CN110474671B - 深空信息网络动态管控系统及其管控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种深空信息网络动态管控系统，包括，地面及近地球空间网络模块，用于对地月空间多种航天器的动态接入管控；月面及环月网络模块，用于背月面各类探测器或运行到背月面航天器的管控；环火及火表网络模块，用于对火星实现广域覆盖，支持火星上的各类探测终端接入和数据中继服务。本发明管控系统，采用在多层多个空域设置深空主控网络节点，对其能力覆盖范围内的用户进行统一管控，实现管控效率的提升。该架构具有扩展性强、管控效率高、管控时效性强等特点，可支持月球探测和月面环境监测、火星探测及相关科学研究工作。

Description

深空信息网络动态管控系统及其管控方法
技术领域
本发明涉及深空通信技术领域，具体地，涉及一种深空信息网络动态管控系统及其管控方法。
背景技术
我国目前已经多次开展嫦娥系列探测器发射，实现对月探测的“绕”和“落”初步工程目标。同时，我国即将发射火星探测器，实现火星全方位的探测。但是，由于我国深空探测起步晚、探测器数量少、探测器网络性能相对落后等现实因素，尚未形成适用于深空探测体系的信息服务网络架构。
在深空通信协议研发及应用、深空信息传输技术优化设计和深空信息资源管控等方面存在技术短板，为此本发明从未来深空信息网络应用需求出发，设计一种基于动态集中管控技术的深空信息网络架构。
经过对现有技术的检索，申请公布号为CN 102420676A的发明专利公开了一种适用于深空星际卫星网络的高效交互传输方法，包括以下步骤：在连接建立阶段就开始发送信息数据；采用三级优先级分组数据等间隔交错发送的传输策略；采用初始发送Initialization Sending策略；根据不同优先级分组数据的丢失情况，判断数据丢失原因，分析网络的拥塞程度，并采用相应的信息流量控制算法；采用主动周期选择的接收应答策略。该方法没有提到深空信息资源管控的方法，不能适用于深空探测体系的信息服务网络架构。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种深空信息网络动态管控系统。
根据本发明提供的一种深空信息网络动态管控系统，包括，
地面及近地球空间网络模块，用于对地月空间多种航天器的动态接入管控；
月面及环月网络模块，用于背月面各类探测器或运行到背月面航天器的管控；
环火及火表网络模块，用于对火星实现广域覆盖，支持火星上的各类探测终端接入和数据中继服务。
进一步地，所述地面及近地球空间网络模块包括地基容错管控站和天基的高、中和低轨卫星。
进一步地，所述月面及环月网络模块包括在月球上部署的探测器、广域环境探测节点、环月轨道的中继卫星、地月系拉格朗日点卫星节点。
进一步地，所述卫星节点部署在地月系的拉格朗日点L2附近的Halo轨道组。
进一步地，所述环火及火表网络模块包括火星上的各类探测器终端及中心控制节点。
进一步地，所述中心控制节点为部署在火星附近的3颗火星同步卫星。
进一步地，所述管控系统分为服务平面、控制平面和应用平面。
进一步地，所述服务平面包括深空导航、数据中继、辅助测控和数据存储及服务等各类服务；
所述控制平面包括地基核心主控节点、地基容错管控站、月球或火星等多个区域主控节点；
所述应用平面包括地球区域各类型航天器用户、在月球上部署的探测器、广域环境探测节点、环月轨道的中继卫星、地月系拉格朗日点卫星节点、火星上的各类探测器终端及其他行星区域探测器等。
本发明还提供一种深空信息网络动态管控方法，包括如下步骤：
S1、处于应用平面的各类用户终端通过北向接口向控制平面的分域分层主控制器发起任务请求，该控制器根据事先部署好的动态资源调度机制和任务分配功能，完成任务到资源的映射；
S2、控制平面的控制器将相关控制指令通过南向接口下发至服务平面，服务平面据此完成相应的任务。
S3、控制器通过南向接口获取网络状态信息，并通过北向接口将不同用户的网络拓扑及网络状态发送给应用平面和控制平面中的地面核心主控。
进一步地，所述步骤S2服务平面完成的任务包括深空导航、中继转发、测控、通信、数据提取及处理转发任务。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明的基于动态集中管控技术的深空信息网络系统架构，采用在多层(2-4层)多个空域设置深空主控网络节点，对其能力覆盖范围内的用户进行统一管控，实现管控效率的提升。
2、本发明的基于动态集中管控技术的深空信息网络系统架构，可以应用到背月面探测器数据中继、火星探测任务的数据中继等领域，也可以使用该架构实现对多类型深空探测器提供接入、遥测和管控支持。
3、本发明的基于动态集中管控技术的深空信息网络系统架构，具有扩展性强、管控效率高、管控时效性强等特点，可支持月球探测和月面环境监测、火星探测及相关科学研究工作。
4、在深空网络构建分层分域集中管控架构，将单个管理节点的功能分解到多颗卫星上，同时与地面管理节点相结合，系统架构简单，但鲁棒性和抗毁性将更好。主控航天器节点具备星上用户状态信息维护、星上用户权限分配、用户数据存储及处理分发和多用户可用资源动态调度管理等核心功能，同时具备一定的安全防护能力，可抵抗或缓冲一定程度的网络攻击，在主控节点崩溃前进行主控权限软切换的功能，保障主控的安全。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明深空信息网络系统的结构框图；
图2为本发明深空信息网络系统的结构示意图；
图3为本发明深空信息网络系统动态管控方法原理示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示(深空信息网络动态集中管控架构)，本发明提供的一种深空信息网络动态管控系统，包括地面及近地球空间网络模块、月面及环月网络模块、环火及火表网络模块。同时可根据需求向金星、木星等区域扩展。本质上是资源动态可调配、分域分层中的网络架构，可应用到背月面探测器数据中继、火星探测任务的数据中继等领域，也可以使用该架构实现对多类型深空探测器提供接入、遥测和管控支持。
地面及近地球空间网络模块，包括地基容错管控站和天基的高、中和低轨卫星，用于对地月空间多种航天器的动态接入管控，为实现此系统的高效管控，在地球和地球静止轨道设置中心管控节点，实现对地月空间多种航天器的动态接入管控，涵盖月球对地面的探测器；
月面及环月网络模块，包括在月球上部署的探测器、广域环境探测节点、环月轨道的中继卫星、地月系拉格朗日点卫星节点，用于背月面各类探测器或运行到背月面航天器的管控，在地月系的拉格朗日点L2附近的Halo轨道组部署卫星节点，作为背月面各类探测器或运行到背月面航天器的管控；
环火及火表网络模块，包括火星上的各类探测器终端及中心控制节点，用于对火星实现广域覆盖，支持火星上的各类探测终端接入和数据中继服务，针对于火星探测器的信息保障，在火星附近部署3颗火星同步卫星作为环火及火表网络的中心控制节点，距离火星表面约为17030km，实现对火星约80％区域的广域覆盖，支持火表探测器、物联探测终端等接入和数据中继服务。
作为区域网络的中心主控节点，要求该类航天器具备星上用户状态信息维护、星上用户权限分配、用户数据存储及处理分发和多用户可用资源动态调度管理等核心功能，同时具备一定的安全防护能力，可抵抗或缓冲一定程度的网络攻击，在主控节点崩溃前进行主控权限软切换的功能，保障主控的安全。
如图2所示，(深空信息网络动态集中管控架构)本发明中深空信息网络中本质上设计为集中管控的分层分布式网络架构，即存在一个主管理者，同时存在多个分管理者，管理者间存在级别差异，上下级管理站之间具有集中式管理的特点，而下级管理者之间又具有分布式管理的特点。管理者对全网进行管理，对全网管理信息进行汇总；分管理者则互不重叠的划分网络并对其管辖区域进行管理。这种体系结构具有自主、灵活、高效、可扩展、面向任务等特性，可以实现积极的网络管理。
本发明中层1主控管理节点位于地面，采用多个站点备份保障高可靠性。
层2分域分层由地球空间信息系统、月球区域和火星区域等深空区域部署的分管理节点构成。
层3为受控节点，其中地面空间信息系统分管理节点负责导航卫星、中继卫星和空间站等航天器、地基测控网、测运控中心和应用中心等管控及维护；月球区域分管理节点由月面探测器和环月航天器、月面各类型探测设备和月球基地等、地月拉格朗日点中继等构成；火星区域分管理节点由环火飞行器、环绕中继、火表探测系统设备等构成。
集中管控的优势在于系统架构简单，分布式管控的优势在于将单个管理节点的功能分解到多颗卫星上，同时与地面管理节点相结合。分层分布式管理系统架构相对复杂，但由于将功能分解到不同的物理载体上，系统的鲁棒性和抗毁性将更好。
本发明中，在地球和地球静止轨道设置中心管控节点，实现对地月空间多种航天器的动态接入管控，涵盖月球对地面的探测器。在地月系的拉格朗日点L2附近的Halo轨道组部署卫星节点，作为背月面各类探测器或运行到背月面航天器的管控。在火星附近部署3颗火星同步卫星作为环火及火表网络的中心控制节点，实现对火星约80％区域的广域覆盖。
为实现多个主控管理节点的协同工作，需要实现的协同管理功能包括：全网拓扑信息的获取、管理域间路由的协同建立、管理域间故障的协同自愈、全网资源的调度与任务分配等。
为了实现管理者之间的协同管理，制定如下的协作流程：
(1)确定总体协作目标：当某管理者发现无法独立完成某项任务时，该管理者就启动协作管理，同时根据管理任务提出确定的总体协作目标。总体协作目标通常是一项比较宏观的目标，可进一步细分成很多个不可分割的子目标，通过完成这些子目标达到完成总体的协作目标。
(2)建立协作结构：在整个协作过程中，构造问题空间的协作结构是一个核心步骤。建立协作结构就是要确定完成总体目标所需要的角色、角色的相关性质以及角色之间的关系。
(3)求解并选择协作方案。根据协作结构找到可实现协作目标的方案,协作方案的选择是协作协调者确定协作伙伴的过程。
(4)实现协作目标：参与协作的各管理奋战根据协作方案，提供相应的服务，实施协作方案，完成最终的目的。
如图3所示(深空信息网络骨干架构动态资源管理机制)，采用软件定义网络的技术手段，将深空信息网络划分为三个平面：服务平面、控制平面和应用平面。服务平面包括空间网络的骨干网和接入网节点；控制平面由分层分布式网络架构承载；应用平面由各类用户终端组成。
服务平面包括深空导航、数据中继、辅助测控和数据存储及服务等各类服务。
控制平面包括地基核心主控节点、地基容错管控站、月球或火星等多个区域主控节点。
应用平面包括地球区域各类型航天器用户、在月球上部署的探测器、广域环境探测节点、环月轨道的中继卫星、地月系拉格朗日点卫星节点、火星上的各类探测器终端及其他行星区域探测器等。
本发明还提供一种深空信息网络动态管控方法，包括如下步骤：
S1、处于应用平面的深空、地月系各类用户终端通过北向接口向控制平面的分域分层主控制器发起任务请求，该控制器根据事先部署好的动态资源调度机制和任务分配功能，完成任务到资源的映射；
S2、控制平面的控制器将相关控制指令通过南向接口下发至服务平面，服务平面据此完成相应的深空导航、中继转发、测控、通信及数据提取及处理转发等任务；
S3、控制器通过南向接口获取网络状态信息(如链路状态、网络流量等)，并通过北向接口将不同用户的网络拓扑及网络状态发送给应用平面和控制平面中的地面核心主控。
在各个深空域空间，分层主控具有一定安全防护能力，同时可在应急模式下平滑切换主控，保障核心网络功能。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种深空信息网络动态管控系统，其特征在于，包括，
地面及近地球空间网络模块，用于对地月空间多种航天器的动态接入管控；
月面及环月网络模块，用于背月面各类探测器或运行到背月面航天器的管控；
环火及火表网络模块，用于对火星实现广域覆盖，支持火星上的各类探测终端接入和数据中继服务；
所述管控系统分为服务平面、控制平面和应用平面；
所述服务平面包括深空导航、数据中继、辅助测控和数据存储及服务；
所述控制平面包括地基核心主控节点、地基容错管控站、月球或火星主控节点；
所述应用平面包括地球区域各类型航天器用户、在月球上部署的探测器、广域环境探测节点、环月轨道的中继卫星、地月系拉格朗日点卫星节点、火星上的各类探测器终端及其他行星区域探测器。
2.根据权利要求1所述的深空信息网络动态管控系统，其特征在于，所述地面及近地球空间网络模块包括地基容错管控站和天基的高、中和低轨卫星。
3.根据权利要求1所述的深空信息网络动态管控系统，其特征在于，所述月面及环月网络模块包括在月球上部署的探测器、广域环境探测节点、环月轨道的中继卫星、地月系拉格朗日点卫星节点。
4.根据权利要求3所述的深空信息网络动态管控系统，其特征在于，所述卫星节点部署在地月系的拉格朗日点L2附近的Halo轨道组。
5.根据权利要求1所述的深空信息网络动态管控系统，其特征在于，所述环火及火表网络模块包括火星上的各类探测器终端及中心控制节点。
6.根据权利要求5所述的深空信息网络动态管控系统，其特征在于，所述中心控制节点为部署在火星附近的3颗火星同步卫星。
7.一种深空信息网络动态管控方法，其特征在于，采用权利要求1所述的深空信息网络动态管控系统，包括如下步骤：
S1、处于应用平面的各类用户终端通过北向接口向控制平面的分域分层主控制器发起任务请求，该控制器根据事先部署好的动态资源调度机制和任务分配功能，完成任务到资源的映射；
S2、控制平面的控制器将相关控制指令通过南向接口下发至服务平面，服务平面据此完成相应的任务；
S3、控制器通过南向接口获取网络状态信息，并通过北向接口将不同用户的网络拓扑及网络状态发送给应用平面和控制平面中的地面核心主控。
8.根据权利要求7所述的深空信息网络动态管控方法，其特征在于，所述步骤S2服务平面完成的任务包括深空导航、中继转发、测控、通信、数据提取及处理转发任务。
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