本發(fā)明屬于衛(wèi)星通信
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中一種面向快速終端的自適應(yīng)切換方法。
背景技術(shù)：
：在通信技術(shù)多元化發(fā)展的今天，衛(wèi)星通信作為一種重要的通信方式，正發(fā)揮著越來越大的作用。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)以其全球覆蓋、組網(wǎng)靈活、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于通信領(lǐng)域。LEO(LowEarthOribitSatellite，低軌道衛(wèi)星)以較小時(shí)延和低功耗等優(yōu)點(diǎn)，正成為未來衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的一個(gè)重要發(fā)展方向。目前衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的終端大多是慢速終端。但是，隨著科技的發(fā)展，全球化趨勢(shì)的加強(qiáng)以及一些特殊行業(yè)的需求，勢(shì)必需要進(jìn)行長(zhǎng)距離的空間通信，這時(shí)就需要速度非常快(時(shí)速上千公里)的移動(dòng)終端來服務(wù)，例如航空業(yè)中洲際間的飛機(jī)、航天中的宇宙飛船、軍事上的飛機(jī)、導(dǎo)彈等。在傳統(tǒng)的關(guān)于LEO和用戶終端之間的具有確定模型的移動(dòng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，由于衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內(nèi)用戶位置的不確定性和偶然性，導(dǎo)致對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)參數(shù)估計(jì)值可靠性不高。參考文獻(xiàn)[1](YounesSeyedi,SeyedMostafaSafavi.OntheAnalysisofRandomCoverageTimeinMobileLEOSatelliteCommunications[J].IEEECOMMUNICATIONSLETTERS,2012,16(5):612-615.)提出了一種用于預(yù)估衛(wèi)星對(duì)用戶的覆蓋時(shí)間的統(tǒng)計(jì)模型，在該模型下，提出了一種適用于衛(wèi)星對(duì)普通低速終端剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)的有效的估計(jì)方法。該模型在設(shè)計(jì)關(guān)于用戶和衛(wèi)星的移動(dòng)通信系統(tǒng)時(shí)，具有一定的指導(dǎo)意義。該文獻(xiàn)指出，衛(wèi)星對(duì)終端的服務(wù)時(shí)長(zhǎng)是用戶和衛(wèi)星間仰角由最小值變?yōu)樽畲笾邓?jīng)歷時(shí)間的2倍。在參考文獻(xiàn)[2](WuZ,HuG,SeyediY,etal.Asimplereal-timehandovermanagementinthemobilesatellitecommunicationnetworks[C]//NetworkOperationsandManagementSymposium.2015)中，首先使用GPS設(shè)施完成用戶終端和衛(wèi)星位置信息的測(cè)量估計(jì)工作，推導(dǎo)出了LEO衛(wèi)星對(duì)普通低速終端的剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)的實(shí)時(shí)估計(jì)值。然后，以低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)和普通低速終端之間可視衛(wèi)星集合中的每顆衛(wèi)星為研究對(duì)象，計(jì)算出每一顆衛(wèi)星對(duì)普通低速終端的實(shí)時(shí)剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)估計(jì)值，然后又根據(jù)得到的關(guān)于所有可視衛(wèi)星的實(shí)時(shí)剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)的集合，找出剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)最大的那顆星，作為下一次將要切換的目標(biāo)衛(wèi)星。接下來，又對(duì)論文提出關(guān)于剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)的估計(jì)策略，做了仿真估計(jì)工作，仿真環(huán)境使用了低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中銥星網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，完成仿真與比較分析的工作。在仿真工作中，分別選取了不同的用戶和衛(wèi)星跡角值，將LEO衛(wèi)星對(duì)普通低速終端的剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)估計(jì)值與實(shí)際剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)做比較工作，同時(shí)，對(duì)二者的差值隨實(shí)際剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)的變化規(guī)律做了研究與仿真工作。論文根據(jù)實(shí)時(shí)的參數(shù)估計(jì)，自適應(yīng)普通低速終端位置信息的切換策略。然而，現(xiàn)階段的相關(guān)文獻(xiàn)大多針對(duì)普通低速終端，提出了LEO衛(wèi)星對(duì)普通低速終端的剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)的估計(jì)值策略。但是，在實(shí)際通信業(yè)務(wù)中，面向快速終端業(yè)務(wù)呈現(xiàn)出愈來愈多，愈來愈復(fù)雜的趨勢(shì)，研究一種面向快速終端的自適應(yīng)切換技術(shù)具有重要的指導(dǎo)意義。在衛(wèi)星移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，由于快速終端的高速運(yùn)動(dòng)和無線資源的有限性，隨時(shí)隨地保證用戶的服務(wù)質(zhì)量是很有挑戰(zhàn)性的。如果能夠預(yù)知用戶的通信需求，獲取有效的QOS會(huì)容易很多。運(yùn)動(dòng)是用戶終端與生俱來的特性，它在網(wǎng)絡(luò)通信的移動(dòng)管理和轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)保證通信可靠性方面，會(huì)帶來相當(dāng)大的開銷。在實(shí)際通信當(dāng)中，移動(dòng)用戶頻繁地改變它與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的接入點(diǎn)，即切換；在保證用戶通信可靠性方面，切換是一個(gè)關(guān)鍵性的因素。提出合理準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)模型，在保證快速終端的服務(wù)質(zhì)量方面可以起到很重要的作用。在過去十多年內(nèi)，移動(dòng)模型已經(jīng)廣泛地用在很多種類的無線網(wǎng)絡(luò)中。首先分析終端的移動(dòng)模型，提出可以預(yù)測(cè)用戶移動(dòng)特性的模型；根據(jù)用戶的運(yùn)動(dòng)性評(píng)估或者預(yù)測(cè)用戶未來的位置或者軌跡。常見的移動(dòng)模型有隨機(jī)步行、隨機(jī)航路點(diǎn)、流體運(yùn)動(dòng)、馬爾可夫過程的和基于規(guī)律性活動(dòng)的模型。最簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)模型是隨機(jī)步行和隨機(jī)航路點(diǎn)模型，這些最初用于估計(jì)物理學(xué)中粒子不可預(yù)測(cè)的移動(dòng)特性。其他的模型則用于預(yù)測(cè)用戶的特性，例如用戶運(yùn)動(dòng)路徑的預(yù)測(cè)。由于用戶的日常行程和運(yùn)動(dòng)模型的周期性等特點(diǎn)，許多研究學(xué)者都基于該理論定義預(yù)測(cè)用戶移動(dòng)性的模型。用戶移動(dòng)預(yù)測(cè)模型的一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域是針對(duì)個(gè)別用戶移動(dòng)性的預(yù)測(cè)模型，一些基本的模型通過引入位置、方向、時(shí)間、和條件概率等因子。考慮到用戶移動(dòng)的規(guī)律性，基于用戶運(yùn)動(dòng)的方向和時(shí)間，預(yù)測(cè)用戶下一次移動(dòng)性的條件概率，概率值最高的就是下一次移動(dòng)。然而，現(xiàn)階段文獻(xiàn)中的移動(dòng)性預(yù)測(cè)模型具有(1)短暫性(比如說下一個(gè)小區(qū))的用戶移動(dòng)性預(yù)測(cè)；(2)限制性的假設(shè)前提(例如，用戶的運(yùn)動(dòng)遵循一定的特點(diǎn))；(3)答案完全依賴于個(gè)別用戶的歷史運(yùn)動(dòng)特性；(4)需要很大的存儲(chǔ)空間，開銷大等特點(diǎn)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明為了提高剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)的準(zhǔn)確度，減少用戶通信過程中的切換次數(shù)，提高整個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能，提出一種衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中一種面向快速終端的自適應(yīng)切換方法。本發(fā)明結(jié)合快速終端的速度、位置、高度等信息，給出一種針對(duì)快速終端的二維移動(dòng)模型，該二維移動(dòng)模型不依賴快速終端的歷史運(yùn)動(dòng)信息，所以不需要存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)；不需要對(duì)快速終端的移動(dòng)性做出給定的假設(shè)，可以根據(jù)快速終端的實(shí)時(shí)信息，估計(jì)快速終端的移動(dòng)參數(shù)和切換參數(shù)；可以對(duì)快速終端的長(zhǎng)期性運(yùn)動(dòng)給出相應(yīng)的估計(jì)和預(yù)測(cè)。本發(fā)明提供一種衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中一種面向快速終端的自適應(yīng)切換方法，包括兩種切換場(chǎng)景，分別為L(zhǎng)EO－飛行器切換場(chǎng)景和GEO－LEO切換場(chǎng)景，對(duì)于第一個(gè)LEO－飛行器切換場(chǎng)景，所述的飛行器作為快速終端，對(duì)于第二個(gè)GEO－LEO切換場(chǎng)景，LEO衛(wèi)星作為快速終端，所述自適應(yīng)切換方法包括如下步驟：第一步，尋找可視衛(wèi)星：當(dāng)快速終端在執(zhí)行任務(wù)的過程中，到達(dá)當(dāng)前服務(wù)衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域邊緣處時(shí)，為了保證快速終端的持續(xù)通信不發(fā)生中斷，需判斷有沒有衛(wèi)星覆蓋當(dāng)前快速終端，如果有衛(wèi)星覆蓋快速終端，則稱該衛(wèi)星為可視衛(wèi)星，執(zhí)行第二步至第五步；如果沒有衛(wèi)星覆蓋快速終端，那么衛(wèi)星－快速終端通信中斷。第二步，構(gòu)建二維移動(dòng)模型并運(yùn)算可視衛(wèi)星的剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)：快速終端向一顆可視衛(wèi)星發(fā)起切換請(qǐng)求之前，通過GPS設(shè)施提供的PNT服務(wù)獲取快速終端和可視衛(wèi)星的經(jīng)緯度信息，構(gòu)建關(guān)于衛(wèi)星－快速終端的二維移動(dòng)模型，在該二維移動(dòng)模型下計(jì)算可視衛(wèi)星和快速終端的跡角、快速終端－衛(wèi)星的仰角等實(shí)時(shí)信息，同時(shí)推導(dǎo)并計(jì)算出當(dāng)前二維移動(dòng)模型中可視衛(wèi)星的剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)。第三步，逐一計(jì)算每顆可視衛(wèi)星的剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)：判斷是否計(jì)算完所有可視衛(wèi)星的剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)，如果沒有計(jì)算完，則選擇下一顆可視衛(wèi)星；同時(shí)，重新構(gòu)建衛(wèi)星－快速終端的二維移動(dòng)模型，在新構(gòu)建的二維移動(dòng)模型下，計(jì)算該顆可視衛(wèi)星的剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)。第四步，選擇剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)最長(zhǎng)的可視衛(wèi)星作為目標(biāo)衛(wèi)星：當(dāng)計(jì)算完所有可視衛(wèi)星的剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)時(shí)，從可視衛(wèi)星集合中選取有空閑信道資源且剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)最長(zhǎng)的那顆可視衛(wèi)星，并把該顆可視衛(wèi)星作為下一顆目標(biāo)衛(wèi)星。第五步，與新目標(biāo)衛(wèi)星建立通信鏈路：目標(biāo)衛(wèi)星為快速終端分配信道資源，建立通信連接；快速終端釋放原服務(wù)衛(wèi)星的信道資源，舊的通信鏈路斷開；完成整個(gè)衛(wèi)星－快速終端通信的切換過程?？焖俳K端在新目標(biāo)衛(wèi)星的覆蓋下，完成通信業(yè)務(wù)服務(wù)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：(1)本發(fā)明將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中傳統(tǒng)意義上的一維模型改成了二維模型，同時(shí)建立相應(yīng)的二維空間移動(dòng)模型。這樣做的益處在于，考慮到了快速終端的速度矢量(大小和方向)、位置等實(shí)時(shí)信息，能夠更精確地計(jì)算衛(wèi)星對(duì)快速終端的剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)。從而可以減少快速終端持續(xù)通信過程中所需的衛(wèi)星間切換次數(shù)，提高整個(gè)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的性能，對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中無限資源分配和利用也能起到優(yōu)化的作用。(2)本發(fā)明引入快速終端實(shí)時(shí)變化的速度矢量和位置信息，便于整個(gè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的實(shí)時(shí)分析計(jì)算。這樣做的好處可以減少因預(yù)算錯(cuò)誤引起的錯(cuò)誤切換，同時(shí)降低用戶終端和衛(wèi)星間的切換失敗率；優(yōu)化衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中無線資源的分配和利用。(3)本發(fā)明提出的在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中二維移動(dòng)模型，具有不依賴用戶的歷史運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)；不再需要存儲(chǔ)很大的歷史數(shù)據(jù)，因此不需要很大的存儲(chǔ)空間；新提出的二維移動(dòng)模型具有普適性，不僅適合于計(jì)算快速終端用戶的剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)，還可以用于分析普通低速用戶的剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)，滿足兩種類型用戶的自適應(yīng)切換需求；再者，提出的自適應(yīng)切換策略不僅可以應(yīng)用于單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型下，還可以用于雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型下，運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景也更具有普適性。附圖說明圖1是本發(fā)明中二維模型下的場(chǎng)景示意圖。圖2是本發(fā)明中LEO衛(wèi)星和快速終端的幾何關(guān)系分析圖。圖3是本發(fā)明中GEO和LEO高動(dòng)態(tài)場(chǎng)景。圖4是本發(fā)明的面向快速終端的自適應(yīng)切換方法流程圖。圖5采用原切換策略的LEO－快速終端場(chǎng)景下，預(yù)測(cè)剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)、實(shí)際剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)及兩者差值變化關(guān)系圖。圖6本發(fā)明新的自適應(yīng)切換策略的LEO－快速終端場(chǎng)景下，預(yù)測(cè)剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)、實(shí)際剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)及兩者差值變化關(guān)系圖。圖7原切換策略的GEO－LEO場(chǎng)景下，預(yù)測(cè)剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)、實(shí)際剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)及兩者差值變化關(guān)系圖。圖8本發(fā)明新的自適應(yīng)切換策略的GEO－LEO場(chǎng)景下，預(yù)測(cè)剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)、實(shí)際剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)及兩者差值變化關(guān)系圖。圖9LEO－快速終端場(chǎng)景下本發(fā)明新的自適應(yīng)切換策略與原切換策略切換次數(shù)變化關(guān)系圖。圖10GEO－LEO場(chǎng)景下本發(fā)明新的自適應(yīng)切換策略與原切換策略切換次數(shù)變化關(guān)系圖。具體實(shí)施方式下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本發(fā)明提供一種衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中一種面向快速終端的自適應(yīng)切換方法。所述的快速終端可以是飛行器或者是任意一顆LEO衛(wèi)星，快速終端的移動(dòng)速度為1000km/h以上。所述的自適應(yīng)切換方法在LEO－飛行器切換場(chǎng)景下進(jìn)行，飛行器作為快速終端，與不同的LEO衛(wèi)星切換通信；或在GEO－LEO切換場(chǎng)景下進(jìn)行，LEO作為快速終端，與不同的GEO衛(wèi)星切換通信。首先，以LEO衛(wèi)星－飛行器(快速終端)切換場(chǎng)景為基礎(chǔ)，抽象數(shù)學(xué)問題，并構(gòu)建相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，具體方法如下：如圖1和圖2所示，假定所研究的衛(wèi)星S都是軌道傾角為i、高度為h的圓軌道衛(wèi)星，快速終端T即飛行器的飛行高度為h1(距離地面的高度)，從快速終端T到衛(wèi)星S的仰角為θ(t)，當(dāng)前快速終端T到衛(wèi)星S的星下點(diǎn)弧距γ(t),地球半徑為Re。衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內(nèi)的快速終端記為T。以地心O為球心，半徑為Re+h1的球面記為B。通過引入二維移動(dòng)模型，分析自適應(yīng)快速終端的剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)切換準(zhǔn)則。如圖1所示，衛(wèi)星、快速終端依次記為S、T，把快速終端速度記為vt，然后對(duì)vt進(jìn)行正交分解，分解后的速度一個(gè)記為vx(沿衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)方向)，另一個(gè)速度記為vy(垂直衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)方向)，其中vx和vt的夾角記為j，表示衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)方向與快速終端運(yùn)動(dòng)方向的夾角。vx分量對(duì)應(yīng)的角速度為ωtx＝vx/(Re+h1)。在該二維移動(dòng)模型中，綜合考慮衛(wèi)星的速度和快速終端的速度，快速終端速度大多在1000km/h以上，遠(yuǎn)大于慢速終端的速度，故其速度不可忽略。基于快速終端和衛(wèi)星的高速運(yùn)動(dòng)，衛(wèi)星覆蓋區(qū)在球面B上高速移動(dòng)；X軸的切換由衛(wèi)星和快速終端的運(yùn)動(dòng)引起；Y軸的切換由快速終端的運(yùn)動(dòng)引起；X軸的切換和Y軸的切換共同決定了快速終端和衛(wèi)星間下次切換的位置和時(shí)刻。如圖1和圖2所示，快速終端和衛(wèi)星之間的仰角記為θ(t)，γm表示衛(wèi)星－快速終端的跡角，即是快速終端到衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡最短的弧距；θc是快速終端和衛(wèi)星間的最小仰角。在地球中心固定(EarthCenterFixed，ECF)系統(tǒng)中，是輔助角，ωs是衛(wèi)星的角速度，ωt是快速終端的角速度，則有，γm(t)表示t時(shí)刻衛(wèi)星－快速終端的跡角。如圖2，H表示衛(wèi)星S在球面B上的星下點(diǎn)，引入輔助點(diǎn)Q，γm表示快速終端的跡角，根據(jù)余弦定律有：由式(1)知，由式(2)知，γm(t)＝tωtsinj+γm0(5)其中，為輔助角在0時(shí)刻的初始值，γm0為0時(shí)刻的衛(wèi)星-快速終端的跡角，也稱快速終端到衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡的弧距取最小值。這里，假定在t＝0時(shí)，即一顆衛(wèi)星剛進(jìn)入快速終端視野的時(shí)刻，有輔助角快速終端和可視衛(wèi)星的跡角γm(t)在t＝0時(shí)的取值分別為γm(0)＝γm0。由式(3)可得，又根據(jù)圖1中所示的場(chǎng)景模型和幾何關(guān)系有，(Re+h)cos(γ(t)+θ(t))＝(Re+h1)cosθ(t)(7)由式(7)得由式(8)得當(dāng)衛(wèi)星開始出現(xiàn)在快速終端的視野中時(shí)，即t＝0時(shí)刻，有下列等式成立：(Re+h)cos(γ0+θc)＝(Re+h1)cosθc(10)其中，γ0為快速終端和服務(wù)衛(wèi)星之間的仰角最小時(shí)對(duì)應(yīng)的地球中心角(即在圖1中γ(t)在t＝0時(shí)刻的取值)。在t＝0時(shí)刻，在使用GPS設(shè)施可提供的PNT服務(wù)(Positioning，NavigationandTiming)，分別獲取衛(wèi)星和快速終端的經(jīng)緯度位置信息，其中衛(wèi)星的經(jīng)緯度是(λs，ηs),快速終端的經(jīng)緯度(λTηT)。假定有那么，快速終端到可視衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡的最小弧距，即快速終端和該顆衛(wèi)星的“跡角”，其在0時(shí)刻的初始值表示為：γm0＝Min{2sin-1(Δ)}(13)根據(jù)上述可得每個(gè)快速終端對(duì)衛(wèi)星的仰角θ(t)表示為：第n顆衛(wèi)星對(duì)當(dāng)前快速終端總的服務(wù)時(shí)長(zhǎng)用tcn表示；從當(dāng)前快速終端與服務(wù)衛(wèi)星建立連接并通信開始，經(jīng)過th的時(shí)長(zhǎng)，快速終端往下一顆目標(biāo)衛(wèi)星發(fā)起切換請(qǐng)求；當(dāng)快速終端與目標(biāo)衛(wèi)星發(fā)生切換時(shí)，即在th時(shí)刻，在當(dāng)前系統(tǒng)環(huán)境下，假定有N顆衛(wèi)星對(duì)當(dāng)前快速終端進(jìn)行覆蓋，也就是說，這種情況下快速終端有N種方案完成星間切換；N等于多少，就有多少顆衛(wèi)星對(duì)該快速終端覆蓋，該快速終端就有多少種方案可以用于完成下一步的星間切換。當(dāng)快速終端和衛(wèi)星通信過程中，當(dāng)前快速終端和服務(wù)衛(wèi)星之間的仰角最小時(shí)，所對(duì)應(yīng)的地球中心角記為γ0。其中,ω＝(ωs-ωtcosj)/2，γmn表示第n顆可視衛(wèi)星的跡角(即快速終端到衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡最短的弧距)，N表示可視衛(wèi)星顆數(shù)。又根據(jù)式(7)和式(13)，可以得到快速終端到第n顆可視衛(wèi)星的星下點(diǎn)弧距：對(duì)于所述的快速終端，假設(shè)第n顆衛(wèi)星可見，經(jīng)過tsn時(shí)間，快速終端和衛(wèi)星間的仰角變?yōu)棣萵(t)，再結(jié)合式(6)和式(14)可得：γn(t)＝cos-1{cos[(ωs-ωtcosj)tsn+ωtcn]cos[ωttsnsinj+γm0]}(17)tcn＝trn+tsn(18)γn(t)＝cos-1{cos[(ωs-ωtcosj)(tcn-trn)+ωtcn]cos[ωt(tcn-trn)sinj+γm0]}(19)由式(19)可以計(jì)算出滿足條件的自適應(yīng)快速終端的衛(wèi)星剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)trn。然后，選擇切換目的衛(wèi)星。通過比較獲取的可見衛(wèi)星剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)集合中，選取剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)值最大且有空閑信道資源的那顆衛(wèi)星，并把它當(dāng)作下一顆要接入的目標(biāo)衛(wèi)星，即，目標(biāo)衛(wèi)星＝argMax{trn}(20)當(dāng)快速終端的高度h1接近零，快速終端速度減小(降為普通低速終端速度量級(jí))時(shí)，該二維移動(dòng)模型就會(huì)降級(jí)為面向普通低速終端的一維模型。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，由于只利用單層的LEO衛(wèi)星組成的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)具有距離短、傳輸時(shí)延短、路徑傳輸損耗小的優(yōu)點(diǎn)；但是整個(gè)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)欲實(shí)現(xiàn)全球覆蓋需要眾多衛(wèi)星共同完成，往往由多達(dá)數(shù)十顆乃至數(shù)百顆衛(wèi)星共同完成；這就決定了其衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計(jì)是非常復(fù)雜的，同時(shí)，在快速終端的持續(xù)通信過程中，勢(shì)必要進(jìn)行頻繁的切換，切換失敗率和切換次數(shù)等任何一個(gè)切換指標(biāo)都關(guān)系著整個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的通信性能指標(biāo)。GEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)階段已相當(dāng)成熟，多普勒頻移小、只用幾顆衛(wèi)星就可以實(shí)現(xiàn)全球無縫覆蓋；再者，滿足同樣的通信需求時(shí)，需要進(jìn)行的衛(wèi)星間切換次數(shù)更少；但是有傳輸時(shí)延大、傳輸信號(hào)損耗大等顯著的缺點(diǎn)?；谏鲜鲅芯渴聦?shí)，近年來，具有星際鏈路ISL(Inter-SatelliteSLLink)的多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型日益成為眾多衛(wèi)星學(xué)者研究的熱點(diǎn)。多層衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)模型融合了低軌道衛(wèi)星和高軌道衛(wèi)星的優(yōu)點(diǎn)，既可以做到通信時(shí)延小、通信鏈路信號(hào)衰減小，又有地球同步軌道衛(wèi)星GEO(GeostationaryEarthOrbitSatellite)鏈路結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的特點(diǎn)，它為衛(wèi)星間的通信技術(shù)的發(fā)展提供強(qiáng)有力的支撐，具有很高的研究?jī)r(jià)值。接下來，在雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信模型的場(chǎng)景中，采用本發(fā)明提出的面向快速終端的自適應(yīng)切換方法，仿真并研究分析相關(guān)切換參數(shù)。所述的雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信模型，由GEO和LEO共同構(gòu)成，GEO衛(wèi)星相對(duì)地球是靜止的，LEO相對(duì)地球做高速運(yùn)動(dòng)；LEO是做高動(dòng)態(tài)的快速終端。運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景選取地球?yàn)閰⒄瘴铮紤]GEO和地球相對(duì)靜止的特性，等價(jià)于以GEO衛(wèi)星為參照物。GEO衛(wèi)星和快速終端之間的移動(dòng)模型場(chǎng)景如圖3所示，T表示LEO衛(wèi)星高動(dòng)態(tài)快速終端，S表示GEO高軌衛(wèi)星，h2表示LEO衛(wèi)星的運(yùn)行高度，h表示GEO衛(wèi)星的運(yùn)行高度，記以地心為球心，Re+h2為半徑的球面為B1。γm表示快速終端和GEO衛(wèi)星間的跡角，是輔助角，γ(t)是LEO衛(wèi)星到GEO衛(wèi)星的弧距，H是GEO衛(wèi)星在球面B1上星下點(diǎn)，Q是輔助點(diǎn)。此時(shí)，在該雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信模型中，基于LEO衛(wèi)星和GEO衛(wèi)星，構(gòu)建二維移動(dòng)模型。實(shí)施例1：LEO(低軌道衛(wèi)星)對(duì)快速終端用戶、GEO衛(wèi)星對(duì)LEO衛(wèi)星的剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)的預(yù)測(cè)和分析的準(zhǔn)確性，關(guān)系著整個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)所采用的切換策略的性能指標(biāo)，也關(guān)系到整個(gè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的切換性能指標(biāo)。下面，針對(duì)上述提出的關(guān)于覆蓋星的剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)的預(yù)測(cè)及分析方法，進(jìn)行仿真。系統(tǒng)仿真參數(shù)如下所示：快速終端速度是3馬赫(1.02千米每秒)，其飛行高度是35km；快速終端平均通信時(shí)長(zhǎng)服從指數(shù)分布；關(guān)于LEO/GEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)和快速終端的詳細(xì)參數(shù)見表1～表3所示：表1快速終端飛行器的仿真參數(shù)快速終端類型低空飛行器飛行高度35千米速度3馬赫(1.02km/s)航線北京－馬德里表2LEO衛(wèi)星的仿真參數(shù)軌道高度1414千米軌道傾角52度軌道周期114min軌道平面數(shù)8個(gè)每個(gè)軌道上的衛(wèi)星數(shù)6個(gè)用戶同時(shí)可視衛(wèi)星數(shù)2-4顆表3GEO衛(wèi)星的仿真參數(shù)GEO緯度高度(千米)1東徑63.88度357862西徑15.48度357863東徑178.12度357864西徑53.97度35786采用本發(fā)明提供的基于二維模型的面向快速終端的切換策略，分別研究可視衛(wèi)星對(duì)快速終端的實(shí)際剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)、可視衛(wèi)星對(duì)快速終端的預(yù)測(cè)剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)以及兩者的差值。如圖4所示，按照上述表1～3給出的仿真參數(shù)來描述自適應(yīng)切換策略的實(shí)現(xiàn)過程：步驟1-尋找LEO可視衛(wèi)星：全球星衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)和飛行器通信過程中，全球星星座中的一顆LEO衛(wèi)星和飛行器建立通信連接；由于LEO衛(wèi)星和飛行器之間存在著高速的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)飛行器(用戶終端)在執(zhí)行任務(wù)的過程中，到達(dá)當(dāng)前服務(wù)衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域邊緣處時(shí)，為了保證用戶終端的持續(xù)通信不發(fā)生中斷，需判斷有沒有衛(wèi)星覆蓋當(dāng)前用戶終端，如果有衛(wèi)星覆蓋用戶終端，執(zhí)行步驟2-步驟5；如果沒有衛(wèi)星覆蓋用戶終端，那么衛(wèi)星－快速終端通信中斷。步驟2-構(gòu)建二維移動(dòng)模型并運(yùn)算可視性剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)：通過GPS設(shè)施提供的PNT服務(wù)獲取用戶終端和可視衛(wèi)星的經(jīng)緯度信息，構(gòu)建關(guān)于衛(wèi)星－用戶終端的二維運(yùn)動(dòng)模型，在該二維運(yùn)動(dòng)模型下計(jì)算衛(wèi)星和用戶終端的跡角、用戶終端－衛(wèi)星的仰角等實(shí)時(shí)信息，同時(shí)推導(dǎo)并計(jì)算出二維模型中的可視衛(wèi)星剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)。步驟3-逐一計(jì)算每顆覆蓋星的剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)：判斷是否計(jì)算完所有可視衛(wèi)星的剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)，如果沒有計(jì)算完，則選擇下一顆可視衛(wèi)星；同時(shí)，重新構(gòu)建衛(wèi)星－終端的二維運(yùn)動(dòng)模型，在新構(gòu)建的二維模型下，計(jì)算該顆可視衛(wèi)星對(duì)終端的剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)。步驟4-選擇剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)最長(zhǎng)的衛(wèi)星作為目標(biāo)衛(wèi)星：當(dāng)計(jì)算完所有可視衛(wèi)星的剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)時(shí)，從可視衛(wèi)星集合中選取有空閑信道資源且剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)最長(zhǎng)的那顆衛(wèi)星，并把該顆星作為下一顆目標(biāo)服務(wù)衛(wèi)星。步驟5-與新目標(biāo)衛(wèi)星建立通信鏈路：新目標(biāo)衛(wèi)星為用戶終端飛行器分配信道資源，建立通信連接，用戶終端飛行器釋放原服務(wù)衛(wèi)星的信道資源，舊的通信鏈路斷開；完成整個(gè)衛(wèi)星－飛行器通信的切換過程?？焖俳K端在新衛(wèi)星的覆蓋下，完成通信服務(wù)。關(guān)于GEO星座和LEO快速終端的通信的切換過程如下：步驟1-尋找GEO可視衛(wèi)星：GEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)和LEO快速終端的通信過程中，GEO星座中的一顆GEO衛(wèi)星和LEO衛(wèi)星建立通信連接；由于GEO衛(wèi)星和LEO衛(wèi)星之間存在著高速的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)LEO衛(wèi)星在運(yùn)動(dòng)過程中，到達(dá)當(dāng)前GEO服務(wù)衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域邊緣處時(shí)，為了保證LEO衛(wèi)星終端的持續(xù)通信不發(fā)生中斷，需判斷有沒有GEO衛(wèi)星覆蓋當(dāng)前終端，如果有GEO衛(wèi)星覆蓋終端，執(zhí)行步驟2-步驟5；如果沒有GEO衛(wèi)星覆蓋終端，那么GEO衛(wèi)星－LEO衛(wèi)星終端通信中斷。步驟2-構(gòu)建二維移動(dòng)模型并運(yùn)算可視性剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)：通過GPS設(shè)施提供的PNT服務(wù)獲取LEO終端和可視GEO衛(wèi)星的經(jīng)緯度信息，構(gòu)建關(guān)于GEO衛(wèi)星－LEO終端的二維運(yùn)動(dòng)模型，在該二維運(yùn)動(dòng)模型下計(jì)算GEO衛(wèi)星和LEO用戶終端的跡角、仰角等實(shí)時(shí)信息，同時(shí)推導(dǎo)并計(jì)算出二維模型中的可視衛(wèi)星的剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)。步驟3-逐一計(jì)算每顆GEO覆蓋星的剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)：判斷是否計(jì)算完所有可視GEO衛(wèi)星的剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)，如果沒有計(jì)算完，則選擇下一顆GEO可視衛(wèi)星；同時(shí)，重新構(gòu)建GEO衛(wèi)星－LEO衛(wèi)星終端的二維運(yùn)動(dòng)模型，在新構(gòu)建的二維模型下，計(jì)算該顆可視衛(wèi)星對(duì)快速終端的剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)；步驟4-選擇剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)最長(zhǎng)的GEO衛(wèi)星作為目標(biāo)衛(wèi)星：當(dāng)計(jì)算完所有GEO可視衛(wèi)星的剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)時(shí)，從可視衛(wèi)星集合中選取有空閑信道資源且剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)最長(zhǎng)的那顆GEO衛(wèi)星，并把該顆星作為下一顆目標(biāo)服務(wù)衛(wèi)星。步驟5-與新GEO目標(biāo)衛(wèi)星建立通信鏈路：GEO衛(wèi)星給用戶終端LEO衛(wèi)星分配信道資源，建立通信連接；快速終端釋放原服務(wù)衛(wèi)星的信道資源，舊的通信鏈路斷開；完成整個(gè)GEO衛(wèi)星－LEO衛(wèi)星通信的切換過程。用戶終端在新GEO衛(wèi)星的覆蓋下，完成通信服務(wù)。仿真結(jié)果分析：如圖5所示，在LEO衛(wèi)星－飛行器業(yè)務(wù)場(chǎng)景下，虛線表示采用參考文獻(xiàn)[2]衛(wèi)星切換策略得到預(yù)測(cè)剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)變化趨勢(shì)圖，還反映該策略下預(yù)測(cè)剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)和實(shí)際剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)的相互關(guān)系及變化規(guī)律；實(shí)線表示采用參考文獻(xiàn)[2]切換策略時(shí)，預(yù)測(cè)剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)和實(shí)際剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)之間的差值及其隨實(shí)際剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)的變化規(guī)律，兩者的值差值較大。如圖6所示，在LEO衛(wèi)星－飛行器業(yè)務(wù)場(chǎng)景下，采用本發(fā)明的自適應(yīng)快速終端的切換策略時(shí)，衛(wèi)星對(duì)用戶的預(yù)測(cè)剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)和實(shí)際剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)及二者差值間的變化規(guī)律；虛線表示采用提出的自適應(yīng)切換策略時(shí)，預(yù)測(cè)剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)隨實(shí)際剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)的變化趨勢(shì)圖，實(shí)線表示采用提出的自適應(yīng)切換策略時(shí)，預(yù)測(cè)剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)和實(shí)際剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)之間的差值及其隨實(shí)際剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)的變化規(guī)律。顯然，相比原切換策略，采用新的自適應(yīng)切換策略時(shí)，可以更好地估計(jì)衛(wèi)星對(duì)快速終端的剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)，兩服務(wù)時(shí)長(zhǎng)的差值減少了。如圖7所示，采用原切換策略在GEO－LEO切換場(chǎng)景下，GEO對(duì)LEO的預(yù)測(cè)剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)、實(shí)際剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)及兩者差值之間的變化規(guī)律。虛線表示采用原切換策略時(shí)，預(yù)測(cè)剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)隨實(shí)際剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)的變化趨勢(shì)圖，實(shí)線表示采用原切換策略時(shí)，預(yù)測(cè)剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)和實(shí)際剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)之間的差值及其隨實(shí)際剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)的變化規(guī)律。在該業(yè)務(wù)場(chǎng)景下，構(gòu)建移動(dòng)模型，仿真結(jié)果中兩服務(wù)時(shí)長(zhǎng)差值較大。如圖8所示，采用本發(fā)明提出的自適應(yīng)切換策略在GEO－LEO切換場(chǎng)景下，GEO對(duì)LEO的預(yù)測(cè)剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)、實(shí)際剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)及兩者差值之間的變化規(guī)律。虛線表示采用提出的自適應(yīng)切換策略時(shí)，預(yù)測(cè)剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)隨實(shí)際剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)的變化趨勢(shì)圖，實(shí)線表示采用提出的自適應(yīng)切換策略時(shí)，預(yù)測(cè)剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)和實(shí)際剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)之間的差值及其隨實(shí)際剩余服務(wù)時(shí)長(zhǎng)的變化規(guī)律。在該業(yè)務(wù)場(chǎng)景下，構(gòu)建二維移動(dòng)模型，與圖7相比，仿真結(jié)果中兩服務(wù)時(shí)長(zhǎng)差值減小，說明本發(fā)明的自適應(yīng)切換策略的有效性。如圖9所示，在LEO－快速終端場(chǎng)景下，采用原切換策略與本發(fā)明的切換策略時(shí)，快速終端和LEO之間所發(fā)生的星間切換次數(shù)隨通信時(shí)間的變化關(guān)系。虛線表示采用原切換策略時(shí)，切換次數(shù)隨通信時(shí)長(zhǎng)的變化關(guān)系；實(shí)線表示采用提出的自適應(yīng)切換策略時(shí)，切換次數(shù)隨通信時(shí)長(zhǎng)的變化關(guān)系；顯然，在相同的通信時(shí)間內(nèi)，本發(fā)明的自適應(yīng)切換策略可有效減少所需切換次數(shù)。如圖10所示，在GEO－LEO場(chǎng)景下，采用原切換策略與本發(fā)明的切換策略時(shí)，GEO和LEO之間所發(fā)生的星間切換次數(shù)隨通信時(shí)間的變化關(guān)系。虛線表示采用原切換策略時(shí)，切換次數(shù)隨通信時(shí)長(zhǎng)的變化關(guān)系；實(shí)線表示采用本發(fā)明提出的自適應(yīng)切換策略時(shí)，切換次數(shù)隨通信時(shí)長(zhǎng)的變化關(guān)系。顯然，在該業(yè)務(wù)場(chǎng)景下，在相同的通信時(shí)間內(nèi)，與采用原切換策略時(shí)的切換次數(shù)相比，采用新的面向快速終端的自適應(yīng)切換策略時(shí)，星間切換次數(shù)減少了。當(dāng)前第1頁1 2 3