一种卫星导航系统及其拓扑规划星间链路网络的方法与流程

本发明涉及卫星领域，尤其涉及一种卫星导航系统及其拓扑规划星间链路网络的方法。
背景技术：
：星间链路就是在卫星之间建立无线链路，在导航系统中，建设星间链路可以实现卫星之间的通信和测距功能，利用星间链路通信可以更加频繁的对导航星历进行更新，提高导航系统的服务性能，同时实现测控信息的转发，对导航星座进行间接测控；利用星间链路进行卫星间测距，可以提高卫星定轨精度，或在没有地面站支持的情况下实现导航星座自主运行。目前，全球各大导航系统均开展了星间链路技术的研究或应用。时分体制的星间链路是当下一种先进的星间链路体制，该体制下每颗卫星配置一副指向可控的天线，在不同时刻切换天线指向，实现不同卫星间的星间链路建立，因此星间链路网络的拓扑结构是时变的。这种体制的星间链路具有成本低、效率高、网络拓扑灵活以及性能优异等突出特点。该体制的星间链路网络拓扑为预先规划，即根据事先计算的卫星轨道参数，按照一定的方法和策略约定每颗卫星在不同时刻与指定的目标卫星建立星间链路。两颗卫星一次建链的持续时长称为一个时隙，多个时隙组成一个建链周期，通过约定星座回归周期内每个时隙的卫星建链关系，即可完成星间链路网络的拓扑规划，确定星间链路网络拓扑的时变规律。基于星间链路网络拓扑规划结果，星间链路网络完成数据传输和星间测距。星间链路网络拓扑规划结果与星间链路网络的性能密切相关，直接影响卫星的测量观测数据、卫星定轨精度、网络信息传输时延、网络通信吞吐量等重要指标。因此，针对这类时变的导航系统星间链路网络，综合考虑星间链路的通信、测量和扩展使用需求，设计一种优化的网络拓扑规划方法具有十分重要的意义。目前，虽然有少部分导航系统时变星间链路的网络拓扑规划方法的研究，但大多研究不够深入，主要存在的技术缺陷包括：(1)星间链路主要具备通信和测量的功能，但是部分方法难以两者同时兼顾，以其中的一项功能作为星间链路网络拓扑规划的优化目标，而忽视了另一项功能的需求，造成星间链路网络性能不平衡，难以在实际中应用。(2)现有方法仅考虑星间链路在本系统的使用需求，未能兼顾星间链路对于系统外其他扩展用户的使用需求。利用最少的星间链路资源满足本导航系统全部使用需求和性能约束条件下，将剩余星间链路资源分配给系统外用户，可以提高星间链路的使用效率。(3)部分现有方法对于通信性能的考虑基于整网点对点的通信需求，针对导航系统的通信特点，以地面站与境外卫星的通信需求为优化目标可进一步提高星间链网络的通信性能。(4)部分现有方法以最优的卫星几何构型(dop值)为优化目标，随着dop值的减小，其对卫星定轨精度的改善效果将变得有限，若追求几何构型的最优化一定程度上浪费了星间链路资源。因此，在满足一定的星间链路数量和dop值约束基础的条件下，不再寻求几何构型的最优化，将星间链路资源分配给通信需求或扩展用户需求可进一步提升网络的整体性能。(5)部分现有方法将星间观测数量和卫星几何构型作为测量性能的指标，但对于导航系统而言，星座自主导航性能还与选星密切相关，同样的星间链路数量或相同的dop值条件下，不同的选星会对卫星定轨精度产生一定的影响，在星间链路网络拓扑规划时应加入考虑。技术实现要素：有鉴于上述技术问题，本发明提供了一种卫星导航系统，包括：卫星，所述卫星被配置为执行下列动作：步骤一、根据星间链路网络拓扑规划的时间范围，确定每个建链周期内卫星间的可建链关系以及卫星与地面站的可视关系；对卫星节点进行分类，当卫星处于地面站的观测范围内时，定义其为节点卫星；当卫星不在地面站的观测范围内时，定义其为非节点卫星；步骤二、将一个建链周期内的时隙分为p个完整组合以及q个剩余时隙，每个完整组合包括n个时隙，n＞q≥0，n＝[m2/m1]+1，[]代表向上取整，为节点卫星数量、为非节点卫星数量；步骤三、定义每个完整组合中的第1至n-1个时隙为数传时隙，第n个时隙为测量时隙；q个剩余时隙的定义与每个完整组合中的第1至第q个时隙定义一致；依次对一个建链周期内的每个数传时隙内的网络拓扑求解，进而对测量时隙内的网络拓扑求解；步骤四、完成一个建链周期内的全部数传时隙和测量时隙的网络拓扑求解后，仍有剩余的卫星空闲时隙，将其供系统外的扩展用户使用，并且完成与系统外扩展用户的星间链路分配；步骤五、完成与系统外扩展用户的星间链路分配后，若仍有卫星处于空闲状态，对空闲时隙的网络拓扑进行全局优化；以及地面站，所述地面站被配置为通过星间链路与非节点卫星之间通信。本发明还提供了一种卫星导航系统拓扑规划星间链路网络的方法，包括以下步骤：步骤一、根据星间链路网络拓扑规划的时间范围，确定每个建链周期内卫星间的可建链关系以及卫星与地面站的可视关系；对卫星节点进行分类，当卫星处于地面站的观测范围内时，定义其为节点卫星；当卫星不在地面站的观测范围内时，定义其为非节点卫星；步骤二、将一个建链周期内的时隙分为p个完整组合以及q个剩余时隙，每个完整组合包括n个时隙，n＞q≥0，n＝[m2/m1]+1，[]代表向上取整，为节点卫星数量、为非节点卫星数量；步骤三、定义每个完整组合中的第1至n-1个时隙为数传时隙，第n个时隙为测量时隙；q个剩余时隙的定义与每个完整组合中的第1至第q个时隙定义一致；依次对一个建链周期内的每个数传时隙内的网络拓扑求解，进而对测量时隙内的网络拓扑求解；步骤四、完成一个建链周期内的全部数传时隙和测量时隙的网络拓扑求解后，仍有剩余的卫星空闲时隙，将其供系统外的扩展用户使用，并且完成与系统外扩展用户的星间链路分配；步骤五、完成与系统外扩展用户的星间链路分配后，若仍有卫星处于空闲状态，对空闲时隙的网络拓扑进行全局优化。进一步地，按照所述步骤一至所述步骤五，依次完成规划时间范围的全部建链周期的星间链路网络拓扑规划。进一步地，所述步骤三中，数传时隙内的网络拓扑求解包括：定义一个完全二分图，其中和为点集，为边集，代表节点卫星集合，代表非节点卫星集合，代表节点卫星集和非节点卫星集间具备建链条件的全部星间链路；通过求解二分图的最大匹配问题，从而完成非节点卫星与节点卫星之间星间链路的分配。进一步地，所述步骤三中，测量时隙内的网络拓扑求解包括以下步骤：步骤31、判断当前时隙的空闲状态卫星是否已达到观测pdop值门限；步骤32、提取当前测距时隙内的处于空闲状态且未达pdop值门限的全部卫星节点组成节点集合，同时将集合中的节点按照当前观测pdop值，从大到小排序；步骤33、提取集合中的第一个卫星节点，将与卫星节点可以建链的卫星节点组成集合，并将集合中的所有卫星节点按照优先级依次排序；步骤34、选取集合中的第1个卫星节点，在卫星节点与卫星节点间规划星间链路，此时卫星节点与卫星节点不再处于空闲状态。进一步地，按照所述步骤31至所述步骤34依次完成当前时隙内的全部节点的星间链路规划，将不具备建链条件的剩余卫星节点置于空闲状态。进一步地，所述步骤33中，优先级定义分3类，根据重要程度递减的顺序依次包括：第1类优先级，其基于目标卫星与源卫星已建链次数，按照目标卫星与源卫星建链次数从小到大排序，与源卫星建链次数最少的卫星节点优先级最高；第2类优先级，其基于目标卫星轨道类型，将目标卫星按轨道类型分类，与源卫星处于同一轨道面的同轨目标卫星优先级低，处于不同轨道面的异轨目标卫星优先级高；第3类优先级，其基于目标卫星对源卫星观测pdop值的改善程度，将改善值按照从大到小排序，改善值最大的目标卫星优先级最高。进一步地，同一类优先级顺序相同时比较下一优先级。进一步地，所述步骤五中，全局优化包括以下步骤：步骤51、依次选取一个建链周期内的全部时隙，执行以下步骤；步骤52、提取当前时隙内处于空闲状态的卫星节点，按照一个测量时隙内的网络拓扑求解方法求解，此时不再设置观测pdop值；步骤53、将该时隙内的剩余处于空闲状态的卫星节点分为节点卫星集合和非节点卫星集合，若或，则转入下一个时隙求解；否则按照一个数传时隙内的网络拓扑求解方法求解。本发明的有益效果包括：(1)通过将一个建链周期内的多个时隙按照规则划分成多个组合，针对组合内的不同类型时隙设计专门的拓扑规划方法，从而兼顾了导航系统星间链路网络的通信和测量需求，使得网络在测量和通信需求方面均有出色性能且整体性能均衡；(2)除导航系统星间链路网络基本的功能需求外，考虑系统外扩展用户的使用需求，在不影响导航系统的星间链路使用需求的前提下，为指定扩展用户预留或提供星间链路资源，提高了导航系统的综合服务性能和网络利用率；(3)针对导航系统中地面站与非节点卫星的通信特点和需求，设计了网络拓扑规划算法，算法模型描述简洁运行效率高，计算结果实现了非节点卫星与地面站间信息的一跳传输，极大的提高了星间链路网络的时延、吞吐量、传输效率等通信性能；(4)针对导航系统中卫星定轨的测量特点和需求，引入了卫星定轨的选星原则并设置了卫星优先级，保证和优化了星间链路观测质量，同时，提出了观测数量门限约束，提高了时隙利用率和网络综合效率。以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。附图说明图1至图5是本发明的一个具体实施例中的矩阵示意图。具体实施方式在本发明的实施方式的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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，因此不能理解为对发明的限制。附图为原理图或者概念图，各部分厚度与宽度之间的关系，以及各部分之间的比例关系等等，与其实际值并非完全一致。本发明的星间链路网络拓扑规划方法的总体思路为依次求解每个时隙内的星间链路拓扑，每完成一个时隙的星间链路拓扑求解，更新算法参数进而求解下一个时隙的星间链路拓扑，完成建链周期内全部时隙的星间链路网络拓扑求解后进行全局优化，最终输出一个建链周期的拓扑规划。所采用的技术方案具体包括以下步骤：a)根据星间链路网络拓扑规划的时间范围，确定每个建链周期内卫星间的可建链关系v，vij＝1代表卫星i与卫星j之间可以建链，vij＝0代表卫星i与卫星j之间不可建链，以及卫星与地面站的可视关系；同时对卫星节点进行分类，当卫星处于地面站的观测范围内时，定义该卫星为节点卫星；当卫星不在地面站的观测范围内时，定义该卫星为非节点卫星。b)根据节点卫星和非节点卫星的数量，将n个时隙分为一组，选取m个时隙为一个建链周期，周期内包含p个完整组合，以及q个剩余时隙，即m＝p×n+q。假设某时刻有m1个节点卫星和m2个非节点卫星，则n＝[m2/m1]+1，[]代表向上取整。c)定义一组n个时隙中的1到n-1个时隙为数传时隙，第n个时隙为测量时隙；q个剩余时隙的定义与每组n个时隙中的1到q个时隙定义一致。依次对一个建链周期内的每个数传时隙内的网络拓扑求解，进而对测量时隙内的网络拓扑结构求解。数传时隙网络拓扑求解的具体方法为：导航系统星间链路的通信需求主要为地面站与非节点卫星之间的通信，数传时隙网络拓扑规划的目的为提高地面站与非节点卫星之间的数据传输效率。为了提高网络的数传性能和效率，通过在节点卫星与非节点卫星之间建立链路，实现地面站-节点卫星-非节点卫星之间的连通；同时增加节点卫星与非节点卫星的建链频度，即可以在数据不丢包情况下实现非节点与地面站间数据信息的一跳传输，降低了网络路由复杂度，节省了传输带宽。因此，数传时隙内的网络拓扑规划要完成节点卫星与非节点卫星之间的星间链路分配，同时需要保证一个建链周期内每个非节点卫星与节点卫星的建链频度。本方法中节点卫星与非节点卫星的建链频度是通过步骤b中的时隙分组保证的，在每个通信时隙内求解时，只需确保满足星间可建链约束下，分配最大数量的非节点卫星与节点卫星之间的星间链路，该问题可转化为二分图的最大匹配问题。定义一个完全二分图g＝(x，y，e)，其中x和y为点集，e为边集，x代表节点卫星集合，y代表非节点卫星集合，e代表节点卫星集x和非节点卫星集y间具备建链条件的全部星间链路。通过求解二分图g＝(x，y，e)的最大匹配问题，即可完成非节点卫星与节点卫星之间星间链路的分配。通常情况下，最大匹配结果不是唯一的，考虑到卫星定轨和时间同步的需求，每颗卫星与不同的目标卫星建链可以提高星间链路观测数量，改善定轨结果。因此，在不同的数传时隙选用不同的最大匹配结果。在一个建链周期内，当非节点卫星数量m2小于等于节点卫星数量m1时，最大匹配结果可以保证一个数传时隙即可为每颗非节点卫星分配一颗节点卫星建立星间链路；当非节点卫星数量m2大于节点卫星数量m1时，最大匹配结果至多只能为m1个非节点卫星分配一颗节点卫星建立星间链路，剩余未分配的m2-m1个非节点卫星在下一个数传时隙分配，依次类推直至全部分配完毕。最终确保在1个时隙组合内的1到n-1个数传时隙，每个非节点卫星至少与节点卫星分配一条星间链路。测量时隙网络拓扑求解的具体方法为：测量时隙内的星间链路网络拓扑规划，主要为了保证和改善星间链路网络的测量性能。本方法综合考虑了星间链路观测数量、观测数据几何构型和观测卫星类型三类因素，完成测距时隙内的星间链路网络拓扑规划。其中，星间链路观测数量具体指与不同目标卫星建链星间链路的数量；观测数据几何构型具体指全部建链卫星的几何分布，采用pdop值描述；观测卫星类型具体指建链的目标卫星类型，分为同轨观测卫星和异轨观测卫星。对于任意一颗卫星节点选择不同的目标卫星建立星间链路，会对测量性能产生不同的影响，因此测量时隙网络拓扑求解时，对每个卫星节点优选选用“优先级”最高的目标卫星节点建链，本方法的“优先级”定义具体如下：“优先级”定义共分3类，重要程度依次递减，即第1类优先级>第2类优先级>第3类优先级，同一类优先级顺序相同时比较下一优先级。第1类优先级：目标卫星与源卫星已建链次数。按照目标卫星与源卫星建链次数从小到大排序，与源卫星建链次数最少的卫星节点优先级最高；第2类优先级：目标卫星轨道类型。将目标卫星按轨道类型分类，与源卫星处于同一轨道面的同轨目标卫星优先级低，处于不同轨道面的异轨目标卫星优先级高；第3类优先级：目标卫星对源卫星观测pdop值的改善程度。假设当前源卫星的观测pdop＝v0，与目标卫星建链后的观测pdop＝v1，目标卫星对源卫星观测pdop值的改善值为v1-v0，将改善值按照从大到小排序，改善值最大的目标卫星优先级最高。基于节点的优先级结果对测量时隙网络拓扑进行求解，考虑到随着星间链路观测数量的增加和观测pdop值的减小，其对卫星定轨精度的改善效果将变得越来越有限，因此设置了观测pdop值门限，当观测pdop值达到门限时，不再对该卫星进行星间链路规划，将该卫星的星间链路资源提供其他服务。测量时隙网络拓扑的求解步骤如下：(1)判断当前时隙的空闲状态卫星是否已达到观测pdop值门限；(2)提取当前测距时隙内的处于空闲状态且未达pdop值门限的全部卫星节点组成节点集合a，同时将集合a中的节点按照当前观测pdop值，从大到小排序；(3)提取a中的第一个卫星节点a1，将与卫星a1可以建链的卫星节点组成集合b，并将集合b中的所有卫星节点按照三类优先级依次排序；(4)选取b中的第1个卫星节点b1，在卫星节点a1与卫星节点b1间规划星间链路，此时，卫星节点a1与卫星节点b1不再处于空闲状态；(5)按照上述步骤依次完成当前时隙内的全部节点的星间链路规划，不具备建链条件的剩余卫星节点置于空闲状态。d)完成一个建链周期内的全部数传时隙和测量时隙的网络拓扑求解后，仍有剩余的卫星空闲时隙，这些空闲时隙颗根据不同时刻的实际需求供系统外的扩展用户使用，根据实际情况完成与系统外扩展用户的星间链路分配。e)完成与系统外扩展用户的星间链路分配后，若仍有卫星处于空闲状态，对空闲时隙的网络拓扑进行全局优化，完成一个建链周期的星间链路网络拓扑规划。针对一个建链周期星间链路网络拓扑的全局优化，是对周期内处于空闲工作状态的卫星进行星间链路的再次分配，进一步改善星间链路网络的通信性能和测量性能。全局优化的求解过程如下：(1)依次选取一个建链周期内的全部时隙，执行以下步骤(2)和(3)；(2)提取当前时隙内处于空闲状态的卫星节点，按照一个测量时隙内的网络拓扑求解方法求解，此时不再设置观测pdop值；(3)将该时隙内的剩余处于空闲状态的卫星节点分为节点卫星集合x和非节点卫星y集合，若或则转入下一个时隙求解；否则按照一个数传时隙内的网络拓扑求解方法求解。f)按照上述步骤a至e依次完成规划时间范围的全部建链周期的星间链路网络拓扑规划。以下通过选取一个包含30颗卫星的典型卫星星座，并定义一个建链周期包含20个时隙，来进一步说明本发明的规划方法，星座中的卫星分别用编号1～30表示，1～8号卫星处于同一轨道面，9～16号卫星处于同一轨道面，17～24号卫星处于同一轨道面，25～30号卫星处于同一轨道面，同时选取一个建链周期对该星座的星间链路网络拓扑进行规划。网络拓扑规划结果用规划表矩阵l进行描述，l的行代表时隙，l的列代表卫星，元素l(i，j)＝k代表在第i个时隙内，卫星节点j与卫星节点k之间建立星间链路，若l(i，j)＝0代表在第i个时隙内，卫星节点j处于空闲状态。一个时隙内的星间链路网络拓扑可用规划表矩阵l的行向量li表示，代表第i个时隙内的星间链路网络拓扑规划。步骤a)首先对该建链周期对应时刻的卫星间可建链关系和星地可见性进行分析，卫星间的可建链关系主要考虑卫星间是否几何可视以及是否处于对方天线的波束覆盖范围以内，该时刻的卫星间可建链关系如图1所示。同时，选取北京站、三亚站作为地面站，将卫星分为节点卫星和非节点卫星，卫星分类结果如下表所示，共包含15个节点卫星和15个非节点卫星。节点卫星1/2/3/4/9/16/18/19/20/25/26/27/28/29/30非节点卫星5/6/7/8/10/11/12/13/14/15/17/21/22/23/24步骤b)根据节点卫星和非节点卫星的数量，对一个建链周期的20个时隙进行分组，包含10个组合和0个剩余时隙，每个组合包含个时隙。步骤c)定义一个组合内的2个时隙，第1个时隙为数传时隙，第2个时隙为测量时隙，即在一个建链周期内的20个时隙，奇数时隙为数传时隙，偶数时隙为测量时隙，时隙组合结果如图所示。依次对一个建链周期内的每个数传时隙和测量时隙内的网络拓扑求解。首先完成对数传时隙内的星间链路网络拓扑求解，采用完全二分图g＝(x，y，e)对该时隙内的网络结构进行描述，将当前时隙组合内的15颗节点卫星组成节点集合x，15颗非节点卫星组成节点集合y，根据步骤a计算的卫星间可建链关系确定二分图的边集e，计算该二分图的最大匹配结果，根据最大匹配结果为每一个非节点卫星分配一个节点卫星，两个卫星节点间建立星间链路。当前数传时隙的计算结果为l1＝[785213301215162518192091026121314428292711172422236]由于本建链周期的一个时隙组合内只包含1个数传时隙，该数传时隙计算完毕后因此进入下一个时隙组合，对下一个组合中数传时隙的星间链路网络拓扑进行求解，求解过程与上述过程基本一致，采用完全二分图g＝(x，y，e)对当前时隙内的网络结构进行描述，求解与l1时隙不同的最大匹配结果。当前数传时隙的计算结果为l3＝[152111242529162712183926281719101722220304513814623]从l3时隙的星间链路网络拓扑结果可以看出，由于选取了与l1时隙不同的最大匹配结果，l1时隙与l3时隙的网络拓扑规划结果不相同，非节点卫星与不同节点卫星建立了星间链路。按照上述步骤依次完成对一个建链周期全部数传时隙的星间链路网络拓扑求解，全部数传时隙求解后的结果如图2所示。完成数传时隙内的星间链路网络拓扑求解后，进而对一个建链周期内的各个测距时隙星间链路网络拓扑求解，按照本方法设计求解模型，根据本实施例的星座规模和特点，设置观测门限pdop＝1.55。首先对第一个测距时隙求解，即求解l2。l2时隙不存在已达到pdop值观测门限的卫星，将卫星组成集合a按照前观测pdop值，从大到小排序；提取其中的第一个卫星节点a1，将与卫星a1可以建链的卫星节点组成集合b，并将集合b中的所有卫星节点按照三类优先级依次排序；选取b中的第1个卫星节点b1，在卫星节点a1与卫星节点b1间规划星间链路；依次类推，完成全部节点星间链路规划，不具备建链条件的剩余卫星节点置于空闲状态，此时l2时隙的星间链路规划结果为：l2＝[916202512171124121751501326232231019188400000]求解完l2时隙的星间链路规划后，继续求解下一个测距时隙l4时隙的星间链路规划，在本实施例中，到达第5个测距时隙l10后，全部节点均已达到观测门限pdop＝1.55，测距时隙的星间链路网络拓扑求解完成，此时的星间链路网络拓扑规划结果如图3所示。步骤d)从图3的结果可以看出，在该建链周期内仍剩余41％的空闲时隙，但此时星间链路网络拓扑的规划结果已经可以满足导航系统内部的各类使用需求，这些空闲时隙可根据实际需要提供给系统外的扩展用户使用。假设此时有低轨卫星用户需要使用星间链路服务，通过计算低轨卫星与导航系统内卫星的可建链关系，分配一定数量的星间链路为低轨卫星提供服务，此时的星间链路网络拓扑规划结果如图4所示，采用编号50、51代表2颗低轨卫星。步骤e)完成与系统外扩展用户的星间链路分配后，依次检索建链周期内的20个时隙，判断是否仍有卫星处于空闲状态，提取当前时隙内处于空闲状态的卫星节点，依次按照一个测量时隙内的网络拓扑求解方法和一个数传时隙内的网络拓扑求解方法求解，完成对空闲时隙的网络拓扑进行全局优化，得到该建链周期的最终星间链路网络拓扑规划，结果如图5所示。以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本
技术领域：
中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。当前第1页12