[发明专利]考虑容量限制的导航系统星间路由规划方法及装置

说明书

本发明提供了一种考虑容量限制的导航系统星间路由规划方法及装置，获取参与星间链路数据传输的卫星集确定出星间网络，构建出星间路由网络流模型，对所述星间路由网络流模型进行求解；得到星间路由规划方案并输出。本发明利用导航卫星星间网络周期性和动态性的特点设计了星间路由网络流规划模型，该规划模型的节点及路径都具有容量，并使用基于知识的遗传算法对星间路由网络流规划模型进行求解，通过使用序列编码降低了编码复杂性，并设计容量冲突消解策略处理容量约束，基于不同的启发式知识设计了自适应变异算子，提升了遗传算法的搜索性能，从而实现了在考虑了链路带宽及卫星缓存容量限制的情况下，怎样对星间路由进行快速规划的问题。

技术领域

本发明属于卫星导航规划技术领域，尤其是涉及一种考虑容量限制的导航系统星间路由规划方法及装置。

背景技术

卫星导航系统是国家安全和社会经济发展的重要空间基础设施,也是一个国家科技实力和综合国力的重要象征，星间链路技术的出现,帮助我国的北斗卫星导航系统摆脱了地面站局域分布的限制,成功实现高精度的全球定位服务。世界上其他卫星导航系统包括美国的GPS系统,俄罗斯的GLONASS系统和欧盟的伽利略系统，等也都在积极推动星间链路技术的发展。实现星间链路的科学管理,充分发挥星间链路的能力,对提升北斗导航系统的服务能力,构建覆盖天空地海、高精度、高智能的时空信息服务基础设施具有重要的意义。

星上数据传输速率依赖于星间链路的带宽,且导航卫星在不断地生成新的数据。如果星上生成的数据不能及时传输,或不同的传输路径过度集中在部分星间链路,则可能引起链路过载和缓存溢出,造成数据缺失,影响导航系统的性能。以往的星间路由规划研究为简化问题难度,假设星间链路带宽和卫星缓存是无限的,在不考虑容量限制的情况下,规划星上数据的最小时延传输路径就等价于寻找星间网络图中的最短路径，利用图论中的最短路径搜索算法即可对其进行求解。然而,在考虑容量限制的情况下,如何建立标准的数学规划模型来描述动态的星间链路数据流量和卫星缓存容量,仍是路由规划问题研究尚待解决的一个难题。

北斗三号全球卫星导航系统在每颗北斗卫星上配备了Ka频段窄波束星间天线，受卫星平台限制,每颗卫星上配备的星间天线的数量要少于其可见卫星的数量，同时,随着导航星座的运转,卫星间的可见关系是不断变化的，为满足业务需求,卫星间的星间链路会随着时间变化不断地切换和重组。星上生成的系统数据要经过不断变换的星间链路进行传输,最终到达地面管控中心,星间路由规划需要为各时刻生成的星上数据确定具体的传输路径,以最小的时延代价完成数据传输，这种动态星间网络中的路由规划问题已成为导航系统星间链路管理工作中的一大难题。

近年来,不少研究学者开始关注导航系统星间路由规划相关的研究。Hou等描述了一种星上数据传输规划问题,给出了问题复杂性证明,并提出了解决该问题的线性规划模型。Chu和Chen设计了数学模型,并提出了确定性构造算法来优化系统数据的传输时延,但是他们没有考虑到星上数据生成的周期性。最新的链路分配研究兼顾考虑了星间测量和通信的需求,通过星间路由规划来优化通信性能。Xu等将地球同步卫星视为中转节点,提出了一种面向混合导航星座的链路分配算法。Yan等将链路分配问题描述为一个约束优化问题,以星间测量为约束条件,通信时延为优化目标。Yang等提出了一种基于分组的方法满足了星间测量需求并有效降低了通信时延。Hou等提出了一种基于最大匹配的平衡算法来同时提升测量和通信性能，Sun等为每颗卫星设定了链路最小数量,并提出了三步走的链路规划算法，Yan等提出了求解多目标链路分配问题的多目标遗传算法,同时优化星间测量和通信指标，Yan等讨论了离散模式下链路分配的需求,并提出了对应的规划算法，Liu等假设部分卫星配置了激光天线,提出了混合星间网络的管理模型,并分析了测量和通信性能。

上述研究普遍将星间路由规划问题进行了抽象和简化,然而星座实际运行中星间路由的规划需考虑链路带宽和卫星缓存容量的限制,约束条件更加复杂,目前的研究尚未涉及,且没能给出数据传输时延的解析表达式。

发明内容