[发明专利]基于地面站布局约束的导航星座缓变星间链路规划方法

说明书

本发明提供了一种基于地面站布局约束的导航星座缓变星间链路规划方法，首先构建星地链路可见模型和星间链路可见模型，然后进行星间/地可见时隙预处理，建立星座的拓扑结构后确定路由优化的约束模型和优化目标函数，对模型求解获得导航星座缓变星间链路的路由表。本发明解决了在地面测控资源匮乏的情况下通过缓变星间链路管理全球导航星座的问题，模型贴近工程需要，有很好的应用价值，能够在节点发生变化的情况下快速以最小代价建立新的路由。

技术领域

本发明涉及导航星座的星地-星间链路管理领域，尤其是一种具有缓变星间链路的导航星座路由优化及维护方法。

背景技术

卫星星座(简称“星座”)是指由多颗卫星组成、卫星轨道形成稳定的空间几何构型，卫星之间保持固定的时空关系，用于完成特定航天任务的卫星系统。导航星座的功能是充分利用星座本身构成的空间约束，运用适当的测量手段实现对地面和空间用户的导航定位。通常采用运行在20000km左右高度的中等地球轨道卫星组成导航星座。

随着星座规模的扩大，给地面测控管理资源造成了巨大的压力，因此产生了星间链路。星间链路是指星座中卫星与卫星之间进行无线电信号传输和相对测量的链路，链路的天线波束并不指向地球，而是指向其它卫星。这样，境内的地面测控站能够利用星间链路，通过境内可见卫星管理境外卫星。星间链路可以将导航星座构建成一个全连通的网络，在网络中星间信息按照事先设计的路由进行传输。

通常，在星座中存在两种形式的星间链路，分别是缓变星间链路和捷变星间链路。缓变星间链路采用一种比较稳定的链路建立方式，在正常情况下不进行链路切换操作；捷变星间链路采用周期轮询的链路建立方式，将根据星间建链规则周期性地进行链路切换操作。无论采用缓变星间链路还是捷变星间链路，路由设计都是不可或缺的环节。本发明所涉及的工作是针对缓变星间链路开展的。

缓变星间链路是建立在稳定的网络拓扑基础上的，网络拓扑是基于星座构型而建立的。通常，稳定的网络拓扑利用星座中永久星间链路构建的。永久星间链路是一种在星座运行周期中保持不间断的链路。

本质上讲，路由设计是无线电信息在网络中的传输路径优化问题，在多颗卫星组成的卫星网络中，需要在从源端到目的端的多条路径中按照链路度量或者用户QoS(Quality of Service)需求选择最优路径。卫星网络的路由设计对决定整个网络系统的效率和可靠性起着重要的作用。

我国航天测控领域首次面临导航星座缓变星间链路的规划问题，与传统的基于卫星网络通信任务规划相比，其特点体现在星间链路管理与地面站布局紧密耦合以及导航与通信任务的联合规划方面，规划的难点在于考虑地面站布局前提下的约束模型建立和考虑可靠管理前提下的优化目标函数确定。检索公开文献表明：未见有面向航天器测控及导航星座星间链路管理的链路规划方法。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种稳定、可重构、易于工程实现的满足地面站布局约束的路由设计方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

①根据中轨星座的构型和轨道根数、地面测控站的几何布局和站址坐标，采用J2000地球惯性坐标系构建星地链路可见模型；

②构建星间链路可见模型，包括：根据中轨星座的构型和轨道根数、星间天线的安装位置，构建星间链路的几何可见模型；根据星间天线的波束范围，构建天线覆盖模型；根据星间天线的收发信道技术指标，建立信号可达模型；

③根据星间链路可见模型和星地链路可见模型获取星座中每一颗卫星与所有地面站的可见弧段，以及每一颗卫星与其它卫星的可见弧段；按照确定的时间片对有效数据进行归一化，并建立有效链路可见矩阵；

④根据星座构型和星载星间天线的数量，在满足星座的连通性和导航定位精度需求的前提下建立星座中星间链路的拓扑结构；

⑤建立路由优化的约束模型；