付偉達(dá) 汪忠輝 蘇晨光 何昌遠(yuǎn) 張皓 滕揚(yáng) 黃繁榮 常藍(lán)天 施思寒

(1 航天東方紅衛(wèi)星有限公司,北京 100094)(2 北京航空航天大學(xué),北京 100191) (3 中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心,北京 100094)

在自然界中,很多生物可以組成一些具有自組織特性的集群,如蟻群、蜂群、魚(yú)群和鳥(niǎo)群等[1-2],以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)途遷徙、逃避捕食者等單個(gè)個(gè)體難以完成的任務(wù)。

近年來(lái),借鑒自然界生物集群自組織特性,航天器集群項(xiàng)目逐漸發(fā)展起來(lái),通過(guò)星群成員之間協(xié)同運(yùn)動(dòng)與共同合作控制,完成整體任務(wù)目標(biāo)。

微納衛(wèi)星集群是一種以微納衛(wèi)星為核心的新型空間體系架構(gòu),其中多個(gè)可進(jìn)行信息交互的成員衛(wèi)星相互協(xié)作,具有特定空間構(gòu)型,共同承擔(dān)信號(hào)處理、通信、有效載荷等任務(wù)。微納衛(wèi)星集群控制已逐漸發(fā)展成為各航天大國(guó)研究熱點(diǎn)方向,典型項(xiàng)目有自主納技術(shù)集群計(jì)劃(ANTS)[3]、拉格朗日點(diǎn)太空天氣預(yù)報(bào)集群(L5SWS)、微納衛(wèi)星空間自主集群和定位任務(wù)(SAMSON)和愛(ài)迪生小衛(wèi)星驗(yàn)證(EDSN)等。面對(duì)日益復(fù)雜空間環(huán)境和任務(wù)實(shí)時(shí)性需求,依靠傳統(tǒng)地面逐一控制單星模式難以完成對(duì)星群的有效管理,不能有效發(fā)揮星群的效能[4],本文提出了星群集群自主控制組織框架和協(xié)商機(jī)制,研究了基于群體智能的微納衛(wèi)星集群自主控制系統(tǒng),解決星群在復(fù)雜空間環(huán)境下自主性和整體任務(wù)效能問(wèn)題。

1 微納衛(wèi)星集群組織架構(gòu)和協(xié)商機(jī)制

目前關(guān)于集群控制理論研究主要集中于多智能體系統(tǒng),通過(guò)模擬生物群落的群體行為,借鑒生物個(gè)體的信息傳遞方式,構(gòu)成群體智能系統(tǒng)[5]。星群集群控制系統(tǒng)首先將星群的每顆衛(wèi)星看作是一個(gè)智能體(Agent),具有一定感知、決策和通信交互能力;然后建立基于多Agent衛(wèi)星集群控制組織架構(gòu)和協(xié)商機(jī)制,構(gòu)建基于群體智能的微納衛(wèi)星集群自主控制系統(tǒng)。

1.1 星群集群群體智能性

國(guó)內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)生物群體中每一個(gè)成員行為與它們所處的群體關(guān)系密切,個(gè)體的行為不是某一個(gè)作為領(lǐng)導(dǎo)的指揮者決定的,而是基于其相鄰個(gè)體行為得到的。將這個(gè)思路應(yīng)用到分布式集群控制,本文采用基于群體智能的控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)星群自主控制,即把整個(gè)微納星群系統(tǒng)抽象成一個(gè)多智能體系統(tǒng)(Multi-Agent System, MAS),星群成員衛(wèi)星都視作具有獨(dú)立性、自主性的智能體衛(wèi)星,通過(guò)星群間的自主信息交互與協(xié)同決策,驅(qū)動(dòng)整個(gè)星群系統(tǒng)在宏觀(guān)上呈現(xiàn)協(xié)同一致的行為,使其具備群體智能性,共同完成空間任務(wù)。

1.2 星群集群控制組織架構(gòu)

生物群體中不存在中心節(jié)點(diǎn),個(gè)體遵循簡(jiǎn)單的行為規(guī)則,僅具備局部的感知、規(guī)劃和通信能力,通過(guò)與環(huán)境和鄰近伙伴進(jìn)行信息交互從而適時(shí)地改變自身的行為模式以適應(yīng)動(dòng)態(tài)環(huán)境,具有組織結(jié)構(gòu)分布式特點(diǎn)[6]。本文星群集群控制組織架構(gòu)采用分布式控制策略,依賴(lài)著局部信息交流,產(chǎn)生一種耦合自身狀態(tài)與相鄰成員狀態(tài)的控制指令,實(shí)現(xiàn)對(duì)各成員衛(wèi)星的控制,具有全局的優(yōu)化性能,同時(shí)系統(tǒng)中星群成員增減不會(huì)改變運(yùn)行模式,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)整個(gè)星群集群靈活自主控制,如圖1所示。

圖1 分布式控制星群集群策略Fig.1 Distributed control of satellite swarm

1.3 星群集群控制協(xié)商機(jī)制

星群集群控制協(xié)商機(jī)制既要求任務(wù)協(xié)同求解,又注重實(shí)時(shí)任務(wù)處理,是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。本文星群集群控制采用多Agent成員衛(wèi)星協(xié)商機(jī)制,其具有資源共享、協(xié)調(diào)性好、分布性高、自主性強(qiáng)的特點(diǎn),協(xié)商機(jī)制主要有4種:組織結(jié)構(gòu)協(xié)商、基于承諾和約定的協(xié)商、結(jié)果共享模型和社會(huì)規(guī)范協(xié)商、合同網(wǎng)協(xié)議等[7]。其中基于合同網(wǎng)協(xié)議的協(xié)商機(jī)制簡(jiǎn)單、執(zhí)行效率高,已經(jīng)成為飛行器集群任務(wù)分配中應(yīng)用最為廣泛的方法[8]。合同網(wǎng)協(xié)商機(jī)制類(lèi)似于現(xiàn)實(shí)生活中談判過(guò)程,可以通過(guò)基于A(yíng)gent衛(wèi)星交互的招投標(biāo)工作來(lái)進(jìn)行相關(guān)任務(wù)的處理[9]。合同網(wǎng)協(xié)議的運(yùn)行模式能夠適用于多智能體系統(tǒng)(MAS),智能衛(wèi)星的智能性與交互性使得合同網(wǎng)機(jī)制在MAS中體現(xiàn)出巨大優(yōu)勢(shì)。本文星群合同網(wǎng)協(xié)議主要過(guò)程如下:當(dāng)某Agent衛(wèi)星資源不足以完成任務(wù)時(shí),此Agent作為招標(biāo)者通過(guò)任務(wù)發(fā)布、標(biāo)書(shū)收集、中標(biāo)通知和合同建立等流程,完成星群集群合同網(wǎng)協(xié)商機(jī)制,如圖2所示。

圖2 星群集群合同網(wǎng)協(xié)議Fig.2 Contract network protocol of satellite swarm

2 微納衛(wèi)星集群自主控制系統(tǒng)

如前文所述,星群成員數(shù)量多,如地面逐一進(jìn)行單星控制,與有限的地面測(cè)控資源之間存在巨大矛盾,決定了微納星群必然朝著基于群體智能的自主控制方向發(fā)展。集群自主控制是在星群成員衛(wèi)星具有一定認(rèn)知、決策和自身健康狀態(tài)管理基礎(chǔ)上,通過(guò)星間網(wǎng)絡(luò)信息交互與協(xié)同決策,驅(qū)動(dòng)整個(gè)星群系統(tǒng)在宏觀(guān)上呈現(xiàn)協(xié)同一致的行為,即星群集群自主控制的成員特征組成群特征,星群的決策通過(guò)成員來(lái)實(shí)現(xiàn),如圖3所示。

圖3 星群集群自主控制系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of micro-nano satellite swarm autonomous control

針對(duì)圖3分析,本文總結(jié)出集群自主控制主要包括星群自主認(rèn)知和自主決策技術(shù)、構(gòu)型建立維持與重構(gòu)技術(shù)和星間高低速協(xié)同通信技術(shù)等主要研究?jī)?nèi)容(見(jiàn)圖4),具體如下。

(1)星群自主認(rèn)知與自主決策技術(shù):星群自主感知融合生成任務(wù)態(tài)勢(shì);采用基于交互協(xié)商的分布式協(xié)同任務(wù)規(guī)劃方法,星群具有自主決策能力;不同功能的衛(wèi)星自主執(zhí)行協(xié)同實(shí)施行動(dòng),由單星單打獨(dú)斗到星群聯(lián)合工作方式的轉(zhuǎn)變,實(shí)現(xiàn)星群系統(tǒng)的智能涌現(xiàn)。

(2)星群構(gòu)型建立維持與重構(gòu)技術(shù):星群在非任務(wù)期間處于類(lèi)似蜂群、鳥(niǎo)群松散編隊(duì)狀態(tài),在低能耗不碰撞的條件下飛行;在任務(wù)期間構(gòu)型能夠快速建立與維持,完成群整體行為和個(gè)體成員行為的進(jìn)行控制。同時(shí),利用星群測(cè)量信息冗余關(guān)系,進(jìn)行星群故障診斷,識(shí)別故障衛(wèi)星,完成星群構(gòu)型重構(gòu)。

(3)星群星間高低速協(xié)同通信技術(shù):星群采用全向無(wú)中心自組網(wǎng)通信、定向高速激光通信構(gòu)建星間高低速協(xié)同通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),通過(guò)全向低速自組網(wǎng)提供傳輸位置信息引導(dǎo)高速激光鏈路協(xié)同傳輸,完成星群低速協(xié)同控制信息和高速載荷數(shù)據(jù)協(xié)同傳輸。

圖4 星群集群自主控制信息流Fig.4 Micro-nano satellite swarm autonomous control information flow

2.1 星群自主認(rèn)知和自主決策技術(shù)

微納衛(wèi)星星群成員眾多,相互之間距離很近,實(shí)時(shí)性要求高,需要微納星群具備自主認(rèn)知和自主決策能力。微納星群自主認(rèn)知和自主決策中面臨目標(biāo)非合作特性、任務(wù)規(guī)劃時(shí)效性強(qiáng)、星上計(jì)算資源受限、規(guī)劃要素多樣且復(fù)雜等難點(diǎn),對(duì)星群自主認(rèn)知和自主決策框架提出較高的要求,為此,本文構(gòu)建基于群體智能的分布式協(xié)同框架,提出基于合同網(wǎng)的任務(wù)協(xié)商與分配方式,以適應(yīng)分布式動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下星群任務(wù)對(duì)快速響應(yīng)能力和資源優(yōu)化性能要求。

微納星群自主認(rèn)知和自主決策問(wèn)題可分解為星群任務(wù)可調(diào)度性預(yù)測(cè)、任務(wù)協(xié)商與分配和星群成員方案優(yōu)化等內(nèi)容,研究框架如圖5所示。本文星群任務(wù)可調(diào)度性預(yù)測(cè)主要利用星群任務(wù)規(guī)劃經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),將歷史規(guī)劃結(jié)果看作訓(xùn)練數(shù)據(jù),通過(guò)構(gòu)建機(jī)器學(xué)習(xí)模型,準(zhǔn)確預(yù)測(cè)當(dāng)前規(guī)劃方案,完成對(duì)星群任務(wù)規(guī)劃;任務(wù)協(xié)商與分配則采用基于市場(chǎng)機(jī)制設(shè)計(jì)的合同網(wǎng)協(xié)議,將蟻群算法、粒子群算法、遺傳算法等[10]智能優(yōu)化技術(shù)引入合同網(wǎng)招標(biāo)、投標(biāo)和評(píng)標(biāo)過(guò)程,利用歷史任務(wù)分配結(jié)果加速星群協(xié)商效率;成員衛(wèi)星方案優(yōu)化則是在單星層面根據(jù)資源和任務(wù)等約束下對(duì)分配的任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,包括衛(wèi)星動(dòng)作優(yōu)化、軌跡優(yōu)化、載荷執(zhí)行等方面。

圖5 星群自主認(rèn)知和自主決策研究框架Fig.5 Research framework for satellite swarm autonomous cognition and autonomous decision

2.2 星群構(gòu)型建立維持與重構(gòu)技術(shù)

微納星群構(gòu)型通過(guò)控制微納星群的各成員衛(wèi)星,完成構(gòu)型建立、維持以及重構(gòu),同時(shí)在星群操作的過(guò)程中防止出現(xiàn)碰撞,需要研究星群在一個(gè)均衡的前提下,實(shí)現(xiàn)構(gòu)型最優(yōu)的性能指標(biāo)。因此,本文提出采用合作博弈優(yōu)化的理論使星群內(nèi)各成員衛(wèi)星的資源消耗達(dá)到均衡,不出現(xiàn)某顆成員衛(wèi)星過(guò)度消耗資源(燃料、能源等)情況,使整個(gè)星群實(shí)現(xiàn)構(gòu)型最優(yōu)的性能指標(biāo)。博弈論又稱(chēng)對(duì)策論,是一種使用嚴(yán)謹(jǐn)數(shù)學(xué)模型來(lái)解決現(xiàn)實(shí)世界中的利害沖突的理論,是建立在對(duì)方也采取各自“最好策略”的前提下,各方最終達(dá)到一個(gè)力量均衡。星群內(nèi)的所有成員衛(wèi)星都是博弈的成員,星群內(nèi)某個(gè)成員衛(wèi)星可能的行動(dòng)方案為策略,局中人的策略全體形成策略集,通過(guò)采用博弈論達(dá)到星群最優(yōu)構(gòu)型。

本文根據(jù)星群相對(duì)運(yùn)動(dòng)方程確定星群集群構(gòu)型,對(duì)星群集群重構(gòu)、保持控制問(wèn)題進(jìn)行問(wèn)題建模,設(shè)計(jì)控制算法:根據(jù)星群常用集群構(gòu)型設(shè)計(jì)構(gòu)型重構(gòu)算法,針對(duì)星群設(shè)計(jì)軌道保持算法,利用相對(duì)軌道要素取交集方式設(shè)計(jì)軌道控制,利用博弈論建立求解方程,通過(guò)數(shù)學(xué)工具計(jì)算星群各成員衛(wèi)星的均衡解,完成星群構(gòu)型建立維持與重構(gòu)控制[11],如圖6所示。

圖6 星群構(gòu)型建立維持與重構(gòu)技術(shù)Fig.6 Satellite swarm establishment maintenance and reconstruction

2.3 星群星間高低速協(xié)同通信技術(shù)

微納星群集群需要傳輸成員衛(wèi)星低速的遙測(cè)、遙控、協(xié)同信息(任務(wù)序列、導(dǎo)航點(diǎn)序列)和高速的載荷數(shù)據(jù),對(duì)星間傳輸鏈路提出了低速全覆蓋和高速精準(zhǔn)傳輸?shù)男枨?。因?本文星間高低速協(xié)同通信網(wǎng)絡(luò)采用了星間自組網(wǎng)和高速激光鏈路相結(jié)合的方式,實(shí)現(xiàn)信息共享協(xié)同工作。星群集群任務(wù)過(guò)程中,首先通過(guò)自組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)星間協(xié)同信息引導(dǎo)激光器的跟瞄和對(duì)準(zhǔn),達(dá)到高低速協(xié)同通信的目的,星間高低速網(wǎng)協(xié)同通信工作流程如圖7所示。

其中,本文的全向星間自組網(wǎng)包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[12],具備服務(wù)質(zhì)量(QoS)功能,保證了信息的高可靠的傳輸,主要完成低速遙測(cè)、遙控、協(xié)同信息的全向傳輸,如圖8所示;星群配置的小型化、高帶寬的星間激光鏈路則完成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)定向的大數(shù)據(jù)量載荷數(shù)據(jù)傳輸。

圖7 星群高低速網(wǎng)協(xié)同通信工作流程Fig.7 Satellite swarm high and low rate cooperative communication process

圖8 星群自組網(wǎng)協(xié)議Fig.8 AD Hoc network protocol of satellite swarm

3 微納衛(wèi)星集群控制場(chǎng)景仿真

本文設(shè)計(jì)了綜合遙感微納星群典型應(yīng)用場(chǎng)景,星群的10顆成員衛(wèi)星主要配備可見(jiàn)光、高光譜、合成孔徑雷達(dá)(SAR)、紅外、微光相機(jī)等5種載荷,組成特定構(gòu)型的星群集群,獲取融合的目標(biāo)特征,實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)發(fā)現(xiàn)、識(shí)別、確認(rèn)后,進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)連續(xù)多維成像,感知目標(biāo)的特征變化。根據(jù)任務(wù)需求,星群控制要求軌道誤差小于20m、網(wǎng)絡(luò)通信建立與重構(gòu)時(shí)間小于5s?？梢钥闯?上述星群若采用地面單星控制,星地測(cè)控鏈路單條指令閉環(huán)時(shí)間約10s,地面管控不能滿(mǎn)足星群實(shí)時(shí)性指標(biāo)且工作量巨大,因此,只能依靠星群集群自主運(yùn)行控制技術(shù),完成星群集群控制。為此本文構(gòu)建了仿真系統(tǒng),驗(yàn)證微納衛(wèi)星集群自主控制可行性,如圖9所示。

仿真過(guò)程中,10顆微納星群搭載運(yùn)載發(fā)射入軌,星群入軌后采用自主控制防碰撞,星群軌道由松散狀態(tài)到建立初步構(gòu)型三維軌跡如圖10所示。

經(jīng)10天仿真測(cè)試可得:星群自主單次維持控制量小于0.5m/s(見(jiàn)圖11(a)),長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定,自主控制滿(mǎn)足任務(wù)需求;星群成員軌道控制誤差小于20m(見(jiàn)圖11(b));當(dāng)星群成員衛(wèi)星出現(xiàn)故障后,星群自主完成構(gòu)型重構(gòu)(見(jiàn)圖11(c));星群網(wǎng)絡(luò)通信建立與重構(gòu)時(shí)間0.8～4.6s,星群網(wǎng)絡(luò)通信成員衛(wèi)星的自主動(dòng)態(tài)接入、退出功能正確(見(jiàn)圖11(d))。綜上所述,星群集群自主控制功能正確,滿(mǎn)足任務(wù)指標(biāo)需求,驗(yàn)證了微納衛(wèi)星集群自主控制的可行性和正確性。

圖9 微納衛(wèi)星集群自主控制仿真軟件Fig.9 Simulation software for micro-nano satellite swarm autonomous control

圖10 星群構(gòu)型建立三維軌跡Fig.10 Three-dimensional trajectories of satellite swarm configuration

圖11 星群集群自主控制仿真Fig.11 Simulation of satellite swarm autonomous control

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)星群運(yùn)行效能和地面無(wú)法單顆逐一管理單星的需求,研究了基于群體智能的微納衛(wèi)星集群自主控制系統(tǒng),驗(yàn)證了微納衛(wèi)星集群自主控制能力,為推動(dòng)微納衛(wèi)星集群在軌應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。未來(lái),以基于群體智能微納星群自主控制為研究基礎(chǔ),進(jìn)一步發(fā)展微納集群星上產(chǎn)品、軟件、算法和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,開(kāi)展星地端云協(xié)同集群應(yīng)用系統(tǒng)研究,是拓展微納星群在軌應(yīng)用創(chuàng)新的有效途徑,能夠滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的航天復(fù)雜任務(wù)需求,對(duì)提升我國(guó)航天裝備能力具有一定意義。