本發(fā)明涉及無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及雙層混合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)及覆蓋性能評(píng)估。

背景技術(shù)：

與傳統(tǒng)通信方式相比，衛(wèi)星通信以其覆蓋范圍廣、通信容量大、傳輸質(zhì)量好、組網(wǎng)方便迅速、便于實(shí)現(xiàn)全球無(wú)縫覆蓋等眾多優(yōu)點(diǎn)，成為下一代網(wǎng)絡(luò)(nextgenerationnetwork,ngn)的重要組成部分。

單顆衛(wèi)星僅僅能覆蓋地球表面的一部分，一個(gè)靜止軌道(geostationaryearthorbit,geo)衛(wèi)星對(duì)地球的覆蓋面積不超過(guò)30％，而實(shí)現(xiàn)全球覆蓋則需要將類型和功能相似的多顆衛(wèi)星，按照一定的相位要求布放在相似的或互補(bǔ)的軌道上，并通過(guò)合理軌道設(shè)計(jì)和星座配置來(lái)提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)的整體性能。因此，衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要任務(wù)是衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)，合理的星座結(jié)構(gòu)和軌道設(shè)計(jì)能夠?qū)πl(wèi)星資源既可以進(jìn)行充分利用,降低系統(tǒng)復(fù)雜度,又能滿足系統(tǒng)的指標(biāo)要求,更好地改善衛(wèi)星通信系統(tǒng)的性能。衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)目標(biāo)是以最少數(shù)量的衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)對(duì)指定區(qū)域的連續(xù)覆蓋，其實(shí)質(zhì)是在相關(guān)參數(shù)的結(jié)合中找出符合設(shè)計(jì)要求的最適合參數(shù)。衛(wèi)星通信系統(tǒng)的覆蓋性能與衛(wèi)星數(shù)量、軌道高度、軌道類型、星座模型、軌道傾角、同一軌道中相鄰衛(wèi)星和相鄰軌道中衛(wèi)星間的相位關(guān)系等因素緊密關(guān)聯(lián)。

傳統(tǒng)的leo、meo及geo單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)由于受到單一軌道的限制，存在系統(tǒng)時(shí)延過(guò)高、網(wǎng)絡(luò)阻塞率大、網(wǎng)絡(luò)抗毀能力差、星載跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)困難等問(wèn)題；而由leo、meo和geo共同構(gòu)成的三層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)由于星間鏈路數(shù)目較多，鏈路的頻繁切換導(dǎo)致鏈路的建立和管理極為復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)比較困難。

為了解決傳統(tǒng)單層衛(wèi)星星座阻塞概率大以及三層衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)管理復(fù)雜等問(wèn)題，本發(fā)明基于“最差觀察點(diǎn)”、“覆蓋帶”理論進(jìn)行分析，結(jié)合我國(guó)的地理位置和國(guó)情需求，提出了一種基于meo/leo的雙層混合衛(wèi)星星座優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，相互彌補(bǔ)了各自星座設(shè)計(jì)的不足，保證了對(duì)中國(guó)地區(qū)的全覆蓋；同時(shí)，通過(guò)建立層次分析法(analytichierarchyprocess，ahp)模型，提出了一種統(tǒng)一評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算模型，對(duì)不同構(gòu)型的星座進(jìn)行覆蓋性能統(tǒng)一評(píng)價(jià)，從而解決了傳統(tǒng)單一性能指標(biāo)(如：最低覆蓋仰角等)不能對(duì)不同構(gòu)型星座的覆蓋性能進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在解決以上現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題。提出了一種有效的提升對(duì)中國(guó)區(qū)域的覆蓋率、降低平均間隙時(shí)長(zhǎng)和平均響應(yīng)時(shí)間的雙層混合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)及其覆蓋性能評(píng)估方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種雙層混合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其包括以下步驟：

進(jìn)行衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)具體包括步驟：

a1)設(shè)定衛(wèi)星星座的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(主要是衛(wèi)星軌道的選取)，采用walker星座對(duì)中軌道m(xù)eo衛(wèi)星進(jìn)行組網(wǎng)分析(分析體現(xiàn)在對(duì)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì))和星座優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用極軌星座對(duì)低軌道leo衛(wèi)星進(jìn)行了組網(wǎng)分析和星座設(shè)計(jì)，建立meo層/leo層雙層混合衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)，其中meo層由nm×mm顆meo衛(wèi)星組成，其中nm表示meo衛(wèi)星的軌道個(gè)數(shù)，mm表示每個(gè)軌道中meo衛(wèi)星的數(shù)目，leo層由nl×ml顆leo衛(wèi)星組成，分別為nl個(gè)軌道面，每個(gè)軌道中包含ml顆leo衛(wèi)星；

a2)判斷設(shè)定的衛(wèi)星星座的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是否滿足覆蓋性能，若不能滿足則返回重新設(shè)計(jì)a1)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；若滿足則對(duì)衛(wèi)星的衛(wèi)星數(shù)、仰角進(jìn)行最優(yōu)配置。

進(jìn)一步的，所述建立meo層/leo層雙層混合衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)是結(jié)合了“最差觀察點(diǎn)”以及“覆蓋帶”理論。

進(jìn)一步的，所述采用walker星座對(duì)中軌道m(xù)eo衛(wèi)星進(jìn)行組網(wǎng)分析和星座優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用極軌星座對(duì)低軌道leo衛(wèi)星進(jìn)行了組網(wǎng)分析和星座設(shè)計(jì)，具體包括步驟：

1)衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提出衛(wèi)星通信系統(tǒng)所需要滿足的覆蓋范圍以及衛(wèi)星軌道選擇，對(duì)衛(wèi)星星座的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)先假定設(shè)計(jì)；

2)衛(wèi)星參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)leo、meo衛(wèi)星星座參數(shù)，包括軌道面、相位關(guān)系和軌道傾角在內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)最差觀察點(diǎn)準(zhǔn)則，以及衛(wèi)星覆蓋帶理論分別對(duì)meo、leo星座的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)計(jì)算；

3)判斷星座是否滿足覆蓋性能要求，如果不滿足，則返回步驟1)，重新選取衛(wèi)星軌道，設(shè)計(jì)新的星座拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；反之，則繼續(xù)下一步；

4)判斷在滿足覆蓋性能要求的情況下，星座結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星數(shù)、仰角是否達(dá)到最優(yōu)配置。如果是，則得到最優(yōu)的星座設(shè)計(jì)；如果否，則返回步驟2)，繼續(xù)對(duì)軌道高度、軌道傾角、軌道平面的個(gè)數(shù)、每個(gè)軌道平面上的衛(wèi)星個(gè)數(shù)參數(shù)通過(guò)最差觀察點(diǎn)準(zhǔn)則以及衛(wèi)星覆蓋帶理論進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，直至得到最優(yōu)的星座設(shè)計(jì)。

進(jìn)一步的，所述meo衛(wèi)星主要負(fù)責(zé)路由計(jì)算、對(duì)leo衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)管理、以及在leo衛(wèi)星失效或負(fù)載過(guò)重時(shí)承擔(dān)部分業(yè)務(wù)，leo衛(wèi)星軌道高度較低，星地傳播時(shí)延較小，因此主要作為接入層衛(wèi)星，負(fù)責(zé)信息的傳輸和交換。

一種基于所述雙層混合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的覆蓋性能評(píng)估方法，其包括以下步驟：

利用層次分析法對(duì)meo-leo雙層混合衛(wèi)星星座的覆蓋性能進(jìn)行分析和評(píng)估，通過(guò)設(shè)置4層結(jié)構(gòu)來(lái)建立遞階層次結(jié)構(gòu)評(píng)估模型，所述4層結(jié)構(gòu)包括目標(biāo)層a、準(zhǔn)則層b、指標(biāo)層c、方案層，目標(biāo)層考慮的是星座設(shè)計(jì)要滿足的要求，即星座的覆蓋性能；準(zhǔn)則層進(jìn)行評(píng)估決策準(zhǔn)則的選取，即覆蓋時(shí)間和覆蓋重?cái)?shù)；指標(biāo)層對(duì)影響覆蓋性能的指標(biāo)進(jìn)行判斷；最后，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)覆蓋性能進(jìn)行評(píng)估，確定出衛(wèi)星星座優(yōu)化設(shè)計(jì)方案來(lái)滿足系統(tǒng)覆蓋性能要求。

進(jìn)一步的，所述指標(biāo)層對(duì)影響覆蓋性能的指標(biāo)包括覆蓋面積百分比、平均連續(xù)覆蓋間隙時(shí)長(zhǎng)、平均響應(yīng)時(shí)間、平均連續(xù)覆蓋時(shí)長(zhǎng)、瞬時(shí)最大覆蓋重?cái)?shù)。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果如下：

本發(fā)明中，針對(duì)單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)抗毀能力差、處理時(shí)延高以及三層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管理復(fù)雜、鏈路冗余度高等問(wèn)題，結(jié)合“最差觀察點(diǎn)”以及“覆蓋帶”理論，分別采用walker星座和極軌星座對(duì)meo和leo衛(wèi)星進(jìn)行了組網(wǎng)分析和星座設(shè)計(jì)，通過(guò)meo衛(wèi)星星座實(shí)現(xiàn)對(duì)中國(guó)地區(qū)的全覆蓋，leo衛(wèi)星星座實(shí)現(xiàn)對(duì)中國(guó)地區(qū)的多重覆蓋，采用互補(bǔ)軌道設(shè)計(jì)方法分別對(duì)meo和leo層衛(wèi)星星座進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，對(duì)星座模型進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整、減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的衛(wèi)星數(shù)目；此外，針對(duì)傳統(tǒng)衛(wèi)星覆蓋性能指標(biāo)不能對(duì)不同構(gòu)型的衛(wèi)星星座進(jìn)行統(tǒng)一評(píng)價(jià)的問(wèn)題，基于層次分析法模型，結(jié)合多個(gè)覆蓋性能指標(biāo)，建立了一種對(duì)不同構(gòu)型衛(wèi)星星座的覆蓋性能統(tǒng)一評(píng)估模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同星座結(jié)構(gòu)的覆蓋性能進(jìn)行統(tǒng)一評(píng)價(jià)。本發(fā)明不僅能夠很好的提升對(duì)中國(guó)區(qū)域的覆蓋率，而且可以有效的降低平均間隙時(shí)長(zhǎng)和平均響應(yīng)時(shí)間，從而滿足對(duì)中國(guó)地區(qū)的全天時(shí)覆蓋的總體設(shè)計(jì)要求。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明提供優(yōu)選實(shí)施例meo/leo雙層混合衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)模型圖；

圖2是圓軌道衛(wèi)星覆蓋特性示意圖；

圖3所示為最差觀察點(diǎn)幾何示意圖；

圖4所示為衛(wèi)星覆蓋帶示意圖；

圖5是雙層混合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)及覆蓋性能評(píng)估流程示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、詳細(xì)地描述。所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案是，

本發(fā)明內(nèi)容所涉及的概念和模型如下：

1.網(wǎng)絡(luò)模型

圖1是meo/leo雙層混合衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)模型圖。其中，meo層由nm×mm顆meo衛(wèi)星組成，其中nm表示meo衛(wèi)星的軌道個(gè)數(shù)，mm表示每個(gè)軌道中meo衛(wèi)星的數(shù)目。meo衛(wèi)星處理能力強(qiáng)，主要負(fù)責(zé)路由計(jì)算、對(duì)leo衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)管理、以及在leo衛(wèi)星失效或負(fù)載過(guò)重時(shí)承擔(dān)部分業(yè)務(wù)等任務(wù)，從而能夠有效的增強(qiáng)星座網(wǎng)絡(luò)的抗毀性等。leo層由nl×ml顆leo衛(wèi)星組成，分別為nl個(gè)軌道面，每個(gè)軌道中包含ml顆leo衛(wèi)星。leo衛(wèi)星軌道高度較低，星地傳播時(shí)延較小，因此主要作為接入層衛(wèi)星，負(fù)責(zé)信息的傳輸和交換，以降低時(shí)延，提高星座的性能。

2.衛(wèi)星覆蓋特性

圖2是圓軌道衛(wèi)星覆蓋特性示意圖。根據(jù)開(kāi)普勒第二定律和第三定律可知，衛(wèi)星的運(yùn)行速度vs和軌道周期ts分別為：

其中，μ為開(kāi)普勒常數(shù)，μ＝g(m+ms)≈gm＝3.978655×10⁵km³/s²，ms為衛(wèi)星質(zhì)量，可忽略不計(jì)；re為地球半徑，h為衛(wèi)星軌道高度，e為地面觀察點(diǎn)對(duì)衛(wèi)星的俯仰角，由正弦定理可以得到在星下覆蓋區(qū)對(duì)應(yīng)的地球中心角(即覆蓋半地心角)θ，即：

以及地面觀察點(diǎn)對(duì)衛(wèi)星的仰角e，即：

γ為半衛(wèi)星視角，且有：

d是地面觀察點(diǎn)到衛(wèi)星的距離，由余弦定理可以得到覆蓋區(qū)邊緣距衛(wèi)星距離，即：

地面觀察點(diǎn)處于衛(wèi)星覆蓋區(qū)域的邊緣時(shí)，e取最小值emin，由式(5)可知，此時(shí)覆蓋帶半地心角得到最大值θmax，觀察點(diǎn)到衛(wèi)星的路徑長(zhǎng)度達(dá)到最長(zhǎng)，自由空間損耗也達(dá)到最大值。

用戶到衛(wèi)星的傳播時(shí)延為：

在地球表面，衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域面積為：

s＝2π·re²·(1-cosθ)

(8)

衛(wèi)星在地面上的覆蓋半徑為：

r＝re·sinθ

(9)

衛(wèi)星在地面上的覆蓋弧長(zhǎng)為：

l地面＝2re·θ

(10)

用戶可以通信的衛(wèi)星軌道弧長(zhǎng)為：

l衛(wèi)星＝2(re+h)·θ

(11)

用戶可以與衛(wèi)星通信的最長(zhǎng)時(shí)間為：

兩顆衛(wèi)星間的最長(zhǎng)星間鏈路距離為：

3.最差觀察點(diǎn)準(zhǔn)則

圖3所示為最差觀察點(diǎn)幾何示意圖。相鄰三顆衛(wèi)星的星下點(diǎn)在地球表面可構(gòu)成一個(gè)球面三角形。設(shè)meo星座的衛(wèi)星總數(shù)為nsum，則可形成不重疊的星下點(diǎn)球面三角形的個(gè)數(shù)為stri＝2nsum-4。令球面三角形頂點(diǎn)角為a,b,c，則最差觀察點(diǎn)與衛(wèi)星瞬時(shí)最大地心角rijk滿足：

為保證中國(guó)地區(qū)全天時(shí)覆蓋，衛(wèi)星的最小覆蓋半地心角需滿足θmin≥sin²(rijk)max。

4.衛(wèi)星覆蓋帶理論

圖4所示為衛(wèi)星覆蓋帶示意圖。覆蓋帶，是指在同一個(gè)軌道平面內(nèi)相鄰的多顆衛(wèi)星之間對(duì)地面重疊覆蓋而形成的連續(xù)覆蓋區(qū)域。單顆衛(wèi)星覆蓋的半地心角θ與覆蓋帶半(地心角)寬度ω之間的關(guān)系滿足：

其中，sp為每個(gè)軌道平面內(nèi)的衛(wèi)星數(shù)量，ε為衛(wèi)星之間的半地心角寬度。

圖5所示為雙層混合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)及覆蓋性能評(píng)估流程示意圖，其具體實(shí)施方法包括如下步驟：

101、結(jié)合“最差觀察點(diǎn)”以及“覆蓋帶”理論，分別采用walker星座和極軌星座對(duì)meo和leo衛(wèi)星進(jìn)行了組網(wǎng)分析和星座設(shè)計(jì)，如下：

1)衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提出星座的覆蓋范圍以及衛(wèi)星選擇等，對(duì)衛(wèi)星星座的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)先假定設(shè)計(jì)。

2)衛(wèi)星參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)leo、meo衛(wèi)星星座參數(shù)(如：軌道面、相位關(guān)系和軌道傾角等)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3)判斷星座是否滿足覆蓋性能要求，如果不滿足，則返回步驟1)，重新設(shè)計(jì)星座的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；反之，則繼續(xù)下一步。

4)判斷在滿足覆蓋性能要求的情況下，星座結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星數(shù)、仰角是否達(dá)到最優(yōu)配置。如果是，則得到最優(yōu)的星座設(shè)計(jì)；如果否，則返回步驟2)，繼續(xù)對(duì)軌道高度、軌道傾角、軌道平面的個(gè)數(shù)、每個(gè)軌道平面上的衛(wèi)星個(gè)數(shù)等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，直至得到最優(yōu)的星座設(shè)計(jì)。

102、利用層次分析法對(duì)meo-leo雙層混合衛(wèi)星星座的覆蓋性能進(jìn)行分析和評(píng)估，如下：

利用層次分析法對(duì)meo-leo雙層混合衛(wèi)星星座的覆蓋性能進(jìn)行分析和評(píng)

估。通過(guò)設(shè)置4層(目標(biāo)層a、準(zhǔn)則層b、指標(biāo)層c、方案層)結(jié)構(gòu)來(lái)建立

遞階層次結(jié)構(gòu)評(píng)估模型，目標(biāo)層考慮的是星座設(shè)計(jì)要滿足的要求，即星座的

覆蓋性能；準(zhǔn)則層進(jìn)行評(píng)估決策準(zhǔn)則的選取，即覆蓋時(shí)間和覆蓋重?cái)?shù)；指標(biāo)

層對(duì)影響覆蓋性能的指標(biāo)(如：覆蓋面積百分比、平均連續(xù)覆蓋時(shí)長(zhǎng)、平均

間隙時(shí)長(zhǎng)等)進(jìn)行判斷；最后，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)覆蓋性能進(jìn)行評(píng)估，考慮通過(guò)采

用怎樣的衛(wèi)星星座優(yōu)化設(shè)計(jì)方案來(lái)滿足系統(tǒng)覆蓋性能要求。

以上這些實(shí)施例應(yīng)理解為僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。在閱讀了本發(fā)明的記載的內(nèi)容之后，技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等效變化和修飾同樣落入本發(fā)明權(quán)利要求所限定的范圍。