一種近地軌道衛(wèi)星的自主作業(yè)管理的方法

李 巍

（上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240）

引言

隨著航天事業(yè)的發(fā)展，發(fā)射在軌的衛(wèi)星數(shù)量越來(lái)越多，衛(wèi)星載荷設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜。衛(wèi)星用戶(hù)單位需要消耗越來(lái)越多的人力資源用于衛(wèi)星的作業(yè)計(jì)劃編制。深空探測(cè)器由于通信控制回路較長(zhǎng)，一般設(shè)計(jì)為更多依賴(lài)自主任務(wù)規(guī)劃。靜止軌道衛(wèi)星由于星下點(diǎn)位置較為固定，探測(cè)目標(biāo)也較為固定，作業(yè)編排變化少。不同于深空探測(cè)器和靜止軌道衛(wèi)星，近地軌道衛(wèi)星的作業(yè)安排要求使用靈活、探測(cè)目標(biāo)不固定，可自主任務(wù)控制又允許人工深度干預(yù)。通過(guò)近地軌道衛(wèi)星自主作業(yè)管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星根據(jù)控制策略長(zhǎng)期無(wú)人值守自動(dòng)控制衛(wèi)星載荷工作，在處理緊急任務(wù)或任務(wù)模式發(fā)生變更時(shí)又可以通過(guò)少量注數(shù)實(shí)現(xiàn)載荷的靈活控制。

1 近地軌道衛(wèi)星的常規(guī)編制情況

近地軌道衛(wèi)星的作業(yè)計(jì)劃編制工作多為人工編排后遙控上注到衛(wèi)星。作業(yè)編排少有創(chuàng)新性，對(duì)于氣象衛(wèi)星、資源普查衛(wèi)星更是作業(yè)編制千篇一律少有變化。對(duì)于這些人工生成的作業(yè)，地面測(cè)控系統(tǒng)每天要協(xié)調(diào)地面上行資源發(fā)送遙控?cái)?shù)據(jù)到衛(wèi)星同樣消耗了大量的人力、物力。對(duì)于軍事衛(wèi)星，這種對(duì)地面運(yùn)控系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)的過(guò)分依賴(lài)是比較危險(xiǎn)的。一旦在戰(zhàn)時(shí)地面運(yùn)控系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)受到破壞這些衛(wèi)星由于不能自主生成作業(yè)而完全失去作用。

目前的衛(wèi)星載荷作業(yè)編制分為3種情況，都不同程度消耗大量的人力、物力資源進(jìn)行地面干預(yù)。

1） 地面用戶(hù)利用運(yùn)控系統(tǒng)編制每次任務(wù)的作業(yè)項(xiàng)或者指令序列，通過(guò)測(cè)控系統(tǒng)上注到衛(wèi)星。這些作業(yè)項(xiàng)或指令序列中包含衛(wèi)星載荷的開(kāi)機(jī)、關(guān)機(jī)的指令，載荷運(yùn)行的各種模式注數(shù)等信息。這些作業(yè)項(xiàng)或指令序列由衛(wèi)星進(jìn)行解釋、執(zhí)行，完成對(duì)載荷的開(kāi)、關(guān)機(jī)控制。遙控上注指令序列的方式是每次載荷工作前上注帶時(shí)間信息的指令序列。這樣的指令序列少則十幾條，多則近百條指令完成一次載荷的工作控制。由于遙控注數(shù)量大，而衛(wèi)星過(guò)境時(shí)間有限，就使得載荷控制工作次數(shù)較少，載荷利用不飽滿(mǎn)。上注作業(yè)項(xiàng)的方式，是地面上注作業(yè)項(xiàng)信息，這個(gè)作業(yè)項(xiàng)中包含開(kāi)、關(guān)機(jī)時(shí)間、載荷工作模式。上注到衛(wèi)星后由星載計(jì)算機(jī)進(jìn)行解析，把這個(gè)作業(yè)項(xiàng)分解成一串帶時(shí)間信息的開(kāi)、關(guān)機(jī)指令序列。多個(gè)作業(yè)項(xiàng)組成一個(gè)作業(yè)表，這種上注作業(yè)表的方式較上注指令序列的方式，節(jié)約了測(cè)控信道上注成本，在相同的過(guò)境時(shí)間內(nèi)可完成更多的作業(yè)上注。上注作業(yè)表對(duì)衛(wèi)星載荷進(jìn)行控制的方式雖然比上注指令序列的方式節(jié)約遙控上注成本，但由于每個(gè)作業(yè)仍然由地面人工干預(yù)生成，并未減少人力資源成本。

2） 某些資源普查衛(wèi)星利用衛(wèi)星軌道周期性重返的特點(diǎn)，一次上注可支持一個(gè)回歸周期內(nèi)工作的多個(gè)作業(yè)。衛(wèi)星反復(fù)執(zhí)行這些作業(yè)。一些衛(wèi)星軌道具有7天、10天等不同的軌道重返周期。用戶(hù)可以把一個(gè)周期的作業(yè)表上注到衛(wèi)星，由衛(wèi)星自動(dòng)重復(fù)執(zhí)行這些作業(yè)以簡(jiǎn)化衛(wèi)星的控制。由于衛(wèi)星軌道不可避免的飄移，地面控制人員要每隔一段時(shí)間重新調(diào)整這些作業(yè)配置，才能保證衛(wèi)星經(jīng)過(guò)正確的星下點(diǎn)時(shí)開(kāi)機(jī)工作。如果要臨時(shí)增加一些載荷作業(yè)，必須重新上注作業(yè)項(xiàng)，如果與周期性工作有沖突還需要重新上注整個(gè)周期的作業(yè)表。

3） 對(duì)數(shù)傳站、測(cè)控站的自主任務(wù)規(guī)劃。一些衛(wèi)星具有遙測(cè)數(shù)據(jù)下傳地面測(cè)控站、載荷數(shù)據(jù)下傳地面數(shù)傳站這些任務(wù)的自主規(guī)劃功能。由于遙測(cè)下傳作業(yè)、數(shù)傳下傳作業(yè)較為簡(jiǎn)單，數(shù)傳下行射頻的開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)序、工作模式、工作參數(shù)配置較為固定。星上存儲(chǔ)地面站類(lèi)型、地理經(jīng)度、地理緯度、地心緯度、地心距、最小工作仰角，當(dāng)衛(wèi)星經(jīng)過(guò)地面站上方，滿(mǎn)足最小工作仰角時(shí)進(jìn)行測(cè)控、數(shù)傳的單機(jī)開(kāi)機(jī)下傳數(shù)據(jù)。這種方法只針對(duì)測(cè)控、數(shù)傳等簡(jiǎn)單的程控。當(dāng)涉及到光學(xué)載荷、雷達(dá)成像載荷、無(wú)線電信號(hào)偵收載荷等復(fù)雜的程控，由于工作參數(shù)配置靈活，仍需要人工上注作業(yè)進(jìn)行控制。

以上三種衛(wèi)星載荷作業(yè)編制方法，都需要大量的地面控制人員干預(yù)。當(dāng)有臨時(shí)作業(yè)安排時(shí)，作業(yè)的注數(shù)量較大、注數(shù)生成復(fù)雜。本文提出的近地軌道衛(wèi)星的自主作業(yè)管理方法可以彌補(bǔ)這些不足。

2 近地軌道衛(wèi)星的自主作業(yè)管理方法

近地軌道衛(wèi)星自主作業(yè)管理方法是利用作業(yè)策略解釋模塊，根據(jù)作業(yè)模板庫(kù)、重點(diǎn)區(qū)域庫(kù)、作業(yè)策略庫(kù)的內(nèi)容在衛(wèi)星上自動(dòng)生成作業(yè)。由于重點(diǎn)區(qū)域根據(jù)星下點(diǎn)經(jīng)緯度劃分，衛(wèi)星根據(jù)GPS軌道數(shù)據(jù)或者軌道平根自動(dòng)推演衛(wèi)星飛臨重點(diǎn)區(qū)域的時(shí)間。無(wú)論衛(wèi)星軌道的重訪周期性如何都可以自主生成作業(yè)。當(dāng)發(fā)生臨時(shí)作業(yè)時(shí)，只需上注新的重點(diǎn)區(qū)域和新的作業(yè)策略即可，這兩者的遙控注數(shù)量都很小且生成簡(jiǎn)單，無(wú)需復(fù)雜的載荷使用背景知識(shí)。衛(wèi)星可通過(guò)上注更新作業(yè)模板庫(kù)、重點(diǎn)區(qū)域庫(kù)、作業(yè)策略庫(kù)的方式使衛(wèi)星載荷的使用靈活，衛(wèi)星根據(jù)這三庫(kù)信息完全自主控制衛(wèi)星載荷工作。根據(jù)不同的載荷特點(diǎn)配置不同的作業(yè)模板庫(kù)，使得本方法具有很好的通用性。

本方法既可以在日常在軌作業(yè)管理中節(jié)省了地面運(yùn)控系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)的大量工作；又可以在突發(fā)情況下的靈活變更作業(yè)。

如圖1所示近地軌道衛(wèi)星自主作業(yè)管理系統(tǒng)包括三庫(kù)（作業(yè)模板庫(kù)、重點(diǎn)區(qū)域庫(kù)、作業(yè)策略庫(kù)）、兩隊(duì)列（作業(yè)隊(duì)列、指令隊(duì)列）、兩模塊（作業(yè)策略解釋模塊、作業(yè)項(xiàng)解釋模塊）。

作業(yè)模板庫(kù)用于存儲(chǔ)常用的衛(wèi)星載荷工作參數(shù)配置。其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以模板編號(hào)為索引的一維數(shù)組，如表1所示。數(shù)組中每一個(gè)單元為一個(gè)作業(yè)模板項(xiàng)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表2所示。

表1 作業(yè)模板庫(kù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表2 作業(yè)模板項(xiàng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表2所示的作業(yè)模板項(xiàng)為一種通用的作業(yè)模板。衛(wèi)星上不同的載荷作業(yè)模板通過(guò)作業(yè)模板項(xiàng)中的載荷類(lèi)型碼進(jìn)行區(qū)分。例如某載荷的作業(yè)控制參數(shù)只有4個(gè)，分別長(zhǎng)度為8個(gè)字節(jié)、4個(gè)字節(jié)、12個(gè)字節(jié)、30個(gè)字節(jié)。那么對(duì)于這個(gè)載荷的作業(yè)模板中控制參數(shù)A長(zhǎng)度為8，控制參數(shù)B長(zhǎng)度為4，控制參數(shù)C長(zhǎng)度為12，控制參數(shù)D長(zhǎng)度為30?？刂茀?shù)區(qū)中為這4種54個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。作業(yè)模板項(xiàng)中的控制參數(shù)E到J長(zhǎng)度都是0。

重點(diǎn)區(qū)域庫(kù)用于存儲(chǔ)需要載荷開(kāi)機(jī)工作的星下區(qū)域。其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為以重點(diǎn)區(qū)域編號(hào)為索引的一維數(shù)組，如表3所示。數(shù)組中每一個(gè)單元為一個(gè)重點(diǎn)區(qū)域項(xiàng)，如表4所示。每一個(gè)重點(diǎn)區(qū)域項(xiàng)包括經(jīng)度1、經(jīng)度2、緯度1、緯度2,4個(gè)弧度值。在這2個(gè)經(jīng)度、2個(gè)緯度之間的區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)重點(diǎn)區(qū)域。

表3 重點(diǎn)區(qū)域庫(kù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表4 重點(diǎn)區(qū)域項(xiàng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

一般衛(wèi)星載荷對(duì)地工作都有一定的幅寬。衛(wèi)星實(shí)際工作區(qū)域不同于星下點(diǎn)經(jīng)過(guò)區(qū)域。如圖2中所示，當(dāng)衛(wèi)星經(jīng)過(guò)星下點(diǎn)區(qū)域緯度E、緯度F、經(jīng)度B、經(jīng)度C所包圍的范圍時(shí)，其載荷對(duì)地工作實(shí)際掃描的區(qū)域?yàn)榫暥菶、緯度F、經(jīng)度A、經(jīng)度D所包圍的范圍。重點(diǎn)區(qū)域的范圍由實(shí)際工作需求、載荷工作特點(diǎn)及載荷工作模式相關(guān)，當(dāng)載荷具有可轉(zhuǎn)動(dòng)的探頭或衛(wèi)星可滾動(dòng)、俯仰機(jī)動(dòng)時(shí)更是如此。

作業(yè)策略庫(kù)用于存儲(chǔ)作業(yè)策略。其結(jié)構(gòu)為作業(yè)策略編號(hào)為索引的一維數(shù)組，如表5所示。數(shù)組中每一個(gè)單元為一個(gè)作業(yè)策略項(xiàng)，如表6所示。每一個(gè)作業(yè)策略項(xiàng)包括本規(guī)則是否被激活信息、關(guān)聯(lián)作業(yè)模板項(xiàng)編號(hào)、關(guān)聯(lián)重點(diǎn)區(qū)域項(xiàng)編號(hào)、工作時(shí)間上限、工作時(shí)間下限、24小時(shí)內(nèi)執(zhí)行本作業(yè)次數(shù)上限、優(yōu)先級(jí)、工作時(shí)間排序方式、起始終止時(shí)間段限制等信息。

表5 作業(yè)策略庫(kù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表6 作業(yè)策略項(xiàng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

作業(yè)隊(duì)列用于存儲(chǔ)作業(yè)。該隊(duì)列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為循環(huán)隊(duì)列。隊(duì)列中作業(yè)項(xiàng)按執(zhí)行起始時(shí)間從小到大排序。作業(yè)項(xiàng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表7所示。 作業(yè)策略解釋模塊根據(jù)作業(yè)策略庫(kù)中的規(guī)則，查詢(xún)作業(yè)模板庫(kù)、重點(diǎn)區(qū)域庫(kù)中相關(guān)信息生成作業(yè)序列插入到作業(yè)隊(duì)列中。其工作流程如圖3所示。

表7 作業(yè)項(xiàng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表8 指令項(xiàng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

圖3 作業(yè)策略解釋模塊運(yùn)行流程

作業(yè)解釋模塊查詢(xún)作業(yè)隊(duì)列中執(zhí)行起始時(shí)間小于等于當(dāng)前衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)間的作業(yè)，根據(jù)優(yōu)先級(jí)大小刪除資源使用沖突的作業(yè)，并把該作業(yè)解釋成指令序列插入到指令隊(duì)列中。當(dāng)同一時(shí)間段同一載荷有多個(gè)作業(yè)時(shí)執(zhí)行優(yōu)先級(jí)高的作業(yè)。其工作流程如圖4所示。

圖4 作業(yè)解釋模塊運(yùn)行流程

3 結(jié)論

本文中衛(wèi)星根據(jù)地面預(yù)注的作業(yè)模板庫(kù)、重點(diǎn)區(qū)域庫(kù)、作業(yè)策略庫(kù)自動(dòng)生成作業(yè)，控制載荷系統(tǒng)工作。通常情況下，衛(wèi)星被要求飛臨重點(diǎn)區(qū)域時(shí)在能源足夠的情況下載荷系統(tǒng)盡量多開(kāi)機(jī)。本方法中的近地軌道衛(wèi)星自主作業(yè)管理系統(tǒng)完全可以滿(mǎn)足這樣的使用要求。當(dāng)把重點(diǎn)區(qū)域設(shè)置成幾個(gè)可以覆蓋全球的大塊區(qū)域，在作業(yè)策略中圈選擇規(guī)則設(shè)置為隨機(jī)排序、天內(nèi)最多作業(yè)數(shù)設(shè)置為1，就可以實(shí)現(xiàn)每天進(jìn)行全球范圍內(nèi)的一次探索性開(kāi)機(jī)工作。本方法既滿(mǎn)足了常規(guī)性作業(yè)管理又可以進(jìn)行探索性作業(yè)設(shè)置。衛(wèi)星的絕大部分作業(yè)管理工作通過(guò)發(fā)射前預(yù)先設(shè)置作業(yè)模板庫(kù)、重點(diǎn)區(qū)域庫(kù)、作業(yè)策略庫(kù)完成。在軌期間也可遙控注數(shù)修改這3個(gè)庫(kù)。衛(wèi)星間隔固定時(shí)間調(diào)用作業(yè)策略解釋模塊生成控制載荷工作的作業(yè)項(xiàng)。對(duì)于臨時(shí)決策的緊急作業(yè)可通過(guò)遙控注數(shù)直接把設(shè)置為高優(yōu)先級(jí)的作業(yè)項(xiàng)上注到作業(yè)隊(duì)列中。這樣可實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星的實(shí)時(shí)控制。通過(guò)使用近地軌道衛(wèi)星自主作業(yè)管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期無(wú)人值守而完成任務(wù)，也可以通過(guò)人工干預(yù)更新這3庫(kù)內(nèi)容而提高近地軌道衛(wèi)星的使用效能，在突發(fā)任務(wù)情況更是簡(jiǎn)單的注數(shù)就可完成任務(wù)變更。