申请/专利权人：中国科学院力学研究所

申请日：2020-08-11

公开（公告）日：2024-04-02

公开（公告）号：CN112085812B

主分类号：G06F17/10

分类号：G06F17/10;G06T11/20;G06T11/40;H04W24/02;H04W84/06;G01C21/24

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.02#授权;2021.01.01#实质审查的生效;2020.12.15#公开

摘要：本发明公开了一种超大规模卫星星座组网通信动态节点确定方法，具体为：计算卫星对地覆盖域或对空覆盖域的地心角和星下点的地心经度和地心纬度；求解其空间数据模型并进行分类修正和墨卡托投影，获得覆盖域边界在墨卡托图上的空间数据模型，及卫星对天球的覆盖域墨卡托投影图和叠加多颗卫星覆盖域生成的星座覆盖图像，对超大卫星星座中的每一颗卫星计算可覆盖区域价值权重及该卫星可覆盖区域内可见卫星的价值权重和，并进一步确定在某一段时间内的节点卫星推荐序列，从所述节点卫星推荐序列获取动态节点。本发明可以快速和精确的确定星座中每颗卫星通信范围内可建立星间链路的其他卫星，并评价卫星的覆盖持续时间、区域范围等关键指标。

主权项：1.一种超大规模卫星星座组网通信动态节点确定方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤100、获取卫星地面探测背景下对目标天球表面的覆盖域，以及卫星深空探测背景下对目标天球表面覆盖域，分别记为卫星对地覆盖域和对空覆盖域，并且分别计算卫星对地覆盖域和对空覆盖域的地心角；步骤200、视地心为球心，把地心和卫星的连线与地球球面的交点定义为星下点，由球面三角公式得所述星下点的地心经度和地心纬度；步骤300、基于地心角、星下点的地心经度和地心纬度，求解卫星对地覆盖域和对空覆盖域边界的空间数据模型；步骤400、对所述卫星对地覆盖域和所述对空覆盖域的边界的空间数据模型依次进行分类修正和墨卡托投影处理，以获得覆盖域边界在墨卡托图上的空间数据模型；步骤500、通过GIS制图技术处理覆盖域边界在墨卡托图上的空间数据模型，获得卫星对天球的覆盖域墨卡托投影图，以及叠加多颗卫星覆盖域生成的星座覆盖图像；步骤600、对超大卫星星座中的每一颗卫星计算可覆盖区域价值权重及该卫星可覆盖区域内可见卫星的价值权重和，并进一步确定在某一段时间内的节点卫星推荐序列，从所述节点卫星推荐序列获取动态节点；所述步骤100中所述卫星对地覆盖域在地球表面是以星下点为圆心的球冠，所述卫星对空覆盖域在目标天球表面是以星下点为圆心的球带；卫星对地覆盖域地心角卫星对空覆盖域内环地心角卫星对空覆盖域外环地心角其中，θ为卫星探测半锥角；Re为地球半径，Hs为卫星高度；Hh为目标天球高度；所述步骤200中所述地心经度和所述地心纬度的求解公式为： 其中，tanΔλ＝cositanu，i为卫星轨道倾角，u为t时刻卫星纬度幅角，Ω为升交点赤经，G0为初始时刻t0的格林尼治恒星时角，ωe＝7.292115×10-5rads为地球自转角速度，Δλ与u同象限；所述步骤300中卫星对地覆盖域边界的空间数据模型的求取方法包括：地固系下目标天球的球面方程为： 其中R0为天球半径；则以星下点与天球球心连线为轴向的锥面方程为： 轴向的方向余弦l,m,n为： 联立球面方程与锥面方程即为地固系下的球冠边界： 由映射关系：M0→M，集合M为球冠边界的经纬度点集构成边界的空间数据模型，边界内区域即卫星对地覆盖域；所述卫星对空覆盖域边界的空间数据模型的求取方法包括：同卫星对地覆盖域边界的空间数据模型的求取过程，分别求得球带内边界空间数据模型Min和球带外边界空间数据模型Mout，内外边界之间区域即为卫星对天球的覆盖域，即为卫星对空覆盖域；所述步骤400空间数据模型的处理方法包括：对球冠边界空间数据模型M、球带内边界空间数据模型Min和球带外边界空间数据模型Mout分别进行修正，已知任意两星下点的地心经度LonA，LonB，地心纬度LatA，LatB求距离公式为： 其中，C为过度量，没有物理含义，dn表示星下点距离北极点的距离，可由上式求得,ds表示星下点距离南极点的距离，可由上式求得,de表示星下点距离180°经线的最短距离，由GIS空间数据的拓扑运算获得；记修正后的卫星对地覆盖域边界的空间数据模型为球冠边界空间数据模型M'，记修正后的卫星对空覆盖域内外边界的空间数据模型分别为球带内边界空间数据模型Min'和球带外边界空间数据模型Mout'；并全部进行墨卡托投影，映射关系为： 获得覆盖域边界在墨卡托图上的空间数据模型，分别为球冠边界空间数据模型M”，球带内边界空间数据模型Min”，球带外边界空间数据模型Mout”；记卫星对地覆盖域的球面半径为r，卫星对地覆盖域的边界点集在墨卡托图上投影包括三类：第一类，dn＞r，ds＞r，de≥r，这种情况下M'＝M；第二类：dn＞r，ds＞r，de＜r，这种情况下，东半球几何对象的数据模型为：M'r＝{lon,lat|lon＞0,lon∈M,lat∈M}西半球几何对象的数据模型为：M'l＝{lon,lat|lon＜0,lon∈M,lat∈M}第三类：dn≤r或ds≤r，这种情况下，M'＝M∪M1∪M2∪M3；其中北极：南极：lat0为覆盖域边界与180°经线交点纬度；记卫星对空覆盖域的内环球面半径为rin，外环球面半径为rout，卫星对空覆盖域的边界点集在墨卡托图上投影包括五类：第一类：dn＞rout，ds＞rout，de＞rout，这种情况下Min'＝Min、Mout'＝Mout；第二类：dn＞rin，ds＞rin，de≥rin，dn≤rout或ds≤rout，这种情况下：Min'＝Min、Mout'＝Mout∪M1∪M2∪M3第三类：dn≤rin或ds≤rin，dn≤rout或ds≤rout，这种情况下：Min'＝Min∪M1∪M2M3、Mout'＝Mout∪M1∪M2∪M3；第四类：de≥rin，dn＞rout，ds＞rout，de＜r，这种情况下：星下点经度Lon＞0时：东半球几何对象的数据模型为：M'inr＝Min、M'outr＝{lon,lat|lon＞0,lon∈Mout,lat∈Mout}；西半球几何对象的数据模型为：M'outl＝{lon,lat|lon＜0,lon∈Mout,lat∈Mout}星下点经度Lon＜0时:东半球几何对象的数据模型为：M'outr＝{lon,lat|lon＞0,lon∈Mout,lat∈Mout}西半球几何对象的数据模型为：M'inl＝Min、M'outl＝{lon,lat|lon＜0,lon∈Mout,lat∈Mout}第五类：de＜rin，dn＞rout，ds＞rout，这种情况下：东半球几何对象的数据模型为：M′inr＝{lon，lat|lon＞0，lon∈Min，lat∈Min}M′outr＝{lon，lat|lon＞0，lon∈Mout，lat∈Mout}西半球几何对象的数据模型为：M′inl＝{lon，lat|lon＜0，lon∈Min，lat∈Min}M′outl＝{lon，lat|lon＜0，lon∈Mout，lat∈Mout}；所述步骤500包括：步骤501、应用GIS制图技术将天球初始化为指定分辨率的墨卡托地图底图；步骤502、在GIS上新建覆盖域可视化图层；步骤503、在所述覆盖域可视化图层上，对M″或Min″、Mout″采用基于方位角右转算法创建覆盖域的多边形几何对象；步骤504、在所述覆盖域可视化图层上，以用户指定颜色及一定的透明度对所述多边形几何对象进行颜色填充，即可获得该卫星对天球的覆盖域墨卡托投影图；步骤505、将星座中的其他卫星的覆盖域依次循环叠加在所述覆盖域可视化图层上，生成最终的星座覆盖图像；所述动态节点的获取方法包括：将高精度的墨卡托图按像素点对应经纬度进行网格划分；根据地面区域的通讯需求量，将划分的网格从地面经纬度赋值，然后再对应到原墨卡托图上的网格，从而获得原墨卡托图上按像素划分的地表通讯需求权重矩阵H，即每一个墨卡托图上的像素点X，Y，均有一个权重值qx，y；对于在超大卫星星座中的每一颗卫星i，使用对地的观测方式计算该卫星可覆盖区域价值权重：其中Ai为卫星i在对地观测模式下的墨卡托投影可覆盖域的像素区域中的所有像素点，ai为Ai中所有像素点的总和个数；对于在超大卫星星座中的每一颗卫星i，使用对空间的观测方式计算该卫星可覆盖区域内可见卫星的价值权重和：其中Bi为卫星i可见球带中超大卫星星座的其他卫星集合，Qj为Bi内可见的第j个卫星的对可覆盖区域价值权重；通过对Pi排序从高到低，确定在瞬时节点的卫星推荐序列；通过仿真模拟t1到t2的一段时间内的各个瞬时节点Pi积分值并排序该积分值，确定在某一段时间内的节点卫星推荐序列；根据动态节点的设计数量上限k，从卫星推荐序列中取前k个作为动态节点；如果存在动态节点过于集中的情况，通过所述权重矩阵H调整动态分配结果。

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百度查询： 中国科学院力学研究所 一种超大规模卫星星座组网通信动态节点确定方法

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