一种基于矩形卫星覆盖的大规模卫星网络构建方法技术

本发明专利技术公开了一种基于矩形卫星覆盖的大规模卫星网络构建方法，包括：构建低轨和高/中轨卫星网络环境；定义最优控制器布设；构造高/中轨卫星对低轨卫星的矩形覆盖模型；构建矩形控制域形状时的最优控制器布设单元和最优低轨卫星网络拓扑单元；定义并构建八边形控制域形状间的基本位置关系、高/中轨卫星控制器间的基本距离关系，分别构建J＞1且I＝0且n＝2、J＞1且I＝1且n≥2时的最优控制器布设单元和最优低轨卫星网络拓扑单元；几何扩展最优低轨卫星网络拓扑单元；计算高/中轨卫星的轨道高度和覆盖角度。本发明专利技术降低了问题建模及求解复杂度，从而有效、快速地应用于实际的大规模卫星网络布设构建。

【技术实现步骤摘要】
一种基于矩形卫星覆盖的大规模卫星网络构建方法
本专利技术属于卫星通信
，具体涉及一种基于矩形卫星覆盖的大规模卫星网络构建方法。
技术介绍
卫星网络被认为是未来空间互联网和6G星地融合网络必不可缺的组成部分。为了保障卫星网络的服务能力，新兴的卫星网络逐渐趋于规模化和密集化，且单星能力不断提升，最终将会形成包含上万个卫星平台的大规模卫星网络。然而，卫星网络规模的不断增长和无法全球布设地面关口站的事实给大规模卫星网络的网络构型设计和网络管控带来了新的挑战，如局部网络拥塞和高管控时延，因此，新的卫星网络管控架构亟待探索。最近，高/中轨卫星携带控制器载荷逐渐成为了一种新的卫星网络管控架构选择，这种架构受益于高/中轨卫星可实现对全球及低轨卫星的无缝覆盖且控制器布设不受地理区域限制的优势，通过高/中轨卫星搭载的控制器对低轨卫星实施网络管控。在该架构中，高效的控制器布设策略在网络构型(网络规模和网络结构)设计和性能(时延和开销)提升方面都将起到十分重要的作用。考虑到高/中轨卫星与低轨卫星间的连接与高/中轨卫星的覆盖有直接关系，且由多波束组合而形成的矩形卫星覆盖已被广泛应用于卫星通信系统中，因此，如何基于矩形卫星覆盖的特性设计一种最优的控制器布设策略，并在最优的控制器布设方案下构建大规模卫星网络以实现低成本、高效率的网络管控是现阶段大规模卫星网络中亟待解决的问题。现有的卫星网络控制器布设研究主要面向低轨卫星网络和星地融合网络场景，采用图优化的方法对单一或多维优化目标，如时延、经济成本、可靠性等进行优化建模，建模出的优化问题通常为多项式复杂程度的非确定性问题，该问题的求解方法一般有两种：一种是改写优化模型使其适用于求解器求解；另一种是提出相应的启发式算法求解问题的近似最优解。现有的卫星网络构型研究主要关注于探索网络构型、网络容量和业务分布及需求之间的关系。一些研究通过分析建立卫星网络构型与网络容量之间的关系，指导卫星网络的网络构型设计；还有一些研究不仅仅关注于卫星网络自身所能提供的容量，还结合实际的全球移动业务分布及容量需求，研究与业务需求容量匹配的最优卫星网络构型。然而，上述研究既没有考虑由高/中轨卫星搭载控制器载荷管控低轨卫星的管控架构，也没有考虑大规模卫星网络的应用场景。在最优控制器布设方面，上述研究没有考虑实际的高/中轨卫星覆盖对最优控制器布设的影响，而且现有最优控制器布设方法的求解复杂度较高，并且往往会随着网络规模的增大而增大，此外这类方法通常也没有闭式解，一旦网络参数改变，则需要重新迭代计算，现有研究很难有效、快速地应用于实际的大规模卫星网络构型和控制器布设设计。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种基于矩形卫星覆盖的大规模卫星网络构建方法。本专利技术的一个实施例提供了一种基于矩形卫星覆盖的大规模卫星网络构建方法，该基于矩形卫星覆盖的大规模卫星网络构建方法包括：步骤1、构建低轨和高/中轨卫星网络环境，包括若干低轨卫星、若干高/中轨卫星，每一高/中轨卫星搭载一控制器，根据若干低轨卫星建立低轨卫星网络拓扑构型，其中，每一高/中轨卫星搭载的控制器的可控跳数为J；步骤2、定义最优控制器布设满足最优控制器布设条件，最优控制器布设条件为使用最少的控制器实现对所有低轨卫星的非重复控制，且每个控制器控制的低轨卫星数量相同；步骤3、构造高/中轨卫星对低轨卫星的矩形覆盖模型，包括一跳覆盖形状和控制域形状，其中，若一跳覆盖形状为矩形时，J＝1则控制域形状为矩形，J＞1则控制域形状为八边形，若一跳覆盖形状为八边形时，转化一跳覆盖形状为矩形的情况处理；步骤4、定义最优控制器布设单元为满足最优控制器布设的最小高/中轨卫星控制器布设构型，并定义最优低轨卫星网络拓扑单元为满足最优控制器布设对应的低轨卫星网络拓扑构型，若J＝1，则执行步骤5，若J＞1，则执行步骤6；步骤5、构建矩形控制域形状时的最优控制器布设单元和最优低轨卫星网络拓扑单元，执行步骤9；步骤6、根据若干高/中轨卫星控制器在环面网格图上的垂直投影点确定若干八边形控制域形状，定义并构建八边形控制域形状间的基本位置关系、高/中轨卫星控制器间的基本距离关系；步骤7、构建J＞1、I＝0且n＝2时的最优控制器布设单元和最优低轨卫星网络拓扑单元，I定义为满足最优控制器布设条件的第I种基本位置关系，I＝0,1，n为矩形一跳覆盖形状时横向维度包含的最大低轨卫星数量，执行步骤9；步骤8、构建J＞1、I＝1且n≥2时的基本最优控制器布设单元和最优低轨卫星网络拓扑单元；步骤9、几何扩展最优低轨卫星网络拓扑单元，构成一个规模更大的低轨卫星网络，最优控制器布设单元也随之相应扩展得到新的控制器布设单元，且新的控制器布设单元仍然满足最优；步骤13、根据卫星网络规模和结构需求以及高/中轨卫星的一跳覆盖形状计算高/中轨卫星的轨道高度和覆盖角度得到所有可行的轨道高度和卫星覆盖角度组合，剔除高/中轨卫星轨道高度和覆盖角度超出预设范围的数值，以完成基于椭圆形卫星覆盖的大规模卫星网络的构建。在本专利技术的一个实施例中，步骤1包括：步骤1a、设低轨卫星集合为Sleo，建立环面网格图近似表征低轨卫星网络拓扑构型，其中环面网格图的纵向维数为低轨卫星网络的轨道数，环面网格图的横向维数为低轨卫星网络每条轨道上的低轨卫星数；步骤1b、设高/中轨卫星数量为Q，每一颗高/中轨卫星搭载一控制器，任意一控制器q＝1,...,Q管控J跳范围内的V＝|Cq|颗低轨卫星，其中，Cq是被控制器q管控的低轨卫星所构成的集合。在本专利技术的一个实施例中，步骤3包括：步骤3a、定义高/中轨卫星一跳可达的低轨卫星在环面网格图上形成的形状为一跳覆盖形状，定义高/中轨卫星J跳可达的低轨卫星在环面网格图上形成的形状为控制域形状；步骤3b、一跳覆盖形状为矩形或八边形，若一跳覆盖形状为矩形，则执行步骤3c，若一跳覆盖形状为八边形，则执行步骤3e；步骤3c、设一跳覆盖形状为n×m的矩形，其中n≥2为矩形一跳覆盖形状横向维度包含的最大低轨卫星数量，m≥2为矩形一跳覆盖形状纵向维度包含的最大低轨卫星数量；步骤3d、若J＝1，则控制域形状为矩形，若J＞1，则控制域形状为八边形，矩形或八边形控制域形状内包含的低轨卫星数量为：V1(n,J)＝nm+2(J-1)(n+m+J-2)，则执行步骤4；步骤3e、设一跳覆盖形状为n'×m'的八边形，且八边形一跳覆盖形状满足n-ne＝m-me，其中n'和m'分别为八边形一跳覆盖形状横向和纵向维度包含的最大低轨卫星数量，ne和me分别为八边形一跳覆盖形状顶边和侧边包含的低轨卫星数量；步骤3f、八边形一跳覆盖形成的控制域形状为八边形，八边形控制域形状内包含的低轨卫星数量为：步骤3g、若一跳覆盖形状为八边形，则转换八边形一跳覆盖形状为矩形一跳覆盖形状的情况，即n＝ne，m＝me，则执行步骤3a～3d。在本专利技术的一个实施例中，步骤5包括：当J＝1时，最优本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于矩形卫星覆盖的大规模卫星网络构建方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1、构建低轨和高/中轨卫星网络环境，包括若干低轨卫星、若干高/中轨卫星，每一高/中轨卫星搭载一控制器，根据若干低轨卫星建立低轨卫星网络拓扑构型，其中，每一高/中轨卫星搭载的控制器的可控跳数为J；/n步骤2、定义最优控制器布设满足最优控制器布设条件，最优控制器布设条件为使用最少的控制器实现对所有低轨卫星的非重复控制，且每个控制器控制的低轨卫星数量相同；/n步骤3、构造高/中轨卫星对低轨卫星的矩形覆盖模型，包括一跳覆盖形状和控制域形状，其中，若一跳覆盖形状为矩形时，J＝1则控制域形状为矩形，J＞1则控制域形状为八边形，若一跳覆盖形状为八边形时，转化一跳覆盖形状为矩形的情况处理；/n步骤4、定义最优控制器布设单元为满足最优控制器布设的最小高/中轨卫星控制器布设构型，并定义最优低轨卫星网络拓扑单元为满足最优控制器布设对应的低轨卫星网络拓扑构型，若J＝1，则执行步骤5，若J＞1，则执行步骤6；/n步骤5、构建矩形控制域形状时的最优控制器布设单元和最优低轨卫星网络拓扑单元，执行步骤9；/n步骤6、根据若干高/中轨卫星控制器在环面网格图上的垂直投影点确定若干八边形控制域形状，定义并构建八边形控制域形状间的基本位置关系、高/中轨卫星控制器间的基本距离关系；/n步骤7、构建J＞1、I＝0且n＝2时的最优控制器布设单元和最优低轨卫星网络拓扑单元，I定义为满足最优控制器布设条件的第I种基本位置关系，I＝0,1，n为矩形一跳覆盖形状时横向维度包含的最大低轨卫星数量，执行步骤9；/n步骤8、构建J＞1、I＝1且n≥2时的基本最优控制器布设单元和最优低轨卫星网络拓扑单元；/n步骤9、几何扩展最优低轨卫星网络拓扑单元，构成一个规模更大的低轨卫星网络，最优控制器布设单元也随之相应扩展得到新的控制器布设单元，且新的控制器布设单元仍然满足最优；/n步骤10、根据卫星网络规模和结构需求以及高/中轨卫星的一跳覆盖形状计算高/中轨卫星的轨道高度和覆盖角度得到所有可行的轨道高度和卫星覆盖角度组合，剔除高/中轨卫星轨道高度和覆盖角度超出预设范围的数值，以完成基于矩形卫星覆盖的大规模卫星网络的构建。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于矩形卫星覆盖的大规模卫星网络构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、构建低轨和高/中轨卫星网络环境，包括若干低轨卫星、若干高/中轨卫星，每一高/中轨卫星搭载一控制器，根据若干低轨卫星建立低轨卫星网络拓扑构型，其中，每一高/中轨卫星搭载的控制器的可控跳数为J；
步骤2、定义最优控制器布设满足最优控制器布设条件，最优控制器布设条件为使用最少的控制器实现对所有低轨卫星的非重复控制，且每个控制器控制的低轨卫星数量相同；
步骤3、构造高/中轨卫星对低轨卫星的矩形覆盖模型，包括一跳覆盖形状和控制域形状，其中，若一跳覆盖形状为矩形时，J＝1则控制域形状为矩形，J＞1则控制域形状为八边形，若一跳覆盖形状为八边形时，转化一跳覆盖形状为矩形的情况处理；
步骤4、定义最优控制器布设单元为满足最优控制器布设的最小高/中轨卫星控制器布设构型，并定义最优低轨卫星网络拓扑单元为满足最优控制器布设对应的低轨卫星网络拓扑构型，若J＝1，则执行步骤5，若J＞1，则执行步骤6；
步骤5、构建矩形控制域形状时的最优控制器布设单元和最优低轨卫星网络拓扑单元，执行步骤9；
步骤6、根据若干高/中轨卫星控制器在环面网格图上的垂直投影点确定若干八边形控制域形状，定义并构建八边形控制域形状间的基本位置关系、高/中轨卫星控制器间的基本距离关系；
步骤7、构建J＞1、I＝0且n＝2时的最优控制器布设单元和最优低轨卫星网络拓扑单元，I定义为满足最优控制器布设条件的第I种基本位置关系，I＝0,1，n为矩形一跳覆盖形状时横向维度包含的最大低轨卫星数量，执行步骤9；
步骤8、构建J＞1、I＝1且n≥2时的基本最优控制器布设单元和最优低轨卫星网络拓扑单元；
步骤9、几何扩展最优低轨卫星网络拓扑单元，构成一个规模更大的低轨卫星网络，最优控制器布设单元也随之相应扩展得到新的控制器布设单元，且新的控制器布设单元仍然满足最优；
步骤10、根据卫星网络规模和结构需求以及高/中轨卫星的一跳覆盖形状计算高/中轨卫星的轨道高度和覆盖角度得到所有可行的轨道高度和卫星覆盖角度组合，剔除高/中轨卫星轨道高度和覆盖角度超出预设范围的数值，以完成基于矩形卫星覆盖的大规模卫星网络的构建。


2.根据权利要求1所述的基于矩形卫星覆盖的大规模卫星网络构建方法，其特征在于，步骤1包括：
步骤1a、设低轨卫星集合为Sleo，建立环面网格图近似表征低轨卫星网络拓扑构型，其中环面网格图的纵向维数为低轨卫星网络的轨道数，环面网格图的横向维数为低轨卫星网络每条轨道上的低轨卫星数；
步骤1b、设高/中轨卫星数量为Q，每一颗高/中轨卫星搭载一控制器，任意一控制器q＝1,...,Q管控J跳范围内的V＝|Cq|颗低轨卫星，其中，Cq是被控制器q管控的低轨卫星所构成的集合。


3.根据权利要求1所述的基于矩形卫星覆盖的大规模卫星网络构建方法，其特征在于，步骤3包括：
步骤3a、定义高/中轨卫星一跳可达的低轨卫星在环面网格图上形成的形状为一跳覆盖形状，定义高/中轨卫星J跳可达的低轨卫星在环面网格图上形成的形状为控制域形状；
步骤3b、一跳覆盖形状为矩形或八边形，若一跳覆盖形状为矩形，则执行步骤3c，若一跳覆盖形状为八边形，则执行步骤3e；
步骤3c、设一跳覆盖形状为n×m的矩形，其中，n≥2为矩形一跳覆盖形状横向维度包含的最大低轨卫星数量，m≥2为矩形一跳覆盖形状纵向维度包含的最大低轨卫星数量；
步骤3d、若J＝1，则控制域形状为矩形，若J＞1，则控制域形状为八边形，矩形或八边形控制域形状内包含的低轨卫星数量为：V1(n,J)＝nm+2(J-1)(n+m+J-2)，则执行步骤4；
步骤3e、设一跳覆盖形状为n'×m'的八边形，且八边形一跳覆盖形状满足n-ne＝m-me，其中n'和m'分别为八边形一跳覆盖形状横向和纵向维度包含的最大低轨卫星数量，ne和me分别为八边形一跳...

【专利技术属性】
技术研发人员：周笛，姬思敬，盛敏，李建东，白卫岗，史琰，
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