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一种面向低轨遥感星座的路由任务规划算法研究.docx
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一种面向低轨遥感星座的路由任务规划算法研究.docx
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近年来,低轨星座以其发射成本低、距离地面近、传输时延短、路径损耗
小、数据传输率高等优势,在通信、遥感、导航和预警等众多领域备受青睐
[1,2,3,4, 5,6,7,8]
。由于低轨卫星相对地球高速运动,因此在缺乏有效的空间网络支撑的
情况下,低轨卫星的数据传输必须依赖地面站进行中继。现有的遥感卫星数据
传输(简称“数传”)任务采用弯管式的周期性、批处理过境的下传方式。而随着
遥感需求的增加和卫星制造技术的成熟,地面站建设的步伐远远滞后于在轨卫
星数量的增长,地面站资源不足、卫星过境时间短等问题严重制约了遥感卫星
的服务能力,难以满足社会对遥感信息获取的实时性需求
[9 -10]
。随着星间链技术
的发展,将多颗卫星互联互通,建立与地面系统低耦合的卫星网络,不仅可以
提升系统数据传输的时效性,还可以提升整个系统的抗毁性、自主性、机动性
和灵活性
[11,12,13]
。然而考虑低轨卫星的运动使整个卫星网络拓扑不断变化,且星
地之间高速移动,这对低轨卫星路由策略的设计提出了挑战。
目前,低轨卫星网络路由算法主要分为动态拓扑路由、基于快照序列的路
由和虚拟节点路由三大类。动态拓扑路由算法根据实时的卫星网络拓扑进行路
由计算,具有实时性高、适应性强的优势,但频繁交换拓扑信息和更新路由信
息将给系统带来较大的开销。文献[14,15,16]均采用基于快照序列的路由,将动
态拓扑通过时间离散转化为多个单独的拓扑快照,每个拓扑快照内的拓扑稳定
不变,针对不同快照进行相应的路由计算。文献[17-18]采用虚拟节点路由,将
初始状态下的卫星节点投影定义为虚拟节点并配置独立标识,卫星运动过程中
将距离最近的虚拟节点标识作为卫星标识,以屏蔽卫星网络拓扑的高动态性。
与通信星座路由规划初衷不同的是,遥感星座的路由规划主要用于将拍摄
的遥感数据尽快传输到地面并进行数据处理,地面站应该作为路由的目的节点 。
遥感卫星的路由规划基于遥感卫星成像任务规划结果
[19-20]
,成像任务的时长和镜
头载荷种类决定了源节点携带的数据量大小,路由任务规划并非不可预测,在
已知数传任务序列的情况下,非占用链路的状态变化并不会影响路由结果。因
此,本文基于快照序列的拓扑划分思想,将卫星与地面站之间的路由看作低轨
遥感星座路由的一部分,并提出了一种基于遥感任务调度规划结果的路由任务
规划算法。
1 路由任务规划算法
低轨卫星的相对运动使卫星之间的连接状态被看作以时间为变量的周期函
数,而卫星相对地球的运动使地面站节点与低轨卫星网络之间构成了一个大的
时变网络。本文利用基于快照序列的拓扑划分思想,将低轨卫星星座和地面站
共同组成的时变网络拓扑进行时间切片,并在每个时间片内进行从卫星节点到
地面站节点的路由计算。为了减少路由切换的频率、降低链路切换的代价损失,
本文将数传任务占用链路状态不变的相邻时间片进行合并,在确保路由路径可
达的基础上尽量不频繁地切换路由,为数传任务寻找相对最短的路由路径。
1.1 拓扑的快照序列划分
将卫星节点和地面站节点共同构成一个大的网状拓扑结构,利用卫星星历
信息预报卫星运动规律,为每个星间链路计算两卫星节点间的俯仰角、方位角、
距离和相对角速度,根据星间链载荷的跟踪能力判断星间链路是否可用,根据
卫星与地面站的最优建链策略时星地链路的可用情况,构建包含卫星节点和地
面站节点的邻接矩阵,并基于邻接矩阵随时间的变化对随时间动态变化的网络
拓扑结构进行时间切片,每一个时间片内都对应一个相对稳定的网络拓扑结构。
拓扑的快照序列划分示意图如图 1 所示。
1.2 星地最优建链策略
本文考虑多星多站的星间星地共同组网路由,星间链路对应的两端卫星节
点固定,因此只需要判断星间链路的通断状态;星地链路对应的卫星节点固定,
而地面节点不固定,在地面站同时可见多颗卫星的情况下认为可通过增加地面
站天线避免冲突,但卫星对多个地面站出现可见时间窗口重叠的问题,必须利
用冲突消解方法进行求解,一颗卫星在同一时间段只能选择一个地面站接入。
星地最优建链策略流程如图 2 所示。
图 1
图 1拓扑的快照序列划分示意图
图 2
图 2星地最优建链策略流程
利用卫星的星历信息、各地面站的位置信息、起始计算时间 t
sta rt
、结束计算
时间 t
sto p
、天线接收的最低仰角 E
min
计算得到卫星过境时段。具体计算方法如下。
步骤 1 对于低轨卫星,地面站天线可捕获范围不超过卫星轨道的四分之一,
如果在起始计算时刻卫星已处于地面站可建链范围内,此时需要回退到卫星未
进入天线捕获范围之前的某个时刻 t
1
才可计算得到这一圈的完整时间窗口,因此,
可选择回退四分之一轨道:
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