面向Walker星座的星座拓扑构型表征方法、系统及应用技术方案

本发明专利技术属于卫星网络设计技术领域，公开了一种面向Walker星座的星座拓扑构型表征方法、系统及应用。其实现方案是：初始化Walker的T/P/F参数、轨道高度和轨道倾角并根据位置对所有卫星进行编号；根据Walker星座参数和星间链路的建链约束，计算星座的扭曲系数U的取值集合；从取值集合中选择扭曲系数U，设计对应Walker星座拓扑构型的邻接矩阵；用T/P/F/U表征由T/P/F的Walker星座依据扭曲系数U形成的星座拓扑构型。本发明专利技术提出了Walker星座扭曲系数的概念，以此区分参数为T/P/F的Walker星座所形成的不同星间网络拓扑，描述Walker星座的空间段信息承载能力，帮助设计一个覆盖和通信能力综合最优的Walker星座。

【技术实现步骤摘要】
面向Walker星座的星座拓扑构型表征方法、系统及应用
本专利技术属于卫星网络设计
，尤其涉及一种面向Walker星座的星座拓扑构型表征方法、系统及应用。
技术介绍
目前，Walker星座是一类均匀对称且圆形轨道星座，通常包含δ星座和σ星座两种类型。J.GWalker提出的δ(Delta)星座的网络参数为T/P/F，其中T为星座卫星总数，每颗卫星都具有相同轨道半长轴a的圆轨道，轨道倾角为κ；P为轨道面的数目，P个轨道平面按照升交点均匀分布在参考平面上，每个轨道面上均匀分布有S颗卫星，且满足关系T＝PS；F为星座的相位参数，描述了相邻轨道面之间的相位差和星座上卫星的相对位置。随着激光通信、相控阵天线等技术的成熟，卫星之间建立可靠的通信链路已经在工程上可实现。尽管Walker星座能够利用尽可能少的卫星实现高效的全球无缝覆盖，但是一个最优覆盖的Walker星座其空间段的信息承载能力并不一定是最优的，因为Walker星座设计者的初衷并未考虑表征星座的空间拓扑结构。仅从Walker星座的对地覆盖角度出发，难以设计一个覆盖性能和空间承载能力都最优的卫星网络。Walker星座的空间拓扑表征影响了空间段的平均路径跳数、端到端时延和网络容量等关键性能指标。关于卫星网络的拓扑表征大致可分为两类，其中一类工作基于时间扩展图动态表征了卫星网络的拓扑变化，但是随着Walker星座节点数的增加，拓扑变化迅速，网络切片数增加，基于拓扑的路由算法复杂度激增，不利于快速求解。另一类工作基于是利用Walker星座的对称性，只考虑永久存在的星间链路，将Walker星座表征为一张静态拓扑。静态拓扑中“一星四链”的建链模式应用广泛，例如Iridium星座每颗卫星与同轨两颗相邻的卫星以及东西相邻轨道上各自的一颗卫星建链。但是目前基于Walker星座的静态拓扑构建只是对连接方式的简单描述，并未系统的给出一个影响拓扑构型的关键参数来描述Walker星座的星间网络连接关系的拓扑结构。通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：(1)现有基于T/P/F的Walker星座只能描述覆盖能力，无法描述星座的星间网络拓扑结构。(2)现在技术表征Walker星座拓扑的方法复杂度高，不利于路由算法快速求解。解决以上问题及缺陷的难度为：(1)Walker星座的卫星数目、轨道数目等网络参数是可变化的，因此星座拓扑构型的表征应当随着星座规模动态变化。(2)Walker星座的卫星节点数量庞大，满足建链约束的异轨链路存在多种选择，导致拓扑结构复杂多变，难以统一概括。解决以上问题及缺陷的意义为：根据T/P/F等Walker星座的网络参数和建链约束，提出扭曲系数U将Walker星座复杂的星间拓扑构型进行分类，每一类拓扑构型都有各自特殊的性质，有利于后续对Walker星座拓扑构型的研究和应用开发；解决了大规模Walker星座的拓扑设计问题，有助于帮助描述相同覆盖能力Walker星座的空间段承载能力上的区别，提升了卫星网络设计易操作性和准确性。
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星座的星座拓扑构型表征方法、系统及应用。本专利技术是这样实现的，一种面向Walker星座的星座拓扑构型表征方法，所述方法包括：初始化Walker星座的网络参数，并根据位置对所有卫星进行编号；根据Walker星座参数和建链约束，计算扭曲系数U的取值集合；从取值集合中选择扭曲系数U，设计对应的Walker星座的拓扑构型邻接矩阵；用T/P/F/U表征由T/P/F的Walker星座依据扭曲系数U形成的星座拓扑构型。进一步，所述面向Walker星座的星座拓扑构型表征方法的具体步骤包括：(1)初始化输入的Walker星座网络参数：输入为高度为h，轨道倾角为κ的T/P/FWalker星座，其中卫星总数为T、轨道数为P、相位因子为F、每轨道卫星数并且对网络中所有的卫星进行编号，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，假设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Walker星座参数和建链约束，计算扭曲系数的取值集合υ；(2a)初始化T/P/FWalker星座的异轨可建链集合SC1和SC2：在2轨道上寻找能同1轨道卫星S101满足永久建链条件的卫星，并将其卫星编号计入集合SC1，在1轨道上寻找能同P轨道卫星SP01满足永久建链条件的卫星，并将其卫星编号计入集合SC2；(2b)对于根据下面的等式计算扭曲系数U的取值集合υ：υ＝{U|U＝((P-1)(m-1)+n-1)modS,m∈SC1,n∈SC2}；(3)从取值集合υ中选择扭曲系数U，设计对应Walker星座拓扑构型的邻接矩阵H；(3a)用一个由0和1组成的T×T邻接矩阵H表示T/P/FWalker星座的星间网络连接关系，其中1代表两颗卫星之间建立单向的星间链路，0代表两颗卫星之间没有连接；(3b)初始化邻接矩阵H为全0矩阵；(3c)任意选择一种满足条件的m和n的取值方案使得U＝((P-1)(m-1)+n-1)modS,m∈SC1,n∈SC2,U∈υ，执行以下操作；(3c1)在拓扑构型邻接矩阵H中建立异轨链路映射关系，对H执行以下操作；(3c1a)对于将卫星Sij所对应的行与卫星S(i+1)((j+m-2)modS+1)所对应的列的元素值改为1；(3c1b)对于将卫星Sij所对应的行与卫星S1((j+n-2)modS+1)所对应的列的元素值改为1；(3c1c)对拓扑构型邻接矩阵H进行以下矩阵运算，完成双向异轨链路的映射关系；H＝H+H'；(3c2)在拓扑构型邻接矩阵H中建立同轨链路映射关系，对H执行以下操作；(3c2a)对于将卫星Sij所对应的行与卫星Si(jmodS+1)所对应的列的元素值改为1；(3c2b)对于将卫星Sij所对应的行与卫星Si((j-2)modS+1)所对应的列的元素值改为1；(4)用T/P/F/U表征由T/P/F的Walker星座依据扭曲系数U形成的星座拓扑构型：以T/P/F/U表示Walker星座的拓扑构型，对于U的某些特殊取值所形成的拓扑构型，存在如下命名规则：当U＝0，T/P/F/0的星座拓扑构型为2D-Torus结构；当U与S互质时，T/P/F/U的星座拓扑构型为Hamilton结构，即在星座不存在同轨链路，只存在异轨链路的情况下，星间网络依旧是连通的。进一步，所述面向Walker星座的星座拓扑构型表征方法中对网络中所有的卫星进行编号，实现如下：(a)根据Walker星座T/P/F参数，计算每颗卫星的升交点赤经和升交点角距；(b)相同的升交点赤经卫星为划分为同一轨道，升交点赤经相近的轨道为相邻轨道；(c)选定1轨道和1轨道上的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向Walker星座的星座拓扑构型表征方法，其特征在于，所述方法包括：/n初始化Walker星座的网络参数，并根据位置对所有卫星进行编号；/n根据Walker星座参数和建链约束，计算扭曲系数U的取值集合；/n从取值集合中选择扭曲系数U，设计对应Walker星座拓扑构型的邻接矩阵；/n用T/P/F/U表征由T/P/F的Walker星座依据扭曲系数U形成的星座拓扑构型。/n

【技术特征摘要】
1.一种面向Walker星座的星座拓扑构型表征方法，其特征在于，所述方法包括：
初始化Walker星座的网络参数，并根据位置对所有卫星进行编号；
根据Walker星座参数和建链约束，计算扭曲系数U的取值集合；
从取值集合中选择扭曲系数U，设计对应Walker星座拓扑构型的邻接矩阵；
用T/P/F/U表征由T/P/F的Walker星座依据扭曲系数U形成的星座拓扑构型。


2.如权利要求1所述的面向Walker星座的星座拓扑构型表征方法，其特征在于，所述方法的具体步骤包括：
(1)初始化输入的Walker星座网络参数：输入为高度为h，轨道倾角为κ的T/P/FWalker星座，其中卫星总数为T、轨道数为P、相位因子为F、每轨道卫星数并且对网络中所有的卫星进行编号，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，假设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Walker星座参数和建链约束，计算扭曲系数的取值集合υ；
(2a)初始化T/P/FWalker星座的异轨可建链集合SC1和SC2：在2轨道上寻找能同1轨道卫星S101满足永久建链条件的卫星，并将其卫星编号计入集合SC1，在1轨道上寻找能同P轨道卫星SP01满足永久建链条件的卫星，并将其卫星编号计入集合SC2；
(2b)对于根据下面的等式计算扭曲系数U的取值集合υ：
υ＝{U|U＝((P-1)(m-1)+n-1)modS,m∈SC1,n∈SC2}；
(3)从取值集合υ中选择扭曲系数U，设计对应Walker星座拓扑构型的邻接矩阵H；
(3a)用一个由0和1组成的T×T邻接矩阵H表示T/P/FWalker星座的星间网络连接关系，其中1代表两颗卫星之间建立单向的星间链路，0代表两颗卫星之间没有连接；
(3b)初始化邻接矩阵H为全0矩阵；
(3c)任意选择一种满足条件的m和n的取值方案使得U＝((P-1)(m-1)+n-1)modS,m∈SC1,n∈SC2,U∈υ，执行以下操作；
(3c1)在拓扑构型邻接矩阵H中建立异轨链路映射关系，对H执行以下操作；
(3c1a)对于将卫星Sij所对应的行与卫星S(i+1)((j+m-2)modS+1)所对应的列的元素值改为1；
(3c1b)对于将卫星Sij所对应的行与卫星S1((j+n-2)modS+1)所对应的列的元素值改为1；
(3c1c)对拓扑构型邻接矩阵H进行以下矩阵运算，完成双向异轨链路的映射关系；
H＝H+H'；
(3c2)在拓扑构型邻接矩阵H中建立同轨链路映射关系，对H执行以下操作；
(3c2a)对于将卫星Sij所对应的行与卫星Si(jmodS+1)所对应的列的元素值改为1；
(3c2b)对于将卫星Sij所对应的行与卫星Si((j-2)modS+1)所对应的列的元素值改为1；
(4)用T/P/F/U表征由T/P/F的Walker星座依据扭曲系数U形成的星座拓扑构型：
以T/P/F/U表示Walker星座的拓扑构型，对于U的某些特殊取值所形成的拓扑构型，存在如下命名规则：
当U＝0，T/P/F/0的星座拓扑构型为2D-Torus结构；
当U与S互质时，T/P/F/U的星座拓扑构型为Hamilton结构，即在星座不存在同轨链路，只存在异轨链路的情况...

【专利技术属性】
技术研发人员：盛敏，王占伟，周笛，李建东，白卫岗，刘俊宇，毕媛媛，吴家鑫，
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