一种面向空中移动目标跟踪的空天地一体化组网方法技术

本发明专利技术公开了一种面向空中移动目标跟踪的空天地一体化组网方法，属于空天地一体化网络技术领域。本发明专利技术所述方法包括以下步骤：场景信息收集、近地卫星信息读取和分类、最佳轨道选择、最优在轨卫星选择、最短路径计算、下一时刻位置预测和根据路径距离阈值判断是否结束方案。本发明专利技术所述方法解决了空天地一体化网络拓扑快速变化的问题，能够获取不同时刻的确切的网络拓扑以及卫星轨道的运动约束情况，可以获得最优的链路切换决策条件。本发明专利技术所述方法减少了大量的数学计算，能够通过简单的计算获得最佳的网络链路和链路的切换时间，仅仅利用简单的查找最短路的算法就能在多个轨道、多个卫星中寻找到最适合与无人机进行通信的最佳节点。佳节点。佳节点。

【技术实现步骤摘要】
一种面向空中移动目标跟踪的空天地一体化组网方法


[0001]本专利技术属于空天地一体化网络
，具体涉及一种面向空中移动目标跟踪的空天地一体化组网方法。

技术介绍

[0002]随着信息网络技术的发展，网络已经和人类的活动变得密不可分。特别是在当前，5G技术正在飞速发展和广泛应用，人类正在迈入万物互联的新时代。大量的数据和信息资源正在涌入互联网，对这些资源的利用将改变人们的生产和生活方式。然而，在地球上的一些极端地区，如沙漠、海洋和山脉等，地理环境恶劣导致地面通信基站等基础设施无法建设或建设成本高昂。这种限制使网络不能仅仅通过地面基站覆盖整个地球，因此需要一种技术来构建一个能够快速覆盖全世界的网络。目前，基于卫星的空间网络技术在迅速发展，卫星宽带接入、卫星移动数据等业务正在逐步实现。卫星网在覆盖范围和移动接入方面可以与地面网络形成良好的互补关系，二者的结合是解决当前网络无法覆盖全球问题的良好方案之一。因此，由地面网络、无人机网络和卫星网络系统组成的空天地一体化网络是未来网络发展的必然趋势。
[0003]为应对这一发展趋势，国内外各大互联网巨头已经开始将研究重点放在空间网络基础设施建设上。目前，世界各国都将空天地一体化网络列为重点研究项目，加大了对空天地一体化网络的研究。但目前的研究还存在一些问题有待解决。对于具有动态拓扑结构的空天地一体化网络，其高动态特性是目前的主要问题之一。如何克服其高动态特性，决定了它能否对运动中的网络做出良好的动态规划。卫星网络不同于地面上的固定网络和移动网络，因为卫星在地球外的轨道上以高速周期运动，导致卫星网络的拓扑结构因运动而改变。由于需要选择最佳的通信链路，卫星间的链路将周期性地建立和中断。当卫星网络向地面某个地点提供接入服务时，由于拓扑结构的变化，当前卫星可能并不是最佳接入点。因此，有必要设计合理的节点组网算法，将业务切换到其他具有良好接入条件的卫星节点，通过这些卫星节点为地面提供服务。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是针对空天地一体化网络中通信方式的缺点，提供在高动态特性的空天地一体化网络环境下的高效连接组网方式，提供一种面向空中移动目标跟踪的空天地一体化组网方法，快速、高效地实现空天地一体化网络之间的动态链路切换。
[0005]本专利技术所提出的技术问题是这样解决的：
[0006]一种面向空中移动目标跟踪的空天地一体化组网方法，包括以下步骤：
[0007]步骤一：场景信息收集；
[0008]收集空天地一体化网络场景信息，其中主要元素包括：地面站，在设定时间内，地面站能够获取其探测范围内的近地卫星和无人机的信息并与其建立通信链路；近地卫星，每颗近地卫星都能够与其覆盖范围内存在的地面站、无人机以及同轨道和相邻轨道的近地
卫星建立通信链路；无人机，在设定时间内从源节点飞往目的节点；近地卫星检测到无人机后，通过近地卫星
‑
卫星链路和近地卫星
‑
地面链路与地面站建立通信，地面站通过近地卫星控制无人机进行导航与制导；地面站、近地卫星和无人机之间进行动态组网；地面站、近地卫星和无人机的运动导致动态组网连接关系切换；
[0009]步骤二：近地卫星信息读取和分类；
[0010]空天地一体化网络的时变图模型定义为G(V,E(t))，其中V是由所有节点组成的顶点集，节点包括地面站、近地卫星和无人机；E(t)表示图中的边，代表节点之间的连接关系；根据卫星轨道的参数，计算每一个时刻每颗近地卫星在地心三维空间坐标系下的三维坐标，根据三维坐标计算近地卫星的经度，按照近地卫星的经度对近地卫星进行分类；
[0011]步骤三：最佳轨道选择；
[0012]计算每个近地卫星经度与无人机的经度之间的差，找到其中的最小值，得到最接近无人机的卫星轨道，为最佳轨道；
[0013]步骤四：最优在轨卫星选择；
[0014]覆盖无人机的近地卫星读取无人机的经度和纬度，计算最佳轨道上的近地卫星与无人机之间的距离；距离最近的三颗近地卫星作为接入卫星节点，建立接入卫星节点与无人机之间的通信链路，三颗接入卫星节点能够保证实现无人机的三维信息获取以及对无人机的导航与制导；
[0015]步骤五：最短路径计算；
[0016]无人机和地面站均接入卫星节点进入网络，实现空天地一体化网络动态组网；空天地一体化网络的拓扑在某个时间点是固定的，使用Dijsktra算法计算和无人机相连的三个接入卫星节点与和地面站相连的接入卫星节点之间的最短路径；在时变图G(V,E(t))中根据每条边的长度找到三个接入卫星节点到其他节点的最短路径；
[0017]步骤六：下一时刻位置预测；
[0018]计算链接切换时间，预测后续时刻的空天地一体化网络顶点集中的节点位置和链路连接模式；
[0019]步骤七：判断无人机与目的节点的路径距离是否小于10公里，若是，结束；否则，返回步骤三。
[0020]进一步的，步骤二中按照近地卫星的经度对近地卫星进行分类的具体过程为：
[0021]每个近地卫星的运行轨道是不变的，每个轨道上的近地卫星数量也是不变的，根据相同或不同的卫星轨道，将近地卫星进一步划分为：
[0022][0023]其中，S
m
代表m号轨道上所有近地卫星的集合，1≤m≤M，M为轨道数量，k
m
为m号轨道上的近地卫星数量，表示第m号轨道上的第1,2,
…
,k
m
个近地卫星。
[0024]进一步的，步骤三的具体过程为：
[0025]在某个特定的时刻t0，空天地一体化网络中的所有顶点都是固定的，并且图G(V,E(t))中的所有边都不会发生变化；
[0026]通过公式(5)计算得到M个轨道的经度和无人机的经度之间差的绝对值：
[0027][0028]其中，D
m
为m号轨道和无人机之间的经度差，为m号轨道的经度，lo
a
为无人机的经度；选择D
m
的最小值对应的轨道为最佳轨道。
[0029]进一步的，步骤四中，通过公式(6)计算最佳轨道上所有近地卫星和无人机之间的距离：
[0030][0031]其中，代表最佳轨道上的第k
m
个近地卫星与无人机之间的距离，R是地球的半径，la
a
为无人机的纬度，为最佳轨道上的第k
m
个近地卫星的纬度，为最佳轨道上的第k
m
个近地卫星的经度。
[0032]进一步的，步骤五中，Dijsktra最短路径算法，具体包括如下步骤：
[0033]步骤A：令和地面站相连的接入卫星节点为初始节点v，初始化集合S使其仅包含初始节点v，即S＝{v}，初始距离为0。初始化集合U包含除v外的所有近地卫星节点；
[0034]步骤B：在集合U中选择一个与v距离最近的顶点k，并将其添加到集合S中；
[0035]步骤C：选择顶点k作为新的中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向空中移动目标跟踪的空天地一体化组网方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：场景信息收集；收集空天地一体化网络场景信息，其中主要元素包括：地面站，在设定时间内，地面站能够获取其探测范围内的近地卫星和无人机的信息并与其建立通信链路；近地卫星，每颗近地卫星都能够与其覆盖范围内存在的地面站、无人机以及同轨道和相邻轨道的近地卫星建立通信链路；无人机，在设定时间内从源节点飞往目的节点；近地卫星检测到无人机后，通过近地卫星
‑
卫星链路和近地卫星
‑
地面链路与地面站建立通信，地面站通过近地卫星控制无人机进行导航与制导；地面站、近地卫星和无人机之间进行动态组网；地面站、近地卫星和无人机的运动导致动态组网连接关系切换；步骤二：近地卫星信息读取和分类；空天地一体化网络的时变图模型定义为G(V,E(t))，其中V是由所有节点组成的顶点集，节点包括地面站、近地卫星和无人机；E(t)表示图中的边，代表节点之间的连接关系；根据卫星轨道的参数，计算每一个时刻每颗近地卫星在地心三维空间坐标系下的三维坐标，根据三维坐标计算近地卫星的经度，按照近地卫星的经度对近地卫星进行分类；步骤三：最佳轨道选择；计算每个近地卫星经度与无人机的经度之间的差，找到其中的最小值，得到最接近无人机的卫星轨道，为最佳轨道；步骤四：最优在轨卫星选择；覆盖无人机的近地卫星读取无人机的经度和纬度，计算最佳轨道上的近地卫星与无人机之间的距离；距离最近的三颗近地卫星作为接入卫星节点，建立接入卫星节点与无人机之间的通信链路，三颗接入卫星节点能够保证实现无人机的三维信息获取以及对无人机的导航与制导；步骤五：最短路径计算；无人机和地面站均接入卫星节点进入网络，实现空天地一体化网络动态组网；空天地一体化网络的拓扑在某个时间点是固定的，使用Dijsktra算法计算和无人机相连的三个接入卫星节点与和地面站相连的接入卫星节点之间的最短路径；在时变图G(V,E(t))中根据每条边的长度找到三个接入卫星节点到其他节点的最短路径；步骤六：下一时刻位置预测；计算链接切换时间，预测后续时刻的空天地一体化网络顶点集中的节点位置和链路连接模式；步骤七：判断无人机与目的节点的路径距离是否小于10公里，若是，结束；否则，返回步骤三。2.根据权利要求1所述的面向空中移动目标跟踪的空天地一体化组网方法，其特征在于，步骤二中按照近地卫星的经度对近地卫星进行分类的具体过程为：每个近地卫星的运行轨道是不变的，每个轨道上的近地卫星数量也是不变的，根据相同或不同的卫星轨道，将近地卫星进一步划分为：其中，S
m
代表m号轨道上所有近地卫星的集合，1≤m≤M，M为轨道数量...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋定德，刘博，张唯炯，王志浩，王丰，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：