一种空间分布式星群设计方法技术

本发明专利技术属于卫星通信领域，公开了一种空间分布式星群设计方法，包括以下步骤：制定星群共轨方案；设计拓扑构型；制定功能载荷及分工策略；制定在轨构型重构和功能重构方法；设计星群灵活组网方法；设计星间高速数据传输方法；设计多星分布式合成覆盖方法；设计多星分布式联合计算方法；设计星群智能自愈方法；设计快速应急调整方法；设计星群规模拓展和星群簇构建方法。本方法具有通过多星共轨组合提升轨位利用效率、通过高速互联传输增强星群能力、通过在轨自愈重构实现快速响应、通过分布式阵列天线增大覆盖范围、通过分布式联合计算提高星上处理能力等优点，特别适用于空间分布式星群的设计。

【技术实现步骤摘要】
一种空间分布式星群设计方法
本专利技术属于卫星移动通信领域，尤其涉及一种卫星通信星群设计方法。
技术介绍
构建天空地一体的空间信息网络是我国空间信息系统的必然发展趋势，天基信息网络作为空间信息网络的基础传输平台，需要向上支持深空探测的超远程、大时延、不间断可靠传输，向下支持对地观测的高动态、宽带实时传输，同时可保障远洋航行、航空接入、应急救援等重要价值用户通信，因此需要确保高性能、高可靠的空间信息支持能力。当前天基信息网络面临空间同步轨道的轨位和频谱资源匮乏，单星研制周期长、技术复杂度高、能力受限等问题，严重影响了我国空间信息网络的创新发展。因此，如何克服上述频轨资源紧缺、单星能力受限的问题，实现资源利用率和星上处理能力最大化，成为了开展空间信息网络建设亟待解决的迫切问题之一。空间分布式星群在同一空间轨道位置上，布设多颗异构任务卫星，通过星间高速大容量数据交互，实现分布式载荷联合协作的功能。空间分布式星群一方面能够充分利用空间轨位资源，在单一轨位上实现多颗卫星的布设；另一方面通过分布式载荷方式进行星上业务处理，将功能需求分担到各个星群成员卫星上，降低了对单颗卫星能力的要求。此外，由于采用分布式设计，星群能够实现灵活重构和在轨即插即用功能，提高了星群的灵活性和鲁棒性。当前，针对分布式星群的研究主要围绕星群网络路由方法和接入策略展开。在路由方法方面，考虑到分布式星群成员卫星在轨运行过程中可能出现的相对位置变化、星群构型发生变化等情况，基于联系图、流量均衡、链路权重优化等方法对路由算法进行了设计；接入策略方面，针对新业务申请接入过程中存在的资源分配等问题，基于层次分析、资源平衡和能量效能优化等方法对接入策略进行了设计。中国专利CN108880656中提出了一种分布式星群系统和信息系统，该专利对分布式星群系统构型、通信载荷设置进行了设计，增加了功能的多样化并提升了系统性能。中国专利CN105282038中提出了一种用于移动卫星网络中基于稳定性分析的分布式星群组网优化方法，该方法利用分步骤优化的方式，首先构建初始网络，随后将优先链路接入网络，最后通过循环控制机制使分布式网络达到稳定性阂值。
技术实现思路
本专利技术针对空间频轨资源紧张和同步轨道大卫星平台研制周期长、复杂度高等问题，提出一种空间分布式星群设计方法，具有轨位利用率高、星群处理能力强、可在轨自愈重构、天线覆盖范围大等特点。本专利技术公开了一种空间分布式星群设计方法，包括以下步骤：S1，制定星群共轨方案；S2，设计拓扑构型；S3，根据任务需求，制定功能载荷搭载策略及分工策略；S4，设计在轨构型重构方法和功能重构方法；S5，对星群内卫星进行灵活组网；S6，确定星间高速数据传输方法；S7，设计星群智能自愈方法；S8，设计多星分布式合成覆盖方法。所述的步骤S1，其具体步骤包括：分布式星群卫星采用平经度隔离、偏心率隔离、倾角偏心率联合隔离策略进行共轨位方案设计，整个星群在同步轨道上占位小于1°，群内各星间距离保持在1～5km范围内；所述的平经度隔离策略，是将群内卫星在1°的轨位范围内按照经度的方向等分为若干个固定区域，每个固定区域是单个卫星的漂移范围，星群中每个个体的运行轨道范围没有重叠，运行过程中根据每个卫星的自身情况来设计对应的控制保持策略，控制保持策略应使卫星始终处于固定区域内；所述的偏心率隔离策略，是利用偏心率矢量差来实现星群内卫星的共位隔离，共位卫星位置的切向距离在径向距离为零时达到最大值，径向距离会在切向距离为零时达到最大值，共位卫星在轨道运行平面上保持一定的距离；所述的倾角偏心率联合隔离策略，是通过让卫星运行在不同的轨道平面来进行隔离，利用偏心率矢量差保证共位卫星在径向以及经度上隔离，利用倾角矢量差保证卫星在不同的轨道平面上有法向隔离，实现群内卫星的共位隔离且避免发生碰撞。所述的步骤S2，其具体步骤包括：根据共轨方案构建分布式星群卫星位置的时变图，根据位置时变特点采用线型、环型、星型或网状方式进行拓扑构型设计。根据共轨方案，确定分布式星群各群内卫星的轨道六根数，进而计算获得卫星在不同时刻的轨道位置及运动参数；根据卫星位置坐标，判断不同时刻各卫星之间的可见性关系，即星群内潜在星间链路的时变图；由于采用不同共轨隔离策略的星群，其群内卫星的时变图存在一定差异，根据卫星潜在链路的连接关系，选择线型、环型、星型或网状等不同的拓扑结构，进行群内卫星网络的拓扑构型设计。对于采用平经度隔离策略的星群，各节点呈线型均匀分布于轨位范围内，其时变图相对稳定，且各节点仅与其前后两个节点可见，因此采用线型拓扑进行构型；采用偏心率或倾角偏心率联合隔离策略的星群，采用星型或网状拓扑进行构型，以满足群内网络的连通性和稳定性要求。所述的步骤S3，其具体步骤包括：星群内单颗卫星按需搭载相同或不同的功能载荷，通过与其他卫星灵活组合，共同完成任务；星群的任务保障、信息传输、资源管理、协同控制等由多颗任务卫星分散承担，星群卫星根据当前所执行任务的需求搭载相应功能载荷，各功能载荷分工协作，共同完成当前任务；任务需求通过所需功能载荷的数量进行量化描述，任务需求表示为其中为所需功能载荷类型集合，为所需功能载荷数量集合；星群各卫星的功能载荷信息表示为(Sat,Payload,Num)，其中，Sat为星群内卫星集合，Payload为各卫星所搭载功能载荷类型集合，Num为各类可用功能载荷的数量集合；星群卫星节点在功能分工过程中，在满足任务需求的前提下，为实现各卫星的负载均衡，即各卫星的功耗尽量保持均衡，建立优化问题如下：其中，g为全部卫星功耗的方差，即优化目标，Nsat为所有卫星数量，为第i颗卫星的现有功耗，Npl为功能载荷类型数，为第j类功能载荷的功耗，为当前任务分工中第i颗卫星第j类载荷的数量，为当前任务对于第j类功能载荷的数量需求，Num,j为当前可用的第j类功能载荷的数量，为第i颗卫星的第j类功能载荷的可用数量，通过求解上述优化问题，即得到星群节点的功能载荷搭载策略及分工策略。所述的步骤S4，其具体步骤包括：对于在轨构型重构方法，采用构型摄动最小原则，在星群的构型尺寸、拓扑结构、星群规模发生按需或突发变化时，通过调节原有构型，迅速实现星群构型重构；星群构型调整前，各卫星之间的连接关系可表示为网络连接矩阵：其中Lij表示第i颗卫星和第j颗卫星之间的连接关系，若两者之间存在通信链路记为1，反之记为0；星群在轨重构后，根据构型摄动最小原则，得到重构后的新连接矩阵Φ′，Φ′的求解过程表示为：其约束条件是保证群内网络连通性，其中Li′j表示重构后的新连接矩阵Φ′中，第i颗卫星和第j颗卫星之间的连接关系。对于在轨功能重构方法，采用载荷任务调整最小和组合功能最优原则，星群的覆盖特性、任务功能由分布在多颗任务卫星的载荷按照需要灵活组合共同提供，各任务卫星上的载荷可在轨实现面向任务的功能重本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种空间分布式星群设计方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1，制定星群共轨方案；/nS2，设计拓扑构型；/nS3，根据任务需求，制定功能载荷搭载策略及分工策略；/nS4，设计在轨构型重构方法和功能重构方法；/nS5，对星群内卫星进行灵活组网；/nS6，确定星间高速数据传输方法；/nS7，设计星群智能自愈方法；/nS8，设计多星分布式合成覆盖方法。/n

【技术特征摘要】
1.一种空间分布式星群设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，制定星群共轨方案；
S2，设计拓扑构型；
S3，根据任务需求，制定功能载荷搭载策略及分工策略；
S4，设计在轨构型重构方法和功能重构方法；
S5，对星群内卫星进行灵活组网；
S6，确定星间高速数据传输方法；
S7，设计星群智能自愈方法；
S8，设计多星分布式合成覆盖方法。


2.一种如权利要求1所述的空间分布式星群设计方法，其特征在于，所述的步骤S1，其具体步骤包括：
分布式星群卫星采用平经度隔离、偏心率隔离、倾角偏心率联合隔离策略进行共轨位方案设计，整个星群在同步轨道上占位小于1°，群内各星间距离保持在1～5km范围内；
所述的平经度隔离策略，是将群内卫星在1°的轨位范围内按照经度的方向等分为若干个固定区域，每个固定区域是单个卫星的漂移范围，星群中每个个体的运行轨道范围没有重叠，运行过程中根据每个卫星的自身情况来设计对应的控制保持策略，控制保持策略应使卫星始终处于固定区域内；
所述的偏心率隔离策略，是利用偏心率矢量差来实现星群内卫星的共位隔离，共位卫星位置的切向距离在径向距离为零时达到最大值，径向距离会在切向距离为零时达到最大值，共位卫星在轨道运行平面上保持一定的距离；
所述的倾角偏心率联合隔离策略，是通过让卫星运行在不同的轨道平面来进行隔离，利用偏心率矢量差保证共位卫星在径向以及经度上隔离，利用倾角矢量差保证卫星在不同的轨道平面上有法向隔离，实现群内卫星的共位隔离且避免发生碰撞。


3.一种如权利要求1所述的空间分布式星群设计方法，其特征在于，所述的步骤S2，其具体步骤包括：
根据共轨方案构建分布式星群卫星位置的时变图，根据位置时变特点采用线型、环型、星型或网状方式进行拓扑构型设计；
根据共轨方案，确定分布式星群各群内卫星的轨道六根数，进而计算获得卫星在不同时刻的轨道位置及运动参数；根据卫星位置坐标，判断不同时刻各卫星之间的可见性关系，即星群内潜在星间链路的时变图；由于采用不同共轨隔离策略的星群，其群内卫星的时变图存在一定差异，根据卫星潜在链路的连接关系，选择线型、环型、星型或网状拓扑结构，进行群内卫星网络的拓扑构型设计；
对于采用平经度隔离策略的星群，各节点呈线型均匀分布于轨位范围内，其时变图相对稳定，且各节点仅与其前后两个节点可见，因此采用线型拓扑进行构型；采用偏心率或倾角偏心率联合隔离策略的星群，采用星型或网状拓扑进行构型，以满足群内网络的连通性和稳定性要求。


4.一种如权利要求1所述的空间分布式星群设计方法，其特征在于，所述的步骤S3，其具体步骤包括：
星群内单颗卫星按需搭载相同或不同的功能载荷，通过与其他卫星灵活组合，共同完成任务；星群的任务保障、信息传输、资源管理、协同控制由多颗任务卫星分散承担，星群卫星根据当前所执行任务的需求搭载相应功能载荷，各功能载荷分工协作，共同完成当前任务；
任务需求通过所需功能载荷的数量进行量化描述，任务需求表示为其中为所需功能载荷类型集合，为所需功能载荷数量集合；星群各卫星的功能载荷信息表示为(Sat,Payload,Num)，其中，Sat为星群内卫星集合，Payload为各卫星所搭载功能载荷类型集合，Num为各类可用功能载荷的数量集合；
星群卫星节点在功能分工过程中，在满足任务需求的前提下，为实现各卫星的负载均衡，即各卫星的功耗尽量保持均衡，建立优化问题如下：



其中，g为全部卫星功耗的方差，即优化目标，Nsat为所有卫星数量，为第i颗卫星的现有功耗，Npl为功能载荷类型数，为第j类功...

【专利技术属性】
技术研发人员：何元智，
申请(专利权)人：军事科学院系统工程研究院网络信息研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11