本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及雙層混合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計及覆蓋性能評估。

背景技術(shù)：

與傳統(tǒng)通信方式相比，衛(wèi)星通信以其覆蓋范圍廣、通信容量大、傳輸質(zhì)量好、組網(wǎng)方便迅速、便于實現(xiàn)全球無縫覆蓋等眾多優(yōu)點，成為下一代網(wǎng)絡(luò)(nextgenerationnetwork,ngn)的重要組成部分。

單顆衛(wèi)星僅僅能覆蓋地球表面的一部分，一個靜止軌道(geostationaryearthorbit,geo)衛(wèi)星對地球的覆蓋面積不超過30％，而實現(xiàn)全球覆蓋則需要將類型和功能相似的多顆衛(wèi)星，按照一定的相位要求布放在相似的或互補的軌道上，并通過合理軌道設(shè)計和星座配置來提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)的整體性能。因此，衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計的首要任務(wù)是衛(wèi)星星座設(shè)計，合理的星座結(jié)構(gòu)和軌道設(shè)計能夠?qū)πl(wèi)星資源既可以進行充分利用,降低系統(tǒng)復(fù)雜度,又能滿足系統(tǒng)的指標要求,更好地改善衛(wèi)星通信系統(tǒng)的性能。衛(wèi)星星座設(shè)計目標是以最少數(shù)量的衛(wèi)星實現(xiàn)對指定區(qū)域的連續(xù)覆蓋，其實質(zhì)是在相關(guān)參數(shù)的結(jié)合中找出符合設(shè)計要求的最適合參數(shù)。衛(wèi)星通信系統(tǒng)的覆蓋性能與衛(wèi)星數(shù)量、軌道高度、軌道類型、星座模型、軌道傾角、同一軌道中相鄰衛(wèi)星和相鄰軌道中衛(wèi)星間的相位關(guān)系等因素緊密關(guān)聯(lián)。

傳統(tǒng)的leo、meo及geo單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)由于受到單一軌道的限制，存在系統(tǒng)時延過高、網(wǎng)絡(luò)阻塞率大、網(wǎng)絡(luò)抗毀能力差、星載跟蹤瞄準系統(tǒng)設(shè)計困難等問題；而由leo、meo和geo共同構(gòu)成的三層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)由于星間鏈路數(shù)目較多，鏈路的頻繁切換導(dǎo)致鏈路的建立和管理極為復(fù)雜，實現(xiàn)比較困難。

為了解決傳統(tǒng)單層衛(wèi)星星座阻塞概率大以及三層衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)管理復(fù)雜等問題，本發(fā)明基于“最差觀察點”、“覆蓋帶”理論進行分析，結(jié)合我國的地理位置和國情需求，提出了一種基于meo/leo的雙層混合衛(wèi)星星座優(yōu)化設(shè)計方案，相互彌補了各自星座設(shè)計的不足，保證了對中國地區(qū)的全覆蓋；同時，通過建立層次分析法(analytichierarchyprocess，ahp)模型，提出了一種統(tǒng)一評價指標計算模型，對不同構(gòu)型的星座進行覆蓋性能統(tǒng)一評價，從而解決了傳統(tǒng)單一性能指標(如：最低覆蓋仰角等)不能對不同構(gòu)型星座的覆蓋性能進行準確評價的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在解決以上現(xiàn)有技術(shù)的問題。提出了一種有效的提升對中國區(qū)域的覆蓋率、降低平均間隙時長和平均響應(yīng)時間的雙層混合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計及其覆蓋性能評估方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種雙層混合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計方法，其包括以下步驟：

進行衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計具體包括步驟：

a1)設(shè)定衛(wèi)星星座的拓撲結(jié)構(gòu)(主要是衛(wèi)星軌道的選取)，采用walker星座對中軌道m(xù)eo衛(wèi)星進行組網(wǎng)分析(分析體現(xiàn)在對參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計)和星座優(yōu)化設(shè)計，采用極軌星座對低軌道leo衛(wèi)星進行了組網(wǎng)分析和星座設(shè)計，建立meo層/leo層雙層混合衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)，其中meo層由nm×mm顆meo衛(wèi)星組成，其中nm表示meo衛(wèi)星的軌道個數(shù)，mm表示每個軌道中meo衛(wèi)星的數(shù)目，leo層由nl×ml顆leo衛(wèi)星組成，分別為nl個軌道面，每個軌道中包含ml顆leo衛(wèi)星；

a2)判斷設(shè)定的衛(wèi)星星座的拓撲結(jié)構(gòu)是否滿足覆蓋性能，若不能滿足則返回重新設(shè)計a1)的拓撲結(jié)構(gòu)；若滿足則對衛(wèi)星的衛(wèi)星數(shù)、仰角進行最優(yōu)配置。

進一步的，所述建立meo層/leo層雙層混合衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)是結(jié)合了“最差觀察點”以及“覆蓋帶”理論。

進一步的，所述采用walker星座對中軌道m(xù)eo衛(wèi)星進行組網(wǎng)分析和星座優(yōu)化設(shè)計，采用極軌星座對低軌道leo衛(wèi)星進行了組網(wǎng)分析和星座設(shè)計，具體包括步驟：

1)衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計，提出衛(wèi)星通信系統(tǒng)所需要滿足的覆蓋范圍以及衛(wèi)星軌道選擇，對衛(wèi)星星座的拓撲結(jié)構(gòu)進行預(yù)先假定設(shè)計；

2)衛(wèi)星參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，對leo、meo衛(wèi)星星座參數(shù)，包括軌道面、相位關(guān)系和軌道傾角在內(nèi)的參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，通過最差觀察點準則，以及衛(wèi)星覆蓋帶理論分別對meo、leo星座的相關(guān)參數(shù)進行最優(yōu)計算；

3)判斷星座是否滿足覆蓋性能要求，如果不滿足，則返回步驟1)，重新選取衛(wèi)星軌道，設(shè)計新的星座拓撲結(jié)構(gòu)；反之，則繼續(xù)下一步；

4)判斷在滿足覆蓋性能要求的情況下，星座結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星數(shù)、仰角是否達到最優(yōu)配置。如果是，則得到最優(yōu)的星座設(shè)計；如果否，則返回步驟2)，繼續(xù)對軌道高度、軌道傾角、軌道平面的個數(shù)、每個軌道平面上的衛(wèi)星個數(shù)參數(shù)通過最差觀察點準則以及衛(wèi)星覆蓋帶理論進行優(yōu)化計算，直至得到最優(yōu)的星座設(shè)計。

進一步的，所述meo衛(wèi)星主要負責路由計算、對leo衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)管理、以及在leo衛(wèi)星失效或負載過重時承擔部分業(yè)務(wù)，leo衛(wèi)星軌道高度較低，星地傳播時延較小，因此主要作為接入層衛(wèi)星，負責信息的傳輸和交換。

一種基于所述雙層混合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計的覆蓋性能評估方法，其包括以下步驟：

利用層次分析法對meo-leo雙層混合衛(wèi)星星座的覆蓋性能進行分析和評估，通過設(shè)置4層結(jié)構(gòu)來建立遞階層次結(jié)構(gòu)評估模型，所述4層結(jié)構(gòu)包括目標層a、準則層b、指標層c、方案層，目標層考慮的是星座設(shè)計要滿足的要求，即星座的覆蓋性能；準則層進行評估決策準則的選取，即覆蓋時間和覆蓋重數(shù)；指標層對影響覆蓋性能的指標進行判斷；最后，通過對系統(tǒng)覆蓋性能進行評估，確定出衛(wèi)星星座優(yōu)化設(shè)計方案來滿足系統(tǒng)覆蓋性能要求。

進一步的，所述指標層對影響覆蓋性能的指標包括覆蓋面積百分比、平均連續(xù)覆蓋間隙時長、平均響應(yīng)時間、平均連續(xù)覆蓋時長、瞬時最大覆蓋重數(shù)。

本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果如下：

本發(fā)明中，針對單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)抗毀能力差、處理時延高以及三層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管理復(fù)雜、鏈路冗余度高等問題，結(jié)合“最差觀察點”以及“覆蓋帶”理論，分別采用walker星座和極軌星座對meo和leo衛(wèi)星進行了組網(wǎng)分析和星座設(shè)計，通過meo衛(wèi)星星座實現(xiàn)對中國地區(qū)的全覆蓋，leo衛(wèi)星星座實現(xiàn)對中國地區(qū)的多重覆蓋，采用互補軌道設(shè)計方法分別對meo和leo層衛(wèi)星星座進行了設(shè)計優(yōu)化，對星座模型進行了優(yōu)化調(diào)整、減少了系統(tǒng)設(shè)計所需的衛(wèi)星數(shù)目；此外，針對傳統(tǒng)衛(wèi)星覆蓋性能指標不能對不同構(gòu)型的衛(wèi)星星座進行統(tǒng)一評價的問題，基于層次分析法模型，結(jié)合多個覆蓋性能指標，建立了一種對不同構(gòu)型衛(wèi)星星座的覆蓋性能統(tǒng)一評估模型，實現(xiàn)了對不同星座結(jié)構(gòu)的覆蓋性能進行統(tǒng)一評價。本發(fā)明不僅能夠很好的提升對中國區(qū)域的覆蓋率，而且可以有效的降低平均間隙時長和平均響應(yīng)時間，從而滿足對中國地區(qū)的全天時覆蓋的總體設(shè)計要求。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供優(yōu)選實施例meo/leo雙層混合衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)模型圖；

圖2是圓軌道衛(wèi)星覆蓋特性示意圖；

圖3所示為最差觀察點幾何示意圖；

圖4所示為衛(wèi)星覆蓋帶示意圖；

圖5是雙層混合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計及覆蓋性能評估流程示意圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、詳細地描述。所描述的實施例僅僅是本發(fā)明的一部分實施例。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案是，

本發(fā)明內(nèi)容所涉及的概念和模型如下：

1.網(wǎng)絡(luò)模型

圖1是meo/leo雙層混合衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)模型圖。其中，meo層由nm×mm顆meo衛(wèi)星組成，其中nm表示meo衛(wèi)星的軌道個數(shù)，mm表示每個軌道中meo衛(wèi)星的數(shù)目。meo衛(wèi)星處理能力強，主要負責路由計算、對leo衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)管理、以及在leo衛(wèi)星失效或負載過重時承擔部分業(yè)務(wù)等任務(wù)，從而能夠有效的增強星座網(wǎng)絡(luò)的抗毀性等。leo層由nl×ml顆leo衛(wèi)星組成，分別為nl個軌道面，每個軌道中包含ml顆leo衛(wèi)星。leo衛(wèi)星軌道高度較低，星地傳播時延較小，因此主要作為接入層衛(wèi)星，負責信息的傳輸和交換，以降低時延，提高星座的性能。

2.衛(wèi)星覆蓋特性

圖2是圓軌道衛(wèi)星覆蓋特性示意圖。根據(jù)開普勒第二定律和第三定律可知，衛(wèi)星的運行速度vs和軌道周期ts分別為：

其中，μ為開普勒常數(shù)，μ＝g(m+ms)≈gm＝3.978655×10⁵km³/s²，ms為衛(wèi)星質(zhì)量，可忽略不計；re為地球半徑，h為衛(wèi)星軌道高度，e為地面觀察點對衛(wèi)星的俯仰角，由正弦定理可以得到在星下覆蓋區(qū)對應(yīng)的地球中心角(即覆蓋半地心角)θ，即：

以及地面觀察點對衛(wèi)星的仰角e，即：

γ為半衛(wèi)星視角，且有：

d是地面觀察點到衛(wèi)星的距離，由余弦定理可以得到覆蓋區(qū)邊緣距衛(wèi)星距離，即：

地面觀察點處于衛(wèi)星覆蓋區(qū)域的邊緣時，e取最小值emin，由式(5)可知，此時覆蓋帶半地心角得到最大值θmax，觀察點到衛(wèi)星的路徑長度達到最長，自由空間損耗也達到最大值。

用戶到衛(wèi)星的傳播時延為：

在地球表面，衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域面積為：

s＝2π·re²·(1-cosθ)

(8)

衛(wèi)星在地面上的覆蓋半徑為：

r＝re·sinθ

(9)

衛(wèi)星在地面上的覆蓋弧長為：

l地面＝2re·θ

(10)

用戶可以通信的衛(wèi)星軌道弧長為：

l衛(wèi)星＝2(re+h)·θ

(11)

用戶可以與衛(wèi)星通信的最長時間為：

兩顆衛(wèi)星間的最長星間鏈路距離為：

3.最差觀察點準則

圖3所示為最差觀察點幾何示意圖。相鄰三顆衛(wèi)星的星下點在地球表面可構(gòu)成一個球面三角形。設(shè)meo星座的衛(wèi)星總數(shù)為nsum，則可形成不重疊的星下點球面三角形的個數(shù)為stri＝2nsum-4。令球面三角形頂點角為a,b,c，則最差觀察點與衛(wèi)星瞬時最大地心角rijk滿足：

為保證中國地區(qū)全天時覆蓋，衛(wèi)星的最小覆蓋半地心角需滿足θmin≥sin²(rijk)max。

4.衛(wèi)星覆蓋帶理論

圖4所示為衛(wèi)星覆蓋帶示意圖。覆蓋帶，是指在同一個軌道平面內(nèi)相鄰的多顆衛(wèi)星之間對地面重疊覆蓋而形成的連續(xù)覆蓋區(qū)域。單顆衛(wèi)星覆蓋的半地心角θ與覆蓋帶半(地心角)寬度ω之間的關(guān)系滿足：

其中，sp為每個軌道平面內(nèi)的衛(wèi)星數(shù)量，ε為衛(wèi)星之間的半地心角寬度。

圖5所示為雙層混合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計及覆蓋性能評估流程示意圖，其具體實施方法包括如下步驟：

101、結(jié)合“最差觀察點”以及“覆蓋帶”理論，分別采用walker星座和極軌星座對meo和leo衛(wèi)星進行了組網(wǎng)分析和星座設(shè)計，如下：

1)衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計，提出星座的覆蓋范圍以及衛(wèi)星選擇等，對衛(wèi)星星座的拓撲結(jié)構(gòu)進行預(yù)先假定設(shè)計。

2)衛(wèi)星參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，對leo、meo衛(wèi)星星座參數(shù)(如：軌道面、相位關(guān)系和軌道傾角等)進行優(yōu)化設(shè)計。

3)判斷星座是否滿足覆蓋性能要求，如果不滿足，則返回步驟1)，重新設(shè)計星座的拓撲結(jié)構(gòu)；反之，則繼續(xù)下一步。

4)判斷在滿足覆蓋性能要求的情況下，星座結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星數(shù)、仰角是否達到最優(yōu)配置。如果是，則得到最優(yōu)的星座設(shè)計；如果否，則返回步驟2)，繼續(xù)對軌道高度、軌道傾角、軌道平面的個數(shù)、每個軌道平面上的衛(wèi)星個數(shù)等參數(shù)進行優(yōu)化，直至得到最優(yōu)的星座設(shè)計。

102、利用層次分析法對meo-leo雙層混合衛(wèi)星星座的覆蓋性能進行分析和評估，如下：

利用層次分析法對meo-leo雙層混合衛(wèi)星星座的覆蓋性能進行分析和評

估。通過設(shè)置4層(目標層a、準則層b、指標層c、方案層)結(jié)構(gòu)來建立

遞階層次結(jié)構(gòu)評估模型，目標層考慮的是星座設(shè)計要滿足的要求，即星座的

覆蓋性能；準則層進行評估決策準則的選取，即覆蓋時間和覆蓋重數(shù)；指標

層對影響覆蓋性能的指標(如：覆蓋面積百分比、平均連續(xù)覆蓋時長、平均

間隙時長等)進行判斷；最后，通過對系統(tǒng)覆蓋性能進行評估，考慮通過采

用怎樣的衛(wèi)星星座優(yōu)化設(shè)計方案來滿足系統(tǒng)覆蓋性能要求。

以上這些實施例應(yīng)理解為僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護范圍。在閱讀了本發(fā)明的記載的內(nèi)容之后，技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等效變化和修飾同樣落入本發(fā)明權(quán)利要求所限定的范圍。