一种导航系统数据上注路由规划方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种导航系统数据上注路由规划方法及系统，通过获取规划周期内参与数据上注的节点星集合和目的星集合以及节点星的配置参数要求；然后根据节点星集合和目的星集合计算出任意节点星到目的星的最短路径序列；根据节点星集合和目的星集合以及任意节点星到目的星的最短路径序列构建立地面数据上注路由优化问题的整数规划模型；对所述整数规划模型进行求解；得到路由规划方案。通过此方法可以快速的给出从境内节点星到境外目的星的上注路由规划方案，实验结果证明了本发明专利技术求解上注路由规划问题的有效性。上注路由规划问题的有效性。上注路由规划问题的有效性。

【技术实现步骤摘要】
一种导航系统数据上注路由规划方法及系统


[0001]本专利技术属于卫星任务规划领域，尤其是涉及一种导航系统数据上注路由规划方法及系统。

技术介绍

[0002]为保障导航星座的稳定运行，提供高精度定位服务，地面控制系统需要将各类业务数据上注到指定目的卫星，这些数据包括导航电文、遥控指令、时隙表和路由表等。由于北斗系统地面站地理位置受限，地面数据上注过程将导航卫星分为境内星和境外星，将上注周期内对地面站持续可见的卫星称为境内星，其他卫星称为境外星。若数据上注的目的星是境内星，则可利用星地链路直接完成上注，传输时延短且稳定性高；若目的星是境外星，则需要将数据先通过星地链路注入到境内星，再以境内星作为中转节点星将数据通过星间链路送达境外目的星，传输时延长且风险性高。为实现地面数据的快速上注，并减小数据在空间传输中发生丢包和误码的风险，需要设计有效的数据上注路由规划方法，在满足约束要求的同时，尽可能降低各数据的传输时延。
[0003]据上注时延分为星地传输时延和星间传输时延，其中星地传输时延(毫秒级)要远小于星间传输时延(秒级)。因此，在计算数据上注时延时只考虑境内星到境外星的星间中转传输时延。
[0004]综合卫星的硬件能力和系统运行的稳定性等因素，地面系统限制了上注过程中可用的节点星数量和每颗节点星的中转能力，中转能力是指一颗节点星可同时中转多少颗目的卫星的数据。因此，在数据上注路由规划时需要考虑节点星资源的合理分配，使得境外数据上注到离目的卫星更近的节点星，进而完成数据的快速注入。上注传输时延的单位为时隙时长，记为slot。
[0005]现有的导航系统数据上注路由规划研究可分为两类，一类研究只关注星地链路的调度，未考虑星间中转传输过程；另一类研究虽然规划了数据的星间传输路径，但没有考虑节点星的数量和容量限制约束。因此，现有的上注路由规划研究均不能满足北斗全球导航系统工程应用中的上注约束和需求，必须研究新的数据上注路由规划方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术要解决的技术问题是在节点星的数量和容量受限的情况下，怎样快速给出从境内节点星到境外目的星的上注路由规划方案，提出了一种导航系统数据上注路由规划方法及系统。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：
[0008]一种导航系统数据上注路由规划方法，包括以下步骤：
[0009]步骤1：获取规划周期内参与数据上注的节点星集合和目的星集合以及节点星的配置参数要求，所述目的星是指数据最终上注的卫星，所述节点星是指从地面站将数据开始上注的境内星；
[0010]步骤2：根据节点星集合和目的星集合计算得到任意节点星到目的星的最短路径序列；
[0011]步骤3：根据节点星集合和目的星集合以及任意节点星到目的星的最短路径序列构建立地面数据上注路由优化问题的整数规划模型；
[0012]步骤4：对所述整数规划模型进行求解；
[0013]步骤5：输出求解得到的路由规划方案。
[0014]进一步地，所述整数规划模型是：
[0015]目标函数为：
[0016][0017]约束条件为：
[0018][0019]x
ij
≤y
j
，i＝1，...，m；j＝1，...，n
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0020][0021][0022]y
j
∈{0，1}，j＝1，...，n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0023]x
ij
∈{0，1}，i＝1，...，m；j＝1，...，n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0024]其中，目标函数表示最小化各目的星到节点星的平均传输路径长度；x
ij
、y
j
为两个决策变量，x
ij
表示目的星i数据是否选择节点星j来转发，值为1代表选择，值为0代表不选择，y
j
表示节点星j是否被选用，值为1代表选用，否则为0，均为0
‑
1变量，i表示目的星序号，j表示节点星序号，m表示目的星的数量，n表示节点星的数量；最短路径长度l
ij
表示目的星i与节点星j之间的最短传输时延；
[0025]式2表示各目的星必须且只能选择一颗节点星；
[0026]式3表示只有选用的节点星才能被目的星选择用于星间中转；
[0027]式4限制了各选用的节点星的中转能力；c
j
为节点星j的中转能力；
[0028]式5表示节点星的选用数量约束；P为可选用的节点星数量上限；
[0029]进一步地，步骤4中对所述整数规划模型进行求解的方法是基于基因表达式的混合遗传规划算法。
[0030]进一步地，基于基因表达式的混合遗传规划算法具体为：
[0031]步骤4.1：按照基因表达式编码随机生成N个染体色，形成初始种群，所述染色体由单个或多个基因组成，基因是指一组固定长度的线性字符表达式，基因内部分为头部片段和尾部片段，头部片段由函数字符和参数字符组成，尾部片段由参数字符组成，所述参数字符为最短路径序列中路径的特征参数；
[0032]步骤4.2：计算种群中每个个体的适应度；
[0033]步骤4.3：种群内部进行选择、交叉、变异操作；
[0034]步骤4.4：生成新一代种群；
[0035]步骤4.5：判断是否满足终止条件，若满足，则输出最优结果；若不满足，则返回步骤4.2。
[0036]进一步地，步骤4.2中计算个体适应度的方法是：
[0037]步骤4.2.1：将所述基因表达式解码为数学方方程式；
[0038]步骤4.2.2：获取最短路径序列中各路径的各项特征参数值，带入所述数学方方程式中，将方方程式的计算结果作为各路径的评分；
[0039]步骤4.2.3：按照路径的评分高低顺序形成新的路径序列；
[0040]步骤4.2.4：将评分高的路径优先进行目的星路径分配，并对分配的路径进行约束检查删除不可行路径得到可行的路由方案；
[0041]步骤4.2.5：将可行的路由方案代入目标函数中，得到所有目的星的传输路径长度之和，将其作为个体的适应度值。
[0042]进一步地，步骤4.1中的函数字符包括+，
‑
，*，/，max，min，所述特征参数包括：
[0043]WN：路径长度；
[0044]WAVE：路径相关的目的星对所有节点星的路径长度均值；
[0045]WVAR：路径相关的目的星对所有节点星的路径长度方差；
[0046]WMAX：路径相关的目的星对所有节点星的路径长度最大值；
[0047]WMIN：路径相关的目的星对所有节点星的路径长度最小值；
[0048]NAVE：路径相关的节点星对所有目的星的路径长度均值；
[0049]N本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种导航系统数据上注路由规划方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：获取规划周期内参与数据上注的节点星集合和目的星集合以及节点星的配置参数要求，所述目的星是指数据最终上注的卫星，所述节点星是指从地面站将数据开始上注的境内星；步骤2：根据节点星集合和目的星集合计算得到任意节点星到目的星的最短路径序列；步骤3：根据节点星集合和目的星集合以及任意节点星到目的星的最短路径序列构建立地面数据上注路由优化问题的整数规划模型；步骤4：对所述整数规划模型进行求解；步骤5：输出求解得到的路由规划方案。2.根据权利要求1所述的路由规划方法，其特征在于，所述整数规划模型是：目标函数为：约束条件为：x
ij
≤y
i
，i＝1，...，m；j＝1，...，n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)(3)y
j
∈{0，1}，j＝1，...，n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)x
ij
∈{0，1}，i＝1，...，m；j＝1，...，n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)其中，目标函数表示最小化各目的星到节点星的平均传输路径长度；x
ij
、y
j
为两个决策变量，x
ij
表示目的星i数据是否选择节点星j来转发，值为1代表选择，值为0代表不选择，y
j
表示节点星j是否被选用，值为1代表选用，否则为0，均为0
‑
1变量，i表示目的星序号，j表示节点星序号，m表示目的星的数量，n表示节点星的数量；最短路径长度l
ij
表示目的星i与节点星j之间的最短传输时延；式2表示各目的星必须且只能选择一颗节点星；式3表示只有选用的节点星才能被目的星选择用于星间中转；式4限制了各选用的节点星的中转能力；c
j
为节点星j的中转能力；式5表示节点星的选用数量约束；P为可选用的节点星数量上限。3.根据权利要求2所述的路由规划方法，其特征在于，步骤4中对所述整数规划模型进行求解的方法是基于基因表达式的混合遗传规划算法。4.根据权利要求3所述的路由规划方法，其特征在于，基于基因表达式的混合遗传规划算法具体为：步骤4.1：按照基因表达式编码随机生成N个染体色，形成初始种群，所述染色体由单个
或多个基因组成，基因是指一组固定长度的线性字符表达式，基因内部分为头部片段和尾部片段，头部片段由函数字符和参数字符组成，尾部片段由参数字符组成，所述参数字符为最短路径序列中路径的特征参数；步骤4.2：依次计算种群中每个个体的适应度；步骤4.3：种群内部进行选择、交叉、变异操作；步骤4.4：生成新一代种群；步骤4.5：判断是否满足终止条件，若满足，则输出最优结果；若不满足，则返回步骤4.2。5.根据权利要求4所述的路由规划方法，其特征在于，步骤4.2中计算个体适应度的方法是：步骤4.2.1：将所述基因表达式解码为数学方程式；步骤4.2.2：获取最短路径序列中各路径的各项特征参数值，带入所述数学方程式中，将方程式的计算结果作为各路径的评分；步骤4.2.3：按照路径的评分高低顺序形成新的路径序列；步骤4.2.4：将评分高的路径优先进行目的星路径分配，并对分配...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜永浩，袁健波，韦嘉琛，闫俊刚，张忠山，陈盈果，姚锋，陈英武，刘晓路，吕济民，陈宇宁，何磊，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：