CN114915537A - 卫星通信频轨资源分布式协同监测系统和方法 - Google Patents

卫星通信频轨资源分布式协同监测系统和方法 Download PDF

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CN114915537A CN202210511438.0A CN202210511438A CN114915537A CN 114915537 A CN114915537 A CN 114915537A CN 202210511438 A CN202210511438 A CN 202210511438A CN 114915537 A CN114915537 A CN 114915537A
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Abstract

本发明公开了一种卫星通信频轨资源分布式协同监测系统和方法，该方法包括以下步骤：构建分布式协同监测系统体系架构，建立频轨资源先验数据库，以时、空、频三个维度为约束条件，以调动节点数量最小化、涉及区域数量最小化和按优先级调度为原则，进行节点资源调度，采用大数据处理架构、多级融合的数据处理体系，实现分布式协同监测和态势融合。本发明具有监测节点随遇接入、监测资源按需调度、监测任务自主协同、监测数据分级融合的特点，能够有效克服高轨卫星覆盖区域大、低轨卫星过境时间短、速度快、难以实时跟踪等问题；并可支持根据融合需求智能调度监测节点开展指定目标指定区域的频谱监测，通过多级融合形成指定区域的频谱综合态势。

Description

卫星通信频轨资源分布式协同监测系统和方法
技术领域
本发明涉及卫星移动通信技术领域，尤其涉及一种卫星通信频轨资源分布式协同监测系统和方法。
背景技术
卫星移动通信系统凭借其覆盖范围广和不受地形条件限制的显著优势，在弥补地面通信系统覆盖范围有限、应急能力不足等缺陷方面具有不可替代的作用。对卫星通信频轨资源进行实时、全面的监测分析，是实现卫星通信频轨资源高效利用的重要前提。当前，通信卫星主要部署在高、中、低3种轨道高度，不同轨道高度的卫星具有不同的覆盖和过境特点，对频谱监测提出了不同的要求。高轨卫星覆盖区域大，低轨卫星过境时间短、速度快、难以实时跟踪，传统的集中式频谱监测方法无法满足对分布在高、中、低轨不同轨道的多颗卫星的同时监测，频谱监测的区域范围和持续时间也受到地面监测站部署位置的严重限制。目前，独立部署的各个集中式频谱监测节点没有协同传输和数据融合机制，无法实现频谱监测范围的拓展和数据的互补完善。因此，急需研究提出一种灵活部署、智能协同、集约高效的卫星通信频轨资源分布式协同监测方法，实现对各轨位卫星不间断的跟踪监测。
发明内容
针对卫星移动通信系统频轨资源受限、频轨资源难监测的问题，本发明公开了一种卫星通信频轨资源分布式协同监测系统和方法，能够实现一定可视范围内对地静止轨道卫星下行链路信号的监测和低轨卫星下行链路信号的接续跟踪监测。
本发明公开了一种卫星通信频轨资源分布式协同监测方法，利用卫星通信频轨资源分布式协同监测系统来实现，所述的卫星通信频轨资源分布式协同监测系统包括两级频轨资源监测管理中心和三级监测节点，两级频轨资源监测管理中心包括一级频轨资源监测管理中心和二级频轨资源监测管理中心，将卫星覆盖区划分为若干个分区域，所述的两级频轨资源监测管理中心中的一级频轨资源监测管理中心，用于实现监测数据融合和频轨资源的分区域间调度；所述的两级频轨资源监测管理中心中的二级频轨资源监测管理中心，设置于卫星覆盖区的每个分区域内，每个分区域设置一个二级频谱监测资源管理中心，负责本分区域内的频轨资源调度，每个分区域内按监测需求和通信需求部署三级监测节点，三级监测节点包括分布式频谱监测固定站、机动式频谱检测车和带载波监视设备的卫星通信车；
卫星通信频轨资源分布式协同监测系统采用大数据处理架构和多级融合的数据处理体系来实现，三级监测节点用于对监测对象频轨资源数据进行采集，实现对各分区域内监测对象的实时不间断监测。二级频轨资源监测管理中心用于实现对监测对象频轨资源数据的汇聚融合、结构化处理以及消息推送，经过汇聚融合和结构化处理后得到区域级融合数据。一级频轨资源监测管理中心用于实现监测对象频轨资源数据的全局融合，并进行规律挖掘。
本方法的具体步骤包括：
S1，一级频轨资源监测管理中心根据互联网的卫星资源信息，获取卫星星历数据和在轨卫星数据，将两类数据进行对比融合，获取全球在轨卫星信息，生成全球在轨卫星频轨资源的先验数据库，该先验数据库包含卫星的星座构型、星历信息、频率信息、功率信息和历史运行规律信息；
所述的互联网的卫星资源信息，包括UCS卫星数据库、Spacetrack卫星追踪网站信息和Satbeams卫星覆盖图网站信息。
S2，一级频轨资源监测管理中心接收到卫星监测任务需求后，根据所需要监测的任务目标，在全球在轨卫星频轨资源的先验数据库中获取监测对象的频轨信息，得到时间、空间、频域三个维度的监测对象的频轨信息，建立时间、空间、频域三个维度的约束条件，以调动节点数量最小化、涉及分区域数量最小化和按优先级调度为原则，构建三级监测节点调度的多目标优化模型，通过深度强化学习算法对该模型进行求解，获得初始的节点配置方案，根据该初始的节点配置方案，向待调度的二级频轨资源监测管理中心下达相应的监测任务指令，一级频轨资源监测管理中心对收集到的二级频轨资源监测管理中心的区域级融合数据进行全局融合，根据全局融合得到的结果，动态调整初始的节点配置方案，从而得到优化的节点配置方案；
S3，二级频轨资源监测管理中心接收到来自一级频轨资源监测管理中心的监测任务指令后，根据监测任务指令构建三级监测节点调度的多目标优化模型，根据该模型的求解结果向所属分区域内的三级监测节点发送对应的任务指令，调度三级监测节点开展对监测任务指令的相应区域的频谱监测，并对三级监测节点发来的其所采集的监测对象频轨资源数据进行区域级融合；
当二级频轨资源监测管理中心接收到来自一级频轨资源监测管理中心发送的新任务指令或调整指令时，优先在其所属分区域内，按照优先级规则进行各类三级监测节点的调用，以满足任务需求，当其所属分区域内的各类三级监测节点无法满足任务需求时，二级频轨资源监测管理中心向一级频轨资源监测管理中心发送重计算请求，由一级频轨资源监测管理中心进行重计算并得到更新后的节点配置方案，二级频轨资源监测管理中心根据更新后的节点配置方案调度其他分区域的三级监测节点来协同完成监测任务；
S4，三级监测节点对任务目标进行频轨监测，获得任务目标的轨道信息、位置信息、频率信息和功率信息，计算该三级监测节点自身的频带占用率并将其上传给二级频轨资源监测管理中心。
所述的区域级融合数据，是指对从三级监测节点处接收到的监测对象的频轨资源数据，进行数据清洗，再对清洗后的数据中的结构化和非结构化数据进行分类存储和管理后得到的数据。
所述的数据清洗，采用Storm清洗来实现。
所述的监测对象的频轨资源数据，包括监测对象的轨道信息数据、位置信数据息、频率信息数据、功率信息数据和三级监测节点自身的频带占用率数据。
所述的一级频轨资源监测管理中心对收集到的二级频轨资源监测管理中心的区域级融合数据进行全局融合，包括：对二级频轨资源监测管理中心处得到的区域级融合数据进行汇总，并从该区域级融合数据中提取监测对象的频谱特征和信号特征，进一步挖掘得到监测对象的卫星机动规律信息、波束调整规律信息和信号变化规律信息，并将所述的规律信息与先验数据库中的相关信息进行对比和融合，得到全局融合的结果；
所述的构建三级监测节点调度的多目标优化模型，该三级监测节点调度的多目标优化模型的表达式为：
Figure BDA0003638145510000041
Figure BDA0003638145510000042
其中，Nn表示三级监测节点的总数量，为正整数，i、j、k均表示第i、j、k个三级监测节点，其取值均为大于等于1且小于等于Nn的任一正整数，δ为1×Nn的行矩阵，矩阵内每个元素数值取0或1，δk表示行矩阵δ中第k个数值，δi表示行矩阵δ中第i个数值，δi或δk取0时，分别表示第i个或第k个三级监测节点未被选取，δi或δk取1时，分别表示第i个或第k个三级监测节点被选取，NUM表示被选取的三级监测节点的总数量，
Figure BDA0003638145510000051
表示被选取的第j个三级监测节点所部署的分区域，wk为第k个三级监测节点的优先级权重，其中，分布式频谱监测固定站的优先级权重为3，机动式频谱检测车的优先级权重为2，带载波监视设备的卫星通信车的优先级权重为1，Ak表示第k个三级监测节点的覆盖范围，T表示对任务目标进行监测所需的覆盖范围，
Figure BDA0003638145510000052
表示被选取的第i个三级监测节点的空闲度，其取值为大于等于0的整数，表示被选取的第i个三级监测节点的空闲的天线数目，DN为三级监测节点的天线总数；g1为三级监测节点数量目标函数，用于对节点配置方案按照调用节点总量最小化原则进行优化，g2为分区域数量目标函数，用于对节点配置方案按照涉及分区域数量最少化的原则进行优化，g3为优先级权重目标函数，用于使节点配置方案按照优先级规则进行各类三级监测节点的调用；
所述的使节点配置方案按照优先级规则进行各类三级监测节点的调用，包括：优先调用分布式频谱监测固定站，其次调用机动式频谱检测车，最后调用带载波监视设备的卫星通信车，以实现资源的合理调度。
二级频轨资源监测管理中心向一级频轨资源监测管理中心发送重计算请求，由一级频轨资源监测管理中心进行重计算并得到更新后的节点配置方案，一级频轨资源监测管理中心构建三级监测节点调度的多目标优化模型，通过求解该多目标优化模型，得到更新后的节点配置方案。
本发明具有以下优点：
1.本发明具有监测节点随遇接入、监测资源按需调度、监测任务自主协同、监测数据分级融合的特点，能够有效克服高轨卫星覆盖区域大、低轨卫星过境时间短、速度快、难以实时跟踪等一系列问题；
2.本发明利用面向监测对象的多节点协同调度方法，单个频谱监测节点能够自主协同网内其他节点实现对单个卫星信号和区域全部卫星信号的监测；
3.本发明采用大数据处理架构和多级融合的数据处理体系，可以按需形成指定区域的频谱综合态势，能支持根据融合需求智能调度监测节点开展指定目标指定区域的频谱监测。
附图说明
图1为本发明的分布式协同监测系统体系架构图；
图2为本发明的卫星频轨资源先验数据库生成方法图。
具体实施方式
为了更好的了解本发明内容，这里给出一个实施例。
图1为本发明的分布式协同监测系统体系架构图；图2为本发明的卫星频轨资源先验数据库生成方法图。
下面结合附图，对本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明公开了一种卫星通信频轨资源分布式协同监测方法，利用卫星通信频轨资源分布式协同监测系统来实现，所述的卫星通信频轨资源分布式协同监测系统包括两级频轨资源监测管理中心和三级监测节点，将卫星覆盖区划分为若干个分区域，所述的两级频轨资源监测管理中心中的一级频轨资源监测管理中心，用于实现监测数据融合和频轨资源的分区域间调度；所述的两级频轨资源监测管理中心中的二级频轨资源监测管理中心，设置于卫星覆盖区的每个分区域内，每个分区域设置一个二级频谱监测资源管理中心，负责本分区域内的频轨资源调度，每个分区域内按监测需求和通信需求部署三级监测节点，三级监测节点包括分布式频谱监测固定站、机动式频谱检测车和带载波监视设备的卫星通信车；
分布式协同监测系统采用大数据处理架构和多级融合的数据处理体系来实现，三级监测节点用于对监测对象频轨资源数据进行采集，实现对各分区域内监测对象的实时不间断监测。二级频轨资源监测管理中心用于实现对监测对象频轨资源数据的汇聚融合、结构化处理以及消息推送，经过汇聚融合和结构化处理后得到区域级融合数据。一级频轨资源监测管理中心用于实现监测对象频轨资源数据的全局融合，并进行规律挖掘。
本方法的具体步骤包括：
S1，一级频轨资源监测管理中心根据互联网的卫星资源信息，获取卫星星历数据和在轨卫星数据，将两类数据进行对比融合，获取全球在轨卫星信息，生成全球在轨卫星频轨资源的先验数据库，该先验数据库包含卫星的星座构型、星历信息、频率信息、功率信息和历史运行规律信息；
所述的互联网的卫星资源信息，包括UCS卫星数据库、Spacetrack卫星追踪网站信息和Satbeams卫星覆盖图网站信息。
S2，一级频轨资源监测管理中心接收到卫星监测任务需求后，根据所需要监测的任务目标，在全球在轨卫星频轨资源的先验数据库中获取监测对象的频轨信息，得到时间、空间、频域三个维度的监测对象的频轨信息，建立时间、空间、频域三个维度的约束条件，以调动节点数量最小化、涉及分区域数量最小化和按优先级调度为原则，构建三级监测节点调度的多目标优化模型，通过深度强化学习算法对该模型进行求解，获得初始的节点配置方案，根据该初始的节点配置方案，向待调度的二级频轨资源监测管理中心下达相应的监测任务指令，一级频轨资源监测管理中心对收集到的二级频轨资源监测管理中心的区域级融合数据进行全局融合，根据全局融合得到的结果，动态调整初始的节点配置方案，从而得到优化的节点配置方案；
所述的区域级融合数据，是指对从三级监测节点处接收到的监测对象的频轨资源数据，进行数据清洗，再对清洗后的数据中的结构化数据和非结构化数据进行分类存储和管理后得到的数据。
所述的数据清洗，采用Storm清洗来实现。
所述的监测对象的频轨资源数据，包括监测对象的轨道信息数据、位置信数据息、频率信息数据、功率信息数据和三级监测节点自身的频带占用率数据。
所述的一级频轨资源监测管理中心对收集到的二级频轨资源监测管理中心的区域级融合数据进行全局融合，进行粗粒度集中式多目标规划，动态调整节点组织方案，得到优化的节点配置方案，包括：对二级频轨资源监测管理中心处得到的区域级融合数据进行汇总，并从该区域级融合数据中提取监测对象的频谱特征和信号特征，进一步挖掘得到监测对象的卫星机动规律信息、波束调整规律信息和信号变化规律信息，并将所述的规律信息与先验数据库中的相关信息进行对比和融合，得到优化的节点配置方案。
所述的构建三级监测节点调度的多目标优化模型，该三级监测节点调度的多目标优化模型的表达式为：
Figure BDA0003638145510000081
Figure BDA0003638145510000091
其中，Nn表示三级监测节点的总数量，为正整数，i、j、k均表示第i、j、k个三级监测节点，其取值均为大于等于1且小于等于Nn的任一正整数，δ为1×Nn的行矩阵，矩阵内每个元素数值取0或1，δk表示行矩阵δ中第k个数值，δi表示行矩阵δ中第i个数值，δi或δk取0时，分别表示第i个或第k个三级监测节点未被选取，δi或δk取1时，分别表示第i个或第k个三级监测节点被选取，NUM表示被选取的三级监测节点的总数量，
Figure BDA0003638145510000092
表示被选取的第j个三级监测节点所部署的分区域，wk为第k个三级监测节点的优先级权重，其中，分布式频谱监测固定站的优先级权重为3，机动式频谱检测车的优先级权重为2，带载波监视设备的卫星通信车的优先级权重为1，Ak表示第k个三级监测节点的覆盖范围，T表示对任务目标进行监测所需的覆盖范围，
Figure BDA0003638145510000093
表示被选取的第i个三级监测节点的空闲度，其取值为大于等于0的整数，表示被选取的第i个三级监测节点的空闲的天线数目，DN为三级监测节点的天线总数；g1为三级监测节点数量目标函数，用于对节点配置方案按照调用节点总量最小化原则进行优化，g2为分区域数量目标函数，用于对节点配置方案按照涉及分区域数量最少化的原则进行优化，g3为优先级权重目标函数，用于使节点配置方案按照优先级规则进行各类三级监测节点的调用；
所述的使节点配置方案按照优先级规则进行各类三级监测节点的调用，包括：优先调用分布式频谱监测固定站，其次调用机动式频谱检测车，最后调用带载波监视设备的卫星通信车，以实现资源的合理调度；
S3，二级频轨资源监测管理中心接收到来自一级频轨资源监测管理中心的监测任务指令后，根据监测任务指令构建三级监测节点调度的多目标优化模型，根据该模型的求解结果向所属分区域内的三级监测节点发送对应的任务指令，调度三级监测节点开展对监测任务指令的相应区域的频谱监测，并对三级监测节点发来的其所采集的监测对象频轨资源数据进行区域级融合；
当二级频轨资源监测管理中心接收到来自一级频轨资源监测管理中心发送的新任务指令或调整指令时，优先在其所属分区域内，按照优先级规则进行各类三级监测节点的调用，以满足任务需求，当其所属分区域内的各类三级监测节点无法满足任务需求时，二级频轨资源监测管理中心向一级频轨资源监测管理中心发送重计算请求，由一级频轨资源监测管理中心进行重计算并得到更新后的节点配置方案，二级频轨资源监测管理中心根据更新后的节点配置方案调度其他分区域的三级监测节点来协同完成监测任务；
S4，三级监测节点对任务目标进行频轨监测，获得任务目标的轨道信息、位置信息、频率信息和功率信息，计算该三级监测节点自身的频带占用率并将其上传给二级频轨资源监测管理中心。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种卫星通信频轨资源分布式协同监测系统，其特征在于，包括一级频轨资源监测管理中心、二级频轨资源监测管理中心和三级监测节点，将卫星覆盖区划分为若干个分区域，所述一级频轨资源监测管理中心，用于实现监测数据融合和频轨资源的分区域间调度；所述的二级频轨资源监测管理中心，设置于卫星覆盖区的每个分区域内，每个分区域设置一个二级频谱监测资源管理中心，负责本分区域内的频轨资源调度，每个分区域内按监测需求和通信需求部署三级监测节点，三级监测节点包括分布式频谱监测固定站、机动式频谱检测车和带载波监视设备的卫星通信车。
2.如权利要求1所述的卫星通信频轨资源分布式协同监测系统，其特征在于，所述的分布式协同监测系统采用大数据处理架构和多级融合的数据处理体系来实现，三级监测节点用于对监测对象频轨资源数据进行采集，实现对各分区域内监测对象的实时不间断监测；二级频轨资源监测管理中心用于实现对监测对象频轨资源数据的汇聚融合、结构化处理以及消息推送，经过汇聚融合和结构化处理后得到区域级融合数据；一级频轨资源监测管理中心用于实现监测对象频轨资源数据的全局融合，并进行规律挖掘。
3.一种利用权利要求1或2所述的卫星通信频轨资源分布式协同监测系统进行卫星通信频轨资源分布式协同监测的方法，其特征在于，本方法的具体步骤包括：
S1，一级频轨资源监测管理中心根据互联网的卫星资源信息，获取卫星星历数据和在轨卫星数据，将两类数据进行对比融合，获取全球在轨卫星信息，生成全球在轨卫星频轨资源的先验数据库，该先验数据库包含卫星的星座构型、星历信息、频率信息、功率信息和历史运行规律信息；
S2，一级频轨资源监测管理中心接收到卫星监测任务需求后，根据所需要监测的任务目标，在全球在轨卫星频轨资源的先验数据库中获取监测对象的频轨信息，得到时间、空间、频域三个维度的监测对象的频轨信息，建立时间、空间、频域三个维度的约束条件，以调动节点数量最小化、涉及分区域数量最小化和按优先级调度为原则，构建三级监测节点调度的多目标优化模型，通过深度强化学习算法对该模型进行求解，获得初始的节点配置方案，根据该初始的节点配置方案，向待调度的二级频轨资源监测管理中心下达相应的监测任务指令，一级频轨资源监测管理中心对收集到的二级频轨资源监测管理中心的区域级融合数据进行全局融合，根据全局融合得到的结果，动态调整初始的节点配置方案，从而得到优化的节点配置方案；
S3，二级频轨资源监测管理中心接收到来自一级频轨资源监测管理中心的监测任务指令后，根据监测任务指令构建三级监测节点调度的多目标优化模型，根据该模型的求解结果向所属分区域内的三级监测节点发送对应的任务指令，调度三级监测节点开展对监测任务指令的相应区域的频谱监测，并对三级监测节点发来的其所采集的监测对象频轨资源数据进行区域级融合；
S4，三级监测节点对任务目标进行频轨监测，获得任务目标的轨道信息、位置信息、频率信息和功率信息，计算该三级监测节点自身的频带占用率并将其上传给二级频轨资源监测管理中心。
4.如权利要求3所述的卫星通信频轨资源分布式协同监测的方法，其特征在于，所述的互联网的卫星资源信息，包括UCS卫星数据库、Spacetrack卫星追踪网站信息和Satbeams卫星覆盖图网站信息。
5.如权利要求3所述的卫星通信频轨资源分布式协同监测的方法，其特征在于，所述的区域级融合数据，是指对从三级监测节点处接收到的监测对象的频轨资源数据，进行数据清洗，再对清洗后的数据中的结构化数据和非结构化数据进行分类存储和管理后得到的数据。
6.如权利要求3所述的卫星通信频轨资源分布式协同监测的方法，其特征在于，所述的一级频轨资源监测管理中心对收集到的二级频轨资源监测管理中心的区域级融合数据进行全局融合，包括：对二级频轨资源监测管理中心处得到的区域级融合数据进行汇总，并从该区域级融合数据中提取监测对象的频谱特征和信号特征，进一步挖掘得到监测对象的卫星机动规律信息、波束调整规律信息和信号变化规律信息，并将所述的规律信息与先验数据库中的相关信息进行对比和融合，得到全局融合的结果。
7.如权利要求3所述的卫星通信频轨资源分布式协同监测的方法，其特征在于，所述的构建三级监测节点调度的多目标优化模型，该三级监测节点调度的多目标优化模型的表达式为：
Figure FDA0003638145500000031
Figure FDA0003638145500000032
其中，Nn表示三级监测节点的总数量，为正整数，i、j、k均表示第i、j、k个三级监测节点，其取值均为大于等于1且小于等于Nn的任一正整数，δ为1×Nn的行矩阵，矩阵内每个元素数值取0或1，δk表示行矩阵δ中第k个数值，δi表示行矩阵δ中第i个数值，δi或δk取0时，分别表示第i个或第k个三级监测节点未被选取，δi或δk取1时，分别表示第i个或第k个三级监测节点被选取，NUM表示被选取的三级监测节点的总数量，
Figure FDA0003638145500000041
表示被选取的第j个三级监测节点所部署的分区域，wk为第k个三级监测节点的优先级权重，其中，分布式频谱监测固定站的优先级权重为3，机动式频谱检测车的优先级权重为2，带载波监视设备的卫星通信车的优先级权重为1，Ak表示第k个三级监测节点的覆盖范围，T表示对任务目标进行监测所需的覆盖范围，
Figure FDA0003638145500000042
表示被选取的第i个三级监测节点的空闲度，其取值为大于等于0的整数，表示被选取的第i个三级监测节点的空闲的天线数目，DN为三级监测节点的天线总数；g1为三级监测节点数量目标函数，用于对节点配置方案按照调用节点总量最小化原则进行优化，g2为分区域数量目标函数，用于对节点配置方案按照涉及分区域数量最少化的原则进行优化，g3为优先级权重目标函数，用于使节点配置方案按照优先级规则进行各类三级监测节点的调用。
8.如权利要求7所述的卫星通信频轨资源分布式协同监测的方法，其特征在于，所述的使节点配置方案按照优先级规则进行各类三级监测节点的调用，包括：优先调用分布式频谱监测固定站，其次调用机动式频谱检测车，最后调用带载波监视设备的卫星通信车。
9.如权利要求3所述的卫星通信频轨资源分布式协同监测的方法，其特征在于，所述的步骤S3，还包括：当二级频轨资源监测管理中心接收到来自一级频轨资源监测管理中心发送的新任务指令或调整指令时，优先在其所属分区域内，按照优先级规则进行各类三级监测节点的调用，以满足任务需求，当其所属分区域内的各类三级监测节点无法满足任务需求时，二级频轨资源监测管理中心向一级频轨资源监测管理中心发送重计算请求，由一级频轨资源监测管理中心进行重计算并得到更新后的节点配置方案，二级频轨资源监测管理中心根据更新后的节点配置方案调度其他分区域的三级监测节点来协同完成监测任务。
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