基于任務(wù)目標(biāo)的航天器自主控制技術(shù)研究

摘 要：傳統(tǒng)的航天器控制方式是基于指令的，這種方式受測控影響大、執(zhí)行靈活性差、自主性低，已經(jīng)無法適用于深空探測、實時對地觀測等新型的空間應(yīng)用。因此，文章提出基于任務(wù)目標(biāo)的航天器控制方式，對該方式的控制流程進(jìn)行分析，給出任務(wù)目標(biāo)的具體定義并研究了任務(wù)目標(biāo)與控制指令之間的轉(zhuǎn)換方法，從而實現(xiàn)基于任務(wù)目標(biāo)的自主控制。

關(guān)鍵詞：任務(wù)目標(biāo)；控制指令；工作模式

1 概述

從1957年人類發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星以來，空間技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，航天器的類型也在不斷增加，如通信衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星、深空探測器等[1]。航天器的功能隨著種類不同而存在差異，但無論何種類型的航天器，都是一個包含多種分系統(tǒng)、由多臺設(shè)備組成的復(fù)雜集合體，其功能的實現(xiàn)依賴于各組件之間的協(xié)同運作，因此需要正確的控制。

傳統(tǒng)的航天器控制方式是基于指令的，地面人員綜合考慮航天器任務(wù)需求和各種約束條件，制定相應(yīng)的控制指令序列，并在航天器處于測控范圍時上傳[2]，航天器接收指令后根據(jù)指令內(nèi)容在指定時刻執(zhí)行相應(yīng)的動作，然后返回遙測信息，完成對航天器的控制?？刂浦噶钌蟼骱瓦b測信息返回要求地面與航天器進(jìn)行頻繁地交互，因此對測控資源的依賴較為嚴(yán)重；控制指令的執(zhí)行時刻是固定的，當(dāng)遇到突發(fā)情況時無法自動調(diào)整，靈活性較差，不能滿足實時對地觀測等高動態(tài)特性應(yīng)用的要求；此外，這種控制方式以地面為主導(dǎo)，航天器缺乏自主性，已經(jīng)無法適用于深空探測等外部環(huán)境不確定、對自主性要求很高的應(yīng)用場合。

為了滿足新型空間應(yīng)用的要求，需要對傳統(tǒng)的航天器控制方式進(jìn)行改進(jìn)，因此，文章提出基于任務(wù)目標(biāo)的航天器自主控制技術(shù)，把航天器的控制方式從指令級別上升到任務(wù)級別，航天器接收任務(wù)信息后在軌自動生成所需的控制指令，實現(xiàn)自主控制。

2 基于任務(wù)目標(biāo)的航天器控制方式

傳統(tǒng)的基于指令的控制方式是一個典型的規(guī)劃、執(zhí)行和感知的循環(huán)過程。地面人員通過遙測信息來預(yù)測航天器當(dāng)前狀態(tài)，并結(jié)合任務(wù)安排進(jìn)行綜合規(guī)劃，生成完整的控制指令序列，完成規(guī)劃過程；地面中心上傳控制指令至航天器，航天器接收指令后分發(fā)給相應(yīng)的設(shè)備，完成執(zhí)行過程；控制指令執(zhí)行完畢以后，由測量設(shè)備采集各設(shè)備的狀態(tài)并通過遙測信息返回地面，用于后續(xù)任務(wù)的規(guī)劃，完成感知過程。在這種控制方式中，規(guī)劃過程是在地面進(jìn)行的，執(zhí)行過程和感知過程是在航天器上完成的。

為了減少對測控資源的依賴，增加指令執(zhí)行的靈活性和航天器的自主性，與基于指令的控制方式相比，基于任務(wù)目標(biāo)的控制方式把規(guī)劃過程轉(zhuǎn)移到了航天器上，如圖1所示。航天器接收任務(wù)目標(biāo)，該任務(wù)目標(biāo)可能來自地面中心，也可能由航天器上的智能任務(wù)模塊根據(jù)外部事件自主產(chǎn)生；規(guī)劃過程采用一定的規(guī)則和算法，把任務(wù)目標(biāo)轉(zhuǎn)換為完成任務(wù)所需的指令序列；感知過程采集執(zhí)行過程中的狀態(tài)信息，并反饋給規(guī)劃過程進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。

基于任務(wù)目標(biāo)的航天器控制方式有以下三個優(yōu)點：

（1）注入效率高。為了實現(xiàn)對航天器的控制，地面中心只需要上傳任務(wù)目標(biāo)，控制指令的生成由航天器自主完成，相比于指令序列的上傳，注入效率明顯提高[3]。

（2）受測控影響小。規(guī)劃過程位于航天器上，規(guī)劃所需的狀態(tài)信息和控制所需的指令序列均在航天器內(nèi)部傳遞，減少了與地面中心的交互，在特殊情況下，任務(wù)目標(biāo)可以由航天器自主產(chǎn)生，此時，航天器甚至可以在無地面干預(yù)的條件下保持較長時間的正常運行，降低了對測控的依賴。

（3）動態(tài)響應(yīng)特性強(qiáng)。規(guī)劃過程可以實時獲取航天器各設(shè)備的狀態(tài)信息，當(dāng)指令執(zhí)行出現(xiàn)偏差或遇到突發(fā)事件時，規(guī)劃過程可以迅速實施重規(guī)劃，根據(jù)外部條件動態(tài)調(diào)整之前的指令序列，指令執(zhí)行的靈活性很強(qiáng)，極大地提高了航天器的自主能力。

3 基于任務(wù)目標(biāo)的航天器控制實現(xiàn)

為了實現(xiàn)基于任務(wù)目標(biāo)的控制，需要解決兩個基本問題：任務(wù)目標(biāo)的定義、任務(wù)目標(biāo)和控制指令的轉(zhuǎn)換方法。

3.1 任務(wù)目標(biāo)的定義

航天器由多個分系統(tǒng)構(gòu)成，如熱控分系統(tǒng)、姿軌控分系統(tǒng)、通信分系統(tǒng)等，各分系統(tǒng)又包含一系列設(shè)備，如通信分系統(tǒng)包括天線、功率放大器、調(diào)制解調(diào)器等，因此，設(shè)備是航天器實現(xiàn)具體功能的原子單位，對航天器的控制本質(zhì)上是對各設(shè)備的控制，航天器任務(wù)目標(biāo)的完成依賴于各設(shè)備基本功能的實現(xiàn)。

設(shè)備在不同的時間段可能處于不同的狀態(tài)，分別表示不同的工作模式，如功率放大器包括關(guān)機(jī)模式、開機(jī)模式等。設(shè)備執(zhí)行控制指令后狀態(tài)發(fā)生變化，工作模式也隨之改變，把最常見的工作模式稱為默認(rèn)工作模式，表示設(shè)備不接收指令時所處的狀態(tài)，如關(guān)機(jī)模式為功率放大器的默認(rèn)工作模式。在航天器控制過程中，發(fā)送指令使設(shè)備從默認(rèn)工作模式轉(zhuǎn)移到完成任務(wù)所需的工作模式，任務(wù)完成后再恢復(fù)到默認(rèn)工作模式，因此，可以用工作模式來定義任務(wù)目標(biāo)，如下所示。

任務(wù)目標(biāo)：某一時間區(qū)間內(nèi)設(shè)備所處的工作模式。

根據(jù)定義，任務(wù)目標(biāo)可以用三元組<設(shè)備Device，時間區(qū)間Interval，工作模式Mode>來表述，記作Goal：Mode，其中，設(shè)備表示任務(wù)目標(biāo)的執(zhí)行對象，時間區(qū)間表示任務(wù)目標(biāo)的執(zhí)行時段，工作模式表示任務(wù)目標(biāo)的狀態(tài)要求。

3.2 任務(wù)目標(biāo)與控制指令的轉(zhuǎn)換

在基于任務(wù)目標(biāo)的控制模式下，航天器各設(shè)備最終執(zhí)行的仍然是控制指令，因此，本節(jié)對任務(wù)目標(biāo)和控制指令的轉(zhuǎn)換方法展開研究。以一個簡單的對地成像系統(tǒng)為例，設(shè)定該系統(tǒng)包括成像儀、溫控器和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)三臺設(shè)備，其中，成像儀用于對地觀測，溫控器對成像儀的溫度進(jìn)行控制以防止其受損，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)根據(jù)觀測目標(biāo)的方位把成像儀旋轉(zhuǎn)到合適角度進(jìn)行觀測。

在該成像系統(tǒng)中，設(shè)定以下三條約束條件：（1）溫控器在成像儀開機(jī)3分鐘前關(guān)閉，防止成像儀溫度過高造成損害。（2）溫控器在成像儀關(guān)機(jī)5分鐘后開啟，防止成像儀溫度過低造成損害。（3）成像儀在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)停止旋轉(zhuǎn)2分鐘后可以拍照，防止旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)抖動引起成像質(zhì)量下降。

成像系統(tǒng)中各設(shè)備的控制指令如表1所示。

假設(shè)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在T0時刻開始向成像區(qū)域旋轉(zhuǎn)，在T1時刻旋轉(zhuǎn)到位，成像儀拍照過程持續(xù)一分鐘，根據(jù)設(shè)備動作之間的約束條件（若無約束條件，設(shè)定相鄰兩個動作間的間隔為一分鐘），制定合適的指令序列來控制對地觀測任務(wù)。

在T0時刻旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)開始旋轉(zhuǎn)，在T0+1時刻溫控器關(guān)機(jī)，根據(jù)約束條件1，在T0+4時刻成像儀開機(jī)；在T1時刻旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)停止旋轉(zhuǎn)，根據(jù)約束條件3，在T1+2時刻成像儀開始拍照；在T1+3時刻成像儀停止拍照，在T1+4時刻成像儀關(guān)機(jī)，根據(jù)約束條件2，在T1+9時刻溫控器開機(jī)。具體的控制指令序列如表2所示。

上述過程是典型的基于指令的控制方式，為了實現(xiàn)基于任務(wù)目標(biāo)的控制，需要把指令轉(zhuǎn)換為任務(wù)目標(biāo)，因此，采用時間線來表示控制指令的執(zhí)行過程，如圖2所示。

圖2中，各設(shè)備在指定時刻執(zhí)行相應(yīng)的控制指令，從而引起設(shè)備狀態(tài)的變化。以旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為例，在T0時刻前，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)處于“靜止”狀態(tài)；從T0時刻執(zhí)行“開始旋轉(zhuǎn)”指令后，至T1時刻執(zhí)行“停止旋轉(zhuǎn)”指令前，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)處于“旋轉(zhuǎn)”狀態(tài)；在T1時刻后，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)恢復(fù)“靜止”狀態(tài)。其余設(shè)備的狀態(tài)隨著指令執(zhí)行而變化的過程類似，此處不再贅述。

根據(jù)上述分析，指令執(zhí)行時間線可以轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移時間線，如圖3所示。

圖3中，相鄰時刻之間的設(shè)備狀態(tài)是確定的，因此工作模式也隨之確定。以溫控器為例，在T0+1時刻前，溫控器處于“開機(jī)”狀態(tài)，工作模式為“開機(jī)”模式；在T0+1時刻至T1+9時刻，溫控器處于“關(guān)機(jī)”狀態(tài)，工作模式為“關(guān)機(jī)”模式；在T1+9時刻以后，溫控器恢復(fù)“開機(jī)”狀態(tài)，工作模式也恢復(fù)為“開機(jī)”模式。其余設(shè)備的工作模式類似，此處不再贅述。

在任意時間區(qū)間內(nèi)，各設(shè)備的工作模式是明確的，根據(jù)任務(wù)目標(biāo)的定義，此時任務(wù)目標(biāo)也是明確的，因此，狀態(tài)轉(zhuǎn)移時間線可以轉(zhuǎn)換為任務(wù)目標(biāo)時間線，如圖4所示，其中R-0和R-INF分別表示相對0時刻和相對無窮時刻，無具體意義。

圖4中，任意相鄰時刻之間的工作模式均可以視作任務(wù)目標(biāo)。以成像儀為例，在T1+2時刻至T1+3時刻處于“成像”模式，該任務(wù)目標(biāo)可以表示為 。

通過指令、狀態(tài)和工作模式之間的關(guān)系，圖2所示的基于指令的控制方式逐步轉(zhuǎn)換為圖4所示的基于任務(wù)目標(biāo)的控制方式。反之，給定任務(wù)目標(biāo)，規(guī)劃過程通過任務(wù)目標(biāo)之間的相互傳遞，使各設(shè)備從默認(rèn)工作模式轉(zhuǎn)移到指定工作模式，任務(wù)完成后再恢復(fù)為默認(rèn)工作模式，轉(zhuǎn)移過程中引起工作模式變化的所有指令即為最終的控制指令序列，從而完成任務(wù)目標(biāo)向控制指令的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)基于任務(wù)目標(biāo)的控制。

4 結(jié)束語

文章分析了基于任務(wù)目標(biāo)的航天器控制流程，在此基礎(chǔ)上對任務(wù)目標(biāo)的定義、任務(wù)目標(biāo)和控制指令之間的轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行論述，建立起基于任務(wù)目標(biāo)控制的一般性概念。與基于指令的控制方式相比，基于任務(wù)目標(biāo)的控制方式具有靈活性強(qiáng)、自主性高等優(yōu)點，在未來的空間探索中存在很大的應(yīng)用潛力，值得進(jìn)一步深入研究。

參考文獻(xiàn)

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