一种基于立方体卫星的多区域按需分类覆盖的星座构型方法

本发明涉及卫星通信领域，特别是指一种基于立方体卫星的多区域按需分类覆盖的星座构型方法。

背景技术：

1、目前5g网络主要依靠地面基站传递信号，而地面基站的架设条件苛刻，导致许多远离人口的偏僻地区及环境恶劣地区，例如森林，海洋，沙漠等地无法建立地面基站，从而阻碍物联网真正实现全球互联这一目标。因此，卫星通信已被广泛认为将在下一代6g网络中作为关键组件，发挥至关重要的作用。

2、近年来，解决物联网全球覆盖问题的卫星通信方案不断得到众多学者、研究人员的支持，很大程度上取决于低成本发射的机会出现以及卫星硬件设计上的进步，尤其是被称为立方体卫星，即cubesat的一类新型小型卫星能够以低成本、高稳健的方式完成任务。立方体卫星具有统一的尺寸，表示为1u，2u等，其中1u指“10×10×10cm3”的立方体，其能运用到网络通信、地面监测等多个场景中。

3、然而，由于运用场景及任务要求的不同，卫星星座的构型设计也往往不同。按照轨道高度的划分，卫星星座分为低轨卫星星座、中轨卫星星座、高轨卫星星座三类，低轨卫星的高度约在200km～2000km左右，中轨卫星的高度约在2000km～20000km左右，高轨卫星的高度约在20000km以上。其中，低轨卫星与地球的距离最近，相较于中轨卫星与高轨卫星，其传输信号的速度具有显著的物理优势，能够更快取得与地面的联系，所以低轨卫星星座也是未来6g网络发展及卫星物联网——s物联网的应用首选。

4、虽然低轨卫星由于距离地面更近带来了信号传输速率的优势，但同时也带来了更小的覆盖范围，星地间更快的相对运动速度等劣势，导致在同一地面需覆盖区域上，需要更多数量的低轨卫星来组成星座，从而带来成本增加，链路连接切换频繁引起的通信质量下降等问题，而现有技术中对不同轨道上的卫星采用统一的数量、高度、相位间隔等设计，导致星座构型固化，任务针对性弱，可拓展性不强等问题出现。

5、亟待出现一种在合理地规划星座构型使得星座在确保覆盖性能的前提下，尽可能地减少成本、提高通信质量的新型星座构型方法。

技术实现思路

1、本发明提出一种基于立方体卫星的多区域按需分类覆盖的星座构型方法，解决了现有技术中星座构型固化、任务正对性弱、可拓展性弱的问题。

2、本发明的技术方案是这样实现的：一种基于立方体卫星的多区域按需分类覆盖的星座构型方法，按照不同任务需求，对多个不同的目标覆盖区域进行分类，包括以下步骤：一根据地面基站区域和无地面基站区域，建立覆盖模型、通信模型；二根据卫星发射方式，共乘模式和专用模式，建立成本模型；三基于moea/d算法进行星座构型优化：1将步骤一、二中已建立的覆盖模型、通信模型、成本模型整合为一个待优化求解的星座模型；2确定决策变量：星座轨道平面数、每条轨道高度、每条轨道的卫星数、每条轨道的倾角、每颗卫星的坐标、目标区域坐标为决策变量；邻接卫星间链路的绝对连通约束条件；3初始化种群：随机生成指定数量的个体，每个个体包含约束下均匀分布的决策变量信息；4对目标空间进行均匀分布权重向量：采用拉丁超立方抽样法，使权重向量的数量与种群规模相同；5为每个子问题分配权重向量；6每个子问题在邻居个体内交叉变异；7聚合函数采用切比雪夫法，根据聚合函数值更新父代种群；8重复第4步到7步，满足终止条件后结束；得到对多个目标区域覆盖的最佳星座构型。

3、进一步地，所述覆盖模型具体的是：a1无基站区域：将该区域进行栅格化，根据其所在经纬度坐标转化到二维平面后绘制地图，然后利用分子力算法mfa，计算不同卫星高度下覆盖该区域所需要的卫星数量及卫星坐标；b1有基站区域：根据步骤a的卫星数量确定相同数量；利用启发式算法依次确定最佳覆盖位置、联立两区域的卫星对，确定轨道数量及倾角。

4、进一步地，所述通信模型具体的是：a2无基站区域：建立无线电自由传播损耗模型；b2有基站区域：在无线电自由传播损耗模型基础上，将近地表城市结构的相互作用的杂波影响和这段附加的路径损耗量作为两个分量，建模为对应于los和non-los传播条件的高斯混合模型。

5、优选地，所述b1中的启发式算法可为粒子群算法pso、遗传算法ga、蚁群算法aco。

6、进一步地，所述分子力算法mfa具体的是：随机分布卫星位置；计算每颗卫星的合力矢量：将下列三项力矢量相加；a11计算每个卫星与目标区域的每个边界之间的距离，然后相应计算每个卫星上的斥力与引力矢量，并求和力矢量；a12计算每个卫星与目标区域的每个顶点之间的距离，然后相应计算每个卫星上的斥力与引力矢量，并求和力矢量；a13计算每个卫星与其他卫星之间的距离，然后相应计算每个卫星上的斥力与引力矢量，并求和力矢量；根据目标区域需要覆盖的面积大小，在保持方向不变的前提下，增加或减少上面的矢量；确定卫星移动后在目标区域内部后更新卫星位置；在满足重复实验次数的前提下，输出最大覆盖率下的卫星位置数据。

7、所述粒子群算法pso具体的是：初始化卫星位置，计算卫星目标函数值，即卫星覆盖基站的数量；确定全局最优卫星；更新卫星速度和位置，计算卫星目标函数值，在卫星收敛的前提下，输出最优解。

8、本发明公开的一种基于立方体卫星的多区域按需分类覆盖的星座构型方法，使得模型更加接近现实应用场景；通过moea/d算法进行优化求解，在链路保持连通的约束下，使得最终构造的星座在覆盖率、通信质量、造价成本上取得了最佳的性能。

技术特征：

1.一种基于立方体卫星的多区域按需分类覆盖的星座构型方法，按照不同任务需求，对多个不同的目标覆盖区域进行分类，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于立方体卫星的多区域按需分类覆盖的星座构型方法，其特征在于：所述覆盖模型具体的是：

3.根据权利要求1所述的一种基于立方体卫星的多区域按需分类覆盖的星座构型方法，其特征在于：所述通信模型具体的是：

4.根据权利要求2所述的一种基于立方体卫星的多区域按需分类覆盖的星座构型方法，其特征在于：所述b1中的启发式算法可为粒子群算法pso、遗传算法ga、蚁群算法aco。

5.根据权利要求2所述的一种基于立方体卫星的多区域按需分类覆盖的星座构型方法，其特征在于：所述分子力算法mfa具体的是：

6.根据权利要求4所述的一种基于立方体卫星的多区域按需分类覆盖的星座构型方法，其特征在于：所述粒子群算法pso具体的是：

技术总结
本发明涉及卫星通信领域，是一种基于立方体卫星的多区域按需分类覆盖的星座构型方法解决了现有技术中星座构型固化、任务正对性弱、可拓展性弱的问题。本发明按照不同任务需求，对多个不同的目标覆盖区域进行分类，包括以下步骤：一根据地面基站区域和无地面基站区域，建立覆盖模型、通信模型；二根据卫星发射方式，共乘模式和专用模式，建立成本模型；三基于MOEA/D算法进行星座构型优化，本发明使得模型更加接近现实应用场景；通过MOEA/D算法进行优化求解，在链路保持连通的约束下，使得最终构造的星座在覆盖率、通信质量、造价成本上取得了最佳的性能。

技术研发人员：宁芊,唐祥荣,许泳楠,黄霖宇,赵成萍
受保护的技术使用者：四川大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/25