卫星集群的去中心化收益证明型任务协商方法

《Advances in Space Research》：Decentralized Proof-of-Benefit Mission Negotiation Method for Satellite Clusters

　　邱叶|云峰东
北京航空航天大学航空航天学院，北京100191，中国

**摘要**
地球观测卫星的功能实现模式正逐渐从单卫星独立执行转向卫星集群协作完成。这一转变要求卫星集群内部进行更细粒度的去中心化自主规划。为满足这一需求，本文提出了一种称为“利益证明”（PoB）方法的去中心化协商机制。PoB方法结合了区块链的竞争性共识和智能合约的自动规则执行理念。基于传统的哈希计算共识架构，它将组件层级任务规划问题作为共识问题来解决，从而实现组件层级的任务协商。其次，利用数字孪生技术建立了卫星集群的组件级多粒度模型，重点关注有效载荷、姿态和轨道控制以及电源子系统模型。通过设计多卫星多目标连续观测和受通信干扰影响的卫星集群场景，验证了PoB方法的协商效果、协商速度和容错能力。仿真结果表明，使用PoB方法的卫星集群具有更高的任务完成率和更短的协商时间，并且能够在较大干扰强度和规模下保持集群功能稳定性。

**引言**
随着空间技术的进步和市场需求的发展，传统的大型单体卫星正逐渐被分布式卫星集群所取代（Araguz等人，2018年；Abro等人，2025年）。任务的复杂性不断增加，加上对实时响应能力和系统稳定性的严格要求，促使集群控制方式从地面中心化方法转向自主卫星集群协调。在此分布式自主性的基础上，组件级去中心化协作是进一步的发展趋势，已成为未来空间架构的关键方向（Brown等人，2006年；Guo等人，2009年）。美国对未来空间架构的具体愿景是“弹性空间架构”（AFSPC，2013年），它认为未来的空间系统必须具备高容错能力，在系统故障、环境压力或对抗性活动的情况下仍能保持功能稳定。通过“解构”和“分布式”原理，去中心化组件级协作被认为是实现这一空间架构的关键途径（ASD(HD&GS)，2015年）。解构主张将卫星功能解耦到组件级别，通过跨卫星组件重新配置实现功能冗余，从而降低单点故障的风险。分布式网络支持在单个卫星故障时快速重新配置系统，确保系统的强健容错性。地球观测是卫星集群的主要应用领域，此类集群高效、安全和经济地执行地球观测任务本质上依赖于复杂的规划和协商过程。因此，研究针对地球观测卫星集群的高容错、去中心化组件级自主协调方法至关重要。

多卫星任务协商技术的发展经历了不同的阶段。早期的方法依赖于地面中心化规划，即在地面计算任务计划后再上传到卫星集群（Marinelli等人，2011年；Hen等人，2019年）；然而，这些方法受限于较弱的实时响应能力和对地面站的过度依赖。在此基础上，研究人员提出了“领导者-成员”卫星框架，其中每颗领导者卫星为一组成员卫星协调任务（Zheng等人，2017年；Li等人，2024年）。这种方法提高了协商的实时性能，但未能解决由于过度依赖领导者卫星而导致的系统容错性问题。意识到中心化规划的限制（如中心节点故障引起的性能瓶颈），后续的研究转向了具有增强容错能力的分布式协商策略。分布式集群协作的一个显著突破是Contract Net Protocol（CNP）（Aknine等人，2004年；Yao等人，2019年；Zhou等人，2024年）。尽管CNP保留了名义上的“领导者-成员”结构，但其能够在节点故障时重新选举领导者，并对领导节点没有异构性要求，这使得它实际上是去中心化的。学者们从多个维度进行了改进，包括提高规划效率（Du等人，2019年）、增强规划效益（Yang等人，2025年）和扩展应用场景（Zhang等人，2019年），取得了丰富的研究成果。然而，CNP的设计将目标观测过程作为一个整体任务分配给一个功能集成的卫星节点，这与通过将单体任务分解为多个适合的组件在集群中协作执行的组件级协作方法存在系统性差异。将CNP扩展到组件级协作需要对网络中的每个子任务分配进行单独协商，这导致协商量激增，尤其是在多卫星、多目标场景中严重影响其时效性。对于卫星而言，时效性至关重要，因为卫星间的通信连接性会随时间变化（Li等人，2022年；Ouyang等人，2024年）。此外，CNP的协商过程容易因缺乏协商冗余而受到干扰，任何参与者的通信失败都可能阻碍协商完成，显示出较差的架构容错性。因此，CNP在多卫星、多目标场景中的高容错、去中心化组件级协作方面存在不足。

基于区块链的竞争性共识方法为多卫星、多目标场景中的去中心化、高容错组件级协商提供了可能性（Yang，2019年；Lin等人，2023年）。首先，区块链方法下的节点通过独立计算达成共识，最小化了目标数量或问题复杂性引起的时效性问题。其次，区块链机制能够容忍动态节点的参与和退出。多个节点的竞争性计算和验证赋予其较高的容错能力，以应对部分节点故障。这些特性使其适用于高容错的去中心化组件级协作。然而，将区块链应用于卫星集群规划引入了两个关键挑战：首先是哈希计算的耗时性和资源密集性（Fan等人，2019年；Li等人，2024年），这与卫星有限的机载计算资源相冲突；其次是哈希值仅用于共识，缺乏实际的工程价值。尽管之前的研究尝试减少计算过程中的资源浪费（Philippopoulos等人，2020年；Wu等人，2020年；Hussein等人，2023年），但这些改进仍不足以满足卫星协商场景的需求。例如，Pericles Philippopoulos（2020年）提出了一种DIPS方法，从竞争算法共识机制的一致性问题出发，认为这类问题具有“解决难度高”和“快速解决方案验证”的特点。DIPS试图用具有相同特点的科学问题（如DNA比对）替代哈希计算，但卫星的机载计算资源过于宝贵，无法用于这些计算。此外，这些科学问题需要地面更新，使其不适用于机载环境。

为了解决这些挑战，本文引入了基于区块链竞争性共识框架的“利益证明”（PoB）机制。PoB通过在共识过程中集成卫星协商机制解决了CNP的通信开销问题，同时通过直接将任务规划纳入共识过程避免了计算浪费。对于卫星集群而言，任务规划问题本质上满足了“难以解决/易于验证”的标准：从卫星和目标的状态中找到最优的观测分配计划需要较高的计算能力，而评估给定计划的预期效益相对简单。PoB将任务计划计算作为节点共识目标，采用收益最高的计划作为共识结果。每颗具备规划能力的卫星根据同伴共享的状态信息和预定义的算法独立计算计划。通过投票实现的验证确定了最佳执行计划。借鉴智能合约的思想，块内容通过预设算法解决，而不是遍历方法，提高了共识效率并确保了协商过程的时间可控性。重要的是，它直接将共识努力（计算计划）与具有内在价值的结果（可执行计划）联系起来，消除了不必要的计算并解决了资源消耗问题。因此，PoB为地球观测集群提供了一种高容错、去中心化的组件级任务规划方法。

数字孪生（DT）技术为组件级卫星集群建模提供了途径。虽然多智能体系统与CNP的 bidding 动态相匹配并在其建模中得到广泛应用（Feng等人，2015年；Yang等人，2023年），但其基于卫星功能智能体的方法无法实现组件级粒度。相反，DT通过建模物理卫星组件的输入输出行为实现了组件级仿真（Schroeder等人，2016年；Ren等人，2016年）。然而，组件级建模极大地增加了复杂性，显著降低了仿真速度（Xie等人，2024年；Yuan等人，2025年），可能导致大规模资源超负荷和模型失败。利用子系统之间的固有稀疏性和它们不同的参数敏感性，提倡采用多粒度方法：根据稀疏性解耦系统模型，并仅对高度相互依赖的组件进行精细建模。采用虚拟-现实融合技术，利用真实遥测数据校准关键仿真参数，从而量化仿真不确定性并确保模型保真度（Wu等人，2024年）。通过引入校准的多粒度数字卫星模型，可以实现平衡模型精度和仿真速度的卫星组件级模型构建。

本文的贡献有三个方面：首先，提出了适用于去中心化卫星集群的PoB方法。通过将任务规划纳入共识机制，解决了共识机制的计算成本问题，实现了高容错的去中心化组件级卫星集群协商。其次，开发了一种适用于卫星集群任务规划的多粒度数字卫星模型构建方法，实现了复杂卫星系统的组件级按需建模。第三，将PoB方法引入多粒度数字卫星模型，并验证了其在卫星集群任务规划场景中的工程适用性。

本文的其余部分结构如下：第二节提供了必要的问题描述并定义了评估指标。第三节详细介绍了PoB机制及其与卫星集群任务规划的结合。第四节描述了建立多粒度数字卫星耦合框架的技术方法。第五节包含了一系列计算结果，展示了所提模型和方法的性能。第六节总结了我们的工作。

**问题陈述**
卫星地球观测能力通过执行目标观测的有效载荷子系统实现，以获取遥感数据。这一过程包括多阶段的协作链，涵盖关键步骤，如遥测和远控子系统（TTCS）的任务解析、姿态和轨道控制子系统（AOCS）的姿态调整、有效载荷子系统（PS）的观测执行、电力子系统（EPS）的能量供应以及数据...

**区块链利益证明方法框架**
本节从两个角度介绍了利益证明方法：其理论框架及其在卫星任务规划中的应用过程。

**多粒度数字卫星建模**
多粒度数字卫星模型根据功能需求选择子系统粒度，通过校准实现精度和仿真速度。对于地球观测集群规划，本文优先考虑有效载荷子系统，同时将姿态和轨道控制子系统及电力子系统的耦合作为主要约束条件，以验证PoB方法。

**计算实验**
本节提出了初步验证试验和三个正式的比较试验，旨在评估PoB共识方法在组件级卫星模型框架内的性能、效率和容错能力。初步试验包括两个内容：通过与真实卫星遥测数据对比来校准模型精度，以及通过详细检查方法的工作流程来验证每个程序步骤的正确性。随后的三个正式试验...

**结论**
本研究解决了主流多卫星多目标任务规划去中心化协商方法中存在的协商能力低和容错性不足的问题，提出了一种适用于组件级卫星集群内部自主任务规划的“利益证明”方法。构建了一个多粒度数字卫星模型，并设计了一个多卫星、多目标、多层次的任务仿真场景。

**未引用的参考文献**
美国空军太空司令部（AFSPC），2013年；Brown和Eremenko，2006年；Du和Li，2019年；Kodheli等人，2021年；Li和Huang，2024年；Yang和Liu，2023年。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

**致谢**
本研究部分得到了教育部航天器设计优化与动态仿真技术重点实验室的支持。