CN103076808B - 一种自主协同的航天器集群体系及运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自主协同的航天器集群体系及运行方法，所述航天器集群体系主要由至少一个具备了自主运行能力、网络信息连接和资源共享接口的节点航天器群组成；所述节点航天器群中的各节点航天器通过空间自组织网络相互连接、所述航天器群的节点航天器以共享导航和集群飞行模式飞行，通过空间自组织网络相互通讯，根据有/无任务自动调整编队构型；当所述航天器群接收到任务指令时，根据任务类型自主进行资源调度、任务规划任务重构和失效重组，进而完成所述任务。适应小型运载火箭快速或机动发射，大大提高了空间系统的快速响应性，减少了航天器在轨失效的风险。
Description
技术领域
本发明涉及航空航天技术领域，尤其涉及一种具备自主运行能力、网络信息连接、资源共享接口的航天器集群体系及运行方法。
背景技术
现有的空间航天器一直受到各种不确定因素的威胁和设计寿命的限制，在传统方式下，某一微小部件的故障或失效都很可能导致整个系统的报废，从而将会造成巨大的人力、物力浪费。发展具有创新性的空间技术和理论，研制和试验具有高机动性、可靠性、自主性和经济性的新型天基系统，一直以来，都是各国空间技术研究者努力的方向。
为了保证航天器在复杂空间环境中长期正常工作，目前主要采用为航天器提供在轨服务的方法来最大限度地延长航天器的在轨寿命。“在轨服务”的概念早在20世纪60年代就已经提出了，随着40多年的发展，形成了以增强航天器性能、延长航天器使用寿命、降低费用和风险为目的，以在轨燃料加注、维护修复、功能更换和升级在轨组装等为内容的在轨服务技术。虽然在轨服务技术能够起到延长航天器使用寿命和提升航天器性能的作用，但是，在轨服务不具备自主性和快速响应能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具备自主运行能力、网络信息连接、资源共享接口的航天器集群体系及运行方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种自主协同的航天器集群体系，所述航天器集群体系主要由至少一个具备了自主运行能力、网络信息连接和资源共享接口的节点航天器群组成；所述节点航天器群中的各节点航天器通过空间自组织网络相互连接。
优选的，所述节点航天器群是群节点航天器在一定空间范围内利用空间自组织网络、共享导航和集群飞行模式所构成的，能够自主进行资源调度、任务规划、任务重构和失效重组的航天器群；所述节点航天器群能够根据接收到的任务的特点，自主调用所述节点航天器群的集群资源，构成任务子群；所述节点航天器群并能根据所述任务的需要，增加、替换节点航天器，实现任务重构或失效重组。
优选的，所述节点航天器是具备自组织管理和信息资源共享功能的模块航天器和/或安装了自组织管理和信息资源共享接口的传统航天器；所述节点航天器具备自组织通信能力、导航信息共享能力、资源共享能力和自主管理与控制能力。
优选的，所述节点航天器均具备基本在轨资源，所述资源是任务载荷和/或功能载荷；所述节点航天器包括基本生存模块和特定功能模块。
优选的，所述基本生存模块主要由集群飞行控制器、无线自组织网络节点设备、基础电源供给设备和绝对导航模块组成；无线自组织网络节点设备、基础电源供给设备和绝对导航模块分别与所述集群飞行控制器连接。
优选的，所述集群飞行控制器主要由任务管理与控制信息处理单元和自主导航信息处理单元组成；所述基础电源供给设备主要由太阳电池组组成；所述绝对导航模块主要由GNSS接收机和星敏感器组成。
优选的，所述特定功能模块是用于完成特定功能而承载于所述基本生存模块上的功能模块；所述功能模块包括：对地通信功能模块成像功能模块和数据处理功能模块中的一种或几种。
一种自主协同的航天器集群体系的运行方法，
所述航天器群的节点航天器以共享导航和集群飞行模式飞行，通过空间自组织网络相互通讯，根据有/无任务自动调整编队构型；
当所述航天器群接收到任务指令时，根据任务类型自主进行资源调度、任务规划、任务重构和失效重组，进而完成所述任务。
优选的，所述集群飞行是所述节点航天器群形成系统任务能力的基础；所述集群飞行是在非执行任务状态下，根据各所述节点航天器控制能力强弱和轨道动力学特性，采用主动或被动的控制模式，形成长期维持的松散编队；在执行任务状态时，各所述节点航天器构成任务子群协同飞行；所述任务子群中的一部分所述节点航天器直接面向任务，保持特定的编队构型，另一部分所述节点航天器提供通信、计算、导航服务。
优选的，所述空间自组织网络是所述节点航天器群形成系统能力的信息基础，能够实现各所述节点航天器之间的自组织信息交换，为共享导航、协同控制提供基础平台；所述空间自组织网络具有网络自发现、拓扑自识别路由自形成的能力，能够适应系统规模和通信拓扑结构的动态变化；所述空间自组织网络中的各所述节点航天器通过多跳信息传递方式，实现所述空间自组织网络内任意节点航天器间的通信；
和/或
所述共享导航是所述节点航天器群中的各节点航天器间进行导航信息传递、导航信息融合和导航信息处理的过程；所述导航信息包括航天器绝对轨道信息和/或相对状态信息绝对姿态信息和/或相对姿态信息；通过共享导航能够使各所述节点航天器获得基本的集群状态信息。
本发明的有益效果是：
通过应用本发明的自主协同的航天器集群体系及运行方法实现了：
(1)适应小型运载火箭快速或机动发射，大大提高了空间系统的快速响应性，减少了航天器在轨失效的风险；
(2)面对空间威胁，如空间碎片等，增强了系统在轨生存能力，通过共享多个节点航天器的系统资源，提高了空间系统运行的可靠性；
(3)对任务或服务请求的变化，在轨系统响应具有快速性和可扩展性，允许对在轨系统进行升级，增强了空间系统在轨部署能力；
(4)采用模块化结构，减少了系统集成和测试操作，缩短了研制周期，允许将复杂航天任务分阶段分步实施，最终通过在轨功能补充与集成逐步完善系统。
附图说明
图1是本发明的自主协同的航天器集群体系示意图；
图2是本发明的基本生存模块组成示意图；
图3是本发明的对地通信节点航天器功能结构示意图；
图4是本发明的高速计算节点航天器功能结构示意图；
图5是本发明的成像节点航天器功能结构示意图；
图6是本发明的集群飞行状态场景示意图；
图7是本发明的节点航天器群的星下点轨迹；
图8是本发明的集群跟飞编队保持控制仿真结果
具体实施方式
为了使本发明的目的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如附图1-8所示，本发明公开了一种自主协同的航天器集群体系及运行方法，所述航天器集群体系主要由至少一个具备了自主运行能力、网络信息连接和资源共享接口的节点航天器群组成；所述节点航天器群中的各节点航天器通过空间自组织网络相互连接。所述节点航天器群是群节点航天器在一定空间范围内利用空间自组织网络、共享导航和集群飞行模式所构成的，能够自主进行资源调度、任务规划、任务重构和失效重组的航天器群；所述节点航天器群能够根据接收到的任务的特点，自主调用所述节点航天器群的集群资源，构成任务子群；所述节点航天器群并能根据所述任务的需要，增加、替换节点航天器，实现任务重构或失效重组。所述节点航天器是具备自组织管理和信息资源共享功能的模块航天器和/或安装了自组织管理和信息资源共享接口的传统航天器；所述节点航天器具备自组织通信能力、导航信息共享能力、资源共享能力和自主管理与控制能力。所述节点航天器均具备基本在轨资源，所述资源是任务载荷和/或功能载荷；所述节点航天器包括基本生存模块和特定功能模块。所述基本生存模块主要由集群飞行控制器、无线自组织网络节点设备、基础电源供给设备和绝对导航模块组成；无线自组织网络节点设备、基础电源供给设备和绝对导航模块分别与所述集群飞行控制器连接。所述集群飞行控制器主要由任务管理与控制信息处理单元和自主导航信息处理单元组成；所述基础电源供给设备主要由太阳电池组组成；所述绝对导航模块主要由GNSS接收机和星敏感器组成。所述特定功能模块是用于完成特定功能而承载于所述基本生存模块上的功能模块；所述功能模块包括：对地通信功能模块、成像功能模块和数据处理功能模块中的一种或几种。
所述的自主协同的航天器集群体系的运行方法为：
所述航天器群的节点航天器以共享导航和集群飞行模式飞行，通过空间自组织网络相互通讯，根据有/无任务自动调整编队构型；
当所述航天器群接收到任务指令时，根据任务类型自主进行资源调度、任务规划、任务重构和失效重组，进而完成所述任务。
所述集群飞行是所述节点航天器群形成系统任务能力的基础；所述集群飞行是在非执行任务状态下，根据各所述节点航天器控制能力强弱和轨道动力学特性，采用主动或被动的控制模式，形成长期维持的松散编队；在执行任务状态时，各所述节点航天器构成任务子群协同飞行；所述任务子群中的一部分所述节点航天器直接面向任务，保持特定的编队构型，另一部分所述节点航天器提供通信、计算、导航服务。
所述空间自组织网络是所述节点航天器群形成系统能力的信息基础，能够实现各所述节点航天器之间的自组织信息交换，为共享导航、协同控制提供基础平台；所述空间自组织网络具有网络自发现、拓扑自识别、路由自形成的能力，能够适应系统规模和通信拓扑结构的动态变化；所述空间自组织网络中的各所述节点航天器通过多跳信息传递方式，实现所述空间自组织网络内任意节点航天器间的通信；
和/或
所述共享导航是所述节点航天器群中的各节点航天器间进行导航信息传递、导航信息融合和导航信息处理的过程；所述导航信息包括航天器绝对轨道信息和/或相对状态信息、绝对姿态信息和/或相对姿态信息；通过共享导航能够使各所述节点航天器获得基本的集群状态信息。
自主协同的航天器集群体系结构的核心思想是通过配置航天器具备自主运行能力、网络信息连接、资源共享接口，从而使空间系统形成在轨组装、重构的能力，能够快速响应在轨任务，灵活配置在轨资源。构成自主协同的航天器集群体系结构的节点航天器可以是专门设计的具备自组织管理和信息资源共享功能的模块航天器，也可以是安装了自组织管理和信息资源共享接口的传统大型航天器。节点航天器的基本配置包括自组织网络通信组件与智能控制单元，并能够按照系统的接口协议标准，完成信息交互和协同控制。但是对各节点航天器的具体配置并不作统一要求，如自组织通信能力的强弱、导航方式、导航精度、载荷类型、控制能力等。节点航天器群执行任务的特点在于最大限度调动在轨资源，显然，节点航天器越多，载荷类型越丰富，能力越强，可供调动的资源就越多，可以形成的系统能力就越强。由于系统开放性的特点，节点航天器群的整体能力是可以随着空间资源的增长而自主成长的，这也是自主协同的航天器集群体系结构区别于以任务为核心的传统空间系统的最大特点。由于不要求节点航天器具有大而全的任务能力，可以根据资源配置设计具有功能侧重的节点航天器，以缩短研发周期，降低成本，适应快速发射。通过不断丰富节点航天器，就可以逐步提升系统的可靠性自主性和响应能力。
具体的，本发明公开了一种自主协同的航天器集群体系，所述航天器集群体系主要由至少一个具备了自主运行能力、网络信息连接和资源共享接口的节点航天器群组成；所述节点航天器群中的各节点航天器通过空间自组织网络相互连接。
所述节点航天器群是群节点航天器在一定空间范围内利用空间自组织网络共享导航和集群飞行模式所构成的，能够自主进行资源调度、任务规划、任务重构和失效重组的航天器群；所述节点航天器群能够根据接收到的任务的特点，自主调用所述节点航天器群的集群资源，构成任务子群；所述节点航天器群并能根据所述任务的需要，增加替换节点航天器，实现任务重构或失效重组。平时状态下，由于没有特定的任务要求，航天器群并不需要保持特定的构型，只需要保持在一定范围内，并避免碰撞。在出现任务需求时，节点航天器群可根据任务特点，自主调用集群资源，构成任务子群。并能根据任务的需要，增加、替换成员，实现任务重构或失效重组。节点航天器群的典型任务模式包括但不限于分散工作模式、效能叠加模式和效能提升模式。
所述节点航天器是具备自组织管理和信息资源共享功能的模块航天器和/或安装了自组织管理和信息资源共享接口的传统航天器；所述节点航天器具备自组织通信能力、导航信息共享能力、资源共享能力和自主管理与控制能力。所述节点航天器均具备基本在轨资源，所述资源是任务载荷和/或功能载荷；所述节点航天器包括基本生存模块和特定功能模块。一般而言，节点航天器要具备自组织通信能力、导航信息共享能力、资源共享能力和自主管理与控制能力。为了响应集群任务，节点航天器要具备基本的在轨资源，这种资源可以是传统意义上的任务载荷，也可以是电源通信、计算、导航等功能载荷。可以设计基本生存模块作为节点航天器的通用平台，然后在其基础上增加或增强某些方面的能力来开发节点航天器。典型的节点航天器包括但不限于对地通信节点航天器高速计算节点航天器和成像节点航天器。
所述基本生存模块主要由集群飞行控制器、无线自组织网络节点设备、基础电源供给设备和绝对导航模块组成；无线自组织网络节点设备、基础电源供给设备和绝对导航模块分别与所述集群飞行控制器连接。所述集群飞行控制器主要由任务管理与控制信息处理单元和自主导航信息处理单元组成；所述基础电源供给设备主要由太阳电池组组成；所述绝对导航模块主要由GNSS接收机和星敏感器组成。所述特定功能模块是用于完成特定功能而承载于所述基本生存模块上的功能模块；所述功能模块包括：对地通信功能模块、成像功能模块和数据处理功能模块中的一种或几种。
本发明还公开了一种自主协同的航天器集群体系的运行方法，其特征在于，
所述航天器群的节点航天器以共享导航和集群飞行模式飞行，通过空间自组织网络相互通讯，根据有无任务自动调整编队构型；当所述航天器群接收到任务指令时，根据任务类型自主进行资源调度、任务规划、任务重构和失效重组，进而完成所述任务。
所述集群飞行是所述节点航天器集群形成系统任务能力的基础；所述集群飞行是在非执行任务状态下，根据各所述节点航天器控制能力强弱和轨道动力学特性，采用主动或被动的控制模式，形成长期维持的松散编队；在执行任务状态时，各所述节点航天器构成任务子群协同飞行；所述任务子群中的一部分所述节点航天器直接面向任务，保持特定的编队构型，另一部分所述节点航天器提供通信计算、导航服务。此外，根据任务在轨资源配置的需要，某些特定功能的节点航天器，甚至可以和具有承载能力的节点航天器对接，以组合体方式共同飞行，在任务需要时再实施分离。所述空间自组织网络是所述节点航天器群形成系统能力的信息基础，能够实现各所述节点航天器之间的自组织信息交换，为共享导航、协同控制提供基础平台；所述空间自组织网络具有网络自发现、拓扑自识别、路由自形成的能力，能够适应系统规模和通信拓扑结构的动态变化；所述空间自组织网络中的各所述节点航天器通过多跳信息传递方式，实现所述空间自组织网络内任意节点航天器间的通信；随着标准的完善和器件的小型化，还可以建立部件或分系统级的自组织通信节点，用于支持跨飞行平台的分系统级系统重构。另一方面，对星间数据传输量要求较高的任务，也可以通过对特定网络节点的特殊设计，在自组织网络技术框架内，为航天器间任务数据高速交换提供支持。所述共享导航是所述节点航天器群中的各节点航天器间进行导航信息传递、导航信息融合和导航信息处理的过程；所述导航信息包括航天器绝对轨道信息和/或相对状态信息绝对姿态信息和/或相对姿态信息；通过共享导航能够使各所述节点航天器获得基本的集群状态信息，从而简化那些没有高精度导航要求节点航天器的设计。共享导航还可以支持高精度的集群状态解算，为集群飞行和任务协同提供支持。
本发明提供了一种具备自主运行能力、网络信息连接、资源共享接口的航天器集群体系结构，从而使空间系统形成在轨组装重构的能力，能够快速响应在轨任务，灵活配置在轨资源。
自主协同的航天器集群体系的本质是具备了自主运行能力、网络信息连接、资源共享接口的节点航天器群。它是节点航天器在一定空间范围内利用空间自组织网络、共享导航和集群飞行技术所构成的，能够自主进行资源调度、任务规划任务重构和失效重组的航天器群。平时状态下，由于没有特定的任务要求，航天器群并不需要保持特定的构型，只需要保持在一定范围内，并避免碰撞。在出现任务需求时，节点航天器群可根据任务特点，自主调用集群资源，构成任务子群。并能根据任务的需要，增加、替换成员，实现任务重构或失效重组。节点航天器群的典型任务模式包括但不限于分散工作模式、效能叠加模式和效能提升模式。
以下结合附图例举实例详细说明：
附图1是一种自主协同的航天器集群体系结构的典型应用模式示意图。以效能叠加任务模式为例，针对特定的空间任务，集群系统中的各节点航天器以不同的方式执行该任务，并将各个节点航天器的效能进行加和，实现整体任务执行效能的提升。如对地观测效能叠加，通过对成像节点航天器的调度，使其连续观测某一热点地区，可以延长对地观测时间，以检测地面态势的动态变化。地面站向对地通信节点航天器发送任务指令，由对地通信节点航天器根据任务的需求和在轨资源的类型相对位置关系等信息，规划各个节点航天器的具体任务。在轨成像节点航天器根据分配的任务，进行轨道调整，组成一组同星下点轨迹航天器编队，连续对某一热点地区进行观测。各节点航天器观测的任务数据，由自组织网络协调星间链路系统，进行分时传输，并由对地通信节点航天器转发回地面站点。
构成自主协同的航天器集群体系结构的基本单元是节点航天器，它可以是专门设计的具备自组织管理和信息资源共享功能的模块航天器，也可以是安装了自组织管理和信息资源共享接口的传统大型航天器。一般而言，节点航天器要具备自组织通信能力、导航信息共享能力、资源共享能力和自主管理与控制能力。为了响应集群任务，节点航天器要具备基本的在轨资源，这种资源可以是传统意义上的任务载荷，也可以是电源通信、计算、导航等功能载荷。可以设计基本生存模块作为节点航天器的通用平台，然后在其基础上增加或增强某些方面的能力来开发节点航天器。典型的节点航天器包括但不限于对地通信节点航天器高速计算节点航天器和成像节点航天器。
其中，基本生存模块作为节点航天器的基础平台，具备自组织网络通信、导航共享、集群飞行任务管理与控制等基本功能，并具有基本的电源供给能力和计算能力。基本生存模块是实现集群系统的标准接入模块，在其上开发不同的功能载荷可以实现不同的任务能力。如图2所示，基本生存模块的核心是集群飞行控制器，其上运行任务管理与控制信息处理单元和自主导航信息处理单元，负责节点航天器的自主协同控制和导航信息的处理；无线自组织网络节点作为节点航天器间信息交互的基础硬件，是自组织网络协议运行、通信信息处理的基本单元；基础电源和绝对导航模块，作为基本生存模块的必备组件，为基本生存模块提供独立的电源支持和导航信息支持，它们的具体配置可根据卫星平台和任务载荷的要求而调整，为了确保基本生存模块的独立生存能力，可以采用独立太阳电池组、GNSS接收机和小型化星敏感器作为基本配置；基本生存模块预留有相对导航信息接入接口，当卫星平台上具备星间相对状态敏感器时，可将其测量信息接入集群飞行控制器，以增强自主导航的能力。在系统运行过程中，基本生存模块负责集群发现和任务管理，具体的任务和控制实施通过卫星平台和任务载荷完成。
基本生存模块具备标准的接口和配置，为节点航天器的快速设计与开发奠定了基础。在基本生存模块的基础上，可以设计对地通信节点航天器高速计算节点航天器和成像节点航天器等。
对地通信节点航天器属于服务节点航天器，主要用于为集群提供星地信息传递服务。此外，对地通信成员还可实现集群内不同成员间信息的传递和共享。对地通信节点航天器可在整个集群中配置一个或多个，实现整个集群内的对地通信要求；也可根据不同的任务要求，在各子群中独立配置不同性能的对地通信节点航天器，用以负责子群内的对地通信要求。对地通信节点航天器的最小配置是基本生存单元和对地通信设备，此外为了实现稳定可靠的对地通信要求还需配置一定的大功率太阳能电池节点间信息传递设备、高效率通信任务分配系统大型存储硬盘等附属设备，如图3所示。其中基本生存单元用以实现对地通信节点航天器的在轨生存和正常运行，高性能对地通信设备是实现集群对地通信的基础单元，这两个模块构成了对地通信节点航天器的核心单元。大功率太阳能电池用以实现对地通信节点航天器的功率要求。节点间信息传递设备用以实现集群内不同成员间对地通信信息的传递，可实现对各成员间对地通信信息的收集。特殊情况下，节点间信息传递设备还可实现不同节点航天器间的信息传递和共享，以及不同对地通信节点航天器间的任务传递。高效率通信任务分配软件用以实现集群内多个对地通信节点航天器间通信任务的协商和分配，可在整个集群内优化对地通信任务，实现高效信息传递。大型存储设备用以保存节点航天器的对地通信信息或地面站发送到集群的任务指令。
高速计算节点航天器也属于服务节点航天器，具备较强的数据处理能力，能够为其他节点航天器提供数据处理和任务管理服务。如图4所示，高速计算节点航天器的核心是高性能星载计算机，其上运行综合信息处理软件与任务管理服务软件，可通过高速率星间信息链路成为数据计算的中转站，为其他成员提供大型近实时的数据处理服务；亦可通过自身携带的相对导航设备获取其它节点航天器的状态信息，从而为它们提供任务管理控制规划服务。高速计算节点航天器可以增强整个系统的任务规划、运算处理能力，保证航天器集群系统在不经过地面控制时，仍然能够进行快速任务规划计算和数据分析。此外，为了保证高性能星载计算机的正常工作，还应配备相应的大功率电源设备。为了保证航天器正常飞行，还应设计卫星结构，姿态、轨道控制器等。
成像节点航天器是以成像载荷为应用载荷的节点航天器。其载荷可以是光学成像载荷、雷达成像载荷、红外成像载荷等，数据类型可以是画幅式成像，也可以是视频成像。可以为地震、洪水、森林火灾的救援提供数据。图5是成像航天器的典型结构。为了保证成像质量，节点航天器需要配备高精度的姿态控制系统，可以采用反作用飞轮和磁力矩器组合或反作用飞轮和推力器组合。成像节点航天器需要具备轨道机动能力和姿态机动能力，以保证在任务要求的情况下配合整个集群对特定目标观测，可采用推力器组合实现有限轨道机动，通过推力融合设计保证一套推进系统同时满足轨道和姿态控制需要在集群内具备对地通信航天器资源的情况下，成像节点航天器可将图像信息传给专用的对地通信航天器。在计算资源许可的条件下，也可以将经过初步分析的成像结果通过自组织网络节点在集群内部传播，用于信息融合、分析环境状态和观测对象状态等。
下面结合具体的任务说明构成自主协同的航天器集群体系的具体实施方式。
以低轨的连续对地观测任务为例，节点航天器群应包含下面几类节点航天器：
(1)至少2个成像节点航天器：该航天器携带了成像载荷，能够完成对地基和天基对象的成像，具备较强的姿态轨道控制能力，不具备任务数据处理与对地传输能力。
(2)至少1个对地通信节点航天器：具备对地通信能力和较强计算能力，可在系统中扮演综合服务的角色，为其它节点航天器提供对地数据通信和任务规划服务。
集群驻留轨道选择为轨道高度500公里的太阳同步圆轨道，以包含3个成像节点航天器和1个对地通信节点航天器的集群系统为例，它们在集群飞行状态下的初始轨道参数可选择如下：
表1集群飞行初始轨道参数
| 卫星编号 | 1 | 2 | 3 | 4 |
| 轨道半长轴(m) | 6878137 | 6878137 | 6878137 | 6878137 |
| 偏心率 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 轨道倾角(o) | 97.4825 | 97.4825 | 97.4825 | 97.4825 |
| 升交点赤经 | 9.7797 | 9.7787 | 9.7777 | 9.7767 |
| 近地点幅角 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 平近点角 | 100 | 100 | 100 | 100 |
在集群入轨之后，各节点航天器处于分散工作模式，按照初始轨道参数自由飞行。在接到对地观测指令时，启动成像节点航天器的协同姿态指向控制，并进行任务编队的自主协同。在集群任务形成过程中，通过空间自组织网络和共享导航提供的协同控制和导航信息，4个节点航天器自主进行松散编队维持、协同姿态指向、任务构型形成及维持等集群飞行控制模式。图6是系统集群飞行状态的场景，图中4颗节点航天器已基本收敛到跟飞编队构型。图7给出的集群成员的星下点轨迹。图8给出了集群跟飞编队保持的控制结果。结果表明，一种自主协同的航天器集群体系能够快速响应在轨任务，灵活配置在轨资源。
通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种自主协同的航天器集群体系，其特征在于，所述航天器集群体系主要由至少一个具备了自主运行能力、网络信息连接和资源共享接口的节点航天器群组成；所述节点航天器群中的各节点航天器通过空间自组织网络相互连接；所述节点航天器群是所述节点航天器在一定空间范围内利用空间自组织网络、共享导航和集群飞行模式所构成的，能够自主进行资源调度、任务规划、任务重构和失效重组的航天器群；所述节点航天器群能够根据接收到的任务的特点，自主调用所述节点航天器群的集群资源，构成任务子群；所述节点航天器群并能根据所述任务的需要，增加和/或替换所述节点航天器，实现任务重构和/或失效重组；所述节点航天器包括具备自组织管理和信息资源共享功能的模块航天器和/或安装了自组织管理和信息资源共享接口的传统航天器；所述节点航天器是具备自组织通信能力、导航信息共享能力、资源共享能力和自主管理与控制能力的航天器；所述节点航天器均具备基本在轨资源，所述基本在轨资源包括任务载荷和/或功能载荷；所述节点航天器包括基本生存模块和特定功能模块；所述基本生存模块主要由集群飞行控制器、无线自组织网络节点设备、基础电源供给设备和绝对导航模块组成；所述无线自组织网络节点设备、所述基础电源供给设备和所述绝对导航模块分别与所述集群飞行控制器连接；所述集群飞行控制器主要由任务管理与控制信息处理单元和自主导航信息处理单元组成；所述基础电源供给设备主要由太阳电池组组成；所述绝对导航模块主要由GNSS接收机和星敏感器组成；所述特定功能模块是用于完成特定功能而承载于所述基本生存模块上的功能模块；所述功能模块包括：对地通信功能模块、成像功能模块和数据处理功能模块中的一种或几种；所述节点航天器群中包括多台服务节点航天器，所述服务节点航天器包括对地通信节点航天器和/或高速计算节点航天器；所述对地通信节点航天器的最小配置是基本生存单元和对地通信设备，此外为了实现稳定可靠的对地通信要求还需另外配置太阳能电池、节点间信息传递设备、通信任务分配系统、存储硬盘设备，其中基本生存单元用以实现对地通信节点航天器的在轨生存和正常运行，对地通信设备是实现集群对地通信的基础单元，这两个模块构成了对地通信节点航天器的核心单元；另外配置的太阳能电池用以实现对地通信节点航天器的功率要求；节点间信息传递设备用以实现集群内不同成员间对地通信信息的传递，可实现对各成员间对地通信信息的收集，通信任务分配系统用以实现集群内多个对地通信节点航天器间通信任务的协商和分配，存储硬盘设备用以保存各节点航天器的对地通信信息和/或地面站发送到集群的任务指令；所述高速计算节点航天器能够为其他节点航天器提供数据处理和任务管理服务，高速计算节点航天器的核心是高性能星载计算机，其上运行综合信息处理软件与任务管理服务软件，可通过高速率星间信息链路成为数据计算的中转站，为其他节点航天器提供大型近实时的数据处理服务；亦可通过自身携带的相对导航设备获取其它节点航天器的状态信息，从而为其他节点航天器提供任务管理控制规划服务。
2.一种权利要求1所述的自主协同的航天器集群体系的运行方法，其特征在于，
组成所述航天器群的节点航天器以共享导航和集群飞行模式飞行，通过空间自组织网络相互通讯，根据有/无任务自动调整编队构型；
当所述航天器群接收到任务指令时，根据任务类型自主进行资源调度、任务规划、任务重构和失效重组，进而完成所述任务；
所述集群飞行是所述节点航天器群形成系统任务能力的基础；所述集群飞行包括：
在非执行任务状态下，根据各所述节点航天器控制能力强弱和轨道动力学特性，采用主动或被动的控制模式，形成长期维持的松散编队；在执行任务状态时，各所述节点航天器构成任务子群协同飞行；所述任务子群中的一部分所述节点航天器直接面向任务，保持特定的编队构型，另一部分所述节点航天器提供通信、计算、导航服务；
所述空间自组织网络是所述节点航天器群形成系统能力的信息基础，所述空间自组织网络用于实现各所述节点航天器之间的自组织信息交换，为共享导航、协同控制提供基础平台；所述空间自组织网络是具有网络自发现、拓扑自识别、路由自形成的能力，能够适应系统规模和通信拓扑结构的动态变化的自组织网络；所述空间自组织网络中的各所述节点航天器通过多跳信息传递方式，实现所述空间自组织网络内任意节点航天器间的通信；
所述共享导航是所述节点航天器群中的各节点航天器间进行导航信息传递、导航信息融合和导航信息处理的过程；所述导航信息包括航天器绝对轨道信息和/或相对状态信息、绝对姿态信息和/或相对姿态信息；所述共享导航用于使各所述节点航天器获得基本的集群状态信息。
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