航天器长时自治设计方法技术

本发明专利技术涉及一种航天器长时自治设计方法，包括以下步骤：a.设计航天器多Agent自治系统架构；b.设计航天器多Agent自治系统通信及协作机制；c.设计航天器分层混合自治的软件系统。根据本发明专利技术的航天器自治设计方法适用于单航天器及多航天器，设计内容包括航天器自治系统的系统架构、通信及协作机制、软件系统架构及自治方法等，实现航天器在无人或少量地面干预情况下的正常飞行自我管理，实现航天器在故障情况及未知环境中的自适应及自恢复。

Long-term autonomous design method for spacecraft

The invention relates to a long-term autonomous design method for spacecraft, which includes the following steps: A. designing the architecture of spacecraft multi-agent autonomous system; B. designing the communication and cooperation mechanism of spacecraft multi-agent autonomous system; C. designing the software system of spacecraft hierarchical hybrid autonomous system. The spacecraft autonomous design method according to the present invention is applicable to single spacecraft and multi-spacecraft. The design contents include the system architecture, communication and cooperation mechanism, software system architecture and autonomous method of the spacecraft autonomous system, etc. It realizes the normal flight self-management of the spacecraft under the condition of unmanned or small amount of ground interference, and realizes the self-adaptation of the spacecraft in the condition of failure and unknown environment. And self-recovery.

【技术实现步骤摘要】
航天器长时自治设计方法
本专利技术涉及一种航天器的长时自治设计方法。
技术介绍
航天器，特别是对于载人航天器、深空探测器、星座等这种十分复杂的特殊混合系统，由于系统本身的复杂性和长期性，如多飞行器构建、系统多模块集成、运行与工作过程多模式、行为特性不连续，以及工作环境的不确定性和未知性等因素，具备自治能力对于长期在轨飞行是十分必要的。目前航天器在轨运营管理还是以地面为主、自主管理为辅，航天器正常营运过程中需要地面大量人力、物力等资源进行保障。同时，传统的航天器故障诊断一般由地面负责其状态监测、故障诊断及处置工作，但是对一些需要紧急处理的故障，如危及到航天员生命的突发故障等，由于航天器与地面站通讯时间上的延迟，建立在轨自治系统，进行自主故障处置来应对紧急故障，是地面航天器保障的有力补充。当航天器在轨发生故障时，尤其是事先预料之外的故障，如果得不到地面的及时发现、处置，故障可能会在航天器各系统之间蔓延，很可能导致航天器局部故障甚至整器失效。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决上述问题，提供一种适用于单航天器及多航天器的长时自治设计方法。为实现上述专利技术目的，本专利技术提供一种航天器长时自治设计方法，包括以下步骤：a.设计航天器多Agent自治系统架构；b.设计航天器多Agent自治系统通信及协作机制；c.设计航天器分层混合自治的软件系统。根据本专利技术的一个方面，在所述a步骤中，基于多Agent技术，采用集中式多Agent系统体系结构，建立单航天器基于中心控制体的多Agent自治系统架构；基于多Agent技术，采用混合多Agent体系架构，建立多航天器组网模式的多Agent自治系统架构。根据本专利技术的一个方面，在所述b步骤中，采用联邦式通信机制及组织结构协商机制，实现单航天器或多航天器的多Agent间的相互通信及协商。根据本专利技术的一个方面，在所述c步骤中，采用基于数据聚类分析的方法、定性模型及定量模型的方法、阈值规则的方法，设计航天器系统级、子系统级及设备级的分层混合自治软件系统。根据本专利技术的一个方面，所述集中式多Agent系统体系结构包括顶层Agent、中间层Agent和底层Agent；所述顶层Agent由主控Agent、规划调度Agent和故障修复重构Agent三个智能体组成；所述顶层Agent用于整个航天器系统级自治，包括航天器任务调度自主管理和系统级自主故障诊断、处置与重构。所述顶层Agent完成顶层规划及处置后，协同各子系统Agent(即各个中间层Agent)共同完成航天器的自治任务处置及故障处置；所述中间层Agent用于管理各子系统及内部底层Agent的状态及故障处置，接收顶层Agent的指挥，协同顶层Agent完成系统级自主处置；所述底层Agent用于各底层设备内部的自主任务处置及故障处置。根据本专利技术的一个方面，采用所述混合多Agent体系架构，建立多航天器组网模式的多Agent自治系统架构时，正常情况下：各主航天器Agent对相对应的各子航天器Agent进行规划管理，各主航天器Agent接收到地面任务目标后首先各自对自己相关部分任务进行高层次分解，分解完成后将规划结果发送给对应的子航天器Agent或机器人Agent进一步进行分解；异常情况下：其中一个主航天器Agent出现故障时，由正常工作的主航天器Agent对整个自治系统进行全局规划，并将规划结果发送给其他主航天器Agent，由其他主航天器Agent再将规划结果发送给下一级子航天器Agent，当各主航天器Agent均故障时，可以通过航天员Agent进行故障处置并进行短暂的规划。根据本专利技术的一个方面，所述航天器系统级混合自治采用基于数据聚类分析的方法自主管理航天器综合状态，对航天器所有遥测数据进行无监督机器学习形成飞行器状态组簇数据库，航天器实时遥测通过与自学习组簇数据库进行索引、聚类分析，根据基于数据聚类分析结果判断航天器综合状态是否正常，决策是否需要在系统级进行自主处置；采用阈值规则的方法自主管理已知的系统级重大故障，若超过设定的上下限时，系统就根据预设故障处置策略快速进行系统级自主处置。根据本专利技术的一个方面，所述航天器子系统级混合自治采用定性或定量模型的方法自主管理子系统综合状态，由子系统的实际测量数据和模型仿真数据构成故障检测器，并通过残差分析和合适的信号处理方法得到故障诊断结果，根据诊断结果判断子系统是否需要自主管理或申请系统级进行管理；同时，采用阈值规则的方法自主管理已知的子系统故障，若超过设定的上下限时，子系统就根据预设的故障处置策略在子系统内部快速自主处置。根据本专利技术的一个方面，所述航天器设备级混合自治采用定量或定性模型的方法自主管理重要关键设备状态；同时，采用阈值规则的方法自主管理已知的设备级故障，若超过设定的上下限时在设备内部快速自主处置。根据上述本专利技术的航天器自治设计方法是面向各种类型航天器的在轨长时自治设计方法，尤其适合多舱段载人航天器、深空探测器等复杂混合且长期在轨飞行的航天器系统。该设计方法基于多Agent技术，可实现多航天器、多舱段及多系统混合等多种类型航天器的分层管理及协作的自治系统架构；该方法基于数据、模型及规则的混合自治技术，可实现系统级、子系统级及设备级的分级自主管理及故障处置。根据上述本专利技术的航天器自治设计方法基于多Agent技术的航天器自治系统架构设计方法，包括多航天器Agent自治系统架构设计、单航天器Agengt自治系统架构设计，满足多种类型航天器自治系统架构设计。通信及协作机制设计方法，采用联邦式通信机制及组织结构协商机制，实现复杂航天器、单航天器等多航天器的多Agent间的相互通信及协商，有效支持系统自治。采用分层自治的策略，实现航天器系统级、子系统级及设备级分层自治的软件系统架构。提高系统自治效率。采用基于数据、模型及规则混合的自治方法，实现航天器自治软件系统的航天器综合状态、局部状态及精细状态的自主检测、诊断、处置等自主管理，提高系统自治准确度及系统自适应性。根据上述本专利技术的航天器自治设计方法是一种智能、高效、适应性广的航天器长时自治设计方法，适用于单航天器及多航天器，设计内容包括航天器自治系统的系统架构、通信及协作机制、软件系统架构及自治方法等，实现航天器在无人或少量地面干预情况下的正常飞行自我管理，实现航天器在故障情况及未知环境中的自适应及自恢复。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1示意性表示根据本专利技术的航天器自治设计方法的流程图；图2示意性表示根据本专利技术的一种实施方式的单航天器集中式多Agent自治系统架构设计示意图；图3示意性表示根据本专利技术的一种实施方式的多航天器混合式多Agent自治系统架构设计示意图；图4示意性表示根据本专利技术的一种实施方式的分层混合自治软件系统架构设计示意图。具体实施方式为了更清楚地说明本专利技术实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种航天器长时自治设计方法，包括以下步骤：a.设计航天器多Agent自治系统架构；b.设计航天器多Agent自治系统通信及协作机制；c.设计航天器分层混合自治的软件系统。

【技术特征摘要】
1.一种航天器长时自治设计方法，包括以下步骤：a.设计航天器多Agent自治系统架构；b.设计航天器多Agent自治系统通信及协作机制；c.设计航天器分层混合自治的软件系统。2.根据权利要求1所述的航天器长时自治设计方法，其特征在于，在所述a步骤中，基于多Agent技术，采用集中式多Agent系统体系结构，建立单航天器基于中心控制体的多Agent自治系统架构；基于多Agent技术，采用混合多Agent体系架构，建立多航天器组网模式的多Agent自治系统架构。3.根据权利要求1所述的航天器长时自治设计方法，其特征在于，在所述b步骤中，采用联邦式通信机制及组织结构协商机制，实现单航天器或多航天器的多Agent间的相互通信及协商。4.根据权利要求1所述的航天器长时自治设计方法，其特征在于，在所述c步骤中，采用基于数据聚类分析的方法、定性模型及定量模型的方法、阈值规则的方法，设计航天器系统级、子系统级及设备级的分层混合自治软件系统。5.根据权利要求2所述的航天器长时自治设计方法，其特征在于，所述集中式多Agent系统体系结构包括顶层Agent、中间层Agent和底层Agent；所述顶层Agent由主控Agent、规划调度Agent和故障修复重构Agent三个智能体组成；所述顶层Agent用于整个航天器系统级自治，包括航天器任务调度自主管理和系统级自主故障诊断、处置与重构。所述顶层Agent完成顶层规划及处置后，协同各子系统Agent共同完成航天器的自治任务处置及故障处置；所述中间层Agent用于管理各子系统及内部底层Agent的状态及故障处置，接收顶层Agent的指挥，协同顶层Agent完成系统级自主处置；所述底层Agent用于各底层设备内部的自主任务处置及故障处置。6.根据权利要求2所述的航天器长时自治设计方法，其特征在于，采用所述混合多Agent体系架构，建立多航天器组网模式的多Agent自治系统架构时，正常情况下：各主...

【专利技术属性】
技术研发人员：高延超，陈丹，程伟，于世强，刘宏泰，梁克，张璐，任筱强，郭中伟，张旭，王悦，
申请(专利权)人：北京空间技术研制试验中心，
类型：发明
国别省市：北京,11