多层低轨巨型星座的拓扑结构建立方法与流程

1.本发明涉及卫星拓扑领域，具体涉及一种多层低轨巨型星座的拓扑结构建立方法。


背景技术：

2.随着技术进步和市场需求变革，相比于早期的低轨星座，新兴的巨型星座网络具有大规模、低时延、宽带化等特征，具体表现如下。
3.(1)轨道混合。巨型星座大多采用多层形成混合星座，如通过低轨道、超低轨道组合，极轨道与倾斜轨道组合等。混合星座通过部署大量倾斜轨道卫星覆盖中低纬度地区，且利用极轨道卫星补充高纬度覆盖，提升覆盖性能。
4.(2)星座规模庞大。传统的低轨星座系统一般包含数十颗卫星，但巨型星座网络为满足系统容量的需求，将卫星数目扩增至上万颗。starlink、oneweb为代表的低轨超密星座将星座设置为多轨道、多层、数万颗的庞大规模，以增强系统的传输能力和传输时延。
5.(3)具备星间链路。卫星间可建立微波或激光链路，并且在运动过程中保持连接，实现数据包在卫星间的转发。如starlink在后续的规划中，增加了星间链路，可大幅提升星间通信速率，适应宽带业务需求。
6.上述的星座设计的变更，也会带来新的技术挑战和难题：层间星间运动，拓扑连接高动态；层间拓扑计算体量庞大；多层卫星运动复杂，层间拓扑形式多变无规律；拓扑信息变更导致信令开销更大。尤其是星座超过两层至多层，节点规模巨大，星间拓扑计算规模、用时难以控制；星间网络拓扑高动态变化，星间链路路由不稳定；空间环境复杂。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明旨在提出一种多层低轨巨型星座的拓扑结构建立方法，以解决目前高动态多层星座空间拓扑复杂的问题。
8.本发明实施例提供一种多层低轨巨型星座的拓扑结构建立方法，所述方法包括：
9.s100，对于所述多层低轨巨型星座中的任两颗卫星，分别为第一卫星和第二卫星，计算所述第一卫星和所述第二卫星是否符合拓扑关系建立规则；
10.s200，所述第一卫星和所述第二卫星符合所述拓扑关系建立规则时，在所述第一卫星和所述第二卫星之间建立拓扑关系；
11.s300，重复步骤s100至步骤s200，直至所述多层低轨巨型星座中符合所述拓扑关系建立规则的任两颗卫星之间均建立拓扑关系；
12.其中，所述拓扑关系建立规则为：
13.所述第一卫星的第一轨道面和所述第二卫星的第二轨道面之间的轨道面夹角小于阈值角度时符合所述拓扑关系建立规则。
14.优选地，所述第一卫星所在的轨道为第一轨道，所述第一轨道所在的平面为所述第一轨道面；
15.所述第二卫星所在的轨道为第二轨道，所述第二轨道所在的平面为所述第二轨道面。
16.优选地，对于运动方向相同的所述第一卫星和所述第二卫星，所述阈值角度为锐角；
17.对于运动方向相反的所述第一卫星和所述第二卫星，所述阈值角度为钝角。
18.优选地，所述第一轨道和所述第二轨道在地球上的投影具有交点，在对地球的投影方向上，所述第一轨道在所述交点位置具有第一轨道交叉点，所述第二轨道在所述交点位置具有第二轨道交叉点，所述第一卫星在所述第一轨道交叉点的运动方向和所述第二卫星在所述第二轨道交叉点的运动方向的夹角为锐角时，所述第一卫星和所述第二卫星为运动方向相同，所述第一卫星在所述第一轨道交叉点的运动方向和所述第二卫星在所述第二轨道交叉点的运动方向的夹角为钝角时，所述第一卫星和所述第二卫星为运动方向相反。
19.优选地，所述第一卫星和所述第二卫星处在所述多层低轨巨型星座的同一层。
20.优选地，所述第一卫星和所述第二卫星分别处在所述多层低轨巨型星座的不同层。
21.优选地，沿着所述第一轨道，所述第一卫星与所述第一轨道交叉点的距离处于预定范围内时，以及，沿着所述第二轨道，所述第二卫星与所述第二轨道交叉点的距离处于所述预定范围内时，所述第一卫星和所述第二卫星之间建立星间拓扑；沿着所述第一轨道，所述第一卫星与所述第一轨道交叉点的距离处于所述预定范围外时，以及，沿着所述第二轨道，所述第二卫星与所述第二轨道交叉点的距离处于所述预定范围外时，所述第一卫星和所述第二卫星之间断开星间拓扑。
22.本发明实施例对多层低轨巨型星座的星座建链进行条件约束，两星之间轨道面夹角满足阈值角度才可建链，大幅减小了星间链路数量，同时，对于可建链的两星之间仅在轨道交叉点附近建链，大幅减小了星间拓扑时长，从而在保证高动态的巨型星座星间拓扑结构稳定的同时，拓扑结构计算规模及用时极大降低，兼顾稳定性与高效性。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。
24.图1为本发明实施例的多层低轨巨型星座的拓扑结构建立方法的流程示意图；
25.图2为本发明实施例的多层低轨巨型星座的拓扑结构建立方法的层间拓扑关系示意图；
26.图3为本发明实施例的星间拓扑位置的俯视示意图；
27.图4为本发明实施例的星间拓扑位置的侧视示意图；
28.图5为本发明实施例的运动方向相同星间轨道面夹角的示意图；
29.图6为本发明实施例的运动方向相反星间轨道面夹角的示意图。
具体实施方式
30.此说明书实施方式的描述应与相应的附图相结合，附图应作为完整的说明书的一部分。在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中各结构的部分将以分别描述进行说明，值得注意的是，图中未示出或未通过文字进行说明的元件，为所属技术领域中的普通技术人员所知的形式。
31.此处实施例的描述，有关方向和方位的任何参考，均仅是为了便于描述，而不能理解为对本发明保护范围的任何限制。以下对于优选实施方式的说明会涉及到特征的组合，这些特征可能独立存在或者组合存在，本发明并不特别地限定于优选的实施方式。本发明的范围由权利要求书所界定。
32.如图1所示，本发明实施例提供一种多层低轨巨型星座的拓扑结构建立方法，所述方法包括：
33.s100，对于所述多层低轨巨型星座中的任两颗卫星，分别为第一卫星和第二卫星，计算所述第一卫星和所述第二卫星是否符合拓扑关系建立规则。
34.其中，拓扑关系建立规则为：第一卫星的第一轨道面和第二卫星的第二轨道面之间的轨道面夹角小于阈值角度时符合拓扑关系建立规则。反之，轨道面夹角大于阈值角度时，则不符合拓扑关系建立规则。
35.在本实施例中，第一卫星所在的轨道为第一轨道，第一轨道所在的平面为第一轨道面。第二卫星所在的轨道为第二轨道，第二轨道所在的平面为第二轨道面。对于运动方向相同的第一卫星和第二卫星，阈值角度为锐角(参照图5)。对于运动方向相反的第一卫星和第二卫星，阈值角度为钝角(参照图6)。其中，两卫星之间的相对运动方向为：
36.第一轨道和第二轨道在地球上的投影具有交点，在对地球的投影方向上，第一轨道在交点位置具有第一轨道交叉点(图4中第一轨道上的轨道交叉点)，第二轨道在交点位置具有第二轨道交叉点(图4中第二轨道上的轨道交叉点)。第一卫星在第一轨道交叉点的运动方向和第二卫星在第二轨道交叉点的运动方向的夹角为锐角时，第一卫星和第二卫星为运动方向相同。第一卫星在第一轨道交叉点的运动方向和第二卫星在第二轨道交叉点的运动方向的夹角为钝角时，第一卫星和第二卫星为运动方向相反。
37.s200，所述第一卫星和所述第二卫星符合所述拓扑关系建立规则时，在所述第一卫星和所述第二卫星之间建立拓扑关系。
38.对于不符合拓扑关系建立规则的两卫星，则不建立拓扑关系，并且直接进入步骤s300。
39.s300，重复步骤s100至步骤s200，直至所述多层低轨巨型星座中符合所述拓扑关系建立规则的任两颗卫星之间均建立拓扑关系。
40.应理解，在步骤s100-s300中，将星座内任意两颗卫星分别记为第一卫星和第二卫星，仅是用于区分两颗不同的卫星，而不具体限定为星座内的某一颗(或两颗)卫星。
41.如图2所示，图中虚线为当前多层巨型星座中层间卫星之间可能存在的拓扑关系，每个卫星都可能具备层间链路，多层巨型星座规模庞大，一般包括成百上千、甚至上万颗卫星，在没有约束限制时计算体量大，计算用时长。图中实线为经过本发明的约束下层间卫星之间存在的拓扑关系示意图，可见本发明实施例可大幅减小星间拓扑规模和计算难度。此约束能够保证可建立链路，同时对减小高动态的层间链路个数，保障链路稳定性。其次，约
束可建立拓扑关系的卫星所在轨道面运动夹角，层间不同轨道面间的拓扑需要有两个轨道面运动夹角限制，两个轨道面运动夹角大的所有卫星节点不能建立星间拓扑，其原因是轨道面运动夹角大星间拓扑连接时长较短，星间链路建链也需要时间，短时的拓扑意义不大，路由功能不明显，但是会极大增加拓扑计算开销以及拓扑变更信令传输开销。最后约束层间建立拓扑关系卫星间距离，星间拓扑建立星间距离会影响建链质量、时间以及难度。
42.如图3-图6所示，本实施例的多层低轨巨型星座可约束处在同一层的卫星之间，也可用于处于不同层的卫星之间。对于高度相同的层间，其位置为两个轨道相交的地方附近，在卫星运动即将到达指定位置时建立拓扑关系，在卫星运动超过指定位置时断开拓扑关系，星间相对于交叉点建立或断开拓扑的距离可以是一个预设的距离。对不同高度的层间，拓扑关系建立位置为两个轨道面相交点，即两个轨道面投影在地面上坐标一致的位置，在卫星运动即将到达指定位置时建立拓扑关系，在卫星运动超过指定位置时断开拓扑关系。通过上述位置设计，某一时刻两个轨道面的层间链路最大只有两个，即两个轨道面的两个交叉位置附近。
43.经过上述层间拓扑约束设计和层间拓扑位置设计，计算相关星间关系，相比较没有上述约束和设计时，只需要计算符合轨道夹角约束的两个轨道面位置间距离，在此基础上，只需要计算两个轨道面两个交叉位置附近的卫星间距离。根据计算结果，以及星座中的层间链路个数，设计出包含源卫星、目标卫星、拓扑开始时间、拓扑结束时间的星间拓扑表，并可根据实际情况，对拓扑表进行按时间切割，形成符合路由需求的拓扑表，从而完成对整个多层低轨巨型星座的拓扑约束，具备以下优点：
①
充分利用星座卫星运动特性，选择出固定的层间建链位置
②
根据拓扑稳定要求，设计了拓扑建链约束
③
面向海量卫星节点及高动态环境下，拓扑计算快速高效。从而满足了多层低轨巨型星座的稳定性及高效性要求。
44.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。