一种基于阴影感知拓扑控制的卫星网络连接计划设计方法

本发明属于无线通信。具体涉及一种基于阴影感知拓扑控制的卫星网络连接计划方法设计。

背景技术：

1、随着空间任务愈发复杂多样，卫星需要实现的功能也变得越来越多，传统依赖单颗大容量、高效率、长寿命卫星的解决方案研发成本高昂、维护难度大，同时由于整个系统功能的复杂化，大大降低了其可靠性和安全性。通过多颗小卫星协同工作代替单颗大卫星承担复杂任务成为了一种很好的解决方案。在传统平台上，为了提高覆盖范围和链路可用性，一般利用地球同步轨道中继卫星将低轨道卫星的观测数据传输到地面站。然而，随着观测任务的增加，地球同步轨道卫星可能会超载。为了迎合这一趋势，在近地轨道上部署开发成本和能源消耗低的小型卫星被认为是一种有前景的方法。小卫星有着质量低(通常小于500kg)、尺寸小、成本低、周期短、性能高等优点，且小卫星技术已经在微推进、立方体卫星、远程通信等多个领域使用，最新和新兴应用领域包括科学任务、地球遥感、空间探索、雷达传感、远程指挥、监视、硬件测试、教育操作和培训、土地变形探测、天气预报和国防，已成为了航天工业的重要组成部分。

2、但由于体积和质量等限制，小卫星只能配备容量有限的太阳能电池板，因此小卫星可获得的能源预算非常有限。同时，由于轨道运动，小卫星周期性地出现在地球阴面和阳面，相比之下，地球阴面中的卫星建立连接只能完全依靠电池供电，而暴露在太阳下的小卫星比位于地球阴面的卫星具有更多，且连接距离更远的连接选择。因此，需要对小卫星网络进行合理的拓扑控制，规划电池能量的使用，保证小卫星网络的连通性的同时，不会由于电量低于最大放电深度，影响传输链路地建立，进而增加网络时延。此外，对地观测在环境检测、灾害救援等领域有着不可替代的作用。针对上述多样的应用场景，小卫星每天都会获取大量的数据，例如环境检测中的非实时性数据和灾害救援中的实时性数据，这导致不同观测数据对时延和吞吐量具有不同需求。因此，为需求各异的观测数据安排合理传输路径，对提高网络运行效率显得格外重要。另一方面，随着卫星的高速移动，卫星间相对位置频繁改变，导致节点对之间建立的连接具有偶发性，星间链路和拓扑结构在不断变化。为了寻求满足优化目标的稳定连接拓扑，间歇性连接的连接计划设计引起了学者们的广泛研究。然而，由于有限的转发器和存储器容量大小等资源限制，并不是所有的“连接”，即潜在的可用链路，在数据传输过程中都是可行的。综上，虽然可能有更多的连接，但由于上述限制，卫星通常一次只能选择一个连接。因此，在资源受限的小卫星网络中，高效的连接计划对提高网络性能具有重要作用。

3、根据已有的小卫星网络拓扑控制和连接计划设计的研究，目前拓扑控制的研究重点在于节省网络成本，保障星间链路可靠性、链路冗余和鲁棒性之间的平衡等，忽略了小卫星电池容量小的特点。目前连接计划设计的研究重点在于提高节点获得连接的公平性、动态连接能力和提升网络数据回传性能，但不同的任务需求仍被忽略。因此，本发明提出一种基于阴影感知拓扑控制的卫星网络连接计划设计方法，合理规划小卫星能量的使用，同时，在有限的星上资源下，为不同需求的观测数据设计连接计划。

4、本发明提出一种基于阴影感知拓扑控制的卫星网络连接计划设计方法。针对小卫星电池容量有限及电量时变特性，考虑不同观测任务对时延和吞吐量的需求，根据小卫星阴阳面位置信息的差异性进行小卫星网络拓扑控制，利用所构建的基于阴影感知的时空图为所有节点对寻找最低能耗路径，再遍历每个时隙中的所有连接，筛选出满足剩余能量约束的连接。考虑有限的转发器数量、受限的卫星存储器容量和有限的回传机会，利用蛇优化算法为不同需求的观测数据设计连接计划，在最小化实时性数据时延的同时，最大化非实时性数据吞吐量。

技术实现思路

1、本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种方法。本发明的技术方案如下：

2、一种基于阴影感知拓扑控制的卫星网络连接计划设计方法，其包括以下步骤：

3、s1：获取一个周期内卫星可视性矩阵和卫星阴阳面位置信息。

4、s2：构建基于阴影感知的时空图g＝(v,e)，其中v表示g中的所有节点，e表示g中的所有连接。

5、s3：根据卫星能量收集和消耗过程建立小卫星能量模型。

6、s4：计算所有节点对之间的最低能耗路径得到基于最低能耗路径的连接子图g'＝(v,e')。

7、s5：依次遍历e中每个时隙内的所有连接，判断建立某连接是否满足剩余能量约束，将满足剩余能量约束的连接添加至连接子图g'中，否则继续遍历当前时隙中的所有连接，直至遍历完所有时隙中的所有连接。得到基于最低能耗路径和剩余能量约束的连接子图g”＝(v,e”)。

8、s6：建立转发器数量约束，流守恒约束，卫星存储器容量约束，链路容量约束。

9、s7：构建连接计划设计模型，利用蛇优化算法为不同需求的观测数据设计连接计划，生成最小化实时性数据时延，同时最大化非实时性数据吞吐量的连接计划。

10、本发明的优点及有益效果如下：

11、本发明通过分析小卫星网络的运动规律，结合小卫星有限的能量预算和能量收集过程、有限的网络资源和观测数据需求不同的特点，提出了一种基于阴影感知拓扑控制的卫星网络连接计划设计方法。本发明的主要创新在于利用基于阴影感知的时空图合理规划小卫星电池能量的使用，并为不同需求的观测数据设计连接计划，在最小化实时性数据时延的同时，最大化非实时性数据吞吐量。已有的拓扑控制的研究重点在于降低网络成本，保障星间链路可靠性和链路冗余和鲁棒性之间的平衡，而没有太多关注小卫星本身能携带的星上载荷有限的问题，而已有的连接计划设计多关注连接的公平性、动态连接能力和单一的数据回传性能或时延，忽略了观测数据需求不同的特点，且通常假设所有连接都是可用的。因此本发明提出基于阴影感知拓扑控制的卫星网络连接计划设计是现有技术人员不易想到的。进一步，本发明根据卫星可视性矩阵和卫星阴阳面位置信息构建了基于阴影感知的时空图，用于描述网络中任何数据的传输和小卫星阴阳面位置信息，通过基于阴影感知的时空图，提出两种基于阴影感知的拓扑控制算法，筛选满足剩余能量约束的连接。同时，本发明还将加权后的一个周期内小卫星实时性数据的存储量与最后一个时隙地面站非实时性数据的存储量的差值最为目标函数，实现最小化实时性数据时延的同时，最大化非实时性数据吞吐量。因此本发明具备独特性和创造性。本发明充分分析了小卫星网络在对地观测任务中的特性，将拓扑控制和连接计划设计相结合。在已有的研究中，研究员所设置的研究模型过于理想，由于小卫星本身能携带的电池容量有限，不能假设所有连接稳定可用，且观测数据需求不同，不能仅关注某一种需求。因此本发明在解决手段上具备创造性和易实现性。通过拓扑控制和连接计划设计的结合，在保证网络连通性的前提下，合理规划电量的使用，为不同需求的观测数据设计连接，满足不同观测任务对时延和吞吐量的需求。同时还考虑了实际的网络场景，体现了本发明的合理性和实用性。

技术特征：

1.一种基于阴影感知拓扑控制的卫星网络连接计划设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于阴影感知拓扑控制的卫星网络连接计划设计方法，其特征在于，所述步骤s1获取一个周期内卫星可视性矩阵和卫星阴阳面位置信息，具体包括：

3.根据权利要求1所述的一种基于阴影感知拓扑控制的卫星网络连接计划设计方法，其特征在于，所述步骤s2中考虑小卫星周期性地出现在地球阴面和阳面以及网络拓扑结构快速变化的特点，根据可视性矩阵和卫星阴阳面位置信息，构建基于阴影感知的时空图g＝(v,e)，具体包括以下步骤：

4.根据权利要求1所述的一种基于阴影感知拓扑控制的卫星网络连接计划设计方法，其特征在于，所述步骤s3根据卫星能量收集和消耗过程建立小卫星能量模型，具体包括以下步骤：

5.根据权利要求1所述的一种基于阴影感知拓扑控制的卫星网络连接计划设计方法，其特征在于，所述步骤s4计算所有节点对之间的最低能耗路径得到基于最低能耗路径的连接子图g'＝(v,e')，具体包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种基于阴影感知拓扑控制的卫星网络连接计划设计方法，其特征在于，所述定义基于阴影感知的时空图中的连通性，具体包括：

7.根据权利要求5所述的一种基于阴影感知拓扑控制的卫星网络连接计划设计方法，其特征在于，所述步骤s5具体包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种基于阴影感知拓扑控制的卫星网络连接计划设计方法，其特征在于，所述步骤s6具体包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的一种基于阴影感知拓扑控制的卫星网络连接计划设计方法，其特征在于，所述步骤s7具体包括以下步骤：

技术总结
本发明请求保护一种基于阴影感知拓扑控制的卫星网络连接计划设计方法，属于无线通信技术领域。针对小卫星电池容量有限及电量时变特性，考虑不同观测数据对时延和吞吐量的需求，提出一种基于阴影感知拓扑控制的连接计划设计方法。考虑小卫星周期性出现在地球阴阳面会导致电池能量时变，根据卫星阴阳面位置信息进行小卫星网络拓扑控制，利用所构建的阴影感知时空图建立能量模型，并为所有节点对寻找最低能耗路径，再遍历每个时隙中的所有连接，筛选满足剩余能量约束的连接。考虑有限的转发器数量、受限的卫星存储容量和有限的回传机会，利用蛇优化算法为不同需求的观测数据设计连接计划，在最小化实时性数据时延的同时，最大化非实时性数据吞吐量。

技术研发人员：戴翠琴,罗屹,王廷毅,廖明霞,唐宏
受保护的技术使用者：重庆邮电大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16