深空遙操作大回路延時研究

陳玉坤 榮 剛 歐連軍 張聲艷 馮忠偉

(中國運載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心，北京 100076)

深空遙操作大回路延時研究

陳玉坤 榮 剛 歐連軍 張聲艷 馮忠偉

(中國運載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心，北京 100076)

深空探測是航天未來發(fā)展的重要領(lǐng)域，遙操作技術(shù)是深空探測的重要研究內(nèi)容，是人類開展深空探測不可或缺的重要支撐技術(shù)。對遙操作交互模型進(jìn)行了研究，闡述了典型深空遙操作閉環(huán)系統(tǒng)的遙控、遙測功能實現(xiàn)過程，基于深空遙操作的直接控制模式，對回路延時組成參數(shù)進(jìn)行了分析，給出了回路延時各參數(shù)的工程測算方法，提出遙操作中遙測數(shù)據(jù)判讀時刻的修正方法。理論分析表明，該方法提高了連續(xù)指令發(fā)送效率，充分利用了系統(tǒng)資源，縮短了任務(wù)執(zhí)行時間。

遙操作 交互模型 回路延時 參數(shù)測算

1 引 言

隨著空間技術(shù)的進(jìn)步，人類探索空間的步伐逐漸加快，越來越多的深空探測器成為人類空間探索的先鋒或助手?？臻g遙操作系統(tǒng)為人類探索空間環(huán)境和完成復(fù)雜的空間任務(wù)提供了便利。相對于地面遙操作，深空探測具有距離遠(yuǎn)、信息傳輸時延大、現(xiàn)場信息有限的特點，從而給遙操作任務(wù)帶來了巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。對于空間遙操作，這種大時延將嚴(yán)重影響操作控制反饋的實時性和透明性，從而影響空間遙操作的安全性及可靠性，而且大的時變時延可能使系統(tǒng)失去穩(wěn)定性[1]。因此，遙操作系統(tǒng)中分析天地通信大回路的時延組成對飛行控制的影響具有重要意義，通過計算出時間延遲修正量，對飛行控制進(jìn)行調(diào)整，保證探測器按程序計劃高效正常運行。

2 典型深空遙操作系統(tǒng)

遙操作代表一類復(fù)雜高級的任務(wù)操作過程，比遙控概念更高一個層次。遙控是指控制端利用傳輸信道將控制指令傳送到相隔一定距離的被控對象，使其產(chǎn)生預(yù)定動作的過程。可見，遙控多指遠(yuǎn)程單向控制過程；而遙操作是指通過一系列的遙測與遙控構(gòu)成交互操作的過程。典型遙操作系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

美國國家航空和航天局(NASA)對遙操作的定義是：一種實現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制的人機(jī)系統(tǒng)，用于擴(kuò)展人的敏感能力、操縱能力和運動動力。歐洲航天局(ESA)對遙操作的定義是：借助遙控，由遠(yuǎn)方站上的機(jī)械裝置執(zhí)行的機(jī)械活動。與地球軌道航天器相比，深空探測器遙控的作用距離遙遠(yuǎn)，上行信號接收能力有限，上行數(shù)據(jù)碼率一般很低，因此要求探測器載遙控終端具有良好的低碼率指令接收解調(diào)能力。同時，由于傳輸時延大，不宜進(jìn)行返回校驗，通常采取糾錯編碼、信息加密或身份認(rèn)證等技術(shù)措施，以保證上行數(shù)據(jù)的正確性和安全性[2]。深空遙操作的實現(xiàn)是與遙測、遙控系統(tǒng)相緊密結(jié)合。

典型深空遙操作閉環(huán)系統(tǒng)組成及時延分析如圖2所示。遙控功能實現(xiàn)過程為：由深空地面站接收飛行控制中心送來的指令或注入數(shù)據(jù)，經(jīng)過加擾、BCH編碼、碼型變換后，調(diào)制到副載波上，通過大功率發(fā)射機(jī)和高增益天線向空間發(fā)射到探測器；探測器遙控終端接收到應(yīng)答機(jī)解調(diào)出的已調(diào)PSK副載波信號后，再二次解調(diào)出遙控指令或注入數(shù)據(jù)，輸出PCM碼流。指令譯碼器譯碼輸出遙控指令；數(shù)據(jù)譯碼器接收、解包和校驗注入數(shù)據(jù)，并將恢復(fù)的數(shù)據(jù)送往數(shù)據(jù)管理計算機(jī)或其他用戶，控制執(zhí)行部件，實現(xiàn)對探測器的控制。深空地面站向探測器發(fā)送的上行遙控信息包括遙控開關(guān)指令和注入數(shù)據(jù)兩部分。其中遙控開關(guān)指令是指控制探測器飛行姿態(tài)和探測器上設(shè)備工作狀態(tài)、主備機(jī)切換等開關(guān)命令；注入數(shù)據(jù)控制探測器運行的工作參數(shù)，包括軌道根樹、設(shè)備工作程序參數(shù)、延時遙控指令、時鐘校正和探測器計算機(jī)程序等。遙測功能實現(xiàn)過程為：執(zhí)行單元通過傳感器反饋任務(wù)的執(zhí)行狀態(tài)，將遙測信息送給探測器遙測遙控終端，遙測遙控終端經(jīng)過編碼、副載波調(diào)之后，通過空間鏈路傳遞，深空地面站接收信號，經(jīng)過解調(diào)、譯碼等處理，通過地面通信鏈路發(fā)送給飛行控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。

3 遙操作交互模型及回路延時分析

3.1 遙操作交互模型

遠(yuǎn)端探測器的研究現(xiàn)狀表明，由于受到機(jī)構(gòu)、控制、傳感和人工智能等支撐技術(shù)的限制，研制出能在未知或復(fù)雜環(huán)境下全自主方式工作的遠(yuǎn)端探測器在短期內(nèi)難以實現(xiàn)。因此從目前和長遠(yuǎn)來看，利用有限條件下的遠(yuǎn)端探測器和人機(jī)合作的遙操作技術(shù)成為完成空間作業(yè)任務(wù)的主要手段[3]。

遠(yuǎn)端探測器通常不需要或僅具備一定限度的自主控制能力，遠(yuǎn)端探測器與操作員組成一個大的閉環(huán)控制系統(tǒng)。當(dāng)操作員行為動作的指令信息到達(dá)遠(yuǎn)端探測器時，遠(yuǎn)端探測器按照該指令直接進(jìn)行動作或者依靠自己的局部閉環(huán)控制器來自行執(zhí)行命令，同時將運動中的執(zhí)行情況反饋到本地操作端，操作員判斷執(zhí)行情況，調(diào)整后續(xù)的操作指令。遠(yuǎn)端探測器的工作過程最終都在操作員的控制下。這種采用“發(fā)令-工作-等候”的直接控制模式可以降低系統(tǒng)的工作帶寬。

根據(jù)時延因素分析，建立變時延系統(tǒng)的遙操作交互模型，如圖3所示，該模型對時延可適時進(jìn)行修正[4]。遙測信息由探測器上傳感器獲取,并按預(yù)定周期傳送至地面飛行控制中心，地面飛行控制中心(簡稱飛控中心)根據(jù)此遙測信息計算后續(xù)相應(yīng)控制指令,并將下一步指令發(fā)送至探測器執(zhí)行,實現(xiàn)既定任務(wù)。

由圖3可知，由于飛控中心與空間探測器物理上的隔離,導(dǎo)致信號在傳輸過程中需經(jīng)歷天地通信回路環(huán)節(jié),使得控制回路中不可避免的存在時延。在操作者發(fā)出并上傳控制指令1后，空間探測器執(zhí)行一定的動作，同時將執(zhí)行動作后的遙測信息下傳至地面，以便操作者決定控制指令2是重復(fù)上傳控制指令1、執(zhí)行下一步操作還是進(jìn)行應(yīng)急處理?？刂浦噶?、控制指令2的上傳間隔時間是遙操作系統(tǒng)的重要設(shè)計指標(biāo)。若間隔過大，則造成指令上傳系統(tǒng)效率低下；若間隔過小，未來得及對探測器下傳的遙測信息進(jìn)行判讀，容易造成后續(xù)操作錯誤。因此，遙操作系統(tǒng)中分析天地通信大回路的時延組成對探測器飛行控制的影響具有重要意義，通過計算出時間延遲修正量，提高指令發(fā)送效率。

3.2 遙操作回路延時組成分析

在飛控中心對探測器實施控制的天地通信大回路中，遙控指令和注入數(shù)據(jù)從飛控中心遙控終端發(fā)出到產(chǎn)生響應(yīng)的遙測參數(shù)返回飛控中心，需經(jīng)過飛控中心計算機(jī)處理、飛控中心到深空地面站的通信鏈路傳輸、深空地面站計算機(jī)及遙測遙控設(shè)備處理、深空地面站到探測器的空間鏈路傳輸、探測器指令處理和遙測采編、遙測數(shù)據(jù)下傳的空間鏈路傳輸、深空地面站計算機(jī)及遙測遙控設(shè)備處理、深空地面站到飛控中心的通信鏈路傳輸?shù)冗^程[5]，各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的時延如圖2中T1～T10所示，具體說明見表1。

表1 遙操作回路時延組成

4 回路延時參數(shù)分類及工程測算方法

遙操作回路延時組成復(fù)雜，由于各個組成環(huán)節(jié)的量值較小，逐個測算延時參數(shù)比較困難，并且會導(dǎo)致誤差積累，因此，將遙操作回路時延大體上分為4類進(jìn)行預(yù)估[6]。各部分時延分類如下：

4.1 地面計算機(jī)處理時延

地面計算機(jī)處理時延，為飛控中心計算機(jī)與深空地面站計算機(jī)之間的時延，即表1中的T1、T2、T3；地面計算機(jī)處理時延分為上行和下行傳輸時延，上行傳輸時延指飛控中心發(fā)出信息到深空地面站的時延，下行時延指深空地面站發(fā)出信息到飛控中心的時延。需要注意的是，盡管圖2中用相同的T2、T3字母代號來示意，但由于通過不同的鏈路傳輸，盡管其具體數(shù)值稍微有差別，在工程中可近似用同一次測量值得到。

在工程應(yīng)用中，地面計算機(jī)處理上行傳輸時延的測算方法為：飛控中心向深空地面站發(fā)出一固定信息，同時記錄發(fā)出時刻t1，深空地面站計算機(jī)收到該信息后，再反饋一標(biāo)記時標(biāo)的信息給飛控中心，該信息中包含深空地面站計算機(jī)收到遙控指令的時間t2，根據(jù)t1、t2的2個時標(biāo)差可計算出上行傳輸時延。為了消除隨機(jī)誤差，可多次測算取平均值。

在工程應(yīng)用中，地面計算機(jī)處理下行傳輸時延的測算方法為：飛控中心接收深空地面站計算機(jī)發(fā)送的標(biāo)記時標(biāo)t3的信息，同時記錄收到信息的時刻t4，根據(jù)t3、t4的2個時標(biāo)差可計算出下行傳輸時延。為了消除隨機(jī)誤差，可多次測算取平均值。

4.2 測控通信設(shè)備時延

測控通信設(shè)備(以下簡稱：測控設(shè)備)時延為探測器與地面測控通信設(shè)備的時延，分為上行和下行傳輸時延,上行傳輸時延指遙控信息從進(jìn)入深空地面站測控設(shè)備到探測器測控設(shè)備解調(diào)出的時延,即表1中的T4+T7；下行傳輸時延指遙測信息從進(jìn)入探測器測控設(shè)備到深空地面站測控設(shè)備解調(diào)出的時延，即表1中的T8+T5。

在工程應(yīng)用中，上行遙控指令傳輸時延的測算原理為：測量從指令發(fā)出到探測器收到指令的時延量。具體方法是：將探測器遙控終端與地面站的遙控終端通過有線連接，分別記錄深空地面站收到遙控指令的時間和探測器上遙控指令計數(shù)的變化時間，該時間差即為上行傳輸時延。某型號探測器天地通信對接過程中測得的上行傳輸時延量約為百毫秒量級。

在工程應(yīng)用中，下行遙測信息傳輸時延的測算原理為：測量探測器遙測信息幀同步碼的時延量。具體方法是：將探測器遙測終端與地面站的遙測終端通過有線連接，用模擬器向探測器發(fā)送遙測數(shù)據(jù)，記錄探測器接收的遙測幀同步碼脈沖與地面站接收解調(diào)的幀同步碼脈沖的時間變化量，該時間差即為下行傳輸時延。

4.3 空間鏈路傳輸時延

空間鏈路傳輸時延，為電磁波在深空地面站與探測器之間的空間鏈路傳輸時間，即表1中的T6，T6=R/c，其中R為探測器與深空地面站的距離，根據(jù)導(dǎo)航信息可實時測得；c為電磁波傳播速度，取值為300000km/s。深空探測通信距離遙遠(yuǎn)，會引起通信的極大時延，空間遙操作系統(tǒng)的回路時延通?？蛇_(dá)幾秒甚至幾十分鐘[7]。表2總結(jié)出了太陽系各大行星與地球通信的信號空間傳輸時延。

表2 太陽系行星際探測信號損耗及時延

由表2可以看出，月球是離我們最近的天體，當(dāng)其運行到離地球最近時，單向空間傳輸最小時延只需1.2s，尚可滿足準(zhǔn)實時通信的要求；但對于海王星，其單向空間傳輸時延可達(dá)4.35小時，在遙控指令的發(fā)送、下行遙測數(shù)據(jù)判讀時刻就需要考慮傳輸時間延遲量的影響。

4.4 探測器內(nèi)部處理時延

探測器內(nèi)部設(shè)備處理時延包括探測器遙控指令響應(yīng)時間、遙測狀態(tài)采集時延等，即表1中的T9、T10，一般由探測器研制部門提供相應(yīng)指標(biāo)或通過實測得到。探測器內(nèi)部處理時延主要考慮遙測狀態(tài)采集的時延，即狀態(tài)采集周期。若狀態(tài)采集周期為1s，則時延為0s～1s。狀態(tài)采集周期與探測器內(nèi)部的硬件性能無關(guān)，一般根據(jù)探測器的下行傳輸碼率約束通過軟件來進(jìn)行控制。對于狀態(tài)變化比較快的參數(shù)，在一個采集周期內(nèi)通過多次采樣來實現(xiàn)。

5 回路延時對指令判讀影響分析

為了提高判讀指令執(zhí)行效率和準(zhǔn)確率，深空探測任務(wù)中，在發(fā)送指令之后，使用軟件自動判斷指令執(zhí)行情況，自動判斷指令執(zhí)行過程示意圖如圖4所示。

在圖4所示的天地通信大回路判斷過程中，指令經(jīng)飛控中心發(fā)出，延遲一段時間(即上行傳輸時延TKd)指令到達(dá)探測器，指令到達(dá)探測器經(jīng)處理和執(zhí)行，再延遲一段時間(即下行傳輸時延TYd)飛控中心開始讀取遙測狀態(tài)，即指令開始啟判，判斷是否滿足指令執(zhí)行判據(jù)，在指定的指令比判時間段(TKj)內(nèi)指令正常判出，則退出比判過程；否則，在超出指定時間后退出比判過程，將指令判為超時。其中開始讀取遙測狀態(tài)的時刻為指令啟判時刻，指定時間段為指令最長比判時間。指令比判流程圖如圖5所示。

從指令比判流程圖及過程分析，指令啟判時刻直接影響指令執(zhí)行情況判斷，若提前啟判相當(dāng)于壓縮了指令比判時間，可導(dǎo)致誤判指令未執(zhí)行；若延長指令比判時間，則系統(tǒng)等待時間過長，降低效率；若推遲啟判，則影響到根據(jù)狀態(tài)變化判斷執(zhí)行情況的指令，此時遙控軟件只能采集到指令執(zhí)行后的狀態(tài)，而未采集到指令執(zhí)行前的狀態(tài)，因此將誤判狀態(tài)未變化，從而導(dǎo)致誤判指令未執(zhí)行。因此，指令啟判時刻需根據(jù)天地通信大回路時延進(jìn)行修正，以充分利用指定的比判時間，準(zhǔn)確地判斷指令執(zhí)行情況。深空探測任務(wù)中，測控計劃中的遙控指令時刻為該上行指令實際到達(dá)探測器上并執(zhí)行該指令后的時間。

指令啟判時刻的計算方法為

Tsj=TKs+TKd+TYd或TKp+TYd

(1)

式中：TKs——為實際的遙控指令發(fā)送時刻；TKd——上行傳輸時延，TKd=(T1+T2)+(T3+T4)+T6+(T7+T9)，其中(T1+T2)+(T3+T4)+(T7+T9)為常數(shù)，用k來表示，T6與地星距離成正比，因此，上行傳輸時延可表示為：TKd=k+R/c;c——電磁波傳輸速度;R——深空地面站與探測器的距離;一般來說，k值不會太大，一般就是在秒級的量級上；TKp——計劃中遙控指令時刻；TYd——下行傳輸時延，TYd=T10+(T8+T5)+T6+(T1+T2+T3)，其中，(T1+T2+T3)為常數(shù)，T6與地星距離成正比，(T8+T5)與發(fā)令深空地面站及當(dāng)時探測器遙測編碼狀態(tài)相關(guān)，對于固定深空地面站和一定的探測器遙測編碼狀態(tài)，該時延是固定的，T10為指令判據(jù)的遙測狀態(tài)采集時延，介于0與該指令判據(jù)的遙測狀態(tài)采集周期之間。

深空探測任務(wù)中，由于探測器與地面的距離十分遙遠(yuǎn)，深空地面站至探測器間電波傳播單向時延為幾分鐘至幾十分鐘，而且由于受傳輸信道碼率的限制，遙測狀態(tài)采集周期較近地軌道探測器的周期要長很多。根據(jù)上述分析，指令啟判時刻不僅受探測器與地面距離的影響，而且與探測器遙測狀態(tài)采集周期相關(guān)，如果將指令啟判時刻簡單地取發(fā)令時刻，若要正常地判斷指令執(zhí)行情況，必須加長指令比判時間，這不僅將極大增加地面任務(wù)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，而且會加長發(fā)令間隔，不利于復(fù)雜、連續(xù)操作時的快速發(fā)令。根據(jù)天地通信回路時延分析，通過計算合理的指令啟判時刻，縮短了任務(wù)執(zhí)行時間，充分利用了系統(tǒng)資源，可較好地克服這一深空遙操作任務(wù)中的難題。

6 結(jié)束語

時延問題是深空遙操作系統(tǒng)重要研究內(nèi)容之一。本文對遙操作交互模型進(jìn)行了研究，闡述了深空遙操作系統(tǒng)的遙控、遙測功能實現(xiàn)過程，分析了天地通信回路時延的組成，提出了指令執(zhí)行情況啟判時刻的修正方法，通過確定合理的指令啟判時刻，確保在指定時間內(nèi)最大限度地完成指令比判，提高了連續(xù)指令發(fā)送效率，充分利用飛控中心計算機(jī)資源。將時延分析結(jié)果應(yīng)用于實際型號的深空探測飛行任務(wù)的指令執(zhí)行情況比判中，大大改善了遙控比判過程，提高了對探測器控制的準(zhǔn)確性。

[1] 楊艷華，陽方平，李洪誼等. 基于時延預(yù)測的空間遙操作系統(tǒng)廣義預(yù)測控制[J]. 載人航天，2013，19(2)：30～37.

[2] 吳偉仁，董光亮，李海濤等. 深空測控通信系統(tǒng)工程與技術(shù)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2013.

[3] 周劍勇，伍小君，周岳嬌等. 遙操作交會中時延影響的仿真試驗研究[J]. 載人航天，2013，19(1)：5～8.

[4] 張波，李海陽，唐國金. 變時延遙操作交會的Smith模糊控制[J]. 物理學(xué)報，2013，62(2)：1～10.

[5] 郝巖. 深空測控網(wǎng)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2004.

[6] 陳宏敏，戰(zhàn)守義，趙鳳才等. 深空探測任務(wù)天地時延分析[J]. 飛行器測控學(xué)報，2008，28(1)：69～71.

[7] 崔瀟瀟. 美國深空測控通信技術(shù)動向分析[J]. 空間電子技術(shù)，2010(3)：106～111.

Research on Big-Loop Time Delay in Deep Space Teleoperation

CHEN Yu-kun RONG Gang OU Lian-jun ZHANG Sheng-yan FENG Zhong-wei

(Research and Development Center, China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076, China)

Deep space detecting is the important subject for future space development. Teleoperation is the significant domain and indispensably essential technology of deep space detecting. The interactive mode of teleoperation is investigated, and the telecontrol and telemetry interactive process of typical deep space teleoperation closed-loop system is presented. Based on the direct control mode of teleoperation, the parameter of loop time delay is analyzed, and then the engineering calculation methods of loop time delay components are given. A modified way is proposed on dealing with the time of judging telemetry. The theory analysis indicates that the method can greatly improve continuous instruction efficiency, maximize system resource and decrease mission performance time.

Teleoperation Interactive mode Loop time delay Parameter forecast

2016-09-25，

2016-12-27

陳玉坤(1979-)，男，博士，高級工程師，主要研究方向：測控通信系統(tǒng)及數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

1000-7202(2017) 02-0062-06

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.02.13

TP732

A