一种保障服务质量的低轨卫星星座优化设计方法

1.本发明属于无线通信技术领域。具体涉及一种保障服务质量的低轨卫星星座优化设计方法。


背景技术：

2.如今的地面网络具有一定的局限性，例如：基站大多分布在人口稠密的地区，人口稀疏的山区、沙漠和海洋的设备无法接入互联网，同时地面基站容易受自然灾害和战争等不可抗拒的因素的破坏。卫星通信以其地面限制小、灵活组网、覆盖范围广、服务质量高等诸多优点可以很好的补充地面网络的不足。
3.卫星星座设计是卫星通信设计和组网的基础。卫星星座设计将多个具有相同或相似类型和功能的卫星分布在相似或互补的轨道上，并在集中式或分布式网络的管理控制下，协同完成一定的通信任务。由于单颗卫星无法实现对设计目标区域的实时覆盖，因此需要采用多颗卫星组成卫星星座，扩大卫星通信的覆盖范围。多颗卫星组成的卫星星座通过构建星间链路和地面站馈线链路形成卫星网络，从而实现全球范围内的互联与互通。卫星星座设计是卫星网络部署和运行的前提，它决定了卫星网络的运行和应用水平。传统的星座方案设计方法主要包括几何解析法和基于仿真的比较分析方法两大类。这两类方法仅仅针对卫星的覆盖性能优化。然而，如果星座设计忽略了设计的目标区域的用户需求和服务质量，将导致星座资源的冗余，从而造成星座成本的增加和星座服务能力的欠缺。
4.cn107329146b，一种导航卫星低轨监测星座的优化设计方法，充分考虑了现有技术基础和未来技术发展趋势，分析了导航卫星低轨监测星座的设计需求及约束条件，选取walker-δ星座和太阳同步回归轨道，同时构建了包括监测站覆盖因子、性能因子和星座轨道参数的评价准则，由此优化设计的导航卫星低轨监测星座具有较好的监测性能；按照本发明提出的导航卫星低轨监测星座优化设计方法，能够有效地实现导航卫星低轨监测星座的优化设计，技术方案科学、优化，可实现性强；设计的星座能够用较少的卫星总数，实现较大的监测站覆盖因子和性能因子。
5.该发明面向南北半球中低纬度地区建立了多目标优化模型，优化目标包括最小覆盖因子和监测站覆盖性能因子。该优化目标仅仅考虑了卫星对地的覆盖特性。优化目标过于单一容易导致卫星资源的浪费。同时，该发明优化设计星座参数是采用传统的仿真加数学分析去确定最终的星座参数，并没有采用目前研究比较主流的智能优化算法求解。由此容易产生工作量过大、受限于研究人的经验以及最后求解的星座不是最优星座的问题。本发明充分考虑多服务质量指标，不仅仅限于星座的覆盖性能，还考虑了星座抗毁性、通信误码率和信噪比、用户容量匹配度。通过使以上指标作为优化模型的约束条件，限制了搜索空间的范围。同时结合遗传算法和禁忌搜索算法两个智能优化算法对模型进行求解，大大降低了工作量且输出的星座满足服务质量要求。


技术实现要素：

6.本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种保障服务质量的低轨卫星星座优化设计方法。本发明的技术方案如下：
7.一种保障服务质量的低轨卫星星座优化设计方法，其包括以下步骤：
8.s1、采用网格点法中的等经纬度方法将低轨卫星星座需要覆盖的目标区域划分为面积相等的ng个区域；
9.s2、确定星座的回归周期和轨道高度；
10.s3、使用遗传算法的全局搜索能力，设置算法的种群规模为200个以及迭代次数20代，得到一组walker星座初始解；
11.s4、设置低轨卫星星座的服务质量参数的阈值，包括可靠性、有效性以及星座的完成性，其中，可靠性包括：误码率、信噪比、星座的抗毁性；有效性包括：星座对目标区域的覆盖率；星座完成性包括星座对用户的匹配度；
12.s5、结合星座stk仿真数据和对应的公式计算相应的服务质量值；
13.s6、判断计算的服务质量值是否满足设置的阈值，若是则根据星座计算目标函数值，若否，采用禁忌搜索算法更新优化的星座参数解向量，并继续回到s4步操作；
14.s7、判断是否满足最大的迭代次数，若是，则输入最优的优化目标值和对应的星座参数，若否，回到s4步。
15.进一步的，所述s1、采用网格点法中等经度法将目标区域划分为面积相等的ng个区域，具体包括：
16.1)根据目标区域选定所有网格点左下角的经纬度坐标。
17.2)选择网格点的基本单位并划分目标区域。基本单位即横向和纵向跨度。
18.进一步的，所述步骤s2确定星座的回归周期和轨道高度，具体包括：
19.根据地球自转周期te和需要的低轨卫星回归圈数n来确定卫星的回归周期t
sat
，其公式表达如式(1)所示，
[0020][0021]
te表示地球自转周期。利用得出的卫星周期可以通过式(2)计算出低轨卫星的高度h；
[0022][0023]
其中re表示地球的半径，g表示重力常量，me表示地球的质量。
[0024]
进一步的，所述步骤s3利用遗传算法初始化一组较好的初始解集，遗传算法有交叉和变异操作，这使得较大种群规模产生的下一代表现型具有多样性；将此运用到星座设计中，可以产生一组较好的星座初始解；walker星座的参数形成的解向量包括[n
sat n
p i p
sat a
sat
]，其分别表示单轨道卫星数、星座轨道平面数、轨道倾角、卫星天线的发射功率、卫星天线的等效面积。
[0025]
进一步的，所述步骤s4的设置服务质量阈值即设置信噪比、误码率、抗毁性、覆盖率、用户匹配度的阈值，具体符号表示为
[0026]
进一步的，所述步骤5中各服务质量指标的具体计算方式如下：
[0027]
(1)当给定低轨卫星网络的误码率的阈值ber0时，通过式(3)计算系统的信噪比；
[0028][0029]
erfc(
·
)分别表示互补误差函数，eb/n0表示系统的信噪比。eb表示平均比特能量，n0表示噪声功率谱密度。
[0030]
(2)抗毁性是引用复杂网络的自然连通度来量化的，采用周期动态自然连通度来量化优化星座的抗毁性，如式(4)所示；
[0031][0032]
其中，a
t
(g)、t
sat
、n
t
、ti、p(
·
)分别表示连接概率矩阵、周期动态的自然连通度、卫星回归周期、对卫星周期划为的时间片数、每个时间片的长度、求对应矩阵的自然连通度。a
t
(g)中的元素表示在卫星网络中的动态拓扑周期内两个节点的保持连接的概率，是a
t
(g)的第i个特征根，在一个回归周期内，星座的任意两节点的连接概率可以通过获取stk星间链路建链数据求出。
[0033]
(3)在星座回归周期内，星座对目标区域的覆盖率cv是卫星星座对目标区域所有网格点的覆盖情况的加权统计，其具体的计算公式如式(5)所示。
[0034][0035]
其中ng为地面网格点数，l为划分的时隙数，若t时刻，星座对网格点i覆盖，则y
it
＝1，否则y
it
＝0，以上计算通过传入星座参数并获取stk中星座对地面网格点的覆盖数据计算得出。
[0036]
进一步的，所述步骤s5中(4)用户匹配度s定义为在时隙0,1,2，...,l-1上，卫星资源对地面不同网格点区域的用户的容量需求的匹配程度，其值在0～1之间，用户匹配度越大，即为卫星星座对地面不同区域的用户需求越匹配，其计算步骤如下；
[0037]
将信噪比带入式(6)计算单颗卫星下行速率r；
[0038][0039]
p
sat
表示卫星的发射功率、g
sat
表示卫星天线增益、gr用户的天线增益、lf表示路径损耗、lm表示链路余量、t表示系统的噪声温度以及k表示玻尔兹曼常数，天线的增益由式(7)计算；
[0040][0041]
其中η
sat
表示每个天线的效率，a
sat
表示天线的等效面积，f表示系统的工作频率，c表示光速；
[0042]
单颗卫星的容量，即可以服务的用户数，表示为式(8)；
[0043][0044]
r为单颗卫星下行数据速率，η
mae
为卫星天线的多址调制的效率，r
user
为用户的数据速率，根据itu设定的t1服务标准其值为1.554mbps；
[0045]
由此，用户匹配度的由式(9)计算得出；
[0046][0047]
其中，ng为地面划分的网格点数，stf
tn
为在第t个时隙对第n个网格点的容量匹配情况；在任意时隙t(t＝0,1,2,....,l-1)内，如果卫星星座对网格点n的容量提供大于等于该网格点的总的卫星通信人口数，stf
tn
＝1,反之，stf
tn
＝0，如式(10)所示；
[0048][0049]
d(n)表示地面网格点的卫星通信用户数，可以通过此网格点的人口数n(n)、通信用户的比例以及卫星用户的比例的乘积计算，即第n个网格点的卫星通信用户数为c
t
(n)为t时隙内，网格点n中可见卫星数量提供的容量，根据单星容量和从stk获取的地面网格点可见卫星数计算。
[0050]
进一步的，所述步骤s6目标函数值的计算方式如下。
[0051]
定义t时隙内，卫星星座对网格点n提供服务的卫星集合为s
t
＝{m|θ
nm
≥θ
min
}，θ
nm
是网格点n对卫星m的仰角，θ
min
是为达到良好通信条件的最低仰角，则式(10)中c
t
(n)表示为式(11)所示；
[0052][0053]
由此在整个周期内，卫星星座为目标区域提供的容量即是各个时隙内提供的容量的总和；
[0054][0055]
则目标函数值-网络的费效比表示为以上容量总和与构建网络的开销的比值，即如式(13)所示；
[0056][0057]
进一步的，所述步骤s6采用禁忌搜索算法优化星座参数是指：
[0058]
1)获取遗传算法的输出解作为禁忌搜索算法的当前解并设置服务质量阈值；
[0059]
2)判断是否满足优化目标保持不变，若是，则输出结果；若否，则进入下一步；
[0060]
3)对当前解做邻域操作生成邻域解，根据服务质量约束和目标函数值ψ从邻域中确定候选解；
[0061]
4)对候选解判断藐视原则是否满足，若是，则用藐视原则准则的最佳状态解替代当前解；并用最佳状态的解替换最早进入禁忌表的对象；
[0062]
5)判断候选解对应的各对象的禁忌状态，选择候选解集中非禁忌对象对应的最佳
状态为当前的新解，同时用与之对应的禁忌对象替换最早进入禁忌表的禁忌对象；
[0063]
6)判断算法中优化目标值是否变化，若是，则结束算法并输出优化的星座参数[n
sat n
p i p
sat a
sat
]和最大的目标函数值ψ否则转到步骤3)。
[0064]
本发明的优点及有益效果如下：
[0065]
本发明提出了一种保障服务质量的低轨卫星星座优化设计方法，定义低轨卫星星座设计的服务质量指标为可靠性、有效性以及完成性。可靠性表示此星座给用户提供较小差错和高质量的通信性能，具体量化指标包括误码率、信噪比以及星座的抗毁性。有效性是指低轨卫星星座组成的网络针对目标区域所有用户提供服务的能力，具体量化指标是星座的覆盖率。完成性是指网络针对不同地域用户需求的匹配情况，具体指标为用户匹配度。在服务质量约束中，一个卫星回归周期内，用户匹配度对比了目标区域网格点实际的卫星通信人口数与网格点可见卫星可容纳的用户数，通过两者的关系和单星的容量定义了其计算公式，属于本发明的一个独特的创新。本发明的主要创新在于，利用卫星仿真软件stk，根据实际需求，设置服务质量约束，并结合算法优化星座的费效比，设计资源利用率较高的低成本星座。在已有的研究中，星座优化设计都是考虑面向区域覆盖性能，很少有结合星地用户链路和星间链路建立优化约束指标进行优化设计的。本发明的星座优化设计同时考虑低轨卫星星座星间和星地特性，并由此设计服务质量指标。因此本发明提出的服务质量约束设计体系是现有技术人员不容易想到的。本发明在卫星回归周期内，通过考虑星间链路建立，引入了复杂网络中的抗毁性指标自然连通度。为了适应卫星网络的动态性，设计了周期动态自然连通度表示卫星星座的抗毁性指标。同时，通过考虑星地用户链路，引入了误码率、信噪比并设计用户匹配度，利用以上指标建立了星座对地面用户需求的联系。因此本发明充分考虑了星座固有的抗毁性和星地用户之间资源的匹配性，设计的星座具有较高的性价比。在算法方面，本方法为了避免传统的星座优化设计中单一算法的局限性，结合遗传算法的全局搜索能力和禁忌搜索算法的局部搜索能力，以达到使目标不陷入局部解且对星座参数解空间充分搜索的目的。由此设计出满足服务质量指标的最优低轨卫星星座。
附图说明
[0066]
图1是本发明提供优选实施例整体流程图；
[0067]
图2是遗传算法初始化星座流程图；
[0068]
图3是禁忌搜索算法二次寻优示意图。
具体实施方式
[0069]
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、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
[0070]
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
[0071]
一种保障服务质量的低轨卫星星座优化设计方案，通过设置服务质量约束并结合遗传算法和禁忌搜索算法得出最优的卫星星座。其中星座的服务质量指标包括可靠性、有效性以及完成性。具体的量化指标是误码率、信噪比、抗毁性、覆盖率、用户匹配度。以上指标与星座性能紧密相关，所以设置以上指标的约束即对星座参数的解空间做一定的约束。通过在算法程序中设计以上指标的约束条件，并结合优化目标即星座的最大的费效比，迭
代求解，最后输出满足服务质量约束的最大费效比的卫星星座参数。
[0072]
具体步骤如下：
[0073]
第一步：我们在设定区域目标个数时，将中国地区用stk软件自动划分为n个区域(具体划分个数按照选定经纬度间隔划分结果为准，通常取3
°
)。用于根据人口分布图，计算各个网格点的人口数。
[0074]
第二步：根据目标区域，确定基本星座构型为walker星座，确定卫星星座中每颗卫星的回归周期ts,由此确定了星座卫星轨道高度h。轨道高度确定后，walker星座需优化的参数即为单轨道卫星数、卫星轨道数、轨道倾角、单星天线发射功率、天线的有效面积，符号表示为[n
sat n
p i p
sat a
sat
]。
[0075]
第三步：利用遗传算法初始化一组全局较优解，目的是避免搜索目标陷入局部最优解。
[0076]
第四步：设置服务质量指标的阈值，包括信噪比、误码率、抗毁性、覆盖率、用户匹配度,其符号表示为并结合stk软件中仿真的优化参数组成的星座性能数据和服务质量指标计算公式计算相应的服务质量值。
[0077]
第五步：禁忌搜索算法都是从解向量的领域去寻求最优解，因此通过禁忌搜索算法的局部搜索能力，对初始解集进行二次寻优。算法中通过第四步所述的计算方法判断是否满足服务质量阈值，通过循环迭代，当满足优化目标ψ不变时，输出最优的星座参数构型和最大的优化目标。
[0078]
优选的，所述第二步，确定卫星周期和轨道的计算方法如下：
[0079]
根据地球自转周期te和需要的低轨卫星回归圈数n来确定卫星的回归周期t
sat
，其公式表达如式(1)所示。
[0080][0081]
利用得出的卫星周期可以通过式(2)计算出低轨卫星的高度h。
[0082][0083]
优选的，所述第三步，利用遗传算法初始化一组全局较优解。遗传算法有交叉和变异操作，这使得较大种群规模产生的下一代表现型具有多样性。将此运用到星座设计中，可以产生一组较好的星座初始解。walker星座的参数形成的解向量包括[n
sat n
p i p
sat a
sat
]，其分别表示单轨道卫星数、星座轨道平面数、轨道倾角、卫星天线的发射功率、卫星天线的等效面积。
[0084]
初始化walker星座参数的具体步骤为：
[0085]
1)设置种群规模为200，迭代次数20代。
[0086]
2)计算星座优化目标函数值ψ。
[0087]
3)判断终止条件。
[0088]
4)若是，则生成初始星座参数解集。若否，则进行选择、交叉、变异操作，并回到第二步。(设置的交叉概率为0.8，变异概率为0.1)。
[0089]
具体流程如图2所示。
[0090]
优选的，所述第四步，在优化算法计算抗毁性、覆盖率、用户匹配度三个服务质量指标时，需要传入优化中的星座参数给stk,然后分别获取在卫星回归周期内，星间链路建链数据、卫星覆盖数据以及地面网格对星座的可见性数据。
[0091]
优选的，所述第四步，分别对信噪比、误码率、抗毁性、覆盖率、用户匹配度进行定义和计算。包括以下计算公式：
[0092]
1)当给定低轨卫星网络的误码率的阈值ber0时，可以通过式(3)计算系统的信噪比snr。
[0093][0094]
2)抗毁性是引用复杂网络的自然连通度来量化的。复杂网络中的指标自然连通度具有严格单调的特性。它表示网络中每个节点的闭环数量的总和，可以衡量网络的冗余。自然连通度可以用来衡量一个网络中存在的代替路劲的冗余性。其公式如式(4)所示。
[0095][0096]
其中，λi是图g(v,e)的邻接矩阵a(g)的第i个特征根，由此，一个网络的自然连通度为网络的邻接矩阵的特征谱然后取自然对数后的平均值。然而由于低轨卫星网络拓扑的快速动态变化，静态网络的自然连通度并不适合于卫星网络。
[0097]
采用周期动态自然连通度来量化优化星座的抗毁性。如式(5)所示。
[0098][0099]
其中，a
t
(g)表示连接概率矩阵。a
t
(g)中的元素表示在卫星网络中的动态拓扑周期内两个节点的保持连接的概率。在一个回归周期内，星座的任意两节点的连接概率可以通过获取stk星间链路建链数据求出。
[0100]
3)在星座回归周期内，星座对目标区域的覆盖率是卫星星座对目标区域所有网格点的覆盖情况的加权统计。其具体的计算公式如式(6)所示。
[0101][0102]
其中ng为地面网格点数，l为划分的时隙数。若t时刻，星座对网格点i覆盖，则y
it
＝1，否则y
it
＝0。以上计算通过传入星座参数并获取stk中星座对地面网格点的覆盖数据计算得出。
[0103]
4)将单星回归周期ts划分成不同的小的时隙δt。划分的时隙数l可以通过单星回归周期ts和δt比值得出。在每个时隙中，卫星的位置可以当作不变。用户匹配度定义为在时隙0,1,2，...,l-1上，卫星资源对地面不同网格点区域的用户的容量需求的匹配程度，其值在0～1之间，用户匹配度越大，即为卫星星座对地面不同区域的用户需求越匹配。其计算步骤如下：
[0104]
首先，将信噪比带入式(7)计算单颗卫星下行速率r。
[0105][0106]
p
sat
表示卫星的发射功率、g
sat
表示卫星天线增益、gr用户的天线增益、lf表示各种传输损耗、lm表示链路余量、t表示系统的噪声温度以及k表示玻尔兹曼常数。天线的增益由式(8)计算。
[0107][0108]
其中η
sat
表示每个天线的效率，a
sat
表示天线的等效面积，f表示系统的工作频率，c表示光速。
[0109]
其次，由单颗卫星下行数据速率r、用户的数据速率r
user
(根据itu设定的t1服务标准其值为1.554mbps。)以及卫星天线的多址调制的效率η
mae
计算出单颗卫星的容量。单星容量即为可以服务的用户数，表示为式(9)。
[0110][0111]
最后，用户匹配度由式(10)计算得出。
[0112][0113]
其中，ng为地面划分的网格点数，stf
tn
为在第t个时隙对第n个网格点的容量匹配情况。在任意时隙t(t＝0,1,2,....,l-1)内，如果卫星星座对网格点n的容量提供大于等于该网格点的总的卫星通信人口数，stf
tn
＝1,反之，stf
tn
＝0。如式(11)所示。
[0114][0115]
d(n)表示地面网格点的卫星通信用户数，可以通过此网格点的人口数n(n)、通信用户的比例以及卫星用户的比例的乘积计算，即第n个网格点的卫星通信用户数为c
t
(n)为t时隙内，网格点n中可见卫星数量提供的容量。它可以根据单星容量和从stk获取的地面网格点可见卫星数计算。
[0116]
优选的，所述第四步利用禁忌搜索算法进行局部寻优，其特征在于，利用遗传算法优化的解作为禁忌搜索算法输入的初始解，利用禁忌搜索算法的邻域操作的局部搜索能力再进行局部二次寻优。其具体步骤如下：
[0117]
7)获取遗传算法的输出解作为禁忌搜索算法的当前解并设置服务质量阈值。
[0118]
8)判断是否满足优化目标保持不变，若是，则输出结果。若否，则进入下一步。
[0119]
9)对当前解做邻域操作生成邻域解，根据服务质量约束和目标函数值ψ从邻域中确定候选解。
[0120]
10)对候选解判断藐视原则是否满足，若是，则用藐视原则准则的最佳状态解替代当前解。并用最佳状态的解替换最早进入禁忌表的对象。
[0121]
11)判断候选解对应的各对象的禁忌状态，选择候选解集中非禁忌对象对应的最佳状态为当前的新解，同时用与之对应的禁忌对象替换最早进入禁忌表的禁忌对象。
[0122]
12)判断算法中优化目标值是否变化，若是，则结束算法并输出优化的星座参数
[n
sat n
p i p
sat a
sat
]和最大的目标函数值ψ否则转到步骤3)
[0123]
其具体流程如图3所示。
[0124]
本发明内容所涉及的概念和模型如下：
[0125]
1.网络模型
[0126]
本发明的主要场景是对中国地区愿意加入卫星通信的用户的星座覆盖。空间段由低轨卫星组成的低轨卫星宽带网络组成，能为用户提供至少1.554mbps的数据速率。地面段由地面用户和地面宽带网络组成。卫星宽带网络能很好的弥补地面网络对偏远地区和极端环境地区覆盖的不足，还能为基站遭遇自然灾害造成的通信中断提供通信服务。由于中国地区的人口极度不均匀，因此如果不考虑用户的分布特性在星座设计中，将会造成卫星资源的浪费以及提高卫星星座的设计成本。本模型是根据实际的低轨卫星宽带网络服务质量设定以及地面网格点中的用户分布去设计一种保障用户需求和服务质量的低轨卫星星座。
[0127]
2.本发明技术方案如下：
[0128]
本发明提出了一种保障服务质量的低轨卫星星座优化设计方法。首先，建立了包含leo卫星星座和地面用户的系统模型。然后，一种保障服务质量的低轨卫星星座优化设计方法包括从星座可靠性、有效性、完成性三个方面进行星座设计。其中，可靠性考虑了误码率、信噪比以及抗毁性。有效性考虑了星座覆盖率。完成性考虑了用户匹配度。通过设置以上指标的阈值以及定义其计算方式，即建立服务质量约束以限定星座的优化解空间。最后，通过遗传算法初始化星座参数，以及禁忌搜索算法二次寻优，输出最优星座参数以及最大的目标函数值ψ。
[0129]
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0130]
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

技术特征：
1.一种保障服务质量的低轨卫星星座优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、采用网格点法中的等经纬度方法将低轨卫星星座需要覆盖的目标区域划分为面积相等的n
g
个区域；s2、确定星座的回归周期和轨道高度；s3、使用遗传算法的全局搜索能力，设置算法的种群规模为200个以及迭代次数20代，得到一组walker星座初始解；s4、设置低轨卫星星座的服务质量参数的阈值，包括可靠性、有效性以及星座的完成性，其中，可靠性包括：误码率、信噪比、星座的抗毁性；有效性包括：星座对目标区域的覆盖率；星座完成性包括星座对用户的匹配度；s5、结合星座stk仿真数据和对应的公式计算相应的服务质量值；s6、判断计算的服务质量值是否满足设置的阈值，若是则根据星座计算目标函数值，若否，采用禁忌搜索算法更新优化的星座参数解向量，并继续回到s4步操作；s7、判断是否满足最大的迭代次数，若是，则输入最优的优化目标值和对应的星座参数，若否，回到s4步。2.根据权利要求1所述的一种保障服务质量的低轨卫星星座优化设计方法，其特征在于，所述s1、采用网格点法中的等经纬度法将目标区域划分为面积相等的n个区域，具体包括：1)根据目标区域选定所有网格点左下角的经纬度坐标；2)选择网格点的基本单位并划分目标区域，基本单位即横向和纵向跨度。3.根据权利要求1所述的一种保障服务质量的低轨卫星星座优化设计方法，其特征在于，所述步骤s2确定星座的回归周期和轨道高度，具体包括：根据地球自转周期t
e
和需要的低轨卫星回归圈数n来确定卫星的回归周期t
sat
，其公式表达如式(1)所示，t
e
表示地球的自转周期。利用得出的卫星周期可以通过式(2)计算出低轨卫星的高度h；其中r
e
表示地球的半径，g表示重力常量，m
e
表示地球的质量。4.根据权利要求1所述的一种保障服务质量的低轨卫星星座优化设计方法，其特征在于，所述步骤s3利用遗传算法初始化一组较好的初始解集，遗传算法有交叉和变异操作，这使得较大种群规模产生的下一代表现型具有多样性；将此运用到星座设计中，可以产生一组较好的星座初始解；walker星座的参数形成的解向量包括[n
sat n
p i p
sat a
sat
]，其分别表示单轨道卫星数、星座轨道平面数、轨道倾角、卫星天线的发射功率、卫星天线的等效面积。5.根据权利要求1所述的一种保障服务质量的低轨卫星星座优化设计方法，其特征在于，所述步骤s4的设置服务质量阈值即设置信噪比、误码率、抗毁性、覆盖率、用户匹配度的阈值，具体符号表示为
6.根据权利要求5所述的一种保障服务质量的低轨卫星星座优化设计方法，其特征在于，所述步骤5中各服务质量指标的具体计算方式如下：(1)当给定低轨卫星网络的误码率的阈值ber0时，通过式(3)计算系统的信噪比；erfc(
·
)分别表示互补误差函数，e
b
/n0表示系统的信噪比。e
b
表示平均比特能量，n0表示噪声功率谱密度。(2)抗毁性是引用复杂网络的自然连通度来量化的，采用周期动态自然连通度来量化优化星座的抗毁性，如式(4)所示；其中，a
t
(g)、t
sat
、
nt
、t
i
、p(
·
)分别表示连接概率矩阵、周期动态的自然连通度、卫星回归周期、对卫星周期划为的时间片数、每个时间片的长度、求自然连通度，a
t
(g)中的元素表示在卫星网络中的动态拓扑周期内两个节点的保持连接的概率，是a
t
(g)的第i个特征根，在一个回归周期内，星座的任意两节点的连接概率可以通过获取stk星间链路建链数据求出。(3)在星座回归周期内，星座对目标区域的覆盖率cv是卫星星座对目标区域所有网格点的覆盖情况的加权统计，其具体的计算公式如式(5)所示。其中n
g
为地面网格点数，l为划分的时隙数，若t时刻，星座对网格点i覆盖，则y
it
＝1，否则y
it
＝0，以上计算通过传入星座参数并获取stk中星座对地面网格点的覆盖数据计算得出。7.根据权利要求5所述的一种保障服务质量的低轨卫星星座优化设计方法，其特征在于，所述步骤s5中(4)用户匹配度s定义为在时隙0,1,2，...,l-1上，卫星资源对地面不同网格点区域的用户的容量需求的匹配程度，其值在0～1之间，用户匹配度越大，即为卫星星座对地面不同区域的用户需求越匹配，其计算步骤如下；将信噪比带入式(6)计算单颗卫星下行速率r；p
sat
表示卫星的发射功率、g
sat
表示卫星天线增益、g
r
用户的天线增益、l
f
表示路径损耗、l
m
表示链路余量、t表示系统的噪声温度以及k表示玻尔兹曼常数，天线的增益由式(7)计算；其中η
sat
表示每个天线的效率，a
sat
表示天线的等效面积，f表示系统的工作频率，c表示光速；
单颗卫星的容量，即可以服务的用户数，表示为式(8)；r为单颗卫星下行数据速率，η
mae
为卫星天线的多址调制的效率，r
user
为用户的数据速率，根据itu设定的t1服务标准其值为1.554mbps；由此，用户匹配度的由式(9)计算得出；其中，n
g
为地面划分的网格点数，stf
tn
为在第t个时隙对第n个网格点的容量匹配情况；在任意时隙t(t＝0,1,2,....,l-1)内，如果卫星星座对网格点n的容量提供大于等于该网格点的总的卫星通信人口数，stf
tn
＝1,反之，stf
tn
＝0，如式(10)所示；d(n)表示地面网格点的卫星通信用户数，可以通过此网格点的人口数n(n)、通信用户的比例以及卫星用户的比例的乘积计算，即第n个网格点的卫星通信用户数为c
t
(n)为t时隙内，网格点n中可见卫星数量提供的容量，根据单星容量和从stk获取的地面网格点可见卫星数计算。8.根据权利要求1所述的一种保障服务质量的低轨卫星星座优化设计方法，其特征在于，所述步骤s6目标函数值的计算方式如下。定义t时隙内，卫星星座对网格点n提供服务的卫星集合为s
t
＝{m|θ
nm
≥θ
min
}，θ
nm
是网格点n对卫星m的仰角，θ
min
是为达到良好通信条件的最低仰角，则式(10)中c
t
(n)表示为式(11)所示；由此在整个周期内，卫星星座为目标区域提供的容量即是各个时隙内提供的容量的总和；则目标函数值-网络的费效比表示为以上容量总和与构建网络的开销的比值，即如式(13)所示；9.根据权利要求8所述的一种保障服务质量的低轨卫星星座优化设计方法，其特征在于，所述步骤s6采用禁忌搜索算法优化星座参数是指：1)获取遗传算法的输出解作为禁忌搜索算法的当前解并设置服务质量阈值；2)判断是否满足优化目标保持不变，若是，则输出结果；若否，则进入下一步；3)对当前解做邻域操作生成邻域解，根据服务质量约束和目标函数值ψ从邻域中确定候选解；
4)对候选解判断藐视原则是否满足，若是，则用藐视原则准则的最佳状态解替代当前解；并用最佳状态的解替换最早进入禁忌表的对象；5)判断候选解对应的各对象的禁忌状态，选择候选解集中非禁忌对象对应的最佳状态为当前的新解，同时用与之对应的禁忌对象替换最早进入禁忌表的禁忌对象；6)判断算法中优化目标值是否变化，若是，则结束算法并输出优化的星座参数[n
sat n
p i p
sat a
sat
]和最大的目标函数值ψ，否则转到步骤3)。

技术总结
本发明请求保护一种保障服务质量的低轨卫星星座优化设计方法，属于无线通信技术领域。该方法综合考虑了卫星星座的可靠性、有效性和完成性，给出了卫星星座服务质量的定义。引入误码率、信噪比和抗毁性表示卫星星座的可靠性；引入覆盖率表示卫星星座的有效性；通过用户匹配度表示卫星星座中用户的完成性。在此基础上，设置服务质量阈值和计算服务质量值，将目标区域系统容量总和与星座构建代价之比设为目标函数，利用遗传算法的全局搜索能力迭代优化目标函数值得到初始星座解，利用禁忌搜索算法的局部搜索能力二次寻优初始解输出最优星座参数。本发明面向区域用户，根据用户需求及服务质量保障，优化设计高效且经济的低轨卫星星座。卫星星座。卫星星座。


技术研发人员：戴翠琴 秦杰鹏 许涛 谢颖 廖明霞 唐宏
受保护的技术使用者：重庆邮电大学
技术研发日：2022.06.21
技术公布日：2022/11/1