CN112288212B - 一种多星自主协同系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多星自主协同系统及方法，包括：模块M1：设置星地任务分工中卫星系统功能；模块M2：设置星地任务分工中地面系统功能；模块M3：根据卫星系统功能和地面系统功能进行多星协同机制及星间任务分工。本发明提供了一种多星自主协同系统的设计方法，该方法可解决当前数量急剧增加给卫星管控带来的巨大压力，使未来多星编队或组网卫星具备灵活的地面管控能力及自主任务执行能力。本发明提出了星地一体化多星协同架构，明确了地面系统及星上系统的分工界面，通过星地一体、星间信息流优化设计、多星主从式任务协同机制、任务分级执行机制的构建，能够有效的提升多星自主协同效能。

Description

一种多星自主协同系统及方法

技术领域

本发明涉及多航天器间协同的任务规划领域，具体地，涉及一种多星自主协同系统及方法，更为具体地，涉及一种多星自主协同系统架构设计方法。

背景技术

随着在轨卫星数目的持续增加，卫星能力需求的持续升级，大规模的组网卫星、编队卫星应运而生，多星协同系统通常为组网或编队运行，多载荷分布在多颗卫星上，通过星间网络互联交互协同，数据传输及星上数据智能处理，具有信息获取时间连续性好、频次高、空间范围广的特点。

多星协同系统具有以下优势：发展小而廉、分别携带不同种类载荷的小卫星，相较于“大而全”的单颗卫星，星簇的组织形式更为灵活；通过多种类型遥感器相互配合工作，实现更多功能，提高卫星系统利用效率，综合全局信息对卫星资源进行调度，有利于卫星观测资源的使用，拓宽了卫星的应用领域；多手段协同从不同空间维度、特征维度刻画了目标的不同属性，弥补传统单星单载荷体制的信息获取方式单一、信息片段化、无法全方位、多维度的信息获取短板；信息获取时间和空间得到进一步拓展，通过多颗卫星组成的星簇对目标进行协同观测，获取图像的时间连续性更强，增加图像获取的频度和地域范围，便于不同卫星对同一目标或现象实施不同角度的观察，或同时对连续区域进行观察；多星协作可以收集更为丰富的图像数据，支持同时相、多维度载荷信息在轨融合，支持不同任务的有效衔接，实现目标区域、持续时间上的互补，获得更好的观测性能，可以提高目标的空间、时间以及光谱分辨率。

多星协同系统需要完成的任务种类日趋多元化，相较传统依赖地面管控的组网卫星和单一大卫星平台具有其自身特点和应用挑战：首先，多星协同系统功能逐渐趋于复杂化，空间任务耦合程度更高，任务协同和分配要求更高，星上需具备自主任务规划能力；其次，多星多任务系统自主任务规划星需处理大量卫星交互数据，由于缺少地面全流程支持，使得卫星或任务潜在冲突不容易暴露；再次，自主任务规划作为完成空间任务和挖掘多星协同系统潜能的核心，需具备较高的可靠性和安全性；最后，多星协同任务的来源渠道除了原有的地面指控，还有来自其他卫星系统的引导信息生成的任务，以及来自星内基于观测结果、卫星内部和外部状态等动态态势自主生成的任务。

传统以地面为主单一的任务规划架构已经无法适应当前多星协同的任务需求，对比已公开方法：陈浩等，可扩展性卫星任务规划系统的设计与实现(计算机科学，2009.36(11))，该方法针对地面任务规划，无法用于星上多星自主协同系统。对比已公开方法：刑立宁等，一种智能遥感卫星层次化分布式自主协同任务规划系统(发明专利，CN201711433054.7)，给出了多星任务协调器和下辖的多颗智能卫星的任务处理过程，仅包含在轨多星间的一种主从式架构，而本专利面向星地一体化多星协同架构，包含面向多星自主协同的明确的星地任务分工，并具备自主协同系统的星地联合升级。

目前，尚未见面向智能卫星的星地一体化多星自主协同架构相关的设计方法。本专利与现有技术具有显著的技术特征、差异性、创新性和新颖性。

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多星自主协同系统及方法。

根据本发明提供的一种多星自主协同系统，包括：

模块M1：设置星地任务分工中卫星系统功能；

模块M2：设置星地任务分工中地面系统功能；

模块M3：根据卫星系统功能和地面系统功能进行多星协同机制及星间任务分工。

优选地，所述模块M1中卫星系统功能包括：接收地面上注任务、接收星间转发的任务、卫星群动态调整、星间信息传递同步、任务分解预处理、自主发现目标、协同任务规划、任务执行结果融合、态势数据传递和同步、单星指令链规划、多星系统执行状态反馈和/或星上任务规划模型完善。

优选地，所述模块M2中地面系统功能包括：针对用户任务的地面任务规划、执行卫星和数传资源筹划、任务规划模型完善学习、星地数据管理分析和/或场景仿真、推演与评估。

优选地，所述接收地面上注任务包括接收地面上注任务以包括目标要素和任务模板方式描述，星上具备动作解析及指令生成能力；

所述接收星间转发的任务包括接收星间转发的任务描述同地面上注的任务；

所述卫星群动态调整包括规划主星根据当前实际任务需求及可用资源信息，增加、删除、替换用于执行任务的从星组合，主从式星簇组合是根据任务完成度及资源可用情况进行动态调整；

所述星间信息传递同步包括多星系统的各卫星之间，具备根据星间链路、星间网络和/或中继网络，进行任务传递、同步、规划结果分发；

所述任务分解预处理包括对地面上注的任务、中继或星间转发的任务进行包括任务分解、观测约束匹配、时姿参数求解和/或观测约束裁剪预处理；

所述协同任务规划包括以集中规划、分布式形式，在轨根据地面随时上注任务进行包括插入、删除和优选重规划；

所述态势数据传递和同步包括卫星系统状态数据、任务执行状态数据以及外部环境状态数据的态势数据在执行卫星群和地面系统之间按需传递和实时共享；

所述单星指令链规划包括：从星接到任务后的执行指令链级规划能力，接收经星间链路或天基数据网任务规划结果，自主进行包括成像星任务解析、动作分解、路径规划、下传链路、载荷开关机时序、工作模式设置和执行参数设置的具体事项的单星任务规划；

所述多星系统执行状态反馈包括主星将规划后的结果，通过星间网发送给多星系统中的从星执行，从星具备对执行状态的采集，观测数据在线处理，并能够将结果和执行过程下传地面以及反馈部分任务执行状态量给主星，更新多星系统的工作状态；

所述星上任务规划模型完善包括星上具备依据地面调参进行星上任务规划模型升级完善的接口；接收地面上注的任务规划模型，更新星上模型。

优选地，所述针对用户任务的地面任务规划包括地面根据包括不同用户的观测需求和资源约束，进行已知任务的任务规划，并将目标要素上注到星上；

所述执行卫星和数传资源筹划包括针对用户提出的任务，结合天基卫星系统能力，推荐任务的执行卫星群；根据地面数传接收资源分布情况，制定数传窗口分配方案；

所述任务规划模型完善学习包括以预设数量的多星在轨任务执行过程数据、星载数据处理下传数据、地面，通过数据处理与分析方法，提取参数配置、规划策略与方案设计的经验信息进行任务规划模型自主完善；

所述星地数据管理分析包括存储星上、地面规划结果数据、星上遥测数据、地面仿真数据，并分析、提取、学习数据知识，为任务规划模型完善学习提供学习样本；

所述场景仿真、推演与评估包括将地面任务规划结果、多星在轨自主任务规划结果带入可视化仿真系统中，可视化仿真系统兼具任务推演能力，验证任务规划编排及执行正确性；评估星上任务规划结果的收益，计算综合收益率，评价规划算法。

优选地，所述模块M3包括：

模块M3.1：地面系统根据观测任务需求将星地任务发送至卫星系统；

模块M3.2：卫星系统规划主星在轨将星地任务进行任务分解，得到星地子任务；

模块M3.3：卫星系统中规划主星将星地子任务发送至卫星系统从星，从星执行星地子任务，从星执行完成后，执行星上处理；

模块M3.4：卫星系统主星将从星执行任务的结果传递给地面系统；

模块M3.5：地面系统根据任务的执行情况，进行评估，调整参数上注发送至主星或从星。

优选地，所述模块M3.1中星地任务包括：任务按照层级划分包括用户任务、一级任务和二级任务；

所述用户任务与用户需求对接，包括目标类型、位置、时间要求、频度和任务类型；

所述一级任务包括地面系统对用户任务需求分析后形成的由自主任务规划星执行的任务；

所述二级任务包括是由一级任务经过分解由单颗成像执行成员星自主分解成各个分卫星系统开关机时序指令链的任务，包括对地探测任务、星间数据交互任务和星地载荷数据数传业务；

所述一级任务离开地面系统后，任务规划结果封装形成的二级任务到指令编排全部自主生成。

优选地，所述模块M3.3包括：卫星系统中规划主星将星地子任务发送至卫星系统从星需明确星簇组成、星簇自主任务规划和星簇间任务协同；

所述星簇组成包括将在轨卫星划分为若干个星簇，星簇内至少有一颗自主任务规划星，收集星簇内成员的运行状态，包含不同类型的卫星；

所述星簇自主任务规划包括每一个星簇内，至少有一个星簇内任务规划星，收集星簇内及星地环境信息，在地面编排任务已上注的基础上，实时动态规划星簇内部发现的新目标、产生的新任务、接收星簇间分发过来的跨簇任务；

所述星簇间任务协同包括星簇内部任务规划分发后，重要度达到预设值或周期性观测任务需要星簇间协同任务产生后，需要有高一级的中枢星，协调并顶层规划，中枢星包括独立运行于星簇外的个体或任意一个星簇规划星的等级提升。

优选地，所述模块M3.3包括：明确任务规划分配资源的优先原则，由地面上行任务后，在任务分配和规划过程中优先考虑由单星执行，其次是单个星簇内协同执行，最后是多个星簇间协同执行。

根据本发明提供的一种多星自主协同方法，包括：

步骤M1：设置星地任务分工中卫星系统功能；

步骤M2：设置星地任务分工中地面系统功能；

步骤M3：根据卫星系统功能和地面系统功能进行多星协同机制及星间任务分工。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明可有效解决多星自主协同的架构设计问题；

2、本发明提供了一种多星自主协同系统的设计方法，该方法可解决当前数量急剧增加给卫星管控带来的巨大压力，使未来多星编队或组网卫星具备灵活的地面管控能力及自主任务执行能力。本发明提出了星地一体化多星协同架构，明确了地面系统及星上系统的分工界面，通过星地一体、星间信息流优化设计、多星主从式任务协同机制、任务分级执行机制的构建，能够有效的提升多星自主协同效能。

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为星地一体化协同架构；

图2为任务层级划分图；

图3为分布式自主星簇系统的多星协同任务规划架构；

图4为星上任务分配资源优先原则。

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。

本发明的目的是提供一种工程可行的多星自主协同系统架构设计方法。多星协同的卫星自主任务管理架构，在传统的完全由地面运控任务规划模式基础上，大幅度的提升星上自主任务规划能力。多载荷分布在多颗卫星上，信息获取时间连续性好、频次高、空间范围广，多维度载荷信息在轨融合。首先分析星地任务管控分工，给出星上和地面的功能包络，进行任务分级，明确多星协同机制及星间任务分工；给出一种分层协作的多星协同组织形式，将在轨分布式卫星系统划分为多个任务规划星簇，借助星间链路、中继星等通信载体，使星簇内、星簇间可以获得分层任务规划所需的各种信息，用于星簇内自主任务规划、星簇间的高层任务协同，出于对资源的利用与占用尽可能少的考量，明确任务规划分配资源的优先原则，在任务分配和规划过程中优先考虑由单星执行，其次是单个星簇内协同执行，最后是多个星簇间协同执行。为实现上述目的，本方法是通过以下技术方案实现的。

实施例1

根据本发明提供的一种多星自主协同系统，包括：如图1所示，

模块M1：设置星地任务分工中卫星系统功能；

模块M2：设置星地任务分工中地面系统功能；

模块M3：根据卫星系统功能和地面系统功能进行多星协同机制及星间任务分工。

本发明主要是提供了一套系统的设计思路，目前卫星越来越多，当前的管控多依赖于地面遥控每一个卫星执行任务，本发明的架构将在轨卫星组成星簇或组网，通过星间互联，给出了一种分层写作的主从式任务调度架构，主星负责从星的任务调度，地面只需将复杂的对地观测任务，发送给主星，主星可以在轨做任务分解，将子任务发送给从星。从星执行任务后，可以执行星上处理，同时由主星做下传任务规划，将多星执行任务的结果传递给地面。

地面具备天上主星及从星星上软件参数调整升级能力，可以分析自主任务执行情况，评估优劣，调整参数上注发送给主星或从星，为了保证后续的任务能够执行的更好。

具体地，所述模块M1中卫星系统功能包括：接收地面上注任务、接收星间转发的任务、卫星群动态调整、星间信息传递同步、任务分解预处理、自主发现目标、协同任务规划、任务执行结果融合、态势数据传递和同步、单星指令链规划、多星系统执行状态反馈和/或星上任务规划模型完善。

具体地，所述模块M2中地面系统功能包括：针对用户任务的地面任务规划、执行卫星和数传资源筹划、任务规划模型完善学习、星地数据管理分析和/或场景仿真、推演与评估。

具体地，所述接收地面上注任务包括接收地面上注任务时，上注任务以包括目标要素(如经纬度)和任务模板方式描述，星上具备动作解析及指令生成能力；

所述接收星间转发的任务包括接收星间转发的任务描述同地面上注的任务，如中继卫星、其他星间链路分发；

所述星上自生成任务，包括基于观测结果的星上处理生成新任务，或基于星间目标引导信息生成新任务；

所述卫星群动态调整包括规划主星根据当前实际任务需求及可用资源信息，增加、删除、替换用于执行任务的从星组合，主从式星簇组合是根据任务完成度及资源可用情况进行动态调整；

所述星间信息传递同步包括多星系统的各卫星之间，具备根据星间链路、星间网络和/或中继网络，进行任务传递、同步、规划结果的分发；

所述任务分解预处理包括对地面上注的任务、中继或星间转发的任务进行包括任务分解、观测约束匹配、时姿参数求解和/或观测约束裁剪的预处理；

所述自主发现目标，指星上具备在轨以电磁探测载荷、成像载荷实时搜索发现，在轨目标提取能力；

所述协同任务规划包括以集中规划、分布式形式，在轨根据地面随时上注任务进行包括插入、删除和优选重规划；

所述任务执行结果在轨融合，可进行载荷数据融合，得到精度更高、信息更为全面的信息。

所述态势数据传递和同步包括卫星系统状态数据、任务执行状态数据以及外部环境状态数据的态势数据在执行卫星群和地面系统之间按需传递和实时共享；

所述单星指令链规划包括：从星接到任务后的执行指令链级规划能力，接收经星间链路或天基数据网任务规划结果，自主进行包括成像星任务解析、动作分解、路径规划、下传链路、载荷开关机时序、工作模式设置和执行参数设置的具体事项的单星任务规划；

所述多星系统执行状态反馈包括主星将规划后的结果，通过星间网发送给多星系统中的从星执行，从星具备对执行状态的采集，观测数据在线处理，并能够将结果和执行过程下传地面以及反馈部分任务执行状态量给主星，更新多星系统的工作状态；

所述星上任务规划模型完善包括星上具备依据地面调参进行星上任务规划模型升级完善的接口；接收地面上注的任务规划模型，更新星上模型。

具体地，所述针对用户任务的地面任务规划包括地面根据包括不同用户的观测需求和资源约束，进行已知任务的任务规划，并将目标要素(如地理位置)上注到星上；

所述执行卫星和数传资源筹划包括针对用户提出的任务，结合天基卫星系统能力，推荐任务的执行卫星群；根据地面数传接收资源分布情况，制定数传窗口分配方案；

所述任务规划模型完善学习包括以预设数量的多星在轨任务执行过程数据、星载数据处理下传数据、地面，通过数据处理与分析方法，提取参数配置、规划策略与方案设计的经验信息是支持任务规划模型自主完善，提升智能化探测水平的重要途径；

所述星地数据管理分析包括存储星上、地面规划结果数据、星上遥测数据、地面仿真数据，并分析、提取、学习数据知识，为任务规划模型完善学习提供学习样本；

所述场景仿真、推演与评估包括将地面任务规划结果、多星在轨自主任务规划结果带入可视化仿真系统中，可视化仿真系统兼具任务推演能力，验证任务规划编排及执行正确性；评估星上任务规划结果的收益是否为最优，计算综合收益率，评价规划算法优劣。

具体地，所述模块M3包括：

模块M3.1：地面系统根据观测任务需求将星地任务发送至卫星系统；

模块M3.2：卫星系统规划主星在轨将星地任务进行任务分解，得到星地子任务；

模块M3.3：卫星系统中规划主星将星地子任务发送至卫星系统从星，从星执行星地子任务，从星执行完成后，执行星上处理；

模块M3.4：卫星系统主星将从星执行任务的结果传递给地面系统；

模块M3.5：地面系统根据任务的执行情况，进行评估，调整参数上注发送至主星或从星。

多星协同任务类型一般包括：区域电磁态势感知、区域图像态势感知、区域周期性巡查、目标综合巡查、多星多载荷互引导探测、多星多载荷聚焦探测、多星多载荷接力探测、多星载荷数据回传等。

具体地，所述模块M3.1中星地任务包括：任务按照层级划分包括用户任务、一级任务和二级任务；如图2所示

所述用户任务与用户需求对接，是任务的高级描述，如目标类型、位置、时间要求、频度和任务类型等；

所述一级任务包括地面系统对用户任务需求分析后形成的由自主任务规划星执行的任务；按照性质划分为：普查任务、详查任务和紧急任务，按照复杂程度可划分为简单任务和复杂任务；

所述二级任务包括是由一级任务经过分解由单颗成像执行成员星自主分解成各个分卫星系统开关机时序指令链的任务，包括对地探测任务、星间数据交互任务和星地载荷数据数传业务；

所述一级任务离开地面系统后，任务规划结果封装形成的二级任务到指令编排全部自主生成。

任务分级，是为了确定各类任务关系，给一种定义。用户任务，是用户想要什么，提出任务需求；一级任务，是地面经过对用户任务加工之后，生成的卫星能够解析的数据包，发送给主星的任务，比如对某个大区域成像；二级任务，是主星自主任务规划生成的从星具体该拍哪里的，比如区域分为3块，1号从星拍第一块，2号从星拍第二块，3号从星拍第三块。

具体地，所述模块M3.3包括：卫星系统中规划主星将星地子任务发送至卫星系统从星需明确星簇组成、星簇自主任务规划和星簇间任务协同；如图3所示；

所述星簇组成包括将在轨卫星划分为多个星簇，星簇内至少有一颗自主任务规划星，收集星簇内成员的运行状态，包含不同类型的卫星；

所述星簇自主任务规划包括每一个星簇内，至少有一个星簇内任务规划星，收集星簇内及星地环境信息，在地面编排任务已上注的基础上，实时动态规划星簇内部发现的新目标、产生的新任务、接收星簇间分发过来的跨簇任务；

所述星簇间任务协同包括星簇内部任务规划分发后，重要度达到预设值或周期性观测任务需要星簇间协同任务产生后，需要有高一级的中枢星，协调并顶层规划，中枢星包括独立运行于星簇外的个体或任意一个星簇规划星的等级提升。

具体地，所述模块M3.3包括：明确任务规划分配资源的优先原则，由地面上行任务后，在任务分配和规划过程中优先考虑由单星执行，其次是单个星簇内协同执行，最后是多个星簇间协同执行。如图4所示

任务规划分配资源的优先原则：主要目的是一个任务，尽可能用少的资源干完，比如，天上100颗星，10个星组成一个任务小队，1号小队收到了1个任务，发现队伍内的1个星就能干完了，其他9颗星可以不用。如果1号小队发现这个任务需求的时间资源、观测手段资源、区域太大等等要求很高，就安排队内多个星干活；如果任务太大，1号小队不能完成，那么1号小队需要告诉其他小队，一起执行。

根据本发明提供的一种多星自主协同方法，包括：

步骤M1：设置星地任务分工中卫星系统功能；

步骤M2：设置星地任务分工中地面系统功能；

步骤M3：根据卫星系统功能和地面系统功能进行多星协同机制及星间任务分工。

实施例2

实施例2是实施例1的变化例

本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。本实施例提供了一种工程可行的多星自主协同系统架构设计方法。首先分析星地任务管控分工，给出星上和地面的功能包络；给出一种分层协作的多星协同组织形式，将在轨分布式卫星系统划分为多个任务规划星簇，借助星间链路、中继星等通信载体，使星簇内、星簇间可以获得分层任务规划所需的各种信息，用于星簇内自主任务规划、星簇间的高层任务协同。多星协同的卫星自主任务管理架构，在传统的完全由地面运控任务规划模式基础上，大幅度的提升星上自主任务规划能力。

为详细说明本实施例的技术内容、构造特征、所达成目的及有益效果，下面结合附图对本实施例予以详细说明：

步骤1：明确星地任务分工中卫星系统功能；

图1给出了一种星地一体化协同架构图，卫星系统功能一般包括：接收地面上注任务、接收星间转发的任务、星上自生成任务、卫星群动态调整、星间信息传递同步能力、复杂任务分解预处理、自主发现目标、协同任务规划、任务执行结果融合、态势数据传递和同步、单星指令链规划、多星系统执行状态反馈、星上任务规划模型完善等。

接收地面上注任务时，任务以目标要素(如经纬度)、任务模板方式描述，星上具备动作解析及指令生成能力；

接收星间转发的任务，任务描述同地面上注的任务，如中继卫星、其他星间链路分发；

星上自生成任务，包括基于观测结果的星上处理生成新任务，或基于星间目标引导信息生成新任务；

卫星群动态调整，规划主星根据当前实际态势信息，增加、删除、替换执行卫星群的卫星组成，并生成主星交接传递时序；

星间信息传递同步能力，包括多星系统各卫星之间，具备根据星间链路、星间网络、中继网络等，进行任务传递、同步、规划结果分发的功能；

复杂任务分解预处理，具备对地面上注的任务、实时发现的目标、外部信息引导、在轨自主生成的任务等进行复杂任务分解、观测约束匹配、时姿参数求解、观测约束裁剪等预处理功能；

自主发现目标，指星上具备在轨以电磁探测载荷、成像载荷实时搜索发现，在轨目标提取能力；

协同任务规划，以集中规划、分布式或多智能体规划形式，具备根据在轨实时发现的目标对已有地面上注任务进行插入、删除、优选等重规划能力；

任务执行结果在轨融合，可进行载荷数据融合，得到精度更高、信息更为全面的信息。

态势数据传递和同步，具备卫星系统状态数据、任务执行状态数据以及外部环境状态数据等态势数据在执行卫星群和地面系统之间按需传递、实时共享的能力。

单星指令链规划，单星应具备接到任务后的执行指令链级规划能力，接收经星间链路或天基数据网任务规划结果，自主进行成像星任务解析、动作分解、路径规划、下传链路、载荷开关机时序、工作模式设置、执行参数设置等具体事项的单星任务规划；

多星系统执行状态反馈，指多星系统可将规划后的结果，通过星间网发送给多星系统中的成像执行卫星，成像执行卫星具备对执行状态的采集，图像切片预处理，形成初级情报产品，并能够将结果和执行过程下传地面以及反馈部分任务执行状态量给任务规划星，更新多星系统的状态；

星上任务规划模型完善，指星上具备依据地面调参进行模型升级完善的接口；接收地面上注的任务规划模型，更新星上模型。

步骤2：明确星地任务分工中地面系统功能；

图1给出了一种星地一体化协同架构图，地面系统功能一般包括：针对用户任务的地面任务规划、执行卫星和数传资源筹划、任务规划模型完善学习、星地数据管理分析、场景仿真、推演与评估。

针对用户任务的地面任务规划：地面根据不同用户的观测需求，资源约束等，进行已知任务的任务规划，并将目标要素(如地理位置)上注到星上；

执行卫星和数传资源筹划：针对用户提出的任务，结合天基卫星系统能力，智能推荐任务的执行卫星群。考虑地面数传接收资源分布情况，筹划数传窗口分配方案。

任务规划模型完善学习：以大量多星在轨任务执行过程数据、星载数据处理下传数据、地面，通过各种数据处理与分析方法，提取参数配置、规划策略与方案设计等的经验信息，是支持任务规划模型自主完善，提升智能化探测水平的重要途径。

星地数据管理分析：能够存储星上、地面规划结果数据、星上遥测数据、地面仿真数据，并分析、提取、学习数据知识，为任务规划模型学习提供学习样本。

场景仿真、推演与评估：可将地面任务规划结果、多星在轨自主任务规划结果带入可视化仿真系统中，该系统兼具任务推演能力，可验证任务规划编排及执行正确性。可评估星上任务规划结果的收益是否为最优，计算综合收益率，评价规划算法优劣。

步骤3：进行任务分级；

任务按层级划分为用户任务、一级任务和二级任务，用户任务直接与用户需求对接，是任务的高级描述，如目标类型、位置、时间要求、频度、任务类型等，参见图2任务层级划分图；

一级任务是系统对用户任务需求分析后形成的可由自主任务规划星执行的任务，按照性质划分为：普查任务、详查任务和紧急任务，按照复杂程度可划分为简单任务和复杂任务；

二级任务是由一级任务经过分解可由单颗成像执行成员星自主分解成各个分系统开关机时序指令链的任务，包括对地探测任务、星间数据交互任务、星地载荷数据数传业务等。

一级任务离开地面管控系统后后，任务规划结果封装形成的二级任务到指令编排全部自主生成。

步骤4：明确多星协同机制及星间任务分工

需明确星簇组成、星簇自主任务规划、星簇间任务协同；参见图3分布式自主星簇系统的多星协同任务规划架构。

为尽可能的多而全面的获取可参与规划星以及环境态势信息，是任务规划主导星在轨自主任务规划的前提，考虑到星地链路、星间链路、中继链路的实际应用局限及复杂性，以一颗高智能卫星进行全球分布的所有卫星的任务规划，从高时效性、计算复杂度、传输数据量、链路可靠性上是不占优的。星簇组成动态划分：将在轨卫星划分为若干个星簇，星簇内有一颗或多颗自主任务规划星，收集星簇内成员的运行状态，包含不同类型的卫星；

星簇内自主任务规划：每一个星簇内，至少有一个星簇内任务规划星，收集星簇内及星地环境信息，在地面编排任务已上注的基础上，实时动态规划星簇内部发现的新目标、产生的新任务、接收星簇间分发过来的跨簇任务；

星簇间任务协同：星簇内部任务规划分发后，某些重要度极高或周期性观测任务等需要星簇间协同任务产生后，需要有高一级的中枢星，协调并顶层规划，中枢星可以是独立运行于星簇外的个体，也可以是某个星簇规划星的等级提升；

步骤5：明确任务规划分配资源的优先原则

由地面上行复杂任务后，出于对资源的利用与占用尽可能少的考量，在任务分配和规划过程中优先考虑由单星执行，其次是单个星簇内协同执行，最后是多个星簇间协同执行，参见图4星上任务分配资源优先原则。

比如某个区域的多目标成像任务，如果单星幅宽较宽，具备多模式姿态机动单轨大区域拼接成像能力，则对在轨卫星系统的占用仅为1/N；

如果使用星簇完成，则星簇内某些卫星资源时段占用，将导致该时段无法执行星簇多星协同的聚焦成像、连续跟踪等多类型类复杂任务，资源占用率较单星任务更高；

如果使用分散的卫星网络完成，则多星簇卫星资源时段占用，将导致该时段多个星簇无法执行星簇内的协同任务，资源占用率较单星和单星簇更高任务更高；

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 (4)

1.一种多星自主协同系统，其特征在于，包括：

模块M1：设置星地任务分工中卫星系统功能；

模块M2：设置星地任务分工中地面系统功能；

模块M3：根据卫星系统功能和地面系统功能进行多星协同机制及星间任务分工；

所述模块M1中卫星系统功能包括：接收地面上注任务、接收星间转发的任务、卫星群动态调整、星间信息传递同步、任务分解预处理、自主发现目标、协同任务规划、任务执行结果融合、态势数据传递和同步、单星指令链规划、多星系统执行状态反馈和/或星上任务规划模型完善；

所述模块M2中地面系统功能包括：针对用户任务的地面任务规划、执行卫星和数传资源筹划、任务规划模型完善学习、星地数据管理分析和/或场景仿真、推演与评估；

所述模块M3包括：

模块M3.1：地面系统根据观测任务需求将星地任务发送至卫星系统；

模块M3.2：卫星系统规划主星在轨将星地任务进行任务分解，得到星地子任务；

模块M3.3：卫星系统中规划主星将星地子任务发送至卫星系统从星，从星执行星地子任务，从星执行完成后，执行星上处理；

模块M3.4：卫星系统主星将从星执行任务的结果传递给地面系统；

模块M3.5：地面系统根据任务的执行情况，进行评估，调整参数上注发送至主星或从星；

所述模块M3.1中星地任务包括：任务按照层级划分包括用户任务、一级任务和二级任务；

所述用户任务与用户需求对接，包括目标类型、位置、时间要求、频度和任务类型；

所述一级任务包括地面系统对用户任务需求分析后形成的由自主任务规划星执行的任务；

所述二级任务包括是由一级任务经过分解由单颗成像执行成员星自主分解成各个分卫星系统开关机时序指令链的任务，包括对地探测任务、星间数据交互任务和星地载荷数据数传业务；

所述一级任务离开地面系统后，任务规划结果封装形成的二级任务到指令编排全部自主生成；

所述模块M3.3包括：卫星系统中规划主星将星地子任务发送至卫星系统从星需明确星簇组成、星簇自主任务规划和星簇间任务协同；

所述星簇组成包括将在轨卫星划分为多个星簇，星簇内至少有一颗自主任务规划星，收集星簇内成员的运行状态，包含不同类型的卫星；

所述星簇自主任务规划包括每一个星簇内，至少有一个星簇内任务规划星，收集星簇内及星地环境信息，在地面编排任务已上注的基础上，实时动态规划星簇内部发现的新目标、产生的新任务、接收星簇间分发过来的跨簇任务；

所述星簇间任务协同包括星簇内部任务规划分发后，重要度达到预设值或周期性观测任务需要星簇间协同任务产生后，需要有高一级的中枢星，协调并顶层规划，中枢星包括独立运行于星簇外的个体或任意一个星簇规划星的等级提升；

所述模块M3.3包括：明确任务规划分配资源的优先原则，由地面上行任务后，在任务分配和规划过程中优先考虑由单星执行，其次是单个星簇内协同执行，最后是多个星簇间协同执行。

2.根据权利要求1所述的多星自主协同系统，其特征在于，所述接收地面上注任务包括接收地面上注任务以包括目标要素和任务模板方式描述，星上具备动作解析及指令生成能力；

所述接收星间转发的任务包括接收星间转发的任务描述同地面上注的任务；

所述卫星群动态调整包括规划主星根据当前实际任务需求及可用资源信息，增加、删除、替换用于执行任务的从星组合，主从式星簇组合是根据任务完成度及资源可用情况进行动态调整；

所述星间信息传递同步包括多星系统的各卫星之间，具备根据星间链路、星间网络和/或中继网络，进行任务传递、同步、规划结果分发；

所述任务分解预处理包括对地面上注的任务、中继或星间转发的任务进行包括任务分解、观测约束匹配、时姿参数求解和/或观测约束裁剪预处理；

所述协同任务规划包括以集中规划、分布式形式，在轨根据地面随时上注任务进行包括插入、删除和优选重规划；

所述态势数据传递和同步包括卫星系统状态数据、任务执行状态数据以及外部环境状态数据的态势数据在执行卫星群和地面系统之间按需传递和实时共享；

所述单星指令链规划包括：从星接到任务后的执行指令链级规划能力，接收经星间链路或天基数据网任务规划结果，自主进行包括成像星任务解析、动作分解、路径规划、下传链路、载荷开关机时序、工作模式设置和执行参数设置的具体事项的单星任务规划；

所述多星系统执行状态反馈包括主星将规划后的结果，通过星间网发送给多星系统中的从星执行，从星具备对执行状态的采集，观测数据在线处理，并能够将结果和执行过程下传地面以及反馈部分任务执行状态量给主星，更新多星系统的工作状态；

所述星上任务规划模型完善包括星上具备依据地面调参进行星上任务规划模型升级完善的接口；接收地面上注的任务规划模型，更新星上模型。

3.根据权利要求1所述的多星自主协同系统，其特征在于，所述针对用户任务的地面任务规划包括地面根据包括不同用户的观测需求和资源约束，进行已知任务的任务规划，并将目标要素上注到星上；

所述执行卫星和数传资源筹划包括针对用户提出的任务，结合天基卫星系统能力，推荐任务的执行卫星群；根据地面数传接收资源分布情况，制定数传窗口分配方案；

所述任务规划模型完善学习包括以预设数量的多星在轨任务执行过程数据、星载数据处理下传数据、地面，通过数据处理与分析方法，提取参数配置、规划策略与方案设计的经验信息进行任务规划模型自主完善；

所述星地数据管理分析包括存储星上、地面规划结果数据、星上遥测数据、地面仿真数据，并分析、提取、学习数据知识，为任务规划模型完善学习提供学习样本；

所述场景仿真、推演与评估包括将地面任务规划结果、多星在轨自主任务规划结果带入可视化仿真系统中，可视化仿真系统兼具任务推演能力，验证任务规划编排及执行正确性；评估星上任务规划结果的收益，计算综合收益率，评价规划算法。

4.一种多星自主协同方法，其特征在于，包括：

步骤M1：设置星地任务分工中卫星系统功能；

步骤M2：设置星地任务分工中地面系统功能；

步骤M3：根据卫星系统功能和地面系统功能进行多星协同机制及星间任务分工；

所述步骤M1中卫星系统功能包括：接收地面上注任务、接收星间转发的任务、卫星群动态调整、星间信息传递同步、任务分解预处理、自主发现目标、协同任务规划、任务执行结果融合、态势数据传递和同步、单星指令链规划、多星系统执行状态反馈和/或星上任务规划模型完善；

所述步骤M2中地面系统功能包括：针对用户任务的地面任务规划、执行卫星和数传资源筹划、任务规划模型完善学习、星地数据管理分析和/或场景仿真、推演与评估；

所述步骤M3包括：

步骤M3.1：地面系统根据观测任务需求将星地任务发送至卫星系统；

步骤M3.2：卫星系统规划主星在轨将星地任务进行任务分解，得到星地子任务；

步骤M3.3：卫星系统中规划主星将星地子任务发送至卫星系统从星，从星执行星地子任务，从星执行完成后，执行星上处理；

步骤M3.4：卫星系统主星将从星执行任务的结果传递给地面系统；

步骤M3.5：地面系统根据任务的执行情况，进行评估，调整参数上注发送至主星或从星；

所述步骤M3.1中星地任务包括：任务按照层级划分包括用户任务、一级任务和二级任务；

所述用户任务与用户需求对接，包括目标类型、位置、时间要求、频度和任务类型；

所述一级任务包括地面系统对用户任务需求分析后形成的由自主任务规划星执行的任务；

所述二级任务包括是由一级任务经过分解由单颗成像执行成员星自主分解成各个分卫星系统开关机时序指令链的任务，包括对地探测任务、星间数据交互任务和星地载荷数据数传业务；

所述一级任务离开地面系统后，任务规划结果封装形成的二级任务到指令编排全部自主生成；

所述步骤M3.3包括：卫星系统中规划主星将星地子任务发送至卫星系统从星需明确星簇组成、星簇自主任务规划和星簇间任务协同；

所述星簇组成包括将在轨卫星划分为多个星簇，星簇内至少有一颗自主任务规划星，收集星簇内成员的运行状态，包含不同类型的卫星；

所述星簇自主任务规划包括每一个星簇内，至少有一个星簇内任务规划星，收集星簇内及星地环境信息，在地面编排任务已上注的基础上，实时动态规划星簇内部发现的新目标、产生的新任务、接收星簇间分发过来的跨簇任务；

所述星簇间任务协同包括星簇内部任务规划分发后，重要度达到预设值或周期性观测任务需要星簇间协同任务产生后，需要有高一级的中枢星，协调并顶层规划，中枢星包括独立运行于星簇外的个体或任意一个星簇规划星的等级提升；

所述步骤M3.3包括：明确任务规划分配资源的优先原则，由地面上行任务后，在任务分配和规划过程中优先考虑由单星执行，其次是单个星簇内协同执行，最后是多个星簇间协同执行。

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