一种卫星星座在轨分布式协同调度方法技术

本发明专利技术公开了一种卫星星座在轨分布式协同调度框架与调度方法，包括根据目标特性确定卫星星座构型及参数，根据卫星星座在轨协同调度过程设计适应于在轨分布式场景的卫星星座在轨分布式协同调度框架，根据设计的调度框架进行星座在轨任务调度；通过在星座调度过程中引入事件触发机制，将开环调度过程改为基于Agent的闭环调度，克服了开环调度动态环境适应性差，时效性低的问题；采用分布式拍卖算法将集中式星座调度改为分布式调度，避免了集中式调度通讯时延长的问题；在此基础上设计了卫星星座在轨分布式协同调度框架，能够在局部信息的条件下实现星座卫星在轨分布式协商调度，调度所需星座信息少，星间通讯条件要求低，调度过程高效且可靠。度过程高效且可靠。度过程高效且可靠。

【技术实现步骤摘要】
一种卫星星座在轨分布式协同调度方法


[0001]本专利技术属于新一代信息
，具体指代一种卫星星座在轨分布式协同调度方法。

技术介绍

[0002]随着各国空间活动日益频繁，太空碎片，失效卫星等在空间常驻物体的数量增长迅速，威胁到了在轨航天器的安全。空间态势感知、空天安全是当前航空航天领域的研究热点。建设具备监视跟踪空间物体能力的卫星星座有望成为保障在轨航天器安全的重要手段。在星座跟踪过程中，太空碎片、失效卫星等物体为非合作目标，单颗卫星对目标进行仅测角观测所获得的信息无法确定目标位置，需要两颗及以上的卫星进行立体观测以确定目标位置，在星座卫星协同观测过程中存在立体观测等约束条件。同时，中低轨卫星视场有限，无法维持对空间移动目标的长期跟踪，需要通过多星协同的方式完成对目标的长时间跟踪。针对多星协同问题，有的方案采用集中式星座调度的方法，将卫星信息和目标信息传送至地面站进行处理。地面站接收到信息后首先对目标进行轨道预报，然后计算星座内卫星对目标的可观测窗口，最后根据场景约束求解调度方案并上注给星座卫星。由于集中式调度需要在地面汇总并处理信息，在计算完成后再重新发送给星座内所有卫星，信息传输过程需要大量通讯资源且存在大量时延，调度过程的时效性差，跟踪任务的成功率低。

技术实现思路

[0003]对于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种卫星星座在轨分布式调度框架与调度方法，以解决现有调度方法中存在的通讯资源需求大、时效性差的问题。
[0004]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：本专利技术提供一种卫星星座在轨分布式协同调度方法，包括以下步骤：S1：根据目标特性确定卫星星座构型及参数；S2：根据场景特点确定星座卫星协同观测过程相关约束；S3：确定卫星星座协同调度过程；S4：根据星座卫星协同调度过程特点，归纳星座调度过程中需要进行星间通讯的情况；S5：根据卫星星座在轨协同调度过程设计适应于在轨分布式场景的卫星星座在轨分布式协同调度框架；S6：根据设计的卫星星座在轨分布式协同调度框架进行星座调度。
[0005]作为优选的一种技术方案，所述步骤S3进一步包括：步骤S31：从外部环境获得初始目标信息；步骤S32：通过传感器获得星座对目标的观测量；步骤S33：通过星间通讯将所述初始目标信息与观测量进行信息融合，更新目标状态信息并对目标进行一定时间内的轨道预报；
步骤S34：星座内卫星根据自身状态、目标状态、卫星对目标的可观测窗口、卫星与协同卫星之间的可通讯窗口进行星间调度决策，以保持对目标的持续跟踪。
[0006]作为优选的一种技术方案，在所述步骤S4中：星座调度过程中需要进行星间通讯的情况归纳为新目标事件和观测卫星切换事件；其中观测卫星切换事件包括剩余观测窗口不足、星间剩余可通信窗口不足、目标位置估计误差达到误差门限、卫星处于单星跟踪状态中的一项或多项子事件，卫星触发任意子事件都需要进行观测卫星切换。
[0007]作为优选的一种技术方案，观测卫星切换设置有最小时间间隔。
[0008]作为优选的一种技术方案，所述步骤S5进一步包括：S51：外界环境将新目标信息传递给星座内可观测到目标的卫星；S52：触发新目标事件的卫星对事件信息进行处理后生成协同观测任务，并与其相邻卫星进行通讯，建立针对该目标的星间动态协商组；S53：将协同观测任务发布给星间动态协商组内其他卫星，其他卫星接收到协同观测任务后结合星上条件对任务进行评估并评分；S54：根据评分结果确定卫星是否可以执行协同观测任务。
[0009]作为优选的一种技术方案，在所述步骤S53中，其他卫星接收到协同观测任务后结合星上条件对任务进行评估并评分，进一步包括：卫星i对目标j在k时刻的评估值如式（4）所示（4）其中，，，，和分别表示卫星状态因子，星间通讯窗口因子，目标位置估计误差因子，剩余目标可观测窗口长度因子和卫星姿态机动时间因子。
[0010]作为优选的一种技术方案，所述步骤S54进一步包括：接收到协同观测任务的卫星对任务进行评分后，若评分为0说明卫星不具有执行该协同观测任务的条件，不对该任务进行响应；若评分大于0说明卫星可以执行该观测任务，卫星加入发布协同观测任务卫星建立的星间动态协商组，通过分布式拍卖算法进行星间分布式协商。
[0011]本专利技术相对于现有技术的有益效果是：本专利技术适用于空间目标的多星协同跟踪调度问题，通过在调度过程中引入分布式事件触发机制进行闭环控制，解决了集中式调度过程中存在的时效性差，场景适应性弱的问题，能够在局部信息的条件下实现星座卫星在轨分布式协商调度，调度所需星座信息少，对星间通讯条件要求低，调度方案可根据目标跟踪情况实时调整，从而使得卫星星座调度过程更加灵活高效。
附图说明
[0012]图1为卫星星座协同调度过程示意图；图2为卫星星座在轨分布式协同调度框架。
具体实施方式
[0013]为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本专利技术作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本专利技术的限定。
[0014]参照图1，本实施例提供一种卫星星座在轨分布式协同调度方法，包括以下步骤：S1、根据目标特性确定卫星星座构型及参数；具体的，根据观测任务需求和目标特点进行星座设计，确定星座构型参数。
[0015]在本实施例中，以对空间目标进行双星立体观测任务为例。任务场景中目标分布高度为200
‑
2000km，大气临边高度为80km，星上载荷最大探测距离为6000km。考虑到目标可能出现在空域任意位置，选择均匀分布的walker构型作为执行任务的星座构型。执行双星立体观测任务过程中需要尽可能保证星座对目标点的二重覆盖，以空间的二重覆盖率为设计指标进行星座具体参数设计。经参数分析，确定轨道高度为1600km，轨道倾角为60
°
，4个轨道面，相位因子为1，由32颗星组成的Walker
‑
δ星座为任务执行星座，该星座可以对目标高度为200km的目标实现97%的二重覆盖，可以对高度大于400km的目标实现99.99%的二重覆盖。
[0016]S2、根据场景特点确定星座卫星协同观测过程相关约束。
[0017]S3、确定卫星星座协同调度过程，如图1所示。卫星星座的协同调度过程是由传感器观测，信息融合，星上调度三个环节构成的闭环调度过程。星座从外部环境获得初始目标信息，通过传感器获得星座对目标的观测量，通过星间通讯进行信息融合，更新目标状态信息并对目标进行一定时间内的轨道预报。星座内卫星根据自身状态，目标状态、卫星对目标的可观测窗口、卫星与协同卫星之间的可通讯窗口等信息进行星间调度决策，以保持对目标的持续跟踪。
[0018]在本实施例中，根据所述建立卫星对目标的观测模型，选择无迹卡尔曼滤波算法作为目标跟踪算法；具体的，将星座内卫星与目标的相对位置矢量从惯性系转换至轨道坐标系，如式（1）：（1）其中，r
T
和r
S
分别表示航天器和目标在惯性系下的位置矢量，x
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种卫星星座在轨分布式协同调度方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：根据目标特性确定卫星星座构型及参数；S2：根据场景特点确定星座卫星协同观测过程相关约束；S3：确定卫星星座协同调度过程；S4：根据星座卫星协同调度过程特点，归纳星座调度过程中需要进行星间通讯的情况；S5：根据卫星星座在轨协同调度过程设计适应于在轨分布式场景的卫星星座在轨分布式协同调度框架；S6：根据设计的卫星星座在轨分布式协同调度框架进行星座调度。2.如权利要求1所述的卫星星座在轨分布式协同调度方法，其特征在于，所述步骤S3进一步包括：步骤S31：从外部环境获得初始目标信息；步骤S32：通过传感器获得星座对目标的观测量；步骤S33：通过星间通讯将所述初始目标信息与观测量进行信息融合，更新目标状态信息并对目标进行一定时间内的轨道预报；步骤S34：星座内卫星根据自身状态、目标状态、卫星对目标的可观测窗口、卫星与协同卫星之间的可通讯窗口进行星间调度决策，以保持对目标的持续跟踪。3.如权利要求1所述的卫星星座在轨分布式协同调度方法，其特征在于，在所述步骤S4中：星座调度过程中需要进行星间通讯的情况归纳为新目标事件和观测卫星切换事件；其中观测卫星切换事件包括剩余观测窗口不足、星间剩余可通信窗口不足、目标位置估计误差达到误差门限、卫星处于单星跟踪状态中的一项或多项子事件，卫星触发任意子事件都需要进行观测卫星切换。4.如权利要求3所述的卫星星座在轨分布式协同调度方法，其特征在于：观测卫星切换设置有最小时间间隔。5.如权利要求3所述的卫星星座在轨分布式协同调度方法，其特征在于，所述步骤S5进一步包括：S51：外...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨洪伟，张耀元，李爽，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：