序列式低轨星座全连通网络拓扑结构设计方法

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28600

Abstract

Abstract:

The fully-connected topology of Low Earth Orbit （LEO） hybrid constellation is one of key factors to ensure the required communication capability. However， the solution space expands exponentially with the increase of the number of satellites in designing the topology structure， which makes the problem of solving an optimal topology structure more difficult. In this paper， a sequence-based fully-connected topology design method is proposed for the overall or partial satellites of LEO hybrid constellation. The proposed method overcomes the limitation of constellation configuration using the traditional topology design strategy and the uncertainty of full connectivity. Firstly， a constellation Inter-Satellite Link （ISL） evaluation matrix is defined， and a mathematical model for the constellation network topology is established based on the graph theory. Then， considering the requirement of fully-connectivity， a sequence-based topology design method is proposed， which transforms the adjacency matrix solving problem into a fully-connected sequence design problem. The Ant Colony Optimization （ACO） algorithm is used to generate and optimize the fully-connected sequence. Finally， the topologies of the LEO hybrid constellation and the local satellite collection in Starlink are designed to illustrate the advantages of the proposed method in terms of connectivity and verify its applicability to any distributed satellite collection. The results show that the proposed method can meet the full connectivity requirements when the number of ISLs of each satellite is extremely small. Meanwhile， the method proposed is not limited by the configuration of constellation or satellite collection， and can be used to design the strong connectivity topology for entire constellation or local satellite collection.

Key words: Low Earth Orbit (LEO) constellation, topology construction, Inter-Satellite Link (ISL), full connectivity, mega-constellation

CLC Number:

V448.2

Yao XIAO, Shuai GUO, Zhen YANG, Yazhong LUO. Sequence-based fully-connected network topology design method for LEO constellation[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(24): 328600-328600.

Figures/Tables 13

Fig.1

Fig.2

Table 1

Simulation parameters of ACO for hybrid constellation

参数	数值
蚂蚁数量 $m$	1 000
信息素重要程度因子 $α$	1
启发函数重要程度因子 $β$	5
信息素挥发因子 $ρ$	0.2
信息素局部更新因子 $γ$	0.2
“利用”策略选择概率 $q 0$	0.05
信息素释放量因子 $Q$	1
最大迭代次数	3 000

Table 1

Fig.3

Fig.4

Fig.5

Table 2

Table 3

Table 4

Table 5

Fig.6

Table 6

Fig.7

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指标	贪婪式建链方法	序列式设计方法
连通性	不满足全连通	112
抗毁伤性	0.823 994	0.824 0

参数	最小值	最大值
经度/（°）	73.66	135.05
纬度/（°）	3.86	53.55

参数	数值
方位角变化率/（rad·s^-1）	0.1
俯仰角变化率/（rad·s^-1）	0.1
距离变化率/（km·s^-1）	3

参数	数值
种群大小m	500
信息素重要程度因子α	1
启发函数重要程度因子β	5
信息素挥发因子ρ	0.2
信息素局部更新因子γ	0.2
“利用”策略选择概率q₀	0.05
信息素释放量因子Q	1
最大迭代次数	1 000

空间分布	卫星数量	连通性	抗毁伤性
1	28	5	1.798 384
2	29	5	1.742 444
3	30	6	1.741 747
4	29	5	1.763 127
5	30	7	1.773 892
6	70	8	1.668 033

Sequence-based fully-connected network topology design method for LEO constellation

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