面向Walker星座的星座拓扑构型表征方法、系统及应用与流程
本发明属于卫星网络设计技术领域，尤其涉及一种面向walker星座的星座拓扑构型表征方法、系统及应用。
背景技术：
目前，walker星座是一类均匀对称且圆形轨道星座，通常包含δ星座和σ星座两种类型。j.gwalker提出的δ(delta)星座的网络参数为t/p/f，其中t为星座卫星总数，每颗卫星都具有相同轨道半长轴a的圆轨道，轨道倾角为κ；p为轨道面的数目，p个轨道平面按照升交点均匀分布在参考平面上，每个轨道面上均匀分布有s颗卫星，且满足关系t＝ps；f为星座的相位参数，描述了相邻轨道面之间的相位差和星座上卫星的相对位置。
随着激光通信、相控阵天线等技术的成熟，卫星之间建立可靠的通信链路已经在工程上可实现。尽管walker星座能够利用尽可能少的卫星实现高效的全球无缝覆盖，但是一个最优覆盖的walker星座其空间段的信息承载能力并不一定是最优的，因为walker星座设计者的初衷并未考虑表征星座的空间拓扑结构。仅从walker星座的对地覆盖角度出发，难以设计一个覆盖性能和空间承载能力都最优的卫星网络。walker星座的空间拓扑表征影响了空间段的平均路径跳数、端到端时延和网络容量等关键性能指标。
关于卫星网络的拓扑表征大致可分为两类，其中一类工作基于时间扩展图动态表征了卫星网络的拓扑变化，但是随着walker星座节点数的增加，拓扑变化迅速，网络切片数增加，基于拓扑的路由算法复杂度激增，不利于快速求解。另一类工作基于是利用walker星座的对称性，只考虑永久存在的星间链路，将walker星座表征为一张静态拓扑。静态拓扑中“一星四链”的建链模式应用广泛，例如iridium星座每颗卫星与同轨两颗相邻的卫星以及东西相邻轨道上各自的一颗卫星建链。但是目前基于walker星座的静态拓扑构建只是对连接方式的简单描述，并未系统的给出一个影响拓扑构型的关键参数来描述walker星座的星间网络连接关系的拓扑结构。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)现有基于t/p/f的walker星座只能描述覆盖能力，无法描述星座的星间网络拓扑结构。
(2)现在技术表征walker星座拓扑的方法复杂度高，不利于路由算法快速求解。
解决以上问题及缺陷的难度为：
(1)walker星座的卫星数目、轨道数目等网络参数是可变化的，因此星座拓扑构型的表征应当随着星座规模动态变化。
(2)walker星座的卫星节点数量庞大，满足建链约束的异轨链路存在多种选择，导致拓扑结构复杂多变，难以统一概括。
解决以上问题及缺陷的意义为：根据t/p/f等walker星座的网络参数和建链约束，提出扭曲系数u将walker星座复杂的星间拓扑构型进行分类，每一类拓扑构型都有各自特殊的性质，有利于后续对walker星座拓扑构型的研究和应用开发；解决了大规模walker星座的拓扑设计问题，有助于帮助描述相同覆盖能力walker星座的空间段承载能力上的区别，提升了卫星网络设计易操作性和准确性。
技术实现要素：
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种面向walker星座的星座拓扑构型表征方法、系统及应用。
本发明是这样实现的，一种面向walker星座的星座拓扑构型表征方法，所述方法包括：
初始化walker星座的网络参数，并根据位置对所有卫星进行编号；
根据walker星座参数和建链约束，计算扭曲系数u的取值集合；
从取值集合中选择扭曲系数u，设计对应的walker星座的拓扑构型邻接矩阵；
用t/p/f/u表征由t/p/f的walker星座依据扭曲系数u形成的星座拓扑构型。
进一步，所述面向walker星座的星座拓扑构型表征方法的具体步骤包括：
(1)初始化输入的walker星座网络参数：输入为高度为h，轨道倾角为κ的t/p/fwalker星座，其中卫星总数为t、轨道数为p、相位因子为f、每轨道卫星数
(2)根据walker星座参数和建链约束，计算扭曲系数的取值集合υ；
(2a)初始化t/p/fwalker星座的异轨可建链集合sc1和sc2：在2轨道上寻找能同1轨道卫星s101满足永久建链条件的卫星，并将其卫星编号计入集合sc1，在1轨道上寻找能同p轨道卫星sp01满足永久建链条件的卫星，并将其卫星编号计入集合sc2；
(2b)对于
υ＝{u|u＝((p-1)(m-1)+n-1)mods,m∈sc1,n∈sc2}；
(3)从取值集合υ中选择扭曲系数u，设计对应walker星座拓扑构型的邻接矩阵h；
(3a)用一个由0和1组成的t×t邻接矩阵h表示t/p/fwalker星座的星间网络连接关系，其中1代表两颗卫星之间建立单向的星间链路，0代表两颗卫星之间没有连接；
(3b)初始化邻接矩阵h为全0矩阵；
(3c)任意选择一种满足条件的m和n的取值方案使得u＝((p-1)(m-1)+n-1)mods,m∈sc1,n∈sc2,u∈υ，执行以下操作；
(3c1)在拓扑构型邻接矩阵h中建立异轨链路映射关系，对h执行以下操作；
(3c1a)对于
(3c1b)对于
(3c1c)对拓扑构型邻接矩阵h进行以下矩阵运算，完成双向异轨链路的映射关系；
h＝h+h'；
(3c2)在拓扑构型邻接矩阵h中建立同轨链路映射关系，对h执行以下操作；
(3c2a)对于
(3c2b)对于
(4)用t/p/f/u表征由t/p/f的walker星座依据扭曲系数u形成的星座拓扑构型：
以t/p/f/u表示walker星座的拓扑构型，对于u的某些特殊取值所形成的拓扑构型，存在如下命名规则：
当u＝0，t/p/f/0的星座拓扑构型为2d-torus结构；
当u与s互质时，t/p/f/u的星座拓扑构型为hamilton结构，即在星座不存在同轨链路，只存在异轨链路的情况下，星间网络依旧是连通的。
进一步，所述面向walker星座的星座拓扑构型表征方法中对网络中所有的卫星进行编号，实现如下：
(a)根据walker星座t/p/f参数，计算每颗卫星的升交点赤经和升交点角距；
(b)相同的升交点赤经卫星为划分为同一轨道，升交点赤经相近的轨道为相邻轨道；
(c)选定1轨道和1轨道上的1号卫星；
(d)从1轨道自西向东对轨道编号i进行累加；
(e)计算其他轨道上的1号卫星，并按卫星运动方向对每轨道上卫星编号j进行累加。
进一步，所述面向walker星座的星座拓扑构型表征方法中建链约束，实现如下：
(a)判断两颗卫星是否满足视距可见条件；
(b)判断两颗卫星之间建链是否在天线的摆动范围；
(c)判断两颗卫星之间的发射功率是否满足通信需求；
(d)满足上述需求则可判定两星之间满足建链约束。
进一步，所述面向walker星座的星座拓扑构型表征方法中满足永久建链条件，指的是两卫星自始至终的满足建链约束。
进一步，所述面向walker星座的星座拓扑构型表征方法中扭曲系数u取值集合υ，其涵盖了扭曲系数u在特定的walker星座参数和建链约束下的所有可能取值。
进一步，所述面向walker星座的星座拓扑构型表征方法中设计对应walker星座拓扑构型的邻接矩阵h，在此声明邻接矩阵只是对星座拓扑构型的一种表现形式，对相同星座拓扑构型的不同表现形式也属于保护范围；
所述面向walker星座的星座拓扑构型表征方法中用一个由0和1组成的t×t邻接矩阵h表示t/p/fwalker星座的星间网络连接关系，实现如下：
(a)邻接矩阵h的t行与walker星座中的t颗卫星一一对应，邻接矩阵h的t列与walker星座中的t颗卫星一一对应；
(b)邻接矩阵h内位于第i行、第j列的元素表示了第i行所对应的卫星与第j列所对应的卫星是否存在永久链路。
进一步，所述面向walker星座的星座拓扑构型表征方法中以t/p/f/u表示walker星座的拓扑构型，其实现如下：
(a)t/p/f/u中的t/p/f参数与walker星座的t/p/f参数相同；
(b)扭曲系数u∈υ，t/p/f/u在u取值不同时，表征的walker星座的拓扑构型不同。
本发明的另一目的在于提供实施所述方法的一种面向walker星座的星座拓扑构型表征系统，所述系统包括：
星座参数输入模块，用于初始化walker星座的网络参数，并根据位置对所有卫星进行编号；
扭曲系数计算模块，用于根据walker星座参数和建链约束，计算扭曲系数u的取值集合；
邻接矩阵设计模块，用于从取值集合中选择扭曲系数，设计对应的walker星座的拓扑构型邻接矩阵；
星座拓扑构型形成模块，用t/p/f/u表征由t/p/f的walker星座依据扭曲系数u形成的星座拓扑构型。
本发明的另一目的在于提供一种卫星网络通信系统，所述卫星网络通信系统搭载所述的面向walker星座的星座拓扑构型表征系统。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提出了walker星座扭曲系数u的概念，利用t/p/f/u参数有效地描述了参数为t/p/f的walker星座可形成且之间存在较大差异的星座拓扑构型，描述了walker星座的空间拓扑特性和空间段信息承载能力，可以帮助设计一个覆盖性能和空间段信息承载能力综合最优的卫星网络。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，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是本发明实施例提供的面向walker星座的星座拓扑构型表征方法流程图。
图2是本发明实施例提供的面向walker星座的星座拓扑构型表征系统的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的实施例1中输入的60/6/1的walker星座的示意图。
图4是本发明实施例提供的实施例1中卫星s101与2轨道上卫星的可建链时间窗结果示意图。
图5是本发明实施例提供的实施例1中卫星s601与1轨道上卫星的可建链时间窗结果示意图。
图6是本发明实施例提供的实施例1中通过扭曲系数u＝0表征的walker星座2d-torus拓扑构型示意图。
图7是本发明实施例提供的实施例1中通过扭曲系数u＝1表征的walker星座hamilton拓扑构型示意图。
图8是本发明的仿真结果中网络平均路径跳数随扭曲系数变化的折线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种面向walker星座的星座拓扑构型表征方法、系统及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明提供的面向walker星座的星座拓扑构型表征方法包括以下步骤：
s101：初始化walker星座的网络参数，并根据位置对所有卫星进行编号；
s102：根据walker星座参数和建链约束，计算扭曲系数u的取值集合；
s103：从取值集合中选择扭曲系数u，设计对应walker星座拓扑构型的邻接矩阵；
s104：用t/p/f/u表征由t/p/f的walker星座依据扭曲系数u形成的星座拓扑构型。
本发明提供的面向walker星座的星座拓扑构型表征方法，对于业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1仅仅是本发明提供的面向walker星座的星座拓扑构型表征方法的一个具体实施例而已。
本发明提供的面向walker星座的星座拓扑构型表征方法具体包括以下步骤：
(1)初始化输入的walker星座网络参数：输入为高度为h，轨道倾角为κ的t/p/fwalker星座，其中卫星总数为t、轨道数为p、相位因子为f、每轨道卫星数
(2)根据walker星座参数和建链约束，计算扭曲系数的取值集合υ；
(2a)初始化t/p/fwalker星座的异轨可建链集合sc1和sc2：在2轨道上寻找能同1轨道卫星s101满足永久建链条件的卫星，并将其卫星编号计入集合sc1，在1轨道上寻找能同p轨道卫星sp01满足永久建链条件的卫星，并将其卫星编号计入集合sc2；
(2b)对于
υ＝{u|u＝((p-1)(m-1)+n-1)mods,m∈sc1,n∈sc2}；
(3)从取值集合υ中选择扭曲系数u，设计对应walker星座拓扑构型的邻接矩阵h；
(3a)用一个由0和1组成的t×t邻接矩阵h表示t/p/fwalker星座的星间网络连接关系，其中1代表两颗卫星之间建立单向的星间链路，0代表两颗卫星之间没有连接；
(3b)初始化邻接矩阵h为全0矩阵；
(3c)任意选择一种满足条件的m和n的取值方案使得u＝((p-1)(m-1)+n-1)mods,m∈sc1,n∈sc2,u∈υ，执行以下操作；
(3c1)在拓扑构型邻接矩阵h中建立异轨链路映射关系，对h执行以下操作；
(3c1a)对于
(3c1b)对于
(3c1c)对拓扑构型邻接矩阵h进行以下矩阵运算，完成双向异轨链路的映射关系；
h＝h+h'；
(3c2)在拓扑构型邻接矩阵h中建立同轨链路映射关系，对h执行以下操作；
(3c2a)对于
(3c2b)对于
(4)用t/p/f/u表征由t/p/f的walker星座依据扭曲系数u形成的星座拓扑构型：
以t/p/f/u表示walker星座的拓扑构型，对于u的某些特殊取值所形成的拓扑构型，存在如下命名规则：
当u＝0，t/p/f/0的星座拓扑构型为2d-torus结构；
当u与s互质时，t/p/f/u的星座拓扑构型为hamilton结构，即在星座不存在同轨链路，只存在异轨链路的情况下，星间网络依旧是连通的。
如图2所示，本发明提供的面向walker星座的星座拓扑构型表征系统包括：
星座参数输入模块1，用于初始化walker星座的网络参数，并根据位置对所有卫星进行编号；
扭曲系数计算模块2，用于根据walker星座参数和建链约束，计算扭曲系数u的取值集合；
邻接矩阵设计模块3，用于从取值集合中选择扭曲系数，设计对应的walker星座的拓扑构型邻接矩阵；
星座拓扑构型形成模块4，用t/p/f/u表征由t/p/f的walker星座依据扭曲系数u形成的星座拓扑构型。
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。
实施例1，基于60/6/1/0的walker星座的2d-torus星座拓扑表征
本发明实例从一个60/6/1的walker星座出发，构建扭曲系数u＝0的星间网络拓扑，实现对walker星座的2d-torus星座拓扑的表征。
步骤一，初始化walker星座的网络参数：
如图3所示，初始化的walker星座参数：高度为h＝2500km，轨道倾角为κ＝53°，卫星总数为t＝60、轨道数为p＝6、相位因子为f＝1、每轨道卫星数
步骤二，根据walker星座参数和建链约束，计算扭曲系数的取值集合υ：
(2a)初始化60/6/1walker星座的异轨可建链集合sc1和sc2：通过stk软件分析，如图4所示，2轨道上能同卫星s101建立链路的卫星分别为s210、s209、s208、s202、s201，但s202不可建立永久链路，因此sc1＝{10,9,8,1}，如图5所示，在1轨道上能同6轨道卫星s601建链条件的卫星分别为s110、s109、s103、s102、s101，但s103不可建立永久链路，因此sc2＝{10,9,2,1}；
(2b)对于
υ＝{u|u＝((p-1)(m-1)+n-1)mods,m∈sc1,n∈sc2}
u的取值范围与m和n的关系可用以下表1表示：
表1
因此u的取值范围集合为υ＝{0,1,3,4,5,6,8,9}
步骤三，选择扭曲系数u＝0设计60/6/1/0walker星座的拓扑构型邻接矩阵h：
3a)初始化一个t×t的邻接矩阵h为全0矩阵，其中位于卫星siji＝1,2,…,6j＝01,02,…,10对应的行与卫星sklk＝1,2,…,6l＝01,02,…,10对应的列处的元素为1代表从卫星sij到卫星skl的链路存在，0代表链路不存在；
3b)初始化邻接矩阵h为全0矩阵；
3c)选取m＝9,n＝1，构建扭曲系数u＝0对应的拓扑构型邻接矩阵h，其对应的星座拓扑结构如图6所示，操作如下：
3c1)在拓扑构型邻接矩阵h中建立异轨链路映射关系，对h执行以下操作：
3c1a)对于
3c1b)对于
3c1c)对拓扑构型邻接矩阵h进行以下矩阵运算，完成双向异轨链路的映射关系，对应图6中任意两卫星之间的双向链路：
h＝h+h'；
3c2)在拓扑构型邻接矩阵h中建立同轨链路映射关系，对h执行以下操作：
3c2a)对于
3c2b)对于
步骤四，用60/6/1/0表征由60/6/0的walker星座依据扭曲系数u＝0形成的星座拓扑构型：
已知u＝0，所以60/6/1/0星座的星座拓扑构型为2d-torus拓扑结构，通过邻接矩阵h生成的拓扑结构如图6所示。
实施例2，基于60/6/1/1的walker星座的hamilton拓扑构型表征
本发明实例从一个60/6/1的walker星座出发，构建扭曲系数u＝1的星间网络拓扑结构，实现对walker星座的hamilton拓扑构型的表征。本实施例的walker星座的参数和建链约束同实施例1，但是其输入的扭曲系数u＝1，其形成的walker星座拓扑构型不同于实施例1。
步骤一，初始化walker星座的网络参数：
本步骤的具体实现与实施例1的步骤一相同。
步骤二，根据walker星座参数和建链约束，计算扭曲系数的取值集合υ：
本步骤的具体实现与实施例1的步骤二相同。
步骤三，选择扭曲系数u＝1设计60/6/1的walker星座的拓扑构型邻接矩阵h：
3a)初始化一个t×t的邻接矩阵h为全0矩阵，其中位于卫星siji＝1,2,…,6j＝01,02,…,10对应的行与卫星sklk＝1,2,…,6l＝01,02,…,10对应的列处的元素为1代表从卫星sij到卫星skl的链路存在，0代表链路不存在；
3b)初始化邻接矩阵h为全0矩阵；
3c)选取m＝1,n＝2，构建扭曲系数u＝1对应的拓扑构型邻接矩阵h，其对应的拓扑构型如图7所示，操作如下：
3c1)在拓扑构型邻接矩阵h中建立异轨链路映射关系，对h执行以下操作：
3c1a)对于
3c1b)对于
3c1c)对拓扑构型邻接矩阵h进行以下矩阵运算，完成双向异轨链路的映射关系，对应图7中任意两卫星之间的双向链路：
h＝h+h'；
3c2)在拓扑构型邻接矩阵h中建立同轨链路映射关系，对h执行以下操作：
3c2a)对于
3c2b)对于
步骤四，用60/6/1/1表征由60/6/1的walker星座依据扭曲系数u＝1形成的星座拓扑构型：
因为u＝1，即u＝1与s＝10互质，60/6/1/1星座的拓扑构型为hamilton拓扑结构，即在星座不存在同轨链路，只存在异轨链路的情况下，星间网络依旧是连通的。
下面结合仿真对本发明的技术效果作详细的描述。
本仿真中对60/6/1的walker星座在建链约束下可形成的所有星座拓扑构型和网络的平均路径跳数进行了分析，展示了相同t/p/f参数下，根据扭曲系数u的不同数值，所形成的存在明显差异的walker星座拓扑构型。
仿真参数：
walker星座的卫星总数为60，轨道数为6，相位因子为1，轨道倾角为53度，轨道高度为2500km。卫星间的建链约束：两卫星是否可永久的保持视距可见，卫星天线的摆动范围、发射功率不做约束。
仿真结果：
利用扭曲系数u表征60/6/1walker的星座拓扑构型，表2给出了几种该walker星座的拓扑构型的表征方法，及其对应的平均路径跳数。
表2
从表2中可以看出，对于相同参数的walker星座(t/p/f参数，轨道高度和轨道倾角完全一致，即对地覆盖能力相同)，在相同的建链约束下，共有16种建链组合，利用扭曲系数u对16种拓扑进行分类，可形成8种不同的星座拓扑构型，可用扭曲系数u∈{0,1,3,4,5,6,8,9}唯一表示。图8给出了网络的平均路径跳数随扭曲系数的变化图，这说明walker星座的形成的不同拓扑的网络连通性不同。基于t/p/f/u的walker星座的星间拓扑表示方法，有效的区分了walker星座具有不同空间段承载能力的星间网络拓扑，可帮助从对地覆盖和星间承载两方面帮助设计walker星座。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、cd或dvd-rom的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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