面向即时观测服务的天基资源能力虚拟化及预分配方法研究

发布时间：2020-06-07 08:57

【摘要】：现阶段微小卫星技术以及卫星组网技术飞速发展,天基资源的规模呈爆发式增长,卫星应用已从单一卫星应用逐渐发展为多星组网、卫星集群等多星协同应用,卫星的使用者也从原来的卫星管控管理者,逐渐呈现向普通大众用户开放的趋势。国外有Google、SpaceX、OneWeb等大规模卫星组网计划,国内有天基信息港、天地一体化、天基互联网等卫星组网计划的研究。可以看出,依赖大规模卫星节点提供的丰富卫星能力,完成多星协同的复杂空间任务,向普通大众用户提供可用的、即时的卫星信息服务,成为未来发展的趋势。而目前卫星管控部门相互独立,卫星的指令、参数各异,卫星任务相互协作需要人为干预,显然无法适应未来发展的需求。因此,本文面向即时观测信息服务,针对多种类异构卫星,提出一种面向用户的天基资源能力虚拟化方法,对多种类异构卫星进行统一抽象描述;在此基础之上,针对大规模节点天基资源,如何满足众多普通大众用户的个性化需求,提出了多种天基资源预分配方案,探讨当天基资源的规模和种类扩大时,如何与用户需求进行匹配。通过这两部分的研究,希望为未来卫星组网应用中,对大规模异构天基资源如何理解和使用,进行一定的探索。本文内容主要分为四部分:第一部分首先分析了未来大规模卫星组网应用中,用户需求及天基资源的特点,针对即时观测的用户需求进行了分析、分解,归纳了四种服务能力。然后分析了典型的对地观测卫星的结构,总结了天基资源的类型。相对于地面服务资源,分析了天基资源的高约束、高动态等特点。第二部分在天基资源的能力分析基础上,提出了天基资源能力虚拟化方法。对于多种类异构卫星,综合时间、空间、能源、存储等约束,将天基资源按照时空逻辑,分层抽象虚拟化成面向用户的服务能力,建立适用于多种类异构卫星、统一标准的天基资源虚拟化方法。根据卫星平台、载荷等参数,设计了计算模型,将天基资源统一描述为天基资源能力列表形式。同时开展了天基资源虚拟化验证试验,针对SAR、高分光学、宽幅光学三种观测载荷,激光、微波通信两种星间链路类型,以及三种星上处理算法,通过开发板模拟星上设备,进行了虚拟化计算模型的仿真试验,结果表明虚拟化方法可以完成多种观测、处理、传输资源的统一描述,算法时效性可以满足星上实时计算要求。第三部分基于分而治之思想,提出了多种适用于大规模节点卫星组网的资源预分配方案。提出了天基资源预分配的目标和原则,针对大规模卫星集群,基于分而治之的思想,按照不同的需求构建天基资源集群,设计了基于应用需求、基于卫星轨道、基于卫星类型、基于卫星拓扑、基于资源能力等几种预分配方案。设计了评估指标,给出了计算系统利用率、任务完成度等指标的计算方法。针对系统规模、用户模型、卫星资源配置等不同变量,设计了仿真试验,为后续开展仿真试验提供了技术基础。综上所述,针对大规模异构天基资源组网协同观测中,多种类异构天基资源统一描述问题,以及大规模节点天基资源如何与众多个性化用户需求匹配的问题,本文开展了天基资源能力虚拟化及预分配方法的研究:针对天基资源能力虚拟化方法研究,并选择具体载荷实例设计了虚拟化算法,开展了星上验证试验,算法时效性可以满足星上实时计算要求;针对天基资源预分配方法,分析了预分配的目标及准则,设计了相关的评估指标,设计了预分配方法的验证试验。以上研究可以为大规模节点卫星组网应用服务,在天基资源的如何使用上,提供一定的思考和技术基础。
【图文】：

示意图,能源,变化情况,示意图

耗时较长、转换频繁，导致姿态调整时间不可忽略。由于卫星体积与重量的限制，各类资源可用容量较低，，导致工作模式受限。比如能源余量将影响各项需求任务和卫星常规任务的执行、卫星姿态对日充电时不能进行对地观测和星地信息的传输、对地成像前需要对载荷预热和姿态调整等开机前准备。存储和能源约束作为星上硬件设备的强约束，在任何任务决策、执行前都需要对约束条件重新检查。对于存储约束，需要根据任务执行情况动态计算调整，例如每次增加任务时，实时获取当前大容量存储设备剩余容量；每个任务执行完毕，检查任务执行的成功/失败情况，对存储容量和存储的信息进行更新操作。对于能源约束，星上所有设备的所有动作都需要能源的支撑，各个载荷的功耗不同，充电时涉及卫星姿态约束，导致观测任务不可执行等，需要对能源约束进行精确的计算，以保障需求任务及卫星的正常运行。存储、能源变化情况如图 2.1 所示：

关系图,典型计算,关系图,模型

第 3 章天基资源能力虚拟化方法研究及验证试验包括星间微波和激光通讯，在能源与存储的约束之上，需要综合星间距离、姿态调整机动时长等因素，最终计算出信息传输能力可用时段列表。4. 信息分发能力：受能源与存储约束，根据卫星轨道计算星地可见时间段，综合卫星姿态调整机动时长的计算，得到星地信息分发能力可用时段列表。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V474

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