面向任務(wù)的小衛(wèi)星自主指令設(shè)計(jì)

伍保峰 李志剛 李軍予 李娟 史簡(jiǎn)

（航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094）

1 引言

以往衛(wèi)星型號(hào)的在軌任務(wù)操作主要依靠程控指令完成，遙控?cái)?shù)據(jù)注入量大，并且存在注入遙控指令鏈不完整的可能，對(duì)衛(wèi)星在軌安全運(yùn)行造成嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)，為了保證遙控指令的安全性，需要地面遙控操作平臺(tái)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)［1］?，F(xiàn)代小衛(wèi)星裝載的有效載荷種類(lèi)和數(shù)量越來(lái)越多，如環(huán)境減災(zāi)-1A、1B衛(wèi)星有3種相機(jī)［2］，工作模式復(fù)雜，衛(wèi)星用戶(hù)需要了解多種復(fù)雜指令模版的細(xì)節(jié)，才能生成執(zhí)行正常任務(wù)的遙控注入數(shù)據(jù)，如此增加了衛(wèi)星用戶(hù)使用衛(wèi)星的難度。如何提高衛(wèi)星操作的效率和安全性，是衛(wèi)星用戶(hù)和研制方普遍關(guān)心的問(wèn)題。國(guó)外針對(duì)分布式航天器系統(tǒng)開(kāi)展了自主指令和控制技術(shù)的研究［3］。在我國(guó)，星務(wù)系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于小衛(wèi)星中，星上具備較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理和計(jì)算能力［4］，為優(yōu)化衛(wèi)星在軌任務(wù)操作提供了軟硬件基礎(chǔ)。為了簡(jiǎn)化衛(wèi)星遙控操作，提高衛(wèi)星的安全性、可靠性和可用性，降低衛(wèi)星對(duì)地面人工管理的依賴(lài)性，本文分析了小衛(wèi)星遙控指令執(zhí)行的特點(diǎn)，提出了面向任務(wù)的自主指令設(shè)計(jì)方案，可以有效簡(jiǎn)化衛(wèi)星遙控操作，并提高指令的安全性。

2 小衛(wèi)星遙控指令特點(diǎn)和設(shè)計(jì)原則

小衛(wèi)星只使用少量的直接指令用于部分關(guān)鍵設(shè)備加斷電或主備份切換控制，此外，由星載計(jì)算機(jī)執(zhí)行的遙控?cái)?shù)據(jù)和間接指令是控制衛(wèi)星工作的主要手段。星務(wù)中心計(jì)算機(jī)是整星的信息中心，接收遙控?cái)?shù)據(jù)和間接指令，并通過(guò)總線(xiàn)發(fā)送給各下位機(jī)。星務(wù)中心計(jì)算機(jī)監(jiān)視全星狀態(tài)，協(xié)調(diào)整星的工作，控制有效載荷在軌工作和參數(shù)重新設(shè)置。各下位機(jī)接收來(lái)自總線(xiàn)的遙控?cái)?shù)據(jù)和間接指令，完成相應(yīng)的控制。

1）小衛(wèi)星遙控指令特點(diǎn)

（1）大部分指令由星載軟件執(zhí)行，可以完成復(fù)雜的指令控制，支持帶參數(shù)的指令；

（2）如果指令執(zhí)行是有條件的，該條件是否滿(mǎn)足，可以由星上自主判斷，也可以由地面判斷；

（3）衛(wèi)星常規(guī)任務(wù)管理有一定的規(guī)律性，可以由固定指令系列完成，地面控制重復(fù)執(zhí)行；

（4）指令之間有一定的相關(guān)性。

2）設(shè)計(jì)原則

根據(jù)以上特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)遙控指令時(shí)應(yīng)遵循以下原則：

（1）安全設(shè)計(jì)：對(duì)于關(guān)鍵危險(xiǎn)指令，應(yīng)采取硬件或軟件措施保證遙控指令的安全性，確保任何情況下不對(duì)衛(wèi)星造成破壞性損傷。

（2）容錯(cuò)設(shè)計(jì)：星上軟件應(yīng)能夠完成遙控?cái)?shù)據(jù)和間接指令漏發(fā)時(shí)的重發(fā)，完成完整性和正確性判斷，自動(dòng)剔除錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)和指令。

（3）簡(jiǎn)化操作：星上設(shè)備應(yīng)當(dāng)盡量支持簡(jiǎn)化操作，減小星地操作的復(fù)雜性和人工誤操作的可能性。

（4）自動(dòng)故障監(jiān)測(cè)處理：判斷星上設(shè)備工作和健康狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)故障由星上自動(dòng)處理，避免故障范圍擴(kuò)大，并便于地面對(duì)衛(wèi)星的狀態(tài)監(jiān)視和管理。

3 面向任務(wù)的自主指令設(shè)計(jì)

美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）采用自主指令技術(shù)對(duì)衛(wèi)星群進(jìn)行控制［5］，在我國(guó)研制的小衛(wèi)星中，也不斷改進(jìn)衛(wèi)星遙控指令設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化衛(wèi)星操作并提高衛(wèi)星的安全性。以星務(wù)中心計(jì)算機(jī)為信息處理中心，充分發(fā)揮星載計(jì)算機(jī)的智能處理能力，對(duì)常用工作模式或異常處理的指令系列進(jìn)行封裝，例如，只須發(fā)送一條類(lèi)似“照相幾分鐘”的帶參數(shù)指令，即可控制一次有效載荷的工作，而不必了解星上設(shè)備工作需要幾條指令、指令順序以及控制設(shè)備等細(xì)節(jié)，避免了地面發(fā)送多條遙控指令可能導(dǎo)致指令鏈不完整等錯(cuò)誤引起的故障風(fēng)險(xiǎn)，簡(jiǎn)化了衛(wèi)星系統(tǒng)與用戶(hù)的接口關(guān)系。星務(wù)中心計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)的面向任務(wù)的自主指令功能，包括遙控?cái)?shù)據(jù)接收、程控指令、自主任務(wù)管理、自主故障監(jiān)測(cè)與處理、封裝系列指令和間接指令處理等功能模塊，其控制流程如圖1所示。

圖1 面向任務(wù)的自主指令控制流程圖Fig．1 Mission-oriented autonomous commands control flow

3．1 封裝系列指令

間接指令包括執(zhí)行條件標(biāo)志、指令代碼和參數(shù)。封裝系列指令技術(shù)對(duì)載荷工作、故障處理等需要的多條間接指令進(jìn)行封裝，包括間接指令代碼、時(shí)間間隔、最大允許執(zhí)行時(shí)間、執(zhí)行條件標(biāo)志、故障判據(jù)調(diào)整量、臨界資源標(biāo)志、指令執(zhí)行優(yōu)先級(jí)等信息，存儲(chǔ)在星務(wù)中心計(jì)算機(jī)中，可以通過(guò)遙控注入數(shù)據(jù)進(jìn)行在軌修改或增加。封裝系列指令代碼格式如圖2所示，執(zhí)行條件標(biāo)志的每一位對(duì)應(yīng)一種衛(wèi)星健康狀態(tài)，“1”為相關(guān)，“0”為無(wú)關(guān)。臨界資源標(biāo)志的每一位對(duì)應(yīng)一種臨界資源，“1”為相關(guān)，“0”為無(wú)關(guān)。具體的設(shè)計(jì)要配合程控、自主任務(wù)管理和自主故障監(jiān)測(cè)與處理等模塊的需求而進(jìn)行，支持它們完成特定的功能。

圖2 封裝系列指令格式Fig．2 Format of encapsulated batch commands

封裝系列指令在執(zhí)行時(shí)，判斷能源、姿態(tài)和熱控等衛(wèi)星健康狀態(tài)是否滿(mǎn)足執(zhí)行條件，對(duì)執(zhí)行條件標(biāo)志和衛(wèi)星健康狀態(tài)作“與”運(yùn)算，結(jié)果為“0”才可以執(zhí)行，還須判斷臨界資源使用是否與正在執(zhí)行的指令有沖突。由于衛(wèi)星工作模式的改變會(huì)引起故障判據(jù)的變化，根據(jù)封裝系列指令的執(zhí)行情況，實(shí)時(shí)修改故障監(jiān)測(cè)的判據(jù)，如載荷設(shè)備開(kāi)關(guān)時(shí)，要對(duì)整星電流判斷門(mén)限動(dòng)態(tài)調(diào)整。星上很多間接指令執(zhí)行是有條件的，錯(cuò)誤執(zhí)行可能造成嚴(yán)重后果，所以，在執(zhí)行間接指令時(shí)，判斷執(zhí)行條件是否滿(mǎn)足，否則執(zhí)行異常處理流程。例如，某星上設(shè)備有幾路電壓分別由幾條指令控制，要求嚴(yán)格按順序加電，否則設(shè)備就會(huì)損傷，在這種情況下星上需要嚴(yán)格判斷加電情況。如果不采取安全性設(shè)計(jì)措施，一旦在單機(jī)測(cè)試、整星測(cè)試和在軌長(zhǎng)期使用中由于某種原因發(fā)生漏指令問(wèn)題，則可能造成災(zāi)難性后果，封裝系列指令技術(shù)則可以有效避免這類(lèi)誤操作的風(fēng)險(xiǎn)。封裝系列指令執(zhí)行流程如圖3所示。

圖3 封裝系列指令執(zhí)行流程Fig．3 Implementation flow diagram of encapsulated batch commands

3．2 封裝系列指令啟動(dòng)方法

封裝系列指令可以由地面發(fā)送指令或程控指令啟動(dòng)，也可以由自主任務(wù)管理、自主故障監(jiān)測(cè)與處理模塊產(chǎn)生的特定事件觸發(fā)啟動(dòng)。

程控指令是一種廣泛使用的傳統(tǒng)衛(wèi)星操作方式，衛(wèi)星用戶(hù)選擇對(duì)應(yīng)任務(wù)的封裝系列指令，計(jì)算好指令執(zhí)行的開(kāi)始時(shí)刻，確定需要的執(zhí)行時(shí)間長(zhǎng)度等間接指令參數(shù)，把包含執(zhí)行時(shí)刻和間接指令代碼的數(shù)據(jù)注入到星上。星上計(jì)算機(jī)定時(shí)檢查程控指令的執(zhí)行時(shí)間，如果時(shí)間到，則按間接指令代碼啟動(dòng)相應(yīng)的封裝系列指令。對(duì)于一次任務(wù)，地面只須注入一條程控指令就可以完成任務(wù)的啟動(dòng)。

目前，衛(wèi)星有效載荷在軌工作主要靠地面注入的程控指令完成，采用在軌任務(wù)自主管理技術(shù)可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化衛(wèi)星操作。NASA 的深空-1（DS-1）、地球觀測(cè)-1（EO-1）、3CS（Three Corner Sat）等衛(wèi)星采用連續(xù)規(guī)劃與調(diào)度系統(tǒng)（Continuous Activity Scheduling，Planning，Execution and Replanning，CASPER）技術(shù)自主完成載荷的控制［6］。為了方便衛(wèi)星用戶(hù)的使用，2000年在我國(guó)海洋一號(hào)（HY-1）衛(wèi)星中，根據(jù)有效載荷主要重復(fù)觀測(cè)特定地理區(qū)域的工作特點(diǎn)，綜合利用GPS信息、能源信息和衛(wèi)星姿態(tài)信息，滿(mǎn)足條件后星上自動(dòng)產(chǎn)生觸發(fā)事件啟動(dòng)相應(yīng)的封裝系列指令，實(shí)現(xiàn)了有效載荷在我國(guó)境內(nèi)工作的自主運(yùn)行管理，降低了衛(wèi)星日常管理的工作量［7］。

自主故障監(jiān)測(cè)與處理模塊對(duì)整星狀態(tài)進(jìn)行分析、監(jiān)測(cè)，自動(dòng)更新整星的健康狀態(tài)作為封裝系列指令的執(zhí)行條件，發(fā)現(xiàn)異常時(shí)產(chǎn)生特定的事件觸發(fā)相應(yīng)的封裝系列指令，完成故障隔離、恢復(fù)或系統(tǒng)重組等措施，如對(duì)故障設(shè)備加斷電、主備機(jī)切換、恢復(fù)工作狀態(tài)和冗余系統(tǒng)重構(gòu)等。采用封裝系列指令技術(shù)有效解決了以往衛(wèi)星型號(hào)中的故障監(jiān)測(cè)與執(zhí)行指令的邏輯復(fù)雜、不易擴(kuò)展以及整星指令執(zhí)行時(shí)序不易控制等難題。

4 面向任務(wù)的自主指令在軌應(yīng)用情況

面向任務(wù)的自主指令已經(jīng)成功應(yīng)用到多個(gè)小衛(wèi)星型號(hào)，在軌應(yīng)用情況證明，它的確顯著簡(jiǎn)化了衛(wèi)星遙控操作和任務(wù)管理。2008年發(fā)射的環(huán)境減災(zāi)-1（HJ-1）衛(wèi)星，每種任務(wù)模式的指令間執(zhí)行時(shí)間相對(duì)固定，唯一不同的是成像時(shí)間長(zhǎng)度不同，采用了面向任務(wù)的自主指令技術(shù)，只須注入一塊數(shù)據(jù)（小于256byte）就可完成一個(gè)星期的工作任務(wù)，其效率比以往衛(wèi)星型號(hào)提高了約20～30倍，大大簡(jiǎn)化了衛(wèi)星管理的復(fù)雜度，并提高了衛(wèi)星的可靠性和安全性［8］。

2010年遙感-9（YaoGan-9）衛(wèi)星發(fā)射后，由于軌道輻照條件惡劣，單粒子事件發(fā)生頻繁，多臺(tái)設(shè)備發(fā)生了多種意想不到的故障模式，嚴(yán)重影響衛(wèi)星的正常使用。針對(duì)在軌新發(fā)生的故障，5次在軌升級(jí)星務(wù)中心計(jì)算機(jī)軟件的自主故障監(jiān)測(cè)與恢復(fù)功能模塊和封裝系列指令功能模塊，改進(jìn)故障監(jiān)測(cè)方法及封裝系列指令，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)故障，并在最短時(shí)間內(nèi)故障設(shè)備自動(dòng)恢復(fù)工作，把故障對(duì)衛(wèi)星的影響降到最低程度，有效保證了衛(wèi)星可靠性和可用性，顯示了面向任務(wù)的自主指令技術(shù)的作用和擴(kuò)展工作能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的小衛(wèi)星面向任務(wù)的自主指令技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用到我國(guó)多顆小衛(wèi)星上，經(jīng)過(guò)在軌飛行驗(yàn)證，有效提高了衛(wèi)星的可靠性、安全性和可用性，簡(jiǎn)化了衛(wèi)星的操作，比以往傳統(tǒng)的程控指令操作方式提高20～30倍的遙控注入效率。在后續(xù)衛(wèi)星型號(hào)研制中，需要根據(jù)衛(wèi)星的工作特點(diǎn)，進(jìn)一步改進(jìn)和完善面向任務(wù)的自主指令技術(shù)。

（References）

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