用于多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的衛(wèi)星覆蓋和星間鏈路分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及移動衛(wèi)星通信領(lǐng)域，具體涉及一種衛(wèi)星覆蓋分析及鏈路分析技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]首先，建設(shè)空天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)具有重要意義。21世紀，空間是重要的科技資源，也是重要的戰(zhàn)略資源，而空天地一體化網(wǎng)絡(luò)既是人類進入空間的橋梁，也是人類認識和利用空間的手段和基礎(chǔ)?？仗斓匾惑w化信息網(wǎng)絡(luò)將改變天地操作中頻繁切換協(xié)議的現(xiàn)狀，提高互操作效率，改變天地專用協(xié)議過多的局面，促進規(guī)范化發(fā)展，改變信息不能很好共享的局面，充分發(fā)揮航天的應(yīng)用效益，避免重復(fù)建設(shè)，促進航天資源整合優(yōu)化，是未來航天活動的必然要求。
[0003]而且，多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計又直接影響著未來空天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的通信性能?？仗斓匾惑w化信息網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)主要依靠衛(wèi)星通信，衛(wèi)星通信以其覆蓋范圍廣、移動性強、傳輸容量大、組網(wǎng)方式靈活等特點逐漸成為未來通信網(wǎng)的核心組成部分。由多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)組成的衛(wèi)星通信模式，具有空間頻譜利用率高、組網(wǎng)靈活、抗毀性強等優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)各種軌道高度衛(wèi)星星座的優(yōu)勢互補，將成為未來衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一種理想組網(wǎng)模式。
[0004]另外，覆蓋特性和鏈路特性是衡量多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量的兩個重要指標。如何建立一種科學合理，高效快捷，靈活而又穩(wěn)定的衛(wèi)星覆蓋分析和鏈路分析方法，是多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中必須要考慮的關(guān)鍵問題。
[0005]目前的衛(wèi)星大多是利用無線電或者光進行通信或者觀測，由于無線電和光具有直線傳播的特性，因此衛(wèi)星只能在一定的角度范圍之內(nèi)才能傳輸或收集信息，因此這涉及到衛(wèi)星的覆蓋問題。覆蓋特性是在多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)星座設(shè)計仿真中的重要分析特性，而星座的設(shè)計目的之一，就是滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性和低成本性的前提下，盡可能的提升星座對地球表面的覆蓋，特別是能夠?qū)崿F(xiàn)全球覆蓋。
[0006]關(guān)于星間鏈路分析方法，在衛(wèi)星通信系統(tǒng)星間鏈路的幾何分析之中，有三個量具有重要的意義:星間鏈路指向俯仰角、星間鏈路指向方位角和星間鏈路長度。通過對星間鏈路指向俯仰角和方位角的研究，可以預(yù)先計算出鄰近衛(wèi)星的空間位置變化情況，加快衛(wèi)星對相鄰衛(wèi)星的搜尋速度，有利于星間鏈路的建立；俯仰角和方位角變化情況還表明衛(wèi)星上安裝星間通信裝置的復(fù)雜程度。而星間鏈路長度的變化情況不但對星間通信系統(tǒng)的功率大小提出了基本要求，而且對鏈路通信系統(tǒng)的功率變化的動態(tài)范圍也提出要求。
[0007]綜上所述，衛(wèi)星覆蓋分析和星間鏈路分析技術(shù)應(yīng)該具有如下特征:
[0008]1)、實時高效:多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)時刻處于持續(xù)高速動態(tài)運行過程中，必須對衛(wèi)星的覆蓋特性和鏈路特性進行快速的計算，從而做出及時的響應(yīng)，這就需要分析方法應(yīng)簡單快速；
[0009]2)、數(shù)據(jù)量小:分析數(shù)據(jù)需要由服務(wù)器端傳輸至客戶端，為了節(jié)省傳輸時間，要求分析的數(shù)據(jù)量較小，并容易存儲和備份；
[0010]3)、操作簡捷:為了進一步提升響應(yīng)客戶端請求的速度，衛(wèi)星覆蓋分析和鏈路分析應(yīng)全部采用可視化用戶界面設(shè)計，減少操作的復(fù)雜性；
[0011]4)、適應(yīng)性強:各種多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)無論是在節(jié)點設(shè)計還是在鏈路連接上都是復(fù)雜多樣的，衛(wèi)星覆蓋分析和鏈路分析方法需要適應(yīng)不同的多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，并能夠準確穩(wěn)定的進行計算。
[0012]現(xiàn)有的方案及其優(yōu)缺點:20世紀90年代，國際學者提出了建設(shè)多層衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)想。無論是基于ME0/LE0或GE0/LE0的雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，還是基于GE0/ME0/LE0的三層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，其主要設(shè)計目標都是盡可能地提高網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和增大星間鏈路的連通時間。
[0013]1945年，Arthur C.Clarker提出用三顆GE0就能夠?qū)崿F(xiàn)(準)全球通信，但是由于GE0衛(wèi)星系統(tǒng)對地球表面的覆蓋度最高只能達到97.6%，無法覆蓋高瑋度地區(qū)，特別是偏遠的兩極地區(qū)，再加上其距離地球遠，星地鏈路損耗大，通信時延較長，所以不適用于實時性很強的業(yè)務(wù)。而利用非靜止軌道(NGS0)衛(wèi)星組成星座，不僅可以用于區(qū)域覆蓋、間斷覆蓋，而且可以做到包括兩極區(qū)域的真正意義上的全球連續(xù)覆蓋。所以非靜止軌道衛(wèi)星利用這些優(yōu)勢逐漸取代了靜止軌道衛(wèi)星，成為星座設(shè)計的優(yōu)先選擇。
[0014]21世紀初，Akyildiz I F提出了三層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及MLSR路由算法。所有的GEO衛(wèi)星組成GE0衛(wèi)星層，GE0相對地球靜止，并且在地球赤道上空形成覆蓋帶，組成了路由算法決策中樞。ΜΕ0衛(wèi)星層作為網(wǎng)絡(luò)的中間層，在任意時刻都能夠?qū)崿F(xiàn)對地球的全球覆蓋。LE0衛(wèi)星層，距離地球距離最近，利用傳輸時延小的特點，主要實現(xiàn)對地面移動終端的接入。雖然Akyildiz I F的三層網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)設(shè)計使星座的運行效率得到提升，但是LEO衛(wèi)星層內(nèi)星間鏈路的存在仍然增大了系統(tǒng)的復(fù)雜性。這個問題在后面的系統(tǒng)中得到了改善。
[0015]Durga Shankar Dasha 提出了由 GEO、LEO 和高空平臺 HAP (High AltitudePlatform)組成的三層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。GE0作為高軌道的骨干路由器，LEO作為低軌道的下層路由器，而低軌道的HAP提供用戶接入服務(wù)。Durga Shankar Dasha還將具有優(yōu)先級的負載平衡路由選擇算法應(yīng)用于多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，為不同需求的用戶提供了高速寬帶業(yè)務(wù)。
[0016]關(guān)于衛(wèi)星覆蓋和星間鏈路的分析方法，以空間定位技術(shù)和開普勒定律為基礎(chǔ)發(fā)展而來，衛(wèi)星仿真工具包STK(Satellite Tool Kit)是AGI公司開發(fā)的一款專業(yè)的航天設(shè)計和分析工具?？梢岳肧TK對場景進行設(shè)計，搭建多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，進行動態(tài)實時仿真。通過設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，可以對多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和鏈路特性進行計算和評估。然而在實際項目中直接應(yīng)用STK存在一定缺點，由以下三點原因:(1)STK專業(yè)性較強，操作較復(fù)雜，非專業(yè)人員使用具有一定難度。(2)STK的存儲和運行均占用較大資源，而用戶一般只需要實現(xiàn)STK的部分功能(比如覆蓋分析功能)，這就需要對STK功能進行精簡。(3) STK運行于服務(wù)器端，而客戶端需要獲取仿真數(shù)據(jù)時，必須與服務(wù)器進行數(shù)據(jù)傳輸。而STK并不具備數(shù)據(jù)傳輸功能，所以有必要對STK的功能進行擴展。上述幾點原因均限制了 STK在實際項目中的直接應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]本發(fā)明是為了解決部分多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中無法實現(xiàn)衛(wèi)星對地面的全球覆蓋和建立永久性星間鏈路的問題，從而提供一種用于多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的衛(wèi)星覆蓋和星間鏈路分析方法。
[0018]用于多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的衛(wèi)星覆蓋和星間鏈路分析方法，在多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，它由以下步驟實現(xiàn):
[0019]步驟一、初始化:輸入多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計要求和設(shè)計參數(shù)；
[0020]步驟二、建立空間運行場景，若第一次建立此場景，則執(zhí)行步驟二一，若空間場景已經(jīng)存在于星座庫中，則執(zhí)行步驟二二 ；
[0021]步驟二一、新建場景，設(shè)定場景的起始運行時間、結(jié)束運行時間和當前時間節(jié)點，執(zhí)行步驟二；
[0022]步驟二二、從星座庫中導入場景，動態(tài)調(diào)整場景的其實運行時間，結(jié)束運行時間和當前時間節(jié)點，執(zhí)行步驟五；
[0023]步驟三、搭建分布式星群，若待建的衛(wèi)星存在于衛(wèi)星庫中，則執(zhí)行步驟三一，若待建的衛(wèi)星未存在于衛(wèi)星庫中，則執(zhí)行步驟三二 ；
[0024]步驟三一、從衛(wèi)星庫中導入衛(wèi)星，當確認衛(wèi)星的軌道及各項參數(shù)符合步驟一所述的設(shè)計要求時，執(zhí)行步驟四；
[0025]步驟三二、建立新的衛(wèi)星對象，設(shè)定衛(wèi)星的軌道傾角、半長軸、偏心率、生節(jié)點位置、近地點幅角和衛(wèi)星初始時刻，選擇軌道坐標系類型和運行范圍，對衛(wèi)星方位角，俯仰角進行約束；執(zhí)行步驟四；
[0026]步驟四、建立地面站，設(shè)定地面站的經(jīng)度、瑋度和高度，計算衛(wèi)星和地面站的接入時間；執(zhí)行步驟五；
[0027]步驟五、創(chuàng)建星群模型，將多衛(wèi)星接入星群，設(shè)定衛(wèi)星對地面的最小仰角，選擇輸出的覆蓋類型，計算星群對地面的覆蓋范圍，執(zhí)行步驟六；
[0028]步驟六、建立星間鏈路，設(shè)定各衛(wèi)星的通信距離和通信仰角，選擇鏈路特性，計算星間鏈路的持續(xù)時間，執(zhí)行步驟七；
[0029]步驟七、搭建數(shù)據(jù)傳輸模型，獲取需求方的數(shù)據(jù)請求并作出響應(yīng)，將星座的覆蓋特性和鏈路特性分析數(shù)據(jù)傳送至需求方。
[0030]步驟五中，對衛(wèi)星的覆蓋分析的方法具體為:
[0031]步驟五一、將多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)分割為傘形分布式星群，并對每個星群創(chuàng)建一個覆蓋對象；
[0032]步驟五二、通過衛(wèi)星庫導入的方式，選取待測衛(wèi)星作為覆蓋單元，歸類到覆蓋對象中；
[0033]步驟五三、在覆蓋對象屬性中，設(shè)定覆蓋坐標和經(jīng)瑋度上限，即覆蓋范圍；
[0034]步驟五四、根據(jù)覆蓋報告要求，選擇衛(wèi)星對地面的覆蓋類型，并在制定運行周期內(nèi)對覆蓋對象進行計算，輸出覆蓋報告；
[0035]步驟五五、以文本形式保存覆蓋報告，用于在服務(wù)器與客戶端之間進行數(shù)據(jù)傳輸。
[0036]步驟六中，對星間鏈路的分析方法具體為:
[0037]步驟六一、根據(jù)步驟五一中分布式星群的分割形式，對每個星群建立一個星間鏈路對象；
[0038]步驟六二、根據(jù)鏈路分析需求，選取待測鏈路作為鏈路單元，歸類到鏈路對象中；
[0039]步驟六三、根據(jù)鏈路報告要求，選擇層間鏈路或?qū)觾?nèi)鏈路的鏈路類型，在制定周期內(nèi)對鏈路對象進行計算，輸出鏈路分析報告；
[0040]步驟六四、以文本形式保存鏈路分析報告，用于在服務(wù)器和客戶端之間進行數(shù)據(jù)傳輸。
[0041]步驟七中，在服務(wù)器與客戶端之間傳輸分析報告的方法具體為:
[0042]步驟七一、服務(wù)器端搭載多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真運行環(huán)境，開啟監(jiān)聽服務(wù)，由服務(wù)器確定本地的IP和端口號，對全網(wǎng)進行廣播，并對客戶端的請求進行監(jiān)聽；
[0043]步驟七二、客戶端通過OnConnect方法發(fā)送連接請求至服務(wù)器端，服務(wù)器在OnAccept方法中進行處理，決定是否進行連接；
[0044]步驟七三、當連接確立后，服務(wù)器和客戶端分別可以通過Receive和Send方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā):在客戶端處，由需求方制定待分析的數(shù)據(jù)，并通過特殊指令，傳送給服務(wù)器；服務(wù)器收到指令后，進行相應(yīng)的相應(yīng)，計算衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的覆蓋特性或鏈路特性，并將生成的文本報告返回至客戶端處；
[0045]步驟七四、當數(shù)據(jù)傳輸完成后，由客戶端發(fā)出終止通信的請求，服務(wù)器收到請求后，負責執(zhí)行OnStop方法，斷開端口連接，結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸過程。
[0046]本發(fā)明是一種衛(wèi)星覆蓋和鏈路分析方法。本發(fā)明在初始階段，獲取多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計參數(shù)，建立空間場景，設(shè)定場景運行周期，根據(jù)軌道參數(shù)新建或?qū)胄l(wèi)星和地面站，建立多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型；依據(jù)衛(wèi)星軌道和地面站的相對位置，分析衛(wèi)星對地面站的持續(xù)接入時間；對星群進行層次化處理，設(shè)置衛(wèi)星仰角等參數(shù)，分析各層衛(wèi)星對地面的覆蓋特性；對同層衛(wèi)星和層間衛(wèi)星