用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计方法及装置，其中，方法包括：目标规划步骤：确定深空任务场景下的端到端通信约束条件与优化目标；路由策略步骤：根据约束条件确定统计周期内端到端中继通信最佳路径，以得到路由最佳策略；星座设计步骤：根据约束条件、优化目标和路由最佳策略获取太阳系公转轨道星座设计；建模分析步骤：利用数学方法构建太阳系公转轨道星座网络拓扑模型，通过蒙特卡洛遍历搜索实现组合规划问题求解。该方法可以在网络层面给出带约束条件下地球‑火星之间端到端全程有效通信的太阳系公转轨道星座优化设计方案，进一步提升了系统通信路由的鲁棒性与端到端信息传输能力。

Design method and device for orbit constellation of solar system in deep space relay communication

The invention discloses a solar system orbit constellation design method and device for deep space relay communication. The method includes: target planning step: determining end to end communication constraint conditions and optimization targets in deep space task scene; routing strategy step: determining end to end relay in statistical cycle according to constraints. The best route for communication to get the best routing strategy; constellation design steps: obtain the solar system orbit constellation design based on constraints, optimization targets and routing strategy; modeling analysis steps: using mathematical methods to construct the topology model of the solar system orbit constellation network, through Monte Carlo traversal search implementation The problem of combinatorial programming is solved. This method can provide an optimal design scheme for the solar system orbit constellation with full and effective communication between the end to end and end to end of the planet Mars, which further improves the robustness of the system communication routing and the end to end information transmission capability.

【技术实现步骤摘要】
用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计方法及装置
本专利技术涉及深空通信
，特别涉及一种用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计方法及装置。
技术介绍
深空通信是深空探索任务的基本保障之一。现阶段侧重于点到点物理链路能力提升，深空网络并未构建起来。出于国家战略发展的需要，未来人类政府还将逐步增加空间节点，深空通信将由点到点链路逐步过渡到具有稀疏节点特性的空间网络。点到点链路存在技术发展的缓慢性，现阶段的射频通信或激光通信均存在各方面的不足，要求另辟蹊径找到提升端到端通信容量的有效途径。网络的优势在于连接，即在端到端节点之间构建起可达通信路径，提供灵活可靠的通信传输服务。1、点对点通信技术点对点传输的局限性主要在于通信方式的单一性，即只有双方通视、电磁波可达(单向或双向)的通信时段内才具有通信的意义。在地球自转、火星自转、地火相对运行这样的空间位置关系下，以及凌日干扰、太阳黑子爆发等极端空间环境下，点对点通信方式大大降低了通信机会。此外，在点对点通信场景下，提升任务数据回传吞吐量的方法也只能局限在物理层参数调整方法，比如提高发送端EIRP(EffectiveIsotropicRadiatedPower，有效全向辐射功率)、提高地球站天线口径(天线组阵)、采用高效通信方式(激光通信)等，这些方式可以从根本上提升点对点信道传输容量，但是随着信息传输速率的提高，技术突破的难度也越来越大，同时伴随着后续探测任务空间传输距离的增加，势必造成有效信息传输速率的急剧下降。2、火星轨道器中继在欧美等航天机构开展的火星探测任务中，使用了火星轨道器作为地球与着陆器/火星车之间通信的中继节点，利用轨道器增加了通信弧段，部分克服了火星车与地球无法通视的局限，其拓扑结构示意图如图1所示，该方法的缺点在于，轨道器为环火低轨卫星，无法克服地-火无法通视的局限性，且火星轨道器与地球站之间仍具有超距特性，无法克服超远距离通信局限性。3、拉格朗日点卫星中继在火星轨道器中继的启发下，国内外学者又研究提出了基于太阳系平动点的中继通信方案，即利用日地拉格朗日点卫星、日火拉格朗日点卫星作为中继节点增加通信弧段，部分克服了地-火无法通视的局限，其拓扑结构示意图如图2所示，该方法的缺点在于，拉格朗日点卫星与下一跳节点之间仍具有超距特性，无法克服超远距离通信局限性，超出点到点通信极限后无法建立有效通信链路。综上分析可知，在现有空间拓扑结构、物理层技术体制约束条件下，上述三种方法均无法为地球站与着陆器/火星车之间提供全程有效的端到端通信路径。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计方法，该方法进一步提升了系统通信路由的鲁棒性与端到端信息传输能力。本专利技术的另一个目的在于提出一种用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计装置。为达到上述目的，本专利技术一方面实施例提出了一种用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计方法，包括以下步骤：目标规划步骤：确定深空任务场景下的端到端通信约束条件与优化目标；路由策略步骤：根据所述约束条件确定统计周期内端到端中继通信最佳路径，以得到路由最佳策略；星座设计步骤：根据所述约束条件、所述优化目标和所述路由最佳策略获取太阳系公转轨道星座设计；建模分析步骤：利用数学方法构建太阳系公转轨道星座网络拓扑模型，通过蒙特卡洛遍历搜索实现组合规划问题求解。本专利技术实施例的用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计方法，以太阳系质心为原点构建同心圆多环轨道星座，通过控制单条点到点物理链路的距离上限来确保通信容量不因距离增加而无限降低，从而在网络层面给出带约束条件下地球-火星之间端到端全程有效通信的太阳系公转轨道星座优化设计方案，进一步提升了系统通信路由的鲁棒性与端到端信息传输能力。另外，根据本专利技术上述实施例的用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计方法还可以具有以下附加的技术特征：进一步地，在本专利技术的一个实施例中，在所述目标规划步骤中，所述深空任务场景包括火星探测任务长期运行阶段地球站与火星车双向通信；所述约束条件包括统计周期、地球轨道参数、火星轨道参数、通信收发单元物理参数、单跳链路最大距离、全程建立双向通信链路；所述优化目标包括统计周期内端到端之间平均路径最短、平均跳数最小或遍历节点数最少。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述路由最佳策略包括前向链路、返向链路、端到端要求、中继节点和路由算法，其中，所述前向链路由源节点位于地球和目的节点位于火星得到；所述返向链路由源节点位于火星和目的节点位于地球得到；所述端到端要求根据地球与火星通过中继节点建立双向通路得到；所述中继节点根据太阳系公转轨道星座各卫星节点得到；所述路由算法根据带所述约束条件的最短路径优先算法得到。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述星座设计步骤进一步包括：根据太阳系质心为原点构建同心圆轨道星座，以得到星座构型，其中，所述星座构型为单环或多环；通过星座轨道与地球轨道、火星轨道共面，内环位于所述地球轨道环与太阳系质心之间，外环位于地球轨道环与火星轨道环之间，且环间距离满足所述约束条件的单跳链路最大距离约束，以得到轨道参数；通过面内节点按照相位均匀分布，且节点数目满足近邻节点之间所述单跳链路最大距离约束，以得到节点设置。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述建模分析步骤进一步包括：构建二维平面极坐标系，基于开普勒定律得到节点运动方程，构建时变加权图，以得到数学建模，其中，所述数学建模包括坐标系、网络拓扑、节点运动、时变加权图；采用带所述约束条件的最短路径优先算法求解最佳路径，通过所述蒙特卡洛遍历搜索实现组合规划问题求解，以进行数学分析。为达到上述目的，本专利技术另一方面实施例提出了一种用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计装置，包括：目标规划模块，用于确定深空任务场景下的端到端通信约束条件与优化目标；路由策略模块，用于根据所述约束条件确定统计周期内端到端中继通信最佳路径，以得到路由最佳策略；星座设计模块，用于根据所述约束条件、所述优化目标和所述路由最佳策略获取太阳系公转轨道星座设计；建模分析模块，用于利用数学方法构建太阳系公转轨道星座网络拓扑模型，通过蒙特卡洛遍历搜索实现组合规划问题求解。本专利技术实施例的用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计装置，以太阳系质心为原点构建同心圆多环轨道星座，通过控制单条点到点物理链路的距离上限来确保通信容量不因距离增加而无限降低，从而在网络层面给出带约束条件下地球-火星之间端到端全程有效通信的太阳系公转轨道星座优化设计方案，进一步提升了系统通信路由的鲁棒性与端到端信息传输能力。另外，根据本专利技术上述实施例的用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计装置还可以具有以下附加的技术特征：进一步地，在本专利技术的一个实施例中，在所述目标规划模块中，所述深空任务场景包括火星探测任务长期运行阶段地球站与火星车双向通信，所述约束条件包括统计周期、地球轨道参数、火星轨道参数、通信收发单元物理参数、单跳链路最大距离、全程建立双向通信链路，以及所述优化目标包括统计周期内端到端之间平均路径最短、平均跳数最小或遍历节点数最少。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述路由最佳策本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计方法，其特征在于，包括以下步骤：目标规划步骤：确定深空任务场景下的端到端通信约束条件与优化目标；路由策略步骤：根据所述约束条件确定统计周期内端到端中继通信最佳路径，以得到路由最佳策略；星座设计步骤：根据所述约束条件、所述优化目标和所述路由最佳策略获取太阳系公转轨道星座设计；以及建模分析步骤：利用数学方法构建太阳系公转轨道星座网络拓扑模型，通过蒙特卡洛遍历搜索实现组合规划问题求解。

【技术特征摘要】
1.一种用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计方法，其特征在于，包括以下步骤：目标规划步骤：确定深空任务场景下的端到端通信约束条件与优化目标；路由策略步骤：根据所述约束条件确定统计周期内端到端中继通信最佳路径，以得到路由最佳策略；星座设计步骤：根据所述约束条件、所述优化目标和所述路由最佳策略获取太阳系公转轨道星座设计；以及建模分析步骤：利用数学方法构建太阳系公转轨道星座网络拓扑模型，通过蒙特卡洛遍历搜索实现组合规划问题求解。2.根据权利要求1所述的用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计方法，其特征在于，在所述目标规划步骤中，所述深空任务场景包括火星探测任务长期运行阶段地球站与火星车双向通信；所述约束条件包括统计周期、地球轨道参数、火星轨道参数、通信收发单元物理参数、单跳链路最大距离、全程建立双向通信链路；所述优化目标包括统计周期内端到端之间平均路径最短、平均跳数最小或遍历节点数最少。3.根据权利要求1或2所述的用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计方法，其特征在于，所述路由最佳策略包括前向链路、返向链路、端到端要求、中继节点和路由算法，其中，所述前向链路由源节点位于地球和目的节点位于火星得到；所述返向链路由源节点位于火星和目的节点位于地球得到；所述端到端要求根据地球与火星通过中继节点建立双向通路得到；所述中继节点根据太阳系公转轨道星座各卫星节点得到；所述路由算法根据带所述约束条件的最短路径优先算法得到。4.根据权利要求1或2所述的用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计方法，其特征在于，所述星座设计步骤进一步包括：根据太阳系质心为原点构建同心圆轨道星座，以得到星座构型，其中，所述星座构型为单环或多环；通过星座轨道与地球轨道、火星轨道共面，内环位于所述地球轨道环与太阳系质心之间，外环位于地球轨道环与火星轨道环之间，且环间距离满足所述约束条件的单跳链路最大距离约束，以得到轨道参数；通过面内节点按照相位均匀分布，且节点数目满足近邻节点之间所述单跳链路最大距离约束，以得到节点设置。5.根据权利要求1或2所述的用于深空中继通信的太阳系公转轨道星座设计方法，其特征在于，所述建模分析步骤进一步包括：构建二维平面极坐标系，基于开普勒定律得到节点运动方程，构建时变加权图，以得到数学建模，其中，所述数学建模包括坐标系、网络拓扑、节点运动、时变加权图；采用带所述约束条件的最短路径优先算法求解最佳路径，通过所述蒙特卡洛遍历搜索实现组合规划问题求解，以进行数学分析。6.一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹亚锋，万鹏，潘筱涵，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11