CN115173932B - 一种卫星星座间链路规划方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明涉及卫星通信技术领域，具体是涉及一种卫星星座间链路规划方法、装置、设备及存储介质。本发明首先计算出建立卫星星座通信链路所需要的作为星座间通信的通信卫星数量，然后再根据各个星座上各自轨道上的卫星属性信息，挑选出所需数量的通信目标卫星，之后再根据通信目标卫星之间的可以通信的时间信息，对各个星座内的轨道进行筛选，得到目标匹配轨道，最后通过目标匹配轨道建立星座间的通信链路。从上述分析可知，本发明依托于星座内部的卫星建立星座之间的通信链路，而非依托于星座外部的设备中转进行通信，从而能够降低星座之间的通信时延。

Description

一种卫星星座间链路规划方法、装置、设备及存储介质

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，具体是涉及一种卫星星座间链路规划方法、装置、设备及存储介质。

背景技术

在地球上空设定高度建立轨道卫星，同一高度多个轨道上的卫星就构成了一个卫星星座，卫星星座包括高轨卫星星座和低轨卫星星座。比如，天基网络正向超密集多星座低轨卫星网络的趋势发展，在此背景下需要针对低轨卫星网络进行星座间的链路规划，以满足星座间通信的基本要求。由于低轨卫星星座间的相对运动速度较大，难以找到恒定的通信链路，满足星座间在各运行周期的通信要求，现有的星座间通信主要通过稳定的高轨卫星或中轨卫星中转，从而削弱了低轨卫星的时延优势。

综上所述，现有技术中的链路规划方法提高了卫星星座间的通信时延。

因此，现有技术还有待改进和提高。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种卫星星座间链路规划方法、装置、设备及存储介质，解决了现有技术中的链路规划方法提高了卫星星座间的通信时延的问题。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种卫星星座间链路规划方法，其中，包括：

选取满足设定通信条件的卫星星座集合；

计算每个预匹配轨道组所需要的通信卫星数量，每个所述预匹配轨道组中的各个轨道分别位于所述卫星星座集合中的各个卫星星座上；

依据所需要的所述通信卫星数量和每个所述预匹配轨道组上的卫星属性信息，得到每个所述预匹配轨道组上的通信目标卫星；

依据所述通信目标卫星之间的通信时间信息，筛选所述预匹配轨道组，得到目标匹配轨道组；

依据所述目标匹配轨道组，规划所述卫星星座集合的通信链路。

在一种实现方式中，所述选取满足设定通信条件的卫星星座集合，包括：

依据任意两个卫星星座内的轨道的属性信息，得到由两个轨道构成的预匹配轨道组中的预匹配轨道对，两个轨道分别位于两个卫星星座内的轨道上；

依据所述设定通信条件，得到所述设定通信条件中的所述预匹配轨道对上的卫星之间的设定通信时长；

计算所述预匹配轨道对上的卫星之间的实际通信时长；

将所述实际通信时长大于所述设定通信时长的卫星所在的卫星星座对作为卫星星座集合中的待建立通信链路星座对。

在一种实现方式中，所述依据任意两个卫星星座内的轨道的属性信息，得到由两个轨道构成的预匹配轨道组中的预匹配轨道对，两个轨道分别位于两个卫星星座内的轨道上，包括：

依据轨道的属性信息，得到所述属性信息中的升交点赤经值；

计算任意两个卫星星座内任意两个轨道的升交点赤经值的差值；

将差值小于设定容差的两个轨道作为预匹配轨道对。

在一种实现方式中，所述预匹配轨道对包括第一轨道和第二轨道，所述第一轨道和所述第二轨道分别位于两个卫星星座内，所述计算所述预匹配轨道对上的卫星之间的实际通信时长，包括：

在所述第一轨道上的卫星和所述第二轨道上的卫星之间建立卫星连线；

统计所述卫星连线与地球相离所对应的物理时长，所述卫星围绕地球转动；

在所述物理时长内，计算所述第一轨道上的通信设备位置信息和所述第二轨道上的通信设备位置信息满足设定通信载荷约束条件下的实际通信时长，所述通信设备位于所述卫星上。

在一种实现方式中，所述预匹配轨道组由第一轨道和第二轨道构成，所述第一轨道和所述第二轨道分别位于两个卫星星座内，所述计算每个预匹配轨道组所需要的通信卫星数量，每个所述预匹配轨道组中的各个轨道分别位于所述卫星星座集合中的各个卫星星座上，包括：

依据所述第一轨道上的各个卫星与所述第二轨道上的各个卫星之间的相对空间几何特性变化信息和实际通信时长，得到第一预选卫星和第二预选卫星，所述第一预选卫星位于所述第一轨道上，所述第二预选卫星位于所述第二轨道上；

计算所述第一预选卫星和所述第二预选卫星之间的非通信时长与实际通信时长的比值；

依据所述比值，得到所述预匹配轨道对所需要的通信卫星数量。

在一种实现方式中，所述非通信时长等于公周期减去所述实际通信时长，计算所述公周期包括：

当所述第一轨道所在的卫星星座的第一运行周期异于所述第二轨道所在的卫星星座的第二运行周期时，计算所述第一运行周期的倒数和所述第二运行周期的倒数；

将所述第一运行周期的倒数减去所述第二运行周期的倒数，得到减法运算结果；

对所述减法运算结果的倒数取绝对值，得到公周期；

或者，当所述第一轨道所在的卫星星座的第一运行周期等于所述第二轨道所在的卫星星座的第二运行周期时，所述公周期等于所述第一运行周期或第二运行周期。

在一种实现方式中，所述依据所述比值，得到所述预匹配轨道对所需要的通信卫星数量，包括：

当所述第一轨道所在的卫星星座的第一运行周期异于所述第二轨道所在的卫星星座的第二运行周期时，设置差值绝对值等于二的两个变量；

计算所述比值加一的向上取整值，得到所述比值所对应的计算值；

将所述比值所对应的计算值乘以二，得到乘法结果；

在两个所述变量的乘积大于等于所述乘法结果的约束条件下，计算两个所述变量之和的最小值；

将两个所述变量之和的最小值作为所述预匹配轨道对所需要的通信卫星数量；

或者，当所述第一轨道所在的卫星星座的第一运行周期等于所述第二轨道所在的卫星星座的第二运行周期时，计算所述比值的向上取整值；

将所述比值的向上取整值乘以二，得到所述预匹配轨道对所需要的通信卫星数量。

在一种实现方式中，所述依据所需要的所述通信卫星数量和每个所述预匹配轨道组上的卫星属性信息，得到每个所述预匹配轨道组上的通信目标卫星，包括：

依据所述卫星属性信息，得到所述卫星属性信息中的位置信息，所述位置信息为所述卫星相对地球的位置；

在所述第一轨道和所述第二轨道上挑选所述位置信息相异的卫星，直至挑选出的卫星数量等于所述通信卫星数量减二；

将挑选出的所述卫星、所述第一预选卫星和所述第二预选卫星作为每个所述预匹配轨道对上的通信目标卫星。

在一种实现方式中，所述预匹配轨道组为由第一轨道和第二轨道构成的预匹配轨道，所述依据所述通信目标卫星之间的通信时间信息，筛选所述预匹配轨道组，得到目标匹配轨道组，包括：

依据所述通信时间信息，得到所述通信时间信息中的通信起始时刻和通信截止时刻，所述通信起始时刻为所述第一轨道上的通信目标卫星与所述第二轨道上的通信目标卫星之间满足通信条件的起始时刻，所述通信截止时刻为所述第一轨道上的通信目标卫星与所述第二轨道上的通信目标卫星之间的通信条件终止时刻；

将所述通信起始时刻至所述通信截止时刻的时长，记为通信时区；

计算每时刻所述通信时区的可用通信链路数；

获取所述卫星星座集合中的卫星星座对所对应的预定通信链路数量；

计算所述预定通信链路数量与所述预匹配轨道对的数量之比，记为所述预匹配轨道对上所需通信链路数；

计算所述可用通信链路数与所述预匹配轨道对上所需通信链路数之比，得到所述卫星星座对所需要的匹配轨道对数量；

依据所述预匹配轨道组中的各个预匹配轨道对在所述卫星星座对中的分布信息，从各个所述预匹配轨道对中挑选出所述匹配轨道对数量的目标匹配轨道对。

在一种实现方式中，所述依据所述目标匹配轨道组，规划所述卫星星座集合的通信链路，包括：

将所述目标匹配轨道组中的目标匹配轨道对上的所述通信目标卫星作为所述卫星星座集合中的卫星星座对之间的通信链路，完成所述卫星星座对之间的通信链路规划。

第二方面，本发明实施例还提供一种卫星星座间链路规划装置，其中，所述装置包括如下组成部分：

星座集合选取模块，用于选取满足设定通信条件的卫星星座集合；

通信卫星数量计算模块，用于计算每个预匹配轨道组所需要的通信卫星数量，每个所述预匹配轨道组中的各个轨道分别位于所述卫星星座集合中的各个卫星星座上；

目标卫星规划模块，用于依据所需要的所述通信卫星数量和每个所述预匹配轨道组上的卫星属性信息，得到每个所述预匹配轨道组上的通信目标卫星；

轨道规划模块，用于依据所述通信目标卫星之间的通信时间信息，筛选所述预匹配轨道组，得到目标匹配轨道组；

链路通信模块，用于依据所述目标匹配轨道组，规划所述卫星星座集合的通信链路。

第三方面，本发明实施例还提供一种终端设备，其中，所述终端设备包括存储器、处理器及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的卫星星座间链路规划程序，所述处理器执行所述卫星星座间链路规划程序时，实现上述所述的卫星星座间链路规划方法的步骤。

第四方面，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有卫星星座间链路规划程序，所述卫星星座间链路规划程序被处理器执行时，实现上述所述的卫星星座间链路规划方法的步骤。

有益效果：本发明首先计算出建立卫星星座通信链路所需要的作为星座间通信的通信卫星数量，然后根据各个星座上各自轨道上的卫星属性信息，挑选出所需数量的通信目标卫星，之后根据通信目标卫星之间的可以通信的时间信息，对各个星座内的轨道进行筛选得到目标匹配轨道，最后通过目标匹配轨道建立星座间的通信链路。从上述分析可知，本发明依托于星座内部的卫星建立星座之间的通信链路，而非依托于星座外部的设备中转进行通信，从而能够降低星座之间的通信时延。

附图说明

图1为本发明的整体流程图；

图2为本发明实施例中的两个卫星物理可见的其中一种情况的示意图；

图3为本发明实施例中的两个卫星物理可见的另一种情况的示意图；

图4为本发明实施例中的两个卫星物理不可见的示意图；

图5为本发明实施例中的流程图；

图6为本发明实施例中的每时刻通信链路仿真图；

图7为本发明实施例中的目标轨道上的卫星构成的通信链路仿真图；

图8为本发明实施例提供的终端设备的内部结构原理框图。

具体实施方式

以下结合实施例和说明书附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，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。

在地球上空设定高度建立轨道卫星，同一高度多个轨道上的卫星就构成了一个卫星星座，卫星星座包括高轨卫星星座和低轨卫星星座。比如，天基网络正向超密集多星座低轨卫星网络的趋势发展，在此背景下需要针对低轨卫星网络进行星座间的链路规划，以满足星座间通信的基本要求。由于低轨卫星星座间的相对运动速度较大，难以找到恒定的通信链路，满足星座间在各运行周期的通信要求，现有的星座间通信主要通过稳定的高轨卫星或中轨卫星中转，从而削弱了低轨卫星的时延优势。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种卫星星座间链路规划方法、装置、设备及存储介质，解决了现有技术中的链路规划方法提高了卫星星座间的通信时延的问题。具体实施时，选取满足设定通信条件的卫星星座集合；然后计算每个预匹配轨道组所需要的通信卫星数量；之后依据所需要的所述通信卫星数量和每个所述预匹配轨道组上的卫星属性信息，得到每个所述预匹配轨道组上的通信目标卫星；再依据所述通信目标卫星之间的通信时间信息，筛选所述预匹配轨道组，得到目标匹配轨道组；最后依据所述目标匹配轨道组，规划所述卫星星座集合的通信链路。

举例说明，有的两个卫星星座间是适合直接建立通信链路的，有的两个卫星星座间是不适合直接建立通信链路的。本实施例在适合直接建立通信链路的两个卫星星座间建立通信链路，具体过程如下：

现有卫星星座A和卫星星座B，卫星星座A内有由卫星构成的轨道a1、轨道a2、轨道a3、轨道a4，卫星星座B内有由卫星构成的轨道b1、轨道b2、轨道b3、轨道b4。由于轨道a1的属性信息与轨道b2的属性信息比较接近，轨道a3的属性信息与轨道b4的属性信息比较接近，轨道a4的属性信息与轨道b1的属性信息比较接近，因此，轨道a1与轨道b2构成预匹配轨道组，轨道a3与轨道b4构成预匹配轨道组，轨道a4与轨道b1构成预匹配轨道组。之后计算每个预匹配轨道组如果要进行通信需要选取的卫星数量。比如轨道a1与轨道b2需要两个卫星，就在轨道a1与轨道b2各自选择一个卫星作为通信目标卫星aa和bb，轨道a1与轨道b2要通信时通过卫星aa和bb建立的星座间链路进行。对于其它预匹配轨道组进行同样的上述操作，直至所有的预匹配轨道组都挑选出通信目标卫星。之后根据通信目标卫星之间的通信时间信息再去筛选轨道a1与轨道b2构成的预匹配轨道组、轨道a3与轨道b4构成的预匹配轨道组、轨道a4与轨道b1构成的预匹配轨道组，最后将轨道a1与轨道b2构成的预匹配轨道组、轨道a3与轨道b4构成的预匹配轨组作为目标匹配轨道组，通过目标匹配轨道组上的通信目标卫星构建卫星星座A和卫星星座B的通信链路。

示例性方法

本实施例的卫星星座间链路规划方法可应用于终端设备中，所述终端设备可为具有计算功能的终端产品，比如电脑等。在本实施例中，如图1中所示，所述卫星星座间链路规划方法具体包括如下步骤S100至S500：

S100，选取满足设定通信条件的卫星星座集合。

本实施例中的卫星是位于低轨道上的卫星。

并不是任意两个卫星星座之间都适合建立通信链路，本实施例只选取适合建立通信链路的两个卫星星座建立通信链路，所谓的设定通信条件就是两个卫星星座之间进行通信需要满足的条件。本实施例中的卫星星座集合包括两个卫星星座，在另一个实施例中，卫星星座集合包括三个卫星星座。

步骤S100包括如下的步骤S101至S108：

S101，依据轨道的属性信息，得到所述属性信息中的升交点赤经值。

S102，计算任意两个卫星星座内任意两个轨道的升交点赤经值的差值。

根据给定的两个星座参数和星座内卫星轨道信息，选取参数（属性信息）接近的轨道对集合，按参数差值大小升序排序。由于两个轨道的参数差异越大，两个轨道上的卫星间相对运动越大，越难建立持续时间长、稳定性好的通信链路，所以在星座间挑选参数（属性信息）接近的轨道，提高星座间的通信链路质量。对于给定的A、B两个星座，其轨道的倾角差、高度差均已确定（即星座A和星座B上的任意一对轨道之间的倾角差、高度差与另一对轨道之间的倾角差、高度差是一样的，因此无法通过倾角差、高度差在星座A和星座B上选取匹配的轨道对），只有升交点赤经差值不同，故只能根据轨道的升交点赤经差值，在星座A和星座B上选取匹配的轨道对。

S103，将差值小于设定容差的两个轨道作为预匹配轨道对。

本实施例中的设定容差为5度，以此避免不同预匹配轨道对上卫星间的相对空间关系的变化规律差异太大，从而保证通过预匹配轨道对上的卫星建立的通信链路的稳定性。

举例说明，卫星星座A内有轨道a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7，卫星星座B内有轨道b1、b2、b3、b4、b5、b6、b7,其中a1的升交点赤经值与b1的升交点赤经值之间的差值、a3的升交点赤经值与b2的升交点赤经值之间的差值、a5的升交点赤经值与b4的升交点赤经值之间的差值均小于5度，因此，a1与b1构成预匹配轨道对、a3与b2构成预匹配轨道对、a5与b4构成预匹配轨道对。

S104，依据所述设定通信条件，得到所述设定通信条件中的所述预匹配轨道对上卫星之间的设定通信时长。

为了保证通过预匹配轨道对上的卫星建立的通信链路能够保证两个星座之间的通信，就要求预匹配轨道对上要有一定数量卫星对的通信时长能够达到设定通信时长。

本实施例中的设定通信时长指的是在一个公周期内的可通信时长。在一个实施例中，通过如下过程计算星座A和星座B的公周期comC：

当C_A≠C_B时comC=|1/(1/C_A-1/C_B)|，当C_A=C_B时comC=C_B，其中C_A、C_B分别为A、B两个星座对应的轨道运行周期，星座A内的任意一个轨道上的卫星围绕地球运行的周期都是一样的。

S105，在所述第一轨道上的卫星和所述第二轨道上的卫星之间建立卫星连线。

本实施例中第一轨道就是其中一个卫星星座中的轨道，第二轨道就是另一个卫星星座中的轨道。在第一轨道上的卫星1和第二个轨道上的卫星2之间建立如图2所示的卫星连线

。

S106，统计所述卫星连线与地球相离所对应的物理时长t1，所述卫星围绕地球转动。

轨道上的卫星是时刻在围绕地球转动的，不同星座内的卫星围绕地球转动的速度是不同的，因此导致不同星座内的卫星之间的位置是时刻发生变化的，当两个卫星被地球遮挡时（物理不可见）就不能进行正常通信了，本实施例通过判断卫星连线

与地球是否相离，以判断卫星1和卫星2是否物理可见。如图2所示，地心到卫星连线

的距离

大于地球半径Re，因此此时的卫星1和卫星2物理可见。如图3所示，虽然

小于Re，但是

中有一个角度大于90度，因此此时的卫星1和卫星2依然是物理可见。如图4所示，

小于Re，且

均小于90度，因此此时的卫星1和卫星2是物理不可见。

S107，在所述物理时长t1内，计算所述第一轨道上的通信设备位置信息和所述第二轨道上的通信设备位置信息满足设定通信载荷约束条件下的实际通信时长，所述通信设备位于所述卫星上。

两个卫星在某段时间内物理可见，不代表这两个卫星在该段时间内就可以进行通信，还要考虑两个卫星上的通信设备之间的距离

、方位角

和仰角

是否满足设定通信载荷约束条件（在一个实施例中，设定通信载荷约束条件就是方位角小于180度，仰角小于45度），满足上述条件的两个卫星才能建立通信。计算方位角

和仰角

的过程如下：

假设卫星1和卫星2在惯性坐标系下的位置矢量分别为r₁、r₂，满足如下关系式：

d=|r₂-r₁|

α₁=arccos((|r₁|²+d²-|r₂|²)/(2*|r₁|*d))

α₂=arccos((|r₂|²+d²-|r₁|²)/(2*|r₂|*d))

d_D=|r₁|*sinα₁

θ=90⁰−arccos((r₂-r₁)∙z/(|(r₂-r₁)|∙|z|))

φ=arccos(r_isl-(r_isl∙z/|z|²)∙z)∙x/(|(r₂-r₁)|∙|x|)

r_isl=(r₂-r₁)-((r₂-r₁)∙z/|z|²)∙z

x、z分别为卫星1体坐标系在惯性系上的方向矢量。

S108，将所述实际通信时长大于所述设定通信时长的卫星所在的卫星星座对作为卫星星座集合中的待建立通信链路星座对。

本实施例中，设定通信时长为10分钟，当预匹配轨道对上有60%的卫星对之间的实际通信时长大于设定通信时长，则该预匹配轨道对所在的两个卫星星座就是适合建立通信链路的待建立通信链路星座对。

S200，计算每个预匹配轨道对所需要的通信卫星数量，每个所述预匹配轨道对中的两个轨道分别位于所述卫星星座集合中的各个卫星星座上。

本实施例中，预匹配轨道组为由第一轨道和第二轨道构成的预匹配轨道对的集合，第一轨道和所述第二轨道分别位于两个卫星星座内。

步骤S200包括如下的步骤S201至S207：

S201，依据所述第一轨道上的各个卫星与所述第二轨道上的各个卫星之间的相对空间几何特性变化信息和实际通信时长，得到第一预选卫星和第二预选卫星，所述第一预选卫星位于所述第一轨道上，所述第二预选卫星位于所述第二轨道上。

在一个实施例中，相对空间几何特性变化信息就是各个卫星之间的距离。

在一个实施例中，将由第一轨道上和第二轨道上的卫星组成的卫星对进行比较，选取周期内相对空间几何特性变化较小和可通信时长较长的一对卫星节点作为第一预选卫星和第二预选卫星。

S202，计算所述第一预选卫星和所述第二预选卫星之间的非通信时长与实际通信时长的比值ratio。

在一个实施例中，非通信时长与实际通信时长是在一个公周期comC内的通信时长，此处的公周期comC计算方式与步骤S104中的计算方式一样。

S203，当所述第一轨道所在的卫星星座的第一运行周期C_A异于所述第二轨道所在的卫星星座的第二运行周期C_B时，设置差值绝对值等于二的两个变量(即|a₁-a₂|=2，a₁、a₂就是两个变量，之所以将其二者差值限定为2，是因为一条通信链路上有两个卫星节点)。

S204，计算所述比值加一的向上取整值，得到所述比值所对应的计算值

，

代表向上取整。

本实施例中，向上取整就是取比值加一的最小整数。假如比值加一为5.1，那么向上取整就是6。

S205，将所述比值所对应的计算值乘以二，得到乘法结果。

S206，在两个所述变量的乘积大于等于所述乘法结果的约束条件下，计算两个所述变量之和的最小值Nmin。

约束条件为a₁*a₂≥2*

，其中2*

为乘法结果，a₁*a₂为两个变量的乘积，Nmin=min(a₁+a₂)。

S207，将两个所述变量之和的最小值Nmin作为所述预匹配轨道对所需要的通信卫星数量。

本实施例之所以通过第一预选卫星和第二预选卫星确定出所需要的通信卫星数量，是因为对于两个卫星星座运行周期不一致的情况，轨道对（预匹配轨道对）上不同的卫星节点对构成通信链路的主要区别在于可通信的起止时间，链路几何特性的周期变化规律基本一致。

在一个实施例中，当所述第一轨道所在的卫星星座的第一运行周期等于所述第二轨道所在的卫星星座的第二运行周期时，计算所述比值的向上取整值；将所述比值的向上取整值乘以二，得到所述预匹配轨道对所需要的通信卫星数量。

对于两个卫星星座运行周期一致的情况，轨道对上不同的卫星节点对构成链路的质量有明显区别，选取周期内相对空间几何特性变化较小和可通信持续时间较长的卫星节点对在一定程度上保证了链路的质量。

S300，依据所需要的所述通信卫星数量Nmin和每个所述预匹配轨道组上的卫星属性信息，得到每个所述预匹配轨道组上的通信目标卫星。

步骤S200确定了所需要的通信目标卫星中的其中两个卫星：第一预选卫星和第二预选卫星，以及每个预匹配轨道对所需要的卫星数量Nmin，之后就需要通过步骤S300确定具体是哪些卫星作为通信目标卫星，步骤S300包括如下的步骤S301、S302、S303：

S301，依据所述卫星属性信息，得到所述卫星属性信息中的位置信息，所述位置信息为所述卫星相对地球的位置。

S302，在所述第一轨道和所述第二轨道上挑选所述位置信息相异的卫星，直至挑选出的卫星数量等于所述通信卫星数量减二（其实质就是挑选出第一预选卫星和第二预选卫星，继续挑选其它合适的卫星作为通信目标卫星）。

S303，将挑选出的所述卫星、所述第一预选卫星和所述第二预选卫星作为每个所述预匹配轨道对上的通信目标卫星。

步骤S301、S302、S303是基于如下原理得到的通信目标卫星：

根据步骤S200中选取的卫星节点对（第一预选卫星和第二预选卫星）数据和相应的轨道信息推算该轨道对上的其余通信卫星节点。轨道对上位于不同位置的卫星节点对的可见起止时间不尽相同，因此可以选取若干不同位置的卫星节点对使得全周期内总有链路可连通，且满足最小通信链路数要求。当满足要求的卫星节点对组合有多个时，在选取时尽可能使选取的卫星节点对的位置分布较为均匀。

S400，依据所述通信目标卫星之间的通信时间信息，筛选所述预匹配轨道组，得到目标匹配轨道组。

本实施例中的预匹配轨道组为由第一轨道和第二轨道构成的预匹配轨道对的集合，在这些预匹配轨道对上的通信目标卫星，同一个时刻可能会存在多对通信目标卫星可以进行通信，因此就不需要那么多个预匹配轨道对，只要从预匹配轨道对中挑选出合适的目标匹配轨道对就可以保证两个星座之间的通信了。步骤S400包括如下的步骤S401至S407：

S401，依据所述通信时间信息，得到所述通信时间信息中的通信起始时刻和通信截止时刻，所述通信起始时刻为所述第一轨道上的通信目标卫星与所述第二轨道上的通信目标卫星之间满足通信条件的起始时刻，所述通信截止时刻为所述第一轨道上的通信目标卫星与所述第二轨道上的通信目标卫星之间的通信条件终止时刻。

S402，将所述通信起始时刻至所述通信截止时刻的时长，记为通信时区。

S403，计算每时刻所述通信时区的可用通信链路数。

S404，获取所述卫星星座集合中的卫星星座对所对应的预定通信链路数。

S405，计算所述预定通信链路数与所述预匹配轨道对的数量之比，记为所述预匹配轨道对上所需通信链路数。

S406，计算所述可用通信链路数的与所述预定通信链路数，得到所述卫星星座对所需要的匹配轨道对数量。

比如通过前述步骤挑选出了10个预匹配轨道对，而两个卫星星座之间需要每时刻有20条通信链路（一个预匹配轨道对中的其中一个轨道上的一个通信目标卫星与另一个轨道上的通信目标卫星就构成了一条通信链路），因此一个预匹配轨道对就需要每时刻有2条通信链路。而现在每时刻至少就有4条通信链路，因此只需要5个预匹配轨道对就能达到20条通信链路而不需要10个预匹配轨道对。

S407，依据所述预匹配轨道组中的各个预匹配轨道对在所述卫星星座对中的分布信息，从所述预匹配轨道对中挑选出所述匹配轨道对数量的目标匹配轨道对。

本实施例中是基于每个时刻都有对应的两个通信目标卫星可以进行通信，因此可以根据所述可用链路通信数从预匹配轨道组中筛选得到目标匹配轨道组（预匹配轨道对）。在另一个实施例中，如果不能保证每一个时刻第一轨道上的通信目标卫星和第二轨道上的通信目标卫星构成的可用通信链路数不小于所述预匹配轨道对上所需通信链路数，那么就需要增大步骤S300中的Nmin，重复步骤300。

步骤S400是基于如下原理得到可用通信链路数：

采用切片法来统计通信链路数:首先对计算所得的可见性数据按可见开始时间进行升序排序，开始时间相同时按当前可见时段的结束时间升序排序，假设排序后的可见性数据集为{(B1,A1):[[TS1,TE1],[TS4,TE4]],(B2,A2):[[TS1,TE1]],(B2,A3):[[TS1,TE3], [TS4,TE5]],(B3,A4):[[TS2,TE3],[TS4,TE5]],……}，其中(B1,A1):[[TS1,TE1],[TS4,TE4]]表示编号为B1的卫星和编号为A1的卫星在一个公周期里有两个时段可见，第一个可见时段起止时间为TS1和TE1，第二个可见时段起止时间为TS4和TE4，其他符号的含义依次类推。在排序后的可见性数据集中取可见开始时间最早的一组数据即{(B1,A1):[[TS1,TE1],[TS4,TE4]],(B2,A2):[[TS1,TE2]],(B2,A3):[[TS1,TE3],[TS4,TE5]]}，判断这一组数据中最早的结束时间TE1和最早可见开始时间次之的时间TS2相比，若TE1<TS2，则将TS1~TE1作为一个时间片，更新可见性数据为{(B1,A1):[[TS4,TE4]],(B2,A3):[[TE1+1,TE3],[TS4,TE5]],(B3,A4):[[TS2, TE3],[TS4,TE5]],……}，否则将TS1~(TS2-1)作为一个时间片，更新可见性数据为{(B1,A1):[[TS2,TE1],[TS4,TE4]],(B2,A2):[[TS2,TE1]],(B2,A3): [[TS2,TE3],[TS4, TE5]],(B3,A4): [[TS2,TE3],[TS4,TE5]],……},然后判断当前取出可见性数据中是否存在冲突链路，即链路涉及的两个卫星节点在同一时间片内是否被重复使用，如当前时间片中(S2,A2)和(S2,A3)链路存在冲突，则根据它们当前可见时段的时长剔除可见时长较短的链路，以免无效统计。完成当前时间片的统计后，对更新后的可见性数据集再进行上述处理，直至可见性数据集为空。最后，对所有时间片的统计进行汇总得到可用通信链路数。

S500，依据所述目标匹配轨道组，规划所述卫星星座集合的通信链路。

本实施例中，目标匹配轨道组包括多个目标匹配轨道对，目标匹配轨道对所涵盖的两个轨道分别位于两个待建立通信链路星座上。将所述目标匹配轨道组中的目标匹配轨道对上的所述通信目标卫星作为所述卫星星座集合中的卫星星座对之间的通信链路，完成所述卫星星座对之间的通信链路规划。

确定最终需要的轨道对，将步骤S400所确定的预匹配轨道对上的通信目标卫星推演到各目标轨道对上。首先根据步骤S400选定第一个预匹配轨道对的卫星集合所对应的通信链路数和网络要求的通信链路数确定最终需要轨道对数，并遵循均匀分布原则在步骤S100选出的预匹配轨道组中选取所需轨道对。最后，将步骤S300选定第一个轨道对的卫星集合应用到各选定的轨道对上，应用时参照卫星集合之间相对位置关系，且在每个轨道对上进行等间隔的位置偏移，以保证所有目标轨道间分布的均匀性。

在一个实施例中，在两个卫星星座之间规划通信链路的整体过程如图5所示，首先在两个卫星星座中各自挑选出一个轨道构成匹配的轨道对（预匹配轨道对），然后根据轨道对上的卫星对的单次持续可通信时间判断两个星座是否适合建立链路，如果适合建立链路就计算每个轨道对上所需要的最少通信链路数，之后计算所需要的卫星数Nmin，在均匀分布原则下确定所需要的卫星应该在预匹配轨道对上的什么位置，之后计算确定下来的卫星在公周期内的可见性数据（通信时长），并统计通信链路数，判断通信链路数是否满足要求，如果不满足就调整Nmin，直至得到的通信链路数满足要求。

在一个实施例中，选取Walker delta 600/20/1：500/60星座（A星座）和Walkerstar 400/20/1：1500/90星座（B星座），星座间网络需求的通信链路数据为10（预定通信链路数量）,通信距离约束为5000km，方位角约束范围[-180°,180°],仰角约束范围[-90°,90°]。其中A星座包含20个轨道面，每个轨道面30颗卫星，轨道面内卫星均匀分布，相位因子为1，轨道高度500km，轨道倾角为60度；B星座包含20个轨道面，每个轨道面20颗卫星，轨道面内卫星均匀分布，相位因子为1，轨道高度1500km，轨道倾角为90度。A星座中第一个轨道面的第一颗卫星编号为A0101，第二十个轨道上的最后一颗卫星编号为A2030，以此类推。B星座中卫星编号方式同A星座。

星座间链路规划过程如下：

步骤S1：根据给定的两个星座参数和星座内卫星轨道信息，选取参数接近的轨道对集合（预匹配轨道组）；选取轨道对集合如表1所示

表1

步骤S2：根据两个星座的轨道高度计算公周期，对第一个轨道对（预匹配轨道对中的其中一个轨道对，比如即表1中的A星座中的3号轨道和B星座中的5号轨道）上的卫星进行一个公周期的可见性计算（通信时长）和分析，计算时将通信载荷的通信距离、方位角和仰角约束考虑在内。以B星座第一个轨道上的第一颗卫星和A星座第一个轨道上所有卫星为例（可见情况如图3所示），所有卫星对的最长持续可见时长（实际通信时长）均大于30分钟（设定通信时长），因此A、B两星座适合建立通信链路。

步骤S3：根据网络要求的通信链路数Lreq和选取的轨道对数量Psnum确定每个轨道对上每时刻需要的最小通信链路数Lmin=⌈Lreq/Psnum⌉。

步骤S4：在第一个轨道对上选取周期内距离较短、相对空间关系变化较小和可见持续时间较长的一对卫星节点（第一预选卫星和第二预选卫星）。这里以B0101和A0101节点对为例，其公周期内的总可见时长（实际通信时长）约6423s，总不可见时长（非通信时长）24392s,则其公周期内总不可见时长和总可见时长之比约为3.8，由此可得当前轨道对上总共最少需要的通信卫星节点数量Nmin=8。

步骤S5：根据步骤S4中选取的卫星节点对数据和相应的轨道信息推算该轨道对上的其余通信卫星节点（需要8个卫星用于构建通信链路，S4中已经选取了其中两个，只需要在预匹配轨道对再选择6个卫星用于构建通信链路）。

步骤S6：根据步骤S5中选取的卫星节点进行一个公周期的可见性计算，并统计分析其通信链路数。步骤S5选取的卫星节点间的可见情况如图7所示，这里每时刻至少有2条通信链路数。

步骤S7：由步骤S6的结果和步骤S3的Lmin可知当前的卫星节点组合满足要求，则进入下一步骤。

步骤S8：确定最终需要的轨道对，将步骤S7所确定的卫星集合推演到各轨道对。这里网络要求的通信链路数为10，选取的轨道对总数量10，前面步骤选取的卫星节点组合的最小通信链路数为2，因此只需选取5对轨道对。在均匀分布原则下，确定选取的轨道为(1,1)、(3,5)、(5,9)、(7,13)、(9,17)。最后，根据第一个轨道对上的卫星组合间的相对位置关系推演到各选定的轨道对上，使得最终选取用于星座间通信的卫星节点所构成链路连接满足星座间通信链路数要求。

综上，本发明首先计算出建立卫星星座通信链路所需要的作为星座间通信的通信卫星数量，然后再根据各个星座上各自轨道上的卫星属性信息，挑选出所需数量的通信目标卫星，之后再根据通信目标卫星之间的可以通信的时间信息，对各个星座内的轨道进行筛选，得到目标匹配轨道，最后通过目标匹配轨道建立星座间的通信链路。从上述分析可知，本发明依托于星座内部的卫星建立星座之间的通信链路，而非依托于星座外部的设备进行中转）通信，从而能够降低星座之间的通信时延。

另外，本发明通过分析卫星节点的可见数据推断所需选取卫星数，再结合每轮所选取卫星的可通信链路数和网络需求的通信链路数调整最终所需卫星数，以实现利用更少的卫星节点满足星座间的网络通信链路数要求。

本发明选取通信卫星节点时综合考虑了链路的稳定性、通信时延和通信卫星节点分布均匀性因素，尽可能保证了星座间通信链路的质量。

本发明通过选取的部分卫星进行一个公周期的可见性计算，实现星座间通信节点的选取，有效减少了链路规划计算量和耗时。

示例性装置

本实施例还提供一种卫星星座间链路规划装置，所述装置包括如下组成部分：

星座集合选取模块，用于选取满足设定通信条件的卫星星座集合；

通信卫星数量计算模块，用于计算每个预匹配轨道组所需要的通信卫星数量，每个所述预匹配轨道组中的各个轨道分别位于所述卫星星座集合中的各个卫星星座上；

目标卫星规划模块，用于依据所需要的所述通信卫星数量和每个所述预匹配轨道组上的卫星属性信息，得到每个所述预匹配轨道组上的通信目标卫星；

轨道规划模块，用于依据所述通信目标卫星之间的通信时间信息，筛选所述预匹配轨道组，得到目标匹配轨道组；

链路通信模块，用于依据所述目标匹配轨道组，规划所述卫星星座集合的通信链路。

基于上述实施例，本发明还提供了一种终端设备，其原理框图可以如图8所示。该终端设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、显示屏、温度传感器。其中，该终端设备的处理器用于提供计算和控制能力。该终端设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该终端设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种卫星星座间链路规划方法。该终端设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该终端设备的温度传感器是预先在终端设备内部设置，用于检测内部设备的运行温度。

本领域技术人员可以理解，图8中示出的原理框图，仅仅是与本发明方案相关的部分结构的框图，并不构成对本发明方案所应用于其上的终端设备的限定，具体的终端设备以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

在一个实施例中，提供了一种终端设备，终端设备包括存储器、处理器及存储在存储器中并可在处理器上运行的卫星星座间链路规划程序，处理器执行卫星星座间链路规划程序时，实现如下操作指令：

选取满足设定通信条件的卫星星座集合；

计算每个预匹配轨道组所需要的通信卫星数量，每个所述预匹配轨道组中的各个轨道分别位于所述卫星星座集合中的各个卫星星座上；

依据所需要的所述通信卫星数量和每个所述预匹配轨道组上的卫星属性信息，得到每个所述预匹配轨道组上的通信目标卫星；

依据所述通信目标卫星之间的通信时间信息，筛选所述预匹配轨道组，得到目标匹配轨道组；

依据所述目标匹配轨道组，规划所述卫星星座集合的通信链路。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本发明所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器（ROM）、可编程ROM（PROM）、电可编程ROM（EPROM）、电可擦除可编程ROM（EEPROM）或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器（RAM）或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM（SRAM）、动态RAM（DRAM）、同步DRAM（SDRAM）、双数据率SDRAM（DDRSDRAM）、增强型SDRAM（ESDRAM）、同步链路（Synchlink） DRAM（SLDRAM）、存储器总线（Rambus）直接RAM（RDRAM）、直接存储器总线动态RAM（DRDRAM）、以及存储器总线动态RAM（RDRAM）等。

最后应说明的是：以上实施例仅用以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 (11)

1.一种卫星星座间链路规划方法，其特征在于，包括：

选取满足设定通信条件的卫星星座集合；

计算每个预匹配轨道组所需要的通信卫星数量，每个所述预匹配轨道组中的各个轨道分别位于所述卫星星座集合中的各个卫星星座上，所述预匹配轨道组为预匹配轨道对的集合；

依据所需要的所述通信卫星数量和每个所述预匹配轨道组上的卫星属性信息，得到每个所述预匹配轨道组上的通信目标卫星；

依据所述通信目标卫星之间的通信时间信息，筛选所述预匹配轨道组，得到目标匹配轨道组；

依据所述目标匹配轨道组，规划所述卫星星座集合的通信链路；

所述选取满足设定通信条件的卫星星座集合，包括：

所述依据任意两个卫星星座内的轨道的属性信息，得到由两个轨道构成的预匹配轨道组中的预匹配轨道对，两个轨道分别位于两个卫星星座内的轨道上，包括：

依据轨道的属性信息，得到所述属性信息中的升交点赤经值；

计算任意两个卫星星座内任意两个轨道的升交点赤经值的差值；

将差值小于设定容差的两个轨道作为预匹配轨道对；

依据所述设定通信条件，得到所述设定通信条件中的所述预匹配轨道对上的卫星之间的设定通信时长；

计算所述预匹配轨道对上的卫星之间的实际通信时长；

将所述实际通信时长大于所述设定通信时长的卫星所在的卫星星座对作为卫星星座集合中的待建立通信链路星座对。

2.如权利要求1所述的卫星星座间链路规划方法，其特征在于，所述预匹配轨道对包括第一轨道和第二轨道，所述第一轨道和所述第二轨道分别位于两个卫星星座内，所述计算所述预匹配轨道对上的卫星之间的实际通信时长，包括：

在所述第一轨道上的卫星和所述第二轨道上的卫星之间建立卫星连线；

统计所述卫星连线与地球相离所对应的物理时长，所述卫星围绕地球转动；

在所述物理时长内，计算所述第一轨道上的通信设备位置信息和所述第二轨道上的通信设备位置信息满足设定通信载荷约束条件下的实际通信时长，所述通信设备位于所述卫星上。

3.如权利要求1所述的卫星星座间链路规划方法，其特征在于，所述预匹配轨道组为由第一轨道和第二轨道构成的预匹配轨道对，所述第一轨道和所述第二轨道分别位于两个卫星星座内，所述计算每个预匹配轨道组所需要的通信卫星数量，每个所述预匹配轨道组中的各个轨道分别位于所述卫星星座集合中的各个卫星星座上，包括：

依据所述第一轨道上的各个卫星与所述第二轨道上的各个卫星之间的相对空间几何特性变化信息和实际通信时长，得到第一预选卫星和第二预选卫星，所述第一预选卫星位于所述第一轨道上，所述第二预选卫星位于所述第二轨道上；

计算所述第一预选卫星和所述第二预选卫星之间的非通信时长与实际通信时长的比值；

依据所述比值，得到所述预匹配轨道对所需要的通信卫星数量。

4.如权利要求3所述的卫星星座间链路规划方法，其特征在于，所述非通信时长等于公周期减去所述实际通信时长，计算所述公周期包括：

当所述第一轨道所在的卫星星座的第一运行周期异于所述第二轨道所在的卫星星座的第二运行周期时，计算所述第一运行周期的倒数和所述第二运行周期的倒数；

将所述第一运行周期的倒数减去所述第二运行周期的倒数，得到减法运算结果；

对所述减法运算结果的倒数取绝对值，得到公周期；

或者，当所述第一轨道所在的卫星星座的第一运行周期等于所述第二轨道所在的卫星星座的第二运行周期时，所述公周期等于所述第一运行周期或第二运行周期。

5.如权利要求3所述的卫星星座间链路规划方法，其特征在于，所述依据所述比值，得到所述预匹配轨道对所需要的通信卫星数量，包括：

当所述第一轨道所在的卫星星座的第一运行周期异于所述第二轨道所在的卫星星座的第二运行周期时，设置差值绝对值等于二的两个变量；

计算所述比值加一的四舍五入值，得到所述比值所对应的计算值；

将所述比值所对应的计算值乘以二，得到乘法结果；

在两个所述变量的乘积大于等于所述乘法结果的约束条件下，计算两个所述变量之和的最小值；

将两个所述变量之和的最小值作为所述预匹配轨道对所需要的通信卫星数量；

或者，当所述第一轨道所在的卫星星座的第一运行周期等于所述第二轨道所在的卫星星座的第二运行周期时，计算所述比值的向上取整值；

将所述比值的向上取整值乘以二，得到所述预匹配轨道对所需要的通信卫星数量。

6.如权利要求3所述的卫星星座间链路规划方法，其特征在于，所述依据所需要的所述通信卫星数量和每个所述预匹配轨道组上的卫星属性信息，得到每个所述预匹配轨道组上的通信目标卫星，包括：

依据所述卫星属性信息，得到所述卫星属性信息中的位置信息，所述位置信息为所述卫星相对地球的位置；

在所述第一轨道和所述第二轨道上挑选所述位置信息相异的卫星，直至挑选出的卫星数量等于所述通信卫星数量减二；

将挑选出的所述卫星、所述第一预选卫星和所述第二预选卫星作为每个所述预匹配轨道对上的通信目标卫星。

7.如权利要求1所述的卫星星座间链路规划方法，其特征在于，所述预匹配轨道组为由第一轨道和第二轨道构成的预匹配轨道对，所述依据所述通信目标卫星之间的通信时间信息，筛选所述预匹配轨道组，得到目标匹配轨道组，包括：

依据所述通信时间信息，得到所述通信时间信息中的通信起始时刻和通信截止时刻，所述通信起始时刻为所述第一轨道上的通信目标卫星与所述第二轨道上的通信目标卫星之间满足通信条件的起始时刻，所述通信截止时刻为所述第一轨道上的通信目标卫星与所述第二轨道上的通信目标卫星之间的通信条件终止时刻；

将所述通信起始时刻至所述通信截止时刻的时长，记为通信时区；

计算每时刻所述通信时区的可用通信链路数；

获取所述卫星星座集合中的卫星星座对所对应的预定通信链路数量；

计算所述预定通信链路数量与所述预匹配轨道对的数量之比，记为所述预匹配轨道对上所需通信链路数；

计算所述可用通信链路数与所述预匹配轨道对上所需通信链路数之比，得到所述卫星星座对所需要的匹配轨道对数量；

依据所述预匹配轨道组中的各个预匹配轨道对在所述卫星星座对中的分布信息，从各个所述预匹配轨道对中挑选出所述匹配轨道对数量的目标匹配轨道对。

8.如权利要求1所述的卫星星座间链路规划方法，其特征在于，所述依据所述目标匹配轨道组，规划所述卫星星座集合的通信链路，包括：

将所述目标匹配轨道组中的目标匹配轨道对上的所述通信目标卫星作为所述卫星星座集合中的卫星星座对之间的通信链路，完成所述卫星星座对之间的通信链路规划。

9.一种卫星星座间链路规划装置，其特征在于，所述装置包括如下组成部分：

星座集合选取模块，用于选取满足设定通信条件的卫星星座集合；

通信卫星数量计算模块，用于计算每个预匹配轨道组所需要的通信卫星数量，每个所述预匹配轨道组中的各个轨道分别位于所述卫星星座集合中的各个卫星星座上，所述预匹配轨道组为预匹配轨道对的集合；

目标卫星规划模块，用于依据所需要的所述通信卫星数量和每个所述预匹配轨道组上的卫星属性信息，得到每个所述预匹配轨道组上的通信目标卫星；

轨道规划模块，用于依据所述通信目标卫星之间的通信时间信息，筛选所述预匹配轨道组，得到目标匹配轨道组；

链路通信模块，用于依据所述目标匹配轨道组，规划所述卫星星座集合的通信链路；

所述选取满足设定通信条件的卫星星座集合，包括：

所述依据任意两个卫星星座内的轨道的属性信息，得到由两个轨道构成的预匹配轨道组中的预匹配轨道对，两个轨道分别位于两个卫星星座内的轨道上，包括：

依据轨道的属性信息，得到所述属性信息中的升交点赤经值；

计算任意两个卫星星座内任意两个轨道的升交点赤经值的差值；

将差值小于设定容差的两个轨道作为预匹配轨道对；

依据所述设定通信条件，得到所述设定通信条件中的所述预匹配轨道对上的卫星之间的设定通信时长；

计算所述预匹配轨道对上的卫星之间的实际通信时长；

将所述实际通信时长大于所述设定通信时长的卫星所在的卫星星座对作为卫星星座集合中的待建立通信链路星座对。

10.一种终端设备，其特征在于，所述终端设备包括存储器、处理器及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的卫星星座间链路规划程序，所述处理器执行所述卫星星座间链路规划程序时，实现如权利要求1-8任一项所述的卫星星座间链路规划方法的步骤。

11.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有卫星星座间链路规划程序，所述卫星星座间链路规划程序被处理器执行时，实现如权利要求1-8任一项所述的卫星星座间链路规划方法的步骤。

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