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| 內容簡介： |
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面向未来全球覆盖、高频重访、快速响应、无感用天的应用需求，构建低轨分布、信息互联互通、云端智能协同的分布式异构星群系统，已成为天基系统的重要发展方向。本书围绕“体系架构”“任务决策与分配”“自主协同”等关键词，系统阐述了分布式异构星群架构设计理念、方法和星群协同控制方法，对星群构型设计、任务协同规划、智能任务分配、柔性智联卫星架构和星地协同综合管控等方面进行了详细论述，最后给出了分布式异构星群地面管控训练一体化仿真试验系统的工程实现案例。本书是作者及团队多年来在卫星领域研究成果的基础上撰写的，反映了航天应用领域的新思想和新理论，具有新颖性、前沿性、理论与应用密切结合的特点和较强的工程参考价值，可供航天相关专业的研究生、工程技术人员参考。
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| 目錄：
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第1章 绪论 1
1.1 研究背景2
1.2 分布式异构星群发展现状5
1.2.1 国外发展现状5
1.2.2 我国发展现状13
1.3 分布式异构星群发展趋势15
1.4 分布式异构星群典型服务场景16
1.5 分布式异构星群的内涵及特征17
1.6 本书内容安排18
参考文献18
第2章 异构星群架构设计与控制理论基础 21
2.1 轨道基础知识22
2.1.1 地心惯性坐标系22
2.1.2 轨道要素22
2.1.3 轨道要素与位置速度向量的转换关系23
2.1.4 开普勒方程24
2.2 卫星轨道空间几何关系25
2.2.1 异构星群典型轨道类型25
2.2.2 卫星星下点轨迹28
2.2.3 卫星覆盖特性计算28
2.3 轨道机动29
2.3.1 脉冲机动29
2.3.2 共面轨道机动30
2.3.3 异面轨道机动38
2.4 多圈Lambert问题41
2.4.1 转移轨道类型41
2.4.2 Lagrange时间转移方程42
2.4.3 无约束条件下的最大圈数估计43
2.5 机动燃耗需求分析44
2.6 本章小结46
参考文献46
第3章 异构星群系统架构与关键科学问题 47
3.1 大规模异构星群开放式敏捷架构48
3.2 大规模异构星群关键科学问题51
3.3 大规模异构星群关键技术52
3.3.1 大规模星群大空间尺度相对运动模型与摄动分析52
3.3.2 大规模异构星群拓扑数学模型53
3.3.3 弹性与分散状态下多属性混合目标任务分配54
3.3.4 大规模异构星群动态路由技术56
3.3.5 动态变迁过程的自主协调决策与分散规划57
3.3.6 能量匹配机理与边界维持连续最优控制方法59
3.3.7 复杂多约束下动态随机事件的集群协同响应与安全控制60
3.3.8 大规模异构星群数字化仿真平台技术61
3.4 本章小结63
参考文献64
第4章 异构星群构型设计与优化方法 69
4.1 异构星群构型设计70
4.1.1 异构星群特点介绍70
4.1.2 异构星群主要构型类型74
4.1.3 构型设计的关键技术和考虑因素76
4.2 异构星群性能分析模型79
4.2.1 性能分析指标79
4.2.2 性能分析模型的建立方法81
4.2.3 性能分析模型案例82
4.3 星群构型设计优化方法85
4.3.1 构型设计的优化目标与约束条件85
4.3.2 构型优化算法及其应用86
4.3.3 构型优化设计案例92
4.4 本章小结101
参考文献102
第5章 分布式异构星群任务协同规划 105
5.1 异构星群任务协同规划模型与指标分解107
5.1.1 任务协同规划模型107
5.1.2 知识获取与任务理解技术115
5.2 异构星群任务协同机制设计与实现121
5.2.1 四种协同机制介绍122
5.2.2 异构星群协同任务规划架构124
5.2.3 任务规划分配资源的优先原则125
5.2.4 异构星群协同交互信息127
5.2.5 异构星群自主协同流程129
5.3 异构星群智能化任务协同方法132
5.3.1 异构星群任务分配与目标聚类133
5.3.2 基于GA-SA的异构星群任务规划算法135
5.3.3 基于NSGA-Ⅱ的异构星群任务规划算法138
5.3.4 基于MADDPG的异构星群协同任务规划算法142
5.4 本章小结145
参考文献145
第6章 分布式异构星群协同控制方法 148
6.1 星群自组织构型保持控制149
6.1.1 星群构型控制的任务分类150
6.1.2 星群构型控制的优化策略150
6.1.3 星群构型控制系统的实现151
6.1.4 星群构型控制的重要目标152
6.2 基于学习的星群姿轨一体化高精度控制154
6.2.1 SE(3)上的航天器非质心点相对动力学模型154
6.2.2 基于数据驱动的航天器参数建模155
6.2.3 基于机器学习的航天器最优控制策略159
6.3 星群构型防撞策略162
6.3.1 碰撞风险评估与建模163
6.3.2 碰撞预警与监测165
6.3.3 规避机动策略优化166
6.4 多任务约束下的异构星群控制性能保证168
6.4.1 基于事件触发策略的资源管理169
6.4.2 星群系统的物理安全保证171
6.4.3 基于时序逻辑的星群动态路径规划175
6.5 本章小结178
参考文献178
第7章 柔性智联卫星架构 181
7.1 柔性智联卫星182
7.2 通用化可重构的柔性架构设计184
7.3 面向任务协同的网络智联架构设计187
7.3.1 星内多业务承载信息传输与交换设计188
7.3.2 空间多链路承载信息一体化适配设计190
7.3.3 星地/星间信息标准化传输协议设计192
7.3.4 星载网关通用化集成设计1937.4 通用化一体接口设计194
7.4.1 接口标准化194
7.4.2 高速互联总线196
7.4.3 星上电子设备即插即用199
7.5 星载健康管理系统设计201
7.5.1 星载关重部件健康感知增强技术201
7.5.2 星载智能故障识别与自主恢复技术204
7.5.3 星载健康管理计算能力适配技术208
7.6 本章小结210
参考文献210
第8章 星地协同管控 212
8.1 分布式异构星群管控理念和架构213
8.1.1 协同综合管控理念213
8.1.2 管控总体架构214
8.2 开放式星地一体协同综合管控系统216
8.2.1 云边协同智能架构216
8.2.2 资源虚拟化动态管控219
8.2.3 面向协同规划的应用管控228
8.3 边缘微云安全架构及总体设计230
8.3.1 边缘计算安全的需求分析230
8.3.2 在轨微云安全架构设计231
8.4 本章小结233
参考文献234
第9章 分布式异构星群工程仿真验证 236
9.1 全数字模拟与仿真推演系统237
9.1.1 系统架构237
9.1.2 仿真推演方案240
9.1.3 系统组成与功能243
9.1.4 系统工作流程248
9.2 虚实结合半物理仿真验证252
9.2.1 系统组成252
9.2.2 系统架构255
9.2.3 系统功能模块实现途径257
9.2.4 仿真验证方法260
9.3 分布式异构星群工程仿真262
9.3.1 异构星群任务分配和协同规划仿真262
9.3.2 多约束下星群协同控制仿真273
9.4 本章小结281
参考文献281
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| 內容試閱：
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随着智能化、集成化、数字化、软件化技术的快速发展，航天已经处于技术革命和产业变革的前沿，航天基础设施建设模式与应用方式正在以前所未有的速度与深度被重塑。基于大规模星座/星群的低轨卫星互联网服务和通信-导航-遥感一体化遥感信息实时智能服务逐渐成为航天领域竞争热点和太空经济新的增长点。
当前，低轨卫星互联网成为全球发展的热点，各国也争相构建大规模低轨卫星系统。星链(Starlink)、一网(OneWeb)和我国“星网”系统的建设正在紧锣密鼓地推进。与此同时，多类型遥感载荷卫星组网在应对气候变化、防灾救灾、环境保护、精准农业、城市建设、公共安全等方面发挥着重要作用，显著发挥出了其增强覆盖面积及缩短重访时间的优势，具有广阔的市场应用和产业发展前景。由互联网卫星或多类型遥感卫星组成的巨型星座，形成了现代低轨分布式异构星群。在国际形势和国内政策的推动下，面向互联网和通信-导航-遥感集成的低轨分布式异构星群的设计制造、运营和服务的技术变革正在发生，大规模分布式异构星群已成为国际航天领域发展的前沿和热点。
但是现有的遥感、导航、通信卫星系统各成体系、军民孤立、信息分离、服务滞后。遥感卫星需要过境或通过中继卫星向地面站下传数据，无星间链路和组网，数据下传瓶颈严重制约信息获取效率；北斗导航卫星具有短报文通信能力，但不具备宽带数据传输能力；通信卫星尚无自主的业务化卫星移动通信系统，对遥感、导航等天基信息的传输保障能力受限；且在服务模式方面主要面向专业用户，尚未服务大众。实际上，当前建设的分布式异构星群大都是统一化定制设计，功能定位基本一致，以高重访、大容量等功能形式提供用户服务，但面向未来“协同感知、自主管控、智能服务”的应用需要，尚存在单一功能星座信息维度不丰富、平台定制性较强、扩展能力受约束等不足。
分布式异构星群是通过不同类型卫星构建而成的网络化、智能化对地观测和通信服务系统，能够实现多视场、多谱段、多维度协同观测，同时兼顾小时级重访的高时效需求，其全新的大范围、高时效、全信息的服务模式将推动灾害应急响应、社会公共安全、智慧城市管理和大众化服务等国民生命健康、社会经济发展等领域的重大产业升级，是国家全球战略、应急救援、广域物联、国防安全等服务的重要保障，代表未来分布式异构星群的重要发展方向，必将增强我国空天战略科技实力。
分布式异构星群存在卫星成员数量众多、空间分布关系复杂时变、协同观测模式复杂多样等特点，因此不能仅依赖传统地面测控，还必须具备分布式协同控制能力。异构星群大多由轨道高度和轨道倾角各不相同的多组卫星构成，轨道的差异带来摄动力的较大差异。由于星群整体性能是与星群构型密切相关的，由此带来分布式异构星群的构型优化、动态协同任务规划、星群构型控制与重构、大范围轨道机动路径优化等关键技术难题。此外，基于通用可扩展接口和高性能计算单元的柔性智联卫星平台将能够大幅提升异构星群的协同能力、载荷适配能力以及整体智能化水平，能够充分发挥低轨大规模分布式异构星群数量多、功能多、载荷多的优势，提升分布式异构星群时空连续协同观测能力和在轨数据处理与实时服务能力。本书围绕“协同感知、自主管控、智能服务”的总体目标，面向分布式异构星群的构型设计与优化、智能任务规划与分配、星群构型控制与重构以及柔性智联卫星平台架构设计等关键技术问题开展研究。
全书共9章，包括四个部分的内容：第一部分是绪论，主要阐述分布式异构星群的研究背景、发展现状、典型服务场景与内涵特征；第二部分是分布式异构星群构型设计、任务规划与重构控制的基础理论，主要阐述轨道基础知识、空间几何关系、任务规划与轨道控制基本方法等问题；第三部分是建立分布式异构星群关键技术问题的理论模型，并提出构型设计优化、动态任务规划与分配、重构控制和协同控制方法；第四部分是构建分布式异构星群的柔性智联卫星平台、星地协同管控系统以及地面仿真系统的工程设计和验证。
受限于笔者能力，本书的观点难免有不妥之处，恳请读者批评指正，使之完善提高。
著者
2025年3月
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