本發(fā)明涉及航天衛(wèi)星管控領(lǐng)域，更具體地涉及一種基于蟻群算法的星座組網(wǎng)規(guī)劃方法。

背景技術(shù)：

1、通信衛(wèi)星通過轉(zhuǎn)發(fā)無線電信號，為不同對象間的通信建立橋梁，它具有頻帶較寬、傳輸容量較大、靈活性強、擴展性良好等眾多優(yōu)點。相較于高軌通信衛(wèi)星而言，低軌通信衛(wèi)星距離地面近、延時低，且更為廉價，但是由于單個衛(wèi)星對地面的覆蓋范圍有限，要想實現(xiàn)全球覆蓋，只能通過大規(guī)模衛(wèi)星星座。而衛(wèi)星數(shù)量的增加也令數(shù)據(jù)量飛速增加，要將眾多衛(wèi)星上的數(shù)據(jù)傳輸回地面，需要通過星間鏈路等方式對眾多衛(wèi)星進行連接，形成星間組網(wǎng)，再將地面站與其可見的衛(wèi)星進行連接，形成星地組網(wǎng)，衛(wèi)星數(shù)據(jù)通過星間鏈路和星地鏈路傳輸回地面。因此，對于低軌大規(guī)模星座，星地組網(wǎng)算法非常關(guān)鍵。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在提供一種基于蟻群算法的星座組網(wǎng)規(guī)劃方法。面向衛(wèi)星組網(wǎng)約束，結(jié)合衛(wèi)星和地面站組網(wǎng)情況，根據(jù)資源設(shè)備沖突判定規(guī)則，對給出的最新組網(wǎng)任務(wù)進行編排，規(guī)劃出最優(yōu)的組網(wǎng)方案，能夠有效地解決組網(wǎng)規(guī)劃問題，從而能夠為星座提供建鏈時間長、資源利用率高、鏈路魯棒的星地組網(wǎng)方案。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

3、一種基于蟻群算法的星座組網(wǎng)規(guī)劃方法，包括以下步驟：

4、步驟1、接收任務(wù)規(guī)劃軟件發(fā)送的已安排組網(wǎng)方案、待規(guī)劃的星地組網(wǎng)元任務(wù)和約束檢驗規(guī)則；

5、步驟2、根據(jù)約束檢驗規(guī)則，剔除與已安排組網(wǎng)方案沖突的星地組網(wǎng)元任務(wù)；

6、步驟3、對沖突剔除后的星地組網(wǎng)元任務(wù)使用蟻群算法進行星座組網(wǎng)規(guī)劃，蟻群算法為：首先進行可達矩陣、沖突矩陣以及參數(shù)的初始化，選擇螞蟻的起始點，根據(jù)信息素計算轉(zhuǎn)移概率，通過轉(zhuǎn)移概率選擇下一節(jié)點直到所有可達節(jié)點選擇完成，計算解的評價值，更新信息素表，然后開始新的螞蟻搜索，直到達到算法終止條件。

7、進一步的，所述步驟3具體過程為：

8、步驟301，構(gòu)造矩陣reachedmatrix，所有元素初始值均為0，構(gòu)造矩陣conflictmatrix，根據(jù)星地組網(wǎng)元任務(wù)的沖突情況對各個元素賦初始值；其中，reachedmatrix表示螞蟻到達過的節(jié)點，即已經(jīng)選擇的星地組網(wǎng)任務(wù)，conflictmatrix表示螞蟻無法到達的節(jié)點，即沖突禁忌表；

9、步驟302，進行參數(shù)初始化，包括：對螞蟻種群數(shù)量m、信息素揮發(fā)度ρ和最大迭代次數(shù)maxiterations初始化，并設(shè)t時刻路徑(i,j)上殘留的信息素均為0以及當(dāng)前迭代次數(shù)iterations＝0；

10、步驟303，將任意螞蟻a的出發(fā)點隨機設(shè)置在且的節(jié)點i上，并更新reachedmatrix矩陣和conflictmatrix矩陣；

11、其中，表示螞蟻a是否到達過i節(jié)點，即螞蟻a是否選擇了星地組網(wǎng)任務(wù)i，具體取值如下：

12、

13、表示螞蟻a能否前往i節(jié)點，具體取值如下：

14、

15、步驟304，螞蟻在運動過程中根據(jù)各條路徑上殘留的信息素決定移動方向，并根據(jù)轉(zhuǎn)移概率不斷選擇下一節(jié)點，移動到且的節(jié)點j上，直到?jīng)]有可以選擇的節(jié)點；并更新reachedmatrix矩陣和conflictmatrix矩陣，更新迭代次數(shù)：iterations＝iterations+1；

16、其中，轉(zhuǎn)移概率的計算公式如下：

17、

18、式中，alloweda為且的節(jié)點，表示t時刻螞蟻a在路徑(i,j)上殘留的信息素；

19、步驟305，每完成一次迭代后，計算所有螞蟻的評價值，并對各路徑上殘留的信息素進行更新；

20、其中，路徑(i,j)上的信息素根據(jù)以下公式進行更新：

21、

22、其中，

23、valuea為螞蟻a的評價值；

24、步驟306，判斷是否滿足iterations＝maxiterations，如果滿足，則已經(jīng)達到最大迭代次數(shù)，停止迭代；否則，返回步驟303；

25、步驟307，選擇評價值最高的解作為最終最優(yōu)解。

26、進一步的，所述步驟305中評價值的計算具體為：

27、a)組網(wǎng)總時長計算：取所有安排成功的組網(wǎng)任務(wù)的最早開始時間earlytime和最晚結(jié)束時間latetime，計算得到組網(wǎng)時長為gontinuenettime＝latetime-earlytime；

28、b)n顆衛(wèi)星的建鏈時長總和計算：針對每一個衛(wèi)星，計算組網(wǎng)的最早時間和最晚時間，對組網(wǎng)時間求和，具體如下，其中l(wèi)atetimei表示衛(wèi)星i的建鏈最晚結(jié)束時間，earlytimei表示衛(wèi)星i的建鏈最早開始時間；

29、c)同一時間與地面站建鏈的衛(wèi)星數(shù)量計算：選取一些時刻，計算此時建鏈的衛(wèi)星數(shù)量，并求和得到satellitenum；

30、d)同一時間與衛(wèi)星建鏈的地面站數(shù)量計算：選取一些時刻，計算此時建鏈的地面站數(shù)量，并求和得到stationnum；

31、e)資源整體使用情況resourcestatus使用所有安排的星地組網(wǎng)任務(wù)的建鏈時長之和來表征，計算方式為：其中l(wèi)atetimej表示建鏈任務(wù)j的建鏈最晚結(jié)束時間，earlytimej表示建鏈任務(wù)j的建鏈最早開始時間；

32、則組網(wǎng)評價值value的計算方法為：value＝a×continuenettime+b×sumnettime+c×statellitenum+d×stationnum+e×resourcestatus，其中，a、b、c、d和e分別為組網(wǎng)總時長、衛(wèi)星建鏈時長總和、同一時間建鏈衛(wèi)星數(shù)量、同一時間建鏈地面站數(shù)量以及資源整體使用情況的權(quán)重值。

33、本發(fā)明具有以下有益效果：

34、本發(fā)明結(jié)合衛(wèi)星和地面站組網(wǎng)情況，進行建鏈資源約束檢驗消解任務(wù)沖突，采用智能優(yōu)化算法中的蟻群算法實現(xiàn)建鏈資源的優(yōu)化分配，為構(gòu)建連續(xù)、穩(wěn)定的星地網(wǎng)絡(luò)確定所需要的資源。

35、面對大規(guī)模星座組網(wǎng)這種np難問題，本發(fā)明使用啟發(fā)式蟻群算法完成大規(guī)模低軌星座組網(wǎng)建鏈資源的優(yōu)化，能夠在合理的時間內(nèi)為大規(guī)模低軌星座組網(wǎng)提供穩(wěn)定、魯棒的較優(yōu)方案。

技術(shù)特征：

1.一種基于蟻群算法的星座組網(wǎng)規(guī)劃方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于蟻群算法的星座組網(wǎng)規(guī)劃方法，其特征在于，所述步驟3具體過程為：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于蟻群算法的星座組網(wǎng)規(guī)劃方法，其特征在于，所述步驟305中評價值的計算具體為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及航天衛(wèi)星管控領(lǐng)域，公開了一種基于蟻群算法的星座組網(wǎng)規(guī)劃方法，該方法包括：結(jié)合衛(wèi)星和地面站組網(wǎng)情況，進行建鏈資源約束檢驗消解任務(wù)沖突，采用智能優(yōu)化算法中的蟻群算法實現(xiàn)建鏈資源的優(yōu)化分配，為構(gòu)建連續(xù)、穩(wěn)定的星地網(wǎng)絡(luò)確定所需要的資源。面對大規(guī)模星座組網(wǎng)這種NP難問題，本發(fā)明使用啟發(fā)式蟻群算法完成大規(guī)模低軌星座組網(wǎng)建鏈資源的優(yōu)化，能夠在合理的時間內(nèi)為大規(guī)模低軌星座組網(wǎng)提供穩(wěn)定、魯棒的較優(yōu)方案。

技術(shù)研發(fā)人員：付東,韓麗,張建磊,馮陽,韓偉,盧興,郭亞麗,馬培媛,馬英哲
受保護的技術(shù)使用者：中國電子科技集團公司第五十四研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/5