一种卫星网络的拓扑控制方法及其系统

1.本发明属于卫星网络拓扑控制领域，更进一步主要涉及离线拓扑控制方法，具体是一种卫星网络的拓扑控制方法及其系统。


背景技术：

2.卫星网络中的节点具有高速运动性，卫星节点的位置坐标、星间链路以及连接状态等都会随着时间发生变化，使得卫星节点之间的连接关系复杂多变，因此需要采用拓扑控制技术对卫星节点之间的网络连接进行优化。根据对拓扑信息的处理方式的不同，可以将卫星网络的拓扑控制分为在线拓扑控制和离线拓扑控制两种模式。在线拓扑控制指卫星节点实时地生成或调整卫星网络的拓扑结构，遇到类似卫星节点失效的突发情况时，在线拓扑控制能够及时进行响应从而保证网络的整体性能。离线拓扑控制指地面站根据卫星节点的轨道参数预先计算整个卫星网络运行周期内的拓扑连接关系，并将计算结果上传注入到各个卫星节点，以实现对整个卫星网络的拓扑控制。
3.针对卫星网络的拓扑控制，ye n等人提出了ye n,zhu z,liu j,et al.distributed cluster-based fault-tolerant topology control for space information networks[c].ieee international conference on cyber-enabled distributed computing and knowledge discovery,2010:210-217.，这种应用于空间信息网络的集群分布式容错拓扑控制算法首先进行局部拓扑发现，接下来，单一集群内的节点通过调整发射功率以形成到达其附近节点的k条最优的顶点不相交路径，构建集群内的k-连通拓扑结构，然后将任意两个相邻集群的拓扑结构作为加权二部图进行计算，选择其中的最佳匹配节点作为边界节点，从而建立集群间的拓扑结构。huang j等人提出了huang j,su y,huang l,et al.an optimized snapshot division strategy for satellite network in gnss[j].ieee communications letters,2016,20(12):2406-2409.，这种应用于全球导航卫星系统(global navigation satellite system,gnss)的快照划分策略，首先根据卫星网络的可见性规律(即周期性存在的卫星与地面站之间可以进行数据通讯的时间窗口)，将卫星网络的周期划分为一系列可见性切片(visibility slices)，然后根据可见性切片的持续时间以及地面站数量，将相邻的多张可见性切片合并成一张拓扑快照。上述对拓扑快照的处理方法，没有考虑具有相同拓扑结构的快照会过多占用星上存储空间的问题，因此在实际的应用中存在较大的局限性。
[0004]
现有技术存在的问题是：过大的拓扑快照划分时间间隔会导致拓扑无法准确对应当前的网络状态，使网络的数据传输性能受损；过小的拓扑快照划分时间间隔会在卫星的运行周期内生成大量结构相同或相似的拓扑快照，从而过多占用卫星的数据存储空间；并且，过于频繁的拓扑调整操作会产生较多的星上资源消耗，并对任务执行过程中数据传输的连续性造成影响。


技术实现要素：

[0005]
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于去重和加冗的离线拓扑简并(duplicates removal and redundancy increase based offline topology simplification and merging,dr/ri-otsm)方法。
[0006]
解决上述技术问题的难度和意义：在离线拓扑控制中会生成大量结构相同或相似的拓扑快照，如何对拓扑快照之间的差异程度进行衡量，给出拓扑快照的合并策略，通过减少拓扑快照数量来节省星上存储空间，是值得研究的问题。
[0007]
本发明是这样实现的，首先将卫星网络的回归周期均匀地划分为拓扑快照序列，然后对具有相同拓扑结构的相邻快照进行去重简并；接下来针对去重简并得到的拓扑序列，对其中拓扑结构差异低于预设门限的相邻快照进行加冗简并，即通过添加少量的冗余链路达到合并低差异度的拓扑快照、进一步减少星上存储的快照数量和网络调整拓扑的频度的目的，可以使卫星集群的拓扑具有较好的稳定性和环境适应度，避免因拓扑频繁切换导致的星上资源消耗。
[0008]
进一步，所述基于去重和加冗的离线拓扑简并方法包括以下步骤：
[0009]
(1)卫星网络中包含l颗卫星节点，卫星的轨道运行周期为t。地面站根据卫星之间完成星间链路的建立、拆解操作所需要的时间，确定拓扑时隙的划分时间间隔
△
t，对卫星网络的轨道运行周期t以时间间隔
△
t均匀划分，将划分得到的第n个时间间隔记为拓扑时隙pn；
[0010]
(2)地面站计算各个拓扑时隙pn内卫星之间的相对距离，得到距离矩阵dn，运用最小生成树算法mst对距离矩阵dn进行处理，得到与拓扑时隙pn相对应的卫星网络的拓扑结构，将所有拓扑时隙对应的卫星网络的拓扑结构组成拓扑快照序列s；
[0011]
(3)在拓扑快照序列s中，选择相邻拓扑时隙所对应的拓扑结构进行比较，如果拓扑结构相同，则合并相邻拓扑时隙，去除拓扑结构相同的重复拓扑快照，更新拓扑快照序列；如果拓扑结构不相同，则依次选择后续的相邻时隙所对应的拓扑结构进行比较，直到对所有拓扑时隙的拓扑结构都进行了比较，得到去重简并后的拓扑快照序列s
dr
；
[0012]
(4)设置拓扑结构的差异度的预设门限η，对s
dr
中拓扑结构的差异度小于η的相邻快照，以增加冗余公共边的方法消除相邻快照的拓扑结构中存在的差异，再对消除差异后的相邻快照进行合并，得到加冗简并后的卫星网络的拓扑快照序列s
ri
。
[0013]
进一步，所述步骤(1)具体包括：
[0014]
(1a)地面站根据卫星之间完成星间链路的建立、拆解操作所需要的时间，确定拓扑时隙的划分时间间隔
△
t。
△
t由拓扑调整时长和拓扑维持时长t
γ
共同组成：
[0015][0016]
在时长为的拓扑调整阶段，所有卫星同步地执行拓扑调整，卫星进行拓扑调整所需的时间按照下式计算：
[0017][0018]
其中，tq为星载天线对目标的搜索捕获时间，tr为星载天线调整跟踪目标的时间；
[0019]
(1b)地面站将卫星网络的轨道运行周期t以时间间隔均匀划分，得到时长
为的拓扑时隙pn，其中，，其中，表示向上取整，表示整数集合。
[0020]
进一步，所述步骤(2)具体包括：
[0021]
(2a)地面站根据各颗卫星在每个时刻tn的位置坐标，计算包含l颗卫星的网络中任意两颗卫星vi和vj之间的欧式距离d
i,j
，其中，i≠j且i,j∈{1,
…
,l,
…
,l}，并将计算结果存储在一个l
×
l的距离矩阵dn中；
[0022]
(2b)将距离矩阵dn作为最小生成树算法mst的输入参数，计算时刻tn的卫星网络的拓扑快照sn，该拓扑快照所指示的网络拓扑连接关系以邻接矩阵an的形式存储，an中的第i行、第j列的元素记为ε
i,j
，ε
i,j
的元素值表示卫星节点之间是否存在链路，当ε
i,j
＝1时，表明节点vi和vj之间存在链路，当ε
i,j
＝∞时，表明节点vi和vj之间不存在链路，并在卫星网络的轨道运行周期t内，将所有拓扑时隙对应的卫星网络的拓扑结构组成拓扑快照序列s，s中的元素记为sn。
[0023]
进一步，所述步骤(3)具体包括：
[0024]
(3a)地面站选择相邻的拓扑快照sn和s
n+x
所对应的邻接矩阵an和a
n+x
进行逐元素的异或运算，其中，且初始化x＝1，若计算结果应从拓扑快照序列s中删除快照s
n+x
，保留快照sn并更新拓扑快照序列s
←
s-{s
n+x
}以及x
←
x+1；若则保留快照sn和s
n+x
并更新n
←
n+1以及x
←
1，继续进行如上比较操作，直至序列s中的所有快照元素被遍历过，从而得到去重简并后的拓扑快照序列s
dr
；
[0025]
(3b)对长度为δ个拓扑时隙的暂态区间[tn,t
n+δ
]内的拓扑快照s
ξ
和s
ψ
进行比较检查，解决因卫星之间的相对位置变化导致拓扑结构发生反复改变的拓扑震荡问题，其中，ξ《ψ且ξ,ψ∈[n,n+δ]，如果存在快照s
ξ
和s
ψ
的拓扑结构相同，则删除s
ξ
到s
ψ
之间的所有快照，保留s
ξ
并更新s
dr
←sdr-{s
ξ
,
…
,s
ψ
}，接着从快照s
ψ+1
开始继续进行下一轮比较检查，直至序列s
dr
中的所有快照元素被遍历过。
[0026]
进一步，所述步骤(4)具体包括：
[0027]
(4a)确定拓扑结构的差异度的预设门限η，对s
dr
中相邻的拓扑快照sn和sm所对应的邻接矩阵an和am进行逐元素的异或运算，通过计算矩阵的f-范数其中，σ
i,j
表示矩阵qn中的第i行、第j列元素，得到矩阵中取值为1的元素的个数，如果运算结果||qn||f≠0，则表示相邻快照的拓扑结构之间有||qn||f/2条边存在不同，用||qn||f/2表征快照之间的差异度。
[0028]
(4b)选择s
dr
中的拓扑快照sn和sm所对应的邻接矩阵an和am进行逐位异或运算，得到其中，m》n，计算矩阵qn的f-范数||qn||f，判断是否满足||qn||f/2《η，如果不等式成立，则对拓扑快照进行加冗简并，否则继续在s
dr
中选择与sm相邻的后续拓扑快照进行检查；在对快照sn和sm进行加冗简并时，根据矩阵qn中值为1的元素的索引，将邻接矩阵an和am中具有相同索引的元素值置为1，以使快照sn和sm的拓扑结构相同；接下来，将快照sm从拓扑快照序列s
dr
中删除，并更新拓扑快照序列为s
dr
←sdr-{sm}，继续对s
dr
中的其余元素进行如上操作，直至所有快照元素被遍历过，最终得到加冗简并后的拓扑快照序列s
ri
。
[0029]
本发明的目的在于提供一种卫星网络的拓扑控制方法，适用于对卫星网络进行离
线拓扑控制时，对生成的拓扑快照进行简并优化。
[0030]
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明将卫星网络在轨道运行周期内的动态拓扑连接关系，以拓扑快照序列的形式转化为准静态拓扑连接关系，在对具有相同拓扑结构的相邻快照进行去重简并后，进一步把其中拓扑结构差异低于预设门限的相邻快照进行加冗简并，通过添加少量的冗余链路达到合并低差异度的拓扑快照、进一步减少星上存储的快照数量和网络调整拓扑的频度的目的，可以使卫星集群的拓扑具有较好的稳定性和环境适应度，避免因拓扑频繁切换导致的星上资源消耗。
[0031]
本发明不仅适用于对低轨道卫星的拓扑控制，还适用于对微纳卫星集群进行拓扑控制，地面站对拓扑快照进行去重、加冗简并后能够有效减少拓扑快照数量，节约星上数据存储空间。
附图说明
[0032]
图1是本发明的卫星网络的拓扑控制方法的示意图；
[0033]
图2是本发明的卫星网络的系统模型示意图；
[0034]
图3是本发明的卫星网络的拓扑控制方法的流程框图；
[0035]
图4是本发明的拓扑快照序列去重简并示意图；
[0036]
图5是本发明的拓扑快照序列加冗简并示意图；
[0037]
图6是本发明的拓扑快照的去重、加冗简并效率的示意图。
具体实施方式
[0038]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0039]
本发明针对卫星网络对连通性与适变性的需求，提出一种卫星网络的拓扑控制方法，提高了对卫星网络的拓扑快照的简并效率，可解决拓扑快照过多占用卫星的数据存储空间、以及卫星网络频繁进行拓扑结构调整的问题。
[0040]
下面结合附图对本发明的应用原理进行详细描述。
[0041]
如图1所示，本发明实施例提供的卫星网络的拓扑控制方法包括以下步骤：
[0042]
步骤101、卫星网络中包含l颗卫星节点，卫星的轨道运行周期为t。地面站根据卫星之间完成星间链路的建立、拆解操作所需要的时间，确定拓扑时隙的划分时间间隔
△
t，对卫星网络的轨道运行周期t以时间间隔
△
t均匀划分，将划分得到的第n个时间间隔记为拓扑时隙pn；
[0043]
步骤102、地面站计算各个拓扑时隙pn内卫星之间的相对距离，得到距离矩阵dn，运用最小生成树算法mst对距离矩阵dn进行处理，得到与拓扑时隙pn相对应的卫星网络的拓扑结构，将所有拓扑时隙对应的卫星网络的拓扑结构组成拓扑快照序列s；
[0044]
步骤103、在拓扑快照序列s中，选择相邻拓扑时隙所对应的拓扑结构进行比较，如果拓扑结构相同则合并相邻拓扑时隙，去除拓扑结构相同的重复拓扑快照，更新拓扑快照序列；如果拓扑结构不相同，则依次选择后续的相邻时隙所对应的拓扑结构进行比较，直到对所有拓扑时隙的拓扑结构都进行了比较，得到去重简并后的拓扑快照序列s
dr
；
[0045]
本实施例中的拓扑结构相同是指网络中节点之间的连接关系相同。相邻的拓扑快照中的卫星节点可以具有不同的坐标，节点之间的距离可以不同，但节点之间的连接次序应当相同。
[0046]
步骤104、设置拓扑结构的差异度的预设门限η，对s
dr
中拓扑结构的差异度小于η的相邻快照，以增加冗余公共边的方法消除相邻快照的拓扑结构中存在的差异，再对消除差异后的相邻快照进行合并，得到加冗简并后的拓扑快照序列s
ri
。
[0047]
需要说明的是，本实施例的冗余公共边可以理解为冗余(或，多余)的链路，是指在原有网络拓扑的基础上新增加的链路。
[0048]
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。
[0049]
如图2所示，是本发明的卫星网络的系统模型示意图。本发明使用的系统模型由16颗近地轨道(low earth orbit,leo)卫星组成，卫星以集群的模式运行，卫星节点的运行轨道均为圆形(偏心率e＝0)，并忽略来自其它天体的摄动力的影响。
[0050]
卫星轨道一般由其所在的坐标系来确定，采用常见的地心赤道惯性坐标系，坐标原点位于地心，以赤道面作为基准面，x轴指向平春分点，y轴在赤道面内由x轴向东转90
°
，z轴垂直赤道面指向北极。该坐标系采用开普勒轨道根数来描述集群卫星的轨道运动，包括半长轴a、偏心率e、轨道倾角θ、升交点赤经ω、近地点幅角ω和平近点角m六个参数，故可以将开普勒轨道根数表示为六维矢量的形式：
[0051]
k＝[a eθωωm]
ꢀꢀ
(3)
[0052]
其中，半长轴a为地球半径与卫星轨道高度之和。
[0053]
如图3所示，本发明实施例提供的卫星网络的拓扑控制方法具体包括以下步骤：
[0054]
步骤1，地面站根据卫星之间完成星间链路的建立、拆解操作所需要的时间，确定拓扑时隙的划分时间间隔
△
t，对卫星网络的轨道运行周期t以时间间隔
△
t均匀划分，将划分得到的第n个时间间隔记为拓扑时隙pn。
[0055]
一个拓扑时隙分为拓扑调整和拓扑维持两个阶段，将拓扑维持阶段的网络拓扑结构称为拓扑快照。卫星网络在改变拓扑结构时，首先需要在拓扑调整阶段建立或拆除星间链路，然后进入拓扑维持阶段以保持调整好的网络拓扑，直至下一个拓扑调整阶段。因此，拓扑时隙的划分时间间隔
△
t由拓扑调整时长和拓扑维持时长t
γ
共同组成：
[0056][0057]
在时长为的拓扑调整阶段，所有卫星同步地执行拓扑调整，卫星进行拓扑调整所需的时间按照下式计算：
[0058][0059]
其中，tq为星载天线对目标的搜索捕获时间，tr为星载天线调整跟踪目标的时间。
[0060]
在已知目标卫星位置坐标的情况下，星载天线对目标的搜索捕获时间tq通常可以控制在10ms之内。由于卫星以集群模式运行时，网络中星间距离较近，因此星载天线调整跟踪目标的时间tr通常在几百毫秒之内。由上可知，卫星集群进行拓扑调整以及维持稳定拓扑以进行通信所需的总时间通常小于1s。因此在对卫星网络进行离线拓扑控制时，拓扑时隙的划分间隔
△
t不应小于卫星网络的运行周期t以时间间隔均匀划分后，可以
得到时长为的拓扑时隙pn，其中，，其中，表示向上取整，表示整数集合。
[0061]
步骤2，计算每个拓扑时隙内卫星之间的拓扑连接关系，生成拓扑快照序列。
[0062]
地面站根据各颗卫星在每个时刻tn的位置坐标，计算包含16颗卫星的网络中任意两颗卫星vi和vj之间的欧式距离d
i,j
，其中，i≠j且i,j∈{1,
…
,l,
…
,l}，并将计算结果存储在一个16
×
16的距离矩阵dn中，需要注意的是，dn的主对角线元素值为∞；将卫星之间的距离作为权值，得到距离矩阵dn，运用mst算法对距离矩阵dn进行处理，计算每个拓扑时隙内卫星之间的拓扑连接关系并以邻接矩阵an的形式存储，an中的第i行、第j列的元素记为ε
i,j
，ε
i,j
的元素值表示卫星节点之间是否存在链路，当ε
i,j
＝1时，表明节点vi和vj之间存在链路，当ε
i,j
＝∞时，表明节点vi和vj之间不存在链路，并在卫星网络的轨道运行周期t内，将所有拓扑时隙对应的卫星网络的拓扑结构组成拓扑快照序列s，s中的元素记为sn。
[0063]
步骤3，对相邻拓扑时隙中的拓扑结构进行比较，对拓扑快照进行去重简并。
[0064]
(3a)地面站对拓扑快照序列s进行去重简并，即选择相邻的拓扑快照sn和s
n+x
所对应的邻接矩阵an和a
n+x
进行逐元素的异或运算，其中，且初始化x＝1。若计算结果应从拓扑快照序列s中删除快照s
n+x
，保留快照sn并更新拓扑快照序列s
←
s-{s
n+x
}以及x
←
x+1；若则保留快照sn和s
n+x
并更新n
←
n+1以及x
←
1，继续进行如上比较操作，直至序列s中的所有快照元素被遍历过，从而得到去重简并后的拓扑快照序列s
dr
。
[0065]
(3b)对长度为δ个拓扑时隙的暂态区间[tn,t
n+δ
]内的拓扑快照s
ξ
和s
ψ
进行比较检查，解决因卫星之间的相对位置变化导致拓扑结构发生反复改变的拓扑震荡问题，其中，ξ《ψ且ξ,ψ∈[n,n+δ]，，如果存在快照s
ξ
和s
ψ
的拓扑结构相同，说明在暂态区间内存在拓扑震荡，则删除s
ξ
到s
ψ
之间的所有快照，保留s
ξ
并更新s
dr
←sdr-{s
ξ
,
…
,s
ψ
}，接着从快照s
ψ+1
开始继续进行下一轮比较检查，直至序列s
dr
中的所有快照元素被遍历过。
[0066]
由图4可知，从时隙p0到时隙p5具有相同的拓扑结构，因此去重简并后得到的拓扑快照s0的维持时长为该快照前还需要经过时长进行拓扑调整。类似地，简并后的拓扑快照s6和s
n-7
(分别简并了11个和8个连续的拓扑时隙)的时长分别为和同时每张快照前均需要经过时长进行拓扑调整。
[0067]
步骤4，对拓扑快照去重序列中s
dr
的拓扑结构进行比较，对拓扑结构相同的快照进行加冗简并。
[0068]
(4a)确定拓扑结构的差异度的预设门限η。对s
dr
中相邻的拓扑快照sn和sm所对应的邻接矩阵an和am进行逐元素的异或运算，通过计算矩阵的f-范数其中，σ
i,j
表示矩阵qn中的第i行、第j列元素)，得到矩阵中取值为1的元素的个数。如果运算结果||qn||f≠0，则表示相邻快照的拓扑结构之间有||qn||f/2条边存在不同，用||qn||f/2表征快照之间的差异度。
[0069]
(4b)选择s
dr
中的拓扑快照sn和sm所对应的邻接矩阵an和am进行逐位异或运算，得
到其中，m》n，计算矩阵qn的f-范数||qn||f，判断是否满足||qn||f/2《η，如果不等式成立，则对拓扑快照进行加冗简并，否则继续在s
dr
中选择与sm相邻的后续拓扑快照进行检查。在对快照sn和sm进行加冗简并时，根据矩阵qn中值为1的元素的索引，将邻接矩阵an和am中具有相同索引的元素值置为1，以使快照sn和sm的拓扑结构相同。接下来，将快照sm从拓扑快照序列s
dr
中删除，并更新拓扑快照序列为s
dr
←sdr-{sm}，继续对s
dr
中的其余元素进行如上操作，直至所有快照元素被遍历过，最终得到加冗简并后的拓扑快照序列s
ri
。
[0070]
图5给出了拓扑快照序列加冗简并的示意。由于在图4中，去重简并得到的快照序列s
dr
中的相邻拓扑快照s0和s6之间存在两条差异边(ε
4,11
和ε
8,9
)，按照加冗简并的规则，对快照s0和s6分别增加冗余边ε
4,11
和ε
8,9
，则加冗后的两张拓扑具有相同的结构，可以进一步简并。加冗简并的结果如图5所示，简并后的拓扑快照仍为s0，其拓扑调整时长为但拓扑维持s阶段的时长增加为
[0071]
下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。
[0072]
一、仿真条件：
[0073]
为了对本发明性能进行评估，我们假设16颗leo卫星以集群模式运行，卫星节点的运行轨道均为圆形(偏心率e＝0)，并忽略来自其它天体的摄动力的影响。每颗卫星均配备具有相同波束宽度和朝向可调的阵列天线，采用空分复用技术在不同的方向上形成不同的波束，覆盖不同的卫星节点。在星间通信过程中，每颗卫星始终以最大发射功率发射信号以保证相同的最大传输距离。
[0074]
表1微纳卫星网络的开普勒轨道根数及其随机偏置范围
[0075]
参数类型初始值随机偏置范围半长轴a(km)7800
±
10轨道倾角θ(
°
)95
±
3升交点赤经ω(
°
)275
±
3近地点幅角ω(
°
)175
±
3平近点角m(
°
)180
±3[0076]
本发明根据表1所示的开普勒轨道根数及其随机偏置范围，设置16颗卫星的轨道参数，仿真时长为60分钟。16颗卫星以集群模式在地球上空距离地面大约1500km的圆形轨道上同步运行，卫星之间的相对距离约为100～1000km。
[0077]
二、仿真内容：
[0078]
记|s|为初始快照数量、|s
dr
|为去重简并后的快照数量、|s
ri
|为加冗简并后的快照数量，则去重简并效率α和加冗简并效率β可以分别定义为：
[0079][0080]
和
[0081][0082]
如图6所示，
△
t＝1s，η＝3，l取不同值时，所提dr/ri-otsm对拓扑快照的简并效率。l分别取8颗、16颗、32颗和64颗，设置仿真次数为100，每次仿真时长均设置为60分钟，利
用所提方法对每次仿真生成的3601张快照进行处理，得到其去重简并和加冗简并的效率，再对100次仿真得到的效率样本进行均值。如图所示，随着l的增加，α和β逐渐减小。并且，加冗简并的效率明显优于去重简并的效率。这是因为在给定仿真时长，生成相同数量的拓扑快照的前提下，随着网络中卫星节点数量的增加，拓扑所包含的边的数量也相应增加，导致快照的拓扑结构更加多样，即具有相同结构的拓扑快照数量减小，导致去重简并的效率有所下降。对于去重简并后的快照序列，由于相邻拓扑快照间的差异度随着节点数量的增加而变的更加显著，导致加冗简并在差异度的预设门限η＝3的限制下无法对超过的预设门限的快照进行简并(即当l较大时，序列s
dr
中的相邻快照的差异边的数量以较高的概率大于差异度的预设门限η＝3)，因此加冗简并效率也随着l的增加而下降。
[0083]
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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。