智能微纳卫星集群自主协同控制技术的研究.pdf
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1、Artificial Intelligence and Robotics Research 人工智能与机器人研究人工智能与机器人研究,2023,12(3),226-235 Published Online August 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/airr https:/doi.org/10.12677/airr.2023.123026 文章引用文章引用:肖金平,王颖,罗孙梅,谢毅,刘富强.智能微纳卫星集群自主协同控制技术的研究J.人工智能与机器人研究,2023,12(3):226-235.DOI:10.12677/airr.2023
2、.123026 智能微纳卫星集群自主协同控制技术的研究智能微纳卫星集群自主协同控制技术的研究 肖金平肖金平,王王 颖颖,罗孙梅罗孙梅,谢谢 毅毅,刘富强刘富强 南昌航空大学通航(民航)学院,江西 南昌 收稿日期:2023年7月27日;录用日期:2023年8月14日;发布日期:2023年8月22日 摘摘 要要 随着人们对空间领域的不断探究及应用,航天器在轨资源受限、单星作业能力受限、空间环境复杂等问随着人们对空间领域的不断探究及应用,航天器在轨资源受限、单星作业能力受限、空间环境复杂等问题日益显著,研究智能微纳卫星题日益显著,研究智能微纳卫星集群自主协同控制技术成为解决这些问题的有效途径。该研究
3、将突破自集群自主协同控制技术成为解决这些问题的有效途径。该研究将突破自主协同完成复杂任务、学习经验数据提升系统性能、自主认知应对复杂环境等关键技术,促进微纳卫星主协同完成复杂任务、学习经验数据提升系统性能、自主认知应对复杂环境等关键技术,促进微纳卫星集群的整体效能最大化,使卫星集群具备自主感知、推理、执行、演化等类人行为属性。为此,必须在集群的整体效能最大化,使卫星集群具备自主感知、推理、执行、演化等类人行为属性。为此,必须在梳理国内外对智能微纳卫星相关研究的基础上,整理出智能微纳卫星集群自主协同控制的概念内涵,分梳理国内外对智能微纳卫星相关研究的基础上,整理出智能微纳卫星集群自主协同控制的概
4、念内涵,分析出集群智能信息交互与通信、集群自主协同任务规划与决策、集群构型建立维持与重构技术、智能健析出集群智能信息交互与通信、集群自主协同任务规划与决策、集群构型建立维持与重构技术、智能健康预测与管理四大关键技术的研究现状及发展趋势,以期为智能微纳卫星在轨应用的相关技术突破带来康预测与管理四大关键技术的研究现状及发展趋势,以期为智能微纳卫星在轨应用的相关技术突破带来一定的借鉴作用。一定的借鉴作用。关键词关键词 智能微纳卫星智能微纳卫星,自主协同控制自主协同控制,智能信息交互与通信智能信息交互与通信,自主认知与决策自主认知与决策,集群构型建立维持与重构技术集群构型建立维持与重构技术,智能健康预
5、测与管理智能健康预测与管理 Research on Autonomous Collaborative Control Technology of Intelligent Micro-Nano Satellite Cluster Jinping Xiao,Ying Wang,Sunmei Luo,Yi Xie,Fuqiang Liu School of General Aviation(Civil Aviation),Nanchang Hangkong University,Nanchang Jiangxi Received:Jul.27th,2023;accepted:Aug.14th,202
6、3;published:Aug.22nd,2023 Abstract With the continuous exploration and application of the space field,the problems of limited space-肖金平 等 DOI:10.12677/airr.2023.123026 227 人工智能与机器人研究 craft in orbit,limited single-satellite operation capacity,and complex space environment have become increasingly obv
7、ious,and the study of intelligent micro-nano satellite cluster autonomous collaborative control technology has become an effective way to solve these problems.This re-search will break through key technologies such as autonomous collaborative completion of com-plex tasks,learning experience data to
8、improve system performance,and autonomous cognition to cope with complex environments,promote the overall efficiency of micro-nano satellite clusters,and make satellite clusters have human-like behavioral attributes such as autonomous perception,reasoning,execution,and evolution.To this end,on the b
9、asis of combing the relevant research on intelligent micro-nano satellites at home and abroad,it is necessary to sort out the conceptual connotation of autonomous collaborative control of intelligent micro-nano satellite clusters,and analyze the research status and development trend of four key tech
10、nologies:cluster intelligent information interaction and communication,cluster autonomous collaborative task planning and decision-making,cluster configuration establishment,maintenance and reconstruction technolo-gy,and intelligent health prediction and management,in order to bring certain referenc
11、e to the related technological breakthroughs of intelligent micro-nano satellites in orbit.Keywords Intelligent Micro-Nano Satellites,Autonomous Collaborative Control,Intelligent Information Interaction and Communication,Autonomous Cognition and Decision-Making,Cluster Configuration Establishment,Ma
12、intenance and Reconstruction Technology,Intelligent Health Prediction and Management Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 微纳卫星是指体积小、质量轻的卫星,通常尺寸
13、为几十毫米至几十厘米、质量为几百克至几十千克的小卫星,因其研制成本低、周期短、灵活性高等优点而被广泛应用1 2。近年来,借鉴自然界生物集群自组织特性,航天器集群项目逐渐发展起来,通过星群成员之间共同运动与共同合作控制3 4,取代发射与研制成本高昂的单颗大型卫星,完成整体任务。在遥感领域,微纳卫星集群协同控制技术可有效解决单星观测覆盖能力有限,无法满足灵活观测需求的问题,而高效能地完成观测任务,同时还可应用于通信与卫星互联网、导航与定位等多种领域,提高空天作业效能。随着空天领域的不断深入探究,大规模商业微纳卫星的投入运行,传统的采用“分而治之”的卫星集群管控模式,因地面压力过大而难以被有效应用,
14、无法满足当前的功能需求和应对日益复杂的空间环境,且集群智能协同控制技术已经成为新一代人工智能的核心研究领域,使得集群协同控制技术不断向智能化方向推进,智能微纳卫星集群自主协同控制技术也因此成为研究热点5 6 7。智能微纳卫星集群必须具备极强的自主协同控制能力,其存在卫星成员数量众多、空间分布关系复杂时变、协同作业模式复杂多样等特点8,由此带来大规模动态星群控制系统的集群智能信息交互与通信、集群自主协同任务规划与决策、集群构型建立维持与重构技术、智能健康预测与管理等众多关键技术难题,为此,本文对智能微纳卫星集群自主协同控制技术的国内外研究现状进行梳理,分析了其四大关键技术难题的研究现状及未来展望
15、,整理出了智能微纳卫星集群自主控制组织框架和协商机制及基于群体智能的微纳卫星集群自主控制系统的概念内涵,总结出相关研究进展及未来展望,以期为日后的智能微纳卫星集群自主Open AccessOpen Access肖金平 等 DOI:10.12677/airr.2023.123026 228 人工智能与机器人研究 协同控制技术的相关研究带来一定的技术支持。2.智能微纳卫星集群自主协同控制技术总体研究现状智能微纳卫星集群自主协同控制技术总体研究现状 国内外对集群协同控制技术有着不少的研究,文献9对国外无人机集群协同控制技术新发展进行了重要论述,着重梳理了集群协同控制技术在无人机集群中的应用和发展,文
16、献中总结了集群协同控制的三大分类,即集中式、分散式和分布式。在卫星领域研究更多的是集中式和分布式,但是对于成百上千颗微纳卫星组成的群体来说,采用常规的集中式的航天器管理模式来管理数量巨大的集群系统显然是不现实的10 11,而分布式控制系统没有系统控制的中心点,通过相邻个体之间的相互协调完成信息互换,最终完成整体的编队行为,由于没有控制中心,分布式控制系统又具有较高的灵活性,可以动态的改变控制网络的结构。所以对比集中式控制,采用分布式控制策略使得集群系统具有可扩展性、鲁棒性、适应性等优点,随着后来国内外学者从鸟群群集飞行到无人机自主集群编队的概念研究12出现后,人们开始研究基于仿生的微纳卫星集群
17、协同控制13,通过模拟生物群落的群体行为,借鉴生物个体的信息传递方式,构成卫星群体智能系统14 15,结合分布式控制策略,又提出了基于群体智能的自主协同控制技术。基于分布式控制策略下,群体智能系统将微纳卫星星群的每颗卫星看作是一个智能体,具有自主感知、决策和通信交互能力;然后建立基于多智能卫星集群控制组织架构和协商机制,以适应分布式动态场景下星群任务对快速响应能力和资源优化性能要求,满足星群自主认知和自主决策框架的高要求,构建基于群体智能的微纳卫星集群自主协同控制系统。3.智能微纳卫星集群自主协同控制技术概述智能微纳卫星集群自主协同控制技术概述 现有的智能微纳卫星集群自主控制技术中,智能微纳卫
18、星集群控制组织架构采用分布式控制星群集群策略,如图 1 所示,该架构依赖着局部信息交流,产生一种耦合自身状态与相邻成员状态的控制指令,实现对各成员卫星的控制,具有全局的优化性能,同时系统中星群成员增减不会改变运行模式,能够实现对整个星群集群灵活自主控制。Figure 1.Distributed control of satellite swarm 图图 1.分布式控制星群集群策略 智能微纳卫星集群合同网协商机制如图 2 所示,当某单个智能微纳卫星资源不足以完成任务时,此智能微纳卫星作为招标者通过任务发布、标书收集、中标通知和合同建立等流程,完成星群集群合同网协商机制16。该微纳卫星集群自主控制
19、系统,基于多智能微纳卫星集群控制组织架构和协商机制,在集群成员卫星具有自主协同任务规划、决策和自身健康状态监测、管理基础上,通过星间智能信息交互和通信与协同决策,驱动整个集群系统在宏观上呈现协同一致的行为,即智能微纳卫星集群自主控制的成员特征组成群特征,星群的决策通过成员来实现,如图 3 所示。肖金平 等 DOI:10.12677/airr.2023.123026 229 人工智能与机器人研究 Figure 2.Contract network protocol of satellite swarm 图图 2.星群集群合同网协议 Figure 3.Framework diagram of th
20、e autonomous control system for the satellite cluster 图图 3.卫星集群自主控制系统框架图 针对图 3,基于最新组织架构与协商机制的相关研究,本章将对智能微纳卫星集群自主控制中的集群智能信息交互与通信、集群自主协同任务规划与决策、集群构型建立维持与重构技术、智能健康预测与管理四大关键技术作为主要研究内容(见图 4),对各技术分解剖析,构建基础知识体系,以便后期能够更加系统地深入理解和研究智能微纳卫星集群自主控制技术。Figure 4.Autonomous control information flow of cluster cluster
21、s 图图 4.星群集群自主控制信息流 4.智能微纳卫星集群自主协同控制技术四大关键技术智能微纳卫星集群自主协同控制技术四大关键技术 4.1.集群智能信息交互与通信集群智能信息交互与通信 4.1.1.发展现状分析发展现状分析 目前,卫星集群信息交互与通信具有很大的发展潜力,但也存在着一些关键的具有挑战性的问题:肖金平 等 DOI:10.12677/airr.2023.123026 230 人工智能与机器人研究 1)微纳卫星集群是一种成员数量众多、结构复杂的多样化集群,集群中涉及卫星间协同任务时的自主信息交互及通信,其高速信息交互及通信能力将极大影响各卫星协同任务的执行速度,如何利用卫星集群网络形
22、成一个完整的自适应智能信息交互及通信体系,实时准确地自主获取、处理和分发空间信息,提高频谱分配效率,保证通信安全及能量供给等任务成为了值得深入研究的问题。2)各个国家为了利用和占领太空资源,已经发射了很多的卫星和航天器,这些异构节点之间如何组网,相互配合协同通信也成为了当前研究的主要问题17。3)卫星通信系统中一般有两种通信链路。传统的卫星通信系统是采用空间地球链路,由于无线电波要穿过大气层,加之雨衰因素,大容量通信不容易实现。为解决这些问题,国外最早开始引入星间链路(ISL),目前已经得到了较为广泛的应用,涵盖了通信、中继、导航、预警等多种卫星系统,其工作频段也涵盖了 UHF、S、Ku、Ka
23、、V 等频段和激光频段,且在同一星座中存在多种频段兼容共用的特点。到目前为止,无线电 ISL 已经在几个主要的 GNSS 系统中应用或实验。GPS Block IIF 18使用 UHF波段 ISL,并在 6 天的自主操作中提供 180 米的用户范围误差(URE)。欧洲航天局(ESA)已经启动了两个伽利略探索项目,“GNSS+”和“ADVISE”,其中轨道和时钟估计的准确性在 ISL 的支持下达到几厘米的水平19。与射频相比,激光器具有更大的带宽、更高的数据速率和更好的信噪比20,为 ISL 提供了另一种可能性。将激光通信和激光测距相结合的技术已经在空间任务和地面实验中进行了测试。尘埃环境探测器
24、(LADEE)卫星21实现了 622 Mbps 的下行链路和 20 Mbps 的上行链路通信,与地面终端以及小于 1 厘米的距离误差。在Liu等人22进行的地面实验中,激光链路的数据速率达到1 Gbps,测距精度优于0.9 mm。随着国内学者对星间链路(ISL)的深入研究,卫星移动通信系统的依赖于地面网络的程度得以降低,这使得路由选择和网络管理更为灵活方便。同时,地面信关的数量也得以减少,从而显著降低了地面段的复杂度和投资23 24。利用星间链路可以将多颗卫星互联,结合人工智能的应用,建立完全独立于地面系统的智能卫星网络,在扩大系统通信容量的同时,还可以提升整个系统的抗毁性、自主性、机动性和灵
25、活性。现有的星间高低速网协同通信工作流程如图 5 所示。Figure 5.Workflow of cooperative communication for cluster high and low speed networks 图图 5.星群高低速网协同通信工作流程 对比线电 ISL 和激光 ISL 两者的优劣后,结合星间自组网的特点,人们又提出了星间高低速协同通信网络的概念,该网络采用了微纳卫星间自组网和高速激光链路相结合的方式,实现信息共享协同工作。智能微纳卫星集群任务过程中,首先通过自组网实现星间协同信息引导激光器的跟瞄和对准,达到高低肖金平 等 DOI:10.12677/airr.2
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- 智能 卫星 集群 自主 协同 控制 技术 研究
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