中
Figure BDA0003487419080000049
和
Figure BDA00034874190800000410
在J2000.0地心惯性坐标系下的三维坐标
Figure BDA00034874190800000411
和
Figure BDA00034874190800000412
计算
Figure BDA00034874190800000413
和
Figure BDA00034874190800000414
的距离
Figure BDA00034874190800000415
然后，利用
Figure BDA00034874190800000416
Om和On所在轨道的偏心率、轨道高度以及偏近点角，计算
Figure BDA00034874190800000417
和
Figure BDA00034874190800000418
在第t个时隙与地心的夹角
Figure BDA00034874190800000419
并将
Figure BDA00034874190800000420
称为地心角，其中，
Figure BDA00034874190800000421
表示第m个轨道的第u个卫星，
Figure BDA00034874190800000422
表示第n个轨道的第v个卫星，u∈{1,2,…,K}，v∈{1,2,…,K}；
(8)对层间卫星星间关系进行跨域稀疏表征：
利用地球半径Re、Om和On所在轨道的偏心率、轨道高度以及偏近点角，计算
Figure BDA00034874190800000423
和
Figure BDA00034874190800000424
在第t个时隙能够彼此通信的与地心的最大夹角
Figure BDA00034874190800000425
并将
Figure BDA00034874190800000426
称为最大地心角，然后，将
Figure BDA00034874190800000427
评定为
Figure BDA00034874190800000428
和
Figure BDA00034874190800000429
在第t时隙的星间关系
Figure BDA00034874190800000430
为可见，否则，评定星间关系为不可见，并将可见的
Figure BDA00034874190800000431
和
Figure BDA00034874190800000432
的星间关系表示为
Figure BDA00034874190800000433
将不可见的
Figure BDA00034874190800000434
和
Figure BDA00034874190800000435
的星间关系表示为
Figure BDA00034874190800000436
实现对层间卫星星间关系的跨域稀疏表征。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.由于本发明通过分析同层异轨卫星星间关系的周期性，提取星间关系矩阵中一个周期的星间关系得到截断的星间关系矩阵，使用截断的星间关系矩阵对同层异轨卫星的星间关系进行稀疏表征，并通过分析层间卫星的轨道运动规律和几何关系，计算任意时隙的层间卫星的最大地心角和地心角，并根据二者之间的关系对任意时隙的层间卫星的星间关系进行跨域稀疏表征，不需要对全部时隙的层间卫星的星间关系进行表征。克服了现有技术对空间信息网络同层异轨卫星以及层间卫星的通信资源进行表征时具有很高空间复杂度的问题，使得本发明能够从时间维度对空间信息网络通信资源的表征进行稀疏，有效的降低了表征的空间复杂度，进而适用于空间信息网络跨域资源的表征。
2.由于本发明通过同层异轨卫星的稀疏表征和层间卫星的稀疏表征实现对空间信息网络跨域资源的表征，将全部时隙的拓扑连接关系用数学表达式进行刻画，在进行空间信息网络通信资源调度时，不再需要提前获知全部时隙的网络拓扑信息，而是通过数学表达式实时获取每个时隙的拓扑连接关系。克服了在现有技术上进行通信资源调度时必须将规划时间内所有时隙的网络拓扑连接关系都表征出来的问题。使得本发明能够以更低的表征空间复杂度，为空间信息网络的高效资源调度提供技术支持。
附图说明
图1是本发明的实现流程图；
图2是本发明的Oi的三维坐标系与J2000.0地心惯性坐标系的关系图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。
参照图1，对本发明的实现步骤作进一步详细描述。
步骤1)构建待表征的空间信息网络：
构建包括多个卫星系统且每个卫星系统包括多个卫星的待表征的空间信息网络，并将每个卫星系统作为一个域，然后将处于相同轨道的所有卫星进行组合，得到包括N个轨道的卫星集合O＝{O1,…,Oi,…,ON}，其中，N≥2，Oi表示包括K个卫星的第i个轨道的卫星子集，
Figure BDA0003487419080000051
表示第i个轨道的第k个卫星。
本实施例中，构建一个具有卫星通信系统和卫星观测系统的空间信息网络，并将卫星通信系统称为通信域，卫星观测系统称为观测域；设置通信域具有两个轨道并且轨道高度相同，观测域具有一个轨道并且轨道高度与通信域的轨道高度不同；该实施例包括三个轨道的卫星集合O＝{O1,O2,O3}，其中，O1,O2分别表示通信域内的两个轨道，O3表示观测域内的轨道，N＝3，K＝6。
步骤2)划分待表征空间信息网络的规划时间：
以τ为时隙长度将待表征的空间信息网络的规划时间Ts划分为T个时隙，τ＝Ts/T。
本实施例中，时隙长度τ＝100s，规划时间Ts＝6小时，时隙总数T＝216。
步骤3)获取同层异轨卫星的星间关系矩阵：
步骤3a)将处于相同轨道高度的任意两个卫星集合作为一个待表征分组G＝{Oa,Ob}，其中，Oa表示第a个轨道的卫星集合，Ob表示第b个轨道的卫星集合，a,b∈{1,2,…,N},a≠b。
本实施例中，将通信域中的两个卫星集合组成一个待表征分组G＝{O1,O2}。
步骤3b)将第t个时隙待表征分组G所包含的两个卫星集合中处于彼此通信范围内的两个卫星
Figure BDA0003487419080000061
和
Figure BDA0003487419080000062
评定为可见，不处于彼此通信范围内评定为不可见，并将可见的
Figure BDA0003487419080000063
和
Figure BDA0003487419080000064
的星间关系表示为
Figure BDA0003487419080000065
将不可见的
Figure BDA0003487419080000066
和
Figure BDA0003487419080000067
的星间关系表示为
Figure BDA0003487419080000068
然后将T个时隙
Figure BDA0003487419080000069
和
Figure BDA00034874190800000610
的星间关系组成星间关系矩阵
Figure BDA00034874190800000611
其中，
Figure BDA00034874190800000612
表示第a个轨道的第p个卫星，
Figure BDA00034874190800000613
表示第b个轨道的第q个卫星，p∈{1,2,…,K}，q∈{1,2,…,K}，t∈{1,2,…,T}。
步骤4)对同层异轨卫星的星间关系进行稀疏表征：
将星间关系矩阵
Figure BDA00034874190800000614
中第一个由不可见变为可见的时隙作为开始时隙
Figure BDA00034874190800000615
并将第二个由不可见变为可见的时隙作为结束时隙
Figure BDA00034874190800000616
然后，将
Figure BDA00034874190800000617
中从第
Figure BDA00034874190800000618
个时隙到第
Figure BDA00034874190800000619
个时隙的星间关系提取出来，组成一个截断的星间关系矩阵
Figure BDA00034874190800000620
截断的星间关系矩阵
Figure BDA00034874190800000621
实现对同层异轨卫星星间关系的稀疏表征。
由于处于相同轨道高度的卫星具有相同的轨道运行周期，使得同层异轨卫星的星间关系具有周期重复呈现的特性，因此，
Figure BDA0003487419080000071
中从第
Figure BDA0003487419080000072
个时隙到第
Figure BDA0003487419080000073
个时隙的星间关系为
Figure BDA0003487419080000074
和
Figure BDA0003487419080000075
的一个周期的星间关系；同时，根据上述周期特性，任意时隙的
Figure BDA0003487419080000076
和
Figure BDA0003487419080000077
的星间关系能够通过周期延拓的方式实时获得，使得同层异轨卫星的星间关系能够使用截断的星间关系矩阵
Figure BDA0003487419080000078
替代T个时隙的星间关系矩阵
Figure BDA0003487419080000079
进行表征，从而实现了对同层异轨卫星的星间关系的稀疏表征，这是一种实时的表征方式。
该表征方式使得
Figure BDA00034874190800000710
和
Figure BDA00034874190800000711
的星间关系表征所占用的存储空间由T降低到
Figure BDA00034874190800000712
结果表明，由于
Figure BDA00034874190800000713
和
Figure BDA00034874190800000714
的星间关系的周期是固定的，表征的时隙总数T越大，该表征方式对空间复杂度的降低越明显。
步骤5)计算每个卫星的真近点角：
步骤5a)利用
Figure BDA00034874190800000715
的第1个时隙的平近点角
Figure BDA00034874190800000716
时隙长度τ以及
Figure BDA00034874190800000717
运行的角速度ωi，计算Oi中
Figure BDA00034874190800000718
的第t个时隙的平近点角
Figure BDA00034874190800000719
的第t个时隙的平近点角
Figure BDA00034874190800000720
的计算公式为：
Figure BDA00034874190800000721
Figure BDA00034874190800000722
其中，·表示相乘操作，
Figure BDA00034874190800000723
表示开平方操作，G表示万有引力常量，M表示地球质量，Ri＝Re+hi表示第i个轨道的轨道半径，Re表示地球半径，hi表示第i个轨道的轨道高度。
本实施例中，通信域中两个轨道的轨道高度h1＝780Km，h2＝780Km，观测域中轨道的轨道高度h3＝1336Km。
步骤5b)判断
Figure BDA00034874190800000724
的偏心率ei＝0是否成立，若是则
Figure BDA00034874190800000725
位于圆形轨道，
Figure BDA00034874190800000726
的第t个时隙的真近点角
Figure BDA00034874190800000727
等于
Figure BDA00034874190800000728
的平近点角
Figure BDA00034874190800000729
否则
Figure BDA00034874190800000730
位于椭圆轨道，利用ei和
Figure BDA00034874190800000731
在第t个时隙的偏近点角
Figure BDA00034874190800000732
计算Oi中
Figure BDA00034874190800000733
的第t个时隙的真近点角
Figure BDA0003487419080000081
椭圆轨道的
Figure BDA0003487419080000082
的真近点角
Figure BDA0003487419080000083
的计算公式为：
Figure BDA0003487419080000084
Figure BDA0003487419080000085
其中，arctan(·)表示反正切操作，sin(·)表示正弦操作，cos(·)表示余弦操作，
Figure BDA0003487419080000086
在第t个时隙的偏近点角
Figure BDA0003487419080000087
是通过迭代的方式获取的，r表示迭代次数，迭代初始值
Figure BDA0003487419080000088
迭代终止的条件为
Figure BDA0003487419080000089
ζ表示精度，|·|表示取绝对值操作。
本实施例中，通信域与观测域中轨道的偏心率ei＝0，i＝{1,2,3}。
步骤6)获取J2000.0地心惯性坐标系下的三维坐标：
步骤6a)构建以地球质心为原点，以指向近地点为x轴正方向、指向升交点为y轴负方向、z轴与x轴，y轴呈右手法则的Oi的三维坐标系，并且构建以地球质心为原点，以指向春分点为x轴正方向、指向平北天极为
Figure BDA00034874190800000810
轴正方向、y轴与x轴，
Figure BDA00034874190800000811
轴呈右手法则的J2000.0地心惯性坐标系。
参照图2，根据x，y，z轴所展示的坐标系建立方式分别构建O1，O2和O3的三维坐标系，该坐标系用于确定每个卫星在其轨道平面内的坐标，因此，该坐标系每个卫星集合均有一个，并且O1，O2和O3的三维坐标系各不相同；同时，根据x，y，
Figure BDA00034874190800000812
轴所展示的坐标系建立方式构建J2000.0地心惯性坐标系，该坐标系是唯一的，其中，近地点是卫星在轨道上绕地球运行时距地心最近的一点，升交点是卫星由南向北运行时与地球赤道面的交点，春分点是太阳由南向北在黄赤道上的交点，轨道倾角是卫星轨道面与地球赤道面的夹角，近地点幅角是卫星轨道的近地点与升交点之间对地心的张角，升交点赤经是卫星轨道的升交点与春分点的角距。
步骤6b)利用偏心率ei、真近点角
Figure BDA00034874190800000813
Oi所在轨道的轨道高度hi以及偏近点角
Figure BDA0003487419080000091
计算
Figure BDA0003487419080000092
第t个时隙在其三维坐标系下的三维坐标
Figure BDA0003487419080000093
然后利用
Figure BDA0003487419080000094
Oi所在轨道的近地点幅角Ωi、轨道倾角Ii以及升交点赤经RAi，旋转Oi所属轨道的三维坐标系，将
Figure BDA0003487419080000095
的三维坐标转换为在J2000.0地心惯性坐标系下的三维坐标
Figure BDA0003487419080000096
其中，
Figure BDA0003487419080000097
表示转置操作。
Figure BDA0003487419080000098
第t个时隙在其三维坐标系下的三维坐标
Figure BDA0003487419080000099
的计算公式为：
Figure BDA00034874190800000910
其中，
Figure BDA00034874190800000911
表示Oi中
Figure BDA00034874190800000912
在第t个时隙与坐标原点之间的距离。
Figure BDA00034874190800000913
在J2000.0地心惯性坐标系下的三维坐标
Figure BDA00034874190800000914
的计算公式为：
Figure BDA00034874190800000915
其中，M(Ωi)，M(Ii)和M(RAi)分别表示利用Ωi、Ii和RAi实现坐标轴旋转的3×3维的旋转矩阵，*表示矩阵的相乘操作。
三个旋转矩阵分别为：
Figure BDA00034874190800000916
Figure BDA00034874190800000917
Figure BDA00034874190800000918
本实施例中，Ω1＝Ω2＝Ω3＝0°，I1＝86.4°，I2＝86.4°，I3＝60，RA1＝0°，RA2＝60°，RA3＝0°；通过将待表征分组中的卫星在其三维坐标系下的坐标转换至J2000.0地心惯性坐标系下，使得所有卫星的坐标处于相同的坐标系下，作为后续计算卫星之间距离的基础。
步骤7)计算层间卫星的地心角：
步骤7a)将处于不同轨道高度的任意两个卫星集合作为一个待表征分组G＝{Om,On}，其中，Om表示第m个轨道的卫星集合，On表示第n个轨道的卫星集合，m,n∈{1,2,…,N},m≠n。
本实施例中，分别将通信域中的两个卫星集合与观测域中的卫星集合进行组合，作为待表征分组；两个待表征分组分别是G＝{O1,O3}和G＝{O2,O3}。
步骤7b)利用第t个时隙待表征分组G所包含的两个卫星集合中
Figure BDA0003487419080000101
和
Figure BDA0003487419080000102
在J2000.0地心惯性坐标系下的三维坐标
Figure BDA0003487419080000103
和
Figure BDA0003487419080000104
计算
Figure BDA0003487419080000105
和
Figure BDA0003487419080000106
的距离
Figure BDA0003487419080000107
然后，利用
Figure BDA0003487419080000108
Om和On所在轨道的偏心率、轨道高度以及偏近点角，计算
Figure BDA0003487419080000109
和
Figure BDA00034874190800001010
在第t个时隙与地心的夹角
Figure BDA00034874190800001011
并将
Figure BDA00034874190800001012
称为地心角，其中，
Figure BDA00034874190800001013
表示第m个轨道的第u个卫星，
Figure BDA00034874190800001014
表示第n个轨道的第v个卫星，u∈{1,2,…,K}，v∈{1,2,…,K}。所述的
Figure BDA00034874190800001015
和
Figure BDA00034874190800001016
的距离
Figure BDA00034874190800001017
的计算公式为：
Figure BDA00034874190800001018
地心角
Figure BDA00034874190800001019
的计算公式为：
Figure BDA00034874190800001020
其中，arccos(·)表示反余弦操作，
Figure BDA00034874190800001021
表示Om中
Figure BDA00034874190800001022
在第t个时隙与坐标原点之间的距离，Rm＝Re+hm表示Om所在轨道的轨道半径，
Figure BDA00034874190800001023
表示On中
Figure BDA00034874190800001024
在第t个时隙与坐标原点之间的距离，Rn＝Re+hn表示On所在轨道的轨道半径。
步骤8)对层间卫星星间关系进行跨域稀疏表征：
利用地球半径Re、Om和On所在轨道的偏心率、轨道高度以及偏近点角，计算
Figure BDA0003487419080000111
和
Figure BDA0003487419080000112
在第t个时隙能够彼此通信的与地心的最大夹角
Figure BDA0003487419080000113
并将
Figure BDA0003487419080000114
称为最大地心角，然后，将
Figure BDA0003487419080000115
评定为
Figure BDA0003487419080000116
和
Figure BDA0003487419080000117
在第t时隙的星间关系
Figure BDA0003487419080000118
为可见，否则，评定星间关系为不可见，并将可见的
Figure BDA0003487419080000119
和
Figure BDA00034874190800001110
的星间关系表示为
Figure BDA00034874190800001111
将不可见的
Figure BDA00034874190800001112
和
Figure BDA00034874190800001113
的星间关系表示为
Figure BDA00034874190800001114
实现对层间卫星星间关系的跨域稀疏表征。最大地心角
Figure BDA00034874190800001115
的计算公式为：
Figure BDA00034874190800001116
通过使用卫星的轨道高度、偏心率、轨道倾角、近地点幅角、升交点赤经以及平近点角等参数，能够计算任意时隙
Figure BDA00034874190800001117
和
Figure BDA00034874190800001118
的地心角以及最大地心角，并根据二者之间的大小关系确定
Figure BDA00034874190800001119
和
Figure BDA00034874190800001120
的星间关系，因此，
Figure BDA00034874190800001121
和
Figure BDA00034874190800001122
的星间关系能够根据表征的具体需求实时计算得到，从而实现对层间卫星星间关系的跨域稀疏表征，这也是一种实时的表征方式。
该表征方式使得本实施例中所有层间卫星的星间关系所占用的存储空间由2×K2×T降低为3×(K+5)，结果表明，该表征方式极大的降低了层间卫星星间关系表征的空间复杂度。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种面向空间信息网络的跨域资源层次化稀疏表征方法，其特征在于，利用同层异轨卫星链路连接关系的周期性，对星间关系矩阵进行截断，使用截断的星间关系矩阵对同层异轨卫星的星间关系进行表征，实现对同层异轨卫星星间关系的稀疏表征；利用层间卫星的轨道运动规律和几何关系计算层间卫星的地心角，实现对层间卫星星间关系的跨域稀疏表征；具体实现步骤为：
(1)构建待表征的空间信息网络：
构建包括多个卫星系统且每个卫星系统包括多个卫星的待表征的空间信息网络，并将每个卫星系统作为一个域，然后将处于相同轨道的所有卫星进行组合，得到包括N个轨道的卫星集合O＝{O1,…,Oi,…,ON}，其中，N≥2，Oi表示包括K个卫星的第i个轨道的卫星子集，
Figure FDA0003487419070000011
Figure FDA0003487419070000012
表示第i个轨道的第k个卫星；
(2)划分待表征空间信息网络的规划时间：
以τ为时隙长度将待表征的空间信息网络的规划时间Ts划分为T个时隙，τ＝Ts/T；
(3)获取同层异轨卫星的星间关系矩阵：
(3a)将处于相同轨道高度的任意两个卫星集合作为一个待表征分组G＝{Oa,Ob}，其中，Oa表示第a个轨道的卫星集合，Ob表示第b个轨道的卫星集合，a,b∈{1,2,…,N},a≠b；
(3b)将第t个时隙待表征分组G所包含的两个卫星集合中处于彼此通信范围内的两个卫星
Figure FDA0003487419070000013
和
Figure FDA0003487419070000014
评定为可见，不处于彼此通信范围内评定为不可见，并将可见的
Figure FDA0003487419070000015
和
Figure FDA0003487419070000016
的星间关系表示为
Figure FDA0003487419070000017
将不可见的
Figure FDA0003487419070000018
和
Figure FDA0003487419070000019
的星间关系表示为
Figure FDA00034874190700000110
然后将T个时隙
Figure FDA00034874190700000111
和
Figure FDA00034874190700000112
的星间关系组成星间关系矩阵
Figure FDA00034874190700000113
其中，
Figure FDA00034874190700000114
表示第a个轨道的第p个卫星，
Figure FDA00034874190700000115
表示第b个轨道的第q个卫星，p∈{1,2,…,K}，q∈{1,2,…,K}，t∈{1,2,…,T}；
(4)对同层异轨卫星的星间关系进行稀疏表征：
将星间关系矩阵
Figure FDA00034874190700000116
中第一个由不可见变为可见的时隙作为开始时隙
Figure FDA00034874190700000117
并将第二个由不可见变为可见的时隙作为结束时隙
Figure FDA0003487419070000021
然后，将
Figure FDA0003487419070000022
中从第
Figure FDA0003487419070000023
个时隙到第
Figure FDA0003487419070000024
个时隙的星间关系提取出来，组成一个截断的星间关系矩阵
Figure FDA0003487419070000025
截断的星间关系矩阵
Figure FDA0003487419070000026
实现对同层异轨卫星星间关系的稀疏表征；
(5)计算每个卫星的真近点角：
(5a)利用
Figure FDA0003487419070000027
的第1个时隙的平近点角
Figure FDA0003487419070000028
时隙长度τ以及
Figure FDA0003487419070000029
运行的角速度ωi，计算Oi中
Figure FDA00034874190700000210
的第t个时隙的平近点角
Figure FDA00034874190700000211
(5b)判断
Figure FDA00034874190700000212
的偏心率ei＝0是否成立，若是则
Figure FDA00034874190700000213
位于圆形轨道，
Figure FDA00034874190700000214
的第t个时隙的真近点角
Figure FDA00034874190700000215
等于
Figure FDA00034874190700000216
的平近点角
Figure FDA00034874190700000217
否则
Figure FDA00034874190700000218
位于椭圆轨道，利用ei和
Figure FDA00034874190700000219
在第t个时隙的偏近点角
Figure FDA00034874190700000220
计算Oi中
Figure FDA00034874190700000221
的第t个时隙的真近点角
Figure FDA00034874190700000222
(6)获取J2000.0地心惯性坐标系下的三维坐标：
(6a)构建以地球质心为原点，以指向近地点为x轴正方向、指向升交点为y轴负方向、z轴与x轴，y轴呈右手法则的Oi的三维坐标系，并且构建以地球质心为原点，以指向春分点为x轴正方向、指向平北天极为
Figure FDA00034874190700000223
轴正方向、y轴与x轴，
Figure FDA00034874190700000224
轴呈右手法则的J2000.0地心惯性坐标系；
(6b)利用偏心率ei、真近点角
Figure FDA00034874190700000225
Oi所在轨道的轨道高度hi以及偏近点角
Figure FDA00034874190700000226
计算
Figure FDA00034874190700000227
第t个时隙在其三维坐标系下的三维坐标
Figure FDA00034874190700000228
然后利用
Figure FDA00034874190700000229
Oi所在轨道的近地点幅角Ωi、轨道倾角Ii以及升交点赤经RAi，旋转Oi所属轨道的三维坐标系，将
Figure FDA00034874190700000230
的三维坐标转换为在J2000.0地心惯性坐标系下的三维坐标
Figure FDA00034874190700000231
其中，[·]T表示转置操作；
(7)计算层间卫星的地心角：
(7a)将处于不同轨道高度的任意两个卫星集合作为一个待表征分组G＝{Om,On}，其中，Om表示第m个轨道的卫星集合，On表示第n个轨道的卫星集合，m,n∈{1,2,…,N},m≠n；
(7b)利用第t个时隙待表征分组G所包含的两个卫星集合中
Figure FDA0003487419070000031
和
Figure FDA0003487419070000032
在J2000.0地心惯性坐标系下的三维坐标
Figure FDA0003487419070000033
和
Figure FDA0003487419070000034
计算
Figure FDA0003487419070000035
和
Figure FDA0003487419070000036
的距离
Figure FDA0003487419070000037
然后，利用
Figure FDA0003487419070000038
Om和On所在轨道的偏心率、轨道高度以及偏近点角，计算
Figure FDA0003487419070000039
和
Figure FDA00034874190700000310
在第t个时隙与地心的夹角
Figure FDA00034874190700000311
并将
Figure FDA00034874190700000312
称为地心角，其中，
Figure FDA00034874190700000313
表示第m个轨道的第u个卫星，
Figure FDA00034874190700000314
表示第n个轨道的第v个卫星，u∈{1,2,…,K}，v∈{1,2,…,K}；
(8)对层间卫星星间关系进行跨域稀疏表征：
利用地球半径Re、Om和On所在轨道的偏心率、轨道高度以及偏近点角，计算
Figure FDA00034874190700000315
和
Figure FDA00034874190700000316
在第t个时隙能够彼此通信的与地心的最大夹角
Figure FDA00034874190700000317
并将
Figure FDA00034874190700000318
称为最大地心角，然后，将
Figure FDA00034874190700000319
评定为
Figure FDA00034874190700000320
和
Figure FDA00034874190700000321
在第t时隙的星间关系
Figure FDA00034874190700000322
为可见，否则，评定星间关系为不可见，并将可见的
Figure FDA00034874190700000323
和
Figure FDA00034874190700000324
的星间关系表示为
Figure FDA00034874190700000325
将不可见的
Figure FDA00034874190700000326
和
Figure FDA00034874190700000327
的星间关系表示为
Figure FDA00034874190700000328
实现对层间卫星星间关系的跨域稀疏表征。
2.根据权利要求1所述的面向空间信息网络的跨域资源层次化稀疏表征方法，其特征在于，步骤(5a)中所述的
Figure FDA00034874190700000329
的第t个时隙的平近点角
Figure FDA00034874190700000330
的计算公式为：
Figure FDA00034874190700000331
Figure FDA00034874190700000332
其中，·表示相乘操作，
Figure FDA00034874190700000333
表示开平方操作，G表示万有引力常量，M表示地球质量，Ri＝Re+hi表示第i个轨道的轨道半径，Re表示地球半径，hi表示第i个轨道的轨道高度。
3.根据权利要求1所述的面向空间信息网络的跨域资源层次化稀疏表征方法，其特征在于，步骤(5b)中所述的椭圆轨道的
Figure FDA00034874190700000334
的真近点角
Figure FDA00034874190700000335
的计算公式为：
Figure FDA0003487419070000041
Figure FDA0003487419070000042
其中，arctan(·)表示反正切操作，sin(·)表示正弦操作，cos(·)表示余弦操作，
Figure FDA0003487419070000043
在第t个时隙的偏近点角
Figure FDA0003487419070000044
是通过迭代的方式获取的，r表示迭代次数，迭代初始值
Figure FDA0003487419070000045
迭代终止的条件为
Figure FDA0003487419070000046
ζ表示精度，|·|表示取绝对值操作。
4.根据权利要求1所述的面向空间信息网络的跨域资源层次化稀疏表征方法，其特征在于，步骤(6b)中所述的
Figure FDA0003487419070000047
第t个时隙在其三维坐标系下的三维坐标
Figure FDA0003487419070000048
的计算公式为：
Figure FDA0003487419070000049
其中，
Figure FDA00034874190700000410
表示Oi中
Figure FDA00034874190700000411
在第t个时隙与坐标原点之间的距离。
5.根据权利要求1所述的面向空间信息网络的跨域资源层次化稀疏表征方法，其特征在于，步骤(6b)中所述的
Figure FDA00034874190700000412
在J2000.0地心惯性坐标系下的三维坐标
Figure FDA00034874190700000413
的计算公式为：
Figure FDA00034874190700000414
其中，M(Ωi)，M(Ii)和M(RAi)分别表示利用Ωi、Ii和RAi实现坐标轴旋转的3×3维的旋转矩阵，*表示矩阵的相乘操作。
6.根据权利要求1所述的面向空间信息网络的跨域资源层次化稀疏表征方法，其特征在于，步骤(7b)中所述的
Figure FDA0003487419070000051
和
Figure FDA0003487419070000052
的距离
Figure FDA0003487419070000053
的计算公式为：
Figure FDA0003487419070000054
7.根据权利要求1所述的面向空间信息网络的跨域资源层次化稀疏表征方法，其特征在于，步骤(7b)中所述的地心角
Figure FDA0003487419070000055
的计算公式为：
Figure FDA0003487419070000056
其中，arccos(·)表示反余弦操作，
Figure FDA0003487419070000057
表示Om中
Figure FDA0003487419070000058
在第t个时隙与坐标原点之间的距离，Rm＝Re+hm表示Om所在轨道的轨道半径，
Figure FDA0003487419070000059
表示On中
Figure FDA00034874190700000510
在第t个时隙与坐标原点之间的距离，Rn＝Re+hn表示On所在轨道的轨道半径。
8.根据权利要求1所述的面向空间信息网络的跨域资源层次化稀疏表征方法，其特征在于，步骤(8)中所述的最大地心角
Figure FDA00034874190700000511
的计算公式为：
Figure FDA00034874190700000512
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