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
阅读说明：本技术 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 (Satellite constellation reliability assessment method based on satellite survivability and link survivability ) 是由 戴翠琴 张明健 雷继兆 张瑜 谢颖 杨洋 于 2021-05-26 设计创作，主要内容包括：本发明请求保护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,属于无线通信技术领域。该方法将卫星星座可靠性划分为卫星生存性和链路抗毁性。通过抗干扰性、抗入侵性和耐用性表征卫星生存性,根据抗干扰因子量化抗干扰性,根据截获入侵信号距离评定抗入侵性,根据卫星电池寿命损耗率定义耐用性；通过连通性、健壮性表征链路抗毁性,根据自然连通度量化连通性,根据设定链路预算阈值计算健壮性。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；在此基础上,采用禁忌搜索算法实现卫星星座可靠性的定量评估。(The invention requests to protect a satellite constellation reliability evaluation method based on satellite survivability and link survivability, and belongs to the technical field of wireless communication. The method divides satellite constellation reliability into satellite survivability and link survivability. The survivability of the satellite is represented through anti-interference performance, anti-intrusion performance and durability, the anti-interference performance is quantified according to anti-interference factors, the anti-intrusion performance is evaluated according to the distance of an intercepted intrusion signal, and the durability is defined according to the service life loss rate of a satellite battery; and characterizing the link survivability through connectivity and robustness, quantizing the connectivity according to the natural connectivity, and calculating the robustness according to a set link budget threshold. Evaluating the survivability of the satellite by adopting a greedy algorithm under the limitation of the power consumption of the satellite by calculating an anti-interference factor, an interception distance and a battery loss rate; evaluating the link survivability by adopting a genetic algorithm under the link loss limit through calculating the natural connectivity and the link budget; on the basis, quantitative evaluation of satellite constellation reliability is achieved by adopting a tabu search algorithm.)
技术领域
本发明属于无线通信技术领域。具体涉及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。
背景技术
面向海洋的卫星物联网(Ocean-oriented Satellite Internet of Things，OSIoT) 是一种通过整合卫星星座和海洋IoT设备去实现定位、通信、导航的多功能网络架构。卫星星座由于其全天候和大覆盖的通信能力被用于实现对海洋信息的连续观测。然而，OSIoT中移动的海洋设备和多变的海上环境导致了不稳定的海上节点和间断的通信链路。同时，时变的节点和链路影响了卫星观测信息的可靠性。为了更好地保证信息的时效性和安全性，卫星星座的可靠性被广泛关注。一般的，卫星星座的可靠性的评估可以从卫星性能和链路状态两个方面进行评估。
卫星性能指卫星生存性。卫星生存性可以从卫星抗干扰性、抗入侵性、耐用性等角度进行评估。针对卫星抗干扰性，可以从物理层和网络层两方面进行优化。针对卫星抗入侵性，许多研究表明引入一种独一无二的抗入侵系统是有效的解决手段。针对卫星耐用性，大多研究通过功率分配的方法延长卫星寿命。然而，仅考虑卫星节点的生存性不能保证整个网络的可靠性。
链路状态是指链路抗毁性。链路抗毁性主要由链路连通性和链路健壮性两方面组成。针对链路连通性，传统的概念是将其作为卫星业务传输的前提和保证或用于保证多媒体业务顺利地传输。针对链路健壮性，链路损耗被认为是在轨卫星正常运行的威胁，在链路预算的限制下尽可能多的使更多链路工作，从而提高了链路健壮性。目前传统的卫星可靠性性和链路可靠性评估仅考虑某种单独的性能指标，这将导致评估的片面性。
为解决可靠性评估的片面性问题，本发明提出了一种基于可靠性的卫星星座评估方案被提出去量化上述的指标。通过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；将卫星生存性划分为卫星抗干扰性，卫星抗入侵性和卫星耐用性；将链路抗毁性划分为链路连通性和链路健壮性；依次对各个指标进行参数获取和评估。最后，提出了一种可靠性评估算法，定量评估了卫星星座的可靠性。这样，不仅能清晰地定量地获取卫星星座各方面评估指标，还能通过设置权值的方法，有重点的产生独特的可靠性评估结果。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了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。本发明的技术方案如下：
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。
进一步的，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。
进一步的，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：
其中，k为玻尔兹曼常量，为1.38×10-23J/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。
进一步的，所述步骤104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。
进一步的，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+λu U)+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。
进一步的，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。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明方案通过分析面向海洋的卫星物联网(OSIoT)中节点不稳定、链路易损耗的实际情况，以及卫星星座对极端条件下的传输可靠性的问题，结合中国海洋领域内海洋物联网设备的信息传输可靠性问题，提出了一种卫星星座的可靠性评估方案。本发明的主要创新在于提出了卫星生存性以及链路抗毁性的概念及计算公式。以此来全面地评估卫星星座的可靠性。在已有研究中，大多都是从单一的节点性能或链路状态来评估星座的可靠性，评估结果较片面且难以对实际卫星星座产生有用的评估结果。因此本发明提出的可靠性评估方法是现有技术人员不易想到的。进一步的，本发明更根据中国海洋监测中的特点，发明了整体可靠性加权公式和有针对性的可靠性评估智能算法，因此本发明具备独特性和创造性。由于卫星生存性和链路抗毁性的特殊性和复杂性，卫星星座的卫星能耗和链路损耗都使得星座可靠性的评估存在重大偏差。本发明充分分析了各个卫星节点以及星地链路的状态和参数，开发了一种可靠性评估算法，以满足现有固定的卫星星星座对实时实地的地面状态的可靠性的差异性。在已有研究中，研究人员所设置的研究模型过于理想化，没有考虑极端场景下的多变的限制条件。因此本发明在解决手段上具备创造性和不易实现的特性。通过可靠性评估算法，对多种卫星可靠性性能的智能计算，实时地生成了卫星星座的可靠性可靠性评估结果。全面高效地实现了对星座的可靠性自动化评估。提升了卫星星座对地通信传输的连续性和可靠性。同时根据实际地理情况，更好地对卫星星座的可靠性指标进行了特殊化的评估。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例覆盖性能分析图；
图2是可靠性评估智能算法示意图；
图3是本发明基于可靠性评估算法的评估流程图
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、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。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
本发明解决上述技术问题的技术方案是：一种基于可靠性的卫星星座评估方案被提出去量化上述的指标。卫星星座的可靠性评估方案从卫星生存性和链路抗毁性两方面评估。其中，卫星生存性考虑了卫星抗干扰性、抗入侵性和耐用性；链路抗毁性包含了链路连通性和链路预算。接着，利用加权求和公式，求出包含卫星生存性和链路抗毁性的星座可靠性评估结果。最后，一种用于可靠性评估的智能优化算法被设计去自动生成最优的可靠性评估结果。具体步骤如下：
运用加权整体评估公式，定量评估卫星星座的可靠性R。
提出一种可靠性评估算法，自动生成最优的卫星星座可靠性评估结果。
第一步：选定卫星覆盖地面区域，并且利用STK软件设置十个、二十个、三十个数目不等的地面目标节点。并且通过目标节点对卫星的用户仰角确定视场范围。
第二步：引入时空图，并任意抓取某一时隙的卫星节点和链路。统计目标节点视场范围内的卫星节点个数，以及星间链路和星地链路个数。为本目标节点的星座可靠性评估建立评估模型。
第三步：导入卫星轨道参数、卫星发射功率等实际卫星星座具体参数。分别利用效用函数1-6计算目标节点视场内的卫星生存性S和链路抗毁性L。特别地，卫星生存性S的优化目标为抗干扰性I，抗入侵性D和耐用性U。链路抗毁性L的优化目标为链路连通性C和链路健壮性B。其中，利用效用函数1计算卫星抗干扰性I；利用效用函数2计算卫星抗入侵性D；利用效用函数3计算卫星耐用性U。利用效用函数4-5计算星间链路和星地链路的连通性；利用效用函数6计算链路的健壮性。
第四步：利用整体加权求和公式，对第三步中所求得的各个性能结果进行加权求和，得出卫星生存性、链路抗毁性以及星座可靠性的评估结果。
第五步：利用可靠性评估算法，添加卫星能耗和链路损耗的限制条件，有针对性的将可靠性评估结果最大化。使其更贴合实际。
优选的，所述第三步，分别对卫星抗干扰性、抗入侵性、以及耐用性进行定义和计算。包括效用函数1-3：
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。卫星的抗干扰性通常与卫星接收天线增益，有用信号源发射天线增益，干扰信号源发射天线增益有关。抗干扰因子用来评估卫星的抗干扰性：
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通常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：
效用函数3：卫星耐用性被设计去量化基于早期发射故障，运行偶然故障和后期损耗故障的卫星实际工作寿命。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)
优选的，所述第三步，分别对链路连通性以及链路健壮性进行定义和计算。
包括效用函数4-6：
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
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，因此要确定链路的健壮性，就要同时必须考虑接收系统的接收天线增益、噪声性能等因素，链路健壮性评估公式如下：
优选的，所述运用加权整体评估公式，将卫星生存性S和链路抗毁性L作为优化目标指标，建立了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+λu U)+λl(λcC+λb B)， (16)
本发明内容所涉及的概念和模型如下：
1.网络模型
本发明的主要研究场景是面向海洋的卫星物联网(OSIoT)。OSIoT包含陆地IoT和海洋IoT。陆地IoT设备由地面蜂窝网为主要通信手段，通信卫星星座为辅助通信手段。海洋IoT则以海事卫星星座为主要通信手段。OSIoT由三个层面构成分别是空间层、地面层和用户层。空间层主要由海事卫星星座和通信卫星星座构成，地面层主要由海洋传感器和陆地基站构成，用户端由海洋IoT设备(比如轮船，浮标，潜艇等)和地面IoT设备(比如手机，电脑，汽车等) 构成。地面IoT设备可以通过地面基站进行通信，海洋IoT设备由于海洋环境复杂、设备距离远的原因选择卫星进行通信。假设通信卫星不与海洋IoT设备建立连接。
2.本发明技术方案如下：
本发明提出了一种基于可靠性的卫星星座评估方案被提出去量化上述的指标。首先，一个OSIoT模型被构建包括空间段、地面段、用户段。OSIoT的动态网络模型被分析基于STG并且问题被建模去评估卫星星座的可靠性。接着，基于可靠性的卫星星座评估方案被从卫星生存性和链路抗毁性两方面分别评估。其中，卫星生存性考虑了卫星抗干扰性、抗入侵性和耐用性；链路抗毁性包含了链路连通性和链路预算。同时，一种用于可靠性评估的智能优化算法被设计去自动生成最优的可靠性评估结果。最后，几种典型的卫星星座被引入去验证所提出评估方案的有效性和实用性。
3.目标函数：
Max R＝λsS+λlL＝λs(λiI+λdD+λuU)+λl(λcC+λbB) (16)
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。
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。
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