一种主从式卫星集群的星间组网系统设计

为解决主从式卫星集群在离散稀疏拓扑下的组网通信问题,保障其星间实时交互遥控遥测及任务信息的需求,根据主从式卫星集群的分层、分簇的空间拓扑特点,本文提出了一套通信系统架构和星间组网协议栈的设计方案。首先,在网络层的设计上,给出了网络层的数据结构、基于多权重优先级代价函数的子网簇首选择备份机制以及子星建网入网的流程;其次,在数据链路层,根据分包遥控和分包遥测体制按照层次化对数据进行处理;然后,在物理层的设计中采用扩跳频作为星间链路的通信体制,采用时分多址方式实现卫星集群的多用户通信,并给出了星间链路的具体通信指标;最后,对星间通信进行了链路计算,计算结果表明物理层设计满足各星通信需求。

基于群体智能的微纳卫星集群自主控制系统研究

随着卫星应用需求的发展,越来越多的航天任务已经不能仅靠单颗卫星来完成,而必须依靠多颗微纳卫星集群联合工作才能完成。文章针对星群面临的在轨运行管理和效能问题,研究了基于群体智能的微纳卫星集群自主控制系统,包括星群自主认知与自主决策技术、构型建立维持与重构技术和星间高低速协同通信技术等3个方面,对星群集群控制典型应用场景进行了仿真验证,结果表明:集群自主控制能够满足星群任务的实时性、轨道构型误差和星间动态网络等指标要求,可为推动微纳卫星集群在轨应用提供技术支撑。

时变拓扑卫星集群分布式自主相对导航方法

针对时变拓扑卫星集群的相对导航需求,提出了基于图论的时变拓扑分布式一致性无迹卡尔曼滤波算法。首先给出了固定拓扑卫星集群的相对运动方程、测角测距测量模型和无迹卡尔曼滤波算法,然后考虑测角失效时相对导航系统不可观或弱可观的问题,结合矢量环一致性约束,构造了一致性无迹卡尔曼滤波算法,以提高系统的可观度;在此基础上,针对时变拓扑卫星集群,以滤波精度为优化指标,在图论的基础上利用Dijkstra算法对卫星集群的时变拓扑结构进行重构,并将重构后的拓扑结构应用于卫星集群相对导航。仿真结果表明所提算法能有效改善不完备测量带来的模糊轨道问题,并且能够实现实时的拓扑重构,以满足时变拓扑星群的相对导航精度要求。

非对称博弈场景下卫星集群能力损耗建模方法

为解决经典模型无法精准描述非对称博弈场景下卫星集群能力损耗的问题,设计了一种新的卫星集群能力损耗模型。为平衡模型分辨率与计算复杂度的关系,将功能相同卫星集群视作基本对抗单元;进一步研究时间利用方式、侦察信息支援和电子干扰对博弈结果的影响,构建非对称博弈场景下卫星集群能力损耗模型。最后,借助AnyLogic软件建立卫星集群博弈场景,将该模型与经典模型对比,验证了所建模型的合理性和精准性。

分布式卫星集群博弈任务均衡分配方法

针对分布式卫星集群博弈任务中的分配不均衡问题,提出了一种基于偏好联盟博弈(hedonic coalition game, HCG)的任务分配方法。首先,在考虑燃料和时间最优的卫星集群任务分配模型的基础上,引入对敌毁伤概率以适应集群博弈背景;其次,为保证分配结果的均衡性,引入HCG设计个体联盟特征函数;最后,考虑卫量集群的一对多作战分配方式难以保证局部兵力优势,在一致性拍卖算法(consensus based auction algorithm, CBAA)结构上拓展性地提出了一种多对一任务分配算法。仿真结果表明,该算法在全局效益接近经典集中式算法全局效益98%的前提下,时间约为经典算法的70%,且该算法具有一定的问题规模拓展性。

微型卫星集群系统协同任务下的目标分配研究

微型卫星集群协同完成空间任务,是未来空间操作的重要形式,对其进行研究的重要性日趋明显。通过对卫星集群多任务目标分配的分析,对多颗卫星拦截多个空间目标的任务分配问题进行数学建模,然后依据轨道转移消耗能量最小以及计算时间的约束,采用基于遗传算法的分配方法来求解,有效解决了微型卫星集群操作的多任务分配问题。最后协同任务算例的仿真结果表明,建立的模型和算法能够实现集群微型卫星的快速多任务目标分配,也能够满足星上计算的时间要求。

卫星集群概念研究

卫星星座的核心特征是扩展覆盖,卫星编队飞行的核心特征是扩展基线,这些相关概念都已找到其突出优势的应用。模块化分离卫星的重点落在了卫星上,容易引起"为什么用一群卫星取代一颗卫星"的质疑,对认识集群技术、寻找其有突出优势的应用有误导作用。文章提出了卫星集群的概念,指出集群的组成是个性化的卫星而不是卫星分系统这一事实,重点应落在集群上;提出了卫星集群的核心特征是卫星之间的集群关系,包括信息、物质和能量等的自组织交换;提出了集群关系、个性化特征和进化能力是卫星集群的三个社会化基本特征;指出区分一颗卫星是否属于卫星集群的标准是看该卫星是否具有社会化特征;比对人类社会个体间相互联系,预测和分析了卫星集群的社会层次关系;指出卫星集群族级应用是突破口,为寻找卫星集群相对于单颗卫星具有突出优势的典型应用指出了思路和方向。

卫星集群系统的应用现状与发展动态

目前,小卫星发展非常之快,其研究备受世界各国高校的关注,甚至拓展到高中生的科技创新竞赛中。小卫星集群的概念在国际航天领域得到广泛关注,其发射过程已经从过去的搭载发射转化为共享发射。本文调查分析了近40个小卫星集群的应用案例,包括地球科学探索任务、深空探测任务,以及技术验证任务等,并根据它们的应用类型、集群规模,以及总体技术进行了综述。在此基础上,提出了未来小卫星集群飞行任务所面临的关键问题。最后,对未来小卫星集群任务发展方向进行了展望。

卫星集群网络仿真建模与路由算法性能分析

卫星集群是一类基于星间协同工作的分布式卫星系统,具有空间结构灵活、数据共享、智能服务等特点。针对当前卫星集群网络仿真平台及其路由算法的研究的不足,基于网络仿真软件NS-3与卫星场景分析软件STK,设计了卫星集群生成模块,搭建了更准确、通用且可扩展的卫星集群网络仿真平台。通过同单一的STK卫星轨道数据对比,验证了仿真平台中卫星运动模块的有效性。对AODV(自组网按需距离矢量路由),DSDV(目标序列距离矢量路由)和OLSR(链路状态优化路由)算法应用在卫星集群网络中的性能进行了仿真。结果表明:OLSR算法在卫星集群网络中性能最优,其分簇和链路状态感知机制可为卫星集群网络路由算法的研究提供借鉴。

主从式卫星集群系统的长期轨道保持

针对主从式卫星集群系统的空间构型长期保持问题提出一种控制算法,使得多星系统能够在给定的相对距离约束下在轨长期运行,并且消耗较少的燃料。该卫星集群系统由一颗主星和多颗从星构成,主星保持在特定轨道上,负责系统中的数据处理、任务规划及决策,从星围绕主星自由运动并实现特定功能。根据系统的特点,考虑主星与从星、从星与从星之间约束条件的异同,设计了具有较强适应性的控制逻辑与基于李雅普诺夫稳定性理论的控制器。仿真结果表明,在推力器最大推力一定的情况下,提出的控制算法能够有效地应用于多星集群飞行中,并成功地实现长期的轨道保持。

考虑通信延迟的卫星集群改进蜂拥控制

针对卫星集群的无碰撞协同运动问题,提出了一种改进的蜂拥控制策略。首先,结合Prim算法和广度优先算法设计了一种计算度、半径约束最小生成树的拓扑优化方法,并将优化结果作为星群的通信拓扑。该方法不仅能够节省每个卫星的通信资源,还能够减少星群网络的通信延迟。随后,为提高参考轨迹生成的快速性,采用基于傅里叶级数的形状曲线逼近法对主星参考轨迹进行规划。在此基础之上,提出了一种考虑通信延迟与碰撞规避的蜂拥控制策略,使星群能够在保证通信连通性的前提下沿参考轨迹运动到目标点附近,并且在运动过程中不发生碰撞。经过理论分析,利用Lyapunov-Razumikhin定理证明了卫星集群系统能够达到渐近稳定。最后,通过数值仿真验证了所提控制策略的正确性和有效性。

微小卫星集群协同观测构形调整规划

以微小卫星集群实现小行星探测为背景,研究局部信息交互的空间目标观测任务构形调整.针对难以直接求取集群构形调整的全局最优解问题,利用通信协调图,将全局协调决策分解成多个局部求解问题,并引入强化学习机制实现求解.针对集群全局协调决策问题,通过设计基于Max-plus算法的全局协调决策算法来实现全局协作;针对单星局部优化问题,设计基于神经网络的局部Q学习算法来实现单星动作调整规划.仿真结果表明,本文所提的协作规划算法能自主有效地将集群调整至期望构形,实现协同观测任务.

运用动态规划的智能卫星集群星间通信路由算法

通过建立智能卫星集群网络模型,把智能卫星集群星间通信路由问题转换为时延最短路径问题,进而提出一种求解此问题的智能卫星集群星间通信路由算法。该路由算法采用动态规划策略分阶段规划智能卫星集群两个成员之间的星间通信路由,在每个规划阶段,负责发送数据的智能卫星自主调用一种星间通信路由静态规划算法,以求出其在当前时刻的后继卫星来转发数据。该算法还能够处理星间链路传输能力有限而导致数据需要分段传送的问题。使用基于Agent的建模与仿真方法进行了大量仿真实验,从而考察并分析了不同智能卫星集群使用前述路由算法规划星间通信路由的效果。

全方向长期伴飞卫星集群轨道设计与仿真

主要研究在J2摄动的影响下,在中心卫星周围全方向上部署长期相对有界伴飞卫星的轨道设计方法。首先,利用J2不变的条件,由已知中心卫星轨道根数建立伴飞卫星的半长轴、偏心率及轨道倾角之间关系。然后,通过对伴飞卫星和中心卫星之间初始相对位置及轨道根数之间关系的分析,得到伴飞卫星的全部初始轨道根数,使其能够部署到中心卫星周围的任意方向上,从而能实现卫星集群在中心卫星的周围全方向长期有界伴飞。最后,通过轨道仿真验证了该方法的有效性。

大规模卫星集群网络自适应加权分簇算法

针对平面管理结构在大规模卫星集群网络中的缺点,提出了一种自适应分布式加权分簇算法(adaptive distributed weighted clustering algorithm,ADWCA),该算法根据卫星网络运行的可预测性,在初始化阶段由地面计算各卫星节点综合权值并划分簇首和成员节点,完成之后上注到星上,之后集群中卫星节点根据邻居及自身信息完全分布式地执行维护进程.仿真分析表明,与最小标识优先分簇算法和最大连接度优先分簇算法相比,该算法生成的簇结构具有更少的簇数量、良好的稳定性,且能够有效均衡簇头节点的负载.

卫星集群IP多播组呼业务协议研究

现有集群通信覆盖范围有限,为实现全方位集群通信,提出将卫星通信与集群通信相结合。以TETRA为例,分析了现有国内外集群通信系统集群业务的实现方式。针对电路域集群,提出实现分组域多媒体集群。为更利于工程实现,提出了基于MBMS技术的卫星集群IP多播组呼业务协议流程,并分析了实现中需要解决的关键问题及解决方案。该方案将为卫星移动通信集群业务的发展提供新的方向。

基于MRPs的卫星集群系统姿态对抗一致性控制

小型卫星集群协同控制是当前空间技术发展的热点之一,卫星集群控制可归结为多智能体控制问题。面向卫星集群系统的分组姿态控制,引入一致性以及对抗一致性问题,提出了卫星系统姿态对抗一致性控制方法。卫星组网系统姿态对抗一致性控制目标是使卫星分组达到姿态对称的状态。以无向图描述姿态对抗卫星集群的通讯拓扑结构,利用修正型罗德里格斯参数方法描述卫星刚体运动姿态,设计了一种基于多智能体协同控制理论的三维空间卫星集群姿态对抗一致性控制律,并采用Lyapunov稳定性理论证明了其稳定性。最后,通过仿真实验验证了所提方法的有效性。

应用动态感知的卫星分布式集群管理平台设计与实现

卫星互联网环境中存在卫星节点资源受限、链路拓扑高动态变化和网络传输高时延等问题。针对上述问题导致的卫星节点资源利用率低、系统服务响应能力较弱、负载不均衡,提出利用容器编排技术整合卫星节点资源的卫星分布式集群管理平台构建方案。其中,重点针对Kubernetes默认资源编排调度策略无法适用于卫星互联网复杂链路环境的问题,设计一种应用动态感知的卫星分布式集群资源调度方法,通过分布式集群资源状态实时感知模块,采集卫星节点CPU、内存、磁盘及网络资源的负载情况作为评价指标,完成卫星互联网环境下不同应用Pod资源对象的优化调度。仿真结果表明:应用动态感知调度方法构建的卫星分布式集群管理平台,可以实现卫星网络环境下系统资源的合理调度,提升系统负载均衡能力,进而保证系统服务的快速响应。

卫星长期集群飞行的稳定性与灵活性分析

针对卫星在轨长期集群飞行问题,提出一种使用相对轨道要素(Relative Orbital Elements,ROEs)描述的稳定性与灵活性的分析方法,使用相对轨道要素描述了卫星集群飞行的被动安全和通信保持需求,通过集群成员的状态转换和漂移分析,研究了卫星集群的稳定性;通过描述集群的尺度、最优填充和扩展性问题,分析了卫星集群的灵活性。通过仿真,比较了不同的卫星集群构型在多种指标下的优缺点。使用相对轨道要素描述的稳定性与灵活性分析方法,为卫星集群飞行任务选择提供了依据。

微小卫星集群在有界空间表面的均匀分布策略

考虑微小卫星集群在轨服务的任务效率及星群在有限空间区域表面均匀分布的任务需求,提出基于改进独占球与势函数相结合的空间集群均匀分布度量模型和构型控制策略,该策略可以有效度量航天器集群空间均匀性、空间覆盖性和空间聚集性指标,并指导航天器集群在有限区域内实现无碰撞自组织的均匀分布构型.仿真分析表明,均匀度模型具有良好的旋转对称性和平移对称性,可以有效指导集群实现均匀分布并具有良好低维投影均匀性.