宽带低轨道卫星通信业务量的多元复合加权估计方法
阅读说明：本技术 宽带低轨道卫星通信业务量的多元复合加权估计方法 (Multi-element composite weighted estimation method for broadband low-orbit satellite communication traffic ) 是由 何元智 于 2020-12-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种卫星通信业务量多元复合加权建模及计算方法,首先分析业务量地形影响因素、价值区域、昼夜影响因素和突发业务事件影响因素,分别建立地形业务模型、区域业务量模型、业务量时间加权模型和突发业务加权模型；随后计算星下点位置,并利用卫星与用户间的可见函数,计算获得卫星覆盖范围内的栅格集合；接着确定每个栅格的地形业务量、区域业务量和时间加权因子；随后判断是否加入突发业务事件；最后将栅格内的地形业务量与区域业务量相加,并与各加权因子相乘,从而得到卫星覆盖区内的总业务量。本发明方法充分考虑了业务量的价值属性、突发属性等需求特征,能够为卫星通信星座的构型设计提供重要的支撑和依据。(The invention discloses a satellite communication traffic multivariate composite weighted modeling and calculating method, which comprises the steps of firstly analyzing traffic terrain influence factors, value areas, day and night influence factors and burst traffic event influence factors, and respectively establishing a terrain traffic model, an area traffic model, a traffic time weighted model and a burst traffic weighted model; then calculating the position of the satellite points, and calculating to obtain a grid set in the satellite coverage range by using a visible function between the satellite and the user; then determining terrain traffic, area traffic and time weighting factors of each grid; then judging whether to join the burst service event; and finally, adding the terrain traffic and the area traffic in the grid, and multiplying the sum by each weighting factor to obtain the total traffic in the satellite coverage area. The method fully considers the requirement characteristics of the value attribute, the burst attribute and the like of the service volume, and can provide important support and basis for the configuration design of the satellite communication constellation.)
技术领域
本发明属于卫星通信领域，尤其涉及一种宽带低轨道卫星通信业务量的多元复合加权估计方法。
背景技术
随着航天技术和卫星通信技术的高速发展，宽带LEO星座成为国内外诸多国家机构研发和建设的热点。构建宽带LEO卫星星座，必须首先完成卫星星座的设计，而业务量估计则是星座设计的重要环节之一。在掌握业务量分布和需求情况的前提下，才能够更好的进行星座轨道分布、卫星数量、卫星通信能力等关键参数的设计和规划，因此需要对宽带LEO星座业务量进行准确估计。宽带LEO星座卫星轨道高度低，运动速度快，星下点位置相对地面高速移动，卫星在地面的波束覆盖区在不断变化，其业务源也随之变化，加之地面与卫星进行通信时通信仰角较高，单颗星的波束覆盖角度较窄，导致卫星在高速移动时每颗卫星的业务量变化明显。因此，如何适应LEO星座卫星业务量随时间显著变化的特点，实现对其业务量的准确估计，是LEO卫星星座发展过程中亟待解决的重要问题之一。
当前，传统卫星业务量估计方面的研究主要围绕GEO卫星展开，且研究的成果主要服务于卫星通信资源的动态分配，因此，相关的业务量估计方法大都为基于历史业务量数据对未来时刻的业务量情况进行预测。中国专利CN105846885中提出了一种基于流量预测的GEO卫星信道分配策略，基于GEO卫星一段时间内的历史数据，预测下一时隙各类型业务的业务量。中国专利CN102427873中提出了一种基于卫星网络的业务量建模和流量控制方法，应用业务的自相似理论，采用小波分析等手段，对当前卫星业务量的自相似性进行分析，实现对网络流量的建模和预测。上述方法能够有效的实现小时间范围内卫星业务量的动态估计，满足资源分配应用的需求，但是没有考虑LEO星座卫星高速、大动态范围运行条件下业务量与星下点位置之间的变化关系，不能满足LEO卫星星座设计对于卫星业务量在较长时间跨度范围内变化规律的需求。
发明内容
本发明针对宽带LEO星座卫星业务量受地形地物和时区因素影响显著变化而难以估计的问题，公开了一种宽带低轨道卫星通信业务量的多元复合加权估计方法，能够综合考虑地理条件、社会经济价值、昼夜时间和突发业务事件等影响因素，实现全球业务量建模及计算。
本发明公开了一种宽带低轨道卫星通信业务量的多元复合加权估计方法，包括以下步骤：
S1，分析宽带低轨道卫星通信业务量的地形影响因素，建立地形业务模型；
根据地球上不同地理条件下的用户业务量需求，以划分栅格的方式，构建基于经纬度变化的地形业务模型，栅格划分按照纬度2.5°，经度5°的等间隔步长进行，全球共包含5184(72×72)个栅格；栅格所处地形共分为远海地带、近海地带、山脉、荒漠、森林地带和平原地带，其中远海地带指距陆地20海里以外的海洋区域，近海地带指距陆地20海里以内的海洋区域，山脉、荒漠、森林地带分别指地理意义上的山脉、沙漠、森林区域，平原地带指其他类型区域；每个栅格内的业务量根据本地区的地形特点进行设置：远海地带的每个栅格内的业务量为0.8，近海地带每个栅格内的业务量为0.6，山脉、荒漠、森林地带每个栅格内的业务量均为0.4；对于不同大洲的平原地带：北美洲平原地带每个栅格内的业务量为0.1，南美洲平原地带每个栅格内的业务量为0.2，非洲平原地带每个栅格内的业务量为0.3，亚洲平原地带每个栅格内的业务量为0.1，欧洲平原地带每个栅格内的业务量为0.1，大洋洲平原地带每个栅格内的业务量为0.2，南北极每个栅格内的业务量为0.6，其中各类地形的每个栅格内的业务量取值为无量纲常数，用于描述业务量相对大小，取值越大表示该类地形对应的业务量越大；栅格中包含多种地形的，以所占面积最多的地形种类为栅格的地形，从而得到每个栅格内的地形业务量，建立地形业务模型。
S2，分析宽带低轨道卫星通信业务量的价值区域影响因素，建立区域业务模型；
宽带低轨道卫星通信业务量的价值区域包括：重要设施区域、自然能源资源区域、商贸航迹路线区域和热点地区4类；基于步骤S1中的栅格划分，对每个栅格中涉及的价值区域业务量取值进行设置：重要设施区域取值0.2、自然能源资源区域取值0.4、商贸航迹路线区域取值0.3、热点地区取值0.5，其他非价值区域取值为0，得到每个栅格内的区域业务量，从而建立区域业务模型。
S3，分析宽带低轨道卫星通信业务量的昼夜影响因素，建立时间加权模型；
为了分析时间因素对业务量的影响，利用取值在0与1之间的时间加权因子，描述卫星通信业务量在一天内的相对变化情况，该时间加权因子针对不同的当地时间具有不同的取值，通过将时间加权因子与各栅格的业务量相乘，获得考虑当地时间影响的业务量；地球表面各点的当地时间都是相对GMT(格林尼治标准时间)参考时钟获得的，一天内1至24时的时间加权因子依次设置为：0.2、0.1、0.05、0.05、0.05、0.1、0.3、0.5、0.7、0.9、0.9、0.8、0.7、0.8、0.9、1.0、1.0、0.9、0.8、0.6、0.6、0.5、0.4、0.3。
S4，分析宽带低轨道卫星通信业务量的突发业务事件影响因素，建立突发业务加权模型；
将突发业务事件按照重要和紧迫程度分为1至9共9个等级，对应引入取值在1.1与1.9之间的突发业务加权因子，涉及相同突发业务事件的栅格，其对应的突发业务加权因子相同，未涉及突发业务的栅格，其对应的突发业务加权因子设置为1。
S5，计算宽带低轨道卫星的星下点位置；
卫星星下点的经度λ和纬度的计算方法为：
λ＝tan-1(tan u·cos i)-MΩE/n+M0ΩE/n+λN，
其中，i为卫星轨道倾角，u＝ω+θ，u为卫星地心连线和地心升交点连线之间的夹角，ω为卫星的近地点幅角，θ为卫星的真近点角，ΩE为地球自转角速度，n为卫星运动的平均角速度，M为平均近点角，M0为基准子午线的平均近点角，λN为卫星相对于基准子午线的右升交点的经度。
S6，计算卫星覆盖范围内的栅格集合；
当卫星位于所经过栅格中心点的外切水平面之上区域时，卫星与栅格内的用户之间是通视的，根据卫星位置矢量信息以及栅格中心位置矢量信息，得到地心坐标系中卫星与栅格中心点连线矢量与栅格中心点位置矢量之间的夹角φ为：
其中，分别为卫星位置矢量和栅格中心位置矢量；当卫星位于所经过栅格中心点的外切水平面之上区域时，有φ≥90°，因此卫星和栅格的可见函数Φ为：
Φ＝φ-90°，
当用户对卫星的仰角要求不低于α时，则卫星和栅格的可见函数Φ1为：
Φ1＝φ-90°-α，
对于卫星和栅格的可见函数，其取值为正表示卫星与栅格中的用户之间是可见的，否则就表示卫星与栅格中的用户之间是不可见的。
根据卫星和栅格的可见函数，即可获得卫星覆盖范围内的栅格集合。
S7，确定每个栅格的地形业务量、区域业务量和时间加权因子；
根据栅格经纬度坐标，从地形业务模型和区域业务模型中分别读取每个栅格的地形业务量和区域业务量；根据栅格经纬度坐标，确定其对应的格林威治(GMT)时间，并换算为栅格的当地时间，进而根据业务量的时间加权模型获得栅格内业务的时间加权因子。
S8，判断当前是否加入突发业务事件，若不加入，则将全部栅格的突发业务加权因子设置为1，并转至步骤S10；若加入，则继续步骤S9；
S9，确定突发业务等级和突发业务范围，进而确定突发业务加权因子；
提出突发业务事件的想定，根据想定内容确定突发业务等级，对突发业务事件涉及的地域范围进行设定，根据突发业务事件涉及的地域范围的经纬度坐标，对应得出突发业务事件所覆盖的栅格，并将该栅格的突发业务加权因子设置为突发业务等级对应的突发业务加权因子，将其他栅格的突发业务加权因子设置为1。
S10，将各栅格内的地形业务量与区域业务量相加，并与时间加权因子和突发业务加权因子相乘，获得各栅格业务量；
S11，将宽带低轨道卫星覆盖范围内的栅格集合中各栅格的业务量相加，得到宽带低轨道卫星覆盖范围内的总业务量。
本发明具有如下优点：
1、本发明基于地形、价值区域和昼夜影响因素构建业务量模型，充分考虑了业务量的社会和经济需求特征，能够为卫星通信星座的构型设计提供重要的支撑和依据。
2、本发明设计并构建了突发业务事件影响下的突发业务加权模型，能够实现对不同等级、不同范围的突发业务事件进行模拟，为卫星星座的补星和在轨机动提供参考。
3、本发明估计方法实现步骤简单，易于实现，能够对不同轨道参数的卫星业务进行估计，且后续扩展性强，通过调整业务量模型，即可实现不同业务类型、不同用户需求条件下卫星业务量的估计。
附图说明
图1为本发明中业务量估计方法流程图；
图2为卫星覆盖区域及地面栅格示意图。
具体实施方式
下面给出了本发明的一个实施例，对其进行详细描述。
如图1所示，本发明公开了一种宽带低轨道卫星通信业务量的多元复合加权估计方法，其业务量估计方法的流程图如图1所示，包括以下步骤：
S1，分析宽带低轨道卫星通信业务量的地形影响因素，建立地形业务模型；
地球上的平原、山脉、森林、荒漠和海洋等地形错落分布，在平原地区，地面光纤网络建设较为完善，能够实现通信的覆盖，而在山脉、荒漠和海洋等偏远地区，信息基础建设弱，需要通过卫星通信实现信息的传输；不同大洲的经济发展程度不同，导致基础网络建设情况存在差异，具有不同的卫星通信需求；此外，高空及邻近空间段飞行器也对卫星通信具有较高的需求；当卫星波束覆盖地域发生变化时，用户的业务量将具有脉冲式的变化规律。
根据地球上不同地理条件下的用户业务量需求，以划分栅格的方式，构建基于经纬度变化的地形业务模型，栅格划分按照纬度2.5°，经度5°的等间隔步长进行，全球共包含5184(72×72)个栅格；栅格所处地形共分为远海地带、近海地带、山脉、荒漠、森林地带和平原地带，其中远海地带指距陆地20海里以外的海洋区域，近海地带指距陆地20海里以内的海洋区域，山脉、荒漠、森林地带分别指地理意义上的山脉、沙漠、森林区域，平原地带指其他类型区域；每个栅格内的业务量根据本地区的地形特点进行设置：远海地带的每个栅格内的业务量为0.8，近海地带每个栅格内的业务量为0.6，山脉、荒漠、森林地带每个栅格内的业务量均为0.4；对于不同大洲的平原地带：北美洲平原地带每个栅格内的业务量为0.1，南美洲平原地带每个栅格内的业务量为0.2，非洲平原地带每个栅格内的业务量为0.3，亚洲平原地带每个栅格内的业务量为0.1，欧洲平原地带每个栅格内的业务量为0.1，大洋洲平原地带每个栅格内的业务量为0.2，南北极每个栅格内的业务量为0.6，其中各类地形的每个栅格内的业务量取值为无量纲常数，用于描述业务量相对大小，取值越大表示该类地形对应的业务量越大；栅格中包含多种地形的，以所占面积最多的地形种类为栅格的地形，从而得到每个栅格内的地形业务量，建立地形业务模型。
S2，分析宽带低轨道卫星通信业务量的价值区域影响因素，建立区域业务模型；
价值区域具有较高的社会、经济价值，相关信息数据需要通过卫星链路进行传输转发，同时在卫星通信资源分配方面需要予以倾斜，保证该类价值区域业务量的及时传输；宽带低轨道卫星通信业务量的价值区域包括：重要设施区域、自然能源资源区域、商贸航迹路线区域和热点地区4类；基于步骤S1中的栅格划分，对每个栅格中涉及的价值区域业务量取值进行设置：重要设施区域取值0.2、自然能源资源区域取值0.4、商贸航迹路线区域取值0.3、热点地区取值0.5，其他非价值区域取值为0，得到每个栅格内的区域业务量，从而建立区域业务模型。
S3，分析宽带低轨道卫星通信业务量的昼夜影响因素，建立时间加权模型；
由于用户在不同的时间段进行通信所使用频率是不同的，因此每个地点在一天内不同时间段的业务量是有明确变化的，因此卫星通信业务量的需求与当地时间有关；为了分析时间因素对业务量的影响，利用取值在0与1之间的时间加权因子，描述卫星通信业务量在一天内的相对变化情况，该时间加权因子针对不同的当地时间具有不同的取值，通过将时间加权因子与各栅格的业务量相乘，获得考虑当地时间影响的业务量；地球表面各点的当地时间都是相对GMT(格林尼治标准时间)参考时钟获得的，一天内1至24时的时间加权因子依次设置为：0.2、0.1、0.05、0.05、0.05、0.1、0.3、0.5、0.7、0.9、0.9、0.8、0.7、0.8、0.9、1.0、1.0、0.9、0.8、0.6、0.6、0.5、0.4、0.3。
S4，分析宽带低轨道卫星通信业务量的突发业务事件影响因素，建立突发业务加权模型；
当发生自然灾害和突发社会事件时，相关地点在一定的时间范围内将产生大量的卫星通信需求，导致业务量激增；将突发业务事件按照重要和紧迫程度分为1至9共9个等级，对应引入取值在1.1与1.9之间的突发业务加权因子，涉及相同突发业务事件的栅格，其对应的突发业务加权因子相同，未涉及突发业务的栅格，其对应的突发业务加权因子设置为1。
S5，计算宽带低轨道卫星的星下点位置；
卫星星下点的经度λ和纬度的计算方法为：
λ＝tan-1(tan u·cos i)-MΩE/n+M0ΩE/n+λN，
其中，i为卫星轨道倾角，u＝ω+θ，u为卫星地心连线和地心升交点连线之间的夹角，ω为卫星的近地点幅角，θ为卫星的真近点角，ΩE为地球自转角速度，n为卫星运动的平均角速度，M为平均近点角，M0为基准子午线的平均近点角，λN为卫星相对于基准子午线的右升交点的经度。
S6，计算卫星覆盖范围内的栅格集合；
当卫星位于所经过栅格中心点的外切水平面之上区域时，卫星与栅格内的用户之间是通视的，根据卫星位置矢量信息以及栅格中心位置矢量信息，得到地心坐标系中卫星与栅格中心点连线矢量与栅格中心点位置矢量之间的夹角φ为：
其中，分别为卫星位置矢量和栅格中心位置矢量；当卫星位于所经过栅格中心点的外切水平面之上区域时，有φ≥90°，因此卫星和栅格的可见函数Φ为：
Φ＝φ-90°，
当用户对卫星的仰角要求不低于α时，则卫星和栅格的可见函数Φ1为：
Φ1＝φ-90°-α，
对于卫星和栅格的可见函数，其取值为正表示卫星与栅格中的用户之间是可见的，否则就表示卫星与栅格中的用户之间是不可见的。
根据卫星和栅格的可见函数，即可获得卫星覆盖范围内的栅格集合。
S7，确定每个栅格的地形业务量、区域业务量和时间加权因子；
根据栅格经纬度坐标，从地形业务模型和区域业务模型中分别读取每个栅格的地形业务量和区域业务量；根据栅格经纬度坐标，确定其对应的格林威治(GMT)时间，并换算为栅格的当地时间，进而根据业务量的时间加权模型获得栅格内业务的时间加权因子。
S8，判断当前是否加入突发业务事件，若不加入，则将全部栅格的突发业务加权因子设置为1，并转至步骤S10；若加入，则继续步骤S9；
S9，确定突发业务等级和突发业务范围，进而确定突发业务加权因子；
提出突发业务事件的想定，根据想定内容确定突发业务等级，对突发业务事件涉及的地域范围进行设定，根据突发业务事件涉及的地域范围的经纬度坐标，对应得出突发业务事件所覆盖的栅格，并将该栅格的突发业务加权因子设置为突发业务等级对应的突发业务加权因子，将其他栅格的突发业务加权因子设置为1。
S10，将各栅格内的地形业务量与区域业务量相加，并与时间加权因子和突发业务加权因子相乘，获得各栅格业务量；
S11，将宽带低轨道卫星覆盖范围内的栅格集合中各栅格的业务量相加，得到宽带低轨道卫星覆盖范围内的总业务量。
某卫星覆盖区域及地面栅格示意图如图2所示，假设栅格#1至#9均属于亚洲，栅格的地形、区域类型及突发业务情况如下表所示：
表1栅格地形及区域类型表
在估计其业务量时，进行如下操作：
(1)分析业务量地形影响因素，建立地形业务模型；
根据栅格#1至#9的地形类别，可得到各栅格对应的地形业务量，#1至#9分别为0.4、0.1、0.6、0.1、0.1、0.6、0.4、0.6、0.8。
(2)分析价值区域影响因素，建立区域业务模型；
根据栅格#1至#9的区域类别，可得到各栅格对应的区域业务量，#1至#9分别为0.4、0、0、0、0.5、0.3、0、0.2、0。
(3)分析业务量昼夜影响因素，建立业务量时间加权模型；
假设卫星当前#1至#9的当地时间均为16时，则栅格的时间加权因子为1.0。
(4)分析突发业务事件影响因素，建立突发业务加权模型；
栅格#1至#9中，栅格#1范围内发生等级为2的突发事件，其突发业务加权因子为1.2，其余栅格的突发业务加权因子为1.0。
(5)计算星下点位置；
假设卫星行下点位置位于栅格#5。
(6)计算卫星覆盖范围内的栅格集合；
假设卫星波束覆盖情况如图2所示，卫星与栅格#3和#7的中心点不可见，因此卫星覆盖的栅格集合为{#1，#2，#4，#5，#6，#8，#9}。
(7)确定每个栅格的地形业务量、区域业务量和时间加权因子；
根据步骤(1)-(3)，可得到集合中各栅格的地形业务量、区域业务量和时间加权因子。
(8)判断是否加入突发业务事件，若不加入则转至步骤(10)；
卫星覆盖的栅格集合中，栅格#1范围内存在突发事件，因此继续执行步骤(9)。
(9)确定突发业务等级和突发业务范围，确定突发业务加权因子；
根据步骤(4)中对突发事件的假设情况，可得到事件等级为2，范围仅限于栅格#1，#1的突发业务加权因子为1.2，其余栅格的突发业务加权因子为1.0。
(10)将栅格内的地形业务量与区域业务量相加，并与各加权因子相乘，获得栅格业务量；
栅格集合中各栅格的业务量分别为：栅格#1为0.96，栅格#2为0.1，栅格#4为0.1，栅格#5为0.6，栅格#6为0.9，栅格#8为0.8，栅格#9为0.8。
(11)将栅格集合中各栅格的业务量相加，得到卫星覆盖区内的总业务量。栅格集合中各栅格业务量之和为4.26。
以上结合附图详细说明了本发明，但是本领域的普通技术人员应当明白，说明书是用于解释权利要求的，本发明的保护范围以权利要求为准，在本发明的基础上，任何所做的修改、等同替换和改进等都应当在所要求的保护范围内。