一种用于增强卫星系统自主导航能力的连接计划设计方法技术方案

一种用于增强卫星系统自主导航能力的连接计划设计方法，依据星历计算得到可视矩阵；各卫星节点依据可视矩阵采用公平性连接计划算法计算得到连接计划输出；各节点在时间同步的基础上，分别按照连接计划设计结果在连接计划设计周期起始时刻同时执行链路调度。对于每个链路调度周期，连接计划设计过程均在星上完成而不依赖于地面站：1)卫星网络中各卫星节点通过与其他卫星节点进行信息交互，获取统一的全网最新星历，并依据星历计算得到可视矩阵，即连接计划设计的输入；2)卫星网络中各节点对确定的连接计划设计周期，对输入采用确定性的连接计划设计算法，在星上计算得到相同的连接计划设计输出；3)卫星网络中各卫星节点在时间同步的基础上，分别按照连接计划设计结果在连接计划设计周期起始时刻同时执行链路调度。

【技术实现步骤摘要】
一种用于增强卫星系统自主导航能力的连接计划设计方法
本专利技术适用于需要自主导航的卫星系统，提供了一种不依赖于地面站的由网络中各个卫星节点自主计算并进行调度链路的连接计划设计方法。
技术介绍
卫星系统自主导航是指星座卫星在长时间得不到地面测控系统支持的情况下，通过星间双向测距、数据交换、以及星载处理器滤波处理，不断修正地面站注入的卫星长期预报星历及时钟参数，并自主生成导航电文和维持星座基本构型，满足用户高精度导航定位应用需求的实现过程。其中，星间测距和通信链路是卫星系统自主导航的核心技术。然而由于卫星自身的限制，卫星上星间链路的天线个数受到限制，远不能满足与所有可视卫星同时建立星间链路的条件。基于一定的约束条件，解决星间链路拓扑的优化设计问题被称作连接计划设计。为了能够支持卫星系统自主导航能力，连接计划设计需在满足约束条件下对星间测距与通信需求两个指标进行优化。此前的连接计划设计方法都是集中式的连接计划设计方法，是必须由地面站先计算出拓扑调度结果，再由地面站将连接计划设计结果上注到各个卫星，由各个卫星分别执行调结果。上述集中式的连接计划设计方法有以下几点问题：(1)集中式的连接计划设计方法需要由地面站完成计算过程，并且需要由地面站定期地向所有卫星节点上注拓扑调度结果，会增加地面测控站的布设数量、增加地面站至卫星的信息注入次数、影响通信效率并加大系统长期维持费用。(2)集中式的连接计划设计方法整个流程完全依赖于地面站，若出现地面站突发失效的问题，则整个卫星系统将无法继续运行。同时，若出现卫星突发失效的问题，卫星需先将节点失效信息传回地面站，由地面站完成计算并给每个卫星节点上注新的连接计划，整个流程耗时长，整个卫星网络中不能够快速的更新连接计划设计结果，未失效节点仍然按照原拓扑结果与失效节点建立星间链路，会导致卫星系统长时间内处于低性能状态。(3)由于地面站计算资源好，为了使连接计划设计结果在测距与通信两个指标上更加优化，现阶段已提出的集中式的连接计划设计方法大多采用启发式算法。启发式算法由于算法复杂度高，一次计算耗时长，同时由于启发式算法具有随机性和不确定性，计算过程需一次性完成，若中途停止，再次计算时会得到完全不一样的结果，造成地面站计算资源浪费。可以看出，现阶段的集中式连接计划设计方法依赖于地面站，与卫星系统不依赖地面站实现自主导航的目标相违背。然而由于启发式算法算法复杂度高这一特性，星上不具有相应的计算能力；同时，由于连接计划结果数据量大，在一颗星上采用简单算法计算然后将结果发送到其他星会占用大量的通信资源，影响卫星系统的正常工作；再有，在地面集中式方法所采用的算法中，复杂度小的算法也具有随机性和不确定性，也就是即使算法有相同的输入，由不同的卫星计算时，也会得到不一样的结果计算过程，因此也不能够实现不依赖于地面站进行连接计划设计。
技术实现思路
专利技术目的：针对上述现阶段卫星系统的连接计划设计仍依赖于地面站、且与卫星系统不依赖地面站实现自主导航的目标相违背这一问题，本专利技术提出了一种用于增强卫星系统自主导航能力的连接计划设计方法，能够不依赖与地面站计算连接计划。技术方案：一种用于增强卫星系统自主导航能力的连接计划设计方法，网络中各卫星节点通过与其他卫星节点进行信息交互，获取统一的全网最新星历，并依据星历计算得到可视矩阵；各节点依据可视矩阵采用公平性连接计划算法计算得到连接计划输出；各节点在时间同步的基础上，分别按照连接计划设计结果在连接计划设计周期起始时刻同时执行链路调度。对于每个链路调度周期，连接计划设计过程均在星上完成而不依赖于地面站。该方法分为以下三个步骤：步骤1：卫星网络中各卫星节点通过与其他卫星节点进行信息交互，获取统一的全网最新星历，并依据星历计算得到可视矩阵，即连接计划设计的输入；所述步骤1中，卫星网络中各卫星节点通过信息交互得到全网星历。由于卫星是时刻运动的，每个卫星节点获取统一的全网星历后，需对星历进行预处理。预处理中，将调度起始时间到调度结束时间这一时间段分为多个小时间段(如1分钟)，称为连接计划设计周期，每个连接计划周期又分为多个时隙(如3秒)。以连接计划设计周期为基本单位根据星历以及其他限制条件(如卫星上星间链路天线角限制)计算出所有卫星之间的可视性(在整个连接计划设计周期内保持可视则判断为可视，否则判断为不可视)，进而得到连接计划设计方法的输入，即可视矩阵。可视矩阵是指S个N*N的二维矩阵，其中S指将调度起始时间到调度结束时间这一段时间划分的总的连接计划设计周期个数，N是指整个网络中卫星节点的个数。可视矩阵中，矩阵第i行第j列为1则说明该分钟内第i个卫星节点与第j个卫星节点可视；若为0则不可视。该矩阵为对称矩阵，对角线位置规定为0。各个卫星节点得到的可视矩阵输入是相同的。只要保证所有卫星节点获取的星历是统一的，并约定处理周期和处理方法，则每个卫星节点根据星历计算得到的可视矩阵也是一致的。整个卫星系统需提前约定系统拓扑调度的周期(如约定为7天)和调度起始时间(如约定为卫星系统运行起始时刻)，则每一拓扑调度周期的起始时刻即为上一周期的结束时间。同时，卫星系统需约定为下一调度周期计算拓扑调度的起始时刻(如下一周期开始前两小时)。步骤2：卫星网络中各节点对确定的连接计划设计周期，对输入采用确定性的连接计划设计算法，在星上计算得到相同的连接计划设计输出；所述步骤2中所采用的算法是确定性算法，即根据相同的输入能够得到相同的输出，以保证所有的卫星节点能够计算出相同的全网调度结果；所采用的算法应使得全网卫星节点之间建链具有公平性，卫星需不断地在所有可视卫星中切换建链，以满足卫星系统自主导航的测距与通信需求；相较于地面集中式方法所采用的启发式算法，本专利技术涉及的实现方法所采用的算法复杂度低，以保证能够在星上完成计算。本专利技术中各卫星节点所采用的连接计划设计算法是公平连接计划设计算法。该算法以最大权非完美匹配算法为核心，通过权重调整使得全网卫星节点之间建链具有公平性，即卫星节点能够公平地与所有可视节点建链。由于最大权匹配算法的结果是确定的，因此在实施中，只要保证权重初始值以及调整权重的方式一致，那么所有卫星节点根据相同输入就能得到完全一致的相同输出。对于每个连接计划设计周期，每个卫星节点计算时需执行以下步骤：步骤2.1：将该连接计划设计周期内的可视矩阵转换为图模型，图中，顶点是各个卫星节点，边是可视的卫星节点对；步骤2.2：所有边权重初始化为无穷大；步骤2.3：对当前时隙的完全图进行最大权非完美匹配；步骤2.4：权重调整(当前时隙匹配的边，权重重置为0；当前时隙没有匹配的边，权重加1)；步骤2.5：判断所有时隙是否完成链路分配，是则结束；否则时隙数加1，并返回步骤2.3。所述步骤2.3中使用的最大权非完美匹配是采用了先将最大权非完美匹配转化为最大权完美匹配的方法，再利用BlossomV算法计算最大权完美匹配得到的结果。连接计划设计输出是指S个M*N的二维矩阵，其中S指将调度起始时间到调度结束时间这一段时间划分的总的连接计划设计周期个数，N是指整个网络中卫星节点的个数，M是指一个连接计划周期被划分的时隙数。调度矩阵内，矩阵第i行第j列为a则说明在该连接计划设计周期内的第i个时隙，第j个卫星节点需本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于增强卫星系统自主导航能力的连接计划设计方法，其特征在于，依据星历计算得到可视矩阵；各卫星节点依据可视矩阵采用公平性连接计划算法计算得到连接计划输出；各节点在时间同步的基础上，分别按照连接计划设计结果在连接计划设计周期起始时刻同时执行链路调度。对于每个链路调度周期，连接计划设计过程均在星上完成而不依赖于地面站；分为以下三个步骤：步骤1：卫星网络中各卫星节点通过与其他卫星节点进行信息交互，获取统一的全网最新星历，并依据星历计算得到可视矩阵，即连接计划设计的输入；步骤2：卫星网络中各节点对确定的连接计划设计周期，对输入采用确定性的连接计划设计算法，在星上计算得到相同的连接计划设计输出；步骤3：卫星网络中各卫星节点在时间同步的基础上，分别按照连接计划设计结果在连接计划设计周期起始时刻同时执行链路调度；当卫星失效时，该连接计划设计方法可以在星上短时间内快速地重新计算连接计划并执行新的连接计划结果。

【技术特征摘要】
1.一种用于增强卫星系统自主导航能力的连接计划设计方法，其特征在于，依据星历计算得到可视矩阵；各卫星节点依据可视矩阵采用公平性连接计划算法计算得到连接计划输出；各节点在时间同步的基础上，分别按照连接计划设计结果在连接计划设计周期起始时刻同时执行链路调度。对于每个链路调度周期，连接计划设计过程均在星上完成而不依赖于地面站；分为以下三个步骤：步骤1：卫星网络中各卫星节点通过与其他卫星节点进行信息交互，获取统一的全网最新星历，并依据星历计算得到可视矩阵，即连接计划设计的输入；步骤2：卫星网络中各节点对确定的连接计划设计周期，对输入采用确定性的连接计划设计算法，在星上计算得到相同的连接计划设计输出；步骤3：卫星网络中各卫星节点在时间同步的基础上，分别按照连接计划设计结果在连接计划设计周期起始时刻同时执行链路调度；当卫星失效时，该连接计划设计方法可以在星上短时间内快速地重新计算连接计划并执行新的连接计划结果。2.根据权利要求书1所述的一种用于增强卫星系统自主导航能力的连接计划设计方法，其特征在于：所述步骤1中，卫星网络中各卫星节点通过信息交互得到全网星历；由于卫星是时刻运动的，每个卫星节点获取统一的全网星历后，需对星历进行预处理；预处理中，将调度起始时间到调度结束时间这一时间段分为多个小时间段(如1分钟)，称为连接计划设计周期，每个连接计划周期又分为多个时隙(如3秒)；以连接计划设计周期为基本单位根据星历以及其他限制条件，包括卫星上星间链路天线角限制，计算出所有卫星之间的可视性，可视性在整个连接计划设计周期内保持可视则判断为可视，否则判断为不可视，进而得到连接计划设计方法的输入，即可视矩阵；各个卫星节点得到的可视矩阵输入是相同的；只要保证所有卫星节点获取的星历是统一的，并约定处理周期和处理方法，则每个卫星节点根据星历计算得到的可视矩阵也是一致的；所述步骤2中，各卫星节点所采用的连接计划设计算法是公平连接计划设计算法；该算法以最大权非完美匹配算法为核心，通过权重调整使得全网卫星节点之间建链具有公平性，即卫星节点能够公平地与所有可视节点建链；所采用的算法是确定性算法，即根据相同的输入能够得到相同的输出，以保证所有的卫星节点能够计算出相同的全网调度结果；所采用的算法应使得全网卫星节点之间建链具有公平性，卫星需不断地在所有可视卫星中切换建链，以满足卫星系统自主导航的测距与通信需求；对于每个连接计划设计周期，每个卫星节点计算时需执行以下步骤：步骤2.1：将该连接计划...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵康僆，严志博，李文峰，胡安·法瑞尔，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32