CN113612525A - 基于约束满足的低轨互联网星座星地链路规划方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种基于约束满足的低轨互联网星座星地链路规划方法，涉及卫星技术领域，包括构建星地几何可见模型；构建星间距离可见模型；根据星地几何可见模型构建星地链路可见模型；根据星地链路可见模型获取目标卫星与地面信关站设备之间的测量数据；确定约束条件；根据约束条件确定测量数据的有效性，并根据测量数据的有效性建立有效测量链路矩阵；确定星地组网规划原则；根据星地组网规划原则、约束条件和有效测量链路矩阵建立目标星地链路规划模型；对目标星地链路规划模型进行计算，得到星地链路资源调度结果。本公开解决了无星间链路的低轨星座在进行多任务调度时忽略星座构型以及星座轨道面均衡使用等规划约束问题。

Description

基于约束满足的低轨互联网星座星地链路规划方法

技术领域

本公开涉及卫星技术领域，尤其涉及基于约束满足的低轨互联网星座星地链路规划方法。

背景技术

卫星星座(简称“星座”)是指由多颗卫星组成、卫星轨道形成稳定的空间几何构型，卫星之间保持固定的时空关系，用于完成特定航天任务的卫星***。中低轨星座中单颗卫星的轨道高度保持在500km～25000km的范围之内，主要承担的航天任务包括：通信、导航和对地观测等。其中，互联网星座是实现卫星互联网的空间***，将卫星作为互联网的节点，利用低轨星座把互联网转移到天上，实现全球覆盖的目的。

低轨互联网星座是国家空间信息网络基础设施的重要组成部分，单星组网后的整个***比单星更能容忍单点故障，最大限度的消除故障影响，能够更有效地、可靠地为各种空间任务如气象、环境与灾害检测、资源勘察、地形测绘、侦察、通信广播和科学探测等提供通信服务。

地面***，作为卫星互联网***的重要组成部分，可以完成卫星载荷以及卫星互联网在轨运行管理等功能，以及解决互联网星座运行期间遥控指令发送、遥测数据接收、遥感数据接收、卫星轨道预报与确定等保障的地面资源调度问题。每一个地面资源可同时跟踪测量的卫星数目取决于设备体制和卫星的运行轨道。地面资源调度依据地面信关站及设备属性信息、卫星轨道信息及平台状态和约束条件开展，根据任务规划结果及用户需求合理分配设备实施对群星星座的在轨运行管理提供支持。图1是利用星座卫星组网后的内部星地网络快速响应用户需求的示意图。

当前国内大多数低轨卫星均采用单星模式执行航天应用任务，很难实现全天候观测并且面临当执行特定应用任务的卫星失效后，该应用任务将受到严重影响。单星组网形成星群后，通过个体卫星间的协同操作和地面资源优化调度，能够突破单星工作模式的局限性，具有更高的可靠性和灵活性，有效地提高了天地基测控通信链路优化管理，达到了快速响应用户需求的目的。其次，对于无星间链路的低轨互联网星座，需要根据地面信关站的布局和星座内部的星地网络，实现信息快速传输，地面信关站测控资源的整体分配和使用情况将直接影响到卫星互联网航天任务的最终完成度和资源利用率。因此，合理高效的资源调度是实现任务效益最大化的必要条件之一。

相关技术中，在低轨互联网测控资源调度问题的研究中，只有以单星模式为调度对象展开的研究，还没有针对群星组网后，从星座空间构型、资源协同控制等方面统一考虑星地链路规划的研究。因此，本公开提出一种低轨互联网星座星地链路规划问题的解决方法。

发明内容

本公开实施例提供一种基于约束满足的低轨互联网星座星地链路规划方法，能够解决现有技术中无法实现群星组网后星地链路规划的问题。所述技术方案如下：

根据本公开实施例的第一方面，提供一种基于约束满足的低轨互联网星座星地链路规划方法，所述方法包括：

构建星地几何可见模型；

构建星间距离可见模型；

根据所述星地几何可见模型构建星地链路可见模型；

根据所述星地链路可见模型获取目标卫星与地面信关站设备之间的测量数据；

根据所述星地几何可见模型和所述星间距离可见模型确定约束条件；

根据所述约束条件确定所述测量数据的有效性，并根据所述测量数据的有效性建立有效测量链路矩阵；

确定星地组网规划原则；

根据所述星地组网规划原则、所述约束条件和所述有效测量链路矩阵建立目标星地链路规划模型；

对所述目标星地链路规划模型进行计算，得到星地链路资源调度结果。

本公开实施例提供一种基于约束满足的低轨互联网星座星地链路规划方法，构建星地几何可见模型和星间距离可见模型，根据星地几何可见模型构建星地链路可见模型，并根据星地链路可见模型获取目标卫星与地面信关站设备之间的测量数据，根据星地几何可见模型和星间距离可见模型确定约束条件，再根据约束条件确定测量数据的有效性，并根据测量数据的有效性建立有效测量链路矩阵，确定星地组网规划原则，最后根据星地组网规划原则、约束条件和有效测量链路矩阵建立目标星地链路规划模型，对目标星地链路规划模型进行计算，得到星地链路资源调度结果。解决了无星间链路的低轨星座在进行多任务调度时忽略星座构型以及星座轨道面均衡使用等规划约束问题。同时解决了单星规划可靠性低、抗毁能力弱以及灵活度小的问题。

在一个实施例中，所述根据所述星地几何可见模型构建星地链路可见模型包括：

确定星地链路的雨衰值；

获取地面和星载测量设备的功能和星载天线的安装位置；

根据所述星地几何可见模型、所述雨衰值、所述地面和星载测量设备的功能和星载天线的安装位置构建星地链路可见模型。

在一个实施例中，所述构建星地几何可见模型包括：

根据公式

和

构建所述星地几何可见模型；

其中，E是测控天线电轴与目标卫星间的俯仰角、β是地面信关站设备到目标卫星的地心角、R是地面信关站设备到目标卫星的径向距离、r_E是地面信关站设备的地心距、h_s是目标卫星的轨道高度。

在一个实施例中，所述确定星地链路的雨衰值包括：

根据公式A_RAIN＝γ_RL_E(dB)和公式

确定星地链路的雨衰值；

其中，γ_R为路径衰减因子，L_E为电磁波在雨中的有效路径，当有降雨时，电波穿过的雨区相当于在下行链路上串联了一个物理温度为T_m，衰减为A_RAIN的无源衰减器，T_SKY为空气温度，ΔT_A为雨衰值。

在一个实施例中，所述根据所述星地几何可见模型构建星地链路可见模型包括：

根据公式

和

构建星地链路可见模型；

其中，R′_max是考虑雨衰以后地面信关站设备的最大测控距离，E′_min是考虑雨衰以后地面信关站设备跟踪目标卫星的最小测控仰角。

在一个实施例中，所述根据所述约束条件确定所述测量数据的有效性，并根据所述测量数据的有效性建立有效测量链路矩阵包括：

设R是地面信关站设备与目标卫星的径向距离、E是测控天线电轴与目标卫星间的俯仰角；R_max是地面信关站设备的最大测控距离、E_min是地面信关站设备跟踪目标卫星的最小仰角条件；

则有效测量数据的约束条件表示为：R≤R_max,E≥E_min；

ΔT是满足最短测量弧长的时间片，T是可见弧段时长窗口，A＝{a₁,a₂,…,a_|M|}是待执行任务集合；

则在一个可见弧段时长窗口内，时间片的数量表示为

针对每颗卫星的测轨任务，设有M个地面信关站设备和K个卫星组网的星座参加测量，则得到M×K可见矩阵，当时间片内的测量数据有效时，对应的星地链路数值设置为“1”；当时间片内的测量数据无效时，对应的星地链路数值设置为“0”，得到所述有效测量链路矩阵；

设t₁时间卫星s内部干扰信号强度为

地面信关站设备对于星座内部干扰最大容忍程度为max_{g_dis}；t₁时间地面信关站设备g的落雨量是

地面信关站设备运行对于雨量的最大许可范围为max_{g_rain}；

则在一定时间t₁时，星地几何可见窗口实际可用的条件表示为：

在一个实施例中，所述确定星地组网规划原则包括：

设q是地面信关站设备能够形成的最多波束个数，地面信关站设备能够跟踪卫星的最多目标数量表示为Q≤q；

设T₁和T₂是待执行任务中的两个任务，设任务T₁的执行时刻为S_t1，任务T₂的执行时刻为S_t2，任务T₁和任务T₂之间的最小执行间隔为Δ_k，在执行顺序上，任务T₁和任务T₂的优先关系表示为S_t2≥S_t1+Δ_k；

设SDT_M是地面信关站设备的开始维护时间，EDT_M是地面信关站设备的维护结束时间，最小维护时间为ΔT_M，则星地组网规划原则表示为：

SDT_M≥EDT_M+ΔT_M。

在一个实施例中，所述根据预设的星地组网规划原则和所述有效测量链路矩阵建立目标星地链路规划模型包括：

设A＝{a₁,a₂,…,a_|M|}是待执行任务集合，w_ij是调度时间里卫星i在其第j个可见弧段里要完成的任务，1<i<n,1<j<N_i，n为调度时间要实施任务的卫星数目，N_i为卫星i在调度时间里的可见弧段数，S＝{s₁,s₂,…,s_|G|}是地面信关站设备天线波束的资源集合，C表示约束条件集，包含调度问题的所有约束条件，TW表示时间窗口集，每个任务相对于每个资源有一系列的时间窗口或者没有，如果没有，表示该任务不能在该资源上执行，Th表示调度的截止时间，可用以下形式表示星地链路的调度问题：

Θ＝{A,S,C,TW,Th}；

设t_i∈{0,1}表示任务a_i的调度决策变量，对于一个指定的任务子集

如果所述任务子集

中任一任务没有满足，则调度结果表示无效，完成所述任务子集

的要求表示为：

设x_i,j∈{0,1}表示资源选择决策变量，如果选择资源S_j执行任务a_i，则x_i,j＝1，TW_i,j表示第j个资源对于第i个任务的可用时间窗口集，

表示时间窗口决策变量，如果资源S_j在时间窗口

内执行任务a_i，则

表示可行解集合，该解满足所有的调度约束，对于必须完成的任务子集

必须分配相匹配的资源和时间窗口，表示为：

设st_i表示任务a_i的调度开始时间，d_i表示任务a_i的持续时间，如果任务a_i和任务a_i′同时占用一个资源S_j，则任务a_i和任务a_i′的调度时间必须满足以下条件：

C₂₁＝{Z|x_i,j*s_i-x_i′,j*s_i′≥d_i′，if s_i≥s_i′,i，i′∈M，j∈S}；

C₂₂＝{Z|x_i，j*s_i′-x_i′,j*s_i≥d_i,if s_i′≥s_i,i,i′∈M,j∈S}；

设

表示第k个时间窗口的开始时间，任意可以完成的任务开始时间必须在所选定的资源的可用时间窗口开始时间

之后，表示为：

设

表示第k个时间窗口的结束时间，任意可以完成任务的执行必须在所选定资源的可用时间窗口

之内，且包含在调度周期Th内，表示为：

C₄₂＝{Z|0≤s_i+d_i≤Th,i∈M}；

F(Z)是调度优化目标函数；

所述目标星地链路规划模型为：max F(Z)＝∑_i∈M(t_ip_i)。

p_i表示任务a_i的优先级。

在一个实施例中，所述构建星间距离可见模型包括：

设r_sat1是sat1的轨道半径，r_sat2是sat2的轨道半径，

是轨道面之间的夹角；

则星间最大指向角可表示为：

设sat1的有效辐射功率为EIRP_sat1，sat2的天线增益为G_sat2、接收灵敏度为S_sat1、天线至接收***输入端的链路损耗为L_sat2，sat1至sat2的空间损耗为L_sp、链路的工作频率为f；

则作为规避***间和***内信号干扰的依据，计算星间信号可达距离R_signal表示为：

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1是现有技术中的一种利用星座卫星组网后的内部星地网络快速响应用户需求的示意图；

图2是本公开实施例提供的一种基于约束满足的低轨互联网星座星地链路规划方法的流程图；

图3是本公开实施例提供的一种地面站对卫星的观测范围示意图；

图4是本公开实施例提供的一种星间距离的可见范围示意图；

图5是本公开实施例提供的一种有效测量链路矩阵的示意图；

图6是本公开实施例提供的一种弧段冲突求解过程的流程图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

本实施例中的场景如下：

卫星场景由800颗小卫星组网形成，轨道高度均为1200km，主要提供互联网接入服务的。地面场景由100个地面信关站组成，均为单波束全功能测控设备。100个地面信关站主要分布于我国东北、西北、中西、东南部和境外的北极。

本公开实施例提供一种基于约束满足的低轨互联网星座星地链路规划方法，如图2所示，该方法包括以下步骤：

步骤201、构建星地几何可见模型。

可选的，根据卫星轨道根数、地面信关站设备的几何布局和站址坐标，采用J2000地球惯性坐标系构建星地几何可见模型。

示例的，根据公式

和

构建所述星地几何可见模型。

其中，如图3所示，其为地面站对卫星的观测范围示意图，G是地面信关站设备，S是在轨运行卫星，E是测控天线电轴与目标卫星间的俯仰角、β是地面信关站设备到目标卫星的地心角、R是地面信关站设备到目标卫星的径向距离、r_E是地面信关站设备的地心距、h_s是目标卫星的轨道高度。

步骤202、构建星间距离可见模型。

可选的，根据不同轨道面卫星的轨道根数和相对位置，构建卫星间的几何可见模型。

示例的，如图4所示，其为星间距离的可见范围示意图，设r_sat1是sat1的轨道半径，r_sat2是sat2的轨道半径，

是轨道面之间的夹角。

则星间最大指向角可表示为：

设sat1的有效辐射功率为EIRP_sat1，sat2的天线增益为G_sat2、接收灵敏度为S_sat1、天线至接收***输入端的链路损耗为L_sat2，sat1至sat2的空间损耗为L_sp、链路的工作频率为f；

则作为规避***间和***内信号干扰的依据，计算星间信号可达距离R_signal表示为：

步骤203、根据所述星地几何可见模型构建星地链路可见模型。

可选的，确定星地链路的雨衰值；获取地面和星载测量设备的功能和星载天线的安装位置；根据所述星地几何可见模型、所述雨衰值、所述地面和星载测量设备的功能和星载天线的安装位置构建星地链路可见模型。

具体的，根据地面站天线外部来自天空和地球辐射的噪声，以及由大气和降雨引起的噪声，估计星地链路的雨衰值。

示例的，根据公式A_RAIN＝γ_RL_E(dB)和公式

确定星地链路的雨衰值。

其中，γ_R为路径衰减因子，L_E为电磁波在雨中的有效路径，当有降雨时，电波穿过的雨区相当于在下行链路上串联了一个物理温度为T_m，衰减为A_RAIN的无源衰减器，T_SKY为空气温度，ΔT_A为雨衰值。降雨引起等效噪声温度发生变化，从而引起信号强度发生变化，最终要接收与未下雨等效强度的信号，需要的功率就发生了变化，变化的部分就是雨衰值，该值与温度变化之间有对应关系，温度是中间变量。

示例的，根据公式

和

构建星地链路可见模型。

其中，R′_max是考虑雨衰以后地面信关站设备的最大测控距离，E′_min是考虑雨衰以后地面信关站设备跟踪目标卫星的最小测控仰角。

步骤204、根据所述星地链路可见模型获取目标卫星与地面信关站设备之间的测量数据。

其中，测量数据包括目标卫星与地面信关站设备之间的距离、方位和仰角数据。

可选的，通过预处理完成资源筛选和调度时长的选择。资源筛选包括地面信关站设备的可用资源筛选和空间星座卫星的可规划资源；调度时长依赖于星地可见预报和相关的约束条件。

地面信关站设备是否可用的主要因素包括：地面信关站设备的工作状态和当地的气象条件。地面信关站设备工作状态按照信息传输规程的约定进行标记，筛选可用资源并参与后续的调度。同时，根据气象分析得到信息传输链路上的雨衰值，根据雨衰值的大小确定地面信关站设备的可用优先级，辅助相关操作策略，例如，地面信关站设备的功率调节、地面信关站设备暂停使用等。

卫星资源是否能够提供服务的主要因素包括：卫星的健康状态、星座***的内部干扰和外部干扰。内部干扰和外部干扰为星间距离可见模型中的干扰约束。根据卫星的实时遥测数据，通过分析卫星健康信息对卫星的可用优先级进行标记。同时，根据星座内部以及相同频段外部的卫星轨道信息，获取星间距离预报结果，判断需要对卫星进行的操作，例如波束调整、功率调整或者暂停服务等。

步骤205、根据所述星地几何可见模型和所述星间距离可见模型确定约束条件。

步骤206、根据所述约束条件确定所述测量数据的有效性，并根据所述测量数据的有效性建立有效测量链路矩阵。

可选，的在确定所有测量数据的有效性后，按照确定的最小时间片对有效数据进行裁剪，并建立有效测量链路矩阵。

示例的，设R是地面信关站设备与目标卫星的径向距离、E是测控天线电轴与目标卫星间的俯仰角；R_max是地面信关站设备的最大测控距离、E_min是地面信关站设备跟踪目标卫星的最小仰角条件。

则有效测量数据的约束条件表示为：R≤R_max,E≥E_min；

ΔT是满足最短测量弧长的时间片，T是信关站设备跟踪卫星的可见弧段时间长度窗口，简称为可见弧段时长窗口，A＝{a₁,a₂,…,a_|M|}是待执行任务集合。

则在一个可见弧段时长窗口内，时间片的数量表示为

本实施例中，时间片的数量可以取1，目的在于，后续的M个信关站和K个卫星组网的星座中的M×K可见矩阵中用到时间片，实际M×K可见矩阵中涉及到的是可见弧段不是时间片，加“时间片的数量取1”后就将可见弧段和时间片等价起来。

针对每颗卫星的测轨任务，设有M个地面信关站设备和K个卫星组网的星座参加测量，则得到M×K可见矩阵，其中，M个地面信关站设备采用G1、G2、…G_M来表示，当时间片内考虑了雨衰等约束后的测量数据满足R≤R_max，E≥E_min，则说明测量数据有效，对应的星地链路数值设置为“1”；当时间片内考虑了雨衰等约束后的测量数据未满足R≤R_max，E≥E_min，则说明测量数据无效，对应的星地链路数值设置为“0”，得到所述有效测量链路矩阵如图5所示，图5中的t为每个可见弧段时长窗口的起始时刻。

设t₁时间卫星s内部干扰信号强度为

地面信关站设备对于星座内部干扰最大容忍程度为max_{g_dis}；t₁时间地面信关站设备g的落雨量是

地面信关站设备运行对于雨量的最大许可范围为max_{g_rain}。

则在一定时间t₁时，星地几何可见窗口实际可用的条件表示为：

该条件为星地链路建立时需要考虑的约束之一：星座内部及外部卫星信号的干扰约束。

步骤207、确定星地组网规划原则。

可选的，根据地面信关站设备资源的几何布局、星座的空间构型，确定单星执行任务时的资源分配原则、以及整体星座规划时的资源分配原则。

(1)动态调整最小原则：由于实施星座在轨管理支持的过程是动态的，当在轨运行管理环境发生变化，如需求突然改变、地面资源出现异常等，都会影响到原先指定好的调度计划。为了适应新的在轨运行管理需求，必须在对原计划进行修订的同时遵循最小影响原则，使得调整后的调度计划变动尽可能最小。

(2)冲突消解策略：多颗卫星需要地面站同时提供信息传输服务时，由于地面站只能为有限数量的卫星提供服务，可能会存在地面信关站天线波束与星座卫星之间的链路调度冲突。具体策略包括：

优先原则：当出现时间冲突时，保证优先级高的任务优先获得弧段使用权。

可行原则：对于地面信关站设备以及航天器，在进行任务切换时，保证留有充足的时间进行状态调整、参数配置，以获得可见弧段的可行性。通常，任务间隔时间是5分钟。

保留原则：当出现可解冲突时，尽可能通过调整可见弧段的起止时间保留有效时间段并完成任务，避免删除可用资源导致的任务无法完成。

不可抢占原则：每个可用弧段被分配后不可被抢占。

独占性原则：单波束设备某一时刻只能为一颗航天器提供测控支持。

设备负担均衡原则：在进行资源调度时需考虑***承担任务的均衡性，即保证各设备承担的任务数相差不大，避免出现某个设备承担太多的任务，而另外某个设备过于空闲的情况。

具体弧段冲突求解过程见图6，其中，图6中的M1和N1为相邻的两个时间窗口；Me为M1时间窗口的结束时间，Et为设备波束的切换时间，Ns为N1时间窗口的开始时间；Ms为M1时间窗口的开始时间，Ne为N1时间窗口的结束时间，Rn为N1时间窗口的最小观测时长，Rm为M1时间窗口的最小观测时长。

示例的，设q是地面信关站设备能够形成的最多波束个数，地面信关站设备能够跟踪卫星的最多目标数量表示为Q≤q；

设T₁和T₂是待执行任务中的两个任务，设任务T₁的执行时刻为S_t1，任务T₂的执行时刻为S_t2，任务T₁和任务T₂之间的最小执行间隔为Δ_k，在执行顺序上，任务T₁和任务T₂的优先关系表示为S_t2≥S_t1+Δ_k；

设SDT_M是地面信关站设备的开始维护时间，EDT_M是地面信关站设备的维护结束时间，最小维护时间为ΔT_M，则星地组网规划原则表示为：

SDT_M≥EDT_M+ΔT_M。

步骤208、根据所述星地组网规划原则、所述约束条件和所述有效测量链路矩阵建立目标星地链路规划模型。

示例的，设A＝{a₁，a₂,…,a_|M|}是待执行任务集合，w_ij是调度时间里卫星i在其第j个可见弧段里要完成的任务，1<i<n,1<j<N_i，n为调度时间要实施任务的卫星数目，N_i为卫星i在调度时间里的可见弧段数，S＝{s₁,s₂,…,s_|G|}是地面信关站设备天线波束的资源集合，C表示约束条件集，包含调度问题的所有约束条件，TW表示时间窗口集，该时间窗口集指的就是上述步骤206中的星地几何可见窗口实际可用的条件，每个任务相对于每个资源有一系列的时间窗口或者没有，如果没有，表示该任务不能在该资源上执行，Th表示调度的截止时间，可用以下形式表示星地链路的调度问题：

Θ＝{A,S,C,TW,Th}；

设t_i∈{0，1}表示任务a_i的调度决策变量，对于一个指定的任务子集

如果所述任务子集

中任一任务没有满足，则调度结果表示无效，完成所述任务子集

的要求表示为：

设x_i,j∈{0,1}表示资源选择决策变量，如果选择资源S_j执行任务a_i，则x_i,j＝1，TW_i,j表示第j个资源对于第i个任务的可用时间窗口集，

表示时间窗口决策变量，如果资源S_j在时间窗口

内执行任务a_i，则

表示可行解集合，该解满足所有的调度约束，对于必须完成的任务子集

必须分配相匹配的资源和时间窗口，表示为：

设st_i表示任务a_i的调度开始时间，d_i表示任务a_i的持续时间，如果任务a_i和任务a_i′同时占用一个资源S_j，则任务a_i和任务a_i′的调度时间必须满足以下条件：

C₂₁＝{Z|x_i,j*s_i-x_i′,k*s_i′≥d_i′，if s_i≥s_i′,i，i′∈M，j∈S}；

C₂₂＝{Z|x_i，j*s_i′-x_i′,j*s_i≥d_i,if s_i′≥s_i,i,i′∈M,j∈S}；

设

表示第k个时间窗口的开始时间，任意可以完成的任务开始时间必须在所选定的资源的可用时间窗口开始时间

之后，表示为：

设

表示第k个时间窗口的结束时间，任意可以完成任务的执行必须在所选定资源的可用时间窗口

之内，且包含在调度周期Th内，表示为：

C₄₂＝{Z|0≤s_i+d_i≤Th,i∈M}；

F(Z)是调度优化目标函数；

所述目标星地链路规划模型为：maxF(Z)＝∑_i∈M(t_ip_i)。

p_i表示任务a_i的优先级。

步骤209、对所述目标星地链路规划模型进行计算，得到星地链路资源调度结果。

可选的，面对待调度的多个需求优先级不同的情形，需求优先级的高低是衡量完成其任务价值所在。本公开以任务满足率和资源节省率的加权最大作为调度目标，以天为基本调度周期，建立目标星地链路规划模型。

示例性的，选择适用于求解较为复杂的大规模组合优化问题的启发式算法，设计了动态调整贪婪算法，以提高求解性能。以下主要对算法改进方面进行阐述：

1)基于冲突程度的初始解构造方法：对未安排的任务基于优先级排序以选取待调度任务，计算待调度任务所有备选弧段与已安排任务窗口的冲突程度，包括冲突数量以及冲突时间总和。每次选择冲突程度最小的弧段加入已安排弧段集合中，保证局部最优且利于当前适应值函数增加，以获得性能较好的初始解。

2)基于时间分片技术的调度：针对传统地面资源调度中存在的“资源碎片化”问题，在算法中实现面向星地链路资源全局调度的时间分片技术。根据星座卫星与地面站的可见时间长度分布，选择合适的时间片参数大小。如果时间片的周期过长，将导致星地链路利用率过低；如果时间片的周期过短，将增加星地链路调度规模，导致调度时间增加。

3)基于先验信息的干扰规避技术：对于低轨星座的干扰主要来自***内部和外部。内部主要是来自两级，而外部主要发生在赤道上空。解决干扰的传统方法是载荷关机或者姿态机动，但是仅适用于单星模式。为了解决星座的干扰规避问题，在算法中加入先验信息，利用规划的手段实现规避。

上述动态调整过程为避免算法陷入循环或无深度搜索的反馈过程，具体操作如下：

Step1：通过STK软件获得初步的星地链接弧段集合，按最短测控持续时间将可见弧段顺序等长划分为短可见弧段，将弧段按其所处时间区间，划分为I个待调度弧段集合。

Step2：取出当前所有未完成的任务记作集合TS。将集合TS基于优先级进行正向排序。判断集合TS是否为空，如果不为空，则进入Step3；否则进入Step9；

Step3：选择优先级最高的任务T，筛选出任务T可用的所有观测弧段，作为集合A。任务T所需观测弧段数量t；

Step4：判断已选弧段集合是否为空。如果为空，则进入Step5；否则进入Step6；

Step5：计算集合A中所有弧段与其余弧段基于最短时间间隔要求的冲突度由小到大排序，选取t个弧段作为候选解。如果冲突度一样，则选择时长最长的前t个弧段作为候选解，重复Step1；

Step6：基于冲突消解策略，删除集合A中与已选弧段间隔小于最短时间间隔要求的星地链接弧段，进入Step7；

Step7：基于干扰规避策略，删除不可用的星地链接弧段，进入Step8；

Step8：根据动态调整最小原则、轨道面均衡策略、时延最小策略以及当前加权满足度最高原则选择t个星地链接弧段作为候选解，进入Step2；

Step9：结束调度，输出所有已选候选解。

仿真时，针对800颗卫星互联网星座1000个任务的调度，贪婪算法结果如表1所示，表1为星座星地链路规划贪婪算法调度结果。

表1

当采用贪婪搜索算法进行星地链路规划时，由于在计算的每个阶段都做出当前最优的决策，且不可再更改决策，无需循环或重复计算。由表1可以看出，贪婪算法运行速度快，能在较短时间内获得可行解。

本公开的有益效果如下：

1、本公开基于约束满足模型的星地链路规划方法，解决了无星间链路的低轨星座在进行多任务调度时忽略星座构型以及星座轨道面均衡使用等规划约束问题。同时解决了单星规划可靠性低、抗毁能力弱以及灵活度小的问题。

2、提出了面向星地链路资源全局调度的时间分片技术。通过动态地选择时间片周期参数，达到合理地解决“资源碎片化”问题和星地链路调度时间问题之间矛盾的目的。

3、提出了基于约束满足规划模型的干扰规避技术。采用先验信息，通过约束满足模型，利用规划的手段实现干扰规避。

4、本公开适用的卫星轨道类型包括：中低轨互联网星座；使用的设备资源类型包括：信关站单波束设备和信关站多波束设备，参加调度的地面信关站设备资源100套。采用改进型启发式贪婪算法进行调度，需要418秒完成调度。

基于上述图2对应的实施例中所描述的基于约束满足的低轨互联网星座星地链路规划方法，本公开实施例还提供一种计算机可读存储介质，例如，非临时性计算机可读存储介质可以是只读存储器(英文：Read Only Memory，ROM)、随机存取存储器(英文：RandomAccess Memory，RAM)、CD-ROM、磁带、软盘和光数据存储装置等。该存储介质上存储有计算机指令，用于执行上述图2对应的实施例中所描述的基于约束满足的低轨互联网星座星地链路规划方法，此处不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

Claims (9)

1.一种基于约束满足的低轨互联网星座星地链路规划方法，其特征在于，所述方法包括：

构建星地几何可见模型；

构建星间距离可见模型；

根据所述星地几何可见模型构建星地链路可见模型；

根据所述星地链路可见模型获取目标卫星与地面信关站设备之间的测量数据；

根据所述星地几何可见模型和所述星间距离可见模型确定约束条件；

根据所述约束条件确定所述测量数据的有效性，并根据所述测量数据的有效性建立有效测量链路矩阵；

确定星地组网规划原则；

根据所述星地组网规划原则、所述约束条件和所述有效测量链路矩阵建立目标星地链路规划模型；

对所述目标星地链路规划模型进行计算，得到星地链路资源调度结果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述星地几何可见模型构建星地链路可见模型包括：

确定星地链路的雨衰值；

获取地面和星载测量设备的功能和星载天线的安装位置；

根据所述星地几何可见模型、所述雨衰值、所述地面和星载测量设备的功能和星载天线的安装位置构建星地链路可见模型。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述构建星地几何可见模型包括：

根据公式

和

构建所述星地几何可见模型；

其中，E是测控天线电轴与目标卫星间的俯仰角、β是地面信关站设备到目标卫星的地心角、R是地面信关站设备到目标卫星的径向距离、r_E是地面信关站设备的地心距、h_s是目标卫星的轨道高度。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述确定星地链路的雨衰值包括：

根据公式A_RAIN＝γ_RL_E(dB)和公式

确定星地链路的雨衰值；

其中，γ_R为路径衰减因子，L_E为电磁波在雨中的有效路径，当有降雨时，电波穿过的雨区相当于在下行链路上串联了一个物理温度为T_m，衰减为A_RAIN的无源衰减器，T_SKY为空气温度，ΔT_A为雨衰值。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述星地几何可见模型构建星地链路可见模型包括：

根据公式

和

构建星地链路可见模型；

其中，R′_max是考虑雨衰以后地面信关站设备的最大测控距离，E′_min是考虑雨衰以后地面信关站设备跟踪目标卫星的最小测控仰角。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述约束条件确定所述测量数据的有效性，并根据所述测量数据的有效性建立有效测量链路矩阵包括：

设R是地面信关站设备与目标卫星的径向距离、E是测控天线电轴与目标卫星间的俯仰角；R_max是地面信关站设备的最大测控距离、E_min是地面信关站设备跟踪目标卫星的最小仰角条件；

则有效测量数据的约束条件表示为：R≤R_max,E≥E_min；

ΔT是满足最短测量弧长的时间片，T是可见弧段时长窗口，A＝{a₁,a₂,…,a_|M|}是待执行任务集合；

则在一个可见弧段时长窗口内，时间片的数量表示为

针对每颗卫星的测轨任务，设有M个地面信关站设备和K个卫星组网的星座参加测量，则得到M×K可见矩阵，当时间片内的测量数据有效时，对应的星地链路数值设置为“1”；当时间片内的测量数据无效时，对应的星地链路数值设置为“0”，得到所述有效测量链路矩阵；

设t₁时间卫星s内部干扰信号强度为

地面信关站设备对于星座内部干扰最大容忍程度为max_{g_dis}；t₁时间地面信关站设备g的落雨量是

地面信关站设备运行对于雨量的最大许可范围为max_{g_rain}；

则在一定时间t₁时，星地几何可见窗口实际可用的条件表示为：

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定星地组网规划原则包括：

设q是地面信关站设备能够形成的最多波束个数，地面信关站设备能够跟踪卫星的最多目标数量表示为Q≤q；

设T₁和T₂是待执行任务中的两个任务，设任务T₁的执行时刻为S_t1，任务T₂的执行时刻为S_t2，任务T₁和任务T₂之间的最小执行间隔为Δ_k，在执行顺序上，任务T₁和任务T₂的优先关系表示为S_t2≥S_t1+Δ_k；

设SDT_M是地面信关站设备的开始维护时间，EDT_M是地面信关站设备的维护结束时间，最小维护时间为ΔT_M，则星地组网规划原则表示为：

SDT_M≥EDT_M+ΔT_M。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据预设的星地组网规划原则和所述有效测量链路矩阵建立目标星地链路规划模型包括：

设A＝{a₁,a₂,…,a_|M|}是待执行任务集合，w_ij是调度时间里卫星i在其第j个可见弧段里要完成的任务，1<i<n,1<j<N_i，n为调度时间要实施任务的卫星数目，N_i为卫星i在调度时间里的可见弧段数，S＝{s₁,s₂,…,s_|G|}是地面信关站设备天线波束的资源集合，C表示约束条件集，包含调度问题的所有约束条件，TW表示时间窗口集，每个任务相对于每个资源有一系列的时间窗口或者没有，如果没有，表示该任务不能在该资源上执行，Th表示调度的截止时间，可用以下形式表示星地链路的调度问题：

Θ＝{A,S,C,TW,Th}；

设t_i∈{0,1}表示任务a_i的调度决策变量，对于一个指定的任务子集

如果所述任务子集

中任一任务没有满足，则调度结果表示无效，完成所述任务子集

的要求表示为：

设x_i,j∈{0,1}表示资源选择决策变量，如果选择资源S_j执行任务a_i，则x_i,j＝1，TW_i,j表示第j个资源对于第i个任务的可用时间窗口集，

表示时间窗口决策变量，如果资源S_j在时间窗口

内执行任务a_i，则

表示可行解集合，该解满足所有的调度约束，对于必须完成的任务子集

必须分配相匹配的资源和时间窗口，表示为：

设st_i表示任务a_i的调度开始时间，d_i表示任务a_i的持续时间，如果任务a_i和任务a_i′同时占用一个资源S_j，则任务a_i和任务a_i′的调度时间必须满足以下条件：

C₂₁＝{Z|x_i,j*s_i-x_i′,j*s_i′≥d_i′,if s_i≥s_i′,i,i′∈M,j∈S}；

C₂₂＝{Z|x_i，j*s_i′-x_i′，j*s_i≥d_i,if s_i′≥s_i,i,i′∈M,j∈S}；

设

表示第k个时间窗口的开始时间，任意可以完成的任务开始时间必须在所选定的资源的可用时间窗口开始时间

之后，表示为：

设

表示第k个时间窗口的结束时间，任意可以完成任务的执行必须在所选定资源的可用时间窗口

之内，且包含在调度周期Th内，表示为：

C₄₂＝{Z|0≤s_i+d_i≤Th,i∈M}；

F(Z)是调度优化目标函数；

所述目标星地链路规划模型为：max F(Z)＝∑_i∈M(t_ip_i)。

p_i表示任务a_i的优先级。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述构建星间距离可见模型包括：

设r_sat1是sat1的轨道半径，r_sat2是sat2的轨道半径，

是轨道面之间的夹角；

则星间最大指向角可表示为：

设sat1的有效辐射功率为EIRP_sat1，sat2的天线增益为G_sat2、接收灵敏度为S_sat1、天线至接收***输入端的链路损耗为L_sat2，sat1至sat2的空间损耗为L_sp、链路的工作频率为f；

则作为规避***间和***内信号干扰的依据，计算星间信号可达距离R_signal表示为：

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