基于AIS的大规模低轨卫星星座组网控制方法及系统与流程

本发明涉及低轨卫星ais组网控制，尤其涉及基于ais的大规模低轨卫星星座组网控制方法及系统。

背景技术：

1、海上船舶ais监测技术主要依靠低轨卫星星座来采集船舶信号，现有通用卫星组网技术存在大量缺陷。星座布设仅对卫星轨道做基础排布，未结合不同海域监测需求，针对性设计轨道构型、优化卫星相位，且卫星重访性能无法满足船舶密集的重点海域的监测要求。

2、现有技术仅搭建基础星间通信链路，缺少全网分布式拓扑感知能力，不能实时获取链路通断、传输时延、误码率等多维度运行状态，难以直观呈现卫星网络持续变化的拓扑结构。传统路由算法仅将传输时延作为选路标准，未考虑低轨卫星高速相对运动造成的链路可用时长差异，常会选用存续时间较短的链路，持续引发路由重新计算，增加网络开销。当拓扑剧变、执行路由切换操作时，现有技术缺少对应的拥塞控制策略，大量的ais报文集中转发会造成缓存队列堵塞，引发报文丢失、传输滞后等问题，严重损害船舶监测数据的实时性与完整度，无法实现海域长期、稳定的船舶ais监测。

3、因此，有必要提供基于ais的大规模低轨卫星星座组网控制方法及系统解决上述技术问题。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供基于ais的大规模低轨卫星星座组网控制方法及系统，用于解决现有低轨卫星ais星座组网技术存在星间链路稳定度不足的问题，路由选路时未考量链路剩余可用时长，网络拓扑发生动态变化时极易引发链路拥塞与报文丢失，难以保障海域船舶监测的数据传输可靠性的问题。

2、本发明提供的基于ais的大规模低轨卫星星座组网控制方法，所述方法包括：

3、根据目标海域的ais监控需求，对多轨道面的低轨卫星星座进行分布式部署并生成星座部署配置信息；

4、基于所述星座部署配置信息，在同轨道面的所述低轨卫星星座之间以及相邻轨道面的所述低轨卫星星座之间，分别建立双向星间链路并进行拓扑状态感知，生成动态拓扑视图数据；

5、基于sdn控制器接收所述动态拓扑视图数据，构建卫星网络有向拓扑图模型，结合卫星轨道预报数据，预测星间链路生命周期数据，并采用引入链路稳定性权重的改进dijkstra算法，计算ais业务流的最优转发路径并转换为openflow流表数据；

6、将所述openflow流表数据下发至卫星转发平面并执行路由切换控制，基于路由切换控制结果，在拓扑突变时段启动自适应冗余编码拥塞管控机制，动态调整自适应传输控制参数，并对ais报文进行转发及传输，输出ais报文传输状态数据。

7、优选的，所述根据目标海域的ais监控需求，对多轨道面的低轨卫星星座进行分布式部署并生成星座部署配置信息，包括：

8、获取所述目标海域的所述ais监控需求，包括ais监控覆盖等级需求、船舶密度分布数据和星载ais探测载荷参数，按照海域监控优先级划分所述目标海域的海域覆盖分区，得到海域覆盖需求矩阵；

9、以所述海域覆盖需求矩阵为约束条件，选取极地轨道构型或近极倾斜轨道构型，结合轨道高度、卫星覆盖半张角确定轨道面总数量、单轨道面卫星部署数量和轨道升交点赤经间隔，汇总输出轨道构型参数；

10、基于所述轨道构型参数对所述低轨卫星星座内每颗卫星进行轨道相位均匀配置，得到对应的卫星瞬时空间坐标；

11、基于每颗卫星的所述卫星瞬时空间坐标与所述星载ais探测载荷参数计算单星覆盖范围，并结合所述低轨卫星星座的多星覆盖区域校验海域最小重访间隔时长，迭代调整所述低轨卫星星座内每颗卫星的轨道相位，直至所述海域最小重访间隔时长满足预设重访周期条件，生成所述星座部署配置信息。

12、优选的，所述海域最小重访间隔指标满足预设重访周期指标条件，包括：所述目标海域内的任意海域网格对应的所述海域最小重访间隔时长小于或等于预设重访周期阈值。

13、优选的，所述基于所述星座部署配置信息，在同轨道面的所述低轨卫星星座之间以及相邻轨道面的所述低轨卫星星座之间，分别建立双向星间链路并进行拓扑状态感知，生成动态拓扑视图数据，包括：

14、提取所述星座部署配置信息中的所述卫星瞬时空间坐标、轨道运动规律参数，为所述低轨卫星星座内每颗卫星配置同轨前向、同轨后向、异轨左向、异轨右向的双向激光通信载荷，并设定链路建立距离阈值、链路断开预警距离阈值，且所述链路建立距离阈值小于所述链路断开预警距离阈值；

15、基于所述卫星瞬时空间坐标确定同轨道面的所述低轨卫星星座内两颗卫星的实际空间距离，当所述实际空间距离小于或等于所述链路建立距离阈值时，自动对两颗卫星进行波束对准并握手建立所述双向星间链路，当所述实际空间距离大于或等于所述链路断开预警距离阈值时，触发链路断开预警事件并采集链路通断状态数据；相邻轨道面的所述低轨卫星星座之间的所述双向星间链路的建立方式同上；

16、基于所述链路通断状态数据，采集所述双向星间链路的可用带宽、排队时延、比特误码率和信号功率，生成本地链路状态报文并通过泛洪机制向全网广播，得到分布式链路状态报文；

17、汇总所述分布式链路状态报文并进行预处理，构建分布式链路状态矩阵并进行拓扑状态感知，生成所述动态拓扑视图数据。

18、优选的，所述基于sdn控制器接收所述动态拓扑视图数据，构建卫星网络有向拓扑图模型，结合卫星轨道预报数据，预测星间链路生命周期数据，并采用引入链路稳定性权重的改进dijkstra算法，计算ais业务流的最优转发路径并转换为openflow流表数据，包括：

19、基于所述sdn控制器接收所述动态拓扑视图数据，以所述低轨卫星星座内的卫星为图顶点、所述双向星间链路为有向边、所述双向星间链路的链路运行参数为边权重，构建所述卫星网络有向拓扑图模型；

20、将所述卫星轨道预报数据导入所述卫星网络有向拓扑图模型，预测预设时间窗口内的每条所述双向星间链路的链路建立时刻、链路断开时刻和链路剩余可用时长，汇总输出星间链路生命周期数据；

21、以端到端传输时延最小、链路平均存活时长最长作为多目标优化约束条件，采用引入链路稳定性权重的改进dijkstra算法，基于所述星间链路生命周期数据求解各条所述ais业务流从源卫星至地面信关站的所述最优转发路径；

22、将所述最优转发路径解析为openflow流表条目，并转换为所述openflow流表数据。

23、优选的，所述采用引入链路稳定性权重的改进dijkstra算法，基于所述星间链路生命周期数据求解各条所述ais业务流从源卫星至地面信关站的所述最优转发路径，包括：

24、提取所述动态拓扑视图数据中每条所述双向星间链路的单向传输时延d、可用带宽b和比特误码率e，经归一化处理后输出链路参数集合；

25、根据所述星间链路生命周期数据，获取每条所述双向星间链路的剩余可用时长t，结合所述ais业务流的预期持续时长，计算链路存活匹配度s为：

26、式中，为匹配度调节系数，用于调整剩余可用时长对链路存活匹配度的影响曲率；e为自然常数；

27、基于所述链路参数集合与所述链路存活匹配度，加权求和计算每条所述双向星间链路的综合路由代价c为：

28、式中，分别为时延权重系数、带宽权重系数、误码率权重系数与稳定性权重系数，且，为双向星间链路的最大传输时延，为ais业务流的最低需求带宽，为双向星间链路的最大误码率；

29、以所述综合路由代价为链路稳定性权重运行改进dijkstra算法，求解各条所述ais业务流从源卫星至地面信关站的最小代价路径，即所述最优转发路径。

30、优选的，所述将所述openflow流表数据下发至卫星转发平面并执行路由切换控制，基于路由切换控制结果，在拓扑突变时段启动自适应冗余编码拥塞管控机制，动态调整自适应传输控制参数，并对ais报文进行转发及传输，输出ais报文传输状态数据，具体包括：

31、通过所述双向星间链路，将所述openflow流表数据下发至所述卫星转发平面，在旧双向星间链路断开前的预设切换时间窗口内同步更新卫星转发表条目，并对所述卫星转发平面进行平滑路由切换，输出所述路由切换控制结果；

32、基于所述路由切换控制结果，在所述拓扑突变时段启动所述自适应冗余编码拥塞管控机制，检测所述最优转发路径的单向传输时延、队列缓存长度及实时丢包率，生成链路拥塞评估数据；

33、基于所述链路拥塞评估数据，自适应调整所述ais报文的前向纠错冗余编码比例和报文发送速率，生成所述自适应传输控制参数；

34、基于所述自适应传输控制参数对所述ais报文进行端到端转发及传输，并统计平均丢包率、平均传输时延和平均业务吞吐量，汇总输出所述ais报文传输状态数据。

35、基于ais的大规模低轨卫星星座组网控制系统，所述系统包括：

36、星座部署模块，用于根据目标海域的ais监控需求，对多轨道面的低轨卫星星座进行分布式部署并生成星座部署配置信息；

37、动态拓扑模块，用于基于所述星座部署配置信息，在同轨道面的所述低轨卫星星座之间以及相邻轨道面的所述低轨卫星星座之间，分别建立双向星间链路并进行拓扑状态感知，生成动态拓扑视图数据；

38、路径确定模块，用于基于sdn控制器接收所述动态拓扑视图数据，构建卫星网络有向拓扑图模型，结合卫星轨道预报数据，预测星间链路生命周期数据，并采用引入链路稳定性权重的改进dijkstra算法，计算ais业务流的最优转发路径并转换为openflow流表数据；

39、报文传输模块，用于将所述openflow流表数据下发至卫星转发平面并执行路由切换控制，基于路由切换控制结果，在拓扑突变时段启动自适应冗余编码拥塞管控机制，动态调整自适应传输控制参数，并对ais报文进行转发及传输，输出ais报文传输状态数据。

40、一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，当所述处理器运行所述存储器存储的计算机程序时，所述处理器执行如上任意一项所述的基于ais的大规模低轨卫星星座组网控制方法的步骤。

41、一种可读存储介质，所述可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时用于实现如上任意一项所述的基于ais的大规模低轨卫星星座组网控制方法的步骤。

42、与相关技术相比较，本发明提供的基于ais的大规模低轨卫星星座组网控制方法及系统具有如下有益效果：

43、本发明根据目标海域的ais监控需求，对多轨道面的低轨卫星星座进行分布式部署并生成星座部署配置信息；基于星座部署配置信息，在同轨道面的低轨卫星星座之间以及相邻轨道面的低轨卫星星座之间，分别建立双向星间链路并进行拓扑状态感知，生成动态拓扑视图数据；基于sdn控制器接收动态拓扑视图数据，构建卫星网络有向拓扑图模型，结合卫星轨道预报数据，预测星间链路生命周期数据，并采用引入链路稳定性权重的改进dijkstra算法，计算ais业务流的最优转发路径并转换为openflow流表数据；将openflow流表数据下发至卫星转发平面并执行路由切换控制，基于路由切换控制结果，在拓扑突变时段启动自适应冗余编码拥塞管控机制，动态调整自适应传输控制参数，并对ais报文进行转发及传输，输出ais报文传输状态数据，从而可以提升ais报文的传输稳定性与实时性，保障海域船舶监测数据的持续、可靠回传。

44、本发明可以结合海域船舶监测需求制定星座分布式部署策略，按照海域监测优先级迭代调优卫星轨道相位，以适配各区域的船舶探测任务，有效提高星载ais载荷的海域覆盖能力。本发明在同轨道、相邻轨道间搭建双向星间激光链路，并引入分布式拓扑感知机制，实时采集链路通断、时延、带宽、误码等多维度运行指标，生成动态拓扑视图，实现全网通信状态的实时感知；通过融入链路稳定性权重的改进路由算法，综合传输时延、可用带宽、误码率、链路剩余存活时长等多维度代价进行路径优选，避开存续时间较短的失效链路，减少反复重路由带来的网络开销。本发明为路由更新过程配置了平滑切换窗口，可以防止数据转发中断，并在网络拓扑剧烈变动时启动自适应冗余编码拥塞控制机制，动态调节报文纠错冗余占比与发送速率，疏导链路拥塞，减少报文丢失、缩短传输时延。本发明可以实现低轨卫星网络的协同管控，显著提升大规模星座下ais报文传输的稳定度与实时性，保障海域船舶监测数据持续、可靠回传，满足船舶密集海区的海上长期ais监测需求。