CN112888009A - 空间无线能源互联网动态组网方法 - Google Patents

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Abstract

一种空间无线能源互联网动态组网方法，包括组网阶段与网络修复阶段，在组网阶段，能源互联网的通讯网络与无线能源网络进行同步与异步组网；在网络修复阶段，通过网络管理方法修复能源互联络网节点丢失故障，修复完成后即建立卫星之间的无线能量传输网络，并对在轨卫星间的能量流进行调配管理。本发明可以有效提高在轨人造卫星的供电保障能力、在轨运行可靠性与卫星使用寿命。

Description

空间无线能源互联网动态组网方法
技术领域
本发明涉及的是一种人造卫星无线传能领域的技术，具体涉及一种空间无线能源互联网动态组网方法。
背景技术
现有人造卫星的电能来源主要依靠光伏电池、蓄电池、核电池等，若其中某个部件发生失效，该卫星可能面临报废的风险。无线传能技术作为新型能量传输技术的一种，可以实现非接触式能量传输。通过构建无线能源互联网，可以帮助电源系统失效的人造卫星重新建立电能源供给。虽然现有无线传能技术在大气层中传输距离有限，但在太空真空环境中，使得远距离无线传能技术得以实现。而基于无线传能的能源互联网组网技术尚处于空白状态。
发明内容
本发明针对在轨卫星的能源互联网的实际应用需求，提出一种空间无线能源互联网动态组网方法，可以有效提高在轨人造卫星的供电保障能力、在轨运行可靠性与卫星使用寿命。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种空间无线能源互联网动态组网方法，包括组网阶段与网络修复阶段，在组网阶段，能源互联网的通讯网络与无线能源网络进行同步与异步组网；在网络修复阶段，通过网络管理方法修复能源互联络网节点丢失故障，修复完成后即建立卫星之间的无线能量传输网络，并对在轨卫星间的能量流进行调配管理。
所述的组网阶段包括：计算在轨卫星直线距离、节点分级和根节点选择，其中：根节点的在轨卫星为能源互联网的起始卫星，该节点具有最高层级且不存在父节点，即当前子节点所连接到的上一层级节点；其余各节点均只有一个父节点。
所述的计算在轨卫星直线距离是指：首先，卫星导航系统通过滑动时间滤波方法对地面遥测系统、北斗导航系统、惯性导航系统的观测数据进行滤波，去除外部噪声干扰减小定位误差；然后利用数据融合方法，对地面遥测系统、北斗导航系统、惯性导航系统的滤波结果，实时动态分配相应的权重，计算得到最终的卫星位置信息；每颗卫星实时计算其与其他卫星的直线距离。
所述的根节点，通过自动选择或指定选择产生，其中：指定选择是指通过地面指挥中心指定某颗中继卫星为根节点；自动选择是指通过判断各中继卫星某一预设范围内的卫星数量，选择数量最多的中继卫星作为根节点；根节点确定后，无特殊情况不再改变，特殊情况包括根节点故障或预设范围无其他卫星运行。
所述的节点分级包括：二级节点选择、父节点选择和建立能源互联网路由表，其中：根节点为一级节点，首先，利用二级节点选择法来确定根节点的各子节点；二级节点选择法是通过搜索在节点特定范围内的全部在轨卫星，当范围内的卫星数量少于根节点最大可连接数量，则该范围内的所有卫星均为二级节点；当范围内的卫星数量多于最大可连接数量，则按照距离远近进行排序，按最大可连接数量选择距离最近的节点；然后，除根节点和一级节点以外的各节点，利用父节点选择法去选择其父节点；父节点选择法的基本规则是搜索节点特定范围内的已连接节点，在搜索到的节点中，优先选择层级较高且未连接满的节点，若有多个层级相同的备选节点，选择与当前节点距离最近的节点作为父节点，并且当前节点的层级比父节点低一层级；最后，当卫星群组网完成后，每个卫星会根据自己在能源互联网中的位置，建立相应的路由表，路由表记录该节点的物理地址及该节点的子网中所有节点的物理地址。
所述的网络修复阶段包括：根节点故障修复与中间节点故障修复，其中：根节点故障修复是通过在剩余健康的中继卫星中，利用根节点选择方法选出新的根节点，并重新进行能源互联网组网；中间节点故障修复是使故障节点的各子节点重新利用父节点选择方法选择新的父节点，故障节点的各子节点的子网不发生改变。
所述的对在轨卫星间的能量流进行调配管理是指：根据各节点建立的能量路由表，确定能量的流向，通过控制能量路由器与无线传能装置，实现卫星无线能源互联能量网的动态组网；能量路由管理方法会根据各卫星的不同状态，控制能量路由器各输入输出端口间内的功率大小，实现能量的最优配置。
技术效果
本发明整体解决了在轨卫星的能源互联网动态组网问题、外层空间内卫星间的能源互联网组网问题以及卫星能源互联网的弹性组网与容错管理问题，填补了现有在轨卫星能源互联网技术与供能保障技术空白。
与现有技术相比，本发明通过无线传能技术与无线通讯技术的组合运用以及组网方法、网络管理方法的综合运用，有效提高在轨卫星的可靠性和使用寿命，提高了能源互联网的鲁棒性。
附图说明
图1为本实施例提供的卫星能源互联网拓扑结构示意图；
图中：根节点层1、二级节点层2、三级节点层3、四级节点层4、空闲节点层5、节点子网6、中继卫星7、普通卫星8、信息能量流9；
图2为针对图1所示的卫星能源互联网拓扑结构的组网与网络维护流程图；
图3为卫星能源互联网的根节点选择方法与二级节点选择方法示意图；
图中：中继卫星701、中继卫星702、中继卫星703、根节点预设距离10、卫星轨道11；
图4为卫星能源互联网的父节点选择方法示意图；
图中：普通卫星801、普通卫星802、普通卫星803、非根点预设距离12；
图5为双向DC/DC能量管理方法架构。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及的卫星能源互联网拓扑结构，该卫星能源互联网包括：根节点层1与二级节点层2中的节点相连，二级节点层2与三级节点层3层相连，本实施所展示的拓扑结构仅包含四层连接结构，实际应用中卫星能源互联网拓扑结构层数可能远大于四层；考虑到卫星运行轨道间差异较大，某些时候部分卫星间的距离较远，超过了最大能量传输距离，此时这些卫星需要从分层拓扑结构中移除，归入空闲节点层5；节点子网是指一个节点及其所有后代节点组合成的能源互联网络。
如图2所示，为针对图1所示的卫星能源互联网的空间无线能源互联网动态组网方法，包括组网阶段与网络修复阶段。
如图3所示，所述的组网阶段包括：卫星能源互联网根节点选择方法与二级节点选择方法示意图，其中：中继卫星701、中继卫星702与中继卫星703拥有相同的根节点预设距离10，在中继卫星701的根节点预设距离10范围内卫星数量最多，则中继卫星701被选择成为根节点；假设中继卫星701的最大可连接子节点数量大于等于4个，则中继卫星701的根节点预设距离10内的四个卫星都被选择为二级节点；假设中继卫星701的最大可连接子节点数量小于四个，则选择距离中继卫星701的最近的几个卫星作为二级节点。
如图4所示，所述的网络修复阶段，卫星能源互联网父节点选择方法示意图，其中：普通卫星803等待选择父节点，普通卫星803等待选择父节点；普通卫星801处在三级节点层3；普通卫星802处在二级节点层2；普通卫星801和普通卫星802都处在普通卫星803的非根点预设距离12范围内；虽然普通卫星801与803之间的距离小于普通卫星802与803之间的距离，但是由于普通卫星802所处的节点层更高，所以普通卫星803选择普通卫星802作为父节点。
如图5所示，为本实施例涉及的能量路由管理方法中的功率调节架构，其中：该功率调节架构建立在模糊控制的原理基础之上，共四个输入量；输入量经过归一化处理后，进行模糊化处理；模糊推理机根据预设的模糊规则库，计算相应的模糊输出，模糊输出经过解模糊处理与反归一化处理后，得到最佳的DC/DC输出功率。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (7)

1.一种空间无线能源互联网动态组网方法，其特征在于，包括组网阶段与网络修复阶段，在组网阶段，能源互联网的通讯网络与无线能源网络进行同步与异步组网；在网络修复阶段，通过网络管理方法修复能源互联络网节点丢失故障，修复完成后即建立卫星之间的无线能量传输网络，并对在轨卫星间的能量流进行调配管理。
2.根据权利要求1所述的空间无线能源互联网动态组网方法，其特征是，所述的组网阶段包括：计算在轨卫星直线距离、节点分级和根节点选择，其中：根节点的在轨卫星为能源互联网的起始卫星，该节点具有最高层级且不存在父节点，即当前子节点所连接到的上一层级节点；其余各节点均只有一个父节点。
3.根据权利要求1所述的空间无线能源互联网动态组网方法，其特征是，所述的计算在轨卫星直线距离是指：首先，卫星导航系统通过滑动时间滤波方法对地面遥测系统、北斗导航系统、惯性导航系统的观测数据进行滤波，去除外部噪声干扰减小定位误差；然后利用数据融合方法，对地面遥测系统、北斗导航系统、惯性导航系统的滤波结果，实时动态分配相应的权重，计算得到最终的卫星位置信息；每颗卫星实时计算其与其他卫星的直线距离。
4.根据权利要求1所述的空间无线能源互联网动态组网方法，其特征是，所述的根节点，通过自动选择或指定选择产生，其中：指定选择是指通过地面指挥中心指定某颗中继卫星为根节点；自动选择是指通过判断各中继卫星某一预设范围内的卫星数量，选择数量最多的中继卫星作为根节点；根节点确定后，无特殊情况不再改变，特殊情况包括根节点故障或预设范围无其他卫星运行。
5.根据权利要求1所述的空间无线能源互联网动态组网方法，其特征是，所述的节点分级包括：二级节点选择、父节点选择和建立能源互联网路由表，其中：根节点为一级节点，首先，利用二级节点选择法来确定根节点的各子节点；二级节点选择法是通过搜索在节点特定范围内的全部在轨卫星，当范围内的卫星数量少于根节点最大可连接数量，则该范围内的所有卫星均为二级节点；当范围内的卫星数量多于最大可连接数量，则按照距离远近进行排序，按最大可连接数量选择距离最近的节点；然后，除根节点和一级节点以外的各节点，利用父节点选择法去选择其父节点；父节点选择法的基本规则是搜索节点特定范围内的已连接节点，在搜索到的节点中，优先选择层级较高且未连接满的节点，若有多个层级相同的备选节点，选择与当前节点距离最近的节点作为父节点，并且当前节点的层级比父节点低一层级；最后，当卫星群组网完成后，每个卫星会根据自己在能源互联网中的位置，建立相应的路由表，路由表记录该节点的物理地址及该节点的子网中所有节点的物理地址。
6.根据权利要求1所述的空间无线能源互联网动态组网方法，其特征是，所述的网络修复阶段包括：根节点故障修复与中间节点故障修复，其中：根节点故障修复是通过在剩余健康的中继卫星中，利用根节点选择方法选出新的根节点，并重新进行能源互联网组网；中间节点故障修复是使故障节点的各子节点重新利用父节点选择方法选择新的父节点，故障节点的各子节点的子网不发生改变。
7.根据权利要求1所述的空间无线能源互联网动态组网方法，其特征是，所述的对在轨卫星间的能量流进行调配管理是指：根据各节点建立的能量路由表，确定能量的流向，通过控制能量路由器与无线传能装置，实现卫星无线能源互联能量网的动态组网；能量路由管理方法会根据各卫星的不同状态，控制能量路由器各输入输出端口间内的功率大小，实现能量的最优配置。
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