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空天网格化星间通视及路由路径规划算法.docx
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空天网格化星间通视及路由路径规划算法.docx
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目前,中国对导航、遥感等天基信息的覆盖范围需求已从国内拓展到全球,在“一星
多用、多星组网”的应用需求以及紧急通信、灾害预警、海上救援等场景的需求下,面对无
法在全球范围建设地面站这一现实难题,卫星间的高效通信具有非常重要的研究意义
[1-4]
。
与此同时,文献[5-6]提出构建与地面网络深度耦合的集成化的天基信息实时服务系统,即
同时提供定位、导航、授时、遥感、通信服务(positioning,navigation,timing,remote
sensing,communication,PNTRC)系统,该系统具有上百颗卫星的卫星星座,可实现与
地面互联网的互联互通。
在大规模的低轨通信、遥感星座的运控过程中,可见性分析是实现全球范围遥感信息
的快速回传,特别是境外目标观测数据的快速回传的重要基础。现有通视分析方法在计算
卫星之间、卫星与地面观测点的相对位置时,需要实时构建卫星相对坐标系、地心地平坐
标系,并采用浮点数在不同卫星轨道、甚至不同星座间进行计算,算法复杂度高
[7-8]
。境外
数据获取涉及大量路由传输规划,文献[9-10]对卫星通信网络路由及卫星网络拓扑结构进
行了研究,主要针对通信卫星星座,包括有集中式路由、分布式路由等结构。考虑到研发
成本低、覆盖范围广、重返周期短等优势,不构建星间链路的低轨互联网卫星星座成为近
年来对地实时观测与通信的新方向。然而传统的路由规划方法是基于星间链路构建的,在
Starlink、OneWeb 以及鸿雁、鸿云、PNTRC 等大星座组网(至少包含数百颗、甚至有规
划上千颗)应用场景中,传统的几何方法难以应对大规模、复杂网络环境下应急任务的快速
调度,以及其对星间可见性分析的快速、高精度要求,因此需要进一步结合低轨高时变卫
星大星座的特点,研究更高效的通视计算、路由规划方法。
空间网格数据模型及其索引方法具有划分方式简单、空间计算高效的特点
[11]
。其中,
基于 2
n
及整型一维数组全球经纬度剖分网格(geographic coordinate subdivision grid with
one dimension integer coding on 2
n
Tree,GeoSOT)是二三维一体的、多层次嵌套的、等
经纬度划分的统一位置框架,具有网格空间关系直视、编码计算效率高的优势,可用来进
行空间位置的标识、表达、计算,文献[12-14]发现 GeoSOT-3D 立体网格对提升空间计算
效率有显著帮助。因此,本文将 GeoSOT-3D 立体网格拓展至航空航天范围,开展星间互
联计算的探讨,旨在通过构建空天全域网格索引大表,“以空间换时间”,将复杂的星间通
视计算转为卫星所在网格的固有属性查询,提升通视计算、空间链路规划的效率,进而探
讨遥感信息快速回传的有效途径,发展更高效的通视计算、星间路由规划的计算方法。
1. 卫星网格化建模
空天网格体系与空天网格索引大表是网格化卫星星座快速互联计算的重要基础。其核
心思路是将 GeoSOT 框架体系扩展至空天范围,对所有空天范围的立体空间区块进行标
识,形成空天网格索引大表。在此基础上,对卫星轨迹、资源实现网格化,也为后续的快
速互联计算提供途径。
1.1 空天网格体系
本文引入 GeoSOT-3D 模型,并将其应用至航空航天范围,即把空天划分成连续的立
体空间区块,每个区块都给与了一个可以计算的整型编码,由此形成的坐标系称为空天网
格坐标体系,在经纬度坐标体系基础上增加一种离散网格坐标,对现实空间进行标识、表
达与计算。
1.2 空天全域网格索引大表
本文利用网格数据模型与索引技术,建立了跨领域、多尺度、无缝无叠、覆盖全球的
多源数据编码检索模型。以网格索引大表为依托,通过简便快捷的编码处理,提供空间数
据的索引技术,实现对多源异构空间数据的快速汇集与综合管理。其中,卫星作为重要的
空间对象,其相应时空轨迹将被离散化并存于空天全域网格索引大表中。索引大表定义如
表 1 所示。
表 1 大表的结构定义
Table 1. Structure of Big Table
列名
类型
说明
Code
STRING/INT
三维网格编码
Visible
STRING/INT[ ]
通视网格编码
DataExist
INT
是否存有数据,是为 1,否为 0
Data
JSON[ ]
数据描述
Time
TIME[ ]
数据时间,包括进入网格时间、离开网格时间
Source
JSON
数据源描述
MetaData
JSON
元数据信息
下载: 导出 CSV
| 显示表格
表 1 中,Code 由数据库提供的 INT 整型或 STRING 类型存储,支持三维网格编码
和以编码代数为基础的各种运算;Visible 是用一个数组列来标记和存储计算得到的通视网
格(集合)。
1.3 卫星轨迹与资源网格化
1.3.1 卫星轨迹网格索引大表
本文根据卫星轨道根数与卫星星座的设计,计算出给定时间段内的卫星轨迹集合<
Gridsat,T>(Gridsat 为卫星轨迹的网格编码集合,T 为相应时间段)。在原有的以卫星为组
织形式的卫星轨迹数据表的基础上,结合轨迹集合改进对象表(在原有表的基础上增加编码
列,并作为与索引大表关联的外键),再与索引大表模型关联,建立卫星轨迹网格索引大
表。在具体的卫星轨迹网格化计算中,由于卫星轨迹在卫星所在的轨道平面运动,涉及到
卫星轨道的地心坐标系,而空天网格坐标是以经纬网格为基础发展的坐标体系,因此先将
地心坐标系(x,y,z)转为大地坐标系(L,B,H),其中,L 为大地经度,B 为大地纬度,H
为高程;再将大地坐标系转为空天网格坐标 code。网格的尺度可以根据精度来选择(网格
模型共 32 层级),一般选择卫星的最小外包尺度匹配的网格粒度 D
layer
作为基础层级,并选
择其两层父网格的粒度来进行初筛。卫星的位置和通视关系为时变函数,在具体计算时会
按照卫星动目标的运动轨迹在网格化时满足 D
layer
< V
0
×T 的原则(V
0
为该时刻初速),即选
择的最小时间间隔为 T
min
=D
layer
/V
0
。具体在建立描述一颗卫星运动轨迹的文档时,需要包
括卫星重要的基本信息以及轨迹信息。
1.3.2 卫星资源能力索引大表
卫星资源能力索引大表是指将未来可获得的卫星资源,通过提前计算,量化至空天网
格坐标中,并以网格编码作为数据主键,形成能力大表(见图 1)。通过检索大表可知未来
某时刻、某地面网格可以获取到哪些卫星数据
[15]
。其中,空间网格编码和时间建立联合索
引,一方面记录卫星在不同时刻的地面覆盖情况,另一方面为能力大表快速检索作支撑。
最终依托卫星资源能力量化大表,可以快速查询甚至地图可视化,以及未来不同时段、不
同区域会获取到的数据及获取数据的对应卫星。当观测目标的形状是不规则的,则采用多
尺度的网格集合来描述该地面对象的空间范围,其中不同层级的编码可以相互转换(见图
2)。
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