巨型低轨互联网星座路由方法技术

本发明专利技术公开的一种巨型低轨互联网星座路由方法，资源占用少，计算效率高，易实现最短路径优化。本发明专利技术通过下述技术放上实现：基于地球空间网格编码，利用卫星的周期性变化对卫星网络进行时隙划分；根据节点选择规则确定空间路由规模，采用位运算方法对空间节点进行编码，利用四叉树体系，将编码列作为卫星轨迹网格编码索引大表关联的外键，选择空间网格划分块数一致的网格编码方式作为地面站的编码级别，利用星座路由节点生成算法，构建空间信息网格的路由优化模型；基于多目标优化路径选择算法，选择从源卫星节点到目的卫星节点的最优路径，结合路由算法中的链路信息，采用路由预测的算法和不同的优选序列对地面站路由选择实现最优路由的选择。实现最优路由的选择。实现最优路由的选择。

【技术实现步骤摘要】
巨型低轨互联网星座路由方法


[0001]本专利技术涉及低轨(LEO)卫星通信领域，基于信息网格的巨型低轨互联网星座路由形式化编码技术和时空节点管理技术，构建巨型低轨互联网星座路由方法，主要用于星座运维管控以及星地/星间路由计算领域。

技术介绍

[0002]随着移动用户数量激增,网络通信业务数据量成爆炸式的增长,如今的地面通信网已无法满足人们对于全球网络化、信息化日益增长的需求。由于卫星通信系统的快速发展,目前可用频带拥挤的情况将会变得越来越严重,存在相互干扰的概率变得越来越大。高轨卫星通信所面临的轨道资源限制和延时也难以通过技术途径改变。为了满足卫星通信系统星上数据就近落地需求，实现安全高效的数据传输，现有的卫星通信系统都具有分布在全球各地的地面信关站。各个方向通过地面信关站下行的非均匀数据流向地面信关站上方卫星簇不断汇聚，由此形成一个漏斗型拥塞区域。由于全球用户的非均匀分布及其活跃度随时区动态变化，卫星系统数据流地面信关站就近下行会引发空间段拥塞并加重馈线负担，这种拥塞模式是一种漏斗型的新型拥塞模式且极易引起雪崩式拥塞，进而影响空间段端到端通信的负载均衡。目前的负载均衡技术不能很好地缓解此类流量模型引起的空间段拥塞问题。其中负载均衡问题是路由算法研究的重要部分。
[0003]通信卫星星座主要包括有集中式路由、分布式路由等结构。考虑到研发成本低、覆盖范围广、重返周期短等优势，构建星间链路的低轨互联网卫星星座，成为近年来对地实时观测与通信的新方向。低轨宽带星座将卫星分布在众多轨道面上，完成组网，进而实现全球覆盖。因其位于LEO轨道，整个系统卫星数量众多，具备数据传输延时低、星座整体通信容量大、覆盖范围广的优势。低延时是低轨通信星座的天然优势，高速率则可由巨型星座的巨大的网络来共同提供。和中高轨卫星通信系统相比较,低轨(轨道高度200
‑
2000km)卫星通信系统具有低时延、低功耗、高覆盖性能等优点,被广泛运用在现代通信中。因此低轨卫星网络作为全球通信系统中地面网络的补充，逐渐成为人们日常生活中必不可少的部分。星座路由技术作为低轨卫星星座网络的核心技术之一，近年来,为进一步满足不断涌现的大容量、高效率和高服务质量的卫星通信业务传输需求,出现了诸多基于人工智能的QoS星座路由算法、多层卫星星座路由算法和低轨星座多径路由算法。在不同卫星轨道、甚至不同星座间进行计算时，算法复杂度高。卫星之间能够通信的最基本前提条件是卫星的通视。通视网格是原网格的固有属性，无论网格有没有数据，都会有对应的通视网格。影响卫星通视的主要因素有：几何通视、天线通视、距离影响。其中，几何通视是两颗卫星不被地球遮挡，天线可视是两颗卫星的天线角度范围处于彼此天线夹角范围内，距离影响是指卫星通信会受功率及其他因素影响，信号无法传输。通过获取“Visible”字段可知，一个网格可能会有非常多的几何通视网格。地面站不考虑存储代价的话，可以都存储，但卫星上的存储资源有限，当卫星数目、地面目标数目较多时，计算和存储的代价太大，不符合星上要求。由于卫星运动具有周期性，因此进行存储优化时，可以将某一个卫星的在不同时刻的所有通视网格存
入星上，根据周期的运行时间，来匹配几何通视网格。如考虑卫星轨道的摄动等影响，可以定期去后台计算并更新通视网格。低轨卫星星座由上百颗卫星组成，若在该系统中只采用时间分片的集中式+路由算法，星上存储、计算压力较大。同时，在发生紧急突发情况时，应急效率和可靠性较低。低轨互联网星座节点多，考虑节点链路路由选择的主要限制因素包括节点可视、载荷约束、地面站数据落地负载均衡以及链路预测状态等因素。节点可视的约束包括地面站与卫星节点的可视、卫星节点之间的可视，主要是地面站俯仰角、地面站遮蔽、大气层遮挡、地球遮挡等因素，载荷约束主要考虑卫星有效载荷对地覆盖的转角约束和覆盖范围。基于星间链路构建的传统的路由规划方法，在Starlink、OneWeb以及鸿雁、鸿云、PNTRC等大星座组网(至少包含数百颗、甚至有规划上千颗)应用场景中，传统的几何方法难以应对大规模、复杂网络环境下的应急任务的快速调度及其对星间可见性分析的快速、高精度要求，需要进一步结合低轨高时变卫星大星座的特点，发展更高效的通视计算、路由规划方法。
[0004]低轨互联网星座路由算法比较典型的有基于时间虚拟化和空间虚拟化的方法，空间虚拟化的方法主要将空间分片，将卫星和地面站按空间关系进行分割，通过时间分片构建稳定的路由拓扑关系，建立相对稳定的空间分片算法，对地覆盖的稳定时间分片进行管理，能够满足在一定空间内路由算法的稳定性。时间虚拟化认为在这段时间内节点链路固定，具有稳定的端到端链路。卫星路由算法一般分为中心路由算法(CRA，centralized routing algorithm)和分布式的路由算法(DRA，distributied routing algorithm)。中心式的路由算法通常由中心周期性的收集链路信息，计算和规划路由路径，并将路由计算结果发送给网络中的每一个节点。通过将时间切片，单位时间片内的路由信息可视为稳定的，通常通过Dijkstra算法计算路由。然而这种路由计算方法通常需要考虑星上的存储资源，当卫星节点失效后，算法需要大量的计算才能得到新的路由表，然后进行对每个节点的更新，效率明显较为低下，适应性也较差。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是针对巨型低轨互联网星座路由构建需求和大规模星座星地、星间路由选择以及空间节点管控的需求，提供一种具有资源占用少，算法简单，计算效率高，易实现最短路径优化，能够采用地面、空间高度以及时间分片等编码，采用存储代替计算、路由分片加载，实现星地、星间路由节点优化选择的方法。
[0006]本专利技术的上述目的通过以下措施来达到，一种低轨互联网星座路由方法，其特征在于包括如下步骤：基于地球空间网格编码，根据卫星轨道根数与卫星星座的设计，计算出给定时间段内的卫星轨迹集合<Gridsat，T>，以卫星为组织形式，在卫星轨迹数据表的基础上，基于地球空间网格编码，确定地面站几何可视编码范围及相应轨道高度的卫星编码，利用卫星的周期性变化对卫星网络进行时隙划分,将地球表面空间划分为非等积的独立网格空间和便于区分卫星轨道层级的多个不同分时间片区域，将目标区域规则化为经纬度表示的区域块；以卫星节点为运动目标，地面站为静止目标，基于时间分片描述维度，结合航天器轨道特征、地面站位置信息，建立包含空间节点ID、空间目标的网格信息编码、时间属性的编码大表；根据星座规模大小、不同的节点规模，空间节点目标网格可视图与载荷能力约束的节点选择规则，确定空间路由规模，基于空间节点运行特征趋势预测的空间节点路由
选择算法，采用北斗地球表面编码标准将地球表面空间编码，选择空间网格划分块数一致的网格编码方式，作为地面站的编码级别，通过卫星GPS模块获取位置信息，计算卫星的空间高度和位置，确定空间网格，确定上下层卫星的几何可见性，采用大表查询的方法从高度编码快速识别同层卫星，根据卫星轨道高度，构建以空间节点ID为索引的编码本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种巨型低轨互联网星座路由方法，其特征在于包括如下步骤：基于网格编码，根据卫星轨道根数与卫星星座的设计，计算出给定时间段内的卫星轨迹集合<Gridsat，T>，以卫星为组织形式，在卫星轨迹数据表的基础上，基于地球空间网格编码，确定地面站几何可视编码范围及相应轨道高度的卫星编码，利用卫星的周期性变化对卫星网络进行时隙划分,将地球表面空间划分为非等积的独立网格空间和便于区分卫星轨道层级的多个不同分时间片区域，每个网格划分区域分配一个虚拟节点，将目标区域规则化为经纬度表示的区域块；以卫星节点为运动目标，地面站为静止目标，基于时间分片描述维度，结合航天器轨道特征、地面站位置信息，建立包含空间节点ID、空间目标的网格信息编码、时间属性的编码大表；根据星座规模大小、不同的节点规模，空间节点目标网格可视能力与载荷能力约束的节点选择规则，确定空间路由规模，基于空间节点运行特征趋势预测的空间节点路由选择算法，将浮点计算转化为位运算，采用位运算方法对空间节点进行编码，将地球表面空间编码成北斗地球表面编码标准，以空间节点ID为索引的编码查询大表，利用网格编码的完美四叉树体系，将编码列作为卫星轨迹网格编码索引大表关联的外键，以网格编码作为数据主键，再与编码索引大表模型关联，选择空间网格划分块数一致的网格编码方式，作为地面站的编码级别，比较同层同轨面卫星，进行星间链路规划，按照航天器运行方向单位格点规模的路由节点，利用星座路由节点生成算法，构建空间信息网格的路由优化模型；通过卫星GPS模块获取位置信息，计算卫星的空间高度和位置，确定空间网格，确定上下层卫星的几何可见性，采用大表查询的方法从高度编码快速识别同层卫星，按卫星间隔距离、运动方向前向优选排序，基于优先队列的多目标优化路径选择算法，选择从源卫星节点到目的卫星节点的最优路径，结合路由算法中的链路信息，采用路由预测的算法和不同的优选序列对地面站路由选择实现最优路由的选择。2.如权利要求1所述的巨型低轨互联网星座路由方法，其特征在于：所述的空间节点目标网格可视是按照《GJB 8896
‑
2017北斗地球表面空间编码标准》进行地球表面空间二维编码，地球表面网格数以n2计数，具体扩展到n层，则根据网格n的边缘节点的网格可视能力进行计算，按照网格编码代数方法计算地面站和对空间节点的覆盖范围，根据节点约束规则，判断其空间目标高是否高于地球大气层，空间目标高度数值是否满足地面站有效俯仰角可视约束和在满足几何可视的情况下空间目标是否满足网格可，在上述网格可视以及载荷能力约束满足的条件下，选择相应的节点建立星地路由关系。3.如权利要求1所述的巨型低轨互联网星座路由方法，其特征在于：所述的航天器轨道特征包含：表示卫星轨道的半长轴a，轨道的偏心率e，轨道平面的倾角i，卫星的升交点位置Ω，近地点幅角ω，真近地点角θ轨道六参数，其中，椭圆轨道的偏心率为0<e<1，圆轨道的偏心率e＝0，在低轨卫星轨道高度确认的情况下，若地面站最低俯仰角15
°
，则由地面站几何可视直接确定地面站网格编码范围及相应轨道高度的卫星编码。4.如权利要求3所述的巨型低轨互联网星座路由方法，其特征在于：在已知卫星轨道高度h的情况下，取地球半径r，地面站俯仰角为15
°
，利用三角函数定理，计算卫星对地心垂线与地面站的夹角v，由计算地面站与卫星的夹角α
°
，求出地面站几何可视的经纬度差值为2α＝21.68
°
，在卫星轨道高度确定的情况下以确定地面站几何可视的空间范围，从...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄敏，祝佳，
申请(专利权)人：西南电子技术研究所中国电子科技集团公司第十研究所，
类型：发明
国别省市：