[发明专利]一种基于椭圆形卫星覆盖的大规模卫星网络构建方法

说明书

本发明公开了一种基于椭圆形卫星覆盖的大规模卫星网络构建方法，包括：构建低轨和高/中轨卫星网络环境；定义最优控制器布设；构造高/中轨卫星对低轨卫星的椭圆形覆盖模型；构建线形控制域形状时的最优控制器布设单元和最优低轨卫星网络拓扑单元；定义并构建六边形控制域形状间的基本位置关系、高/中轨卫星控制器间的基本距离关系，沿两条边界扩展方向、在两条边界扩展方向之间放置高/中轨卫星控制器，分别构建J＞1且i≠J、J＞1且i＝J时的最优控制器布设单元和最优低轨卫星网络拓扑单元；几何扩展最优低轨卫星网络拓扑单元；计算高/中轨卫星的轨道高度和覆盖角度。本发明降低了问题建模及求解复杂度，从而有效、快速地应用于实际的大规模卫星网络布设构建。

技术领域

本发明属于卫星通信技术领域，具体涉及一种基于椭圆形卫星覆盖的大规模卫星网络构建方法。

背景技术

卫星网络被认为是未来空间互联网和6G星地融合网络必不可缺的组成部分。为了保障卫星网络的服务能力，新兴的卫星网络逐渐趋于规模化和密集化，且单星能力不断提升，最终将会形成包含上万个卫星平台的大规模卫星网络。然而，卫星网络规模的不断增长和无法全球布设地面关口站的事实给大规模卫星网络的网络构型设计和网络管控带来了新的挑战，如局部网络拥塞和高管控时延，因此，新的卫星网络管控架构亟待探索。

最近，高/中轨卫星携带控制器载荷逐渐成为了一种新的卫星网络管控架构选择，这种架构受益于高/中轨卫星可实现对全球及低轨卫星的无缝覆盖且控制器布设不受地理区域限制的优势，通过高/中轨卫星搭载的控制器对低轨卫星实施网络管控。在该架构中，高效的控制器布设策略在网络构型(网络规模和网络结构)设计和性能(时延和开销)提升方面都将起到十分重要的作用。考虑到高/中轨卫星与低轨卫星间的连接与高/中轨卫星的覆盖有直接关系，且椭圆形卫星覆盖已被广泛应用于卫星天线设计中，因此，如何基于椭圆形卫星覆盖的特性设计一种最优的控制器布设策略，并在最优的控制器布设方案下构建大规模卫星网络以实现低成本、高效率的网络管控是现阶段大规模卫星网络中亟待解决的问题。现有的卫星网络控制器布设研究主要面向低轨卫星网络和星地融合网络场景，采用图优化的方法对单一或多维优化目标，如时延、经济成本、可靠性等进行优化建模，建模出的优化问题通常为多项式复杂程度的非确定性问题，该问题的求解方法一般有两种：一种是改写优化模型使其适用于求解器求解；另一种是提出相应的启发式算法求解问题的近似最优解。现有的卫星网络构型研究主要关注于探索网络构型、网络容量和业务分布及需求之间的关系。一些研究通过分析建立卫星网络构型与网络容量之间的关系，指导卫星网络的网络构型设计；还有一些研究不仅仅关注于卫星网络自身所能提供的容量，还结合实际的全球移动业务分布及容量需求，研究与业务需求容量匹配的最优卫星网络构型。

然而，上述研究既没有考虑由高/中轨卫星搭载控制器载荷管控低轨卫星的管控架构，也没有考虑大规模卫星网络的应用场景。在最优控制器布设方面，上述研究没有考虑实际的高/中轨卫星覆盖对最优控制器布设的影响，而且现有最优控制器布设方法的求解复杂度较高，并且往往会随着网络规模的增大而增大，此外这类方法通常也没有闭式解，一旦网络参数改变，则需要重新迭代计算，现有研究很难有效、快速地应用于实际的大规模卫星网络构型和控制器布设设计。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于椭圆形卫星覆盖的大规模卫星网络构建方法。

本发明的一个实施例提供了一种基于椭圆形卫星覆盖的大规模卫星网络构建方法，该基于椭圆形卫星覆盖的大规模卫星网络构建方法包括：

步骤1、构建低轨和高/中轨卫星网络环境，包括若干低轨卫星、若干高/中轨卫星，每一高/中轨卫星搭载一控制器，根据若干低轨卫星建立低轨卫星网络拓扑构型；

步骤2、定义最优控制器布设满足最优控制器布设条件，最优控制器布设条件为使用最少的控制器实现对所有低轨卫星的非重复控制，且每个控制器控制的低轨卫星数量相同；