[發明專利]基于地面站布局約束的導航星座緩變星間鏈路規劃方法

有效

• 申請號: 201510242869.1
• 申請日: 2015-05-13
• 公開（公告）號: CN104835011B
• 公開（公告）日: 2018-08-31
• 發明（設計）人: 李晶;耶剛強;張天驕;董衛華;崔衛華;張江;趙國強;安靜斌;余培軍
• 申請（專利權）人: 中國西安衛星測控中心
• 主分類號: G06Q10/06
• 分類號: G06Q10/06
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 顧潮琪

本發明提供了一種基于地面站布局約束的導航星座緩變星間鏈路規劃方法，首先構建星地鏈路可見模型和星間鏈路可見模型，然后進行星間/地可見時隙預處理，建立星座的拓撲結構后確定路由優化的約束模型和優化目標函數，對模型求解獲得導航星座緩變星間鏈路的路由表。本發明解決了在地面測控資源匱乏的情況下通過緩變星間鏈路管理全球導航星座的問題，模型貼近工程需要，有很好的應用價值，能夠在節點發生變化的情況下快速以最小代價建立新的路由。

技術領域

本發明涉及導航星座的星地-星間鏈路管理領域，尤其是一種具有緩變星間鏈路的導航星座路由優化及維護方法。

背景技術

衛星星座(簡稱“星座”)是指由多顆衛星組成、衛星軌道形成穩定的空間幾何構型，衛星之間保持固定的時空關系，用于完成特定航天任務的衛星系統。導航星座的功能是充分利用星座本身構成的空間約束，運用適當的測量手段實現對地面和空間用戶的導航定位。通常采用運行在20000km左右高度的中等地球軌道衛星組成導航星座。

隨著星座規模的擴大，給地面測控管理資源造成了巨大的壓力，因此產生了星間鏈路。星間鏈路是指星座中衛星與衛星之間進行無線電信號傳輸和相對測量的鏈路，鏈路的天線波束并不指向地球，而是指向其它衛星。這樣，境內的地面測控站能夠利用星間鏈路，通過境內可見衛星管理境外衛星。星間鏈路可以將導航星座構建成一個全連通的網絡，在網絡中星間信息按照事先設計的路由進行傳輸。

通常，在星座中存在兩種形式的星間鏈路，分別是緩變星間鏈路和捷變星間鏈路。緩變星間鏈路采用一種比較穩定的鏈路建立方式，在正常情況下不進行鏈路切換操作；捷變星間鏈路采用周期輪詢的鏈路建立方式，將根據星間建鏈規則周期性地進行鏈路切換操作。無論采用緩變星間鏈路還是捷變星間鏈路，路由設計都是不可或缺的環節。本發明所涉及的工作是針對緩變星間鏈路開展的。

緩變星間鏈路是建立在穩定的網絡拓撲基礎上的，網絡拓撲是基于星座構型而建立的。通常，穩定的網絡拓撲利用星座中永久星間鏈路構建的。永久星間鏈路是一種在星座運行周期中保持不間斷的鏈路。

本質上講，路由設計是無線電信息在網絡中的傳輸路徑優化問題，在多顆衛星組成的衛星網絡中，需要在從源端到目的端的多條路徑中按照鏈路度量或者用戶QoS(Quality of Service)需求選擇最優路徑。衛星網絡的路由設計對決定整個網絡系統的效率和可靠性起著重要的作用。

我國航天測控領域首次面臨導航星座緩變星間鏈路的規劃問題，與傳統的基于衛星網絡通信任務規劃相比，其特點體現在星間鏈路管理與地面站布局緊密耦合以及導航與通信任務的聯合規劃方面，規劃的難點在于考慮地面站布局前提下的約束模型建立和考慮可靠管理前提下的優化目標函數確定。檢索公開文獻表明：未見有面向航天器測控及導航星座星間鏈路管理的鏈路規劃方法。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明提供一種穩定、可重構、易于工程實現的滿足地面站布局約束的路由設計方法。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案包括以下步驟：

①根據中軌星座的構型和軌道根數、地面測控站的幾何布局和站址坐標，采用J2000地球慣性坐標系構建星地鏈路可見模型；

②構建星間鏈路可見模型，包括：根據中軌星座的構型和軌道根數、星間天線的安裝位置，構建星間鏈路的幾何可見模型；根據星間天線的波束范圍，構建天線覆蓋模型；根據星間天線的收發信道技術指標，建立信號可達模型；

③根據星間鏈路可見模型和星地鏈路可見模型獲取星座中每一顆衛星與所有地面站的可見弧段，以及每一顆衛星與其它衛星的可見弧段；按照確定的時間片對有效數據進行歸一化，并建立有效鏈路可見矩陣；

④根據星座構型和星載星間天線的數量，在滿足星座的連通性和導航定位精度需求的前提下建立星座中星間鏈路的拓撲結構；

⑤建立路由優化的約束模型；