面向巨型星座运行管理的软件机器人集群系统及构建方法

本发明涉及卫星监控管理，尤其涉及一种面向巨型星座运行管理的软件机器人集群系统及构建方法。

背景技术：

1、近年来，随着starlink星座和oneweb星座计划的付诸实践，大型甚至巨型星座已经成为太空领域备受关注的热点，卫星星座已经成为了现代通信、导航和遥感等领域的重要基础设施。参考文献[1]结合巨型星座系统特点，重点分析了太空产业链的四个关键要素，即用户需求、卫星制造、航天发射和服务运营。参考文献[2]阐述了卫星星座系统的在轨运行与应用服务管理功能包括卫星系统的空间系统、地面系统和应用系统的在轨运行管理情况，包括发射入轨、试运行测试阶段的测控、业务运行阶段的测控、故障处理和应急事件处理等部分，其中在轨管理包括测控管理、应急管理、故障管理等，应用服务管理则主要体现在相关的数据政策、应用服务政策中，包括从需求提出、需求审批、执行、监督等方面的管理流程。

2、地面运控系统传统的管理运行模式已不能满足接下来的大型星座的长期管理，尤其是，地面运控系统在自主化、智能化、通用化、模块化、系列化、可扩展性等方面已经难以适应大型星座的需求，如何进一步提高地面运控系统的上述性能，以满足不同卫星星座模式下多星运行管理需要，则成为亟需解决的问题。

3、目前，为了提高运行效率和降低成本，越来越多的企业和机构开始采用机器人流程自动化技术来实现卫星星座的运行控制。例如，参考文献[3]针对大规模低轨卫星星座提出了基于周期滚动方式的自动规划与资源管理流程图，提升了运控系统的自动化运行管理水平，提升了地面系统对星地资源故障的处置能力。参考文献[4]定义了星座构型的概念，根据卫星从发射入轨到离轨整个星座构型的控制流程，梳理了低轨巨型卫星星座的初始化控制、保持控制、重构控制，以及卫星的碰撞规避控制和离轨控制的方法和特点。

4、随着航天技术的不断发展，可以实现全球无缝覆盖的低轨移动及宽带通信星座又一次进入了发展机遇期。参考文献[5]介绍了国内外卫星运行管理系统目前存在的不足：兼容性差，不同星座之间不通用；容量小，每个系统只能支持数颗卫星，不满足日益增长的大规模星座需求；自动化和智能化程度不够高，对于逻辑较为复杂指令和紧急事件无法自动化判断，需要大量的人工进行监控、决策。

5、巨型低轨通信卫星星座体量庞大，作为一个复杂系统，不仅在设计、制造、发射、操作等诸多层面面临许多挑战，而且还面临建设成本高昂、市场需求小、商业模式不可持续等问题。与此同时，巨型卫星星座的运行控制是一个复杂而繁琐的过程，现有的地面测控系统能力和测控模式难以适应星座测控和管理需求，离不开大量的人力和物力投入。因此，目前亟需进行自动化星座运行管控技术攻关，开展一体化运行管理维护系统建设，从而实现对大型低轨卫星星座的高效、可靠、经济管控。

6、参考文献：

7、[1]张雅声,贾璐,刘思彤.大型星座系统发展生态研究[j].航天电子对抗,2022年05期。

8、[2]及莉.美国对地观测卫星系统在轨运行与应用服务管理 [j].卫星应用,2017,(4):40-46。

9、[3]中国专利授权公告号cn112235029b，名称：一种大规模低轨卫星星座运控系统自动化运行管理方法,授权公告日：2022.11.15。

10、[4]阮永井, 胡敏, 云朝明. 低轨巨型星座构型设计与控制研究进展与展望[j].中国空间科学技术,2022,42(1):1。

11、[5]李菲菲,胡敏，巨型低轨卫星星座运行管理模式研究[c]//第三届中国空天安全会议论文集.2021。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种面向巨型星座运行管理的软件机器人集群系统及构建方法。

2、为实现上述发明目的，本发明提供一种面向巨型星座运行管理的软件机器人集群系统，包括：

3、上层分系统，所述上层分系统根据业务需求实时下发任务需求信息，以及接收上传的任务状态反馈信息并根据所述任务状态反馈信息调整所述任务需求信息；

4、中层分系统，所述中层分系统接收所述任务需求信息，并基于所述任务需求信息规划出用于自主执行的第一运行指令，以及，所述中层分系统基于所述第一运行指令自动运行并生成用于下游分系统自动执行的第二运行指令；

5、底层分系统，用于接收所述中层分系统下发的所述第二运行指令，并基于所述第二运行指令确定出用于对巨型星座中卫星进行控制的任务指令序列，以及，所述底层分系统更新所述巨型星座的星座状态信息，并上传至所述中层分系统；

6、所述底层分系统包括：指令判别模块，多个指令分发及状态采集模块；

7、所述指令分发及状态采集模块与所述巨型星座中的卫星一一对应的设置，并建立通信连接；其中，所述指令判别模块接收所述第二运行指令并对其进行自动判别，以及，基于所述指令判别模块的判别结果将所述第二运行指令转发至对应的所述指令分发及状态采集模块；

8、所述指令分发及状态采集模块基于所述第二运行指令在预设的操控模板中选出所述任务指令序列并将所述任务指令序列上传至所述卫星，以及记录所述卫星反馈的运行状态并用于生成所述星座状态信息；

9、所述中层分系统将所述星座状态信息作为所述任务状态反馈信息上传至所述上层分系统。

10、根据本发明的一个方面，所述中层分系统基于所述星座状态信息进行异常检测，若所述巨型星座中卫星的运行状态存在异常，则修正所述第一运行指令。

11、根据本发明的一个方面，所述中层分系统包括：指令规划单元和状态检测单元；

12、所述指令规划单元分别与所述上层分系统和所述底层分系统相连接；

13、所述状态检测单元分别与所述上层分系统和所述底层分系统相连接；

14、所述指令规划单元和所述状态检测单元相连接；

15、所述指令规划单元用于接收所述任务需求信息，并基于所述任务需求信息规划出所述第一运行指令，以及，所述指令规划单元基于所述第一运行指令自动运行并生成用于所述底层分系统自动执行的第二运行指令；

16、所述状态检测单元用于接收所述星座状态信息，并基于所述星座状态信息进行异常检测，以及将所述星座状态信息反馈至所述上层分系统。

17、根据本发明的一个方面，若所述巨型星座中卫星的运行状态存在异常，则所述状态检测单元基于所述任务需求信息进行重新规划，生成新的第一运行指令，并基于新的第一运行指令对所述指令规划单元的输出进行指令修正。

18、根据本发明的一个方面，所述指令规划单元包括：指令规划模块和运行控制模块；

19、所述指令规划模块分别与所述上层分系统和所述运行控制模块连接，所述运行控制模块与所述底层分系统相连接；

20、所述指令规划模块基于所述任务需求信息规划出所述第一运行指令；

21、所述运行控制模块基于所述第一运行指令自动运行，并生成用于所述指令分发及状态采集模块的第二运行指令。

22、根据本发明的一个方面，所述状态检测单元包括：状态维护模块、异常检测模块和指令重规划模块；

23、所述状态维护模块与所述底层分系统、所述异常检测模块和上层分系统连接；

24、所述指令重规划模块分别与所述异常检测模块和所述指令规划单元中的指令规划模块相连接；

25、所述状态维护模块用于接收所述底层分系统输出的星座状态信息，并将所述星座状态信息作为所述任务状态反馈信息上传至所述上层分系统；

26、所述异常检测模块用于接收所述星座状态信息进行卫星运行状态的异常检测；

27、所述指令重规划模块针对所述异常检测模块检测出的异常运行状态，重新基于所述任务需求信息进行任务规划，以生成新的第一运行指令，并将新的第一运行指令发送至所述指令规划单元进行指令修正。

28、根据本发明的一个方面，所述指令分发及状态采集模块接收所述第二运行指令并对所述第二运行指令的类别及对应控制的所述卫星进行判别，基于判别结果完成对所述任务指令序列的上传，其中，所述指令分发及状态采集模块获取所述卫星的当前运行状态，基于所述当前运行状态对所述卫星的下一运行状态进行关联估计并输出估计结果，其中，所述估计结果包括：所述巨型星座的控制情况、所述卫星的标识和姿态；以及基于所述估计结果，所述指令分发及状态采集模块在预设的操控模板中抽取相应的任务指令构建出所述任务指令序列，并将所述任务指令序列上传至所述卫星。

29、根据本发明的一个方面，所述指令分发及状态采集模块基于simrenets模型搭建，其包括：输入模块、编码器模块、相似度度量模块、关系模块和输出模块；

30、所述输入模块以所述卫星的ocs曲线数据或历史任务指令序列为输入获取所述卫星的当前运行状态，并基于所述当前运行状态生成所述星座状态信息，以及，所述输入模块对于所述ocs曲线数据或历史任务指令序列进行处理生成用于所述编码器模块、所述相似度度量模块、所述关系模块执行相邻运行状态关联估计的输入数据；其中，所述输入数据以多个数据集的形式构成，其包括：支持集、查询集和辅助集；

31、所述支持集表示为：；

32、所述查询集表示为：；

33、所述辅助集表示为：；

34、其中，和表示数据集中的样本点，且其基于所述ocs曲线数据或历史任务指令序列中的参数转化获得，，为数据的取样长度， k表示所述支持集中用于训练的样本标签的个数，表示所述查询集中用于训练的样本标签的个数，表示所述辅助集中用于训练的样本标签的个数， c表示每次迭代所构建的数据集样本的类别；

35、所述编码器模块与所述输入模块相连接，并将所述输入模块传输的数据进行编码并获取相应的特征向量；

36、所述相似度度量模块与所述编码器模块相连接，用于接收所述特征向量并判断所述指令分发及状态采集模块对应的所述卫星在整个巨型星座的网络拓扑中是否为关键节点；其中，所述相似度度量模块基于所述辅助集和所述查询集的特征向量生成用于判断所述卫星是否为关键节点的相似度键值；

37、所述相似度键值表示为：；

38、其中， e( a)表示所述辅助集的特征向量， e( q)表示所述查询集的特征向量,为中心点映射函数;

39、所述关系模块用于输出所述指令分发及状态采集模块对应的所述卫星在所述巨型星座中的重要度/权重因子；其中，所述关系模块基于所述相似度键值衡量所述查询集与所述支持集的样本对之间的相似度，并生成c个关系分数，以及，基于c个所述关系分数获得所述重要度/权重因子；

40、所述输出模块基于所述重要度/权重因子输出所述巨型星座的估计结果。

41、为实现上述发明目的，本发明提供一种用于前述的软件机器人集群系统的构建方法，包括以下步骤：

42、step1.基于分层机制对软件机器人集群系统进行分层并搭建所述软件机器人集群系统的系统架构，其中，所述系统架构包括：上层分系统、中层分系统和底层分系统；

43、step2.分别对所述上层分系统、所述中层分系统和所述底层分系统的功能模块进行构建；其中，所述中层分系统中的功能模块包括：指令规划单元和状态检测单元；所述底层分系统中的功能模块包括：指令判别模块，多个指令分发及状态采集模块；

44、step3.基于巨型星座的构型控制方案和星间链路持续体制对各所述功能模块间的数据传输和处理方案进行配置；

45、step4.对搭建的所述软件机器人集群系统进行测试，若测试结果满足要求，则发布至线上运行。

46、根据本发明的一个方面，步骤step2中，对所述中层分系统的功能模块进行构建的步骤中，包括：

47、对所述指令规划单元进行构建；其中，所述指令规划单元包括：指令规划模块和运行控制模块；

48、所述指令规划模块分别与所述上层分系统和所述运行控制模块连接，所述运行控制模块与所述底层分系统相连接；

49、对所述状态检测单元进行构建；其中，所述状态检测单元包括：状态维护模块、异常检测模块和指令重规划模块；

50、所述状态维护模块与所述底层分系统、所述异常检测模块和上层分系统连接；

51、所述指令重规划模块分别与所述异常检测模块和所述指令规划单元中的指令规划模块相连接；

52、步骤step2中，对所述底层分系统中的功能模块进行构建的步骤中，包括：

53、基于simrenets模型搭建分别搭建各个所述指令分发及状态采集模块，并分别对各个所述指令分发及状态采集模块进行离线训练，并将完成训练的所述指令分发及状态采集模块发布至线上运行；

54、步骤step3中，基于巨型星座的构型控制方案和星间链路持续体制对各所述功能模块间的数据传输和处理方案进行配置的步骤中，所述星间链路持续体制基于星间链路可见性所获得；其中，所述星间链路可见性基于以下步骤进行判断，包括：

55、基于轨道六根数，获得卫星与地心之间的位置关系，其表示为：

56、 （1）

57、其中，为卫星 s1的纬度，为卫星 s1的经度，为卫星 s2的纬度，为卫星 s2的经度；

58、基于公式（1）获取卫星 s1的具体位置，其表示为：

59、；

60、；

61、；

62、其中，表示卫星轨道的倾角；则表示卫星 s1在运行阶段和升交点之间形成的角距；表示升交点所处位置的经度；表示地球的自转角速度；表示相应的卫星运行时间；表示运动过程中的角速度；表示卫星节点的初始相位； r为恒定常数，当，，当，，当，；

63、获取卫星 s1和卫星 s2的瞬时星间链路距离以及瞬时仰角和，其分别表示为：

64、；

65、；

66、；

67、获取卫星 s1和卫星 s2建立的星间链路离地表的高度，其表示为：

68、

69、由于同一轨道上的卫星轨道半径是相同的，则卫星 s1和卫星 s2的星间距离表示为：

70、；

71、其中， r表示地球的半径；

72、获取卫星 s1和卫星 s2之间的可视距离，则表示为：

73、

74、其中，表示卫星 s1和卫星 s2在同一轨道上的卫星半径， h表示大气层的高度；

75、基于所述可视距离、所述星间距离、星间链路离地表的高度进行所述星间链路可见性的判断；其中，当或者时，卫星 s1和卫星 s2满足星间链路可见性的要求；

76、步骤step3中，基于巨型星座的构型控制方案和星间链路持续体制对各所述功能模块间的数据传输和处理方案进行配置的步骤中，所述构型控制方案基于所述星间链路持续体制生成，其中，所述构型控制方案包括：星座构型初始化控制子方案、星座构型保持控制子方案、星座构型重构控制子方案和卫星碰撞规避及离轨控制子方案。

77、根据本发明的一种方案，本发明增强了地面测控系统对大数量卫星全寿命管理的能力，实现了卫星交付、任务规划、岗位自动化操作、质量控制、过程审核等卫星运行管理工作的正规化、规范化和标准化，减少了人工误操作的风险，提高了对卫星的控制精度，满足了在低轨巨型星座中日益增长的多星组网、卫星编队飞行等新需求。

78、根据本发明的一种方案，本发明通过状态维护，实时更新并进行异常检测与故障排除，根据设定的规则匹配最佳方案，重新规划、调度任务，生成新指令，使地面测控系统与应用系统无缝连接，实现测控快速响应。

79、根据本发明的一种方案，本发明通过不断的系统测试和优化，自动记录工作流，并更新系统存储的数据库，该架构能够适应不断增长的卫星数量，灵活快速地收集、处理以及分发数据，持续自动化监测巨型星座内成百上千颗卫星的遥测、内部状态和网络状态信号等，满足了地面测控站系统在自动化运行支持设计、信息化辅助服务程度、系统化协同手段等方面中多星任务管理的需求。