一种多轨道器中继通信方法
技术领域
本发明属于深空通信技术领域，具体涉及一种多轨道器中继通信方法。
背景技术
目前，地外行星表面探测任务已成为国内外关注的重点，未来还有可能实施载人登陆任务，信息传输需求量很大。在行星表面探测任务中，用户终端(如火星车)通常采用两种方式实现数据收发：第一种是采用S频段全向天线，通过直接对地链路与地球深空站建立连接，实现点对点直接通信；第二种是采用UHF频段全向天线，通过近距无线链路与轨道器建立连接，通过CCSDS Proximity-1协议(简称邻近空间协议)实现端到端中继通信。
在现有技术体制下，直接对地链路信息传输能力十分有限，可作为传输关键状态信息的备份链路以提高任务可靠性，大容量业务应用数据主要采用近距无线链路承载即采用中继通信技术实现数据回传。行星中继通信系统主要由地球深空站、轨道器和行星表面的用户终端组成。多颗轨道器组网运行可对行星表面用户实现较高覆盖率，并为用户提供灵活可靠的数据中继传输服务。地球深空站由分布于地球不同经度位置的大口径天线或天线阵构成，可以实现对天方向接近4π立体角的指向覆盖。除行星上合期间凌日干扰等恶劣空间环境影响外，地球深空站构成的深空测控网可以实现对于行星的准连续通信支持。多轨道器由多个航天机构的异构轨道器群组成，各轨道器具有不同的轨道参数与通信条件，在执行行星中继通信的同时还要兼顾行星表面及大气的勘查任务，其中继转发能力具有动态变化的特点。
目前，国内外在轨或即将发射的行星探测器等用户终端均在近距无线链路上部署了邻近空间协议，用来实现用户终端与轨道器之间的中继通信，其中：
1)物理层支持自适应调制编码技术，信息传输速率可根据信道质量分档自动设置，在信道利用率方面可实现信息传输容量效益的最优化；
2)链路层采用单址接入方式，当同时有多个轨道器具备接入条件时，用户终端采用先到先得策略选择接入点，即仅与首个建立握手信号的轨道器通信，在接纳控制方面并未实现信息传输容量效益的最优化。
发明内容
本发明提供一种多轨道器中继通信方法，在兼容原有邻近空间协议的基础上，通过博弈计算与信息交互实现了吞吐量、公平性、存储成本、传输成本等方面系统综合性能优化，进一步提升中继通信的使用效益，实现信息传输容量效益的最优化。
本发明的技术方案是这样实现的，一种多轨道器中继通信方法，包括：
业务协调阶段，包括利用预设轨道器接入优选函数进行博弈计算，生成轨道器服务计划并广播发送；其中，所述预设轨道器接入优选函数用于确定每个工作时隙以单位传输容量条件下系统成本最低为目标用户终端选择接入的轨道器；
业务服务阶段，包括各轨道器与用户终端之间根据所述轨道器服务计划建立数据传输通道，完成中继通信服务。
进一步地，所述系统成本，是根据轨道器的航天机构间权重因子、轨道器的在轨存储状态权重因子、轨道器的邻近空间距离权重因子、轨道器存储成本、用户终端与轨道器近距无线链路的信息传输成本计算得到的。
进一步地，所述预设轨道器接入优选函数如下：
其中，Orbiter(t)表示第t个工作时隙用户终端选择接入的轨道器，
进一步地，所述第t个工作时隙轨道器n所属中继全程链路的系统成本是利用如下系统成本函数得到的：
其中，c(q)表示轨道器存储成本函数，q表示轨道器存储百分比，α1表示轨道器存储成本函数的幂指数，d(r’)表示用户终端与轨道器近距无线链路的信息传输成本，r’表示用户终端与轨道器之间近距无线链路空间距离，
进一步地，所述轨道器存储百分比是通过已用存储空间除以存储空间总量获得的。
进一步地，所述已用存储空间利用如下计算式得到：
其中，V(t)表示第t个工作时隙已用存储空间，V0表示跟踪弧段内入站时刻的初始占用存储空间；r1(i’)表示跟踪弧段内第i’个工作时隙用户终端中继输入速率，i’≤t；I(·)表示存在性函数，所述存在性函数表示当前工作时隙是否存在输入/输出；r2(j’)表示跟踪弧段内第j’个工作时隙轨道器科学观测速率，j’≤t；r3(k)表示跟踪弧段内第k个工作时隙轨道器直接对地速率，k≤t。
进一步地，所述业务协调阶段，还包括：
各轨道器向用户终端发布空闲窗口、轨道根数及提交服务申请，其中，所述空闲窗口是轨道器能够向用户终端提供中继通信服务的时间段；
用户终端向各轨道器发送预定轨迹/运动区域及轨道器服务计划。
进一步地，所述服务申请包括第一服务申请和第二服务申请；
所述第一服务申请的提交时间为在次日空闲窗口发布之后、当日最后一圈出站前，且所述第一服务申请中所有服务窗口的最早开始时间与最晚结束时间均在次日时间范围内；
所述第二服务申请的提交时间为空闲窗口内。
进一步地，所述业务服务阶段，还包括：
进行空间数传链路切换或用户终端速率切换。
进一步地，所述中继通信服务，包括：
在弯管转发工作模式下，某一服务窗口内中继全程链路的建立，包括：
直接对地链路建立阶段：在轨道器服务计划中的直接对地链路服务申请发送时间，在直接对地链路可用的条件下，轨道器与深空站建立通信链路，并传递轨道器状态信息；
近距无线链路建立阶段：近距无线链路建立成功后，轨道器与用户终端能够交换轨道器状态、用户终端状态、前向用户终端数据、返向用户终端数据及用户终端传输状态控制信息；中继通信服务结束后，轨道器与用户终端之间先关闭近距无线链路通道，之后释放轨道器与深空站的通信链路。
本发明至少具有如下有益效果：
在多轨道器接入场景下，在兼容原有邻近空间协议的基础上，通过博弈计算与信息交互实现了吞吐量、公平性、存储成本、传输成本等方面系统综合性能优化，可进一步提升中继通信的使用效益，实现信息传输容量效益的最优化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1(a)是本发明实施例提供的轨道器1的独立几何覆盖三维示意图；
图1(b)是本发明实施例提供的轨道器2的独立几何覆盖三维示意图；
图2是本发明实施例提供的用户终端r与轨道器i之间观测几何示意图；
图3是本发明实施例提供的两个轨道器的交叠几何覆盖二维示意图，其中，绿色阴影部分为交叠覆盖区域；
图4是本发明实施例提供的用于交叠覆盖区域面积分析的三维几何模型；
图5是本发明实施例提供的多轨道器接入方法的主要信息交互关系；
图6是本发明实施例提供的常规申请提交与计划生成过程示意图；
图7是本发明实施例提供的常规申请提交与计划生成过程轨道器与用户终端信息交互操作；
图8是本发明实施例提供的临时申请提交与计划生成过程轨道器与用户终端信息交互操作；
图9是本发明实施例提供的业务服务阶段中继全程链路的基本工作过程；
图10是本发明实施例提供的轨道器A信道通断情况；
图11是本发明实施例提供的轨道器B信道通断变化情况；
图12是本发明实施例提供的轨道器A当前时隙数据量变化情况；
图13是本发明实施例提供的轨道器B当前时隙数据量变化情况；
图14是本发明实施例提供的双轨道器已用存储空间占比情况；
图15是本发明实施例提供的不同方法单位传输容量系统成本工作性能比较；
图16是本发明实施例提供的引入轨道器切换开销前后不同方法工作性能比较；
图17是本发明实施例提供的引入机构间权重后本发明方法工作性能比较。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
相关技术中，以邻近空间协议为技术基线提出了基于博弈论的中继多星接入优选方法，通过在空间传输距离基础上引入轨道器存储空间状态作为博弈要素，使单位传输容量系统成本消耗方面性能最优。尽管如此，申请人经过对相关技术的研究和分析得知，该方法面向工程应用仍存在以下不足：
1)该方法设计条件较为理想，忽略了轨道器切换过程的时间开销，无法准确评估在行星探测工程应用中所能带来的实际使用效益，因此需要进行改进，将切换时间开销纳入优化过程。
2)该方法假设各轨道器具有相同的服务优先级，然而在实际工程任务中，不同航天机构的轨道器在为本机构或其他机构的用户终端提供服务时往往具有一定倾向性，因此需要对方法进行改进，将不同航天机构的服务权重纳入优化过程。
3)该方法测试条件较为理想，对轨道器运行轨道进行了专门设计，忽略了轨道器之间初始升交点赤经的差异性，无法完整评估在行星探测工程应用中所能带来的实际使用效益，因此需要完善测试条件，针对不同轨道条件进行较为充分的测试。
4)该方法仅考虑中继通信对于轨道器存储空间的使用，未考虑轨道器观测任务数据输入以及直接对地链路输出对于轨道器存储空间的影响，因此需要统筹考虑双输出/单输出对各轨道器存储空间的占用情况。
此外，该方法侧重于方法设计与实现，并未结合临近空间协议的Hailing信道与Working信道给出轨道器与用户终端之间的具体信息交互和数据传输过程。
以下结合附图描述本发明实施例的多轨道器接入方法，以实现基于多属性决策进行中继多轨道器接入优选。
首先，构建系统模型，对术语“轨道器”、“用户终端”、“交叠覆盖区域”、“边缘挺进因子”、“相对几何权重”等表达的含义进行解释，便于更好地理解本发明的具体实施方式。
图1(a)、图1(b)给出了不同轨道高度的轨道器i，其中i＝1，2，对于地外行星(如火星)表面独立几何覆盖的三维示意图，其中αi表示轨道器i对地外行星方向的半波束角，hi表示轨道器i距离地外行星表面的轨道高度(均为近圆轨道)，Di表示轨道器i覆盖区域的几何半径，计算公式为Di＝hi×tanαi。不失一般性，假设轨道器1的轨道高度低于轨道器2的轨道高度，即h1＜h2，这种简化并不影响本发明的实施效果。
术语定义如下：
坐标系：二维笛卡尔坐标系，记为x-o-y；
小圆(图1(a)中的圆)：轨道器1的覆盖边缘，轨道高度h1较低、覆盖半径D1较小；
大圆(图1(b)中的圆)：轨道器2的覆盖边缘，轨道高度h2较高、覆盖半径D2较大；
圆心距连线：小圆圆心与大圆圆心之间的水平连线，记为D12；
边缘点：大小圆与圆心距连线之间交点，其中Ep1记为小圆与圆心距连线之间交点，Ep2记为大圆与圆心距连线之间交点；
边缘挺进因子：大小圆边缘点之间的距离，记为dEp12＝Ep1-Ep2；
交叠覆盖区域：大小圆围成的图形在二维平面中的交集，记为A；
交叠覆盖区域右子集：交叠覆盖区域子集，位于用户终端坐标相对于x轴垂线右侧，记为Sright；
相对几何权重：基于二维坐标系描述双轨道器相对空间关系的出现概率，记为w；
中继全程链路：由近距无线链路和直接对地链路组成，其中前者为用户终端与轨道器之间的近距无线链路、采用邻近空间协议，后者为轨道器与地球深空站之间的深空骨干链路、采用CCSDS AOS协议。
其次，对轨道器的几何覆盖进行描述：
为了提供更好的数据中继服务支持，轨道器对地外行星方向的数据中继天线通常设计为准全向天线模式，以提供最佳的地外行星表面覆盖范围，如图2所示，其半波束角αi见公式(1)所示：
其中，E是用户终端r的最低观测仰角(工程上一般选择5°)，v是轨道器i的速度矢量，Rm表示地外行星(如火星Mars)平均半径。
如果一个用户终端(如火星车)同时被多个轨道器覆盖(通常为2个)，有必要对接入点进行优选以提升数据传输的服务质量。
图3所示为二维x-o-y坐标系下两个轨道器相对于用户终端的交叠几何覆盖示意图，其中轨道器1的星下点坐标为(0，0)，轨道器2的星下点坐标为(D12，0)，D12表示两个轨道器星下点之间的距离，用户终端r位于坐标(x，y)，d1表示用户终端r与轨道器1星下点之间的距离，d2表示用户终端r与轨道器2星下点之间的距离。用户终端r与两个轨道器之间的空间距离分别为
为了进一步分析交叠覆盖区域面积的分布情况，本发明实施例构建了相应的如图4所示的三维几何模型，其中：
x-y-z：三维笛卡尔坐标系，其中轨道器1的星下点位于坐标系原点O，轨道器2的星下点位于D12，D12＝D1+D2-dEp12；
di：用户终端与轨道器i星下点之间的空间距离(位于地外行星表面)，i＝1，2；
ri：用户终端与轨道器i之间的空间距离，i＝1，2；
A：大小圆的交点(y轴正方向)，其中
B：小圆与过用户终端垂线的交点(y轴负方向)，其中
B：
β1：向量
β2：向量
再次，描述基于多属性决策进行中继多轨道器接入优选的约束与假设：
(1)跟踪事件
本发明实施例以用户终端与两个轨道器同时可见条件下的接入优化问题为例，可以理解的是，轨道器数目n＞2的情况可参考两个轨道器的情况。跟踪弧段时长可用
(2)信息速率
对于直接对地链路，天体之间的相对运动属于长期变化，地球与地外行星之间的距离变化相对缓慢，虽然从整个任务周期来看，轨道器直接对地信道属于时变信道，信道容量具有时变性。尽管如此，对于某个用户终端与轨道器跟踪弧段来说，可以将其信道容量设定为常数。若要对长期通信性能进行分析，则可以考虑采用3档制对地球-地外行星之间的深空信道进行划分，即地球与地外行星之间单向时长约为8min～20min，单向距离变化范围约为Rmin～2.5Rmin，通信速率约为vmin～6.25vmin，则可划分为vmin/2vmin/4vmin，Rmin为地球与地外行星之间的最短欧式空间距离，与天体运行规律有关，vmin为地球与地外行星之间的最低通信速率，在发射功率、接收天线增益一定的情况下，仅与空间距离有关。
对于近距无线链路，与直接对地链路相比，基于邻近空间协议的中继通信的一个明显特点是在用户终端接入信道上采用了自适应编码调制技术(Adaptive Coding andModulation，ACM)。数据传输速率根据信道状态进行自适应调节，取值满足rate＝2n′[kbps]，n’＝0，1，2，...，12，即当传输距离较远时采用低速率、距离较近时切换为高速率，遵从平方反比定律。在本发明实施例的近距无线链路分析中，主要考虑空间距离以及轨道器存储成本的动态变化与用户终端中继接入性能的定量关系，既不考虑不同轨道器之间通信机物理参数的差异，也不涉及不同信道噪声模式对于数据传输性能的影响。
此外，本发明实施例还考虑了轨道器所需兼顾的科学观测任务，观测数据的产生与轨道器任务规划以及科学载荷的工作特性有关，属于较为复杂的任务规划问题。由于本发明实施例侧重于中继通信接入优化调度问题，因此将科学观测数据输入速率假定为齐次泊松分布。
(3)数据量与存储空间
对于用户终端而言，假定用户终端是一个具有海量待传应用数据的信息源，在跟踪过程中可以源源不断地提供返反向传输数据。
对于轨道器而言，由于轨道器存储资源受限且为多类科学观测任务以及中继通信所共享，因此存储空间往往会设定一个最大使用量，这一约束需要在进行轨道器接入优选函数设计时予以考虑。
(4)机构间权重
在已有的近距无线链路多址接入优化方法中，假设各用户终端具有相同的任务优先级，然而在实际工程任务中，不同航天机构的轨道器在为本机构或其他机构的用户终端提供服务时往往具有一定倾向性，因此有必要在进行轨道器接入优选函数设计时引入机构间权重，在机构间协同工作期间对各接入资源进行加权调度。
(5)通信状态切换时间开销
在已有的近距无线链路多址接入优化方法中，设计条件较为理想，忽略了轨道器切换与通信状态切换带来的时间开销，无法准确评估轨道器接入优选函数在地外行星探测工程应用中所能带来的实际使用效益，因此需要对轨道器接入优选函数进行改进，将切换时间开销纳入优化过程。
在本发明的一个实施例中，提供了一种多轨道器接入方法，包括：业务协调阶段和业务服务阶段，其中：
业务协调阶段，包括利用预设轨道器接入优选函数进行博弈计算，生成轨道器服务计划并广播发送；其中，预设轨道器接入优选函数用于确定每个工作时隙以单位传输容量条件下系统成本最低为目标用户终端选择接入的轨道器。
业务服务阶段，包括各轨道器与用户终端之间根据轨道器服务计划建立数据传输通道，完成中继通信服务。
优选地，上述系统成本，是根据轨道器的航天机构间权重因子、轨道器的在轨存储状态权重因子、轨道器的邻近空间距离权重因子、轨道器存储成本、用户终端与轨道器近距无线链路的信息传输成本计算得到的。
具体来说，第t个工作时隙轨道器n所属中继全程链路的系统成本是利用如下系统成本函数得到的：
其中，c(q)表示轨道器存储成本函数；
q表示轨道器存储百分比，轨道器存储百分比是通过已用存储空间V(t)除以存储空间总量V获得的；已用存储空间利用如下计算式得到：
其中，V(t)表示第t个工作时隙已用存储空间，V0表示跟踪弧段内入站时刻的初始占用存储空间；r1(i’)表示跟踪弧段内第i’个工作时隙用户终端中继输入速率，i’≤t；I(·)表示存在性函数，存在性函数表示当前工作时隙是否存在输入/输出；r2(j’)表示跟踪弧段内第j’个工作时隙轨道器科学观测速率，j’≤t；r3(k)表示跟踪弧段内第k个工作时隙轨道器直接对地速率，k≤t；
α1表示轨道器存储成本函数的幂指数；
d(r’)表示用户终端与轨道器之间近距无线链路的信息传输成本；
r’表示用户终端与轨道器之间近距无线链路空间距离；
αt(n)表示轨道器n的航天机构间权重因子；
λc(n)表示轨道器n的在轨存储状态权重因子；
λd(n)表示轨道器n的邻近空间距离权重因子。
下面对预设轨道器接入优选函数的建立进行描述：
对于探测器(如轨道器、火星车)而言，能源分系统的长期稳定运转是确保任务有效实施的重要前提。现阶段，探测器能源分系统主要利用太阳能帆板获取日照能量，转换为电能后存储在蓄电池组中，由供配电分系统按需给各仪器设备供电。技术研究与航天工程实践表明，能源分系统的有效工作寿命取决于航天任务周期内的总能源消耗需求。
蓄电池储电容量CB与放电深度DOD之间满足数学关系式：
其中，P表示探测器处于地外行星阴影区遮挡期间T的输出功率，N是蓄电池组电池数量，η是电池效率。
此公式表明蓄电池储电容量与放电深度成反比关系。由此推知，如果中继通信大容量数据传输耗能过大，势必要求更多的可用蓄电池储电容量，从而导致较低的放电深度。根据蓄电池储电容量与放电深度的数学关系式，较低的放电深度意味着探测器较早地进入了寿命末期，从而减少了探测器的有效工作寿命。
通过上述分析，在设计轨道器接入优选函数的优化目标时，不仅要着眼于提高数据中继的传输容量，还需要综合考虑能源消耗(即系统成本)对轨道器有效工作寿命的影响，因此这也是一个多属性决策问题，优化时需要在传输容量与系统成本之间取得折中。该问题的优选准则有两个等价描述，即“单位传输容量条件下系统成本最低”与“单位系统成本条件下传输容量最高”，二者互为对偶问题。在本发明实施例中，考虑到深空探测任务更倾向于确保探测器长期有效在轨工作，因此多星单车接入优选策略应在满足用户终端的中继传输需求同时，尽可能兼顾延长轨道器有效工作周期，使得轨道器可以在相对较长的生命周期中提供高质量的数据中继服务，即在保证数据吞吐量的前提下尽可能降低功耗(成本)从而延长探测器寿命，因此选择前者作为优化目标，即“单位传输容量条件下系统成本最低”，即以单位传输容量条件下系统成本最低为目标，确定每个工作时隙用户终端选择接入的轨道器，预设轨道器接入优选函数如下：
其中，Orbiter(t)表示第t个工作时隙用户终端选择接入的轨道器，TPt(n)表示第t个工作时隙轨道器n的数据传输吞吐量，
本实施例中，在业务协调阶段，轨道器与火星车通过Hailing信道交互信息，轨道器向用户终端提供最新的轨道根数、空闲窗口以及中继通信服务能力，用户终端向轨道器提供最新的预定轨迹/运动区域，并对接收的多轨道器服务能力进行博弈计算，主要博弈要素包括通信双方空间位置、机构间权重、轨道器存储空间、中继输入速率、轨道器观测速率、轨道器直接对地速率、博弈计算时延开销等，生成各轨道器的服务计划后通过码分多址方式向各轨道器广播发送；业务服务阶段，轨道器与火星车之间通过Working信道进行业务数据传输，传输模式沿用邻近空间协议自适应调制编码方案，根据任务需要进行空间数传链路切换或用户终端速率切换。在轨道器对地方向，采用CCSDS AOS协议为技术基线，根据轨道根数与存储区的数据量采用合适的传输速率完成返向数据传输。本实施例的方法在兼容原有邻近空间协议的基础上，通过博弈计算与信息交互实现了吞吐量、公平性、存储成本、传输成本等方面系统综合性能优化，可进一步提升中继通信的使用效益，实现信息传输容量效益的最优化。
进一步地，上一实施例中的多轨道器接入方法的主要信息交互关系如图5所示。值得说明的是，图5体现的是轨道器与用户终端(如火星车)之间的信息交换关系，没有时间先后的必然关联，实际使用时可根据需要进行相应的操作，用户终端负责发布轨道器工作时段，轨道器虽然提供中继资源接入服务，但是资源管理的职责是由用户终端承担。下面对业务协调阶段的实施过程做进一步说明：
具体地，在业务协调阶段，在利用预设轨道器接入优选函数进行博弈计算之前，还包括：
各轨道器向用户终端发布空闲窗口、轨道根数及提交服务申请；以及用户终端向各轨道器发送预定轨迹/运动区域及轨道器服务计划。
空闲窗口是轨道器能够向用户终端提供中继通信服务的时间段，空闲窗口的发布途径为Hailing信道。轨道器的空闲窗口，包括公共空闲窗口和定向空闲窗口，其中：
公共空闲窗口：指未被其他在轨任务占用的空闲时段；
定向空闲窗口：指已被其他在轨任务占用的时段，但该时段还可以为特定用户终端提供中继服务，因此该时段对于特定用户终端是空闲窗口。
空闲窗口发布方式主要包括：
定期发布：轨道器在当日最后一圈出站前，向用户终端发布次日的轨道器空闲窗口，作为用户终端进行次日博弈优化计算的输入参考。
实时发布：用户终端向轨道器发布服务计划后，轨道器一旦出现资源调整，即实时更新轨道器空闲窗口并向用户终端发布，便于用户终端根据任务需求，更新轨道器服务计划。
轨道器服务计划是根据轨道器服务申请，经利用预设轨道器接入优选函数进行博弈优化计算后生成的正式服务计划，该时段内轨道器与用户终端之间进行中继数据传输。用户终端通过Hailing信道向轨道器发布各自的轨道器服务计划，并根据情况实时发布更新后的轨道器服务计划。
其中的服务申请包括第一服务申请(也就是常规申请)和第二服务申请(也就是临时申请)，具体地，在服务申请被判为合法的基础上，第一服务申请的提交时间为在次日空闲窗口发布之后、当日最后一圈出站前，且第一服务申请中所有服务窗口的最早开始时间与最晚结束时间均在次日时间范围内；除常规申请之外的申请为轨道器提交的临时申请，第二服务申请的提交时间为空闲窗口内。
以用户终端为观测点，常规申请的提交及服务计划生成与发布的基本过程分为三个子阶段：接收申请子阶段、计划生成子阶段、计划发布子阶段。服务申请提交与计划生成阶段，其过程时间关系如图6所示，用户终端与轨道器之间的信息互操作如图7所示，其中；
(1)接收申请子阶段：当日末圈出站前
该阶段，用户终端接收轨道器提交的次日服务申请，对其进行合法性检查，通过检查(判定合法)的服务申请被受理并等待博弈计算，对不合法的服务申请将被直接拒绝(如该轨道器未授权向用户终端提供服务)。
在轨道器提交服务申请前，用户终端需要向轨道器提供最新的预定轨迹/运动区域，轨道器需向用户终端提供最新的轨道根数、空闲窗口。
用户终端对接收的服务申请进行正确性检查，包括语法合法性检查，并复核服务申请时段轨道器对用户终端是否可见。复核规则为：该轨道器任意一个服务窗口的时段内用户终端对轨道器可见则为复核通过。
(2)计划生成子阶段：当日末圈出站后至次日首圈进站前
该阶段，用户终端对复核通过的服务申请进行博弈计算，并生成各轨道器的服务计划。
(3)计划发布子阶段：次日首圈进站后
该阶段，用户终端根据任务规划情况向各轨道器采用码分多址方式广播发送当日服务计划。
可以理解的是，由于博弈优化原因没有复核通过的服务申请，轨道器可根据服务计划情况，采用临时申请的方式进行补充：
轨道器提交的临时申请应尽量安排在空闲窗口内，并综合利用轨道器服务申请中的轨道器标识、最早可以开始时间、最晚必须结束时间、备选窗口、最短服务弧段等弹性选项，来提高申请被满足的概率。
用户终端在对临时申请进行博弈解算时，首先按照航天机构优先级进行处理(与用户终端归属同一航天机构的轨道器具有较高的优先级，在通信条件基本相当的情况下可优先选作中继接入点)，若该临时申请需要抢占正在执行或已制定的服务计划，则需要用户终端进行二次博弈优化解算，对于相同优先级的任务采用先到先得的处理原则。可以理解的是，临时申请一般出现在某航天机构的轨道器有故障或其他观测业务需要占用轨道器现有资源的条件下。
临时申请提交与计划生成阶段，用户终端与轨道器之间的信息互操作流程如图8所示。若轨道器轨道发生变化，则轨道器在提交轨道器的临时申请信息时，需至少提前1秒向用户终端提供最新的轨道根数。用户终端对收到的临时申请信息进行正确性检查，包括合法性检查，复核服务申请时段轨道器对用户终端是否可见。
在本发明的另一个实施例中，在业务服务阶段，中继全程链路的基本工作过程如图9所示，各轨道器与用户终端之间根据轨道器服务计划建立数据传输通道，完成中继通信服务，具体包括：
a)在存储转发工作模式下，直接对地链路与近距无线链路为两个独立的工作阶段。
b)在弯管转发工作模式下，某一服务窗口内中继全程链路的建立，包括：
直接对地链路建立阶段：在轨道器服务计划中的直接对地链路服务申请发送时间，在直接对地链路可用的条件下，轨道器与深空站建立通信链路，并传递轨道器状态信息；
近距无线链路建立阶段：近距无线链路建立成功后，轨道器与用户终端能够交换轨道器状态、用户终端状态、前向用户终端数据、返向用户终端数据及用户终端传输状态控制信息；中继通信服务结束后，轨道器与用户终端之间先关闭近距无线链路通道，之后释放轨道器与深空站的通信链路。
在业务服务阶段的中继通信服务过程中，轨道器与用户终端之间数据传输链路采用动态建链接入方式，即：在Working信道数据传输开始前，需要通过Hailing信道接入交互信息，完成轨道器与用户终端之间的近距无线链路的建立；在Working信道数据传输开始后，根据任务需要，进行空间数传链路切换或用户终端速率切换等交互流程，以实现空间链路管理与状态监视。
(A)空间数传链路切换的交互流程，包括：
a)空间数传链路服务申请与应答
在空间数传链路建立过程中，轨道器根据轨道器服务计划信息中明确的空间数传链路服务申请发送时间，向用户终端发送空间数传链路服务申请信息，用户终端收到该信息后返回空间数传链路服务申请应答信息，双方建立空间数传链路。
b)空间数传链路切换申请与应答
在进行数据中继任务时，用户终端或轨道器出于某种原因(设备故障，自适应调制编码方案调整，或者其他在轨任务带来的资源冲突等)需要切换数据传输状态时，由发起方进行状态切换并发送空间数传链路切换申请信息，接收方收到切换申请后进行合法性检查并返回空间数传链路切换申请应答。数传链路切换过程中会导致部分数据丢失，用户终端可设置相应的数据缓存进行断点续传。
(B)用户终端速率切换的交互流程，包括：
在业务服务阶段，在符合链路预算与邻近空间协议速率档位约束前提下，用户终端根据业务需要向轨道器发送用户终端速率切换命令，明确用户终端速率切换的时间以及切换前后的数据速率。轨道器收到该命令后，根据速率切换要求完成相关设备状态切换。
(C)数传链路服务停止与应答的交互流程，包括
在业务服务阶段，在当前服务时段约定停止服务时刻，用户终端通过Hailing信道向当前轨道器发送数传链路服务停止命令关闭Working信道，轨道器接收命令并关闭Working信道，并通过Hailing信道向用户终端发送数传链路服务停止应答消息。此外，用户终端还可根据服务计划按需完成空间数传链路切换操作，将数传业务切换至其他可用轨道器。
为了验证本发明实施例提供的多轨道器接入方法的服务性能，对轨道器存储空间占用情况与多轨道器接入优选情况进行仿真测试，其中用户终端为火星车，具体工作性能如下：
1、轨道器存储空间占用情况仿真测试
(1)仿真条件
轨道器存储空间占用情况仿真涉及的主要输入/输出事件如下：
事件A：火星中继注入依赖于火星车的巡视计划，具有独立性，与轨道器运行轨道、火星车当前位置存在关联性；
事件B：轨道器科学观测依赖于轨道器的观测计划，具有独立性，与轨道器运行轨道存在关联性；
事件C：直接对地通信依赖于轨道器的运行轨道；
从以上分析可以看出，该三个事件通过轨道器的运行轨道产生了弱关联性为准静态链接，其中轨道器组成接入网络，能够与火星车保持连续通视，通信速率与通信时延保持稳定；与地球深空站之间可以通过公转轨道中继星座或其他通信节点实现全程通信，通信速率与通信时延存在一定抖动(源于多跳中继链路变化与行星间相互距离变化等因素)。
在这种情况下，事件A中继注入、事件B科学观测是两个独立事件，均为存储器注入事件。首先，可以用泊松分布来构造接触图模型；然后，进一步考虑注入速率的问题，即每个时隙发送的数据量。
对于中继数据：时段考虑泊松分布，信息速率考虑泊松数据流；
对于观测数据：时段考虑泊松分布，信息速率考虑泊松数据流；
对于直接对地：时段考虑泊松分布，信息速率考虑稳恒数据流；
比判原则：按照存储空间大小，优选可用存储空间大的轨道器作为接入节点；
(2)仿真结果
轨道器A信道通断情况如图10所示，轨道器B信道通断变化情况如图11所示，轨道器A当前时隙数据量变化情况如图12所示，轨道器B当前时隙数据量变化情况如图13所示，双轨道器已用存储空间占比情况如图14所示。
2、多轨道器接入优选情况仿真测试
(1)仿真条件
为充分验证本发明方法的工作性能，特选择两个参考方法进行比较分析，包括：
a)邻近空间协议
邻近空间协议的接纳控制策略可描述为‘单址接入、先到先得’，意味着火星车优先选择最早进入可视范围并通过Hailing信道与之完成呼叫建链的轨道器，在跟踪弧段内火星车一直与该轨道器保持通信连接，直至该轨道器离开可视范围或通过Hailing信道退链为止。
b)距离优先方法
对于地球轨道卫星星座常用的距离优选方法而言，每个通信时隙中火星车选择空间距离最小的轨道器作为接入节点。在该方法下，第t个工作时隙的轨道器选择准则如下式所示：
其中，Orbiter(t)表示第t个工作时隙选中的轨道器，ri，t表示第t个工作时隙火星车到轨道器i之间的空间距离。
此外，在仿真测试中设置时隙(时长10秒)，切换时间开销为0.5时隙(时长5秒)。根据当前深空探测器的数据处理能力，在该切换时间内轨道器与火星车之间可以完成轨道轨迹、资源申请与计划发布、空间链路控制、速率调整等信息交互过程。
(2)仿真结果：
a)不同方法单位传输容量系统成本工作性能比较
对于所有方法而言，系统成本曲线下降斜率均大于传输容量曲线下降斜率，因此各方法的单位传输容量系统成本曲线均随着初始存储空间增加而不断下降。
距离优先方法、本发明方法均优于邻近空间协议，分别具有约9.31％、36.14％的性能提升，说明在现有邻近空间协议基础上进行轨道器接入优化可以有效提升系统性能。
对于距离优先方法，其系统成本与传输容量均大于其他两种方法。然而，与本发明方法相比，距离优先方法的系统成本增量要大于传输容量的增量，因此导致该方法在单位传输容量系统成本方面要高于本发明方法。
本发明方法具有最低的单位传输容量系统成本，与邻近空间协议、距离优先方法相比，分别具有约36.14％、29.59％的性能提升。不同方法单位传输容量系统成本工作性能比较如图15所示。
通过上述仿真结果可知，本发明方法优于其他两种接入优选方法(邻近空间协议、距离优选方法)，在服务接受概率、系统成本、传输容量、单位传输容量系统成本等技术指标方面均有较好的工作性能，可以在火星中继多星单车等多轨道器接入场景中发挥出较高的工作效能。
b)引入轨道器切换开销前后不同方法工作性能比较
图16示出了引入轨道器切换开销前后不同方法工作性能比较示意图，仿真结果分析如下：
邻近空间协议采用“先到先得、单址接入方式”，只存在一次切换，开销可以忽略不计，因此未提供相关仿真测试结果。
距离优先方法切换次数为12次，由于轨道器1(低轨)距离火星车更近、跟踪时间更长，所以系统存储成本基数较大、切换带来的成本变化比例可以忽略不计。
本发明方法切换次数为6次，切换带来的系统成本变化不大。
综上所述，在切换时间为0.5时隙的条件下，切换开销对各方法工作性能影响很小。
c)引入机构间权重后本发明方法工作性能比较
假设两个轨道器属于同一个航天机构，其接入服务权重相同，低轨权重与高轨权重之间的权重比例取值为1，其中，权重比例表示低轨轨道器与高轨轨道器接入权重比例关系，当权重比例大于1表示低轨轨道器占优，当权重比例小于1时表示高轨轨道器占优。
在实际工程任务中，火星探测往往需要机构间协作提供中继通信接入手段，即归属于不同航天机构的轨道器1(低轨)与轨道器2(高轨)可同时为火星表面工作设施提供中继通信服务。火星车在选择接入轨道器时，往往也会根据当前轨道器所属航天机构，有倾向性地选择接入点(如为同一机构的轨道器赋予更高权重)，即低轨权重与高轨权重不同。
图17示出了引入机构间权重后本发明方法工作性能比较示意图，仿真中低轨权重与高轨权重之间的权重比例取值分别为1(同权)、2.0(低轨占优)、0.5(高轨占优)。从图17可以看出，在低轨轨道器(轨道器1)初始存储空间占比大于10％后，高轨权重占优策略(权重比例0.5)的单位传输容量系统成本较低(红色三角曲线)，原因在于低轨轨道器的初始存储空间越大，选择低轨轨道器带来的存储成本越大，由此造成了低轨权重占优策略的系统成本较高。因此，后续工程应用中优先选择高轨轨道器接入。
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，上述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
需要说明的是，在本发明中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但上述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
