面向Walker星座的Mobius星座拓扑构型构造方法、系统及应用技术方案

本发明专利技术属于卫星网络通信技术领域，公开了一种面向Walker星座的Mobius星座拓扑构型构造方法、系统及应用。其实现方案是：初始化Walker星座的参数和卫星天线建链约束，并对所有卫星进行编号；根据星座参数和建链约束，计算每颗卫星的可建链集合；在异轨可建链集合中寻找可以构建Mobius星座拓扑构型的建链方式，生成链路组合集合；根据链路组合集合建立Walker星座的同轨和异轨星间链路，构造Mobius星座拓扑构型。本发明专利技术缩短了卫星网络的平均路径跳数，增强了网络的连通性，降低了网络的平均端到端时延，提升了Walker星座空间段的信息承载能力。本发明专利技术给出了Walker星座在“一星四链”模式下连通性最优的拓扑的结构，降低了路由成本，提升了网络的性价比。

【技术实现步骤摘要】
面向Walker星座的Mobius星座拓扑构型构造方法、系统及应用
本专利技术属于卫星网络通信
，尤其涉及一种面向Walker星座的Mobius星座拓扑构型构造方法、系统及应用。
技术介绍
目前，Walker星座是一类均匀对称且具有良好对地覆盖特性的圆形轨道星座，其设计初衷是利用尽可能少的卫星实现全球的高效覆盖。随着6G时代的来临，卫星互联网不仅需要良好的覆盖特性，还需要卫星之间建立可靠的传输链路，实现星座的空间段组网，以此满足网络具有高通量、低时延、负载均衡等多种Qos指标。这为Walker星座的空间拓扑设计带来了新的挑战。目前基于Walker星座的空间拓扑主要分为动态规划的星间网络拓扑生成和静态的星间网络拓扑设计。第一种动态建链规划利用仿真软件，根据卫星的轨道信息和建链约束动态的生成最优的星座拓扑。利用时间拓展图等将网络拓扑切片化，分时隙刻画Walker星座的拓扑结构。但是该方法只能关注某个确定Walker星座，导出其时变的拓扑。而且随着星座规模的逐步增加，拓扑的变化愈加频繁，星座拓扑数增加，星间网络拓扑结构复杂度更高，常规的路由算法求解困难。第二种方法着眼于Walker星座的均匀对称结构，按照“一星四链”的原则生成静态的网络拓扑。许多研究工作用2D-Torus或者Mesh这种高度对称的超平面结构建模Walker星座的静态网络拓扑，并进行了路由、网络容量等深入研究。但是绝大部分Walker星座的静态拓扑并不能映射成Mesh或2D-Torus拓扑，或者形成该类拓扑将不符合卫星间建链的约束。更值得关注的是，在满足建链约束和固定网络的链路数目的前提下，即便2D-Torus的拓扑的网络性能优于Mesh，但多数情况下2D-Torus拓扑并非是Walker星座的最佳选择。因为2D-Torus拓扑的平均路径跳数会更大，使得整网的路由代价增大。基于此，根据Walker星座参数和建链约束，Walker星座的静态星间网络拓扑更应该设计成Mobius拓扑结构。相对于2D-Torus拓扑，Mobius拓扑缩短了整网的平均路径跳数，降低了网络的路由代价。通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：(1)现有Walker星座的星间网络拓扑结构复杂度高、星间网络路由的路径长度和端到端时延较大。(2)现有技术对Walker星座拓扑描述复杂度高、星间网络拓扑的能效低。解决以上问题及缺陷的难度为：(1)在设计Walker星座的过程中，卫星数目和轨道数等参数的变化，使得最优拓扑随网络规模变动，不利于Mobius星座拓扑构型的搭建。(2)Walker星座内网络节点众多，即便存在建链约束，仍旧存在复杂的可建链选择，不利于拓扑的最优设计。解决以上问题及缺陷的意义为：基于Mobius星座拓扑构型的卫星网络，其网络的平均端到端时延更低，这将降低网络的路由成本，提升卫星网络的信息承载能力。与此同时，随着卫星网络规模增加，最优设计的星间网络拓扑将带来巨大的性能增益，因此专利技术一种面向Walker星座的星间网络最优拓扑设计方法是必要的。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种面向Walker星座的Mobius星座拓扑构型构造方法、系统及应用。本专利技术是这样实现的，一种面向Walker星座的Mobius星座拓扑构型构造方法，所述方法包括：初始化Walker星座参数和卫星天线建链参数，并对所有卫星编号；根据星座参数和建链约束，计算每颗卫星的可建链集合；在异轨可建链集合中寻找可以构建Mobius星座拓扑构型的建链方式，生成链路组合集合；根据链路组合集合建立Walker星座的同轨和异轨星间链路，构造Mobius星座拓扑构型。进一步，所述面向Walker星座的Mobius星座拓扑构型构造方法的具体步骤如下：(1)初始化需要设计的T/P/FWalker星座和卫星天线建链参数，其中星座参数包括：卫星总数T、轨道面数P、相位因子F、每轨道卫星数目轨道高度hs、轨道倾角κ，按照Walker星座的卫星位置对卫星进行编号，具体格式为Sij,i＝1,2,…,P，j＝1,2,…,S，其中Sij表示第i个轨道上的第j颗卫星，自西向东是轨道编号i增加的方向，卫星运动方向是每轨道上卫星编号j增加的方向；(2)根据星座参数和建链约束，计算每颗卫星可建链集合，即卫星Sij的同轨可建链集合和异轨可建链集合(2a)生成Walker中星座所有卫星的轨道信息；(2b)对于计算卫星Sij的同轨可建链集合根据卫星Sij和其同轨相邻卫星Si(jmodS+1)、Si((j-2)modS+1)的轨道信息和卫星天线建链参数，判断卫星Sij与卫星Si(jmodS+1)、Si((j-2)modS+1)是否存在永久的星间链路：若存在，则将卫星Sij的两颗同轨相邻卫星的编号(jmodS+1)和((j-2)modS+1)放入卫星Sij的同轨可建链集合，即若不存在，则卫星Sij的同轨可建链集合为空集，即(2c)计算所有卫星的异轨可建链集合根据卫星轨道信息和卫星天线建链阈值参数，对于判断卫星Sij是否与其东侧相邻轨道上的卫星S(imodP+1)j'存在永久的星间链路：如果存在永久的星间链路，将其卫星编号归入卫星Sij的异轨可建链集合如果都不存在永久的星间链路，卫星Sij的异轨可建链集合为空集，即(3)在异轨可建链集合中寻找可以构建Mobius星座拓扑构型的建链方式，生成链路组合集合μ：(3a)对于判断是否存在卫星Sij的同轨可建链集合或异轨可建链集合为空集：如果不存在，那么继续下面的步骤；如果存在，则无法构造Mobius星座拓扑构型；(3b)寻找合适的和的值，使其满足下式：(3c)记录所有满足等式的m和n值组合，存入链路组合集合若则无法构建Walker星座的Mobius星座拓扑构型；(4)根据链路组合集合μ，任意选择μ中的一个m和n组合，建立Walker星座的同轨链路和异轨链路，构造Mobius星座拓扑构型：(4a)建立同轨链路：每颗卫星与各自中的两颗卫星建立双向的同轨链路，即卫星Sij前进方向上的卫星Si(jmodS+1)和反方向的卫星Si((j-2)modS+1)；(4b)建立异轨链路：(4b1)对于卫星Sij选择东侧相邻轨道上的卫星S(i+1)((j+m-2)modS+1)建立双向异轨链路；(4b2)对于i＝P,卫星Sij选择东侧相邻轨道上的卫星S1((j+n-2)modS+1)建立双向异轨链路；(4c)通过建立上述星间链路连接，完成Walker星座的Mobius星座拓扑构型构造。进一步，所述面向Walker星座的Mobius星座拓扑构型构造方法中初始化卫星天线建链参数，包括：地球电离层高度，卫星天线的最大方位角变化角度，卫星天线的最大高低角变化角度，卫星天线的方位角变化的最大角速度，卫星天线的高低角变化的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向Walker星座的Mobius星座拓扑构型构造方法，其特征在于，所述方法包括：/n初始化Walker星座参数和卫星天线建链参数，并对所有卫星编号；/n根据星座参数和建链约束，计算每颗卫星的可建链集合；/n在异轨可建链集合中寻找可以构建Mobius星座拓扑构型的建链方式，生成链路组合集合；/n根据链路组合集合建立Walker星座的同轨和异轨星间链路，构造Mobius星座拓扑构型。/n

【技术特征摘要】
1.一种面向Walker星座的Mobius星座拓扑构型构造方法，其特征在于，所述方法包括：
初始化Walker星座参数和卫星天线建链参数，并对所有卫星编号；
根据星座参数和建链约束，计算每颗卫星的可建链集合；
在异轨可建链集合中寻找可以构建Mobius星座拓扑构型的建链方式，生成链路组合集合；
根据链路组合集合建立Walker星座的同轨和异轨星间链路，构造Mobius星座拓扑构型。


2.如权利要求1所述的面向Walker星座的Mobius星座拓扑构型构造方法，其特征在于，所述方法的具体步骤如下：
(1)初始化需要设计的T/P/FWalker星座和卫星天线建链参数，其中星座参数包括：卫星总数T、轨道面数P、相位因子F、每轨道卫星数目轨道高度hs、轨道倾角κ，按照Walker星座的卫星位置对卫星进行编号，具体格式为Sij,i＝1,2,…,P，j＝1,2,…,S，其中Sij表示第i个轨道上的第j颗卫星，自西向东是轨道编号i增加的方向，卫星运动方向是每轨道上卫星编号j增加的方向；
(2)根据星座参数和建链约束，计算每颗卫星可建链集合，即卫星Sij的同轨可建链集合和异轨可建链集合
(2a)生成Walker中星座所有卫星的轨道信息；
(2b)对于计算卫星Sij的同轨可建链集合
根据卫星Sij和其同轨相邻卫星Si(jmodS+1)、Si((j-2)modS+1)的轨道信息和卫星天线建链参数，判断卫星Sij与卫星Si(jmodS+1)、Si((j-2)modS+1)是否存在永久的星间链路：
若存在，则将卫星Sij的两颗同轨相邻卫星的编号(jmodS+1)和((j-2)modS+1)放入卫星Sij的同轨可建链集合，即
若不存在，则卫星Sij的同轨可建链集合为空集，即
(2c)计算所有卫星的异轨可建链集合
根据卫星轨道信息和卫星天线建链阈值参数，对于判断卫星Sij是否与其东侧相邻轨道上的卫星S(imodP+1)j'存在永久的星间链路：
如果存在永久的星间链路，将其卫星编号归入卫星Sij的异轨可建链集合
如果都不存在永久的星间链路，卫星Sij的异轨可建链集合为空集，即
(3)在异轨可建链集合中寻找可以构建Mobius星座拓扑构型的建链方式，生成链路组合集合μ：
(3a)对于判断是否存在卫星Sij的同轨可建链集合或异轨可建链集合为空集：
如果不存在，那么继续下面的步骤；
如果存在，则无法构造Mobius星座拓扑构型；
(3b)寻找合适的和的值，使其满足下式：



(3c)记录所有满足等式的m和n值组合，存入链路组合集合若则无法构建Walker星座的Mobius星座拓扑构型；
(4)根据链路组合集合μ，任意选择μ中的一个m和n组合，建立Walker星座的同轨链路和异轨链路，构造Mobius星座拓扑构型：
(4a)建立同轨链路：
每颗卫星与各自中的两颗卫星建立双向的同轨链路，即卫星Sij前进方向上的卫星Si(jmodS+1)和反方向的卫星Si((j-2)modS+1)；
(4b)建立异轨链路：

【专利技术属性】
技术研发人员：盛敏，王占伟，白卫岗，李建东，周笛，史琰，吴家鑫，毕媛媛，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61