面向巨星座的星上信息路径自主规划方法

本发明涉及面向巨星座的星上信息路径自主规划方法，属于巨型星座自主运行。

背景技术：

1、巨型低轨卫星星座的发展有效扩展了全球互联的空间，通过接入全球覆盖的卫星通信网络，能够不受地理空间限制，为偏远地区及抢险救灾提供快速的互联响应。目前，starlink星座已开展星间激光通信的实验，通过星间链路进行卫星网络的通信，将取代传统地面站管控，成为星座互联的主要途径。

2、星上信息路径规划方式决定了巨星座的信息响应性能。由于巨型低轨星座卫星数目众多，运行动态性高，过境时间短，在面向全球多发任务、延迟敏感需求时依靠有限的地面站资源难以保证高实时性响应的要求；同时，由于星上处理能力有限，在无法存储全局卫星信息的情况下，对数千颗卫星进行轨道递推从而构建最佳路径的方式变得不可行。因此，需要建立在星上有限处理能力下的自主信息路径规划方案，使卫星具备邻域资源感知下的信息转发处理能力，实现星座的自主高效互联。

3、目前的巨型星座路径规划中，通常在全局轨道信息已知的前提下对路径规划算法及星间任务卸载方式进行进一步优化，实现全局低时延、负载均衡的最佳性能，对于星上处理能力有限背景下的星座自主规划并没有有效的理论成果。

技术实现思路

1、针对星上处理能力有限，而有限的地面站资源不能保证巨星座高实时性响应要求的问题，本发明提供一种面向巨星座的星上信息路径自主规划方法。

2、本发明的一种面向巨星座的星上信息路径自主规划方法，包括，

3、根据卫星之间的相对运动关系及通信能力将巨星座中的卫星划分为多个星座拓扑，根据星座拓扑对地面的覆盖范围，建立在纬度方向交错布局的地球固定网格；对地球固定网格中的每个网格单元根据经纬度坐标位置进行网格单元编码；再对每个网格单元相邻的网格单元进行权值设定，得到地球固定网格的权值矩阵；

4、对任务发起点和任务目标点匹配对应的任务发起网格单元和任务目标网格单元，基于网格单元编码及权值矩阵，采用dijkstra算法计算由任务发起网格单元到任务目标网格单元的最短路径，得到所有途经网格单元的网格路径矩阵；

5、对每个星座拓扑，根据与相邻星座拓扑的中心星距离及通信能力进行卫星邻域资源感知，确定每个星座拓扑的邻域拓扑资源集合，邻域拓扑资源集合包括长期可见拓扑资源集合和间歇可见拓扑资源集合；

6、向最佳窗口卫星传送任务信息和网格路径矩阵，最佳窗口卫星根据网格路径矩阵在对应的邻域拓扑资源集合中确定最接近最短路径的邻域卫星，并向所述邻域卫星传送任务信息和网格路径矩阵；所述邻域卫星再根据网格路径矩阵和对应的邻域拓扑资源集合依次确定对应的中间传递卫星，通过中间传递卫星向任务目标点进行任务信息传送，从而在星上信息路径的自主规划下实现任务信息的传送。

7、根据本发明的面向巨星座的星上信息路径自主规划方法，地球固定网格的建立规则为：

8、使网格单元与星座拓扑的覆盖范围相匹配；并使网格单元在墨卡托投影图中为正方形，正方形边长lm'n'满足：

9、lm'n'＝2rearcsin(rtopo/r)，

10、式中re为地球半径，rtopo为星座拓扑的拓扑半径，r为巨星座圆轨道卫星的轨道半径。

11、根据本发明的面向巨星座的星上信息路径自主规划方法，获得网格单元编码的方法为：

12、以网格单元四个顶点的经度和纬度坐标位置描述网格单元在全球地理中的布局，设定网格单元四个顶点纬度坐标为[lat1,lat1+lat0,lat1+lat0,lat1]，四个顶点经度坐标这[lon1,lon1,lon1+lon0,lon1+lon0]，则得到网格单元编码a-b：

13、a＝180/lat0-(lat1+90)/lat0，

14、

15、其中lat1为网格单元左下顶点和右下顶点的纬度值，lat1+lat0为网格单元左上顶点和右上顶点的纬度值，lat0为网格单元纬度跨度；lon1为网格单元左下顶点和左上顶点的经度，lon1+lon0为网格单元右上顶点和右下顶点的经度值，lon0为网格单元经度跨度；δλ为相邻行网格单元的经度偏移量。

16、根据本发明的面向巨星座的星上信息路径自主规划方法，得到地球固定网格的权值矩阵的方法为：

17、在地球固定网格中，设定在地理位置上相邻的两个网格单元具有相邻关系，以1表示；否则以0表示，构建邻接矩阵；使具有相邻关系的网格单元的权值由非极区到极区呈梯度分布；设定地球固定网格的纵向权值梯度矩阵q为：

18、q＝[q1,q2,q3,…qn],

19、式中n为设定的纵向权值梯度层数：

20、

21、

22、式中qj为处于第j梯度的网格单元的纵向权值，latα为处于第j梯度的当前网格单元的中心点纬度，latβ为当前网格单元的相邻网格单元的中心点纬度；

23、设定地球固定网格的横向权值梯度矩阵p为：

24、p＝[p1,p2,p3,…pn],

25、其中处于第j梯度的网格单元的横向权值pj为：

26、

27、权值越低，两个相邻网格单元的联通路径被选择作为最短路径跳转的机率越大；

28、由纵向权值梯度矩阵q和横向权值梯度矩阵p构建地球固定网格的权值矩阵。

29、根据本发明的面向巨星座的星上信息路径自主规划方法，所述所有途经网格单元的网格路径矩阵表示为g：

30、g＝[g1,g2,g3,…,gm]，

31、其中最短路径中的第i个网格单元编码表示为gi：

32、

33、式中表示最短路径中的第i个网格单元中心点纬度，λi表示最短路径中的第i个网格单元中心点经度；m为最短路径中网格单元的总个数。

34、根据本发明的面向巨星座的星上信息路径自主规划方法，长期可见拓扑资源集合为能够与当前星座拓扑稳定通信的星座拓扑集合；

35、间歇可见拓扑资源集合根据与当前星座拓扑中卫星的卫星轨道相交的球面三角确定。

36、根据本发明的面向巨星座的星上信息路径自主规划方法，长期可见拓扑资源集合中的星座拓扑与当前星座拓扑内的卫星能够互相联通；

37、设定所有星座拓扑均为星型星座拓扑，将距离当前星座拓扑的拓扑中心星距离为2rtopo范围以内的所有其它拓扑中心星所在的星型星座拓扑组成长期可见拓扑资源集合；

38、长期可见拓扑资源集合表示为ve：

39、

40、式中为长期可见拓扑资源集合中的星型星座拓扑，星型星座拓扑的中心星位于第x'轨道y'号位上，为所述当前星座拓扑的中心星，当前星座拓扑的中心星位于第x轨道y号位上，为中心星和中心星与地心连线的夹角；θmax为两颗中心星最大可视距离对应的地心角，巨星座中所有星型星座拓扑的拓扑中心星均匀分布在i个轨道上，每个轨道上b颗拓扑中心星；

41、

42、式中h为大气层厚度。

43、根据本发明的面向巨星座的星上信息路径自主规划方法，间歇可见拓扑资源集合的获得方法为：

44、构造i个轨道中两个轨道x1、x2与赤道交叉形成的球面三角形δabc，设地心为点o，利用球面三角形的余弦定理得到星座拓扑与第x2轨道产生交叉的时刻为t：

45、cos(∠boc)＝-cos2(i0)+sin2(i0)·cos(180-(ωx1-ωx2))，

46、cos(180-(ωx1-ωx2))＝cos2(θt)+sin2(θt)cos(∠boc)，

47、f＝θt-ω，

48、

49、式中∠boc为赤道弧对应的球面角，i0为两个轨道x1、x2的轨道倾角，ωx1为轨道x1的升交点赤经，ωx2为轨道x2的升交点赤经，θt为轨道x1上的星座拓扑与轨道x2产生交叉时中心星的轨道角，f为中心星的当前真近点角，ω为中心星的近地点幅角，t为中心星的轨道周期，f0为中心星的初始真近点角；

50、则将当前星座拓扑在t时刻的间歇可见拓扑资源集合表示为vin：

51、

52、式中为间歇可见拓扑资源集合中的星座拓扑，星座拓扑的中心星位于第x2轨道b号位上，γ为允许的稳定反向通信距离对应的地心角约束：

53、

54、根据本发明的面向巨星座的星上信息路径自主规划方法，若最佳窗口卫星对应的网格单元处于任务发起网格单元到任务目标网格单元的最短路径中，则在网格路径矩阵g＝[g1,g2,g3,…,gm]中删除最佳窗口卫星对应的网格单元编码g1，得到剩余网格路径矩阵g1＝[g2,g3,…,gm]；否则最佳窗口卫星根据网格路径矩阵g在对应的邻域拓扑资源集合中确定最接近最短路径的邻域卫星，并向所述邻域卫星对应的网格单元方向转发任务信息和网格路径矩阵，直到所述邻域卫星处于所述最短路径中，在网格路径矩阵g＝[g1,g2,g3,…,gm]中删除最佳窗口卫星对应的网格单元编码g1，得到剩余网格路径矩阵g1＝[g2,g3,…,gm]。

55、根据本发明的面向巨星座的星上信息路径自主规划方法，邻域卫星依次确定中间传递卫星的过程中，对邻域卫星和中间传递卫星进行与最佳窗口卫星和所述邻域卫星对应相同的判断过程；依次得到剩余网格路径矩阵gw＝[gw+1,gw+2,…,gm]，式中w为当前删除网格单元编码的次数；

56、在每一次确定中间传递卫星后，若当前剩余网格路径矩阵gw满足则继续向中间传递卫星传送任务信息和当前剩余网格路径矩阵gw，直到任务信息到达任务目标网格单元gm对应的最佳下传中间传递卫星，最佳下传中间传递卫星向任务目标点下传任务信息，星上决策转发任务结束。

57、本发明的有益效果：本发明方法基于网格路径初规划和卫星邻域资源感知进行星上信息路径自主规划，其中网格路径初规划提供辅助星上规划的静态网格路径，卫星邻域资源感知应用星座拓扑划分及运行规律预测邻域节点信息；星上信息路径的规划利用卫星邻域节点资源匹配网格规划路径，决策下一信息转发的卫星节点。本发明方法可实现星座自主高效互联，将现有需要全局复杂轨道递推决策的信息路径规划转化为星上自主感知、快速决策并转发的过程。本发明方法为实现巨星座星间信息的高速传输提供了有效解决方案。