提高空間科學任務地面段系統(tǒng)與運行的費效比

+ 胡行毅 中國科學院國家空間科學中心

提高空間科學任務地面段系統(tǒng)與運行的費效比

+ 胡行毅 中國科學院國家空間科學中心

降低空間科學任務的費用是世界各國現(xiàn)在和將來都在致力的方向和挑戰(zhàn)。在空間科學工程地面段系統(tǒng)和運行中引入商業(yè)模式和提高綜合運行效率，能在可靠的運行條件下減少系統(tǒng)的成本和開銷。這里用近年發(fā)展出的微小衛(wèi)星綜合性空間任務運行系統(tǒng)（COSMOS）和GARADA SAR編隊飛行計劃的地面段任務開發(fā)為例表明對空間科學任務實施全生命周期的運行管理并降低地面段系統(tǒng)與運行費用是降低空間科學任務成本的有效途徑之一。

空間科學任務 地面系統(tǒng) 有效載荷。

1　概述

一個ESA空間科學任務的研發(fā)和執(zhí)行分成以下不同的階段：征集想法、提交科學計劃建議、建議書遴選、提交正式建議書(前期A階段)、定義階段（A、前期B、B1）、有效載荷選購評議階段、實施階段（B2、C/D、E1）、試運行與運行利用階段（E2）、維護處置與評價階段（F）等，這一過程稱為空間科學任務的全生命周期。[1]

空間科學任務設(shè)計時需要考慮一些要素，一般，由科學團隊負責定出科學目標和有效載荷模型，然后由技術(shù)團隊轉(zhuǎn)化成飛行器設(shè)計、任務分析、推進、地面段等等約束（圖1示）。而在現(xiàn)實實際中，這種轉(zhuǎn)化是雙向的，反復論證和迭代的過程，例如在質(zhì)量（mass）指標出現(xiàn)問題時，首先是直接影響實現(xiàn)科學目標的有效載荷的質(zhì)量。如果導致出現(xiàn)了不可接受的預算影響時，科學團隊和技術(shù)團隊就得緊密合作，需要重新定義科學需求。僅從定義階段就可以看出要支持實現(xiàn)一項空間科學任務的費用是很高昂的。

空間科學任務的設(shè)計與實施分為空間段任務和地面段任務。近年來、微衛(wèi)星和立方星的出現(xiàn)，已經(jīng)逐步降低了空間段任務的費用；相應的地面段任務要求用較低的成本和靈活的方法去支持諸如用多皮星軌道部署器（poly pico-satellite orbital deployer P-POD）彈射分離部署的立方星和皮衛(wèi)星的優(yōu)化管理運行，并對之建立起統(tǒng)一的驗收標準與方法。由于地面段任務的特點是支持和服務于空間科學任務的實現(xiàn)，具有相對的持續(xù)性、永久性和重復性，應該也有可能降低作為空間任務基礎(chǔ)設(shè)施的地面系統(tǒng)建設(shè)和運行的費用,以期達到空間任務特別是空間科學任務的可持續(xù)性和在費用上負擔得起。

通常，為了有效地支持空間科學任務，需要設(shè)計和建設(shè)地面段任務支持系統(tǒng)，用以獲取數(shù)據(jù)、操作運行、管理與協(xié)調(diào)任務、長管以及維護。其具體內(nèi)容也包括對有效載荷的全生命周期的管理，因而，地面段系統(tǒng)的任務建設(shè)和運行周期長，運行費用相對亦較高。

目前，可能減少空間科學地面段系統(tǒng)與運行成本的幾個方面是：

○不追求絕對的可靠性，例如：允許每軌（pass）丟失1%的數(shù)據(jù)，減少一些地面覆蓋率等；

圖1　空間科學任務設(shè)計

○減少要求地面系統(tǒng)實時或近實時地獲取數(shù)據(jù)，也盡可能減少最終用戶實時或準實時使用數(shù)據(jù)的要求，以保證地面低帶寬的傳遞數(shù)據(jù)；

○盡管允許個別用戶自己擁有數(shù)據(jù)處理的能力，但是操控功能和數(shù)據(jù)應該集中在一個地方，多數(shù)用戶可通過網(wǎng)絡(luò)訪問數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包括：任務規(guī)劃（指令準備和驗證）、和衛(wèi)星的TTC接口、星上設(shè)備的工況和健康狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)分發(fā)給最終用戶前的初步預處理、射前與射后地面電氣支持設(shè)備（EGSE）的使用等；

○盡可能共享國有和社會商業(yè)資源，例如共享TTC測控網(wǎng)和商業(yè)傳輸網(wǎng)絡(luò)等；設(shè)備盡可能模塊化并使用商業(yè)與現(xiàn)成的貨架產(chǎn)品，即插即用；

○盡可能采用自動化運行模式（開環(huán)）與自主運行模式（閉環(huán)），采用人工智能和專家系統(tǒng)，

提升系統(tǒng)的自治性和重用性。

本文首先介紹一種開放架構(gòu)的綜合性空間任務運行系統(tǒng)（COSMOS），它能支持一個或多個飛行器空間任務的全生命周期的運行，可以完成航天器設(shè)計、開發(fā)、測試和維護階段的任務。這是一組適合于有限經(jīng)費的航天器與有效載荷運行操作的開放的軟件工具，配合以硬件和飛行器、有效載荷、地面控制網(wǎng)絡(luò)及其它任務用戶的接口。其開放架構(gòu)的基本特征是易于做適應性修改，包括源代碼和外部模塊的插入。目前COSMOS的主要任務操作與支持工具（MOST）可支持LEO運行、國際探月任務的0階段研究及著陸器與巡視器監(jiān)控、動態(tài)電離層立方體實驗衛(wèi)星（DICE）、電話衛(wèi)星(PhoneSat)等多種空間任務。完成任務的基本需求是任務響應迅速和系統(tǒng)故障的快速恢復。其次介紹正在研發(fā)的澳大利亞GARADA SAR編隊飛行項目的地面段系統(tǒng)和運行。

通過美國和澳大利亞的兩個空間任務實例，表明對空間任務實施全生命周期的綜合管理，改進和降低地面段系統(tǒng)的成本是提高空間任務特別是空間科學任務費效比的有效途徑。

圖2　.功能架構(gòu)與接口關(guān)系

2　綜合性空間任務運行系統(tǒng)[2]

綜合性空間任務運行系統(tǒng)（COSMOS）是獲得美國宇航局開展促進競爭性研究的試驗計劃（NASA/ EPSCoR）所支持的一個項目。起始于2010年9月，于2013年8月31日完成階段性工作。由夏威夷大學的夏威夷空間飛行實驗室（HSFL）牽頭，目標是針對300kg以下的LEO微小衛(wèi)星的全生命周期任務運行提供一攬子的支持，內(nèi)容為AIT與校核、地面站、任務運行中心（MOC）和仿真操作測試試驗臺的設(shè)計、開發(fā)、實施與運行。這樣一個系統(tǒng)擁有能隨時嵌入外部應用和工具的即插即用框架（PNP）和開放的系統(tǒng)架構(gòu)和軟件，使用戶能迅速開發(fā)新的系統(tǒng)特性與功能。美國宇航局艾姆士研究中心（NASA Ames Research Center）是項目主要的合作伙伴。COSMOS的軟硬件任務運行工具已安裝于HSFL和ARC的任務運行中心，用于支持它們的微衛(wèi)星。

COSMOS能支持全生命周期的空間任務運行功能，包括：任務的規(guī)劃與計劃、信息來往操作、數(shù)據(jù)管理、任務分析、任務狀態(tài)的顯示投影、測試試驗臺仿真操作、地面網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、有效載荷操作、平臺姿軌動力學、系統(tǒng)管理和質(zhì)量保證等。為了完成任務運行功能，該系統(tǒng)提供了任務運行人員和飛行器人員、地面控制網(wǎng)絡(luò)人員、有效載荷人員以及其他客戶的接口。各任務地面站配置一臺計算機用于COSMOS與地面站之間的數(shù)據(jù)管理接口，監(jiān)控地面站的運行狀態(tài)。

COSMOS基本的功能架構(gòu)與接口關(guān)系如圖2示。提供的基本元素是以圖形界面完全交互性地創(chuàng)建仿真器，操作測試試驗臺以及飛行與運行軟件。COSMOS所支持的任務運行按功能流程有4個主要的過程：

?任務規(guī)劃與分析，也包含指令排序和仿真器與操作測試試驗臺（OTB）；

?MOC與地面網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各項信息來往操作；

?COSMOS吞吐的全部數(shù)據(jù)管理；

?任務分析，包含分析趨勢、狀態(tài)、軌道、彈道，任務完成等有助于判決任務成功的有效措施的數(shù)據(jù)，將任務分析的結(jié)果反饋給任務規(guī)劃員、航天器工程師（特別是解決飛行器自主問題）、任務管理員和客戶。

完成COSMOS任務運行主要功能的系統(tǒng)（工具）如下，它們對于新模塊可以PNP嵌入：

?任務規(guī)劃與計劃系統(tǒng)（MPST工具）

?任務運行與支持系統(tǒng)（MOST工具）

?操作測試試驗臺控制系統(tǒng)（OTB工具）與仿真器

?地面段控制系統(tǒng)（GSCT工具）

GSCT的輸入來自用戶、客戶與任務運行和支持工具，輸出到客戶與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。和地面網(wǎng)絡(luò)以圖形化接口。包括：各個地面站的相關(guān)信息，例如：位置、天線類型、地面站往來接觸信息、地面站狀態(tài)。顯示即將往來接觸時的地面站配置（亦即，正等待上載的文件，頻率設(shè)置，開環(huán)跟蹤的星歷文件），也要監(jiān)控在接觸時的地面站狀態(tài)，顯示天線指向角，實際與預計的天線指向、載波信號檢測與鎖定狀態(tài)、信號強度與數(shù)據(jù)率等。用戶從任務中心向地面站發(fā)送所需的指令。以一定的方式觀察地面段/網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，讓用戶快速而簡易地了解信息。也能在地圖上觀察到地面站狀態(tài)。

?數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（DMT工具）

?飛行動力學系統(tǒng)（FDT工具）

?COSMOS執(zhí)行操作器（CEO）

?引擎（ENGINES）

引擎是為完成COSMOS某些復雜的過程所提供的先進功能軟件工具。例如：星歷器、仿真器、分析與報告以及其他圖形工具。

COSMOS的中心部分，是可視化工具、支持工具以及生成與操作數(shù)據(jù)所需的其它工具集的一些底層程序，它們盡可能建立在現(xiàn)有的協(xié)議和方法之上。開放的架構(gòu)使COSMOS容易修改并適應于新的任務。其能支持多飛行器的軟件層次架構(gòu)與要素如圖3示：

系統(tǒng)對于設(shè)計、研制開發(fā)、運行操作和維護是一個完全開放的環(huán)境。系統(tǒng)的基礎(chǔ)是由一組支持各種功能套件的庫組成。包括：數(shù)學函數(shù)、軌道坐標計算、協(xié)議支持、操作測試試驗臺硬件與仿真支持。主要是對應于以上功能的一組軟件工具，包括：任務規(guī)劃與計劃、任務操作、測試試驗臺控制、地面段控制、數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)執(zhí)行操作器、各類分析與支持等。關(guān)鍵要素都由模塊組成，用現(xiàn)有的協(xié)議和方法來實現(xiàn)，易于移植、配置和擴充。

多飛行器能力

COSMOS能管理多任務多星。數(shù)量為幾個或少于幾十個飛行器時，它能在單一的一個MOC內(nèi)管理多任務，這時，各衛(wèi)星要么在主要的COSMOS工具中有其自己的部分要么在同樣的或不同的操作臺中有其自己的部分。倘若設(shè)備資源許可，就會更簡單更容易地配置一個衛(wèi)星一個操作臺，與其它主機的GSCT，一個DMT，以及一個運行COSMOS執(zhí)行程序的頂級協(xié)調(diào)操作臺。

關(guān)鍵是要高水平地自動管理多飛行器。COSMOS設(shè)計成‘熄燈（lights-out）’運行模式，無需人員常管，若系統(tǒng)檢測發(fā)現(xiàn)問題就自動給管理員發(fā)送能用于作出適當響應決定的短信，或者遙控或通過給MOC發(fā)信息來管理。采用公共的代理（agents）與工具來管理多飛行器數(shù)據(jù)的關(guān)鍵是清除和數(shù)據(jù)文件與組織數(shù)據(jù)有關(guān)的航天器標識。這一點用飛行器標識器來實現(xiàn)。

COSMOS要解決的更困難的問題是航天器群的任務規(guī)劃與計劃、指令生成與測試裝載、協(xié)調(diào)它們相互工作以及調(diào)配地面段的資源。

圖3　a

3　GARADA項目[3]

GARADA SAR編隊飛行項目是一項澳大利亞國際合作的空間對地觀察(EO)工程研究項目，其主要任務是探索測量澳大利亞的土壤含水量，森林生長情況和水災變化事件。項目開展于2010年12月至2013年6月(階段0、A范圍)，根據(jù)項目評估將繼續(xù)延續(xù)。GARADA由澳大利亞空間研究計劃(ASRP)提供經(jīng)費支持，澳大利亞新南威爾士大學（UNSW）的澳大利亞空間工程研究中心（ACSER）牽頭負責，合作伙伴有其他的澳國內(nèi)外的大學與公司。GARADA項目的研究工作按工作分解法（WBS）由11個工作包組成，每一個工作包都由一位國際知名的首席研究員牽頭。工作包將潛在產(chǎn)生獨立研究的新知識和新概念，并反饋給項目定義的全部目標之中。這11個工作包分別是：空間系統(tǒng)工程和雷達應用、L波段SAR方案、L波段SAR系統(tǒng)分析、雙基雷達、原型導航接收機、編隊飛行算法、軌道模型、軌控分析、工業(yè)化分析、地面段研究和項目管理。

圖3　b.軟件要素

GARADA項目的任務設(shè)計是在需求分析的基礎(chǔ)上，其任務分為空間段和地面段。

空間段由飛行器、飛行器的地面支持設(shè)備及發(fā)射服務組成?？臻g系統(tǒng)由兩個間隔180度完全一樣的SAR衛(wèi)星編隊組成，衛(wèi)星運行于傾角97.9o的太陽同步軌道，軌道高度630km，降交點地方時06：00AM，軌道重復周期6天，每3天覆蓋澳洲全境。平臺包括姿軌控系統(tǒng)，熱控系統(tǒng)，電源系統(tǒng)，數(shù)管系統(tǒng)，推進系統(tǒng)和通信系統(tǒng)。有效載荷是L頻段SAR和高精度GNSS接收機。距離分辨4-11米（單視），方位分辨7米（單視、條帶）。任務運行和有效載荷操作以及有效載荷數(shù)據(jù)處理都在澳大利亞本土并由澳大利亞人員負責。

地面段定義是在空間段概念和用戶需求的基礎(chǔ)上，內(nèi)容概括了地面段概念，運行，需求，地理位置部署與系統(tǒng)架構(gòu)與實現(xiàn)。地面段設(shè)計使成本最小化，原則是盡可能地使用COSTS產(chǎn)品設(shè)備，并無縫地整合到現(xiàn)有的EO系統(tǒng)之中。經(jīng)過評估后，預計地面段系統(tǒng)總共計劃69個月完成A,B,C,D階段。GARADA地面段定義還包括到南極地面站的數(shù)據(jù)流建模（利用南極寬帶ASRP項目）。

地面段由全部地面系統(tǒng)和運行組織機構(gòu)組成。它們分別支持任務運行前的準備活動、地面系統(tǒng)運行以及全部運行結(jié)束后的活動。

按設(shè)計，接收站使用南極接收站（AG）接收極軌衛(wèi)星的下行數(shù)據(jù)，以提供良好的軌道覆蓋，利用國家寬帶網(wǎng)絡(luò)（NBN）和南極寬帶（AB）鏈路系統(tǒng)，將下行數(shù)據(jù)從南極中繼回澳洲大陸。這就使南極接收站具有翻倍的下行能力，即接收現(xiàn)有的極軌衛(wèi)星與未來規(guī)劃的依賴于挪威Svalbard接收站的極軌衛(wèi)星的接收。第二個地面站是現(xiàn)有的Tasmania接收站，以提供輔助軌道覆蓋和冗余備份，但需要升級。

地面段系統(tǒng)由高速數(shù)據(jù)鏈路內(nèi)連的現(xiàn)有系統(tǒng)和定制系統(tǒng)組成。其架構(gòu)設(shè)計包括:

·地面站系統(tǒng) (GSS)

承擔有效載荷和遙測數(shù)據(jù)的下行接收和傳輸指令數(shù)據(jù)上行到GARADA飛行器；將澳大利亞現(xiàn)有的三個高數(shù)據(jù)率接收站升級到6個，即在東北部澳洲，西部澳洲和南極增加3個新站。能提供80%的極軌飛行器的訪問率，經(jīng)評價該布局對澳洲的覆蓋、冗余與分集最佳。

·任務控制系統(tǒng) (MCS)

承擔飛行器平臺與有效載荷的任務分析準備、規(guī)劃與計劃、測控監(jiān)控、操作運行與仿真、在軌軟件維護管理、數(shù)據(jù)管理、空地時間管理、和地面網(wǎng)絡(luò)管理與接收站的監(jiān)控等。解決方案是采用運行COTS軟件之COTS硬件計算平臺陣列，只開發(fā)COST軟件產(chǎn)品與系統(tǒng)的接口所需的定制軟件，以解決地面站控制的任務專門功能，SAR的管理，應用專門的數(shù)據(jù)庫和任務控制系統(tǒng)仿真器；

·任務管理和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) (MMDPS)

承擔SAR和GNSS有效載荷的校準與處理，影像的解釋，接受用戶的申請，向用戶分發(fā)處理的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。也包含任何從SAR數(shù)據(jù)測定土壤水分的處理算法和系統(tǒng)相關(guān)的需求。用主要運行定制軟件的COTS計算平臺來實現(xiàn)，軟件開發(fā)活動是需要開發(fā)將SAR回波數(shù)據(jù)處理成影像產(chǎn)品的軟件，以及需要開發(fā)進一步處理生成土壤濕度輪廓以及洪水、森林與油膜概況產(chǎn)品等復雜算法的軟件。數(shù)據(jù)產(chǎn)品分為：0、1A、1B、1C、1D和2級。

·通信系統(tǒng) (CS)

承擔地面系統(tǒng)之間和地面段與外部之間的全部語音和數(shù)據(jù)通信互聯(lián)；借用國家寬帶網(wǎng)提供的高速數(shù)據(jù)鏈來實現(xiàn)地理位置分離的各個地面系統(tǒng)從任務管理和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)到用戶之間的通信。從南極站的數(shù)據(jù)返回澳大陸規(guī)劃是通過已有的南極寬帶系統(tǒng)，現(xiàn)有的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)和海事衛(wèi)星Global Xpress（GX）系列寬帶衛(wèi)星對于南極鏈路也是可能的。對于SAR高速率數(shù)據(jù)采用X頻段全帶寬的雙寬帶數(shù)據(jù)鏈路將提供所需的數(shù)據(jù)率和現(xiàn)有地面站的兼容性；

·支持系統(tǒng) (SS)

提供地面段的硬軟件維護和升級，也負責飛行器飛行軟件的升級和上載。利用現(xiàn)有的COTS硬件和軟件工具來實現(xiàn)，僅需要進行很少的開發(fā)活動。

由于GARADA的所有數(shù)據(jù)都是在接收數(shù)據(jù)之后的地面完成，所以，地面段的需求應包括由用戶顧問組提出的數(shù)據(jù)處理需求。

地面段任務也包含培訓運行人員，承擔任務的準備和運行。典型的運行人員包括：

·運行經(jīng)理

·航天器操作人員

·SAR操作人員

·任務規(guī)劃人員

·飛行動力學工程師

·地面系統(tǒng)操作人員

·SAR 有效載荷研發(fā)人員，如科學與算法專家，最終用戶聯(lián)絡(luò)人員，產(chǎn)品生成支持人員和校準專家

·地面系統(tǒng)維護工程師.

用參數(shù)估計法（parameter estimation）對GSRADA項目的經(jīng)費做了粗略預估（ROM），供預算目的用。

GARADA的運行概念和任務目標是：

·研發(fā)的硬軟件要保持最小規(guī)模和最大利用現(xiàn)有的成熟硬軟件；

·滿足現(xiàn)有的監(jiān)管要求；

·為了最小的研發(fā)和運行成本，現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施要盡可能使用；

·GARADA系統(tǒng)要使用標準的數(shù)據(jù)格式以便允許最大的利用COTS產(chǎn)品并對現(xiàn)有客戶產(chǎn)生的影響最小；

·為了兼容未來可能的應用，設(shè)計系統(tǒng)以允許數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理分離并分成保密的和不保密的。

任務規(guī)劃包括飛行運行規(guī)劃、數(shù)據(jù)處理規(guī)劃、采集活動規(guī)劃。

4　結(jié)束語

因篇幅所限，從兩個國外空間項目的研究、設(shè)計和實施等簡介中，、方法和實施的狀況以及取得的實實在在的階段成果和利益。

對比我國，中科院正在進行的空間科學先導專項，雖然在這方面也已開展了有益的探索，但隨著我國空間科學事業(yè)的迅速發(fā)展和進步，空間科學任務的需求也在空前高漲。為了我國空間科學事業(yè)的持續(xù)發(fā)展和在經(jīng)費投入上能負擔得起或能辦更多的事，對空間科學任務實施全生命周期的綜合性管理，注意提高地面段系統(tǒng)與運行的費效比，使需求和供求相匹配，還有待進一步地研究和探討。

參考資料

[1]V.Martinez pillet etc., Payload and Mission Definition in Space Science, Cambridge University Press 2005,

[2]Trevor C. Sorensen etc., A University-developed Comprehensive Open-architecture Space Mission Operations System (COSMOS) to Operate Multiple Space Vehicles Proc.AIAA-1296468-2012

[3] Garada Final Report - Volume I - Main Report，2013

胡行毅，中科院國家空間科學中心研究員，從事空間電子與信息系統(tǒng)研究。