CN112737670B - 一种基于星座功能的通信卫星星座可靠性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一个实施例公开了一种基于星座功能的通信卫星星座可靠性分析方法，包括：S100、构建具有星间链的低轨通信卫星星座的构型，其中所述构型包括多颗卫星和星间通信链路；S102、依据预定分析准则将所述构型转换成网络模型，其中所述卫星为节点，所述星间通信链路为有向边；S104、在所述网络模型中，以故障卫星为起点，计算所述网络模型中能够进行转发达到的卫星的最小路集E并根据所述最小路集利用容斥理论计算所述网络模型的可靠度R(G₀)＝P(E)。本发明提供了一种基于星座功能的通信卫星星座可靠性分析方法，为确定产品的可靠性指标提供依据，填补了通信卫星星座可靠性分析的空白，为通信卫星星座的可靠性分析提供了工程应用基础。

Description

一种基于星座功能的通信卫星星座可靠性分析方法

技术领域

本发明涉及可靠性及卫星通信的技术领域。更具体地，涉及一种基于星座功能的通信卫星星座可靠性分析方法、计算机可读存储介质和计算机设备。

背景技术

近年来，低轨卫星通信成为卫通领域发展的主流趋势，国内外广泛开展低轨通信卫星星座的论证与研发，但关于通信卫星星座的可靠性分析研究较少。

通信卫星星座的目的是实现全球通信覆盖，具有包含的卫星数量庞大，星座功能复杂，性能指标多等特点，其可靠性分析的复杂性在于，单颗卫星的局部故障或整星故障，对于星座实现全球覆盖的影响较小，但故障2颗、3颗甚至十几颗卫星的情况下，开展星座功能的影响分析则变得极其复杂，其原因在于故障卫星的分布情况会极大影响星座的覆盖性。此外，卫星局部发生故障时，仍可以通过星间链实现信号的转发，降低星座覆盖性的变化影响，但会降低卫星的通信容量、通信速率。上述问题导致星座可靠性分析极为复杂和困难。这样的背景下，传统的串并联可靠性模型不再适用，经典的故障概率模型如泊松分布、二项分布也无法合理的体现星座功能性能特点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于星座功能的通信卫星星座可靠性分析方法，以解决现有技术存在的问题中的至少一个。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

第一方面，本发明提供了一种基于星座功能的通信卫星星座可靠性分析方法，包括：

S100、构建具有星间链的低轨通信卫星星座的构型，其中所述构型包括多颗卫星和星间通信链路；

S102、依据预定分析准则将所述构型转换成网络模型，其中所述卫星为节点，所述星间通信链路为有向边；

S104、在所述网络模型中，以故障卫星为起点，计算所述网络模型中能够进行转发达到的卫星的最小路集E并根据所述最小路集利用容斥理论计算所述网络模型的可靠度R(G₀)＝P(E)。

在一个具体实施例中，所述构型由N个卫星构成，其中，所述N个卫星分布在m个轨道面，每个轨道的卫星数n＝N/m，每颗卫星具有4个星间通信终端，向同轨前向及后向、异轨侧前后向4个方向实现星间通信。

在一个具体实施例中，所述S104包括

根据所述故障卫星能够经过一次转发达到的卫星以节点顺序作为第一集合E₁以及能够经过两次转发达到的卫星以节点顺序作为第二集合E₂得到最小路集E＝E₁∪E₂，并利用容斥理论计算所述网络模型的可靠度R(G₀)＝P(E₁∪E₂)。

在一个具体实施例中，所述S104包括

根据所述故障卫星能经过一次转发达到的卫星及由所述经过一次转发达到的卫星再经过一次转发达到的卫星以节点顺序构成集合G_i,得到R(G₀)＝1-(1-R(G_i))⁴＝1-(1-P(Re∪Re²∪Re²∪Re²))⁴

其中，i＝1,2，3,4；

Re为所述故障卫星能经过一次转发达到的卫星的通信链路的可靠度。

在一个具体实施例中，所述预定分析准则为：对于一个指定区域，能够保证该区域内用户以预定的通信质量要求保持持续通信，则表示星座功能完好。

在一个具体实施例中，所述分析准则基于单颗卫星用户发射接收***和馈电发射接收***不同时损坏以及卫星平台始终可靠工作而设定。

第二方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本申请第一方面提供的方法。

第三方面，本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如本申请第一方面提供的方法。

本发明的有益效果如下：

本发明针对当前主流通信卫星星座设计方案，提供了一种以星座覆盖性和通信性能指标为约束、网络模型为基础的星座可靠性评价方法，为确定产品的可靠性指标提供依据，填补了通信卫星星座可靠性分析的空白，为通信卫星星座的可靠性分析提供了工程应用基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出根据本发明一个实施例的基于星座功能的通信卫星星座可靠性分析方法流程图。

图2示出根据本发明一个实施例的具有星间链的低轨通信卫星星座的典型星座构型示意图；

图3示出根据本发明一个实施例的经过星座功能性能指标约束分析后抽象得到的网络模型示意图；

图4示出根据本发明一个实施例的网络模型的子结构示意图；

图5示出根据本发明一个实施例的子结构和整个网络可靠度随单边可靠度的变化情况示意图。

图6示出适于用来实现本申请实施例的计算机设备的结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

第一实施例

如图1所示，本发明的一个实施例公开了一种基于星座功能的通信卫星星座可靠性分析方法，包括：

S100、构建具有星间链的低轨通信卫星星座的典型构型，其中所述构型包括多颗卫星和星间通信链路。

在一个具体示例中，具有星间链的低轨通信卫星星座的典型构型如图2所示，其中，图2中一个圆圈为代表一颗卫星；一列竖排圆圈代表一个轨道面上的部分卫星；双向箭头代表星间链，即信号传输的方向和路径。

在一个具体示例中，星座包含卫星总数为N，划分为m个轨道面即所述N个卫星分布在m个轨道面，则每个轨道的卫星数n＝N/m。单颗卫星具有星间通信功能，可向同轨前向及后向、异轨侧前后向4个方向实现星间通信，硬件层面代表单星具有4个星间通信终端，每个终端可以实现星间通信信号的接收与发射。

S102、依据预定分析准则将所述构型转换成网络模型，其中所述卫星为节点，所述星间通信链路为有向边；在一个具体实施例中，所述预定分析准则为：对于一个指定区域，能够保证该区域内用户以预定的通信质量要求保持持续通信，则表示星座功能完好。

在一个具体实施例中，所述分析准则基于单颗卫星用户发射接收***和馈电发射接收***不同时损坏以及卫星平台始终可靠工作而设定。

其中所述预定分析准则具体说明如下：通信卫星星座的功能是实现全球覆盖，那么对于一个指定区域，能够覆盖该区域的卫星数量有限，若可以保证该区域内用户以一定的通信质量(速率、时延等)要求保持持续通信，则表示星座功能完好。该准则基于2项假设：1、单颗卫星用户发射接收***和馈电发射接收***不同时损坏；2、认为卫星平台是始终可靠工作的。

在一个具体实施例中，基于星座覆盖性和通信指标要求，当某时刻下覆盖某指定区域的卫星用户侧***或馈电侧***故障，需要通过星间链将信号转发至相邻卫星并下传，经分析，由于通信指标要求，最多只能允许两次星间转发。因此，抽象后的网络模型如图3所示，记为网络G₀。

图3中加粗的圆圈代表网络模型的起始点和终点，其中序号1代表网络的起始点，序号3、5、7、9、10、11、12、13代表路径为2(经过两次星间转发)可到达的终点；序号2、4、6、8为经过一次转发可到达的卫星；有向箭头表示信号传输的方向和路径。

在一个具体实施例中，根据网络模型特点和可靠性理论简化网络模型,利用最小路集和容斥理论进行可靠性分析评价。

S104、在所述网络模型中，以故障卫星为起点，计算所述网络模型中能够进行转发达到的卫星的最小路集E并根据所述最小路集利用容斥理论计算所述网络模型的可靠度R(G₀)＝P(E)。

在一个具体实施例中，所述S104包括

根据所述故障卫星能够经过一次转发达到的卫星以节点顺序作为第一集合E₁以及能够经过两次转发达到的卫星以节点顺序作为第二集合E₂得到最小路集E＝E₁∪E₂，并利用容斥理论计算所述网络模型的可靠度R(G₀)＝P(E₁∪E₂)。

在一个具体实施例中，图3中序号1的圆圈为本该独立完成信号转发的故障卫星，为网络的起始点，序号2、4、6、8为经过一次转发可到达的卫星，以节点顺序作为集合，记作E₁，E₁可表示为：

E₁＝({1,2}∪{1,4}∪{1,6}∪{1,8})

序号3、5、7、9、10、11、12、13为经过两次转发可到达的卫星，以节点顺序作为集合，记作E₂，E₂可以表示为：

E₂＝({1,2,3}∪{1,2,9}∪{1,2,10}∪{1,4,3}∪{1,4,5}∪{1,4,11}∪{1,6,5}∪{1,6,7}∪{1,6,12}∪{1,8,7}∪{1,8,9}∪{1,8,13})

可以得到，上述集合均为该网络的最小路集。因此，只要上述任意一个集合联通，则可判定整个网络是联通的，即：

E＝E₁∪E₂

最后，针对最小路集，利用容斥理论进行可靠性分析。设网络的可靠度为R(G₀)。由容斥理论：

R(G₀)＝P(E₁∪E₂)＝P(P({1,2})∪P({1,4})∪...∪P({1,8,13}))

可知，公式中的项为2^k-1，k为子集的个数，本案例中k＝16。运算量过于庞大。因此，需对公式进行简化。

在一个具体实施例中，所述S104还包括：根据所述故障卫星能经过一次转发达到的卫星及由所述经过一次转发达到的卫星再经过一次转发达到的卫星以节点顺序构成集合G_i,得到R(G₀)＝1-(1-R(G_i))⁴＝1-(1-P(Re∪Re²∪Re²∪Re²))⁴。其中，i＝1,2,3,4。Re为所述故障卫星能经过一次转发达到的卫星的通信链路的可靠度。

在一个具体实施例中，网络模型的子结构如图4所示，通过对网络结构进行分析，可以发现，图3中的网络是由4个图4中的网络构成，代表4个不相交集合G_i，如G₁＝({1,2}∪{1,2,3}∪{1,2,9}∪{1,2,10})，G₂＝({1,4}∪{1,4,3}∪{1,4,5}∪{1,4,11})。因此，任意一个图4中的网络联通，即可保证整个网络的联通，设单个集合的可靠度为R(G_i)，由构型可知R(G_i)是相等的，因此：

R(G₀)＝1-(1-R(G_i))⁴

由此，将问题转化为对P(G_i)的求解，可以得到：

R(G_i)＝P(G_i)＝P(G₁)＝P({1,2}∪{1,2,3}∪{1,2,9}∪{1,2,10})

此时公式中项数较少，可用利用容斥理论展开。假设一个边如e1的可靠度为Re，所有边的可靠度均相同，则R(G_i)可表示为：

R(G_i)＝P(G_i)＝P(Re∪Re²∪Re²∪Re²)

通过计算可得最终***的可靠度。子结构和整个网络可靠度随单边可靠度变化的曲线如图5所示。图5中横轴代表单条星间通信链路的可靠度，竖轴代表***可靠度变化。从图5中可以看出，子结构可靠度随单条星间通信链路的可靠度的增长而增长，并逐渐趋近到1。整个网络可靠度随单条星间通信链路的可靠度的增长而增长，并逐渐趋近到1。

本发明针对当前主流通信卫星星座设计方案，提供了一种以星座覆盖性和通信性能指标为约束、网络模型为基础的星座可靠性评价方法，为确定产品的可靠性指标提供依据，填补了通信卫星星座可靠性分析的空白，为通信卫星星座的可靠性分析提供了工程应用基础。

第二实施例

图6示出了本申请的另一个实施例提供的一种计算机设备的结构示意图。图6显示的计算机设备50仅仅是一个示例，不应对本申请实施例的功能和使用范围带来任何限制。如图6所示，计算机设备50以通用计算设备的形式表现。计算机设备50的组件可以包括但不限于：一个或者多个处理器或者处理单元500，***存储器516，连接不同***组件(包括***存储器516和处理单元500)的总线501。

总线501表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储器总线或者存储器控制器，***总线，图形加速端口，处理器或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。举例来说，这些体系结构包括但不限于工业标准体系结构(ISA)总线，微通道体系结构(MAC)总线，增强型ISA总线、视频电子标准协会(VESA)局域总线以及***组件互连(PCI)总线。

计算机设50典型地包括多种计算机***可读介质。这些介质可以是任何能够被计算机设备50访问的可用介质，包括易失性和非易失性介质，可移动的和不可移动的介质。

***存储器516可以包括易失性存储器形式的计算机***可读介质，例如随机存取存储器(RAM)504和/或高速缓存存储器506。计算机设备50可以进一步包括其它可移动/不可移动的、易失性/非易失性计算机***存储介质。仅作为举例，存储***508可以用于读写不可移动的、非易失性磁介质(图6未显示，通常称为“硬盘驱动器”)。尽管图6中未示出，可以提供用于对可移动非易失性磁盘(例如“软盘”)读写的磁盘驱动器，以及对可移动非易失性光盘(例如CD-ROM，DVD-ROM或者其它光介质)读写的光盘驱动器。在这些情况下，每个驱动器可以通过一个或者多个数据介质接口与总线501相连。存储器516可以包括至少一个程序产品，该程序产品具有一组(例如至少一个)程序模块，这些程序模块被配置以执行实施例一的功能。

具有一组(至少一个)程序模块512的程序/实用工具510，可以存储在例如存储器516中，这样的程序模块512包括但不限于操作***、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。程序模块512通常执行本申请所描述的实施例中的功能和/或方法。

计算机设备50也可以与一个或多个外部设备70(例如键盘、指向设备、显示器60等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该计算机设备50交互的设备通信，和/或与使得该计算机设备50能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如网卡，调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)接口502进行。并且，计算机设备50还可以通过网络适配器514与一个或者多个网络(例如局域网(LAN)，广域网(WAN)和/或公共网络，例如因特网)通信。如图6所示，网络适配器514通过总线501与计算机设备50的其它模块通信。应当明白，尽管图6中未示出，可以结合计算机设备50使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元、外部磁盘驱动阵列、RAID***、磁带驱动器以及数据备份存储***等。

处理器单元500通过运行存储在***存储器516中的程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，例如实现本申请实施例一所提供的一种基于星座功能的通信卫星星座可靠性分析方法。

本申请针对目前现有的问题，制定一种适用于基于星座功能的通信卫星星座可靠性分析方法的计算机设备，填补了通信卫星星座可靠性分析的空白，为通信卫星星座的可靠性分析提供了工程应用基础,具有广泛的应用前景。

第三实施例

本申请的另一个实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述实施例一所提供的方法。在实际应用中，所述计算机可读存储介质可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。

计算机可读存储介质例如可以是但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的***、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本实施例中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行***、装置或者器件使用或者与其结合使用。

计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行***、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。

计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本申请操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。

本发明针对当前主流通信卫星星座设计方案，提供了一种以星座覆盖性和通信性能指标为约束、网络模型为基础的星座可靠性评价方法，为确定产品的可靠性指标提供依据，填补了通信卫星星座可靠性分析的空白，为通信卫星星座的可靠性分析提供了工程应用基础。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (7)

1.一种基于星座功能的通信卫星星座可靠性分析方法，其特征在于，包括：

S100、构建具有星间链的低轨通信卫星星座的构型，其中所述构型包括多颗卫星和星间通信链路；

S102、依据预定分析准则将所述构型转换成网络模型，其中所述卫星为节点，所述星间通信链路为有向边；

S104、在所述网络模型中，以故障卫星为起点，计算所述网络模型中能够进行转发达到的卫星的最小路集E并根据所述最小路集利用容斥理论计算所述网络模型的可靠度R(G₀)＝P(E)；

所述S104包括

根据所述故障卫星能够经过一次转发达到的卫星以节点顺序作为第一集合E₁以及能够经过两次转发达到的卫星以节点顺序作为第二集合E₂得到最小路集E＝E₁∪E₂，并利用容斥理论计算所述网络模型的可靠度R(G₀)＝P(E₁∪E₂)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述构型由N个卫星构成，其中，所述N个卫星分布在m个轨道面，每个轨道的卫星数n＝N/m，每颗卫星具有4个星间通信终端，向同轨前向及后向、异轨侧前后向4个方向实现星间通信。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S104包括

根据所述故障卫星能经过一次转发达到的卫星及由所述经过一次转发达到的卫星再经过一次转发达到的卫星以节点顺序构成集合G_i,得到R(G₀)＝1-(1-R(G_i))⁴＝1-(1-P(Re∪Re²∪Re²∪Re²))⁴

其中，i＝1,2，3,4；

Re为所述故障卫星能经过一次转发达到的卫星的通信链路的可靠度；

R(G₀)为所述网络模型的可靠度；

R(G_i)为单个集合的可靠度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述预定分析准则为：对于一个指定区域，能够保证该区域内用户以预定的通信质量要求保持持续通信，则表示星座功能完好。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，

所述分析准则基于单颗卫星用户发射接收***和馈电发射接收***不同时损坏以及卫星平台始终可靠工作而设定。

6.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一项所述的方法。

7.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-5中任一项所述的方法。

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