CN103345228A - 面向自主协作的分离模块卫星控制结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向自主协作的分离模块卫星控制结构，包括多模块协作层、单模块自治层和模块卫星Agent外壳，将模块内部自治与模块间协作分离，各模块卫星之间只在多模块协作层之间发生信息交互，而模块本身的自主控制仅与自治层发生信息交换。本发明所公开的面向自主协作的分离模块卫星控制结构，不仅具备单模块自治，同时也具有多模块协作的功能。

Description

面向自主协作的分离模块卫星控制结构

技术领域

本发明涉及航空航天技术领域，尤其涉及一种面向自主协作的分离模块卫星控制结构。

背景技术

分离模块航天器体系结构决定了系统内部各模块之间的组织和控制关系，而组成模块本身的自主控制结构是自主控制各项功能集成的基础，也是系统自主协作运行的关键所在。如何在体系结构的框架下，根据内部模块卫星的角色和功能，确立对应模块的自主控制结构Agent模型，也是一个非常重要的问题。

所谓Agent模型，描述的是Agent内部的功能模块和组成结构、模块间的信息交互和转换关系、Agent的行为描述以及与外界的信息交互等。在MAS理论中，根据各种Agent的不同智能水平及其行为特征，将Agent结构划分为反应结构、慎思结构和混合结构。卫星与之对应，则同态映射为反应型卫星Agent、慎思型卫星Agent和混合型卫星Agent。它们适于不同的任务与环境，有着自身的优点与不足。然而，这些Agent模型仅涉及卫星Agent对自身行为所实施的规划调度，即卫星本身的自治，并没有考虑卫星与卫星之间的协作。事实上，分离模块航天器要自主协作实现任务目标，既要求多模块之间相互协作的能力，又要求单模块内部决策、规划以及各个自主分系统之间的相互协调能力。

因此，提供一种不仅具备单模块自治，同时也具有多模块协作的功能的面向自主协作的卫星自主控制结构是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种不仅具备单模块自治，同时也具有多模块协作的功能的面向自主协作的卫星自主控制结构。

为了实现上述目的，本发明提供一种面向自主协作的分离模块卫星控制结构，包括：

多模块协作层，所述多模块协作层包括任务管理与规划Agent、决策Agent、决策模型库和熟人库；所述任务管理与规划Agent针对总体观测任务，完成不同层次上的任务规划，包括：任务分配与调度、系统重构规划、碰撞规避规划；所述决策Agent分为总体任务决策Agent和系统任务决策Agent，其中，所述总体任务决策Agent对任务进行解释，同时基于决策模型库中的模型以及熟人数据库中信息确定完成总体任务所需要的模块及有效载荷的类型和数目，所述系统任务决策Agent则是依据模块卫星自身状态信息在总体观测任务的执行过程中做出系统重构、系统升级、碰撞规避等系统任务决策；所述决策模型库采用顶层化的决策模型，所拥有的知识是全局性的，其决策是面向任务目标总体优化的整体行为的顶层规划与调度，而不是局限于某单个模块Agent；所述熟人库可保存分离模块航天器系统信息，所述分离模块航天器系统信息包括模块数目、各模块属性、行为特征，完成特定任务的能力、以及模块之间的相对位置关系；

单模块自治层，所述单模块自治层包括模块卫星规划中心控制Agent、故障检测、隔离与修复Agent、卫星规划决策模型库和知识库；所述模块卫星规划中心控制Agent为模块内部独立自治的控制中心，也是多模块协作层与结构外壳连接的纽带，其功能主要包括：模块卫星系统级任务目标管理；将多模块协作层分配的任务分解为具体的飞行计划时间序列，然后根据知识库中的模块卫星状态信息产生一个详细的控制指令序列，并传递给效应Agent；协调模块卫星内各个分系统，解决各个分系统自主工作引起的资源冲突；监控指令执行状况、模块卫星健康状态信息、模块卫星整体状态信息，并将其反馈给上层Agent；所述故障检测、隔离与修复Agent从整体上对模块卫星进行状态监测、性能评估和故障诊断，并在出现故障时给出解决方案，并报知上层Agent；所述卫星规划决策模型库采用基于知识的“智能”决策推理模型，所作的决策不仅仅是面向模块卫星局部或底层的行为，同时是面向系统级的整体行为的高层规划；所述知识库反映模块内部属性和状态，包括模块卫星Agent模型运行所需的当前状态和必要的历史状态信息序列；

模块卫星Agent外壳，所述模块卫星Agent外壳包括感知Agent和效应Agent，所述感知Agent可获得系统内其它模块卫星Agent、环境实体、自身的各种属性和状态信息，以及地面运营系统发送来的控制指令和数据信息，并将其传递给心智核心的决策Agent，完成对环境刺激的感知；所述效应Agent可对外部实体Agent发来的控制或调用信息的响应。

优选地，当系统总体观测任务需求的变化，使得系统需要加入新的模块成员时，所述系统任务决策Agent则根据新加入模块的状态信息，做出系统升级决策；当模块卫星之间的相对位置小于某阈值时，则根据熟人数据库中的信息，做出碰撞规避决策。

优选地，所述感知Agent的感知信息来源为：提供预定目标、感兴趣目标、突发事件的观测信息的遥感器、提供其它模块平台或有效载荷的位置、姿态、速度、剩余燃料状态信息及地面运营系统发送来的控制指令和数据信息的模块间测量装置或通信设备和提供自身各分系统或部件状态信息的模块卫星内部传感器。

优选地，所述效应Agent对外部实体Agent发来的控制或调用信息的响应包括：将心智核心所产生的控制指令序列，根据当前状态，变成卫星模块各分系统的响应行为；响应其它模块卫星Agent或地面消息，提供自身状况信息或向外部实体发送指令。

与现有技术相比，本发明所提供的面向自主协作的分离模块卫星控制结构，具有以下优点：

在逻辑上将模块内部自治与模块间协作分离，各模块卫星之间只在多模块协作层之间发生信息交互，而模块本身的自主控制仅与自治层发生信息交换，这样既保证了各模块之间能够互操作并及时交换信息，又保证了各模块内部的自治性，可以实现快速反应和智能性的统一，是“社会型”模块卫星Agent。

综上所述，本发明所提供的面向自主协作的分离模块卫星控制结构，不仅具备单模块自治，同时也具有多模块协作的功能。

附图说明

图1是本发明所提出的面向自主协作的分离模块卫星控制结构的Agent模型示意图；

图2是本发明所提出的面向自主协作的分离模块卫星控制结构的工作流程示意图。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种不仅具备单模块自治，同时也具有多模块协作的功能的面向自主协作的卫星自主控制结构。

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

在一种实施例中，请参考图1并结合图2，本发明提供一种面向自主协作的分离模块卫星控制结构，包括多模块协作层、单模块自治层和模块卫星Agent外壳。

所述多模块协作层包括任务管理与规划Agent、决策Agent、决策模型库和熟人库。

所述任务管理与规划Agent针对总体观测任务，完成不同层次上的任务规划，包括：任务分配与调度、系统重构规划、碰撞规避规划；任务分配与调度包括总体任务目标的分解与分配、系统重构过程中的任务重新分配，以及当多个相互冲突的任务同时发生时，根据任务优先级进行调度排序，达到消解冲突的目的。系统重构规划主要完成模块成员移出或进入时位置的重新分配。碰撞规避规划则是在模块卫星将发生碰撞的临界时，对模块群相对位置进行调整。

所述决策Agent分为总体任务决策Agent和系统任务决策Agent，其中，所述总体任务决策Agent对任务进行解释，同时基于决策模型库中的模型以及熟人数据库中信息确定完成总体任务所需要的模块及有效载荷的类型和数目，总体任务决策Agent做出的决策不是应急行为，而是对未来相当长一段时间内系统行为进行总体规划，所述系统任务决策Agent则是依据模块卫星自身状态信息在总体观测任务的执行过程中做出系统重构、系统升级、碰撞规避等系统任务决策；当系统总体观测任务需求的变化，使得系统需要加入新的模块成员时，所述系统任务决策Agent则根据新加入模块的状态信息，做出系统升级决策；当模块卫星之间的相对位置小于某阈值时，则根据熟人数据库中的信息，做出碰撞规避决策。

所述决策模型库采用顶层化的决策模型，所拥有的知识是全局性的，其决策是面向任务目标总体优化的整体行为的顶层规划与调度，而不是局限于某单个模块Agent，包括总体任务分解模型、任务分配与调度模型、构形变换模型、分布式多传感器观测资源配置规划模型、碰撞规避及系统重构规划模型。

所述熟人库可保存分离模块航天器系统信息，所述分离模块航天器系统信息包括模块数目、各模块属性、行为特征，完成特定任务的能力、以及模块之间的相对位置关系。

所述单模块自治层包括模块卫星规划中心控制Agent、故障检测、隔离与修复Agent、卫星规划决策模型库和知识库。

所述模块卫星规划中心控制Agent为模块内部独立自治的控制中心，也是多模块协作层与结构外壳连接的纽带，其功能主要包括：模块卫星系统级任务目标管理；将多模块协作层分配的任务分解为具体的飞行计划时间序列，然后根据知识库中的模块卫星状态信息产生一个详细的控制指令序列，并传递给效应Agent；协调模块卫星内各个分系统，解决各个分系统自主工作引起的资源冲突；监控指令执行状况、模块卫星健康状态信息、模块卫星整体状态信息，并将其反馈给上层Agent。

所述故障检测、隔离与修复Agent从整体上对模块卫星进行状态监测、性能评估和故障诊断，并在出现故障时给出解决方案，并报知上层Agent。

所述卫星规划决策模型库采用基于知识的“智能”决策推理模型，所作的决策不仅仅是面向模块卫星局部或底层的行为，同时是面向系统级的整体行为的高层规划，包括系统级任务分解模型、系统级任务分配调度规划、轨道机动路径调整模型、模块卫星姿态调整及能源消耗整体规划、故障诊断与恢复、基本反应行为模型、经验模型。同时，模块规划决策模型除了用于面向系统级任务目标优化而进行规划调度外，一个重要的方面就是用于高层次的异常保护和处理。当模块卫星运行出现异常时，反应型底层故障应急措施通常仅能够简单处理并维持最低限度的正常运行，若故障现象过于复杂，底层故障诊断模型无法给出结果时，则需要使用高层故障诊断模型和修复措施。而且，对故障的高层处理还包括在故障不可排除状态下，对模块卫星及其内部子系统行为的重新规划和调度。 

所述知识库反映模块内部属性和状态，包括模块卫星Agent模型运行所需的当前状态和必要的历史状态信息序列，当前状态和必要的历史状态信息序列包括模块自身的位置、姿态、速度、能源水平、遥感器工作模式或观测状态、其它软件或硬件的工作状态。

所述模块卫星Agent外壳包括感知Agent和效应Agent。

所述感知Agent可获得系统内其它模块卫星Agent、环境实体、自身的各种属性和状态信息，以及地面运营系统发送来的控制指令和数据信息，并将其传递给心智核心的决策Agent，完成对环境刺激的感知；所述感知Agent的感知信息来源为：提供预定目标、感兴趣目标、突发事件的观测信息的遥感器、提供其它模块平台或有效载荷的位置、姿态、速度、剩余燃料状态信息及地面运营系统发送来的控制指令和数据信息的模块间测量装置或通信设备和提供自身各分系统或部件状态信息的模块卫星内部传感器。

所述效应Agent可对外部实体Agent发来的控制或调用信息的响应，所述效应Agent对外部实体Agent发来的控制或调用信息的响应包括：将心智核心所产生的控制指令序列，根据当前状态，变成卫星模块各分系统的响应行为；响应其它模块卫星Agent或地面消息，提供自身状况信息或向外部实体发送指令。

所述效应Agent由多个具体的卫星内部分系统组成，它们具有相对独立的功能，能完成各自的子任务，以综合实现“效应”。这些分系统映射为分系统Agent，它们的功能如下：

轨道控制Agent：进行轨道确定和轨道控制；

姿态控制Agent：进行姿态捕获，控制卫星姿态；

通信系统Agent：实现星上链路的按需分配；

能源控制Agent：管理星上资源；

数据处理Agent：负责数据管理和传输；

热控Agent：测量温度并进行温度调节；

推进系统Agent：提供推力，用于调整轨道和姿态；

有效载荷Agent：对有效载荷进行监测和控制。

各分系统Agent的结构相同，均包含状态监测、局部控制、系统软硬件三个部分。各分系统Agent一方面接受上层控制指令并完成相应的功能;另一方面对外部环境的变化做出反应，处理异常情况，实现自我管理。

与现有技术相比，本实施例所公开的面向自主协作的分离模块卫星控制结构，具有以下优点：

在逻辑上将模块内部自治与模块间协作分离，各模块卫星之间只在多模块协作层之间发生信息交互，而模块本身的自主控制仅与自治层发生信息交换，这样既保证了各模块之间能够互操作并及时交换信息，又保证了各模块内部的自治性，可以实现快速反应和智能性的统一，是“社会型”模块卫星Agent。

综上所述，本实施例所提供的面向自主协作的分离模块卫星控制结构，不仅具备单模块自治，同时也具有多模块协作的功能。

需要说明的是，在本文中，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哪些要素，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。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，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、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种面向自主协作的分离模块卫星控制结构，其特征在于，包括：

多模块协作层，所述多模块协作层包括任务管理与规划Agent、决策Agent、决策模型库和熟人库；所述任务管理与规划Agent针对总体观测任务，完成不同层次上的任务规划，包括：任务分配与调度、系统重构规划、碰撞规避规划；所述决策Agent分为总体任务决策Agent和系统任务决策Agent，其中，所述总体任务决策Agent对任务进行解释，同时基于决策模型库中的模型以及熟人数据库中信息确定完成总体任务所需要的模块及有效载荷的类型和数目，所述系统任务决策Agent则是依据模块卫星自身状态信息在总体观测任务的执行过程中做出系统重构、系统升级、碰撞规避等系统任务决策；所述决策模型库采用顶层化的决策模型，所拥有的知识是全局性的，其决策是面向任务目标总体优化的整体行为的顶层规划与调度，而不是局限于某单个模块Agent；所述熟人库可保存分离模块航天器系统信息，所述分离模块航天器系统信息包括模块数目、各模块属性、行为特征，完成特定任务的能力、以及模块之间的相对位置关系；

单模块自治层，所述单模块自治层包括模块卫星规划中心控制Agent、故障检测、隔离与修复Agent、卫星规划决策模型库和知识库；所述模块卫星规划中心控制Agent为模块内部独立自治的控制中心，也是多模块协作层与结构外壳连接的纽带，其功能主要包括：模块卫星系统级任务目标管理；将多模块协作层分配的任务分解为具体的飞行计划时间序列，然后根据知识库中的模块卫星状态信息产生一个详细的控制指令序列，并传递给效应Agent；协调模块卫星内各个分系统，解决各个分系统自主工作引起的资源冲突；监控指令执行状况、模块卫星健康状态信息、模块卫星整体状态信息，并将其反馈给上层Agent；所述故障检测、隔离与修复Agent从整体上对模块卫星进行状态监测、性能评估和故障诊断，并在出现故障时给出解决方案，并报知上层Agent；所述卫星规划决策模型库采用基于知识的“智能”决策推理模型，所作的决策不仅仅是面向模块卫星局部或底层的行为，同时是面向系统级的整体行为的高层规划；所述知识库反映模块内部属性和状态，包括模块卫星Agent模型运行所需的当前状态和必要的历史状态信息序列；

模块卫星Agent外壳，所述模块卫星Agent外壳包括感知Agent和效应Agent，所述感知Agent可获得系统内其它模块卫星Agent、环境实体、自身的各种属性和状态信息，以及地面运营系统发送来的控制指令和数据信息，并将其传递给心智核心的决策Agent，完成对环境刺激的感知；所述效应Agent可对外部实体Agent发来的控制或调用信息的响应。

2.根据权利要求1所述的面向自主协作的分离模块卫星控制结构，其特征在于，当系统总体观测任务需求的变化，使得系统需要加入新的模块成员时，所述系统任务决策Agent则根据新加入模块的状态信息，做出系统升级决策；当模块卫星之间的相对位置小于某阈值时，则根据熟人数据库中的信息，做出碰撞规避决策。

3.根据权利要求1所述的面向自主协作的分离模块卫星控制结构，其特征在于，所述感知Agent的感知信息来源为：提供预定目标、感兴趣目标、突发事件的观测信息的遥感器、提供其它模块平台或有效载荷的位置、姿态、速度、剩余燃料状态信息及地面运营系统发送来的控制指令和数据信息的模块间测量装置或通信设备和提供自身各分系统或部件状态信息的模块卫星内部传感器。

4.根据权利要求1所述的面向自主协作的分离模块卫星控制结构，其特征在于，所述效应Agent对外部实体Agent发来的控制或调用信息的响应包括：将心智核心所产生的控制指令序列，根据当前状态，变成卫星模块各分系统的响应行为；响应其它模块卫星Agent或地面消息，提供自身状况信息或向外部实体发送指令。

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