【摘要】：現(xiàn)階段微小衛(wèi)星技術(shù)以及衛(wèi)星組網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展,天基資源的規(guī)模呈爆發(fā)式增長,衛(wèi)星應(yīng)用已從單一衛(wèi)星應(yīng)用逐漸發(fā)展為多星組網(wǎng)、衛(wèi)星集群等多星協(xié)同應(yīng)用,衛(wèi)星的使用者也從原來的衛(wèi)星管控管理者,逐漸呈現(xiàn)向普通大眾用戶開放的趨勢。國外有Google、SpaceX、OneWeb等大規(guī)模衛(wèi)星組網(wǎng)計劃,國內(nèi)有天基信息港、天地一體化、天基互聯(lián)網(wǎng)等衛(wèi)星組網(wǎng)計劃的研究�？梢钥闯�,依賴大規(guī)模衛(wèi)星節(jié)點提供的豐富衛(wèi)星能力,完成多星協(xié)同的復(fù)雜空間任務(wù),向普通大眾用戶提供可用的、即時的衛(wèi)星信息服務(wù),成為未來發(fā)展的趨勢。而目前衛(wèi)星管控部門相互獨立,衛(wèi)星的指令、參數(shù)各異,衛(wèi)星任務(wù)相互協(xié)作需要人為干預(yù),顯然無法適應(yīng)未來發(fā)展的需求。因此,本文面向即時觀測信息服務(wù),針對多種類異構(gòu)衛(wèi)星,提出一種面向用戶的天基資源能力虛擬化方法,對多種類異構(gòu)衛(wèi)星進(jìn)行統(tǒng)一抽象描述;在此基礎(chǔ)之上,針對大規(guī)模節(jié)點天基資源,如何滿足眾多普通大眾用戶的個性化需求,提出了多種天基資源預(yù)分配方案,探討當(dāng)天基資源的規(guī)模和種類擴(kuò)大時,如何與用戶需求進(jìn)行匹配。通過這兩部分的研究,希望為未來衛(wèi)星組網(wǎng)應(yīng)用中,對大規(guī)模異構(gòu)天基資源如何理解和使用,進(jìn)行一定的探索。本文內(nèi)容主要分為四部分:第一部分首先分析了未來大規(guī)模衛(wèi)星組網(wǎng)應(yīng)用中,用戶需求及天基資源的特點,針對即時觀測的用戶需求進(jìn)行了分析、分解,歸納了四種服務(wù)能力。然后分析了典型的對地觀測衛(wèi)星的結(jié)構(gòu),總結(jié)了天基資源的類型。相對于地面服務(wù)資源,分析了天基資源的高約束、高動態(tài)等特點。第二部分在天基資源的能力分析基礎(chǔ)上,提出了天基資源能力虛擬化方法。對于多種類異構(gòu)衛(wèi)星,綜合時間、空間、能源、存儲等約束,將天基資源按照時空邏輯,分層抽象虛擬化成面向用戶的服務(wù)能力,建立適用于多種類異構(gòu)衛(wèi)星、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的天基資源虛擬化方法。根據(jù)衛(wèi)星平臺、載荷等參數(shù),設(shè)計了計算模型,將天基資源統(tǒng)一描述為天基資源能力列表形式。同時開展了天基資源虛擬化驗證試驗,針對SAR、高分光學(xué)、寬幅光學(xué)三種觀測載荷,激光、微波通信兩種星間鏈路類型,以及三種星上處理算法,通過開發(fā)板模擬星上設(shè)備,進(jìn)行了虛擬化計算模型的仿真試驗,結(jié)果表明虛擬化方法可以完成多種觀測、處理、傳輸資源的統(tǒng)一描述,算法時效性可以滿足星上實時計算要求。第三部分基于分而治之思想,提出了多種適用于大規(guī)模節(jié)點衛(wèi)星組網(wǎng)的資源預(yù)分配方案。提出了天基資源預(yù)分配的目標(biāo)和原則,針對大規(guī)模衛(wèi)星集群,基于分而治之的思想,按照不同的需求構(gòu)建天基資源集群,設(shè)計了基于應(yīng)用需求、基于衛(wèi)星軌道、基于衛(wèi)星類型、基于衛(wèi)星拓?fù)�、基于資源能力等幾種預(yù)分配方案。設(shè)計了評估指標(biāo),給出了計算系統(tǒng)利用率、任務(wù)完成度等指標(biāo)的計算方法。針對系統(tǒng)規(guī)模、用戶模型、衛(wèi)星資源配置等不同變量,設(shè)計了仿真試驗,為后續(xù)開展仿真試驗提供了技術(shù)基礎(chǔ)。綜上所述,針對大規(guī)模異構(gòu)天基資源組網(wǎng)協(xié)同觀測中,多種類異構(gòu)天基資源統(tǒng)一描述問題,以及大規(guī)模節(jié)點天基資源如何與眾多個性化用戶需求匹配的問題,本文開展了天基資源能力虛擬化及預(yù)分配方法的研究:針對天基資源能力虛擬化方法研究,并選擇具體載荷實例設(shè)計了虛擬化算法,開展了星上驗證試驗,算法時效性可以滿足星上實時計算要求;針對天基資源預(yù)分配方法,分析了預(yù)分配的目標(biāo)及準(zhǔn)則,設(shè)計了相關(guān)的評估指標(biāo),設(shè)計了預(yù)分配方法的驗證試驗。以上研究可以為大規(guī)模節(jié)點衛(wèi)星組網(wǎng)應(yīng)用服務(wù),在天基資源的如何使用上,提供一定的思考和技術(shù)基礎(chǔ)。
【圖文】：

耗時較長、轉(zhuǎn)換頻繁，導(dǎo)致姿態(tài)調(diào)整時間不可忽略。由于衛(wèi)星體積與重量的限制，各類資源可用容量較低，，導(dǎo)致工作模式受限。比如能源余量將影響各項需求任務(wù)和衛(wèi)星常規(guī)任務(wù)的執(zhí)行、衛(wèi)星姿態(tài)對日充電時不能進(jìn)行對地觀測和星地信息的傳輸、對地成像前需要對載荷預(yù)熱和姿態(tài)調(diào)整等開機(jī)前準(zhǔn)備。存儲和能源約束作為星上硬件設(shè)備的強(qiáng)約束，在任何任務(wù)決策、執(zhí)行前都需要對約束條件重新檢查。對于存儲約束，需要根據(jù)任務(wù)執(zhí)行情況動態(tài)計算調(diào)整，例如每次增加任務(wù)時，實時獲取當(dāng)前大容量存儲設(shè)備剩余容量；每個任務(wù)執(zhí)行完畢，檢查任務(wù)執(zhí)行的成功/失敗情況，對存儲容量和存儲的信息進(jìn)行更新操作。對于能源約束，星上所有設(shè)備的所有動作都需要能源的支撐，各個載荷的功耗不同，充電時涉及衛(wèi)星姿態(tài)約束，導(dǎo)致觀測任務(wù)不可執(zhí)行等，需要對能源約束進(jìn)行精確的計算，以保障需求任務(wù)及衛(wèi)星的正常運(yùn)行。存儲、能源變化情況如圖 2.1 所示：

第 3 章 天基資源能力虛擬化方法研究及驗證試驗包括星間微波和激光通訊，在能源與存儲的約束之上，需要綜合星間距離、姿態(tài)調(diào)整機(jī)動時長等因素，最終計算出信息傳輸能力可用時段列表。4. 信息分發(fā)能力：受能源與存儲約束，根據(jù)衛(wèi)星軌道計算星地可見時間段，綜合衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整機(jī)動時長的計算，得到星地信息分發(fā)能力可用時段列表。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：V474

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4 張乃千 章

本文編號：2701174