专利名称：一种集群飞行模块航天器系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种航天器系统，特别涉及一种集群飞行模块航天器系统及其控制方法。
背景技术：
随着空间科学技术的发展，尤其是卫星在军事侦查、通讯导航、天气预报、资源探测、科学考察等方面的突出贡献，卫星的种类越来多，应用越来越广泛。但是现在的卫星结构复杂，造价昂贵，一旦发生故障或者寿命到期，无法正常工作，整个航天器系统就全部报废，而没有故障的仪器与零部件未得到充分利用。因此就出现了，为了降低风险增加冗余度，成本提高，发生故障后损失变大的恶性循环。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前航天器系统一旦发生故障或者寿命到期，无法正常工作，整个航天器系统就全部报废损失大的问题，本发明提供一种集群飞行模块航天器系统及其控制方法。本发明的一种集群飞行模块航天器系统，它包括M个服务模块航天器和N个任务模块航天器，M、N均为正整数；所述服务模块航天器是指能源供给模块航天器、数据处理模块航天器、遥测控与数据传输模块航天器和集群控制模块航天器；M个服务模块航天器中有m个能源供给模块航天器、η个数据处理模块航天器、χ个遥测控与数据传输模块航天器和I个集群控制模块航天器的集合;m，n, x, y均为正整数，M=m+n+x+y ；能源供给模块航天器，用于收集能源，并为所述集群飞行模块航天器系统的各模块航天器提供能源；数据处理模块航天器，用于接收处理所述集群飞行模块航天器系统的各模块航天器的状态数据及任务数据，并进行在轨图像生成和信息提取；遥测控与数据传输模块航天器，用于接收地面站或中继卫星的指令，并将指令发送给集群飞行模块航天器系统的各模块航天器，同时将数据处理模块航天器处理后的数据、图像及信息传送至地面站或中继卫星；集群控制模块航天器，用于测量集群飞行模块航天器系统的各模块航天器之间的相对位置，还用于控制集群飞行模块航天器系统的各模块航天器的相对位置；任务模块航天器，用于对地面遥感数据获取、电子侦查和空间探测。基于上述一种集群飞行模块航天器系统的控制方法，它包括如下步骤:根据待完成的任务选择N个任务模块航天器和M个服务模块航天器的步骤；当运载器将N个任务模块航天器和M个服务模块航天器发射到指定轨道时，所述模块航天器和运载器分离的步骤；
控制M个服务模块航天器中的K个服务模块航天器与N个任务模块航天器配对，并利用L个集群控制模块航天器采用轨道控制方法调整集群飞行模块航天器系统中的各模块航天器的相对位置的步骤，L〈K ；所述配对原则为:至少四个服务模块航天器与一个或多个任务模块航天器配对，所述4个服务模块航天器包括I个能源供给模块航天器、I个数据处理模块航天器、I个遥测控与数据传输模块航天器和I个集群控制模块航天器；对N个服务模块航天器进行通讯链接、能量传输和星载仪器参数初始化，按照预定的构形调整各个模块航天器的轨道和姿态，启动任务模块航天器开始工作的步骤；对所述集群飞行模块航天器系统进行实时监控的步骤。所述集群飞行模块航天器系统的各模块航天器均设置备份模块航天器，所述系统的控制方法包括如下步骤:根据待完成的任务选择N个任务模块航天器和M个服务模块航天器的步骤；当运载器将N个任务模块航天器和M个服务模块航天器发射到指定轨道时，所述模块航天器和运载器分离的步骤；控制M个服务模块航天器中的K个服务模块航天器与N个任务模块航天器配对，并利用L个集群控制模块航天器采用传统的轨道控制方法调整集群飞行模块航天器系统中的各模块航天器的相对位置的步骤，L〈K ；所述配对原则为:至少四个服务模块航天器与一个或多个任务模块航天器配对，所述4个服务模块航天器包括I个能源供给模块航天器、I个数据处理模块航天器、I个遥测控与数据传输模块航天器和I个集群控制模块航天器；对N个服务模块航天器进行通讯链接、能量传输和星载仪器参数初始化，按照预定的构形调整各个模块航天器的轨道和姿态，启动任务模块航天器开始工作的步骤；对所述集群飞行模块航天器系统进行实时监控的步骤；当监控到所述集群飞行模块航天器系统的某个模块航天器失效时，启动失效的模块航天器相应的备份模块航天器替换失效的模块航天器进行工作的步骤。本发明的优点在于，由若干个服务模块航天器和若干个任务模块航天器组成，根据任务的需要自由组配服务模块和任务模块，从而实现功能多样化，快速响应。由于模块航天器之间无物理连接，当模块航天器故障或者需要提升性能时，可以独立发射和替换单个模块航天器，同时其他模块航天器继续使用，从而降低了卫星的成本，提高元器件的利用率，也减少了太空垃圾。将服务模块航天器和任务模块航天器分开，有利于卫星产业的商业化和国际化。对于卫星运营商，可以根据不用的客户需求，选择不同性能的任务模块航天器进入集群工作。
图1为本发明所述的一种集群飞行模块航天器系统的结构示意图。图2为本发明所述的一种集群飞行模块航天器系统的实施例的结构示意图。图3为本发明所述的一种集群飞行模块航天器系统的实施例中用备份的模块航天器替换故障模块航天器的结构示意图。图4为本发明所述的一种集群飞行模块航天器系统的实施例中更新任务模块航天器的结构示意图。图5为本发明所述的一种集群飞行模块航天器系统的实施例中根据任务增加服务模块航天器的数量的结构示意图。图6为本发明所述的一种集群飞行模块航天器系统的实施例中分成四个集群的结构示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一:本实施方式所述的一种集群飞行模块航天器系统，它包括M个服务模块航天器和N个任务模块航天器，M、N均为正整数；所述服务模块航天器是指能源供给模块航天器、数据处理模块航天器、遥测控与数据传输模块航天器和集群控制模块航天器；M个服务模块航天器中有m个能源供给模块航天器、η个数据处理模块航天器、χ个遥测控与数据传输模块航天器和I个集群控制模块航天器的集合;m，η, x, y均为正整数，M=m+n+x+y ；能源供给模块航天器，用于收集能源，并为所述集群飞行模块航天器系统的各模块航天器提供能源；数据处理模块航天器，用于接收处理所述集群飞行模块航天器系统的各模块航天器的状态数据及任务数据，并进行在轨图像生成和信息提取；遥测控与数据传输模块航天器，用于接收地面站或中继卫星的指令，并将指令发送给集群飞行模块航天器系统的各模块航天器，同时将数据处理模块航天器处理后的数据、图像及信息传送至地面站或中继卫星；集群控制模块航天器，用于测量集群飞行模块航天器系统的各模块航天器之间的相对位置，还用于控制集群飞行模块航天器系统的各模块航天器的相对位置；任务模块航天器，用于对地面遥感数据获取、电子侦查和空间探测。对于航天技术相对薄弱的国家和地区，可以根据本国国情研发任务模块航天器，租用在轨飞行的服务模块。
具体实施方式
二:本实施方式是对具体实施方式
一所述的一种集群飞行模块航天器系统的进一步限定，所述任务模块航天器为光学载荷模块航天器或电子侦察载荷模块航天器或雷达载荷模块航天器；光学载荷模块航天器，用于对地面进行拍照，获得地面图像数据；电子侦察载荷模块航天器，用于收集电磁波信息，对目标进行侦查、监视和跟踪；雷达载荷模块航天器，用于发射和接收雷达电磁波，获得地球的地物信息，具备全天候全天时获取信息的能力。
具体实施方式
三:本实施方式是对具体实施方式
一所述的一种集群飞行模块航天器系统的进一步限定，所述能源供给模块航天器为所述集群飞行模块航天器系统提供能源方式包括聚束太阳能、微波能或激光能。
具体实施方式
四:本实施方式是对具体实施方式
一或二所述的一种集群飞行模块航天器系统的进一步限定，所述各模块航天器均采用统一的标准和协议，均采用近距离自由飞行的形式，通过无线链路进行信息和能量的交互。
服务模块航天器和任务模块航天器的多个模块航天器在轨飞行过程中没有物理连接，采用近距离自由飞行的形式，通过无线链路进行信息和能量的交互。
具体实施方式
五:本实施方式是对具体实施方式
一或二所述的一种集群飞行模块航天器系统的进一步限定，所述各模块航天器均设置备份模块航天器。
具体实施方式
六:本实施方式是对具体实施方式
一所述的一种集群飞行模块航天器系统的控制方法的进一步限定，它包括如下步骤:根据待完成的任务选择N个任务模块航天器和M个服务模块航天器的步骤；当运载器将N个任务模块航天器和M个服务模块航天器发射到指定轨道时，所述模块航天器和运载器分离的步骤；控制M个服务模块航天器中的K个服务模块航天器与N个任务模块航天器配对，并利用L个集群控制模块航天器采用轨道控制方法调整集群飞行模块航天器系统中的各模块航天器的相对位置的步骤，L〈K ；所述配对原则为:至少四个服务模块航天器与一个或多个任务模块航天器配对，所述4个服务模块航天器包括I个能源供给模块航天器、I个数据处理模块航天器、I个遥测控与数据传输模块航天器和I个集群控制模块航天器；对N个服务模块航天器进行通讯链接、能量传输和星载仪器参数初始化，按照预定的构形调整各个模块航天器的轨道和姿态，启动任务模块航天器开始工作的步骤；对所述集群飞行模块航天器系统进行实时监控的步骤。本实施方式可以采用现有轨道控制方法实现调整集群飞行模块航天器系统中的各模块航天器的相对位置。根据任务的具体需求，将一个大型集群分散成为若干小型集群，独立实现功能或组成编队和星座实现整体的功能扩展，还可以把若干小型集群集结成一个大型集群，共同完成单个小型集群不能完成的功能，每个小型集群都有一个集群控制模块航天器控制。
具体实施方式
七:本实施方式是对具体实施方式
五所述的一种集群飞行模块航天器系统的控制方法的进一步限定，它还包括如下步骤:根据待完成的任务选择N个任务模块航天器和M个服务模块航天器的步骤；当运载器将N个任务模块航天器和M个服务模块航天器发射到指定轨道时，所述模块航天器和运载器分离的步骤；控制M个服务模块航天器中的K个服务模块航天器与N个任务模块航天器配对，并利用L个集群控制模块航天器采用轨道控制方法调整集群飞行模块航天器系统中的各模块航天器的相对位置的步骤，L〈K ；所述配对原则为:至少四个服务模块航天器与一个或多个任务模块航天器配对，所述4个服务模块航天器包括I个能源供给模块航天器、I个数据处理模块航天器、I个遥测控与数据传输模块航天器和I个集群控制模块航天器；对N个服务模块航天器进行通讯链接、能量传输和星载仪器参数初始化，按照预定的构形调整各个模块航天器的轨道和姿态，启动任务模块航天器开始工作的步骤；对所述集群飞行模块航天器系统进行实时监控的步骤；当监控到所述集群飞行模块航天器系统的某个模块航天器失效时，启动失效的模块航天器相应的备份模块航天器替换失效的模块航天器进行工作的步骤。
若发现某个部件故障，导致整个模块失效，则启动系统中的备份模块，交换故障模块和备份模块的位置，调整备份模块的姿态，使其取代原模块，正常工作。
具体实施方式
八:本实施方式是对具体实施方式
六或七所述的一种集群飞行模块航天器系统的控制方法的进一步限定，所述遥测控与数据传输模块航天器，还用于导引更新的模块航天器与所述集群飞行模块航天器系统交会，所述控制方法还包括如下步骤:当遥测控与数据传输模块航天器导引更新的模块航天器与所述集群飞行模块航天器系统交会时，对所述更新的模块航天器在所述集群飞行模块航天器系统中的轨道和姿态进行分配更新的步骤。根据任务的具体需求，对于同一类任务模块航天器，可以从地面发射更新的任务模块航天器进入系统，实现系统的性能提升。服务模块航天器的扩展，提升系统的服务能力。根据任务的具体需求，配合任务模块航天器的功能扩展和性能提升，集群控制航天器重新选择适当的服务模块航天器或从地面发射性能更好的服务模块航天器与任务模块航天器配对，形成新的集群飞行模块航天器系统。
具体实施方式
九:本实施方式是对具体实施方式
六或七所述的一种集群飞行模块航天器系统的控制方法的进一步限定，它还包括如下步骤:当某任务模块需要重新配对时，剩余的M-K个服务模块航天器中选择进行配对，并利用所述服务模块航天器中的集群控制模块航天器调整所述服务模块航天器与任务模块航天器的各模块航天器的相对位置的步骤。
具体实施方式
十:本实施方式是对具体实施方式
六或七所述的一种集群飞行模块航天器系统的控制方法的进一步限定，所述轨道控制方法为喷气控制或内部场力的控制。每个模块按照一定的构形集群飞行，它们之间相对位置的控制可以采用现有的轨道控制方法，如喷气控制，也可以采用内部场力的控制，如电磁力或库仑力。如不需要相对位置控制时，集群采用被动稳定轨道自由飞行。本发明还提供一个实施例，本实施例所述的集群飞行模块航天器系统主要用于对地观测。如图2所示，其中任务模块航天器包括4个光学载荷模块航天器，光学载荷分别为分辨率10m、10m、3m、3m的(XD相机。4个能源供给模块航天器、4个数据处理模块航天器、4个遥测控与数据传输模块航天器和4个集群控制模块航天器。所述集群飞行模块航天器系统由运载器发射到指定轨道，系统与运载器分离。能源供给模块航天器太阳能电池翼展开，通过无线链路给系统供电，集群控制模块航天器通过无线链路控制所述系统。各模块航天器近距离飞行，采用轨道控制技术调整相对位置，形成一定的构形。当集群控制模块航天器发现分辨率为3m的光学载荷模块航天器故障，备份的3m光学载荷模块航天器开始工作，故障的3m光学载荷模块航天器报废，飞离系统，成为太空垃圾，如图3所示。当需要更高分辨率为Im图像，则由地面发射分辨率为Im的光学载荷模块航天器更新分辨率为IOm的光学载荷模块航天器，经集群控制模块航天器认证后，替代分辨率为IOm的光学载荷模块航天器工作，IOm的光学载荷模块航天器变为备份模块，如图4所示。
当需要增加数据传输量则备份的I个能源供给模块航天器、I个数据处理模块航天器和I个遥测控与数据传输模块航天器工作，与工作的任务模块航天器配对，将数据传输时间从5min提升到lOmin，如图5所示。当需要立体图像，备份的IOm光学载荷模块航天器工作，相应地增加I个能源供给模块航天器、I个数据处理模块航天器和I个遥测控与数据传输航天器配合任务模块航天器完成任务。两个IOm光学载荷模块航天器调整相对位置，完成立体测绘任务，如图5所示。当需要对一个目标实现连续观测，则将系统分散成为4个小型集群。每个光学载荷模块航天器与I个能源供给模块航天器、I个数据处理模块航天器、I个遥测控与数据传输模块航天器和I个集群控制航天器组成一个小型集群。飞到轨道的指定位置，形成星座，实现对一个目标的连续观测，如图6所示。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种集群飞行模块航天器系统，其特征在于，它包括M个服务模块航天器和N个任务模块航天器，M、N均为正整数； 所述服务模块航天器是指能源供给模块航天器、数据处理模块航天器、遥测控与数据传输模块航天器和集群控制模块航天器； M个服务模块航天器中有m个能源供给模块航天器、η个数据处理模块航天器、X个遥测控与数据传输模块航天器和I个集群控制模块航天器的集合;m，n, x, y均为正整数，M=m+n+x+y ； 能源供给模块航天器，用于收集能源，并为所述集群飞行模块航天器系统的各模块航天器提供能源； 数据处理模块航天器，用于接收处理所述集群飞行模块航天器系统的各模块航天器的状态数据及任务数据，并进行在轨图像生成和信息提取； 遥测控与数据传输模块航天器，用于接收地面站或中继卫星的指令，并将指令发送给集群飞行模块航天器系统的各模块航天器，同时将数据处理模块航天器处理后的数据、图像及信息传送至地面站或中继卫星； 集群控制模块航天器，用于测量集群飞行模块航天器系统的各模块航天器之间的相对位置，还用于控制集群飞行模块航天器系统的各模块航天器的相对位置； 任务模块航天器，用于对地面遥感数据获取、电子侦查和空间探测。
2.根据权利要求1所述的一种集群飞行模块航天器系统，其特征在于，所述任务模块航天器为光学载荷模块航天器或电子侦察载荷模块航天器或雷达载荷模块航天器； 光学载荷模块航天器，用于 对地面进行拍照，获得地面图像数据； 电子侦察载荷模块航天器，用于收集电磁波信息，对目标进行侦查、监视和跟踪；雷达载荷模块航天器，用于发射和接收雷达电磁波，获得地球的地物信息，具备全天候全天时获取信息的能力。
3.根据权利要求1所述的一种集群飞行模块航天器系统，其特征在于，所述能源供给模块航天器为所述集群飞行模块航天器系统提供能源方式包括聚束太阳能、微波能或激光倉泛。
4.根据权利要求1或2所述的一种集群飞行模块航天器系统，其特征在于，所述各模块航天器均采用统一的标准和协议，均采用近距离自由飞行的形式，通过无线链路进行信息和能量的交互。
5.根据权利要求1或2所述的一种集群飞行模块航天器系统，其特征在于，所述各模块航天器均设置备份模块航天器。
6.基于权利要求1所述的一种集群飞行模块航天器系统的控制方法，其特征在于，它包括如下步骤: 根据待完成的任务选择N个任务模块航天器和M个服务模块航天器的步骤； 当运载器将N个任务模块航天器和M个服务模块航天器发射到指定轨道时，所述模块航天器和运载器分离的步骤； 控制M个服务模块航天器中的K个服务模块航天器与N个任务模块航天器配对，并利用L个集群控制模块航天器采用轨道控制方法调整集群飞行模块航天器系统中的各模块航天器的相对位置的步骤，L〈K ；所述配对原则为:至少四个服务模块航天器与一个或多个任务模块航天器配对，所述4个服务模块航天器包括I个能源供给模块航天器、I个数据处理模块航天器、I个遥测控与数据传输模块航天器和I个集群控制模块航天器； 对N个服务模块航天器进行通讯链接、能量传输和星载仪器参数初始化，按照预定的构形调整各个模块航天器的轨道和姿态，启动任务模块航天器开始工作的步骤； 对所述集群飞行模块航天器系统进行实时监控的步骤。
7.基于权利要求5所述的一种集群飞行模块航天器系统的控制方法，其特征在于，它还包括如下步骤: 根据待完成的任务选择N个任务模块航天器和M个服务模块航天器的步骤； 当运载器将N个任务模块航天器和M个服务模块航天器发射到指定轨道时，所述模块航天器和运载器分离的步骤； 控制M个服务模块航天器中的K个服务模块航天器与N个任务模块航天器配对，并利用L个集群控制模块航天器采用轨道控制方法调整集群飞行模块航天器系统中的各模块航天器的相对位置的步骤，L〈K ； 所述配对原则为:至少四个服务模块航天器与一个或多个任务模块航天器配对，所述4个服务模块航天器包括I个能源供给模块航天器、I个数据处理模块航天器、I个遥测控与数据传输模块航天器和I个集群控制模块航天器； 对N个服务模块航天器进行通讯链接、能量传输和星载仪器参数初始化，按照预定的构形调整各个模块航天器的轨道和姿态，启动任务模块航天器开始工作的步骤； 对所述集群飞行模块航天器系统进行实时监控的步骤； 当监控到所述集群飞行模块航天器系统的某个模块航天器失效时，启动失效的模块航天器相应的备份模块航天器替换失效的模块航天器进行工作的步骤。
8.根据权利要求6或7所述的一种集群飞行模块航天器系统的控制方法，其特征在于，所述遥测控与数据传输模块航天器，还用于导引更新的模块航天器与所述集群飞行模块航天器系统交会，所述控制方法还包括如下步骤: 当遥测控与数据传输模块航天器导引更新的模块航天器与所述集群飞行模块航天器系统交会时，对所述更新的模块航天器在所述集群飞行模块航天器系统中的轨道和姿态进行分配更新的步骤。
9.根据权利要求6或7所述的一种集群飞行模块航天器系统的控制方法，其特征在于，它还包括如下步骤: 当某任务模块需要重新配对时，剩余的M-K个服务模块航天器中选择进行配对，并利用所述服务模块航天器中的集群控制模块航天器调整所述服务模块航天器与任务模块航天器的各模块航天器的相对位置的步骤。
10.根据权利要求6 或7所述的一种集群飞行模块航天器系统的控制方法，其特征在于，所述轨道控制方法为喷气控制或内部场力的控制。
全文摘要
一种集群飞行模块航天器系统及其控制方法，涉及一种航天器系统。为了解决目前航天器系统一旦发生故障或者寿命到期，无法正常工作，整个航天器系统就全部报废损失大的问题。它包括M个服务模块航天器和N个任务模块航天器；所述服务模块航天器是指能源供给模块航天器、数据处理模块航天器、遥测控与数据传输模块航天器和集群控制模块航天器；M个服务模块航天器中有m个能源供给模块航天器、n个数据处理模块航天器、x个遥测控与数据传输模块航天器和y个集群控制模块航天器的集合；m,n,x,y均为正整数，M=m+n+x+y；单一或多个任务模块航天器与服务模块航天器配对，启动任务模块航天器开始工作。它用于完成航天任务。
文档编号G05D1/00GK103116325SQ20121055592
公开日2013年5月22日 申请日期2012年12月19日 优先权日2012年12月19日
发明者曹喜滨, 张锦绣, 化金, 兰盛昌, 孙兆伟, 邢雷, 王峰, 张志刚, 侯振东, 陈庆 申请人:哈尔滨工业大学