[发明专利]一种微纳星群拓扑快速重建方法

说明书

本发明提供了一种微纳星群拓扑快速重建方法，其包括步骤为：星群网络拓扑构建；星群网络拓扑构型优化；星群拓扑快速重建。本发明用人工鱼群算法优化星群网络拓扑，网络通信距离短、拓扑生存时间长，实现最优的网络拓扑构型；针对拓扑动态变化以及网络节点增加或减少的问题，利用Dijkstra算法重新快速构建网络拓扑。本发明解决了空间网络动态拓扑优化与快速重建问题，可应用于大规模星群的复杂网络拓扑构建方面。

技术领域

本发明涉及纳卫星集群飞行技术。属于卫星系统总体设计技术领域。

背景技术

目前卫星集群技术已经得到国内外学者的重视，正处于技术研究和技术储备阶段，很多关键技术发展仍不成熟，其中包括：无线通信技术、网络拓扑技术、集群飞行技术、分布式计算技术以及分布式载荷操作技术等。

网络拓扑技术是星群自组织网络技术。其工作模式和拓扑特性不同于地面其他相似的系统，需要更加完善其在拓扑控制方面的协议，使其更适合空间组网通信特性。空间网络拓扑主要特点是网络拓扑结构不断改变，各节点发送和接收带宽有限，传输功率受限，每个节点的覆盖范围较小。因此，需要设计优化的网络拓扑结构，以保证网络的通信覆盖度、通信范围等。在网络节点增加或减少时，快速重建拓扑网络，以保证星群的连通性。

现有网络拓扑技术的基本模型均是建立在地面环境下，不能很好地适应空间特殊环境。而针对空间的网络拓扑，现有技术仅支持若干颗星的拓扑，对复杂的空间网络拓扑研究较少。

自组织网络技术的研究分为两个方向：功率控制和睡眠调度。功率控制简化为一个图论问题，睡眠控制算法主要是控制网络中暂时无任务执行的节点，将其状态设置为睡眠从而实现网络整体能好点减低，延长网络生命周期。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种微纳星群拓扑快速重建方法，解决了大规模星群网络拓扑优化以及快速重建的问题。

一种微纳星群拓扑快速重建方法，包括如下步骤：

步骤一，星群网络拓扑构建

采用无线自组织网络中的分级结构，网络被划分为多个簇，每个簇由一个簇头和多个簇成员组成，这些簇头形成了上一级骨干网络，在上一级网络中又可以分簇，再次形成更上一级的网络，直至最上级；

步骤二，星群网络拓扑优化

采用人工鱼群算法，模拟鱼的觅食、聚群、追尾、随机行为，采用自下而上的设计方法，从构造一条鱼的底层行为做起，通过鱼群中每一条人工鱼个体的局部寻优，来达到找到群体中全局最优值的目的；

步骤三，星群拓扑快速重建

当非簇头节点发生故障，要求该星簇内部经过重建或引入外部星簇节点能够恢复功能，当簇头节点发生故障，要求动态快速的在星簇内选取头节点，重新建立拓扑结构。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明由于采用分层结构，星群网络被划分为多个簇，每个簇包括一个簇头，然后簇头间组建成更高一层的骨干网络。这种网络结构规模不受限制，可以随时根据需求扩充网络中节点的数量，增强网络的功能；并且，网络中数据路由和控制信号的能量开销较小，有利于延长网络生命周期。

(2)本发明采用人工鱼群算法，模拟了鱼的觅食、聚群、追尾、随机行为，采用自下而上的设计方法，从构造一条鱼的底层行为做起，通过鱼群中每一条人工鱼个体的局部寻优，来达到找到群体中全局最优值的目的。优点是对初值设置不敏感、算法的鲁棒性强、全局优化能力强。

(3)当非簇头节点发生故障，要求该星簇内部经过重建或引入外部星簇节点能够恢复功能，或者当簇头节点发生故障，要求动态快速的在星簇内选取头节点时，本发明采用Dijkstra算法，通过最短路径搜索，重新建立最优的网络拓扑结构，或者重新选取最优的星簇头节点。