一种基于舰船航段波束覆盖性的同步通信卫星资源分配方法与流程

本发明涉及卫星通信，具体地说，涉及一种基于舰船航段波束覆盖性的同步通信卫星资源分配方法。

背景技术：

1、在舰船远洋航行任务中，通常由地球同步通信卫星为其提供不间断的卫星通信保障，因而需要实现合理、高效的通信卫星资源分配算法，通信卫星资源分配问题是一个任务规划问题，即对给定的输入为舰船航行任务，约束条件为通信卫星资源，寻找一个可行的解决方案即资源分配结果，使得其在某种评价指标下是最优的。

2、在常规的资源分配问题中，只需要考虑资源数量和资源占用时间两个维度的约束，但是在舰船航行任务的通信卫星资源分配问题中，由于舰船的位置将按照航线改变，导致通信卫星波束对舰船的覆盖性发生变化，因此在资源分配过程中，还需要增加第三个维度即空间维度的约束条件，因而难以直接使用常规的资源优化算法模型实现，需要对此设计新的资源优化算法模型，因此，我们提出一种基于舰船航段波束覆盖性的同步通信卫星资源分配方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决针对舰船航行时的通信卫星资源分配，单纯的依靠资源数量和资源占用时间两个维度的约束，在舰船的位置按照航线改变后，卫星波束不能对舰船进行全部覆盖，进而不能得到最优的资源分配方案，通过增加第三个维度即空间维度的约束条件，设计新的资源优化算法模型。

2、为实现上述目的，本发明提供一种基于舰船航段波束覆盖性的同步通信卫星资源分配方法，包括以下步骤：

3、s1、依据舰船航线的起点和终点信息，以及卫星波束的覆盖范围，划分航段，利用线性插值方法获取航段内的空间、时间信息，并判断波束能否覆盖某个时间、某个航段内的舰船；

4、s2、以有效航段的数量为队列长度，把卫星波束资源分配问题转化为数字队列寻优问题，根据波束覆盖性与资源可用性原则，判定可行的卫星波束资源分配方案；

5、s3、利用遗传算法，以综合适应度函数最大为目标，对可行的卫星波束资源分配方案进行寻优，选出最佳方案。

6、作为本技术方案的进一步改进，所述s1划分航段，并判断波束能否覆盖此时的舰船，其方法步骤如下：

7、s1.1.1、以卫星波束与航线的交点为划分点划分航段；

8、s1.1.2、利用线性插值方法，计算舰船到达航段内任意位置时的时间，以及计算任意时间点上，舰船所在的位置；

9、s1.1.3、计算舰船位置到波束中心的距离，比较该距离的大小与波束的半径大小，判断波束能否覆盖此时的舰船。

10、作为本技术方案的进一步改进，所述s1.1.2中采用的线性插值方法，其公式为：

11、

12、其中，为起点的位置，为起点的时间，为终点的位置，为终点的时间，为起点至终点内的任意位置，为起点至终点内的任意位置所对应的时间。

13、作为本技术方案的进一步改进，所述s2把卫星波束资源分配问题转化为数字队列寻优问题，其方法步骤如下：

14、s2.1.1、收集航段与波束信息：定义s1得到的航段总数为m，并对所有有效航段进行编号，从1至m，同理，对卫星的波束资源数量进行编号，从1至r，分析每个波束对各个航段的覆盖能力，构建波束覆盖矩阵，其中表示波束能否覆盖第个有效航段，若能覆盖则，若不能覆盖则；

15、s2.1.2、初始化资源分配队列：创建一个长度为m的数字队列q，同时，创建一个标记数组v，长度为m，用于标记航段是否已被有效分配资源，初始时所有元素都设为0，表示都未分配；

16、s2.1.3、对资源分配进行迭代：对未分配资源的有效航段，分配卫星波束，完成分配后，并更新相关参数；

17、s2.1.4、验证资源分配方案的有效性：遍历数字队列对其进行验证。

18、作为本技术方案的进一步改进，所述s2.1.3中分配卫星波束时，对于找到的未分配资源的有效航段，遍历所有波束，检查波束是否满足以下两个条件：

19、a.波束能够覆盖第个有效航段；

20、b.波束的剩余资源数量大于航段的任务需求数量。

21、作为本技术方案的进一步改进，所述s2.1.3中通过对于分配的波束，更新其已分配资源数量，同时更新剩余资源数量，并且从该波束对应的可用波束集合中移除航段；

22、其中，为每个波束当前已分配出去的资源数量，为所需的资源数量，为剩余资源数量，为总资源数量，为可用波束集合。

23、作为本技术方案的进一步改进，所述s3利用遗传算法，选出最优方案，其方法步骤如下：

24、s3.1.1、设置种群参数：设定种群数量，以及遗传算法后续要用到的变异概率和最大遗传代数，并生成初始种群；

25、s3.1.2、建立综合适应度函数：以兼顾满足航段资源需求的程度、资源均衡分配情况和波束切换次数，构建一个综合适应度函数f；

26、s3.1.3、通过交叉操作和变异操作生成新一代种群；

27、s3.1.4、建立遗传终止条件：若当前遗传的代数超过了预先设定的最大遗传代数，则终止遗传算法，若还未达到最大遗传代数，则将第代种群作为当前种群返回上一步骤继续遗传操作。

28、作为本技术方案的进一步改进，所述s3.1.2以所有航段资源满足率的平均值，为所有航段的资源满足程度指标，以各波束分配航段数量的方差为波束分配的均衡程度指标，以波束切换次数最少为波束切换指标。

29、作为本技术方案的进一步改进，所述s3.1.2的综合适应度函数f的公式为：

30、

31、其中，为资源满足程度的权重，为波束分配的均衡程度的权重，为波束切换的权重。

32、作为本技术方案的进一步改进，所述s3.1.2通过把新生个体的适应度值与当前最优的个体的适应度值进行比较，若新生个体的适应度值大于当前最优的个体的适应度值，则更新适应度值为新生个体的适应度值。

33、与现有技术相比，本发明的有益效果：

34、 该基于舰船航段波束覆盖性的同步通信卫星资源分配方法，依据舰船航线的起点和终点信息，以及卫星波束的覆盖范围，划分航段，利用线性插值方法获取航段内的空间、时间信息，并判断波束能否覆盖某个时间、某个航段内的舰船，实现对舰船在航行中的位置监测，并以舰船的空间位置为约束条件，得到舰船在航行中的卫星资源分配方案；以有效航段的数量为队列长度，把卫星波束资源分配问题转化为数字队列寻优问题，从而能够直观的判断出卫星波束资源分配方案的优劣，以及方便后续使用遗传算法寻优时，易于实现变异操作；利用遗传算法，以兼顾满足航段资源需求的程度、资源均衡分配情况和波束切换次数，构建一个综合适应度函数，以综合适应度函数最大为目标，对可行的卫星波束资源分配方案进行寻优，选出最佳方案，实现对卫星波束资源的最优分配。

技术特征：

1.一种基于舰船航段波束覆盖性的同步通信卫星资源分配方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于舰船航段波束覆盖性的同步通信卫星资源分配方法，其特征在于：所述s1划分航段，并判断波束能否覆盖此时的舰船，其方法步骤如下：

3.根据权利要求2所述的基于舰船航段波束覆盖性的同步通信卫星资源分配方法，其特征在于：所述s1.1.2中采用的线性插值方法，其公式为：

4.根据权利要求1所述的基于舰船航段波束覆盖性的同步通信卫星资源分配方法，其特征在于：所述s2把卫星波束资源分配问题转化为数字队列寻优问题，其方法步骤如下：

5.根据权利要求4所述的基于舰船航段波束覆盖性的同步通信卫星资源分配方法，其特征在于：所述s2.1.3中分配卫星波束时，对于找到的未分配资源的有效航段，遍历所有波束，检查波束是否满足以下两个条件：

6.根据权利要求4所述的基于舰船航段波束覆盖性的同步通信卫星资源分配方法，其特征在于：所述s2.1.3中通过对于分配的波束，更新其已分配资源数量，同时更新剩余资源数量，并且从该波束对应的可用波束集合中移除航段；

7.根据权利要求1所述的基于舰船航段波束覆盖性的同步通信卫星资源分配方法，其特征在于：所述s3利用遗传算法，选出最优方案，其方法步骤如下：

8.根据权利要求7所述的基于舰船航段波束覆盖性的同步通信卫星资源分配方法，其特征在于：所述s3.1.2以所有航段资源满足率的平均值，为所有航段的资源满足程度指标，以各波束分配航段数量的方差为波束分配的均衡程度指标，以波束切换次数最少为波束切换指标。

9.根据权利要求8所述的基于舰船航段波束覆盖性的同步通信卫星资源分配方法，其特征在于：所述s3.1.2的综合适应度函数f的公式为：

10.根据权利要求7所述的基于舰船航段波束覆盖性的同步通信卫星资源分配方法，其特征在于：所述s3.1.2通过把新生个体的适应度值与当前最优的个体的适应度值进行比较，若新生个体的适应度值大于当前最优的个体的适应度值，则更新适应度值为新生个体的适应度值。

技术总结
本发明涉及卫星通信技术领域，具体地说，涉及一种基于舰船航段波束覆盖性的同步通信卫星资源分配方法。其包括依据舰船航线的起点和终点信息，以及卫星波束的覆盖范围，划分航段，利用线性插值方法获取航段内的空间、时间信息，并判断波束能否覆盖某个时间、某个航段内的舰船，以有效航段的数量为队列长度，把卫星波束资源分配问题转化为数字队列寻优问题，根据波束覆盖性与资源可用性原则，判定可行的卫星波束资源分配方案，以综合适应度函数最大为目标，对可行的卫星波束资源分配方案进行寻优，选出最佳方案。本发明通过把卫星波束资源分配问题转化为数字队列寻优问题，判定可行的卫星波束资源分配方案，再利用遗传算法进行寻优。

技术研发人员：李冬冬,张国忠
受保护的技术使用者：李冬冬
技术研发日：
技术公布日：2025/3/10