基于捷变链路的导航卫星网络建链策略研究

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实现卫星自主导航,提高卫星导航系统的自主生存能力是当前卫星导航系统的重要研究内容。星间链路技术是实现卫星自主导航的一项关键技术,通过星间链路技术,卫星导航系统可以在没有地面站支持的情况下仍能较长时间保持正常运行,星间链路技术受到越来越多的关注。在导航卫星网络中,星间链路主要有星间测距和星间通信两方面的作用。捷变链路作为星间链路的一种实现方式,在星间测距方面具有很大的优势,为了同时保证星间通信的质量,需要对捷变链路的建链策略进行深入的研究。本文在此背景下,结合已有研究成果,对基于捷变链路的导航卫星网络建链策略进行了研究。本文的主要内容有以下几方面。首先,研究了捷变建链问题的相关基础理论。从理论上分析了在考虑地球遮挡和天线波束俯仰角约束的情况下,卫星之间的可见性条件,并将卫星放至星座中考虑,给出了卫星在星座中可见星数量下限;借鉴了已有文献关于有限状态机的思想对卫星网络进行拓扑处理,基于此将卫星网络的运动周期进行了一系列的时间划分,为捷变建链的后续研究打下基础;介绍了模拟退火算法解决一般优化问题的步骤。其次,对捷变建链问题进行了深入的分析。分析了捷变链路的工作原理与工作过程,总结了捷变链路的特点。全面分析了捷变建链问题的优化目标、约束条件、问题输入、问题输出,并对其进行了形式化的描述。然后,对捷变建链策略进行了研究。为了衡量导航卫星网络信息传输的性能,提出了信息传输时延代价的衡量指标,提出了两种基于可达矩阵和有向完全图构建的代价计算方法。然后提出了两种建链策略,一种方法是利用模拟退火算法,通过变异和修复过程迭代搜索最优解。将链路分配问题转化为指派问题,解决了建链策略的初始解生成问题;考虑到星上计算资源受限的约束条件,对修复过程进行了改进,并通过增设初始解的方法提高了趋向全局最优解的概率。另一种方法是通过考虑卫星网络拓扑特征的方法进行建链策略设计,这种方法计算代价较小,便于星上计算。最后,进行仿真实验与分析,仿真实现了本文所提出的建链策略,通过实验结果的对比与分析得出了相关的结论,仿真结果表明本文所提出的两种建链策略具有一定的理论和现实意义。
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