[发明专利]一种基于分簇的低轨卫星故障发现方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于低轨卫星系统的卫星故障发现方法，本发明基于GEO-LEO双层卫星网络，利用分簇思想实现低轨卫星故障发现，使得低轨卫星故障发现摆脱了在地理上有很强依赖性的传统地面站测控技术，提高了低轨卫星故障发现的灵活性，在航空、航天、军事层卫星体系结构，采用及社会经济等领域具有较好的转化应用前景，属于卫星通信技术领域。

 

背景技术

伴随星上处理技术和小卫星技术的发展，利用星际链路把不同轨道上的卫星连接在一起，按照空间信息资源的最大有效综合利用原则，互通互连，形成以低轨卫星做接入、高轨卫星做骨干传输的空天信息网络体系结构成为了当下新的研究热点。相比于高轨卫星系统，低轨卫星系统的卫星数目更多，卫星的星上处理能力更加薄弱。同时在军事应用中，我军也不可能在敌方作战区域内建设地面站，管理高速移动的低轨卫星群。因此对于应用于军事场景的空天信息网络来说，设计出脱离地面站测控技术的低轨卫星故障发现方法显得尤为重要。其主要作用就是自动地获取空天信息网络中低轨卫星的故障问题，从而帮助系统对出现的故障及时做出相关响应，保障空天信息网络的正常运行。本发明提出了一种基于分簇的低轨卫星故障发现方法，用以辅助进行空天信息网络拓扑管理，帮助系统对发生的故障及时做出相关相应，保障空天信息网络的正常运行。

 

发明内容

技术问题：在以低轨卫星做接入，高轨卫星做骨干传输的空天信息网络中，低轨卫星群因为数目较多，星上处理能力较弱，属于整个网络中比较脆弱的一部分，需要对其进行有效地故障管理。然而在军事应用场景中，我军并不可能在敌方作战区域内建设地面站，管理高速移动的低轨卫星群。本发明提供了一种基于分簇的低轨卫星故障发现方法。它将低轨卫星轨道以南北轴为界分为两个簇，选定每个簇内纬度绝对值最小的低轨卫星作为簇头，进行本簇内低轨卫星故障发现，并将发现的故障信息发送给覆盖它的高轨卫星，由星上处理能力更强大的高轨卫星统筹把握低轨卫星故障信息，使得低轨卫星故障发现脱离了在地理上有很强依赖性的传统地面站测控技术，从而大大提高了低轨卫星故障发现的灵活性。

技术方案：以穿越南北极的轴线为界，将一个圆形的低轨卫星轨道分割成位于东西两个半球的两个半圆，即两个簇。在每个簇内，选取纬度绝对值最小的低轨卫星作为该簇的簇头，负责通过轨内星际链路收集本簇内的卫星故障信息，并将这些故障信息整合后通过层间星际链路发送给覆盖其的高轨卫星。高轨卫星整合各簇头发来的卫星故障并和其他高轨卫星交换信息，从而获得全网的卫星故障信息表。分簇方案示意图如图1所示。整体解决方案示意图如图2所示。在该方法中，正常状况下只有簇头维持了与高轨卫星之间的层间星际链路，而簇内其他的低轨卫星都通过轨内星际链路与簇头通信，显然这大大降低了高轨卫星同时维持的层间星际链路数目，以及低轨卫星用于维持层间星际链路的星上开销。

本方法中，在每个低轨卫星簇内，选取纬度最低的低轨卫星作为簇头的主要原因有三个：

l      高轨卫星轨道位于赤道正上方，因此纬度最低的低轨卫星与高轨卫星之间的仰角最大，信号相对更稳定；

l      纬度最低的低轨卫星与高轨卫星之间的距离比簇内其他低轨卫星与高轨卫星之间的距离小，选取纬度最低的低轨卫星做簇头，有利于降低簇头与高轨卫星通信的传播时延；

l      纬度最低的低轨卫星到簇内其他低轨卫星的距离基本对等，有利于算法的快速收敛。

一、体系结构

基于分簇的低轨卫星故障发现方法采用仅由高轨卫星和低轨卫星组成的GEO/LEO双层卫星星座结构作为低轨卫星故障发现的框架。如图3所示，在这种体系结构中存在两种类型的星际链路：

l      层内星际链路（ISL）：同一层卫星之间的双向链路，包括GEO-ISL和LEO-ISL；其中，LEO-ISL又分为轨道面内ISL和轨道面间ISL；

l      层间星际链路（IOL）：GEO卫星（高轨卫星）和LEO卫星（低轨卫星）之间的双向链路。

 

二、相关标记与定义

1.层内星际链路（ISL）：同一层卫星之间的双向链路，包括GEO-ISL和LEO-ISL；

2.层间星际链路（IOL）：不同层卫星之间的双向链路，即GEO卫星（高轨卫星）和LEO卫星（低轨卫星）之间的双向链路；