CN112235034B - 一种空间分布式星群设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于卫星通信领域，公开了一种空间分布式星群设计方法，包括以下步骤：制定星群共轨方案；设计拓扑构型；制定功能载荷及分工策略；制定在轨构型重构和功能重构方法；设计星群灵活组网方法；设计星间高速数据传输方法；设计多星分布式合成覆盖方法；设计多星分布式联合计算方法；设计星群智能自愈方法；设计快速应急调整方法；设计星群规模拓展和星群簇构建方法。本方法具有通过多星共轨组合提升轨位利用效率、通过高速互联传输增强星群能力、通过在轨自愈重构实现快速响应、通过分布式阵列天线增大覆盖范围、通过分布式联合计算提高星上处理能力等优点，特别适用于空间分布式星群的设计。

Description

一种空间分布式星群设计方法

技术领域

本发明属于卫星移动通信领域，尤其涉及一种卫星通信星群设计方法。

背景技术

构建天空地一体的空间信息网络是我国空间信息系统的必然发展趋势，天基信息网络作为空间信息网络的基础传输平台，需要向上支持深空探测的超远程、大时延、不间断可靠传输，向下支持对地观测的高动态、宽带实时传输，同时可保障远洋航行、航空接入、应急救援等重要价值用户通信，因此需要确保高性能、高可靠的空间信息支持能力。当前天基信息网络面临空间同步轨道的轨位和频谱资源匮乏，单星研制周期长、技术复杂度高、能力受限等问题，严重影响了我国空间信息网络的创新发展。因此，如何克服上述频轨资源紧缺、单星能力受限的问题，实现资源利用率和星上处理能力最大化，成为了开展空间信息网络建设亟待解决的迫切问题之一。

空间分布式星群在同一空间轨道位置上，布设多颗异构任务卫星，通过星间高速大容量数据交互，实现分布式载荷联合协作的功能。空间分布式星群一方面能够充分利用空间轨位资源，在单一轨位上实现多颗卫星的布设；另一方面通过分布式载荷方式进行星上业务处理，将功能需求分担到各个星群成员卫星上，降低了对单颗卫星能力的要求。此外，由于采用分布式设计，星群能够实现灵活重构和在轨即插即用功能，提高了星群的灵活性和鲁棒性。

当前，针对分布式星群的研究主要围绕星群网络路由方法和接入策略展开。在路由方法方面，考虑到分布式星群成员卫星在轨运行过程中可能出现的相对位置变化、星群构型发生变化等情况，基于联系图、流量均衡、链路权重优化等方法对路由算法进行了设计；接入策略方面，针对新业务申请接入过程中存在的资源分配等问题，基于层次分析、资源平衡和能量效能优化等方法对接入策略进行了设计。

中国专利CN108880656中提出了一种分布式星群系统和信息系统，该专利对分布式星群系统构型、通信载荷设置进行了设计，增加了功能的多样化并提升了系统性能。

中国专利CN105282038中提出了一种用于移动卫星网络中基于稳定性分析的分布式星群组网优化方法，该方法利用分步骤优化的方式，首先构建初始网络，随后将优先链路接入网络，最后通过循环控制机制使分布式网络达到稳定性阂值。

发明内容

本发明针对空间频轨资源紧张和同步轨道大卫星平台研制周期长、复杂度高等问题，提出一种空间分布式星群设计方法，具有轨位利用率高、星群处理能力强、可在轨自愈重构、天线覆盖范围大等特点。

本发明公开了一种空间分布式星群设计方法，包括以下步骤：

S1，制定星群共轨方案；

S2，设计拓扑构型；

S3，根据任务需求，制定功能载荷搭载策略及分工策略；

S4，设计在轨构型重构方法和功能重构方法；

S5，对星群内卫星进行灵活组网；

S6，确定星间高速数据传输方法；

S7，设计星群智能自愈方法；

S8，设计多星分布式合成覆盖方法。

所述的步骤S1，其具体步骤包括：

分布式星群卫星采用平经度隔离策略、偏心率隔离策略、倾角偏心率联合隔离策略进行共轨位方案设计，整个星群在同步轨道上占位小于1°，群内各星间距离保持在1～5km范围内；

所述的平经度隔离策略，是将群内卫星在1°的轨位范围内按照经度的方向等分为若干个固定区域，每个固定区域是单个卫星的漂移范围，星群中每个个体的运行轨道范围没有重叠，运行过程中根据每个卫星的自身情况来设计对应的控制保持策略，控制保持策略应使卫星始终处于固定区域内；

所述的偏心率隔离策略，是利用偏心率矢量差来实现星群内卫星的共位隔离，共位卫星位置的切向距离在径向距离为零时达到最大值，径向距离会在切向距离为零时达到最大值，共位卫星在轨道运行平面上保持一定的距离；

所述的倾角偏心率联合隔离策略，是通过让卫星运行在不同的轨道平面来进行隔离，利用偏心率矢量差保证共位卫星在径向以及经度上隔离，利用倾角矢量差保证卫星在不同的轨道平面上有法向隔离，实现群内卫星的共位隔离且避免发生碰撞。

所述的步骤S2，其具体步骤包括：

根据共轨方案构建分布式星群卫星位置的时变图，根据位置时变特点采用线型、环型、星型或网状方式进行拓扑构型设计。

根据共轨方案，确定分布式星群各群内卫星的轨道六根数，进而计算获得卫星在不同时刻的轨道位置及运动参数；根据卫星位置坐标，判断不同时刻各卫星之间的可见性关系，即星群内潜在星间链路的时变图；由于采用不同共轨隔离策略的星群，其群内卫星的时变图存在一定差异，根据卫星潜在链路的连接关系，选择线型、环型、星型或网状等不同的拓扑结构，进行群内卫星网络的拓扑构型设计。

对于采用平经度隔离策略的星群，各节点呈线型均匀分布于轨位范围内，其时变图相对稳定，且各节点仅与其前后两个节点可见，因此采用线型拓扑进行构型；采用偏心率或倾角偏心率联合隔离策略的星群，采用星型或网状拓扑进行构型，以满足群内网络的连通性和稳定性要求。

所述的步骤S3，其具体步骤包括：

星群内单颗卫星按需搭载相同或不同的功能载荷，通过与其他卫星灵活组合，共同完成任务；星群的任务保障、信息传输、资源管理、协同控制等由多颗任务卫星分散承担，星群卫星根据当前所执行任务的需求搭载相应功能载荷，各功能载荷分工协作，共同完成当前任务；

任务需求通过所需功能载荷的数量进行量化描述，任务需求表示为

其中

为所需功能载荷类型集合，

为所需功能载荷数量集合；星群各卫星的功能载荷信息表示为(S_at,P_ayload,N_um)，其中，S_at为星群内卫星集合，P_ayload为各卫星所搭载功能载荷类型集合，N_um为各类可用功能载荷的数量集合；

星群卫星节点在功能分工过程中，在满足任务需求的前提下，为实现各卫星的负载均衡，即各卫星的功耗尽量保持均衡，建立优化问题如下：

其中，g为全部卫星功耗的方差，即优化目标，N_sat为所有卫星数量，

为第i颗卫星的现有功耗，N_pl为功能载荷类型数，

为第j类功能载荷的功耗，

为当前任务分工中第i颗卫星第j类载荷的数量，

为当前任务对于第j类功能载荷的数量需求，N_um,j为当前可用的第j类功能载荷的数量，

为第i颗卫星的第j类功能载荷的可用数量，通过求解上述优化问题，即得到星群节点的功能载荷搭载策略及分工策略。

所述的步骤S4，其具体步骤包括：

对于在轨构型重构方法，采用构型摄动最小原则，在星群的构型尺寸、拓扑结构、星群规模发生按需或突发变化时，通过调节原有构型，迅速实现星群构型重构；

星群构型调整前，各卫星之间的连接关系可表示为网络连接矩阵：

其中L_im表示第i颗卫星和第m颗卫星之间的连接关系，若两者之间存在通信链路记为1，反之记为0；星群在轨重构后，根据构型摄动最小原则，得到重构后的新连接矩阵Φ′，Φ′的求解过程表示为：

其约束条件是保证群内网络连通性，其中L_i′_m表示重构后的新连接矩阵Φ′中，第i颗卫星和第m颗卫星之间的连接关系。

对于在轨功能重构方法，采用载荷任务调整最小和组合功能最优原则，星群的覆盖特性、任务功能由分布在多颗任务卫星的载荷按照需要灵活组合共同提供；功能调整前，各卫星的功能载荷分工信息可表示为分工矩阵：

其中，

表示第i颗卫星第j类载荷的分工情况，星群功能重构后的功能载荷新分工矩阵表示为Ψ′，Ψ′通过载荷任务调整最小原则进行求解，载荷任务调整最小原则表示为：

其约束条件是保证功能载荷满足任务需求，其中

为星群功能重构后的功能载荷新分工矩阵Ψ′中，第i颗卫星第j类载荷的分工情况。

所述的步骤S5，其具体步骤包括：

根据分布式星群特点和需求设计群内卫星的组网方法，包括接入控制方法、路由交换方法等。采用基于波长识别和资源管理的卫星组网方法，通过全光波长捷变控制和组网接入控制代理实现星群灵活组网和卫星在轨即插即用；采用路由交换技术，实现星群路由和大容量信息交换。

所述的步骤S6，其具体步骤包括：

星群内卫星之间采用激光、毫米波双重手段实现信息互联，星间激光通信速率20Gbps以上，毫米波通信速率为1Gbps以上。

所述的步骤S7，其具体步骤包括：

星群之间通过高速群内网络定时进行卫星状态和链路状态的信息交互，当星群中某颗卫星发生功能载荷故障时，故障卫星发送故障告警信息，向星群其他卫星广播故障信息，当某颗卫星通信模块或整星发生故障，相邻卫星节点发现故障节点不可达，同时群内其他卫星不能按时接收到故障卫星的状态信息时，星群将随机产生控制节点，并向故障节点发送问询信息，若在门限值内未收到回复信息，则认为该卫星发生故障，从而实现在无人干预或管理情况下，定位故障卫星及设备；通过采用分布式结构，整个星群对单点故障具有自愈功能，当星群中某颗发生故障停止工作时，星群通过在轨构型重构将故障卫星剔出系统，并按照在轨功能重构功能实现在轨快速自愈。

所述的步骤S8，其具体步骤包括：

星群的覆盖能力由分布在多颗卫星上的分布式阵列天线空间合成多波束和多个独立点波束共同提供，在覆盖要求变化时，基于相控阵天线的波束赋形原理，通过地面指令对星群各节点的天线指向进行调整，实现对地面目标区域的合成覆盖。

本发明具有如下优点：

1、通过多星共轨组合策略，将多个分布式星群卫星节点布置于占位小于1°的同步轨道上，提升了轨位利用效率；星群内部采用激光、毫米波双重手段实现互联，群内通信速率高，能够满足分布式联合计算需求，增强星群能力；星群引入智能自愈方法，充分利用分布式结构特点，能够实现故障智能发现、定位、处理，提高星群的鲁棒性；

2、采用多星分布式合成覆盖方法，通过将多颗卫星上的分布式阵列天线空间合成多波束和多个独立点波束，增大覆盖范围，并能够满足按需灵活变化的需求；通过将多颗卫星上的存储、运算模块采用分布式联合计算的方式整合使用，降低了单个卫星的能力需求，同时提高了星群的在轨处理能力。

附图说明

图1为本发明中的空间分布式星群体系架构图。

具体实施方式

为了对本发明方案进行详细阐述，这里给出了两个实施例。

实施例1：空间分布式星群设计方法

空间分布式星群是指布设在同一空间轨道位置上的多颗异构任务卫星，采用星间链路互联实现星间同步和大容量数据传输，通过分布式载荷联合协作，共同实现广域覆盖、大容量信息交换、灵活组网通信、空间信息服务等功能，并能在轨自主实现拓扑和功能重构、在发生故障时能快速自愈的卫星群体集合；

空间分布式星群能够提供一种自组织、可重构、鲁棒性强的空间网络化信息基础平台，搭载各类天基信息获取、应用载荷的任务卫星可按需以即插即用的方式接入星群实现空间信息处理、传输和交换等功能。

如图1所示，本发明公开了一种空间分布式星群设计方法，包括以下步骤：

S1，制定星群共轨方案；

分布式星群卫星采用平经度隔离策略、偏心率隔离策略、倾角偏心率联合隔离策略进行共轨位方案设计，整个星群在同步轨道上占位小于1°，群内各星间距离保持在1～5km范围内；

所述的平经度隔离策略，是将群内卫星在1°的轨位范围内按照经度的方向等分为若干个区域，每个区域是单个卫星的漂移范围，星群中各个个体的运行轨道范围没有重叠，运行过程中根据每个卫星的自身情况来设计对应的控制保持策略，控制保持策略应使卫星始终处于固定区域内；

所述的偏心率隔离策略，是利用偏心率矢量差来实现星群内卫星的共位隔离，共位卫星位置的切向距离在径向距离为零时达到最大值，径向距离会在切向距离为零时达到最大值，共位卫星在轨道运行平面上保持一定的距离；

所述的倾角偏心率联合隔离策略，是通过让卫星运行在不同的轨道平面来进行隔离，若仅使用倾角隔离，存在共位卫星在轨道的交点处发生碰撞的情况，因此采用偏心率和倾角矢量联合的隔离方法，利用偏心率矢量差保证共位卫星在径向以及经度上隔离，利用倾角矢量差保证卫星在不同的轨道平面上有法向隔离，实现群内卫星的共位隔离且避免发生碰撞。

S2，设计拓扑构型；

根据共轨方案构建分布式星群卫星位置的时变图，根据位置时变特点采用线型、环型、星型或网状方式进行拓扑构型设计。

根据共轨方案，确定分布式星群各群内卫星的轨道六根数，进而计算获得卫星在不同时刻的轨道位置及运动参数；根据卫星位置坐标，判断不同时刻各卫星之间的可见性关系，即星群内潜在星间链路的时变图；由于采用不同共轨隔离策略的星群，其群内卫星的时变图存在一定差异，根据卫星潜在链路的连接关系，选择线型、环型、星型或网状等不同的拓扑结构，进行群内卫星网络的拓扑构型设计。

对于采用平经度隔离策略的星群，各节点呈线型均匀分布于轨位范围内，其时变图相对稳定，且各节点仅与其前后两个节点可见，因此采用线型拓扑进行构型；采用偏心率或倾角偏心率联合隔离策略的星群，卫星间的相对运动较为复杂，潜在星间链路多且时变特性明显，采用星型或网状拓扑进行构型，以满足群内网络的连通性和稳定性要求。

S3，根据任务需求，制定功能载荷搭载策略及分工策略；

星群内单颗卫星按需搭载相同或不同的功能载荷，通过与其他卫星灵活组合，共同完成任务；星群的任务保障、信息传输、资源管理、协同控制等由多颗任务卫星分散承担，星群卫星根据当前所执行任务的需求搭载相应功能载荷，各功能载荷分工协作，共同完成当前任务；

任务需求通过所需功能载荷的数量进行量化描述，任务需求表示为

其中

为所需功能载荷类型集合，

为所需功能载荷数量集合；星群各卫星的功能载荷信息表示为(S_at,P_ayload,N_um)，其中，S_at为星群内卫星集合，P_ayload为各卫星所搭载功能载荷类型集合，N_um为各类可用功能载荷的数量集合；

星群卫星节点在功能分工过程中，在满足任务需求的前提下，为尽可能实现各卫星的负载均衡，即各卫星的功耗尽量保持均衡，建立优化问题如下：

其中，g为全部卫星功耗的方差，即优化目标，N_sat为所有卫星数量，

为第i颗卫星的现有功耗，N_pl为功能载荷类型数，

为第j类功能载荷的功耗，

为当前任务分工中第i颗卫星第j类载荷的数量，

为当前任务对于第j类功能载荷的数量需求，N_um,j为当前可用的第j类功能载荷的数量，

为第i颗卫星的第j类功能载荷的可用数量；通过求解上述优化问题，即可得到星群节点的功能载荷搭载策略及分工策略；

星群中不设立固定的主卫星，星群内所有的成员卫星均以平等的身份加入，根据任务需求的不同承担不同的分工。

S4，设计在轨构型重构方法和功能重构方法；

对于在轨构型重构方法，采用构型摄动最小原则，在星群的构型尺寸、拓扑结构、星群规模发生按需或突发变化时，通过调节原有构型，迅速实现星群构型重构；

星群构型调整前，各卫星之间的连接关系可表示为网络连接矩阵：

其中L_im表示第i颗卫星和第m颗卫星之间的连接关系，若两者之间存在通信链路记为1，反之记为0；星群在轨重构后，根据构型摄动最小原则，得到重构后的新连接矩阵Φ′，Φ′的求解过程表示为：

其约束条件是保证群内网络连通性，其中L_i′_m表示重构后的新连接矩阵Φ′中，第i颗卫星和第m颗卫星之间的连接关系。

对于在轨功能重构方法，采用载荷任务调整最小和组合功能最优原则，星群的覆盖特性、任务功能由分布在多颗任务卫星的载荷按照需要灵活组合共同提供，各任务卫星上的载荷可在轨实现面向任务的功能重组，按需拓展或增强、降低相关功能指标；功能调整前，各卫星的功能载荷分工信息可表示为分工矩阵：

其中，

表示第i颗卫星第j类载荷的分工情况，星群功能重构后的功能载荷新分工矩阵表示为Ψ′，Ψ′通过载荷任务调整最小原则进行求解，载荷任务调整最小原则表示为：

其约束条件是保证功能载荷满足任务需求，其中

为星群功能重构后的功能载荷新分工矩阵Ψ′中，第i颗卫星第j类载荷的分工情况；

组合功能最优原则，为调整后尽可能满足任务对各功能载荷的数量需求，同时兼顾各卫星的负载均衡。

S5，对星群内卫星进行灵活组网；

根据分布式星群特点和需求设计群内卫星的组网方法，包括接入控制方法、路由交换方法等。采用基于波长识别和资源管理的卫星组网方法，通过全光波长捷变控制和组网接入控制代理实现星群灵活组网和卫星在轨即插即用；采用路由交换技术，实现星群路由和大容量信息交换。

S6，确定星间高速数据传输方法；

星群内卫星之间采用激光、毫米波双重手段实现信息互联，星间激光通信速率20Gbps以上，毫米波通信速率为1Gbps以上。

S7，设计星群智能自愈方法；

星群之间通过高速群内网络定时进行卫星状态和链路状态的信息交互，当星群中某颗卫星发生功能载荷故障时，通过发送故障告警信息，向星群其他卫星广播故障信息，当某颗卫星通信模块或整星发生故障，相邻卫星节点发现故障节点不可达，同时群内其他卫星不能按时接收到故障卫星的状态信息时，星群将随机产生控制节点，并向故障节点发送问询信息，若在门限值内未收到回复信息，则认为该卫星发生故障，从而实现在无人干预或管理情况下，定位故障卫星及设备；通过采用分布式结构，整个星群对单点故障具有自愈功能，当星群中某颗发生故障停止工作时，星群通过在轨构型重构将故障卫星剔出系统，并按照在轨功能重构功能实现在轨快速自愈。

S8，设计多星分布式合成覆盖方法；

星群的覆盖能力由分布在多颗卫星上的分布式阵列天线空间合成多波束和多个独立点波束共同提供，在覆盖要求变化时，基于相控阵天线的波束赋形原理，通过地面指令对星群各节点的天线指向进行调整，实现对地面目标区域的合成覆盖。

在完成上述设计基础上，设计多星分布式联合计算平台。星群计算功能载荷根据任务需求分别搭载于不同的卫星上，卫星之间通过群内高速网络互连，各卫星上的计算功能载荷通过群内网络实现数据的高速交互，实现等同于大型计算平台的分布式联合计算功能，为多种空间任务提供高效大容量、可加载的高可靠分布式信息服务；同时通过在轨重构技术，灵活替换故障卫星或设备，增减功能模块，保证星载计算平台的可靠性。

在遇到突发应急保障需要时，需要设计星群快速应急调整方法；通过调整空间合成覆盖和载荷功能组合，迅速将增强的覆盖资源和载荷资源提供给热点地区，从而应对突发应急保障需要。以覆盖范围、功能载荷调整时间最短、热点覆盖、业务保障质量最高、其他非热点地区业务覆盖、保障质量最高为多个目标构建优化问题，利用遗传算法、群智能算法等求解过目标优化问题，最终得到满足应急保障需求的分布式阵列天线指向方案和星群功能载荷分工方案，并在轨执行。

星群采用标准化的接入控制与信息传输协议，星群规模可灵活拓展，多个星群可互连构成星群簇，任一卫星可按需从一个星群机动到另一个星群成为其中一员。如果在同步、非同步轨道和临近空间按需布设多个星群，则可在空间形成覆盖全轨道的无中心化的空间信息网。

星群均以IP路由组网方式进行互联，各星群卫星节点实现统一编址，且各星群均采用统一的接入控制、路由交换、资源管理策略；采用随机产生控制节点的方式进行组网和控制，实现星群的无中心化。

实施例2：3颗异构任务卫星下的空间分布式星群设计

假设有3颗异构任务卫星Sat1、Sat2和Sat3，其中Sat1主要搭载有通信功能载荷，Sat2和Sat3搭载有业务处理载荷，上述3颗卫星需要组成空间分布式星星群。根据本发明公开的空间分布式星群设计方法，具体设计方法如下：

制定星群共轨方案：星群共包含3颗卫星，能够适用平经度隔离策略、倾角隔离策略和偏心率隔离策略，此处选择共轨方式较为简单，拓扑状态相对稳定的平经度隔离策略作为星群共轨方案。

设计拓扑构型：由于星群中的卫星采用平经度隔离策略，分布式星群卫星位置随在轨运行时间变化较小，群内拓扑呈线性并相对稳定，因此群内采用线型方式组网。

制定功能载荷及分工策略：由于Sat1主要搭载有通信功能载荷，因此作为星群与其他星群、通信卫星等节点的通信关口，负责数据信息的发送、接收和转发；Sat2和Sat3搭载有业务处理载荷，主要负责对具体的业务进行星上处理，Sat2和Sat3从Sat1处接收需要处理的信息，完成相应的处理操作后，将数据发送给Sat1，由Sat1进行数据的后续传输。

制定在轨构型重构和功能重构方法：假设由于任务需要，星群中需要加入一个新的卫星Sat4。首先进行构型重构，判断当前的共轨策略(平经度隔离策略)是否能满足4颗卫星的星群共轨需求，若可以，则计算出原有3颗卫星在轨机动最少的轨位分布，并执行机动使Sat4能够加入星群拓扑，否则重新选择出一种构型调整最小的共轨策略进行构型重构；随后进行功能重构，假设Sat4同样搭载有通信载荷，则根据业务均衡的原则，由Sat1和Sat4共同承担通信关口的功能。

设计星群灵活组网方法：根据分布式星群特点和需求设计群内卫星的组网方法，包括接入控制方法、路由交换方法等。假设分布式星群采用IP路由组网方式进行互联，可由地面控制中心(或星群内部随机产生的控制节点)向新组网卫星节点分配统一的IP标识并向群内其他节点广播，随后对星群内的通信资源进行管理分配，完成组网，并采用波长路由和IP路由结合的方式，实现信息的高速路由。

设计星间高速数据传输方法：群内卫星搭载有激光和毫米波通信终端，采用典型星间通信体制，通过激光和微波链路实现星间互联，以支持卫星之间的高速数据传输，为星群内卫星共同担负大卫星平台功能奠定基础。

根据分布式星群构型和节点功能特性，设计多星分布式合成覆盖方法和多星分布式联合计算方法，以提高星群总体性能。

设计星群智能自愈方法：当卫星发生故障时，需要通过智能自愈方法将故障卫星剔出系统，从而保证星群正常工作，自愈方法的设计需要支持在无人干预或管理情况下进行，例如当相邻卫星节点发现故障节点不可达时，由随机产生的控制节点向故障节点发送问询信息，若在门限值内未收到回复信息，则认为节点故障，按照故障卫星节点退出星群的情况执行在轨构型重构和功能重构方法，实现星群自愈。

设计快速应急调整方法：针对自然灾害等突发情况，需要通过调整空间合成覆盖和载荷功能组合来实现对热点地区的保障，例如以覆盖范围、功能载荷调整时间最短，热点覆盖、业务保障质量最高和其他非热点地区业务覆盖、保障质量最高为多个目标构建优化问题，利用遗传算法、群智能算法等求解过目标优化问题，最终得到满足应急保障需求的调整方案并在轨执行。

设计星群规模拓展和星群簇构建方法：假设星群均以IP路由组网方式进行互联，各星群卫星节点能够实现统一编址，且各星群均采用统一的接入控制、路由交换、资源管理策略，即可实现星群规模的灵活拓展；由于采用随机产生控制节点的方式进行组网和控制，星群能够实现无中心化。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请；对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化；凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (1)

1.一种空间分布式星群设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，制定星群共轨方案；

S2，设计拓扑构型；

S3，根据任务需求，制定功能载荷搭载策略及分工策略；

S4，设计在轨构型重构方法和功能重构方法；

S5，对星群内卫星进行灵活组网；

S6，确定星间高速数据传输方法；

S7，设计星群智能自愈方法；

S8，设计多星分布式合成覆盖方法；

所述的步骤S1，其具体步骤包括：

分布式星群卫星采用平经度隔离策略、偏心率隔离策略、倾角偏心率联合隔离策略进行共轨位方案设计，整个星群在同步轨道上占位小于1°，群内各星间距离保持在1～5km范围内；

所述的平经度隔离策略，是将群内卫星在1°的轨位范围内按照经度的方向等分为若干个固定区域，每个固定区域是单个卫星的漂移范围，星群中每个个体的运行轨道范围没有重叠，运行过程中根据每个卫星的自身情况来设计对应的控制保持策略，控制保持策略应使卫星始终处于固定区域内；

所述的偏心率隔离策略，是利用偏心率矢量差来实现星群内卫星的共位隔离，共位卫星位置的切向距离在径向距离为零时达到最大值，径向距离会在切向距离为零时达到最大值，共位卫星在轨道运行平面上保持一定的距离；

所述的倾角偏心率联合隔离策略，是通过让卫星运行在不同的轨道平面来进行隔离，利用偏心率矢量差保证共位卫星在径向以及经度上隔离，利用倾角矢量差保证卫星在不同的轨道平面上有法向隔离，实现群内卫星的共位隔离且避免发生碰撞；

所述的步骤S2，其具体步骤包括：

根据共轨方案构建分布式星群卫星位置的时变图，根据位置时变特点采用线型、环型、星型或网状方式进行拓扑构型设计；

根据共轨方案，确定分布式星群各群内卫星的轨道六根数，进而计算获得卫星在不同时刻的轨道位置及运动参数；根据卫星位置坐标，判断不同时刻各卫星之间的可见性关系，即星群内潜在星间链路的时变图；由于采用不同共轨隔离策略的星群，其群内卫星的时变图存在一定差异，根据卫星潜在链路的连接关系，选择线型、环型、星型或网状拓扑结构，进行群内卫星网络的拓扑构型设计；

对于采用平经度隔离策略的星群，各节点呈线型均匀分布于轨位范围内，其时变图相对稳定，且各节点仅与其前后两个节点可见，因此采用线型拓扑进行构型；采用偏心率或倾角偏心率联合隔离策略的星群，采用星型或网状拓扑进行构型，以满足群内网络的连通性和稳定性要求；

所述的步骤S3，其具体步骤包括：

星群内单颗卫星按需搭载相同或不同的功能载荷，通过与其他卫星灵活组合，共同完成任务；星群的任务保障、信息传输、资源管理、协同控制由多颗任务卫星分散承担，星群卫星根据当前所执行任务的需求搭载相应功能载荷，各功能载荷分工协作，共同完成当前任务；

任务需求通过所需功能载荷的数量进行量化描述，任务需求表示为

其中

为所需功能载荷类型集合，

为所需功能载荷数量集合；星群各卫星的功能载荷信息表示为(S_at,P_ayload,N_um)，其中，S_at为星群内卫星集合，P_ayload为各卫星所搭载功能载荷类型集合，N_um为各类可用功能载荷的数量集合；

星群卫星节点在功能分工过程中，在满足任务需求的前提下，为实现各卫星的负载均衡，即各卫星的功耗尽量保持均衡，建立优化问题如下：

其中，g为全部卫星功耗的方差，即优化目标，N_sat为所有卫星数量，

为第i颗卫星的现有功耗，N_pl为功能载荷类型数，

为第j类功能载荷的功耗，

为当前任务分工中第i颗卫星第j类载荷的数量，

为当前任务对于第j类功能载荷的数量需求，N_um,j为当前可用的第j类功能载荷的数量，

为第i颗卫星的第j类功能载荷的可用数量，通过求解上述优化问题，即得到星群节点的功能载荷搭载策略及分工策略；

所述的步骤S4，其具体步骤包括：

对于在轨构型重构方法，采用构型摄动最小原则，在星群的构型尺寸、拓扑结构、星群规模发生按需或突发变化时，通过调节原有构型，迅速实现星群构型重构；

星群构型调整前，各卫星之间的连接关系表示为网络连接矩阵：

其中L_im表示第i颗卫星和第m颗卫星之间的连接关系，若两者之间存在通信链路记为1，反之记为0；星群在轨重构后，根据构型摄动最小原则，得到重构后的新连接矩阵Φ′，Φ′的求解过程表示为：

其约束条件是保证群内网络连通性，其中L_i′_m表示重构后的新连接矩阵Φ′中，第i颗卫星和第m颗卫星之间的连接关系；

对于在轨功能重构方法，采用载荷任务调整最小和组合功能最优原则，星群的覆盖特性、任务功能由分布在多颗任务卫星的载荷按照需要灵活组合共同提供；功能调整前，各卫星的功能载荷分工信息表示为分工矩阵：

其中，

表示第i颗卫星第j类载荷的分工情况，星群功能重构后的功能载荷新分工矩阵表示为Ψ′，Ψ′通过载荷任务调整最小原则进行求解，载荷任务调整最小原则表示为：

其约束条件是保证功能载荷满足任务需求，其中

为星群功能重构后的功能载荷新分工矩阵Ψ′中，第i颗卫星第j类载荷的分工情况；

所述的步骤S5，其具体步骤包括：

根据分布式星群特点和需求设计群内卫星的组网方法，包括接入控制方法、路由交换方法；采用基于波长识别和资源管理的卫星组网方法，通过全光波长捷变控制和组网接入控制代理实现星群灵活组网和卫星在轨即插即用；采用路由交换技术，实现星群路由和大容量信息交换；

所述的步骤S6，其具体步骤包括：

星群内卫星之间采用激光、毫米波双重手段实现信息互联，星间激光通信速率20Gbps以上，毫米波通信速率为1Gbps以上；

所述的步骤S7，其具体步骤包括：

星群之间通过高速群内网络定时进行卫星状态和链路状态的信息交互，当星群中某颗卫星发生功能载荷故障时，故障卫星发送故障告警信息，向星群其他卫星广播故障信息，当某颗卫星通信模块或整星发生故障，相邻卫星节点发现故障节点不可达，同时群内其他卫星不能按时接收到故障卫星的状态信息时，星群将随机产生控制节点，并向故障节点发送问询信息，若在门限值内未收到回复信息，则认为该卫星发生故障，从而实现在无人干预或管理情况下，定位故障卫星及设备；通过采用分布式结构，整个星群对单点故障具有自愈功能，当星群中某颗发生故障停止工作时，星群通过在轨构型重构将故障卫星剔出系统，并按照在轨功能重构功能实现在轨快速自愈；

所述的步骤S8，其具体步骤包括：

星群的覆盖能力由分布在多颗卫星上的分布式阵列天线空间合成多波束和多个独立点波束共同提供，在覆盖要求变化时，基于相控阵天线的波束赋形原理，通过地面指令对星群各节点的天线指向进行调整，实现对地面目标区域的合成覆盖。

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