一种大型星座动态路由空间虚拟化网格剖分及映射方法与流程

本发明涉及卫星互联网，特别是涉及一种大型星座动态路由空间虚拟化网格剖分及映射方法。

背景技术：

1、近年来，利用数量庞大的卫星节点构成分布式通信系统，已经成为下一代移动通信和卫星技术的结合点。一方面，卫星星座可以实现全覆盖、低时延和高速率的移动通信，另一方面，大规模卫星星座也向通信技术提出前所未有的挑战。随着组网部署、空间实验和系统构建的展开，大量的技术难题也逐渐浮现，其中，大型低轨星座组网路由是一个关键问题。

2、卫星星座的路由策略会影响星座系统的网络性能，包含时延、速率和吞吐量等。大规模卫星星座的高动态特性对路由策略提出了全新的挑战。卫星星座路由相同的源节点和目的节点之间，可以存在多条不同的路由路径，选择网络效能最高的传输路径是路由策略的优化目的。一般而言，星座路由分为静态路由和动态路由，从网络时空模型的角度可以将星座路由分为虚拟拓扑路由和虚拟节点路由，从网络性能的角度可以将星座路由分为单优化目标路由和多优化目标路由。

3、虚拟拓扑(virtual topology，vt)和虚拟节点(virtual node，vn)是应用最广泛的网络时空模型。vt将整个运行周期均分为若干个时隙。在每个时隙内，网络拓扑和链路状态被认为是稳定的。yang等人提出了基于虚拟拓扑的网络路由方案以促进全球互联。为了保证性能，时隙数量会随着动态性的增加而逐渐减小。对于流量密度较大的星座组网，时隙模型将导致计算负担增加严重。对于vn而言，地球表面被划分为大量的小区域，每个区域被分配了一个虚拟中心。地理上最接近虚拟中心的星座节点被假定为对应的虚拟节点。ekici等人提出了一种基于数据报流量的虚拟网络模型，并适用于星座分布式路由算法。vn模型虽然可以有效解决地面覆盖问题，但是当网络状态发生瞬态变化时，无法保证模型的连续性。对于复杂的卫星星座，频繁的节点切换不仅会增大网络维护开销，还可能会降低网络性能。为了弥补vt和vn的缺陷，一些融合时间模型和空间模型的新型路由被提出。j li等人提出了一种新颖的时间网格模型(temporal netgrid model，tnm)来描述大规模卫星网络的时变拓扑。这种设计弥补了链路状态更新的时间不连续特性。s li等人提出了一种全球空间网格划分方法，用于计算星座节点之间的空间互连，该模型将geosot-3d全局网格模型引入到航空航天拓扑结构中，提升了星座网路的时空模型动态性。

4、在针对大型星座路由采用分布式路由算法时，需要构建时空网格模型，来描述大规模卫星网络的时变拓扑，并为分布式计算提供基准。目前现有的虚拟网格设计根据应用场景不同，切分方法则不同。例如，全球多尺度剖分网格框架geosot(geographiccoordinate subdividing grid with one dimension integral coding on 2n-tree)以赤道与本初子午线交点为中心将地球拓展为512°×512°的0级网格，按照八叉树法不断细分构成了空间位置编码模型，这样的球面和三维空间剖分模型是直接在地球参考椭球体上进行，有利于全球地理信息多尺度组织表达和综合分析；用于解决卫星观测所获得的大量的空间数据和较低的卫星地面站间的数据传输率的矛盾问题的卫星网格，每个卫星就是一个网格节点，网格根据卫星运动动态变化；用于电离层校正的电离层网格，在北纬55°与南纬55°之间，网格点的间隔为5°，高纬度地区网格点的间隔为10°及15°，是一种非均匀的网格。针对大型星座，为保证卫星到网格的映射唯一，并且任何时刻网格中有且仅有一颗卫星，需要对虚拟网格进行特殊的剖分设计。传统的采用geosot-3d模型的方法，在进行网格划分时，未考虑星座的轨道倾角、升轨和降轨等特性。

5、此外，目前对网格空间范围的标定主要采用多点位闭环标定，精细度要求越高，点位设置数量越大，对存储和计算带来巨大的开销。

技术实现思路

1、鉴于此，本发明提供一种大型星座动态路由空间虚拟化网格剖分及映射方法，基于四个面的通用约束方程，生成切分网格，实现对卫星壳层空间的分割；采用升轨和降轨标签，实现空间重叠网格的剖分和展开，避免映射混淆；基于几何解算判定不等式组，实现卫星到空间虚拟化网格的映射；基于卫星与网格的任何时刻的唯一映射特性，构建卫星与网格编号映射函数，实现基于自身在网格的映射解算任意卫星到网格的映射。

2、本发明公开了一种大型星座动态路由空间虚拟化网格剖分及映射方法，其包括：

3、基于四个面的通用约束方程，生成切分网格，实现对卫星壳层空间的分割，形成虚拟化网格；

4、对虚拟化网络进行升轨和降轨打标签，实现空间重叠网格的剖分和展开，避免映射混淆；

5、基于空间网格约束不等式组，以使卫星基于坐标到空间虚拟化网格的映射，实现卫星到空间虚拟化网格的映射；

6、基于卫星与网格的任何时刻的唯一映射特性，构建卫星与网格编号映射函数，实现卫星基于自身在网格的映射，解算任意卫星到网格的映射。

7、进一步地，所述四个面的通用约束方程为：

8、

9、其中，p1、p2、p3、p4分别为四个面，为卫星轨道倾角，为卫星轨道相对面p1的方位角，为卫星轨道相对面p2的方位角，为卫星轨道相对面p3的旋转角，为卫星轨道相对面p4的旋转角，x为卫星在大地坐标系中的x轴坐标，y为卫星在大地坐标系中的y轴坐标，z为卫星在大地坐标系中的z轴坐标。

10、进一步地，在所述四个面的通用约束方程中：

11、

12、

13、其中，i＝0,1,…,n-1，n为卫星轨道数量，j＝0,1,…,m-1，m为一个卫星轨道内卫星的数量。

14、进一步地，所述空间虚拟化网格中的任意一个网格切分完成后相对地面静止。

15、进一步地，针对卫星星座剖分的虚拟化网格，在空间上升轨面和降轨面重合，按照升轨面和降轨面对网格打标签，以将空间重叠的网格进行区分，即将沿虚拟化网络的升轨方向排列的网格标签记为“0”，将沿虚拟化网络的降轨方向排列的网格标签记为“1”，卫星在运行中，从空间看同时落在升轨面和降轨面的网格范围内，通过卫星自身升轨或降轨的运行状态，选择对应标签的网格进行逻辑映射，基于网格标签实现逻辑上的唯一映射。

16、进一步地，每颗卫星有一个固定二元参数编号[o，s]，其中o取1至n，s取1至m，每个网格分配固定的二元参数编号[n，m]，其中n取1至n，m取1至m，编号为[n，m]的网格空间范围利用一个具有7个元素的表征参数组进行约束，表征参数组为其中为星座卫星轨道倾角，rh为卫星轨道半径，glable为网格升降轨面标签。

17、进一步地，所述空间网格约束不等式组为：

18、当m/2为偶数，空间网格约束不等式组为：

19、

20、当m/2为奇数，空间网格约束不等式组为：

21、

22、其中，(x0,y0,z0)为卫星的二元参数编号[o，s]的地理坐标，s_lable为卫星的升降轨标识，如果(x0,y0,z0)和升降轨标识s_lable通过计算满足空间网格约束不等式组，则卫星的二元参数编号[o，s]在物理空间上落入网格[n，m]，卫星的二元参数编号[o，s]逻辑上映射到网格[n，m]。

23、进一步地，所述卫星与网格编号映射函数为：

24、

25、其中，[o，s]为卫星编号，[n，m]为网格编号，a和b均为未知量，fsat→grid为卫星到网络的映射，fgrid→sat为网络到卫星的映射，

26、进一步地，若当前卫星的编号为[o1，s1]，其对应的网络的编号为[n1，m1]，则解算得到映射函数中的未知量为：

27、

28、求解得到当前的最终映射函数为：

29、

30、当前卫星的二元参数编号[o，s]通过卫星编号[o2，s2]，计算卫星编号[o2，s2]对应的网格编号[n2，m2]为：

31、[n2,m2]＝fsat→grid([o2,s2])＝[rem(o2+b1,n),rem(s2-a1,m)]。

32、进一步地，所述映射函数具有有效期，一旦参与解算的卫星编号到网格编号的关系发生改变，映射函数需要重新解算参量。

33、由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

34、1.本发明提供的一种大型星座动态路由空间虚拟化网格剖分方法，实现了三维空间相对地面静止的虚拟化网格的剖分，可有效支持基于网格的路由计算；

35、2.本发明提供的一种大型星座动态路由空间虚拟化网格剖分方法，利用约束不等式组的7个参量实现单个网格的地理空间范围表征，相对基于多点位位置圈定的表征方法，在数据存储开销、计算开销、解算时延上均得到优化；

36、3.本发明提供的一种大型星座动态路由空间虚拟化网格剖分方法，利用升降轨标签，解决了三维空间切分网格重叠混淆的问题；

37、4.本发明提供的一种大型星座动态路由空间虚拟化网格剖分方法，基于卫星与网格的任何时刻的唯一映射特性，构建卫星与网格编号映射函数，实现基于自身在网格的映射解算任意卫星到网格的映射，相比每颗卫星获取全局映射信息进行查表的方法，灵活性更强、所需输入参数更少，有利于分布式功能部署。