[发明专利]巨型低轨互联网星座路由方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及低轨(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。

背景技术

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。

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。