巨型卫星星座的拓扑动态演化及维护方法、装置及介质

技术领域

本发明实施例涉及卫星星座控制技术领域，尤其涉及一种巨型卫星星座的拓扑动态演化及维护方法、装置及介质。

背景技术

以星链Starlink、一网Oneweb为代表的低轨巨型星座正成为当前国际星座部署计划的主流。随着卫星数目增多和任务规模的扩大，以地面测控管理为主的传统星座管理方式将面临着巨大的星地交互开销，难以对大量时敏事件做出实时响应。因此，通过对星座进行拓扑划分，将每个拓扑视为能够长期保持稳定的整体进行星上自主运行管理，将有效解决巨型星座的交互及管理问题。考虑到星座运行的高动态性，星座内部划分完成的各个拓扑持续处于不断运动中，由此带来的拓扑内卫星发散将成为星上拓扑管理的主要挑战。

基于此，对于拓扑的发散演化规律进行研究并针对星间运动及拓扑规律进行应用，实现对拓扑的动态维护，可以为星座的长时间动态稳定管理提供保障。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例期望提供一种巨型卫星星座的拓扑动态演化及维护方法、装置及介质；能够从而将无组织的巨型星座转化为多个能够长期保持动态稳定的拓扑，为巨型卫星星座的长期自主运行管理提供技术支撑。

本发明实施例的技术方案是这样实现的：

第一方面，本发明实施例提供了一种巨型卫星星座的拓扑动态演化及维护方法，所述方法包括：

根据巨型卫星星座中的卫星相对其所归属的卫星拓扑的中心节点卫星的运行状态预测所述卫星脱离所归属的卫星拓扑的方向；

基于所述卫星脱离所归属的卫星拓扑的方向以及所述卫星的轨道参数预测所述卫星脱离所归属的卫星拓扑的时间；

基于设定的维护周期以及所述卫星脱离所归属的卫星拓扑的时间筛选出需要进行重归属的卫星；

为所述需要进行重归属的卫星基于脱离时间最晚的选取策略在候选归属卫星拓扑群中选择最优的新归属卫星拓扑。

第二方面，本发明实施例提供了一种巨型卫星星座的拓扑动态演化及维护装置，所述装置包括：第一预测部分、第二预测部分、筛选部分以及重归属确定部分；其中，

所述第一预测部分，经配置为根据巨型卫星星座中的卫星相对其所归属的卫星拓扑的中心节点卫星的运行状态预测所述卫星脱离所归属的卫星拓扑的方向；

所述第二预测部分，经配置为基于所述卫星脱离所归属的卫星拓扑的方向以及所述卫星的轨道参数预测所述卫星脱离所归属的卫星拓扑的时间；

所述筛选部分，经配置为基于设定的维护周期以及所述卫星脱离所归属的卫星拓扑的时间筛选出需要进行重归属的卫星；

所述重归属确定部分，经配置为为所述需要进行重归属的卫星基于脱离时间最晚的选取策略在候选归属卫星拓扑群中选择最优的新归属卫星拓扑。

第三方面，本发明实施例提供了一种计算设备，所述计算设备包括：通信接口，存储器和处理器；各个组件通过总线系统耦合在一起；其中，

所述通信接口，用于在与其他外部网元之间进行收发信息过程中，信号的接收和发送；

所述存储器，用于存储能够在所述处理器上运行的计算机程序；

所述处理器，用于在运行所述计算机程序时，执行第一方面所述巨型卫星星座的拓扑动态演化及维护方法的步骤。

第四方面，本发明实施例提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有巨型卫星星座的拓扑动态演化及维护程序，所述巨型卫星星座的拓扑动态演化及维护程序被至少一个处理器执行时实现第一方面所述巨型卫星星座的拓扑动态演化及维护方法的步骤。

本发明实施例提供了一种巨型卫星星座的拓扑动态演化及维护方法、装置及介质；对于巨型卫星星座中的卫星预测脱离其所属卫星拓扑的方向和时间，并基于维护周期筛选出需要进行拓扑群重归属划分的卫星，并且基于脱离时间最晚的选取策略为卫星划分重新归属的卫星拓扑，使得所有卫星始终能够处于具有归属卫星拓扑的管控状态。从而将无组织的巨型星座转化为多个能够长期保持动态稳定的拓扑，为巨型卫星星座的长期自主运行管理提供技术支撑。

附图说明

图1为本发明实施例提供的低轨巨型星座示意图；

图2为本发明实施例提供的一种巨型卫星星座的拓扑动态演化及维护方法流程示意图；

图3为本发明实施例提供的卫星

图4为本发明实施例提供的一种选取重归属卫星拓扑的流程示意图；

图5为本发明实施例提供的一种巨型卫星星座的拓扑动态演化及维护装置的组成示意图；

图6为本发明实施例提供的一种计算设备的具体硬件结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

参见图1所示的能够使用于本发明实施例技术方案的低轨巨型星座示意图，在图1所示的低轨巨型星座中，如虚线框所示，可以根据卫星之间的通信连通性以及相对运动关系的稳定性进行拓扑划分，从而将低轨巨型星座划分获得多个卫星拓扑，设定划分所得到的卫星拓扑群数量为N

S201：根据巨型卫星星座中的卫星相对其所归属的卫星拓扑的中心节点卫星的运行状态预测所述卫星脱离所归属的卫星拓扑的方向；

S202：基于所述卫星脱离所归属的卫星拓扑的方向以及所述卫星的轨道参数预测所述卫星脱离所归属的卫星拓扑的时间；

S203：基于设定的维护周期以及所述卫星脱离所归属的卫星拓扑的时间筛选出需要进行重归属的卫星；

S204：为所述需要进行重归属的卫星基于脱离时间最晚的选取策略在候选归属卫星拓扑群中选择最优的新归属卫星拓扑。

通过图2所示的技术方案，对于巨型卫星星座中的卫星预测脱离其所属卫星拓扑的方向和时间，并基于维护周期筛选出需要进行拓扑重归属划分的卫星，并且基于脱离时间最晚的选取策略为卫星划分重新归属的卫星拓扑，使得所有卫星始终能够处于具有归属卫星拓扑群的管控状态。从而将无组织的巨型星座转化为多个能够长期保持动态稳定的拓扑，为巨型卫星星座的长期自主运行管理提供技术支撑。

对于图2所示的技术方案，在一些实现方式中，所述根据巨型卫星星座中的卫星相对其所归属的卫星拓扑的中心节点卫星的运行状态预测所述卫星脱离所归属的卫星拓扑的方向，包括：

针对巨型卫星星座的全卫星拓扑群，设定发散指标以及监测卫星拓扑群内卫星脱离的时间监测序列；

根据卫星拓扑群内卫星相对于其所归属的卫星拓扑内中心节点卫星的相对运动参数，预测所述卫星脱离其所归属的卫星拓扑的脱离方向。

对于上述实现方式，在一些示例中，所述针对巨型卫星星座的全卫星拓扑群，设定发散指标以及监测卫星拓扑群内卫星脱离的时间监测序列，包括：

建立各卫星拓扑内中心节点卫星与归属卫星的匹配关系；

设定每个卫星拓扑的拓扑范围半径r

通过卫星运动规律，统计无接续拓扑归属情况下的卫星发散状况以建立发散指标以及时间监测序列如下式所示：

其中，k

对于上述实现方式，在一些示例中，所述根据卫星拓扑内卫星相对于其所归属的卫星拓扑内中心卫星的相对运动参数，预测所述卫星脱离其所归属的卫星拓扑的脱离方向，包括：

通过提取卫星拓扑群内每个卫星的轨道六根数，计算每个卫星相对其所归属的卫星拓扑内中心节点卫星的周期与速度差距以表征每个卫星的速度；

计算每个卫星相对其所归属的卫星拓扑内中心节点卫星的方位角与相对距离以表征每个卫星的当前位置；

根据每个卫星的当前位置及速度预测其脱离其所归属的卫星拓扑边缘的方向。

针对上述实现方式及其示例，需要说明的是，通过设计发散指标以及监测卫星拓扑群内卫星脱离的时间监测序列，从而能够实现对拓扑群的发散情况进行统计，并结合拓扑群内卫星相对中心节点卫星的周期、相对方位及距离演化，通过对影响拓扑发散情况的多个因素进行对比，将长期的拓扑整体发散趋势量化为卫星相对拓扑中心节点卫星的相对运动关系，从而对卫星相对拓扑边缘的运动趋势及产生发散的方向进行预测。通过上述实现方式及其示例，可在长周期内定性预测多卫星拓扑的运行演化情况。

对于图2所示的技术方案，在一些实现方式中，所述基于所述卫星脱离所归属的卫星拓扑的方向以及所述卫星的轨道参数预测所述卫星脱离所归属的卫星拓扑的时间，包括：

确定每个卫星相对其所归属的卫星拓扑长期运行稳定的轨道根数约束；

根据每个卫星相对其所归属的卫星拓扑内中心节点卫星的运行方向与卫星拓扑边缘的位置关系，利用相对速度差距预测每个卫星脱离其所归属的卫星拓扑边缘的时间。

对于上述实现方式中，在一些示例中，所述基于所述卫星脱离所归属的卫星拓扑的方向以及所述卫星的轨道参数预测所述卫星脱离所归属的卫星拓扑的时间，包括：

计算每个卫星的轨道角θ＝ω+f，其中，ω为近地点幅角，f为真近点角；

根据每个卫星脱离其所归属的卫星拓扑的脱离方向计算脱离距离d；

建立脱离拓扑的时间限制约束如下式所示：

其中，ΔT为

根据下式预测每个卫星脱离其所归属的卫星拓扑的时间：

其中，μ为地球的引力参数，

对于上述实现方式及其示例，需要说明的是，通过相对运动有界条件给出卫星相对拓扑群长期运行稳定的轨道根数约束，随后根据卫星相对中心节点卫星运行方向与拓扑边缘的位置关系，利用相对速度差距对卫星脱离拓扑边缘的时间计算以预测卫星脱离其所归属的卫星拓扑的时间。

对于卫星

从上表可以看出，BC、BC'、BD可分别由以下公式得出

r

Δθ

其中，i为轨道倾角，r为轨道半径，Ω为对应卫星点的升交点赤经，r

对于图2所示的技术方案，在一些实现方式中，所述为所述需要进行重归属的卫星基于脱离时间最晚的选取策略在候选归属卫星拓扑群中选择最优的新归属卫星拓扑，包括：

从所有卫星中筛选出维护周期结束前出现脱离所属卫星拓扑的卫星作为所述需要进行重归属的卫星；

根据可视的中心节点卫星为所述需要进行重归属的卫星筛选候选归属卫星拓扑；

基于再次脱离时间最晚的选取策略从候选归属卫星拓扑群中为所述需要进行重归属的卫星选取最优新归属卫星拓扑。

对于上述实现方式，需要说明的是，对维护周期结束前出现脱离当前拓扑群的卫星进行筛选，并将其转入重归属流程；并对产生重归属操作的卫星进行拓扑群脱离检测，当再次产生脱离拓扑时继续转入重归属流程；而最优归属拓扑群筛选机制对卫星脱离当前拓扑后即将转入的可能拓扑进行性能比较，以下次脱离时间更久为指标，实现卫星的新拓扑归属；采用此方法可在整体卫星重归属次数较少的情况下实现整个周期内全星座拓扑的动态稳定。具体来说，参见图4，所述为所述需要进行重归属的卫星在候选归属卫星拓扑群中选择最优的新归属卫星拓扑，包括：

S401：根据卫星

S402：将在维护周期结束前脱离第i号卫星拓扑的卫星

S403：将所述需要进行重归属的卫星在脱离时刻的可视中心节点卫星形成对应的可视中心节点卫星集合

S404：对可视中心节点卫星集合中的每个中心节点卫星分别计算再次脱离时间，选取脱离最晚的中心节点卫星作为接续拓扑归属的最优中心节点卫星；

S405：当最优中心节点卫星与当前中心节点卫星相同时，证明该时刻无最佳选择，持续监测，直到新的中心节点卫星出现且与卫星距离最近；

S406：基于接续拓扑归属的最优中心节点卫星更新重归属次数N

S407：判断总归属时长是否小于拓扑维护周期；若总归属时长小于拓扑维护周期，表示后续仍会产生脱离现象，转入S403以根据接续拓扑归属的最优中心节点卫星再次形成新的可视中心节点卫星集合

S408：若i＜全星座划分得到的拓扑数N

S409：生成巨型卫星星座卫星对应的拓扑维护序列。

基于前述技术方案相同的发明构思，参见图5，其示出了本发明实施例提供的一种巨型卫星星座的拓扑动态演化及维护装置50，所述装置50包括：第一预测部分501、第二预测部分502、筛选部分503以及重归属确定部分504；其中，

所述第一预测部分501，经配置为根据巨型卫星星座中的卫星相对其所归属的卫星拓扑的中心节点卫星的运行状态预测所述卫星脱离所归属的卫星拓扑的方向；

所述第二预测部分502，经配置为基于所述卫星脱离所归属的卫星拓扑的方向以及所述卫星的轨道参数预测所述卫星脱离所归属的卫星拓扑的时间；

所述筛选部分503，经配置为基于设定的维护周期以及所述卫星脱离所归属的卫星拓扑的时间筛选出需要进行重归属的卫星；

所述重归属确定部分504，经配置为为所述需要进行重归属的卫星基于脱离时间最晚的选取策略在候选归属卫星拓扑群中选择最优的新归属卫星拓扑。

在一些示例中，所述第一预测部分501，经配置为：

针对巨型卫星星座的全卫星拓扑群，设定发散指标以及监测卫星拓扑群内卫星脱离的时间监测序列；

根据卫星拓扑群内卫星相对于其所归属的卫星拓扑内中心节点卫星的相对运动参数，预测所述卫星脱离其所归属的卫星拓扑的脱离方向。

基于上述示例，所述第一预测部分501，经配置为：

建立各卫星拓扑内中心节点卫星与归属卫星的匹配关系；

设定每个卫星拓扑的拓扑范围半径r

通过卫星运动规律，统计无接续拓扑归属情况下的卫星发散状况以建立发散指标以及时间监测序列如下式所示：

其中，k

基于上述示例，所述第一预测部分501，经配置为：

通过提取卫星拓扑群内每个卫星的轨道六根数，计算每个卫星相对其所归属的卫星拓扑内中心节点卫星的周期与速度差距以表征每个卫星的速度；

计算每个卫星相对其所归属的卫星拓扑内中心节点卫星的方位角与相对距离以表征每个卫星的当前位置；

根据每个卫星的当前位置及速度预测其脱离其所归属的卫星拓扑边缘的方向。

在一些示例中，所述第二预测部分502，经配置为：

确定每个卫星相对其所归属的卫星拓扑长期运行稳定的轨道根数约束；

根据每个卫星相对其所归属的卫星拓扑内中心节点卫星的运行方向与卫星拓扑边缘的位置关系，利用相对速度差距预测每个卫星脱离其所归属的卫星拓扑边缘的时间。

在一些示例中，所述第二预测部分502，经配置为：

计算每个卫星的轨道角θ＝ω+f，其中，ω为近地点幅角，f为真近点角；

根据每个卫星脱离其所归属的卫星拓扑的脱离方向计算脱离距离d；

建立脱离拓扑的时间限制约束如下式所示：

其中，ΔT为

根据下式预测每个卫星脱离其所归属的卫星拓扑的时间：

其中，μ为地球的引力参数，

在一些示例中，所述重归属确定部分504，经配置为：

从所有卫星中筛选出维护周期结束前出现脱离所属卫星拓扑的卫星作为所述需要进行重归属的卫星；

根据可视的中心节点卫星为所述需要进行重归属的卫星筛选候选归属卫星拓扑；

基于再次脱离时间最晚的选取策略从候选归属卫星拓扑群中为所述需要进行重归属的卫星选取最优新归属卫星拓扑。

在一些示例中，所述重归属确定部分504，经配置为执行如图4所示的步骤：

S401：根据卫星

S402：将在维护周期结束前脱离第i号卫星拓扑的卫星

S403：将所述需要进行重归属的卫星在脱离时刻的可视中心节点卫星形成对应的可视中心节点卫星集合

S404：对可视中心节点卫星集合中的每个中心节点卫星分别计算再次脱离时间，选取脱离最晚的中心节点卫星作为接续拓扑归属的最优中心节点卫星；

S405：当最优中心节点卫星与当前中心节点卫星相同时，证明该时刻无最佳选择，持续监测，直到新的中心节点卫星出现且与卫星距离最近；

S406：基于接续拓扑归属的最优中心节点卫星更新重归属次数N

S407：若总归属时长小于拓扑维护周期，表示后续仍会产生脱离现象，转入S403以根据接续拓扑归属的最优中心节点卫星再次形成新的可视中心节点卫星集合

S408：若i＜全星座划分得到的拓扑数N

S409：生成巨型卫星星座卫星对应的拓扑维护序列。

可以理解地，在本实施例中，“部分”可以是部分电路、部分处理器、部分程序或软件等等，当然也可以是单元，还可以是模块也可以是非模块化的。

另外，在本实施例中的各组成部分可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能模块的形式实现并非作为独立的产品进行销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中，基于这样的理解，本实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或processor(处理器)执行本实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

因此，本实施例提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有巨型卫星星座的拓扑动态演化及维护程序，所述巨型卫星星座的拓扑动态演化及维护程序被至少一个处理器执行时实现上述技术方案中所述巨型卫星星座的拓扑动态演化及维护方法步骤。

根据上述巨型卫星星座的拓扑动态演化及维护装置50以及计算机存储介质，参见图6，其示出了本发明实施例提供的一种能够实施上述巨型卫星星座的拓扑动态演化及维护装置50的计算设备60的具体硬件结构，该计算设备60可以为无线装置、移动或蜂窝电话(包含所谓的智能电话)、个人数字助理(PDA)、视频游戏控制台(包含视频显示器、移动视频游戏装置、移动视频会议单元)、膝上型计算机、桌上型计算机、电视机顶盒、平板计算装置、电子书阅读器、固定或移动媒体播放器，等。计算设备60包括：通信接口601，存储器602和处理器603；各个组件通过总线系统604耦合在一起。可理解，总线系统604用于实现这些组件之间的连接通信。总线系统604除包括数据总线之外，还包括电源总线、控制总线和状态信号总线。但是为了清楚说明起见，在图6中将各种总线都标为总线系统604。其中，

所述通信接口601，用于在与其他外部网元之间进行收发信息过程中，信号的接收和发送；

所述存储器602，用于存储能够在所述处理器603上运行的计算机程序；

所述处理器603，用于在运行所述计算机程序时，执行前述技术方案中所述巨型卫星星座的拓扑动态演化及维护方法步骤，这里不再进行赘述。

可以理解，本发明实施例中的存储器602可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、可编程只读存储器(Programmable ROM，PROM)、可擦除可编程只读存储器(Erasable PROM，EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(Electrically EPROM，EEPROM)或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如静态随机存取存储器(Static RAM，SRAM)、动态随机存取存储器(Dynamic RAM，DRAM)、同步动态随机存取存储器(Synchronous DRAM，SDRAM)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(Double Data RateSDRAM，DDRSDRAM)、增强型同步动态随机存取存储器(Enhanced SDRAM，ESDRAM)、同步连接动态随机存取存储器(Synchlink DRAM，SLDRAM)和直接内存总线随机存取存储器(DirectRambus RAM，DRRAM)。本文描述的系统和方法的存储器602旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。

而处理器603可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器603中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器603可以是通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器602，处理器603读取存储器602中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。

可以理解的是，本文描述的这些实施例可以用硬件、软件、固件、中间件、微码或其组合来实现。对于硬件实现，处理单元可以实现在一个或多个专用集成电路(ApplicationSpecific Integrated Circuits，ASIC)、数字信号处理器(Digital Signal Processing，DSP)、数字信号处理设备(DSP Device，DSPD)、可编程逻辑设备(Programmable LogicDevice，PLD)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)、通用处理器、控制器、微控制器、微处理器、用于执行本申请所述功能的其它电子单元或其组合中。

对于软件实现，可通过执行本文所述功能的模块(例如过程、函数等)来实现本文所述的技术。软件代码可存储在存储器中并通过处理器执行。存储器可以在处理器中或在处理器外部实现。

可以理解地，上述巨型卫星星座的拓扑动态演化及维护装置50以及计算设备60的示例性技术方案，与前述巨型卫星星座的拓扑动态演化及维护方法的技术方案属于同一构思，因此，上述对于巨型卫星星座的拓扑动态演化及维护装置50以及计算设备60的技术方案未详细描述的细节内容，均可以参见前述巨型卫星星座的拓扑动态演化及维护方法的技术方案的描述。本发明实施例对此不做赘述。

需要说明的是：本发明实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。