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专利号: 2021105747904
申请人: 重庆邮电大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 电通信技术
更新日期:2024-02-23
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于卫星生存性和链路抗毁性的卫星星座可靠性评估方法,首先需建立地面观测目标节点,确定目标节点的视场范围,并任意抓取某视场范围内的卫星节点和链路其特征在于,包括以下步骤:

101、计算目标节点视场内的卫星生存性S;将卫星生存性S的优化目标转化为抗干扰性I、抗入侵性D和耐用性U效用函数,即;根据设置抗干扰因子量化抗干扰性;根据截获机截获入侵信号的距离评定抗入侵性;根据卫星电池寿命损耗率定义耐用性;

102、计算目标节点视场内的链路抗毁性L;将链路抗毁性L的优化目标转化为链路连通性C和链路健壮性B效用函数,即,通过自然连通度评估链路连通性;通过设定链路预算阈值计算链路健壮性;

103、最后,提出了一种可靠性评估算法,定量评估卫星星座的可靠性。

2.根据权利要求1所述的基于卫星生存性和链路抗毁性的卫星星座可靠性评估方法,其特征在于,所述步骤101具体包括以下步骤:(1)利用效用函数1对卫星的抗干扰性进行评估;

效用函数1:卫星抗干扰性是指目标卫星受到无关的干扰信号影响时,对有用信号的处理能力;抗干扰因子I用来评估卫星的抗干扰性:其中, 表示平均干扰信号发射功率; 指代平均干扰信号天线增益; 是卫星接收天线在干扰信号方向上的天线增益的平均值; 表示干扰信号源到卫星的平均距离; 为干扰信号平均带宽;P0是有用信号源发射功率;Gt0表示有用信号发射天线增益;Gr0表示卫星接收天线在有用信号方向上的增益;h0表示有用信号源到卫星的距离;B0表示有用信号带宽;γ表示干扰信号与有用信号接收天线的极化不匹配损耗;

由效用函数1可得,卫星接收机接收到的干扰信号的比例越大,卫星的抗干扰因子越小;当干扰信号比有用信号大时,卫星的抗干扰性为负值;

(2)利用效用函数2对卫星的抗入侵性进行评估;

效用函数2:抗入侵性是指卫星受到恶意入侵信号时的截获信号的能力,卫星截获恶意信号的能力与截获距离和截获概率有关,截获距离d和截获概率ω被用来评估卫星抗入侵性D:

其中, 为理论平均截获距离,duser为用户预期距离,Pi为入侵信号发射功率,Gti为入侵信号发射天线增益,Gri为入侵信号接收天线增益,f为信号波长,L0为各种损耗之和,ω为截获机截获概率;

其中,k是玻尔兹曼常数,T是截获机热噪声温度,N0是截获机噪声系数,B0是截获机有效信号带宽, 是截获机信噪比;由效用函数2可知,截获距离越大,入侵信号可以再很远的地方被截获,卫星的抗入侵性越好;

(3)利用效用函数3对卫星的耐用性进行评估;

效用函数3:卫星发射早期耐用性Uearly(t),运行中耐用性Umid(t)和后期耐用性Ulast(t)共同决定了卫星运行周期内的耐用性,假设任何一个时期出现故障,则卫星即可停止运行;

U=Uearly(t)·Umid(t)·Ulast(t)                   (4)其中,早期耐用性由早期发射故障率 决定,卫星运行偶然故障率过小而被忽略,则有Umid(t)=1,                          (5)其中,μ是损耗时间均值,σ是损耗失效时间标准差。

3.根据权利要求1所述的基于卫星生存性和链路抗毁性的卫星星座可靠性评估方法,其特征在于,所述步骤102对链路抗毁性进行定义和计算,链路抗毁性包括链路连通性和链路健壮性,具体包括以下步骤:

(1)利用效用函数4和5对星地链路和星间链路的连通性进行评估;

通过几何模型去计算ISL和SGL的连通性条件,S1和S2为卫星,E为地面站或地面区域中心点的位置,A为卫星星下点坐标;h为卫星轨道高度,r为地球轨道半径,d为星地距离;α为卫星半视角,θ为半地心角, 为用户仰角,ω为卫星间地心角,he为ISL最小间隙;

效用函数4:若已知地面用户坐标 星下点坐标 可得星地夹角θEA;

则可得星地链路连通性条件

效用函数5:若已知卫星S1的经纬度坐标 和卫星S2的经纬度坐标 则可得最大星间地心角ωmax和实际星间地心角ω的关系则可得星间链路连通性条件

根据地面视场角范围内的卫星数Nsat,可以计算最大连通度Cmax;

(2)利用效用函数6对链路健壮性进行评估;

效用函数6:链路健壮性与发射段的功率、天线增益,以及各种损耗和干扰有关,,链路健壮性B评估公式如下:

其中,(C/N)user为用户设定链路预算阈值,C/N是链路预算:‑23

其中,k为玻尔兹曼常量,为1.38×10 J/K=‑228.6dB·W/(K×Hz),Tp为等效噪声温度,B为接收系统的等效噪声带宽,N为各项噪声之和。

4.根据权利要求1所述的基于卫星生存性和链路抗毁性的卫星星座可靠性评估方法,其特征在于,所述步骤103的可靠性评估算法包括:依次对各个指标进行层级评定,对各个指标分配权值;将卫星星座可靠性设为总目标;卫星生存性和链路抗毁性设为准则层;抗干扰性I,抗入侵性D,耐用性U,链路连通性C和链路健壮性B设为指标层;通过计算抗干扰因子、截获距离、电池损耗率,在卫星功耗限制下采用贪婪算法评估卫星生存性;通过计算自然连通度、链路预算,在链路损耗限制下采用遗传算法评估链路抗毁性;采用禁忌搜索算法实现卫星星座可靠性的定量评估;定量评估卫星星座的可靠性R。

5.根据权利要求4所述的基于卫星生存性和链路抗毁性的卫星星座可靠性评估方法,其特征在于,所述步骤103中,运用层次分析法和加权整体评估公式,将卫星生存性S和链路抗毁性L作为优化目标指标,建立星座可靠性评估模型,定量评估卫星星座的可靠性R,具体公式为:

Max R=λsS+λlL=λs(λiI+λdD+λuU)+λl(λcC+λbB),      (16)其中:

λs+λl=1,                        (17)λi+λd+λu=1,                      (18)λc+λb=1,                         (19)Pbattery+Pantenna+Pcontrol≤Psum,                   (20)Lfsl+Lcloud+Lrain+Lsnow+Lother≤Lsum                (21)其中,λs、λl、λi、λd、λu、λc、λb、分别表示卫星生存性、链路抗毁性、卫星抗干扰性、卫星抗入侵性、卫星耐用性、链路连通性、链路健壮性各自评估指标所代表的权值。Pbattery、Pantenna、Pcontrol分别表示卫星电池功耗、卫星天线发射功耗、卫星姿态轨道控制功耗,Psum表示卫星总体功耗。Lfsl、Lcloud、Lrain、Lsnow、Lother分别表示自由空间损耗、极端天气损耗(云、雨、雪损耗)、和其它损耗,Lsum表示链路总体损耗;

目标函数(16)通过整体加权上述各项指标去量化卫星星座可靠性。限制条件(17)是对卫星生存性和链路可靠性的加权参数;限制条件(18)是对卫星抗干扰性,卫星抗入侵性,卫星耐用性的加权参数;限制条件(19)是对链路连通性和链路健壮性的加权参数;限制条件(20)是指电池功耗,天线功耗和姿态轨道控制功耗不应高于设定的总体功耗;限制条件(21)是指自由空间损耗,极端天气损耗,和其它损耗不应大于设定的总体损耗。

6.根据权利要求5所述的基于卫星生存性和链路抗毁性的卫星星座可靠性评估方法,其特征在于,所述在卫星功耗限制下采用贪婪算法评估卫星生存性;通过计算自然连通度、链路预算,在链路损耗限制下采用遗传算法评估链路抗毁性;采用禁忌搜索算法实现卫星星座可靠性的定量评估,具体包括以下步骤:首先,导入仿真场景中的地面与卫星节点以便随机生成初始种群;以地面目标节点为中心,生成各个时隙的拓扑结构;接着,导入可靠性评估指标的参数,生成邻域解集;然后,引入贪婪算法和遗传算法去对有限的卫星功耗和链路预算下尽可能多的生成卫星生存性和链路抗毁性的最大值,得到修复解和候选解;最后,根据禁忌搜索算法更新带有链路预算限制的邻域表,设定卫星可靠性为特征值,更新禁忌表,并在最新的禁忌表中搜索出最优的可靠性值,在此基础上,最终生成最优的卫星星座可靠性评估结果。