基于状态感知的分离模块航天器系统和自组网方法
阅读：1023发布：2020-12-06
专利汇可以提供基于状态感知的分离模块航天器系统和自组网方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种基于状态 感知 的分离模 块 航天器 系统，多个模块航天器，各所述模块航天器根据与其他模块航天器间的交互进行网络状态转换形成集群网络；所述网络状态包括主 节点 状态、从节点状态和候补主节点状态。从而在空间环境中实现了由不同航天器形成的具有较强自组织能 力 和自适应能力的集群网络。同时本发明还公开了一种基于状态感知的分离模块航天器的自组网方法，实现了模块航天器间集群网络的组网。，下面是基于状态感知的分离模块航天器系统和自组网方法专利的具体信息内容。
1.一种基于状态感知的分离模块航天器系统，其特征在于，包括：多个模块航天器，各所述模块航天器根据与其他模块航天器间的交互进行网络状态转换形成集群网络；所述网络状态包括主节点状态、从节点状态和候补主节点状态。
2.如权利要求1所述系统，其特征在于：所述模块航天器包括用于进行交互的通信组件、及根据所述交互结果控制网络状态的在轨计算机。
3.如权利要求1所述系统，其特征在于：所述模块航天器根据所述交互进行网络状态转换的过程为：
所述主节点状态模块航天器通过与所述从节点模块航天器间的交互控制所述从节点模块航天器保持所述从节点状态或转入所述候补主节点状态；
所述主节点状态模块航天器通过与所述候补主节点状态模块航天器间的交互控制所述候补主节点状态模块航天器保持所述候补主节点状态或转入所述主节点状态。
4.如权利要求1所述系统，其特征在于：所述网络状态还包括通信故障状态，当所述模块航天器发生故障时，则转入通信故障状态，并退出所述集群网络。
5.如权利要求1所述系统，其特征在于：所述网络状态还包括独立节点状态，所述模块航天器初始阶段处于所述独立节点状态，并通过与所述主节点状态模块航天器的交互完成网络注册，转入所述从节点状态。
6.如权利要求1或2所述系统，其特征在于：所述模块航天器还包括功能模块，并利用所述功能模块在所述集群网络中完成进行功能操作。
7.一种基于状态感知的分离模块航天器的自组网方法，其特征在于：
模块航天器通过相互交互确定在各自网络状态并在各网络状态间进行转换，组成集群网络；所述网络状态包括主节点状态、从节点状态和候补主节点状态。
8.如权利要求7所述方法，其特征在于：所述集群网络中具有一个所述主节点状态模块航天器和一个所述候补节点状态模块航天器；
所述从节点状态模块航天器根据与所述主节点状态模块航天器的交互保持所述从节点状态或转入所述候补节点状态；
所述补节点状态模块航天器根据与所述主节点状态模块航天器的交互保持所述候补节点状态或转入主节点状态。
9.如权利要求7所述方法，其特征在于：所述网络状态还包括独立节点状态，初始加入所述集群网络中的模块航天器处于独立节点状态，并通过与所述主节点状态模块航天器的交互结果转入所述从节点状态。
10.如权利要求6所述方法，其特征在于，所述网络状态还包括通信故障状态，当所述模块航天器发生故障时，则转入通信故障状态，退出所述集群网络。
基于状态感知的分离模块航天器系统和自组网方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于状态感知的分离模块航天器系统以及各模块航天器间的自组网方法。
背景技术
[0002] 分离模块航天器(Fractionated Spacecraft)是近年国际航天界提出并发展成为热点的一种新型航天器形式，它采用结构化分离设计思想，将传统航天器按功能划分为多个异构的模块航天器，这些模块航天器在空间集群飞行，通过无线自组织网络互联，构成一个虚拟航天器系统。
[0003] 模块航天器集群无线组网是分离模块航天器系统赖以实现的关键支撑技术之一。现有的空间组网技术大多针对卫星星座系统，如Iridium等通信卫星星座系统。这些卫星星座网络主要用于用户业务数据的传递，它具有典型的骨干数据网特征，服务的目标是提供大容量、高带宽、可靠的端到端数据交付。分离模块航天器网络则主要用于模块航天器集群内部时间同步、相对测量、导航与控制等运行管理信息的交互，它具有典型的协同控制网特点，即强调网络通信的鲁棒性及自组织能力。此外，分离模块航天器集群可扩展、功能可重构的运行特点还要求该网络具有较强的动态自适应能力，以支持模块航天器节点自主加入、退出集群网络，以及进行故障情况下的自主网络重构，这些特点都是现有卫星星座网络不具备的。基于上述分析可见，分离模块航天器集群组网与现有主要面向卫星星座系统的空间组网具有截然不同应用背景和技术要求，因此现有的空间组网技术不适用于分离模块航天器集群自适应组网应用。
发明内容
[0004] 本发明的技术解决问题是：本发明一方面提供了一种基于状态感知的分离模块航天器系统，该系统中各模块航天器组成集群网络，具有较强的自组织和自适应能力；
[0005] 本发明另一方面提供了一种基于状态感知的分离模块航天器的自组网方法，实现了模块航天器间集群网络的组网。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明的技术如下：
[0007] 一方面，本发明提供了一种基于状态感知的分离模块航天器系统，包括：多个模块航天器，各所述模块航天器根据与其他模块航天器间的交互进行网络状态转换形成集群网络；所述网络状态包括主节点状态、从节点状态和候补主节点状态。
[0008] 进一步的，所述模块航天器包括用于进行交互的通信组件、及根据所述交互结果控制网络状态的在轨计算机。
[0009] 进一步的，所述模块航天器根据所述交互进行网络状态转换的过程为：
[0010] 所述主节点状态模块航天器通过与所述从节点模块航天器间的交互控制所述从节点模块航天器保持所述从节点状态或转入所述候补主节点状态；
[0011] 所述主节点状态模块航天器通过与所述候补主节点状态模块航天器间的交互控制所述候补主节点状态模块航天器保持所述候补主节点状态或转入所述主节点状态。
[0012] 进一步的，所述网络状态还包括通信故障状态，当所述模块航天器发生故障时，则转入通信故障状态，并退出所述集群网络。
[0013] 进一步的，所述网络状态还包括独立节点状态，所述模块航天器初始阶段处于所述独立节点状态，并通过与所述主节点状态模块航天器的交互完成网络注册，转入所述从节点状态。
[0014] 进一步的，所述模块航天器还包括功能模块，并利用所述功能模块在所述集群网络中完成进行功能操作。
[0015] 另一方面，本发明提供了一种基于状态感知的分离模块航天器的自组网方法，模块航天器通过相互交互确定在各自网络状态并在各网络状态间进行转换，组成集群网络；所述网络状态包括主节点状态、从节点状态和候补主节点状态。
[0016] 进一步的，所述集群网络中具有一个所述主节点状态模块航天器和一个所述候补节点状态模块航天器；
[0017] 所述从节点状态模块航天器根据与所述主节点状态模块航天器的交互保持所述从节点状态或转入所述候补节点状态；
[0018] 所述补节点状态模块航天器根据与所述主节点状态模块航天器的交互保持所述候补节点状态或转入主节点状态。
[0019] 进一步的，所述网络状态还包括独立节点状态，初始加入所述集群网络中的模块航天器处于独立节点状态，并通过与所述主节点状态模块航天器的交互结果转入所述从节点状态。
[0020] 进一步的，所述网络状态还包括通信故障状态，当所述模块航天器发生故障时，则转入通信故障状态，退出所述集群网络。
[0021] 本发明与现有技术相比具有如下优点：
[0022] (1)采用本发明组建的分离模块航天器集群网络，其中各模块航天器能够根据对自身运行状态及通过交互获得其他模块航天器运行状态，进行网络状态间的装换，从而可形成由不同分离模块航天器组成的集群网络，该集群网络具有自组织和自适应的能力。
[0023] (2)基于该方法组建的分离模块航天器集群网络，提供了一种开放的网络加入注册机制，支持新的模块航天器自主加入已有模块航天器集群网络，因而具有可扩展能力。
[0024] (3)基于该方法组建的分离模块航天器集群网络，其中任意模块航天器出现故障时都将自主执行应急处理操作，撤离当前集群，将网络故障隔离，集群内其他模块航天器则可以通过改变自身网络状态，进行适应性重构，将网络故障修复，因而具有可重构能力及鲁棒性。附图说明
[0025] 图1为网络状态转换示意图；
[0026] 图2为独立节点状态转换流程图；
[0027] 图3为主节点状态转换流程图；
[0028] 图4为从节点状态转换流程图；
[0029] 图5为候补主节点状态转换流程图；
[0030] 图6为故障状态节点状态转换流程图。
具体实施方式
[0031] 下面就结合附图对本发明做进一步介绍。
[0032] 在本发明所述基于状态感知的分离模块航天器系统中，各分离模块航天器为独立的模块航天器，可单独进入轨道并执行任务。在执行任务过程中，各不同模块航天器通过交互组成集群网络，从而形成以集群网络形式存在的在轨系统。
[0033] 为实现集群网络的组网功能，各模块航天器均配置用于组网的在轨计算机和网络通信组件。其中，网络通信组件负责模块航天器间的交互，即网络通信数据和指令的收发；在轨计算机交互结果控制网络状态，具体为负责本模块航天器的网络状态管理和网络通信数据处理。
[0034] 如图1，在集群网络中的各模块航天器可分别处于不同的网络状态，该网络状态包括：独立节点状态、主节点状态、从节点状态、候补主节点状态及通信故障状态。对应于不同的网络状态，各模块航天器在集群网络中均作为网络的一个节点，且根据所处的网络状态可分别定义为：独立节点、主节点、从节点、候补主节点及通信故障节点。
[0035] 每个模块航天器由在轨计算机根据网络通信中的各类事件确定当前的网络状态，当各模块航天器处于不同网络状态时，在集群网络中进行不同的操作。
[0036] 如图2，各模块航天器初次加入集群网络时，均处于独立节点状态，独立节点与地面站之间的星地测控功能处于开启状态，由地面站对其进行独立测控，若地面遥控指令将其指定为主节点则转入主节点状态，否则保持在当前状态并继续后续行为动作；它周期性监测自身状态，若发现其故障则转入通信故障状态，否则保持在当前状态并继续后续行为动作；监听是否有网络中处于主节点发送的集群网络信标存在，当监听到集群网络信标时就向主节点发起网络注册过程，若注册成功则转入从节点状态，否则保持在当前状态并重复前述行为动作。
[0037] 如图3，当模块航天器处于主节点状态时，作为主节点周期性监测自身状态，若发现其故障则转入通信故障状态，否则保持在当前状态并继续后续行为动作；主节点作为集群网络中与地面站之间的测控通信中枢，对集群网络内所有从节点和/或候补主节点进行测控管理和自主运控管理，该测控管理和自主运控管理包括：接收地面站上注的集群遥控指令，分发给集群网络内相应节点；对集群网络的从节点和候补主节点进行轮询，采集各节点的遥测信息和运行状态信息；根据采集到的运行状态信息生成自主运控指令，并将该自主运控指令分发给集群网络内其他的节点，对其实施运控管理；周期性发送集群网络信标，接收并处理独立节点的网络注册请求，进行集群网络注册管理。
[0038] 如图4，当模块航天器处于从节点状态时，作为集群网络中的从节点周期性监测自身状态，若发现其故障则转入通信故障状态，否则保持在当前网络状态并继续后续行为动作；在从节点状态中，不断监测主节点的运行状态，若发现其故障则转入独立节点状态，否则保持在当前状态并继续后续行为动作；在接收到集群网络内主节点发送的控制及轮询指令后，对该指令进行执行并返回自身遥测及运行状态等应答信息，若存在指令将其指定为候补主节点则转入候补主节点状态，否则保持在当前状态并重复前述行为动作。
[0039] 如图5，当模块航天器处于候补主节点状态时，该候补主节点周期性监测自身状态，若发现其故障则转入通信故障状态，否则保持在当前状态并继续后续行为动作；在候补主节点状态中，不断监测网络主节点的运行状态，若发现其故障则转入主节点状态，否则保持在当前状态并继续后续行为动作；在接收到集群网络内主节点发送的控制及轮询指令后，对该指令进行执行并返回自身遥测及运行状态等应答信息，若存在指令将其候补主节点资格取消则转入从节点状态，否则保持在当前状态并重复前述行为动作。
[0040] 如图6，当上述处于各状态的模块航天器检测到自身故障后，转入通信故障状态，在通信故障状态，周期性监测自身网络通信组件的状态，若发现其故障修复则转入从节点状态，否则保持在当前状态并继续后续行为动作。并且，通信故障节点在故障后进行启动应急处理，在应急处理操作中开启自身星地测控功能、进行轨道机动安全撤离模块航天器集群网络，在完成应急处理操作后，由地面站对其进行独立星地测控。
[0041] 在各模块航天器根据上述网络状态间进行切换时，在模块航天器中仅选定一个节点作为主节点，并由主节点在从节点中确定一个候补主节点，其余作为从节点或未向主节点注册的独立节点及通信故障节点，组织形成集群网络。在整个集群网络中，不同节点上均各自配置不同的功能模块，各有功能模块具有不同的在轨功能，在集群网络中进行功能操作。
[0042] 进一步，通过以下实施例对本发明做进一步介绍。在该实施例中共有6个分离模块航天器，根据其配置的功能模块，可包括3个基础服务模块：计算服务模块CM、导航服务模块NM和存储服务模块SM，3个有效载荷模块：PM-1、PM-2和PM-3。以上6个模块航天器分两次完成发射部署：各模块航天器均配置进行组网的基本功能部件，即在轨计算机和网络通信组件。第一次发射CM、NM、SM和PM-1形成由4个模块航天器构成的集群网络；第二次发射PM-2和PM-3，加入由之前4个模块航天器构成的集群网络，进而扩展形成由6个模块航天器构成的新集群。为了便于说明本发明实施例，假设在处于不同网络状态的模块航天器发生故障后，均通过自适应网络重构进行故障隔离和恢复。
[0043] 第一次发射通过一箭四星方式将模块航天器CM、NM、SM和PM-1发射至预定任务轨道，形成集群组网的空间条件。
[0045] 1)模块航天器CM、NM、SM和PM-1的在轨计算机上电复位时，通过运行星务软件将各自的网络状态初始化为独立节点状态；
[0046] 2)按照对组网操作约束条件的规定，由遥控指令将模块航天器CM指定为主节点，CM根据指令转为主节点状态；
[0047] 3)模块航天器CM按照主节点状态下的行为动作，周期性发送集群网络信标，同时接收并处理处于独立节点状态的模块航天器NM、SM和PM-1的网络注册请求，实施网络注册管理；
[0048] 4)模块航天器NM、SM和PM-1按照独立节点状态下的行为动作，不断监听是否有集群网络信标存在，当发现模块航天器CM发送的集群网络信标后，向CM发送网络注册请求，注册成功后转为从节点状态；
[0049] 5)在3个从节点NM、SM和PM-1中，模块航天器CM从中选择NM，并发送指令将其指定为候补主节点，NM根据指令转为候补主节点状态；
[0050] 6)模块航天器CM按照主节点状态下的行为动作，对集群网络内处于从节点状态的模块航天器SM、PM-1和处于候补主节点状态的NM进行测控管理和自主运控管理。
[0051] 经过以上步骤后，模块航天器CM处于网络主节点状态，模块航天器NM处于候补主节点状态，模块航天器SM和PM-1处于从节点状态，若所有模块航天器均正常运行，则集群网络将以1个主节点、1个候补主节点和2个从节点的网络架构形式持续运行。
[0052] 第二次发射通过一箭双星方式将模块航天器PM-2和PM-3发射入轨，使其按照预先设计的安全路径逼近已有模块航天器集群，形成加入集群网络的空间条件。进入轨道后预定任务后模块航天器PM-2和PM-3及当前主节点CM通过运行各自的星务软件，进行自适应网络扩展，具体如下：
[0053] 1)模块航天器PM-2和PM-3的在轨计算机上电复位时，通过运行星务软件将各自的网络状态初始化为独立节点状态；
[0054] 2)模块航天器CM按照主节点状态下的行为动作，周期性发送集群网络信标，同时接收并处理处于独立节点状态的模块航天器PM-2和PM-3的网络注册请求，实施网络注册管理；
[0055] 3)模块航天器PM-2和PM-3按照独立节点状态下的行为动作，不断监听是否有集群网络信标存在，当发现模块航天器CM发送的集群网络信标后，向CM发送网络注册请求，注册成功后转为从节点状态；
[0056] 4)模块航天器CM按照主节点状态下的行为动作，对扩展后集群网络内处于从节点状态的模块航天器SM、PM-1、PM-2、PM-3和处于候补主节点状态的NM进行测控管理和自主运控管理。
[0057] 经过以上步骤后，模块航天器CM处于网络主节点状态，模块航天器NM处于候补主节点状态，模块航天器SM、PM-1、PM-2和PM-3处于从节点状态，若所有模块航天器均正常运行，则集群网络将以1个主节点、1个候补主节点和4个从节点的网络架构形式持续运行。
[0058] 在完成上述集群网络的组网后，若模块航天器PM-1的网络通信组件发生故障的情况，则PM-1和CM将自主运行各自的星务软件，进行自适应网络重构，具体如下：
[0059] 1)模块航天器PM-1按照本发明约定的从节点状态下的行为动作，周期性监测自身状态，当发现网络通信组件发生故障时转入通信故障状态；
[0060] 2)模块航天器PM-1进入通信故障状态后，按照本发明约定的通信故障状态下的行为动作，判断应急处理操作是否已经完成，若未完成则执行应急处理操作，开启自身星地测控功能转为独立星地测控模式，同时进行轨道机动安全撤离当前集群，实现故障隔离；
[0061] 3)模块航天器CM在控制及轮询过程中发现PM-1通信异常后，对所维护的网络注册信息进行更新，完成网络重构过程；
[0062] 4)经过以上步骤后，模块航天器CM仍处于网络主节点状态，模块航天器NM仍处于候补主节点状态，模块航天器SM、PM-2和PM-3仍处于从节点状态，若所有模块航天器均正常运行，则集群网络将以1个主节点、1个候补主节点和3个从节点的网络架构形式持续运行。
[0063] 假设在集群系统在上述运行状态的基础上出现模块航天器NM的能源不足的异常情况，则NM、CM等模块航天器将自主运行各自的星务软件，进行自适应网络重构，具体如下：
[0064] 1)模块航天器NM按照候选主节点状态下的行为动作，通过应答信息将自身的状态参数发送给网络主节点CM；
[0065] 2)CM根据从NM采集到的状态信息监测到NM的能源异常，于是向NM发送对日定向自主运控管理指令，并取消NM的候补主节点资格，同时通过指令将模块航天器SM指定为新的候选主节点；
[0066] 3)NM接收并执行CM发送的指令，同时转为从节点状态；
[0067] 4)SM接收并执行CM发送的指令，根据指令转为候补主节点状态。
[0068] 经过以上步骤后，模块航天器CM仍处于网络主节点状态，模块航天器SM转为候补主节点状态，模块航天器NM转为从节点状态，模块航天器PM-2和PM-3仍保持从节点状态，若所有模块航天器均正常运行，则集群网络将以1个主节点、1个候补主节点和3个从节点的网络架构形式持续运行。
[0069] 假设在上述运行状态的基础上出现模块航天器CM的网络通信组件发生故障的情况，则系统内所有模块航天器将自主运行各自的星务软件，进行自适应网络重构，具体如下：
[0070] 1)模块航天器CM按照本发明约定的从节点状态下的行为动作，周期性监测自身网络通信组件的状态，当发现网络通信组件发生故障时转入通信故障状态；
[0071] 2)模块航天器CM进入通信故障状态后，按照通信故障状态下的行为动作，判断应急处理操作是否已经完成，若未完成则执行应急处理操作，开启自身星地测控功能转为独立星地测控模式，同时进行轨道机动安全撤离当前集群，实现故障隔离；
[0072] 3)模块航天器SM按照候补主节点状态下的行为动作，不断监测网络主节点的运行状态，发现其故障后转入主节点状态；
[0073] 4)模块航天器NM、PM-2和PM-3按照从节点状态下的行为动作，不断监测网络主节点的运行状态，发现其故障后转入独立节点状态；
[0074] 5)模块航天器SM转为主节点状态后，主节点状态下的行为动作，周期性发送集群网络信标，同时接受并处理处于独立节点状态的模块航天器NM、PM-2和PM-3的网络注册请求，实施网络注册管理；
[0075] 6)模块航天器NM、PM-2和PM-3转为独立节点状态后，按照独立节点状态下的行为动作，不断监听是否有集群网络信标存在，当发现模块航天器SM发送的集群网络信标后，向SM发送网络注册请求，注册成功后转为从节点状态；
[0076] 7)模块航天器SM从3个处于从节点状态的模块航天器中选择NM，发送指令将其指定为候补主节点，NM根据指令转为候补主节点状态；
[0077] 8)模块航天器SM按照主节点状态下的行为动作，对集群网络内处于从节点状态的模块航天器PM-2、PM-3和处于候补主节点状态的NM进行测控管理和自主运控管理。
[0078] 经过以上步骤后，模块航天器SM转为网络主节点状态，模块航天器NM转为候补主节点状态，模块航天器PM-2和PM-3仍处于从节点状态，若所有模块航天器均正常运行，则集群网络将以1个主节点、1个候补主节点和2个从节点的网络架构形式持续运行。
[0079] 假设在集群系统在上述运行状态的基础上出现加入新的模块航天器或者是出现模块航天器故障的情况，都可以按照以上方法进行自适应网络扩展或重构。
[0080] 本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。
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