CN109189090A - 基于仿生微纳星群的大型航天器全域监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于仿生微纳星群的大型航天器全域监测方法，该方法包括：通过仿蜂窝释放机构释放微纳星群；通过基于仿生势函数的微纳星群空间布局控制方法，使星群均匀分布在以航天器为球心的包络球面上；调整星群姿态，实现对航天器或其外部环境的监测；接收星群监测数据，汇总处理，并向微纳星群发送监测指令；通过星群寿命预测与故障诊断确定需要回收的卫星，并通过回收机构回收，星群中其他卫星在势函数作用下变换位置，弥补退出卫星的监测视场空缺，实现星群重构。本发明的监测方法监测视场范围大、信息全面、监测效率高、环境适应性强，可实现监测星群对大型航天器的无死角巡检，实现对大型航天器立体、全景、实时的全域监测效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于仿生微纳星群的大型航天器全域监测方法，属于航天系统技术领域。
背景技术
大型航天器的性能和技术水平在不断提高，由于其系统组成复杂，研制周期和成本高，因此保证大型航天器在复杂空间环境下持久、稳定、健康地在轨运行，已经成为空间技术领域的一个重要问题，而提高监测技术是解决该问题的有效手段。
目前，大型航天器的监测护航通常由航天器自身携带的传感器或航天器释放的单颗微小卫星进行绕飞巡检跟拍，而国内外对于大型航天器监测的一系列地面、空间论证实验和应用研究也基本都基于单星巡检进行。
“神舟七号”飞船的伴随卫星通过爆炸螺栓释放，对飞船轨道舱进行绕飞拍照和视频观测，是中国航天史上第一次进行卫星二次释放的试验。此次伴飞验证了伴星在轨释放技术，并且在飞船返回舱返回后，进行了对轨道舱形成伴飞轨道的试验，为载人航天工程的空间应用扩展奠定了技术基础。AERCam/MiniAERCamAERCam是由美国宇航局约翰逊航天中心工程局开发的自动舱外机器人相机，是一种用于远程观测和检查航天器的自由飞行照相机系统，其小型化版本MiniAERCam为直径7.5英寸的球形纳米卫星。MiniAERCam已完成实验室气浮台演示，为将来开发AERCam飞行系统奠定了基础，该系统可提供航天飞机和国际空间站的在轨视图，这些视图无法从固定摄像机获得。
然而，国内外目前采用单星绕飞跟拍大型航天器的监测方法虽能实现航天器的多角度监测，但由于单星成像和机动能力有限，其仅能提供局部、短期的图像，无法满足全景立体实时监测的需求。因此，研制一种具有立体、全方位的航天器监测系统对未来大型航天器的长期稳定运行具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的问题在于，针对现有的单星绕飞监测航天器的方法无法满足全景立体实时监测需求的问题，提出了一种基于仿生微纳星群的大型航天器全域监测方法，该方法基于仿生势函数的作用，使星群变换构型，并均匀分布于以航天器为球心的包络球面上，同时，星群姿态机动调整视场角，实现对航天器表面物理结构和外部空间环境的立体全景式实时监测。
本发明采用如下技术方案：
基于仿生微纳星群的大型航天器全域监测方法，包括如下步骤：
一、通过星群释放机构释放微纳星群；
二、通过基于仿生势函数的微纳星群空间布局控制方法，使星群变换构型，并最终均匀分布在以航天器为球心的包络球面上；
三、航天器内的任务自主规划和决策中心向微纳星群发送监测指令，通过仿生微纳星群对大型航天器或其外部环境进行监测；
四、任务自主规划和决策中心接收星群监测数据，并汇总处理；
五、确定需要回收的卫星，并通过回收机构回收；
回收的卫星退出监测构型后，星群中的其他卫星在仿生势函数的作用下调整位置并均匀分布在包络球面上，弥补退出卫星的监测视场空缺，实现监测构型重构；
重复步骤三至五。
进一步地，步骤一中所述的星群释放机构呈蜂窝状结构，且环绕并附着于航天器表面，其满足各个监测轨道的发射方向要求，可有效节省空间；
所述仿生微纳星群由多颗具备基本姿轨机动能力并集成成像载荷的微纳卫星组成，所述成像载荷用于光照面和背影面交替成像，成像载荷的视场指向航天器实现对航天器外围结构监测，成像载荷的视场背向航天器实现对航天器外部环境的监测。
进一步地，步骤二和五中所述的仿生势函数包括：中心势函数和球面势函数；
中心势函数的表达式为
其中，α为中心势函数的作用系数，μ为中心势函数的平衡半径系数，||*||表示欧式距离，x是自变量；集群在中心势场作用下的平衡半径为
球面势函数的表达式为
其中，c为球面势函数的平衡半径系数；
监测星群在中心势函数作用下，分布于以大型航天器为球心的包络球面上，在球面势函数作用下，进一步均匀分布在包络球面上；
当星群中的卫星被收回后，星群中的其他卫星在球面势函数作用下变换位置，并最终均匀分布在包络球面上，实现卫星视场补缺和监测构型重构。
进一步地，所述任务自主规划和决策中心包括：数据传输处理系统、图像终端和任务自主规划决策系统；
步骤三的具体步骤为：
所述任务自主规划决策系统对监测星群进行任务管理、任务分配、航路规划和任务决策，实现星群对内监测航天器表面结构和对外监测航天器外部环境的两种工作模式的切换；
步骤四的具体步骤为：
a、通过所述数据传输处理系统实现星群之间、星群与航天器之间和航天器内部的监测数据传输，并对监测数据进行处理、比较和分析，对航天器整体外部健康状况进行评估；
b、通过所述图像终端对处理后的监测图像进行全景式拼接和三维成像显示。
进一步地，步骤五中，需要回收的卫星包括：需要补充喷气燃料的卫星和失效卫星；
判断卫星是否失效的过程具体为：若卫星发生空间位置漂移且不再受控，该卫星与其邻近卫星的距离D大于该卫星的有效工作半径L且无法受控回到其工作范围时，则视为失效卫星，需要被回收。
进一步地，步骤五还包括：当分布于包络面上的卫星数量不满足全域监测的视场要求时，航天器向包络球面发送卫星，卫星到达包络球面后，在球面势函数作用下，星群中的卫星在包络球面上重新均匀分布，从而满足监测要求。
本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明的监测星群根据任务自主规划和决策中心下发的监测任务指令，对监测工作模式进行切换，调整视场指向航天器或背向航天器，可实现对大型航天器表面或外部环境的全域监测；
(2)本发明利用微纳卫星集群，克服了如今单星监测方法易受环境变化影响的缺陷，且微纳卫星集群具有低成本、高性价比和高载荷比的特点，通过对失控卫星的回收和包络球面上卫星数量不满足要求时卫星的补充，达到连续全域监测的要求，监测系统适应性强、鲁棒性好；
(3)本发明提出的势函数曲线平缓、函数阶次低且形式较为简单，其易于工程实现集群控制的实施并节省燃料；通过势函数的作用，变换星群构型，使星群均匀分布于以航天器为球心的包络球面上，呈现出在简单行为规则下的复杂的群体行为效果；
同时，星群姿态机动调整视场角，监测视场范围大，信息全面，监测效率高，可实现监测星群对大型航天器的无死角巡检。
附图说明
图1为微纳星群在以航天器为球心的包络球面上均匀分布的示意图；
图2为星群释放机构释放微纳星群的示意图；
图3为星群监测视场覆盖效果示意图；
图4为本发明的微纳星群全域监测方法的流程图；
图5为势场曲线，其中，(a)为中心势函数曲线，(b)为中心势函数的一阶导函数曲线，(c)为球面势函数曲线，(d)为球面势函数的一阶导函数曲线；
图3中，r表示视场半径，D表示相邻卫星间距离。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明提出的基于仿生微纳星群的大型航天器全域监测方法进行详细说明。
基于仿生微纳星群的大型航天器全域监测方法，参考图4所示的流程图，其包括如下步骤：
一、通过环绕并附着于大型航天器表面的仿蜂窝星群释放机构释放微纳星群，如图2所示，该释放机构可有效节省空间，并满足各个监测轨道的发射方向要求；
微纳星群由多颗微纳卫星组成，每颗卫星都具备最基本的姿态控制和轨道控制，其上搭载有CCD相机和激光雷达用来对航天器进行全天实时观测；
二、星群离开大型航天器后运动至航天器外围，通过基于仿生势函数的微纳星群空间布局控制方法，使星群变换构型，星群在中心势函数作用下飞行至航天器外一定半径的球络面上，进一步在球面势函数的作用下均匀分布在以航天器为球心的包络球面上，如图1所示；
微纳星群空间布局控制方法借鉴生物集群行为原理，遵循相互聚集、保持距离和速度匹配三条原则，星群均匀分布过程的基本原理为：将集群在一定空间环境内的运动抽象为个体在一个虚拟的人造势场中的运动，集群中的个体受到引力势场和斥力势场的作用，最终个体在虚拟合外力的作用下到达平衡位置，总势场力就是个体在空间运动的加速度力。
势场U(xi)为星群在空间站外围均匀分布提供加速度，
星群中第i个卫星的运动取决于其在星群中受到的总势场为
式中，xi是第i个卫星的位置向量，v(xi)为卫星i的速度向量，U(xi)为卫星i的势场，为A的一阶导数，m为卫星i的质量，表示梯度。
势场U(xi)的定义式为
U(xi)＝aUd(xi)+bUij(xi) (2)
式中，Ud(*)为中心势场，Uij(*)为球面势场，a为中心势场的作用系数，b为球面势场的作用系数。
第i个卫星的中心势场为
其中，f(*)为中心势函数；ap为中心势函数的位置反馈系数，ad为中心势函数的速度反馈系数，xd为虚拟中心位置向量，||*||表示欧式距离，α为中心势函数的作用系数，μ为中心势函数的平衡半径系数，星群在中心势场作用下的平衡半径为
中心势函数及其一阶导函数的表达式为
其中，x是自变量；
第i个卫星的球面势场为
其中，g(*)为球面势函数，bp为球面势函数的位置反馈系数，ga(*)表示球面势函数的吸引作用部分，gr(*)表示球面势函数的排斥作用部分，bd为球面势函数的速度反馈系数，vij为卫星i与卫星j的速度差，c为球面势函数的平衡半径系数；
球面势函数及其一阶导函数的表达式为
图5给出了仿生势场的函数曲线；图5(a)、图5(b)分别为中心势函数f(x)和中心势函数的一阶导数f'(x)的曲线，横坐标为个体相对虚拟中心的距离x，为势函数的极小值和导函数零点，对应于卫星集群在中心势场作用下相对虚拟中心的平衡半径；图5(c)、图5(d)分别为球面势函数g(x)和球面势函数的一阶导数g'(x)的曲线，横坐标为个体之间的相对距离x，c为势函数的极小值和导函数零点，对应于卫星集群个体之间相互作用的平衡距离；该势场函数曲线平缓、函数阶次低且较为简单，易于工程实现，可有效实现群体的集群行为控制；
用于微纳卫星集群行为控制的势场是在星群附近设置的虚拟势场，势场的变化趋势由势函数描述，势函数的自变量是个体相对于势场中心的距离，势函数的梯度可以看作个体在当前位置受到势场中心的作用力，集群在势场中的运动由势场力驱动，因此平缓、阶次低的势函数可以保证个体在距离势场中心较远的位置时不会具有过大的势场力，更利于燃料节省和控制实现。
三、根据任务自主规划和决策中心发出的监测任务指令，通过仿生微纳星群姿态调整，实现对大型航天器或其外部环境进行监测，视场覆盖效果如图3所示(位于中心的视场1和环绕视场1的视场2-7)，视场1-7的视场半径均为r，相邻视场中心距离为D，
星群调整姿态，使成像载荷视场朝向航天器，视场域在被监测航天器与星群之间的某个球面全覆盖，实现对航天器表面物理结构监测；
星群调整姿态，使成像载荷视场背向航天器，视场域在被监测航天器和星群之外的某个球面全覆盖，实现对航天器外部空间环境监测；
需要特别说明的是，图3所示的构型是一种极端情形，即星群中的卫星数量恰好满足全视场覆盖的要求，实际运行时的卫星数量要多于该极端情形下的卫星数量。
四、监测星群将采集到的图像数据传回基于大数据的任务自主规划和决策中心，该任务自主规划和决策中心主要包括：数据传输处理系统、图像终端和任务自主规划决策系统，对监测星群进行任务管理、任务分配、航路规划和任务决策；
数据传输处理系统实现监测卫星间，监测卫星与被监测航天器间无线传输，航天器内部的有线数据交互，汇总监测数据后，利用数据传输处理系统内的星载计算机进行图像数据处理和拼接，获得全域监测图像；
图像终端对处理、拼接好的图像信息进行三维立体成像；
任务自主规划决策系统对监测任务模式进行切换，大型航天器通过无线方式将监测指令发送至观测卫星集群，实现对内航天器观测和对外航天器周围环境观测两种功能切换；
五、确定需要回收的卫星，并通过回收机构回收；
需要回收的卫星分为两类：1、需要补充喷气燃料的卫星；2、失效卫星，主要特征为卫星出现故障后不再受控。
判断卫星是否失效的过程为：若卫星发生空间位置漂移且不再受控，失效卫星与其邻近卫星的距离D大于该卫星的有效工作半径L且无法受控回到其工作范围时，则视为失效卫星，需要被回收。
回收机构包括机械臂和柔性绳两种；卫星退出监测构型后，星群的其他卫星调整位置并均匀分布在包络球面上，弥补退出卫星的监测视场空缺，实现星群重构，保持整个监测的星群的长期稳定运行。
当分布于包络面上的卫星数量不满足全域监测的视场要求时，航天器向包络面发送卫星，卫星到达包络球面后，在球面势函数作用下，星群中的卫星在包络球面上重新均匀分布，从而满足监测要求。
重复步骤三至五，实现对航天器的全天实时监测。
基于对本发明优选实施方式的描述，应该清楚，由所附的权利要求书所限定的本发明并不仅仅局限于上面说明书中所阐述的特定细节，未脱离本发明宗旨或范围的对本发明的许多显而易见的改变同样可能达到本发明的目的。
Claims (6)
1.基于仿生微纳星群的大型航天器全域监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
一、通过星群释放机构释放微纳星群；
二、通过基于仿生势函数的微纳星群空间布局控制方法，使星群变换构型，并最终均匀分布在以航天器为球心的包络球面上；
三、航天器内的任务自主规划和决策中心向微纳星群发送监测指令，通过仿生微纳星群对大型航天器或其外部环境进行监测；
四、任务自主规划和决策中心接收星群监测数据，并汇总处理；
五、确定需要回收的卫星，并通过回收机构回收；
回收的卫星退出监测构型后，星群中的其他卫星在仿生势函数的作用下调整位置并均匀分布在包络球面上，弥补退出卫星的监测视场空缺，实现监测构型重构；
重复步骤三至五。
2.根据权利要求1所述的基于仿生微纳星群的大型航天器全域监测方法，其特征在于，
步骤一中，所述星群释放机构呈蜂窝状结构，且附着于航天器表面；
所述仿生微纳星群由多颗具备基本姿轨机动能力并集成成像载荷的微纳卫星组成，所述成像载荷用于光照面和背影面交替成像，成像载荷的视场指向航天器实现对航天器外围结构的监测，成像载荷的视场背向航天器实现对航天器外部环境的监测。
3.根据权利要求1或2所述的基于仿生微纳星群的大型航天器全域监测方法，其特征在于，
步骤二和五中所述的仿生势函数包括：中心势函数和球面势函数；
中心势函数的表达式为
其中，α为中心势函数的作用系数，μ为中心势函数的平衡半径系数，||*||表示欧式距离，x是自变量；微纳星群在中心势场作用下的平衡半径为
球面势函数的表达式为
其中，c为球面势函数的平衡半径系数；
监测星群在中心势函数作用下，分布于以大型航天器为球心的包络球面上，在球面势函数作用下，进一步均匀分布在包络球面上；
当星群中的卫星被收回后，星群中的其他卫星在球面势函数作用下变换位置，并最终均匀分布在包络球面上，实现卫星视场补缺和监测构型重构。
4.根据权利要求3所述的基于仿生微纳星群的大型航天器全域监测方法，其特征在于，
所述任务自主规划和决策中心包括：数据传输处理系统、图像终端和任务自主规划决策系统；
步骤三的具体步骤为：
所述任务自主规划决策系统对监测星群进行任务管理、任务分配、航路规划和任务决策，实现星群对内监测航天器表面结构和对外监测航天器外部环境的两种工作模式的切换；
步骤四的具体步骤为：
a、通过所述数据传输处理系统实现星群之间、星群与航天器之间和航天器内部的监测数据传输，并对监测数据进行处理、比较和分析，对航天器整体外部健康状况进行评估；
b、通过所述图像终端对处理后的监测图像进行全景式拼接和三维成像显示。
5.根据权利要求4所述的基于仿生微纳星群的大型航天器全域监测方法，其特征在于，
步骤五中，需要回收的卫星包括：需要补充喷气燃料的卫星和失效卫星；
判断卫星是否失效的过程具体为：若卫星发生空间位置漂移且不再受控，该卫星与其邻近卫星的距离D大于该卫星的有效工作半径L且无法受控回到其工作范围时，则视为失效卫星，需要被回收。
6.根据权利要求1或5所述的基于仿生微纳星群的大型航天器全域监测方法，其特征在于，
步骤五还包括：当分布于包络面上的卫星数量不满足全域监测的视场要求时，航天器向包络球面发送卫星，卫星到达包络球面后，在球面势函数作用下，星群中的卫星在包络球面上重新均匀分布，从而满足监测要求。
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