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基于有限域线性群的卫星集群能力与认知模型构建及在轨验证

李英玉 杨宇轩 刘红林 金金 赵通 王广钰 杨震 孟新

李英玉, 杨宇轩, 刘红林, 金金, 赵通, 王广钰, 杨震, 孟新. 基于有限域线性群的卫星集群能力与认知模型构建及在轨验证[J]. 空间科学学报. doi: 10.11728/cjss2025.06.2024-0120
引用本文: 李英玉, 杨宇轩, 刘红林, 金金, 赵通, 王广钰, 杨震, 孟新. 基于有限域线性群的卫星集群能力与认知模型构建及在轨验证[J]. 空间科学学报. doi: 10.11728/cjss2025.06.2024-0120
LI Yingyu, YANG Yuxuan, LIU Honglin, JIN Jin, ZHAO Tong, WANG Guangyu, YANG Zhen, MENG Xin. Task-driven Satellite Cluster Self-organization Method Based on Linear Groups in Finite Fields (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2025, 45(6): 1552-1569 doi: 10.11728/cjss2025.06.2024-0120
Citation: LI Yingyu, YANG Yuxuan, LIU Honglin, JIN Jin, ZHAO Tong, WANG Guangyu, YANG Zhen, MENG Xin. Task-driven Satellite Cluster Self-organization Method Based on Linear Groups in Finite Fields (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2025, 45(6): 1552-1569 doi: 10.11728/cjss2025.06.2024-0120

基于有限域线性群的卫星集群能力与认知模型构建及在轨验证

doi: 10.11728/cjss2025.06.2024-0120 cstr: 32142.14.cjss.2024-0120
基金项目: 中国科学院重点部署项目资助(CX2020-01-02-13)
详细信息
    作者简介:
    • 李英玉 女, 1976年11月出生于河北省迁安市, 现为中国科学院国家空间科学中心副研究员, 硕士生导师, 主要研究方向为空间信息组织、复杂系统仿真等. E-mail: gsr0309@163.com
    通讯作者:
    • 孟新 男, 1965年生于新疆, 达斡尔族, 祖籍内蒙古自治区呼伦贝尔莫力达瓦达斡尔自治旗. 研究员, 博士生导师. 研究领域为空间任务仿真与分析评估技术、空间信息处理与摸拟技术、卫星组网技术、航天任务地面系统技术. E-mail: sushi@cust.edu.cn
  • 中图分类号: V524

Task-driven Satellite Cluster Self-organization Method Based on Linear Groups in Finite Fields

  • 摘要: 提出一种基于有限域线性群的卫星集群能力与认知模型构建方法, 并基于该模型研究了能力视图、自主任务分配算法和发布订购机制, 进行在轨验证. 引入有限域与线性群的代数理论, 构建卫星智能体的能力模型, 为后续任务分配提供建模方法和逻辑依据, 基于能力与认知模型, 构建基于能力与认知模型的卫星集群能力视图, 为用户提供直观的能力显示和交互手段, 便于资源订购和管理; 设计基于能力与认知模型的卫星集群自主任务分配算法, 综合考虑智能体自身能力、邻居影响和任务驱动因素, 实现任务需求的自主匹配与决策, 确保卫星智能体能够合理分配卫星资源; 构建卫星集群发布订购机制, 实现卫星资源与用户需求的精准对接; 进行了卫星集群发布订购服务流程的在轨验证实验, 实现卫星资源能力构建、自主任务分配算法及能力视图发布订购服务流程, 星地即时能力订购响应时间(带天地链路通信时间)为 31s, 验证了能力及认知模型的可行性和有效性, 为其实际应用提供了依据.

     

  • 图  1  能力视图的发布及订购

    Figure  1.  Publication and subscription of capability views

    图  2  采用类似热力图的形式显示卫星能力

    Figure  2.  Display satellite capabilities in a form similar to a heat map

    图  3  传输能力视图

    Figure  3.  Transmission capability view

    图  4  不同优先级用户的能力视图

    Figure  4.  Schematic diagram of capability views for users of different priorities

    图  5  卫星集群自主任务分配算法流程

    Figure  5.  Flowchart of satellite cluster autonomous task allocation algorithm

    图  6  发布订购机制总体流程

    Figure  6.  Overall process of the publish-subscribe mechanism

    图  7  资源约束检查及订购方案计算

    Figure  7.  Resource constraint check and subscription scheme calculation.

    图  8  终端能力视图发布过程

    Figure  8.  Terminal capability view publishing process

    图  9  用户终端能力订购流程

    Figure  9.  User terminal capability subscription process

    表  1  能力数据结构层次

    Table  1.   Capability data structure hierarchy

    数据层次 描述
    设备属性层  描述单个卫星的基础属性, 如轨道状态和位置
    卫星能力层  反映单个卫星的具体能力指标
    集群能力层  综合多个卫星的能力, 提供整体能力视图
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    表  2  在轨实验硬件环境

    Table  2.   On orbit experiment hardware environment

    类别 参数
    CPU Cortex-A9双核, 主频800 MHz;
    QSPI FLASH 2片, 单片64 MB
    PS DDR3 512 MB, 16 bit
    SD 4 GB
    SATA 1路, 单SSD容量1 TBety
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    表  3  在轨实验软件环境

    Table  3.   On orbit experiment software environment

    类别 参数
    芯片型号 Xilinx-zynq 7045
    操作系统 PetaLinux v2015.4
    中间件 zmq (ZeroMQ 4.2.1), czmq
    数据库 sqlite3
    SDK SDK: Xilinx SDK 2015.4
    日志库 log4 cplus, 1.2.1-rc1
    开发语言 C++
    开发环境 Xilinx Software Development Kit
    Release Version: 2015.4
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    表  4  在轨实验时间指标

    Table  4.   On orbit experiment time evaluation index

    类别 参数
    基础计算时间 78.995 s
    能力发布时间 单颗卫星, 4个覆盖条带, <1 s
    能力视图约束检查时间 <1 s
    在轨冲突决策时间 单星两个任务(观测、处理) 9 ms
    规划方案数据帧生成时间 <3 s
    能力订购响应时间
    (带天地链路通信时间)
    31 s
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    表  5  在轨试验遥测参数

    Table  5.   On orbit experiment telemetry parameters

    英文名 中文名 物理量 源码(16进制)
    RW10 当前任务状态 0000 0000
    RW11 下一任务类型 1 a (Sar观测-处理) 1 a
    RW12 下一任务来源 Aa(星上) aa
    RW13 下一任务执行星 C2(A星) C2
    RW14 下一任务编号 11 000b
    RW15 下一任务起始时间 2021-06-22 15:26:12.0000 11d25f14
    RW16 下一任务时长 11 0000000b
    RW17 当前任务编号 0 00000000
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-09-27
  • 修回日期:  2025-08-06
  • 网络出版日期:  2025-08-18

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