卫星集群分布式控制方法和装置

技术领域

本发明涉及航天技术领域，尤其涉及一种卫星集群分布式控制方法和装置。

背景技术

随着航天事业的飞速发展，空间任务量不断增加，任务复杂度日益加剧，传统基于单一大型航天器的解决方案往往存在研制成本高昂、在轨灵活性差、单体能力受限等缺陷，因此，卫星集群的应用与开发已成为当今太空发展的未来趋势和战略重点。卫星集群系统，作为一种分布式卫星系统，可通过将多颗卫星保持在较近空间区域内，借助星间通信链路，实现信息交互和任务协作，完成复杂在轨任务，并且由于环境态势瞬息万变，人工辅助响应迟缓，需要卫星集群系统具备一定的自主集群控制能力。

现有自主集群控制方法可归纳为轨道跟踪法、领航跟随法以及虚拟结构法，其中，轨道跟踪法是将卫星群系统中的成员卫星均控制在预先指定的期望轨道上，该方法无需卫星间的信息交互，仅适用于卫星群系统规模较小的情况；领航跟随法中，引领卫星在规划好的参考轨道上按计划运行，利用传统的周期性机动，使得跟随卫星跟踪引领卫星保持稳定的相对运动状态，该方法需预设编队结构，鲁棒性较差；虚拟结构法根据实际需求，通过给整个卫星群系统分配一组合适的期望状态，使得系统的整体状态误差最小，该方法类似一种集中式控制，对星上计算能力依赖性强。

发明内容

基于此，本发明实施例提供一种卫星集群分布式控制方法和装置，以解决现有技术中自主集群控制方法鲁棒性差，对星上计算能力依赖性强的问题。

本发明实施例的第一方面，提供一种卫星集群分布式控制方法，包括：

初始化目标卫星的轨道参数、每个空间碎片的位置参数以及所述卫星集群中每个卫星的位置参数；

根据所述轨道参数、每个所述空间碎片的位置参数以及每个所述卫星的位置参数，将所述卫星集群映射为鸽群群集，并根据所述鸽群群集判定鸽群交互模式；

根据所述鸽群交互模式计算鸽子控制输入，并基于所述鸽子控制输入将所述鸽群群集映射回卫星集群，并绘制卫星集群轨迹。

可选的，所述初始化目标卫星的轨道参数、每个空间碎片的位置参数以及所述卫星集群中每个卫星的位置参数，包括：

初始化目标卫星T的升交点赤经Ω

初始化空间碎片j在目标参考轨道系o

初始化卫星i在所述目标参考轨道系o

可选的，所述根据所述轨道参数、每个所述空间碎片的位置参数以及每个所述卫星的位置参数，将所述卫星集群映射为鸽群群集，包括：

将卫星i的当前坐标

根据所述轨道参数设定目标鸽子的位置向量x

将空间碎片j的当前坐标

可选的，所述根据所述鸽群群集判定鸽群交互模式，包括：

通过切换概率p

确定所述鸽群群集的鸽群交互模式，其中，α＞1、β＞0均为logistic函数的参数，序参量

若所述切换概率小于预设阈值时，确定所述鸽群交互模式为平等交互模式，得到

并确定所述鸽群交互模式下鸽群群集的对齐权重；其中，

其中，t

若所述切换概率大于或等于所述预设阈值时，确定所述鸽群交互模式为层级交互模式，得到

并确定所述层级交互模式下鸽群群集的对齐权重；其中，

可选的，所述根据所述鸽群交互模式计算鸽子控制输入，包括：

根据所述平等交互模式的最大通讯距离计算群集势场函数

其中，

根据所述层级交互模式的最大通讯距离计算目标势场函数

其中，x

计算障碍势场函数

其中，

根据所述群集势场函数、所述目标势场函数和所述障碍势场函数，计算鸽子i的控制输入u

其中，S

可选的，所述基于所述鸽子控制输入将所述鸽群群集映射回卫星集群，包括：

计算坐标

其中，K

计算卫星i的加速度分量

其中，

修正鸽群控制输入u

其中，

修正坐标

其中，

计算鸽子位置向量x

设定

其中，R

可选的，所述绘制卫星集群轨迹，包括：

如果得到了每个卫星的位置向量，则计算目标卫星的位置向量P

其中，

本发明实施例的第二方面，提供一种卫星集群分布式控制装置，包括：

初始化模块，用于初始化目标卫星的轨道参数、每个空间碎片的位置参数以及所述卫星集群中每个卫星的位置参数；

鸽群群集模块，用于根据所述轨道参数、每个所述空间碎片的位置参数以及每个所述卫星的位置参数，将所述卫星集群映射为鸽群群集，并根据所述鸽群群集判定鸽群交互模式；

轨迹绘制模块，用于根据所述鸽群交互模式计算鸽子控制输入，并基于所述鸽子控制输入将所述鸽群群集映射回卫星集群，并绘制卫星集群轨迹。

本发明实施例的第三方面，提供一种卫星集群分布式控制装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述实施例的第一方面提供的任一项所述的卫星集群分布式控制方法的步骤。

本发明实施例的第四方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如实施例的第一方面提供的任一项所述的卫星集群分布式控制方法的步骤。

本发明实施例的卫星集群分布式控制方法和装置与现有技术相比存在的有益效果是：

本发明先初始化目标卫星的轨道参数、每个空间碎片的位置参数以及所述卫星集群中每个卫星的位置参数；然后根据所述轨道参数、每个所述空间碎片的位置参数以及每个所述卫星的位置参数，将所述卫星集群映射为鸽群群集，并根据所述鸽群群集判定鸽群交互模式，最后根据所述鸽群交互模式计算鸽子控制输入，基于所述鸽子控制输入将所述鸽群群集映射回卫星集群，并绘制卫星集群轨迹，提高了大规模卫星群系统在集群过程中的鲁棒性，减轻了单星星上的计算负载，从而有效提升复杂环境中的卫星群系统自主集群能力。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种卫星集群分布式控制方法的实现流程示意图；

图2是本发明实施例提供的基于鸽群智能的卫星集群分布式控制方法的实现流程示意图；

图3是本发明实施例提供的卫星集群轨迹的示意图；

图4是本发明实施例提供的一种卫星集群分布式控制装置的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的另一种卫星集群分布式控制装置的结构示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

参见图1，为本实施例提供的卫星集群分布式控制方法的一个实施例实现流程示意图，详述如下：

步骤S101，初始化目标卫星的轨道参数、每个空间碎片的位置参数以及所述卫星集群中每个卫星的位置参数。

本实施例提供一种基于鸽群智能的卫星集群分布式控制方法，可以提高大规模卫星群系统集群过程中的鲁棒性，减轻单星计算负载，从而可以有效提升复杂环境中的卫星群系统自主集群能力。

在一个实施例中，步骤S101中所述的初始化目标卫星的轨道参数、每个空间碎片的位置参数以及所述卫星集群中每个卫星的位置参数，包括：

初始化目标卫星T的升交点赤经Ω

初始化空间碎片j在目标参考轨道系o

初始化卫星i在所述目标参考轨道系o

如图2所示，先生成目标T的轨道参数、每个空间碎片的位置参数以及所述卫星集群中每个卫星的位置参数、还包括卫星i在所述目标参考轨道系沿 x

步骤S102，根据所述轨道参数、每个所述空间碎片的位置参数以及每个所述卫星的位置参数，将所述卫星集群映射为鸽群群集，并根据所述鸽群群集判定鸽群交互模式。

在一个实施例中，步骤S102所述的根据所述轨道参数、每个所述空间碎片的位置参数以及每个所述卫星的位置参数，将所述卫星集群映射为鸽群群集，包括：

将卫星i的当前坐标

根据所述轨道参数设定目标鸽子的位置向量x

将空间碎片j的当前坐标

参见图2，设定目标位置向量x

进一步地，所述根据所述鸽群群集判定鸽群交互模式，包括：

通过切换概率p

确定所述鸽群群集的鸽群交互模式，其中，α＞1、β＞0均为logistic函数的参数，序参量

若所述切换概率小于预设阈值时，确定所述鸽群交互模式为平等交互模式，得到

并确定所述鸽群交互模式下鸽群群集的对齐权重，例如w＝1；其中，

其中，t

若所述切换概率大于或等于所述预设阈值时，确定所述鸽群交互模式为层级交互模式，得到

并确定所述层级交互模式下鸽群群集的对齐权重，例如w＝w'，w'≥1；其中，

步骤S103，根据所述鸽群交互模式计算鸽子控制输入，并基于所述鸽子控制输入将所述鸽群群集映射回卫星集群，并绘制卫星集群轨迹。

在一个实施例中，步骤S103中所述的根据所述鸽群交互模式计算鸽子控制输入，包括：

根据所述平等交互模式的最大通讯距离计算群集势场函数

其中，

根据所述层级交互模式的最大通讯距离计算目标势场函数

其中，x

计算障碍势场函数

其中，

最后，根据所述群集势场函数、所述目标势场函数和所述障碍势场函数，计算鸽子i的控制输入u

其中，S

进一步地，所述基于所述鸽子控制输入将所述鸽群群集映射回卫星集群，包括：

先计算坐标

其中，K

然后，计算卫星i的加速度分量

其中，

其次，修正鸽群控制输入u

其中，

修正坐标

其中，

最后，计算鸽子位置向量x

设定

其中，R

进一步地，所述绘制卫星集群轨迹的流程可以包括：

如果得到了每个卫星的位置向量，则计算目标卫星的位置向量P

其中，

具体的，参见图2，本实施例的方法为一种仿真过程，如果i＜N，则 i＝i+1，并转至步骤S102；如果i＝N且t＜T

本实施例是在分布式框架下，基于鸽群群集运动中的核心理念和关键原则设计的一种自主集群分布式控制方法，其优势主要体现在两个方面：一方面，该方法无中心节点，可支持卫星群系统内个体的实时退出和加入，具有较强的鲁棒性和可拓展性，可支持大规模群体；另一方面，该方法仅依赖局部交互信息，星上计算量与卫星数目无关，仅与卫星通信密度相关，对星上计算需求较低。

示例性的，见图2和图3，通过一个具体的卫星分布式集群实例来验证本实施例所提出的方法的有效性。实验计算机配置为Intel Core i9-9900处理器，3.10Ghz主频，64G内存，软件为MATLAB 2014a版本，具体步骤如下：

首先，对卫星集群进行初始化：生成目标T升交点赤经Ω

判定鸽群交互模式：基于切换概率p

然后，计算鸽子控制输入：计算群集势场函数

其次，将鸽群群集映射回卫星集群：根据上述公式计算坐标

最后，判断是否结束仿真：如果i＜N，则i＝i+1，并转至将卫星集群映射为鸽群群集的步骤；如果i＝N且t＜6000s，则计算目标位置向量P

上述卫星集群分布式控制方法，针对现有卫星自主集群控制方法在群体规模、鲁棒性、计算成本方面的不足，在分布式框架下，基于鸽群智能设计了一种卫星集群分布式控制方法，即通过将卫星集群映射为鸽群群集，使得单颗卫星基于鸽群智能的核心理念和关键原则，仅依赖局部交互信息可独立进行集群控制，可支持大规模卫星集群，鲁棒性高，且对单星星上计算需求少，可有效提高卫星群系统自主控制与决策水平。

本领域技术人员可以理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

对应于上文实施例所述的卫星集群分布式控制方法，本实施例提供了一种卫星集群分布式控制装置。具体参见图4，为本实施例中卫星集群分布式控制装置的结构示意图。为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分。

所述卫星集群分布式控制装置主要包括：初始化模块110、鸽群群集模块120和轨迹绘制模块130。

初始化模块110用于初始化目标卫星的轨道参数、每个空间碎片的位置参数以及所述卫星集群中每个卫星的位置参数。

鸽群群集模块120用于根据所述轨道参数、每个所述空间碎片的位置参数以及每个所述卫星的位置参数，将所述卫星集群映射为鸽群群集，并根据所述鸽群群集判定鸽群交互模式。

轨迹绘制模块130用于根据所述鸽群交互模式计算鸽子控制输入，并基于所述鸽子控制输入将所述鸽群群集映射回卫星集群，并绘制卫星集群轨迹。

上述卫星集群分布式控制装置，提高了大规模卫星群系统在集群过程中的鲁棒性，减轻了单星星上的计算负载，从而有效提升复杂环境中的卫星群系统自主集群能力。

本实施例还提供了一种卫星集群分布式控制装置100的示意图。如图5 所示，该实施例的卫星集群分布式控制装置100包括：处理器140、存储器 150以及存储在所述存储器150中并可在所述处理器140上运行的计算机程序151，例如卫星集群分布式控制方法的程序。

其中，处理器140在执行存储器150上所述计算机程序151时实现上述卫星集群分布式控制方法实施例中的步骤，例如图1所示的步骤101至103。或者，所述处理器140执行所述计算机程序151时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能，例如图4所示模块110至130的功能。

示例性的，所述计算机程序151可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器150中，并由所述处理器140 执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序151在所述卫星集群分布式控制装置100中的执行过程。例如，所述计算机程序151可以被分割成初始化模块110、鸽群群集模块120和轨迹绘制模块130，各模块具体功能如下：

初始化模块110用于初始化目标卫星的轨道参数、每个空间碎片的位置参数以及所述卫星集群中每个卫星的位置参数。

鸽群群集模块120用于根据所述轨道参数、每个所述空间碎片的位置参数以及每个所述卫星的位置参数，将所述卫星集群映射为鸽群群集，并根据所述鸽群群集判定鸽群交互模式。

轨迹绘制模块130用于根据所述鸽群交互模式计算鸽子控制输入，并基于所述鸽子控制输入将所述鸽群群集映射回卫星集群，并绘制卫星集群轨迹。

所述卫星集群分布式控制装置100可包括，但不仅限于处理器140、存储器150。本领域技术人员可以理解，图5仅仅是卫星集群分布式控制装置100的示例，并不构成对卫星集群分布式控制装置100的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述卫星集群分布式控制装置100还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

所述处理器140可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

所述存储器150可以是所述卫星集群分布式控制装置100的内部存储单元，例如卫星集群分布式控制装置100的硬盘或内存。所述存储器150也可以是所述卫星集群分布式控制装置100的外部存储设备，例如所述卫星集群分布式控制装置100上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card， SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(FlashCard)等。进一步地，所述存储器150还可以既包括所述卫星集群分布式控制装置100的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器150用于存储所述计算机程序以及所述卫星集群分布式控制装置100所需的其他程序和数据。所述存储器 150还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模型的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM， Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括是电载波信号和电信信号。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。