本發(fā)明屬于衛(wèi)星通信，具體的說是涉及一種低軌通信衛(wèi)星的高效通感資源分配方法。
背景技術(shù)：
：：1、通感一體化，即通信感知一體化，是未來通信的重要新增能力和創(chuàng)新方向之一。該技術(shù)通過將通信和感知系統(tǒng)融合，?具有多感官性、?自然性、?交互性和智能化等特點，在低空經(jīng)濟(jì)、?智慧交通、?智能制造等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。2、目前的通感一體化平臺常見于地面基站與無人機，覆蓋范圍有限，感知目標(biāo)有限，而低軌衛(wèi)星平臺相較于地面端在運行成本，覆蓋范圍，工作能力，抗干擾能力等方面具有巨大優(yōu)勢，是做通感一體的優(yōu)良載體，3、然而目前基于低軌衛(wèi)星的通感一體化研究較少，尤其是在通信與感知側(cè)的需求分析，體制設(shè)計與資源分配方面。現(xiàn)有的衛(wèi)星感知技術(shù)常見于天基預(yù)警衛(wèi)星，其直接利用地面雷達(dá)的工作機制，大功率，高成本，目標(biāo)明顯，使用場景脫離民用范圍?，F(xiàn)有文獻(xiàn)提出利用低軌通信衛(wèi)星完成感知任務(wù)，軌道高度低，地面接收功率高，數(shù)量多，覆蓋區(qū)域廣，相較于高軌衛(wèi)星，實現(xiàn)感知的可能性更高，然而其功能設(shè)計完全基于現(xiàn)有的雷達(dá)感知，犧牲全部的通信能力來完成感知，未能考慮通信衛(wèi)星的實際工作需求與特點，對民用通信衛(wèi)星不現(xiàn)實。4、為利用有限的平臺資源，現(xiàn)有的衛(wèi)星通信常采用跳波束機制，通過利用波束在不同波位之間的跳變實現(xiàn)對更多區(qū)域的覆蓋，最大化利用系統(tǒng)資源，該體制下資源分配體系相對完善，以最大化用戶滿意度為目標(biāo)，然而該體制下資源分配完全基于通信考慮，無空余資源留給感知側(cè)，且缺少感知層面的需求分析，無法直接兼容感知模塊。因此，如何在兼容現(xiàn)有衛(wèi)星通信體制的情況下，正確估計感知需求，實現(xiàn)通感聯(lián)合設(shè)計，最大化系統(tǒng)效能是需要解決的問題。技術(shù)實現(xiàn)思路1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明引入感知需求分析以及聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計，提出一種低軌通信衛(wèi)星的高效通感資源分配方法，結(jié)合跳波束工作體制，在平臺資源有限，無法分出空余感知資源的情況下，進(jìn)行通感時間資源分配聯(lián)合優(yōu)化，生成跳波束圖案，最大化利用系統(tǒng)資源，實現(xiàn)通感一體化。2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：3、本發(fā)明是一種低軌通信衛(wèi)星的高效通感資源分配方法，通感資源分配方法具體包括以下步驟：4、步驟1、根據(jù)衛(wèi)星軌道高度以及波束寬度，估計單個地面波位的半徑，由中心波位向外拓展后得到簇的大小與形狀，進(jìn)行地面波位編排，得到地面波位分布；5、步驟2、根據(jù)衛(wèi)星軌道高度以及最大星地間服務(wù)距離，估計衛(wèi)星的最大服務(wù)時間，確定跳波束周期內(nèi)時隙個數(shù)和單時隙長度；6、步驟3、利用步驟1得到的地面波位分布，結(jié)合感知目標(biāo)類型和雷達(dá)鏈路傳播方程，估計每個地面波位的感知需求時間；7、步驟4、利用步驟1得到的地面波位分布，根據(jù)地理位置加權(quán)因子以及經(jīng)濟(jì)加權(quán)因子或船舶流量加權(quán)因子，估算每個波位的通信資源需求；8、步驟5、利用步驟3得到的感知資源需求與步驟4得到的通信資源需求，以二階差分函數(shù)為目標(biāo)進(jìn)行時隙分配聯(lián)合優(yōu)化，得到每個波位所需要的時隙個數(shù)；9、步驟6、利用步驟5得到的每個波位所需時隙個數(shù)，結(jié)合用戶終端最大保持時間與目標(biāo)感知最大間斷時間，確定衛(wèi)星波束在每個波位的駐留時間和工作次序，生成跳波束圖案。10、本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于：在所述步驟1中，進(jìn)行地面波位編排具體包括如下步驟：11、步驟1.1、根據(jù)衛(wèi)星軌道高度以及波束寬度得到單波束所覆蓋的地面波位半徑：12、13、其中，為工作波長，為天線孔徑，為波束寬度，為衛(wèi)星軌道高度，為地面波位半徑；14、步驟1.2、在單個地面波位設(shè)計的基礎(chǔ)上進(jìn)行地面波位編排：波位形狀設(shè)置為正六邊形，由中心波位向外拓展編排，構(gòu)成由多個波位組成的簇，分別對波位進(jìn)行編號以便于對各個波位的通信與感知需求進(jìn)行分析，由波位的地面波位半徑得到相鄰波位中心之間的距離為，衛(wèi)星覆蓋區(qū)域劃分為多個簇的集合。由于每個簇的資源調(diào)度方法相同，以下需求分析與優(yōu)化過程均基于單簇單波束進(jìn)行。15、本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述步驟2具體包括以下步驟：16、步驟2.1、根據(jù)衛(wèi)星高度計算得衛(wèi)星的運行速度：17、18、其中，是衛(wèi)星運行速度，是萬有引力常量，為地球質(zhì)量，是衛(wèi)星軌道高度，是地球半徑，衛(wèi)星與地面接收端的最大接收仰角設(shè)置為60°，不考慮地球曲率時則衛(wèi)星與地面接收端的最大星地間服務(wù)距離約為衛(wèi)星軌道高度的兩倍，即=；19、步驟2.2、衛(wèi)星的最大服務(wù)時間由衛(wèi)星過頂距離以及運行速度確定，衛(wèi)星過頂距離由衛(wèi)星軌道高度，地球半徑和最大星地間服務(wù)距離確定：20、<mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><msub><mi>θ</mi><mi>r</mi></msub><mi>=</mi><mi>a</mi><mi>cos[(</mi><msubsup><mi>r</mi><mi>e</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><mi>(</mi><msub><mi>r</mi><mi>e</mi></msub><mo>+</mo><mi>h</mi><msup><mi>)</mi><mn>2</mn></msup><mi>?</mi><msubsup><mi>r</mi><mi>max</mi><mn>2</mn></msubsup><mi>)/(</mi><mn>2</mn><mi>×</mi><msub><mi>r</mi><mi>e</mi></msub><mi>×</mi><mi>(</mi><msub><mi>r</mi><mi>e</mi></msub><mo>+</mo><mi>h</mi><mi>))]</mi></mstyle>21、22、23、其中，為衛(wèi)星運行到可服務(wù)最遠(yuǎn)段時與地面接收端的地心夾角，為衛(wèi)星能夠提供服務(wù)的過頂距離，為衛(wèi)星的最大服務(wù)時間，跳波束周期長度小于最大服務(wù)時間且設(shè)為整數(shù)秒，跳波束時隙個數(shù)為128個或64個，確定跳波束周期和時隙個數(shù)后得到單個時隙長度，單時隙長度等于跳波束周期長度除以時隙個數(shù)。24、本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述步驟3具體包括以下步驟：25、步驟3.1、由相鄰波位中心之間的距離以及衛(wèi)星軌道高度得到衛(wèi)星與每個地面波位中心之間的距離，設(shè)衛(wèi)星初始位置為簇中心波位正上空，則衛(wèi)星與該波位中心的距離，其他波位中心與衛(wèi)星的距離由衛(wèi)星高度與相鄰波位間隔數(shù)得到，，其中，為該波位與中心波位的間隔波位數(shù)；26、步驟3.2、根據(jù)得到衛(wèi)星與地面波位中心之間的距離計算靜態(tài)場景下的感知需求時間和動態(tài)服務(wù)場景下感知需求時間。27、本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于：在靜態(tài)場景下，雷達(dá)的鏈路傳播方程為：28、29、其中，為最大發(fā)射功率，為發(fā)射增益，為發(fā)射孔徑，為感知目標(biāo)大小，為等效積累脈沖個數(shù)，為脈沖積累效率，為玻爾茲曼常數(shù)，為噪聲溫度，為噪聲系數(shù)，為噪聲帶寬，為最遠(yuǎn)感知距離。30、為單脈沖檢測所需要的信噪比，由虛警概率和檢測概率得到：31、<mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mtablecolumnalign="left"><mtr><mtd><mi>(</mi><mrowbevelled="true"><mi>s</mi><mostretchy="true">/</mo><mi>n</mi></mrow><msub><mi>)</mi><mn>1</mn></msub><mi>=</mi><mi>a</mi><mo>+</mo><mn>0</mn><mi>.</mi><mn>12</mn><mi>ab</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mi>.</mi><mn>7</mn><mi>b</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>a</mi><mi>=</mi><mi>ln[</mi><mn>0</mn><mi>.</mi><mn>62</mn><mi>/</mi><msub><mi>p</mi><mi>fa</mi></msub><mi>]</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>b</mi><mi>=</mi><mi>ln[</mi><msub><mi>p</mi><mi>d</mi></msub><mi>/(</mi><mn>1</mn><mi>?</mi><msub><mi>p</mi><mi>d</mi></msub><mi>)]</mi></mtd></mtr></mtable></mstyle>32、為平均發(fā)射功率，由最大峰值功率轉(zhuǎn)換得到：33、34、其中，為脈沖持續(xù)時間，為脈沖寬度。用接收機半功率帶寬表示噪聲帶寬，峰值功率轉(zhuǎn)換為平均功率，半功率帶寬和脈沖寬度兩者的乘積在非調(diào)制的簡單脈沖雷達(dá)系統(tǒng)中等于1，最終可以得到以表示的感知所需時間：35、36、其中，為接收增益。37、本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于：在動態(tài)服務(wù)場景下，確定衛(wèi)星的初始位置、運動方向的基礎(chǔ)上，則衛(wèi)星目標(biāo)間距離與感知過程中衛(wèi)星運動時間有關(guān)，設(shè)感知目標(biāo)處在波位正中心不動，衛(wèi)星初始位置為波位中心正上空，運動方向遠(yuǎn)離波位中心，則衛(wèi)星與波位中心的距離可以表示為：38、39、其中，為衛(wèi)星運動時間，為衛(wèi)星與地面波位中心即目標(biāo)之間的距離。40、動態(tài)場景下整個連續(xù)感知過程可以看作是積累信噪比的累加。將衛(wèi)星的運動軌跡劃分成等長的弧線，當(dāng)弧線劃分的足夠小時，可以認(rèn)為該段運動內(nèi)衛(wèi)星與目標(biāo)的感知距離相同，以此計算每段時間內(nèi)積累的信噪比。41、通過計算累加的信噪比，直到滿足感知所需要的最小信噪比，可以得到完成感知任務(wù)所需要的時間：42、43、式中，是第段弧線內(nèi)積累的信噪比，是第段弧線運動的時間，是第段弧線內(nèi)的衛(wèi)星目標(biāo)距離，由此得到衛(wèi)星的感知需求時間。44、本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于：在所述步驟4中、以經(jīng)緯度為單位將每個地面波位劃分為網(wǎng)格，通過計算所有網(wǎng)格的業(yè)務(wù)量之和來決定該地面波位的通信資源需求，具體包括：45、步驟4.1、陸地的地理位置加權(quán)因子為，使用單位面積的地區(qū)生產(chǎn)總值來衡量一地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r，經(jīng)濟(jì)加權(quán)因子計算公式如下：46、47、48、其中，是網(wǎng)格所在地區(qū)的總值，是網(wǎng)格的大小，是所有網(wǎng)格中的最大單位面積地區(qū)生產(chǎn)總值；49、步驟4.2、海洋或者湖泊的地理位置加權(quán)因子為?，使用船舶流量加權(quán)因子?來衡量各網(wǎng)格間的流量差異：50、51、其中，是通過查詢ais船舶定位得到的網(wǎng)格內(nèi)的船舶數(shù)量，為所有網(wǎng)格中的最大船舶數(shù)量，每個網(wǎng)格的業(yè)務(wù)量強度因子表示為：52、53、步驟4.3、結(jié)合該地區(qū)的基礎(chǔ)通信速率，統(tǒng)計地面波位內(nèi)的網(wǎng)格業(yè)務(wù)量強度得到該地面波位的通信業(yè)務(wù)量需求：54、。55、本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述步驟5具體包括以下步驟：56、步驟5.1、選擇使用通感一體化時隙實現(xiàn)跳波束周期內(nèi)時隙資源的復(fù)用，達(dá)到基本通感功能，為保障基本的通信能力，選擇使用二階差分目標(biāo)函數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)：57、58、其中，是第個波位提供的通信業(yè)務(wù)量，是第個波位需要的通信業(yè)務(wù)量，為簇內(nèi)波位數(shù)量；59、步驟5.2、在優(yōu)化目標(biāo)確定后，時隙聯(lián)合優(yōu)化需滿足如下約束條件：60、a.通信約束條件：61、62、其中，為同時擁有通信與感知需求的波位，為僅有通信需求的波位，是第個波位分配到的時隙數(shù)，是跳波束周期內(nèi)總時隙個數(shù)，是簇內(nèi)可同時工作的最大波束數(shù)；63、波束提供的通信業(yè)務(wù)量與時隙數(shù)的關(guān)系為：64、65、其中，表示通信損耗系數(shù)，為通感一體化系統(tǒng)提供的總通信容量；66、b.感知約束條件：67、68、其中，為感知性能損耗系數(shù)，為單時隙長度，為最短所需感知時間等于感知需求時間；69、步驟5.3、將步驟5.1中二階差分函數(shù)優(yōu)化在約束條件下的求解過程轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問題，利用凸優(yōu)化工具箱求解時隙分配整數(shù)解。70、本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述步驟6具體包括如下步驟：71、依據(jù)步驟5得到的各波位的時隙分配整數(shù)解，按照時隙個數(shù)數(shù)量從小到大的順序排列，使時隙個數(shù)少的波位優(yōu)先分配完；72、步驟6.2、考慮所有波位，在通信用戶終端同步的最大保持時間內(nèi)，保證所有波位都出現(xiàn)過，已分配完的波位除外，將未出現(xiàn)的波位時隙移動到前面，使波束重訪時間和通信用戶終端用戶同步的最大保持時間之間，滿足；73、步驟6.3、考慮單個波位，波位的所有時隙間隔不能超過目標(biāo)感知的最大間斷時間，超過的時隙移動到前方，使波束重訪時間與目標(biāo)感知的最大間斷時間，滿足；74、步驟6.4、經(jīng)過步驟6.1的時隙數(shù)量排列與步驟6.2與步驟6.3的時隙移動后得到跳波束圖案。75、本發(fā)明的有益效果是：76、本發(fā)明引入通感一體化時隙概念，在衛(wèi)星平臺資源有限，無法分出空余資源時，仍能為目標(biāo)提供基本的感知資源，使得在低軌衛(wèi)星場景下的通感一體傳輸能夠?qū)崿F(xiàn)。77、本發(fā)明利用通感時隙分配聯(lián)合優(yōu)化以及跳波束圖案一體化設(shè)計，使其能夠與現(xiàn)有跳波束通信體制兼容，最大化利用了現(xiàn)有平臺資源。當(dāng)前第1頁12當(dāng)前第1頁12