[發(fā)明專利]一種基于矩形衛(wèi)星覆蓋的大規(guī)模衛(wèi)星網絡構建方法

有效

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• 申請日: 2020-11-12
• 公開（公告）號: CN112532297B
• 公開（公告）日: 2022-02-18
• 發(fā)明（設計）人: 周笛;姬思敬;盛敏;李建東;白衛(wèi)崗;史琰
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H04B7/185
• 分類號: H04B7/185;H04W84/06
• 代理公司: 西安嘉思特知識產權代理事務所(普通合伙) 61230
• 代理人: 劉長春

本發(fā)明公開了一種基于矩形衛(wèi)星覆蓋的大規(guī)模衛(wèi)星網絡構建方法，包括：構建低軌和高/中軌衛(wèi)星網絡環(huán)境；定義最優(yōu)控制器布設；構造高/中軌衛(wèi)星對低軌衛(wèi)星的矩形覆蓋模型；構建矩形控制域形狀時的最優(yōu)控制器布設單元和最優(yōu)低軌衛(wèi)星網絡拓撲單元；定義并構建八邊形控制域形狀間的基本位置關系、高/中軌衛(wèi)星控制器間的基本距離關系，分別構建J＞1且I＝0且n＝2、J＞1且I＝1且n≥2時的最優(yōu)控制器布設單元和最優(yōu)低軌衛(wèi)星網絡拓撲單元；幾何擴展最優(yōu)低軌衛(wèi)星網絡拓撲單元；計算高/中軌衛(wèi)星的軌道高度和覆蓋角度。本發(fā)明降低了問題建模及求解復雜度，從而有效、快速地應用于實際的大規(guī)模衛(wèi)星網絡布設構建。

技術領域

本發(fā)明屬于衛(wèi)星通信技術領域，具體涉及一種基于矩形衛(wèi)星覆蓋的大規(guī)模衛(wèi)星網絡構建方法。

背景技術

衛(wèi)星網絡被認為是未來空間互聯(lián)網和6G星地融合網絡必不可缺的組成部分。為了保障衛(wèi)星網絡的服務能力，新興的衛(wèi)星網絡逐漸趨于規(guī)模化和密集化，且單星能力不斷提升，最終將會形成包含上萬個衛(wèi)星平臺的大規(guī)模衛(wèi)星網絡。然而，衛(wèi)星網絡規(guī)模的不斷增長和無法全球布設地面關口站的事實給大規(guī)模衛(wèi)星網絡的網絡構型設計和網絡管控帶來了新的挑戰(zhàn)，如局部網絡擁塞和高管控時延，因此，新的衛(wèi)星網絡管控架構亟待探索。

最近，高/中軌衛(wèi)星攜帶控制器載荷逐漸成為了一種新的衛(wèi)星網絡管控架構選擇，這種架構受益于高/中軌衛(wèi)星可實現(xiàn)對全球及低軌衛(wèi)星的無縫覆蓋且控制器布設不受地理區(qū)域限制的優(yōu)勢，通過高/中軌衛(wèi)星搭載的控制器對低軌衛(wèi)星實施網絡管控。在該架構中，高效的控制器布設策略在網絡構型(網絡規(guī)模和網絡結構)設計和性能(時延和開銷)提升方面都將起到十分重要的作用。考慮到高/中軌衛(wèi)星與低軌衛(wèi)星間的連接與高/中軌衛(wèi)星的覆蓋有直接關系，且由多波束組合而形成的矩形衛(wèi)星覆蓋已被廣泛應用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，因此，如何基于矩形衛(wèi)星覆蓋的特性設計一種最優(yōu)的控制器布設策略，并在最優(yōu)的控制器布設方案下構建大規(guī)模衛(wèi)星網絡以實現(xiàn)低成本、高效率的網絡管控是現(xiàn)階段大規(guī)模衛(wèi)星網絡中亟待解決的問題。現(xiàn)有的衛(wèi)星網絡控制器布設研究主要面向低軌衛(wèi)星網絡和星地融合網絡場景，采用圖優(yōu)化的方法對單一或多維優(yōu)化目標，如時延、經濟成本、可靠性等進行優(yōu)化建模，建模出的優(yōu)化問題通常為多項式復雜程度的非確定性問題，該問題的求解方法一般有兩種：一種是改寫優(yōu)化模型使其適用于求解器求解；另一種是提出相應的啟發(fā)式算法求解問題的近似最優(yōu)解。現(xiàn)有的衛(wèi)星網絡構型研究主要關注于探索網絡構型、網絡容量和業(yè)務分布及需求之間的關系。一些研究通過分析建立衛(wèi)星網絡構型與網絡容量之間的關系，指導衛(wèi)星網絡的網絡構型設計；還有一些研究不僅僅關注于衛(wèi)星網絡自身所能提供的容量，還結合實際的全球移動業(yè)務分布及容量需求，研究與業(yè)務需求容量匹配的最優(yōu)衛(wèi)星網絡構型。

然而，上述研究既沒有考慮由高/中軌衛(wèi)星搭載控制器載荷管控低軌衛(wèi)星的管控架構，也沒有考慮大規(guī)模衛(wèi)星網絡的應用場景。在最優(yōu)控制器布設方面，上述研究沒有考慮實際的高/中軌衛(wèi)星覆蓋對最優(yōu)控制器布設的影響，而且現(xiàn)有最優(yōu)控制器布設方法的求解復雜度較高，并且往往會隨著網絡規(guī)模的增大而增大，此外這類方法通常也沒有閉式解，一旦網絡參數(shù)改變，則需要重新迭代計算，現(xiàn)有研究很難有效、快速地應用于實際的大規(guī)模衛(wèi)星網絡構型和控制器布設設計。

發(fā)明內容

為了解決現(xiàn)有技術中存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種基于矩形衛(wèi)星覆蓋的大規(guī)模衛(wèi)星網絡構建方法。

本發(fā)明的一個實施例提供了一種基于矩形衛(wèi)星覆蓋的大規(guī)模衛(wèi)星網絡構建方法，該基于矩形衛(wèi)星覆蓋的大規(guī)模衛(wèi)星網絡構建方法包括：

步驟1、構建低軌和高/中軌衛(wèi)星網絡環(huán)境，包括若干低軌衛(wèi)星、若干高/中軌衛(wèi)星，每一高/中軌衛(wèi)星搭載一控制器，根據若干低軌衛(wèi)星建立低軌衛(wèi)星網絡拓撲構型，其中，每一高/中軌衛(wèi)星搭載的控制器的可控跳數(shù)為J；

步驟2、定義最優(yōu)控制器布設滿足最優(yōu)控制器布設條件，最優(yōu)控制器布設條件為使用最少的控制器實現(xiàn)對所有低軌衛(wèi)星的非重復控制，且每個控制器控制的低軌衛(wèi)星數(shù)量相同；