遙感衛(wèi)星在軌可用性約束條件分析及對(duì)策

田志新 李小娟 楊易 王宇飛 王虎妹

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

隨著姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力的快速提升，遙感衛(wèi)星支持多點(diǎn)目標(biāo)成像、條帶拼接成像、非沿跡成像、立體成像等多種敏捷成像模式，衛(wèi)星成像模式、載荷組合模式、星上載荷數(shù)據(jù)處理模式、海量數(shù)據(jù)傳輸策略越來越復(fù)雜[1]。一方面，近15年來，我國遙感衛(wèi)星的任務(wù)模板數(shù)增長了29倍，任務(wù)指令數(shù)增長100%[2]，任務(wù)注入和星載設(shè)備的操控難度不斷加大；另一方面，用戶面臨如何通過操控策略改進(jìn)提升遙感衛(wèi)星在軌使用效能的難題：以某在軌綜合型遙感衛(wèi)星為例，對(duì)147天在軌測(cè)試的運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，衛(wèi)星能源使用效率不足50%、存儲(chǔ)資源使用效率不足40%、數(shù)傳弧段使用效率不足70%。因此，提升衛(wèi)星可用性設(shè)計(jì)成為迫在眉睫的問題。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，本文從系統(tǒng)工程的角度出發(fā)，以天地一體化視角，從任務(wù)注入、設(shè)備控制、信息獲取、數(shù)據(jù)傳輸、能源平衡五個(gè)維度，分析了制約遙感衛(wèi)星在軌可用性的主要環(huán)節(jié)。針對(duì)這五個(gè)環(huán)節(jié)，從三個(gè)方面提升遙感衛(wèi)星的在軌可用性：采用面向任務(wù)的“宏指令”，提升任務(wù)注入效率，并降低衛(wèi)星的操控難度；采用動(dòng)態(tài)任務(wù)規(guī)劃，提升衛(wèi)星能源、存儲(chǔ)資源和數(shù)據(jù)傳輸資源的在軌使用效率；采用星上指令序列優(yōu)化，提升衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)的執(zhí)行效率。本文方案已應(yīng)用于某領(lǐng)域遙感衛(wèi)星，與傳統(tǒng)在軌控制模式相比，衛(wèi)星的任務(wù)測(cè)控效率提升了約5倍，用戶操作接口復(fù)雜度降低了約94%，并顯著提升了衛(wèi)星存儲(chǔ)資源使用效率和海量數(shù)據(jù)傳輸效率。本文方案對(duì)后繼遙感衛(wèi)星可用性設(shè)計(jì)具有借鑒意義。

1 遙感衛(wèi)星在軌可用性約束分析

目前，遙感衛(wèi)星通過“任務(wù)規(guī)劃+指令生成”實(shí)現(xiàn)在軌控制。任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)根據(jù)成像需求、衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)、星載資源最大包絡(luò)使用約束、地面資源可用性等因素完成任務(wù)規(guī)劃，通過觀測(cè)區(qū)域、衛(wèi)星資源、地面接收資源匹配優(yōu)化，制定載荷工作方案和跟蹤接收計(jì)劃；接著，根據(jù)任務(wù)規(guī)劃的結(jié)果生成載荷控制指令序列，經(jīng)由測(cè)控系統(tǒng)上注給衛(wèi)星，在預(yù)定時(shí)間獲取成像數(shù)據(jù)和接收有效載荷數(shù)據(jù)[3]。用戶完成一次任務(wù)操作，涉及的環(huán)節(jié)包括：任務(wù)注入、星上設(shè)備控制、信息獲取和數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，同時(shí)，衛(wèi)星平臺(tái)必須為任務(wù)操作提供必要的能源。

1.1 任務(wù)注入環(huán)節(jié)分析

與傳統(tǒng)遙感衛(wèi)星相比，遙感衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力不斷加強(qiáng)，每軌成像任務(wù)數(shù)顯著增長。以軌道高度500 km的太陽同步成像衛(wèi)星為例，傳統(tǒng)模式下衛(wèi)星每軌成像任務(wù)僅1～2個(gè)，而法國昴宿星(Pleiades)等敏捷成像衛(wèi)星每軌的任務(wù)數(shù)增加到20個(gè)[4]。高分辨率對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星一般采用近90°傾角的太陽同步軌道，衛(wèi)星每天過境窗口短，在軌僅5%～10%的時(shí)間可在境內(nèi)執(zhí)行測(cè)控任務(wù)[5]，由于敏捷成像能力的提升，要求衛(wèi)星每天注入的任務(wù)量由20～30個(gè)提升到100～120個(gè)左右，基于“指令模板”的傳統(tǒng)運(yùn)控體制不能滿足使用要求。

1.2 設(shè)備控制環(huán)節(jié)分析

隨著衛(wèi)星功能性能快速提升，成像模式、數(shù)據(jù)處理模式、數(shù)據(jù)傳輸策略越來越復(fù)雜[6]。目前，遙感衛(wèi)星一般支持以下工作模式：多載荷組合、多姿態(tài)機(jī)動(dòng)策略下的成像記錄；多載荷組合、多姿態(tài)機(jī)動(dòng)策略下的境內(nèi)實(shí)時(shí)觀測(cè)；境外數(shù)據(jù)對(duì)地鏈路數(shù)據(jù)回放；基于中繼鏈路的境外數(shù)據(jù)回放；多載荷組合策略下的境內(nèi)準(zhǔn)實(shí)時(shí)觀測(cè)(又稱為“邊記邊放”)；多載荷組合策略下的境外準(zhǔn)實(shí)時(shí)觀測(cè)(又稱為中繼“邊記邊放”)等。鑒于指令使用不當(dāng)引起任務(wù)失敗、甚至導(dǎo)致星上設(shè)備損壞，地面操控人員的工作強(qiáng)度與風(fēng)險(xiǎn)越來越大。

1.3 信息獲取環(huán)節(jié)分析

給定飛行軌道，衛(wèi)星飛越成像目標(biāo)i和成像目標(biāo)j的時(shí)間間隔記做Ti,j。顯然，Ti,j越小表明衛(wèi)星獲取信息的能力越強(qiáng)。隨著姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力的增強(qiáng)，遙感衛(wèi)星開始支持敏捷成像，包括同軌多目標(biāo)成像，同軌多條帶拼接成像，同軌多角度觀測(cè)成像，非沿跡成像等。所有成像模式均可以簡(jiǎn)化為若干個(gè)快速點(diǎn)目標(biāo)成像任務(wù)，該類成像模式對(duì)星上動(dòng)作的實(shí)時(shí)性要求很高，如何縮短多次點(diǎn)目標(biāo)成像任務(wù)的控制時(shí)序成為提升信息獲取效率的核心環(huán)節(jié)。

1.4 數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)分析

在相同幅寬下，遙感衛(wèi)星載荷數(shù)據(jù)量與成像分辨率的平方成反比。遙感衛(wèi)星成像分辨率快速提升，導(dǎo)致衛(wèi)星載荷數(shù)據(jù)量快速增長。考慮到星載能源、頻譜資源等約束，我國遙感衛(wèi)星目前還是以對(duì)地?cái)?shù)據(jù)傳輸為主。由于歷史及地緣政治等原因，美國在全球設(shè)地面站，歐洲、俄羅斯在北極地區(qū)建立地面站，衛(wèi)星每天可用數(shù)傳弧段多，從而實(shí)現(xiàn)了高分辨率遙感衛(wèi)星的海量圖像數(shù)據(jù)下傳。目前，我國遙感衛(wèi)星主要依賴國內(nèi)地面站接收遙感圖像數(shù)據(jù)。我國國內(nèi)地面站的分布特點(diǎn)導(dǎo)致衛(wèi)星每天可用的數(shù)傳弧段少，提升數(shù)傳弧段的使用效率可以大幅度地提升衛(wèi)星的在軌使用效能。

1.5 星載能源約束分析

為了提升姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力，新一代遙感衛(wèi)星通過優(yōu)化轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和系統(tǒng)柔性提升敏捷成像能力。昴宿星(Pleiades)、軌道觀測(cè)-5(OrbView-5)、艾克諾斯-2(Ikonos-2)等衛(wèi)星對(duì)太陽翼展開方式進(jìn)行優(yōu)化，展開后太陽翼橫向尺寸變大，通過降低整星轉(zhuǎn)動(dòng)慣量提升姿態(tài)機(jī)動(dòng)速度；同時(shí)取消驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等活動(dòng)部件，通過提高太陽翼剛度降低整星柔性，減少姿態(tài)機(jī)動(dòng)到位后的穩(wěn)定時(shí)間。然而，上述設(shè)計(jì)導(dǎo)致星體在成像過程中對(duì)太陽翼形成遮擋，星載能源將制約衛(wèi)星可承載的任務(wù)量。隨著成像分辨率和姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力快速提升，載荷能源消耗水平快速增長和星載能源供給削減的矛盾愈發(fā)突出，衛(wèi)星操控必須確保星載能源安全。

2 面向可用性的遙感衛(wèi)星設(shè)計(jì)對(duì)策

針對(duì)制約遙感衛(wèi)星易用性的各類要素，提出了一種遙感衛(wèi)星運(yùn)控模式，從3個(gè)方面提升遙感衛(wèi)星的可用性：采用面向任務(wù)的“宏指令”取代“指令模板”，提升任務(wù)注入效率、簡(jiǎn)化星上設(shè)備控制難度；地面系統(tǒng)采用“動(dòng)態(tài)約束規(guī)劃”取代“靜態(tài)約束規(guī)劃”；星載計(jì)算機(jī)采用“自主指令序列優(yōu)化”取代“被動(dòng)執(zhí)行上注指令”，提升衛(wèi)星信息獲取、數(shù)據(jù)傳輸、能源使用的效率。

2.1 面向任務(wù)的“宏指令”操控模式

面向任務(wù)的通用操控模式正在取代指令序列注入模式，成為一種極有前景的運(yùn)控模式。采用面向任務(wù)的通用操控接口，地球觀測(cè)-1(EO-1)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了對(duì)冰凍圈、洪水、火山等突發(fā)自然災(zāi)害的應(yīng)急響應(yīng)能力[7]；火星探測(cè)車(Mars Exploration Rovers，MER)提升了航天器在復(fù)雜太空環(huán)境下的自主生存能力[8]；Kucinskis等人[9]則從面向“任務(wù)”的載荷建模方法、星載自主管理軟件架構(gòu)、星地?cái)?shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)等方面給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案。然而，文獻(xiàn)[7-9]只能處理工作模式簡(jiǎn)單、載荷操控方式不多的遙感衛(wèi)星，本文作者(田志新等)曾發(fā)表[10]將復(fù)雜遙感衛(wèi)星各類工作模式下的載荷控制流分解成四類“基本指令序列”和相互之間的約束關(guān)系。將四類基本指令序列包含的全部指令依次映射為有向圖的頂點(diǎn)，將全部指令時(shí)序關(guān)系映射為有向圖的邊，指令間的時(shí)間間隔映射為該邊的“時(shí)間間隔”屬性；將約束矩陣轉(zhuǎn)化為有向圖的邊，邊的指向代表指令的執(zhí)行順序約束，邊的“執(zhí)行時(shí)長”等于兩條指令執(zhí)行的時(shí)間間隔。于是，任務(wù)指令序列調(diào)度問題就對(duì)應(yīng)從衛(wèi)星有向圖模型中挑選“基本指令序列”組合、根據(jù)任務(wù)信息修正有向圖的頂點(diǎn)/邊屬性、并基于修正后的有向圖子圖進(jìn)行頂點(diǎn)排序的數(shù)學(xué)問題。如圖1所示的對(duì)地實(shí)時(shí)觀測(cè)任務(wù)有向圖模型， TCA1～TCA6是實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)處理基本指令序列映射得到的6個(gè)頂點(diǎn)，TCB1～TCB4是有效載荷B數(shù)據(jù)產(chǎn)生指令序列映射得到的4個(gè)頂點(diǎn)，TCC1～TCC3是天線控制基本指令序列映射得到的3個(gè)頂點(diǎn)，TCD1是姿態(tài)控制基本指令序列映射得到的1個(gè)頂點(diǎn)。有向圖邊包括兩類：一是基本指令序列內(nèi)部指令時(shí)序約束映射的邊，邊的長度代表基本指令序列內(nèi)部指令的時(shí)間間隔；另一類包括基本指令序列之間約束產(chǎn)生的邊，包括TCD1→TCA3、TCYB2→TCA3、TCYC2→TCYB2、TCA4→TCYB3、TCYB3→TCYC3，分別表示姿態(tài)機(jī)動(dòng)指令TCD1執(zhí)行90 s后發(fā)出數(shù)據(jù)傳輸指令TCA3，有效載荷B數(shù)據(jù)輸出指令TCYB2執(zhí)行后發(fā)出數(shù)據(jù)傳輸指令TCA3，天線轉(zhuǎn)動(dòng)指令TCYC2執(zhí)行140 s后發(fā)出有效載荷B數(shù)據(jù)輸出指令TCYB2，數(shù)據(jù)傳輸停止指令TCA4執(zhí)行后發(fā)出有效載荷B數(shù)據(jù)停止輸出指令TCYB3，有效載荷B數(shù)據(jù)停止輸出指令TCYB3執(zhí)行后發(fā)出天線停止轉(zhuǎn)動(dòng)指令TCYC3。

圖1 對(duì)地實(shí)時(shí)觀測(cè)任務(wù)有向圖模型Fig.1 Digraph-model of real-time imaging and transmitting mission

新的運(yùn)控模式只要定義三個(gè)“面向任務(wù)”的通用操控接口即可滿足各型衛(wèi)星使用。

(1)“成像記錄任務(wù)”：包括成像記錄工作模式字、任務(wù)代號(hào)、任務(wù)優(yōu)先級(jí)、成像區(qū)域、成像開始時(shí)刻、成像時(shí)長等成像任務(wù)信息，以及成像參數(shù)設(shè)置信息。

(2)“數(shù)據(jù)回放任務(wù)”：包括數(shù)據(jù)回放工作模式字、任務(wù)代號(hào)、回放模式、地面站(中繼星)標(biāo)識(shí)、回放起始時(shí)刻、回放時(shí)長等數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)信息。

(3)“邊記邊放任務(wù)”：包括邊記邊放工作模式字、任務(wù)代號(hào)、任務(wù)優(yōu)先級(jí)、邊記邊放模式、成像區(qū)域、成像開始時(shí)刻、成像時(shí)長等成像任務(wù)信息，地面站(中繼星)標(biāo)識(shí)、回放起始時(shí)刻、回放時(shí)長等數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)信息，以及成像參數(shù)設(shè)置信息。

2.2 動(dòng)態(tài)約束條件下的衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃

1)遙感衛(wèi)星數(shù)字化模型

用于在軌操控的遙感衛(wèi)星數(shù)字化模型包括衛(wèi)星行為模型和衛(wèi)星約束模型，如圖2所示。

圖2 遙感衛(wèi)星數(shù)字化模型Fig.2 Digital model of remote sensing satellite

(1)成像能力約束參數(shù)預(yù)估模型：將空間分辨率、觀測(cè)方向、信噪比等要求轉(zhuǎn)化為成像過程起止姿態(tài)角、掃描地速等衛(wèi)星工作狀態(tài)約束參數(shù)，為軌道弧段分析和姿態(tài)機(jī)動(dòng)分析提供依據(jù)。

(2)軌道弧段分析模型：基于任務(wù)目標(biāo)參數(shù)和衛(wèi)星工作狀態(tài)約束參數(shù)，得到軌道弧段范圍，為姿態(tài)機(jī)動(dòng)分析提供軌道參數(shù)序列。

(3)姿態(tài)機(jī)動(dòng)分析模型：基于軌道弧段范圍、任務(wù)目標(biāo)參數(shù)和衛(wèi)星工作狀態(tài)約束參數(shù)，對(duì)衛(wèi)星成像過程姿態(tài)預(yù)置、姿態(tài)復(fù)位的姿態(tài)機(jī)動(dòng)指向、角速度等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，為成像性能驗(yàn)證和衛(wèi)星約束模型提供姿態(tài)機(jī)動(dòng)參數(shù)序列。

(4)成像性能驗(yàn)證模型：基于載荷功能模型和任務(wù)目標(biāo)參數(shù)計(jì)算地面攝影點(diǎn)坐標(biāo)、空間分辨率、觀測(cè)高度角和方位角、信噪比等，驗(yàn)證衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)過程能否滿足成像性能要求。

(5)能源平衡約束模型：根據(jù)軌道與姿態(tài)動(dòng)態(tài)參數(shù)，基于衛(wèi)星三維動(dòng)態(tài)模型、日-地-星空間關(guān)系模型等限制條件，計(jì)算能源供給功率和消耗功率，分析是否滿足能源安全約束。

(6)數(shù)據(jù)平衡約束模型：根據(jù)載荷數(shù)據(jù)量/數(shù)據(jù)速率、星地?cái)?shù)傳/中繼數(shù)傳的數(shù)據(jù)量/數(shù)據(jù)速率，分析任務(wù)是否滿足星上數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力、數(shù)傳能力等數(shù)據(jù)平衡約束條件。

(7)對(duì)地(中繼)數(shù)傳弧段約束模型：根據(jù)衛(wèi)星軌道與姿態(tài)動(dòng)態(tài)參數(shù)和地面站(中繼星)位置，分析是否滿足對(duì)地(中繼)數(shù)傳天線最大指向范圍、最大轉(zhuǎn)動(dòng)角速度；基于衛(wèi)星構(gòu)型、太陽翼轉(zhuǎn)動(dòng)模型、對(duì)地(中繼)數(shù)傳天線構(gòu)型和轉(zhuǎn)動(dòng)模型，分析是否滿足可通視的約束條件；計(jì)算可用數(shù)傳弧段，并給出對(duì)地(中繼)數(shù)傳天線預(yù)置時(shí)間和預(yù)置角。

2)動(dòng)態(tài)任務(wù)規(guī)劃過程

(1)初始任務(wù)隊(duì)列求解。在不考慮星載能源約束和數(shù)傳天線遮擋的條件下，采用傳統(tǒng)的任務(wù)規(guī)劃方法，制定載荷工作方案和跟蹤接收計(jì)劃，得到初始任務(wù)隊(duì)列。

(2)基于對(duì)地?cái)?shù)傳弧段約束模型和中繼數(shù)傳弧段約束模型，計(jì)算數(shù)傳弧段和天線預(yù)置時(shí)間。根據(jù)初始任務(wù)隊(duì)列，綜合考慮星體構(gòu)型、衛(wèi)星軌道、任務(wù)姿態(tài)等信息，仿真天線指向角度，以及天線、星體和地面站(中繼星)之間的幾何關(guān)系，分析衛(wèi)星進(jìn)(出)地面站(中繼衛(wèi)星)的天線遮擋情況，得到本批次任務(wù)可用的數(shù)傳弧段；根據(jù)上次數(shù)傳任務(wù)結(jié)束時(shí)刻的天線停止位置，計(jì)算本次數(shù)傳天線的預(yù)置時(shí)長。

(3)基于數(shù)據(jù)平衡約束模型，實(shí)現(xiàn)成像任務(wù)-數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)匹配優(yōu)化。根據(jù)動(dòng)態(tài)仿真得到的數(shù)傳弧段，結(jié)合載荷數(shù)據(jù)量預(yù)估、成像任務(wù)優(yōu)先級(jí)等，取消低優(yōu)先級(jí)成像任務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)平衡。

(4)基于能源平衡約束模型，實(shí)現(xiàn)能源供給預(yù)估。根據(jù)衛(wèi)星軌道，星體滾動(dòng)、俯仰、偏航的姿態(tài)參數(shù)變化，動(dòng)態(tài)計(jì)算太陽翼的太陽光入射角和光強(qiáng)，并根據(jù)衛(wèi)星真實(shí)三維結(jié)構(gòu)模型計(jì)算太陽翼被衛(wèi)星本體遮擋的面積，計(jì)算出太陽翼的發(fā)電功率。

(5)任務(wù)級(jí)能源優(yōu)化和消耗仿真。根據(jù)任務(wù)的時(shí)間分布特性優(yōu)化多次成像過程的載荷開關(guān)機(jī)狀態(tài)，如果連續(xù)兩次成像任務(wù)的時(shí)間間隔大于載荷的關(guān)機(jī)時(shí)間與開機(jī)時(shí)間之和，則在兩次任務(wù)期間關(guān)閉載荷，以降低負(fù)載功耗；如果連續(xù)兩次任務(wù)的時(shí)間間隔足夠大，則將姿態(tài)回?cái)[到縱軸對(duì)地。之后，計(jì)算衛(wèi)星負(fù)載功率隨時(shí)間的變化情況。

(6)基于能源平衡的任務(wù)優(yōu)化。根據(jù)衛(wèi)星能源的供給和消耗關(guān)系，得到蓄電池在軌運(yùn)行過程中的放電深度，根據(jù)放電深度安全閾值、任務(wù)優(yōu)先級(jí)等，調(diào)整成像任務(wù)和數(shù)據(jù)回放任務(wù)，使蓄電池容量滿足安全運(yùn)行的要求。

(7)在衛(wèi)星能源比較充裕的時(shí)間段插入新的成像任務(wù)或數(shù)據(jù)回放任務(wù)，并對(duì)新的任務(wù)隊(duì)列重復(fù)步驟(2)～(6)，修正新的任務(wù)組合模式下的能源、數(shù)據(jù)傳輸約束條件。通過若干次迭代，形成最優(yōu)的任務(wù)列表和相應(yīng)的“動(dòng)態(tài)約束參數(shù)”。

(8)將最終的“任務(wù)信息”和“動(dòng)態(tài)約束參數(shù)”通過測(cè)控系統(tǒng)上注給衛(wèi)星。

2.3 星載自主任務(wù)管理

遙感衛(wèi)星接收到地面注入的“成像記錄”、“數(shù)據(jù)回放”和“邊記邊放”高級(jí)任務(wù)信息，以及基于模型仿真的動(dòng)態(tài)約束任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)得到的特定任務(wù)組合下的“動(dòng)態(tài)約束參數(shù)”，包括可傳輸?shù)臄?shù)傳弧段，天線預(yù)置時(shí)長，成像姿態(tài)預(yù)置時(shí)長等，基于用戶任務(wù)的時(shí)間分布特性，結(jié)合實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)信息，優(yōu)化有效載荷控制、數(shù)傳控制、天線控制、姿態(tài)控制過程，提升衛(wèi)星的信息獲取效率和海量數(shù)據(jù)傳輸效率。

2.3.1 基于關(guān)鍵路徑優(yōu)化的信息獲取效率提升設(shè)計(jì)

隨著衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力快速提升，前后相鄰成像任務(wù)的載荷控制可能產(chǎn)生操作沖突。對(duì)于給定飛行軌道，衛(wèi)星每天飛越兩個(gè)偵照目標(biāo)oi和oj的時(shí)間間隔是固定數(shù)值，記做Ti,j。顯然，Ti,i+1越小，表明衛(wèi)星獲取情報(bào)的能力越強(qiáng)。對(duì)于兩個(gè)連續(xù)目標(biāo)，衛(wèi)星必須在Ti,i+1時(shí)間內(nèi)完成目標(biāo)oi成像段、關(guān)機(jī)段的指令動(dòng)作，以及目標(biāo)oi+1開機(jī)段的指令動(dòng)作。本文作者提出基于有向圖拓?fù)鋬?yōu)化的相鄰任務(wù)最優(yōu)控制算法[11]。將成像任務(wù)指令序列抽象成三個(gè)基礎(chǔ)指令序列PL(p，q)，DP(b，c，d，e)和AOCS(r，s)，連續(xù)成像任務(wù)有向圖模型如圖3所示，每次任務(wù)包括頂點(diǎn)a，b，c，d，e，p，q，r，s及其之間的有向邊，a代表任務(wù)開始，c代表對(duì)目標(biāo)成像指令，d代表停止成像指令，b，p，r代表設(shè)備開機(jī)或姿態(tài)機(jī)動(dòng)指令，q，e，s代表設(shè)備關(guān)機(jī)或姿態(tài)恢復(fù)指令，上標(biāo)i表示第i次成像任務(wù)的相關(guān)變量。如果對(duì)第i/(i+1)個(gè)目標(biāo)開始成像指令對(duì)應(yīng)的有向圖最長路徑為ci→di→ei→ai+1→bi+1→ci+1,對(duì)兩個(gè)目標(biāo)成像的最短時(shí)間必須滿足Ti,i+1≥tcd(i)+tde(i)+tea(i)+tab(i+1)+tbc(i+1) 。成像段時(shí)間tcd(i)取決于第i次任務(wù)需求，tde(i)+tea(i) 是第i次任務(wù)關(guān)機(jī)段時(shí)間；tab(i+1)+tbc(i+1) 是第i+1次任務(wù)開機(jī)段時(shí)間，均無法進(jìn)行時(shí)序優(yōu)化。通過取消第i次任務(wù)基礎(chǔ)指令序列DP的關(guān)機(jī)段和第i+1次任務(wù)基礎(chǔ)指令序列DP的開機(jī)段指令，連續(xù)成像任務(wù)有向圖頂點(diǎn)的最長路徑減小為ci→di→si→ai+1→ri+1→ci+1,連續(xù)對(duì)兩個(gè)目標(biāo)成像的最短時(shí)間滿足Ti,i+1≥tcd(i)+tds(i)+tsa(i)+tar(i+1)+trc(i+1) 即可。通過對(duì)第i次成像任務(wù)關(guān)機(jī)段和第i+1次成像任務(wù)開機(jī)段時(shí)序優(yōu)化，可以大幅度提升衛(wèi)星的數(shù)據(jù)獲取能力。

圖3 連續(xù)成像任務(wù)的有向圖模型優(yōu)化Fig.3 Consecutive imaging mission optimization based on digraph model

2.3.2 基于提前預(yù)置、交叉使用的海量數(shù)據(jù)接力傳輸設(shè)計(jì)

高分辨遙感衛(wèi)星采用二維機(jī)械掃描點(diǎn)波束天線傳輸海量遙感數(shù)據(jù)。對(duì)于軌道高度500 km的遙感衛(wèi)星，以五個(gè)地面站(牡丹江、北京、喀什、昆明、三亞)為例，圖4給出了二維點(diǎn)波束天線數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)的時(shí)空分布特性圖，五個(gè)圓圈是五個(gè)地面站的可用數(shù)傳弧段，每個(gè)地面站對(duì)衛(wèi)星的可視時(shí)間不足9 min，可傳弧段平均時(shí)間約為7 min。多站接力時(shí)間約16 min，當(dāng)衛(wèi)星離開當(dāng)前地面站接收范圍并進(jìn)入其它地面站接收范圍時(shí)，需要天線快速轉(zhuǎn)動(dòng)并跟蹤下一地面站。天線對(duì)地跟蹤的角速度不超過0.6(°)/s，按照180°框架角估算，二維點(diǎn)波束天線的預(yù)置時(shí)間長達(dá)5 min，如果按照冷備份策略使用對(duì)地?cái)?shù)傳天線，天線預(yù)置時(shí)間將至少浪費(fèi)31%的對(duì)地傳輸弧段。衛(wèi)星運(yùn)行一圈約90 min，陸地面積占30%，衛(wèi)星在軌的空閑時(shí)間很長，對(duì)首個(gè)地面站傳輸前，有足夠多的空閑時(shí)間段完成天線預(yù)置；考慮到地面站的使用效率，地面任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)可確保衛(wèi)星對(duì)每個(gè)地面站的傳輸時(shí)間約7 min左右，可以利用數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間段完成下一次傳輸任務(wù)所用天線的預(yù)置動(dòng)作。由高分辨率成像衛(wèi)星的任務(wù)時(shí)空分布特性可知，利用衛(wèi)星任務(wù)的時(shí)空分布特性，通過提前預(yù)置、交叉使用的點(diǎn)波束天線使用策略，可以避免天線預(yù)置時(shí)間占用寶貴的成像弧段和數(shù)傳弧段。

圖4 海量遙感數(shù)據(jù)接力傳輸優(yōu)化Fig.4 Consecutive massive data transmitting mission optimization

2.4 新一代遙感衛(wèi)星運(yùn)控模式

綜上所述，可用性導(dǎo)向的新一代遙感衛(wèi)星運(yùn)控模式轉(zhuǎn)變?nèi)鐖D5所示。

1)從專用操控模式向通用操控模式轉(zhuǎn)變

傳統(tǒng)運(yùn)控下，每顆衛(wèi)星都需要地面系統(tǒng)配置一套指令模板。隨著在軌衛(wèi)星數(shù)快速增長，開發(fā)、維護(hù)費(fèi)用高。新模式下，只要定義3個(gè)面向業(yè)務(wù)的通用“宏指令”，即可滿足各型衛(wèi)星使用?！昂曛噶睢焙?jiǎn)化了星地界面，具有4個(gè)優(yōu)勢(shì)：①衛(wèi)星入軌后快速應(yīng)用，提升了部署速度；②用戶只要提供任務(wù)參數(shù)即可操控衛(wèi)星，降低了操控難度，避免了操作失誤的安全隱患；③注入一條指令即可完成數(shù)十條硬件指令的功能，提升了任務(wù)注入效率。④衛(wèi)星具備了協(xié)同觀測(cè)的能力：隨著我國天基觀測(cè)能力的逐漸增強(qiáng)，亟待通過高中低軌道天基資源協(xié)同觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)搜索、發(fā)現(xiàn)、識(shí)別、確認(rèn)、跟蹤等功能。采用傳統(tǒng)的操控模式，每顆衛(wèi)星需要彼此了解彼此的詳細(xì)設(shè)計(jì)信息才能實(shí)現(xiàn)協(xié)同操控；采用“宏指令”，每顆衛(wèi)星無需了解彼此設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)即可實(shí)現(xiàn)互操作，從而降低了研發(fā)和在軌維護(hù)成本。

圖5 面向可用性的遙感衛(wèi)星運(yùn)控模式升級(jí)Fig.5 Remote sensing satellite operation evolution for in-orbit usability

2)從靜態(tài)任務(wù)規(guī)劃向動(dòng)態(tài)任務(wù)規(guī)劃轉(zhuǎn)變

衛(wèi)星能源、存儲(chǔ)資源和數(shù)傳弧段資源將成為制約高分辨率敏捷衛(wèi)星的短板。在新的運(yùn)控模式下，首先在不考慮資源約束條件下，得到初始的任務(wù)規(guī)劃隊(duì)列；之后，地面任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)根據(jù)衛(wèi)星方提供的“數(shù)字化模型”，動(dòng)態(tài)計(jì)算任務(wù)隊(duì)列對(duì)應(yīng)的真實(shí)蓄電池電量、可用星載存儲(chǔ)資源容量、可傳輸數(shù)傳弧段長度，天線預(yù)置時(shí)長，成像姿態(tài)預(yù)置時(shí)長等，修正約束條件；通過約束條件和任務(wù)隊(duì)列之間的閉環(huán)迭代優(yōu)化，避免傳統(tǒng)運(yùn)控模式過渡保守的資源約束制約衛(wèi)星使用效能。

3)從星地開環(huán)管理向星地閉環(huán)管理轉(zhuǎn)變

衛(wèi)星除了回放載荷數(shù)據(jù)，還將運(yùn)行過程的工程參數(shù)回放到地面系統(tǒng)，分析實(shí)際運(yùn)行過程與地面“數(shù)字化衛(wèi)星模型”的預(yù)測(cè)差異，定期修正能源模型、姿態(tài)機(jī)動(dòng)模型等，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用策略與衛(wèi)星特性的匹配性，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星全生命周期的精細(xì)化運(yùn)營管理。同時(shí)，衛(wèi)星根據(jù)實(shí)時(shí)遙測(cè)信息自主優(yōu)化成像過程和數(shù)據(jù)回放計(jì)劃，并將星上自主調(diào)整的結(jié)果通知地面任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)，地面任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)根據(jù)衛(wèi)星的運(yùn)行狀態(tài)優(yōu)化后繼用戶任務(wù)。

3 應(yīng)用效益分析

以某在軌綜合型遙感衛(wèi)星為例，僅從任務(wù)注入效率、用戶操作復(fù)雜度、對(duì)我國實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)效率的角度出發(fā)，分析本文運(yùn)控模式相比傳統(tǒng)運(yùn)控模式的優(yōu)勢(shì)。該衛(wèi)星采用太陽同步回歸圓軌道，軌道高度490 km。衛(wèi)星裝載3臺(tái)相機(jī)載荷，支持單相機(jī)載荷成像、相機(jī)載荷兩兩組合成像、3臺(tái)相機(jī)聯(lián)合成像共計(jì)7種載荷組合模式。支持每軌一次姿態(tài)機(jī)動(dòng)成像或者連續(xù)兩次姿態(tài)機(jī)動(dòng)成像，共計(jì)2種成像姿態(tài)機(jī)動(dòng)策略。衛(wèi)星配置兩副點(diǎn)波束數(shù)傳天線和一副低速數(shù)傳天線，支持總計(jì)3種數(shù)據(jù)傳輸模式，其中對(duì)地天線的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為飛行方向-105°～+105°，垂直飛行方向-70°～+70°，轉(zhuǎn)動(dòng)速度1(°)/s，天線預(yù)置時(shí)間的最大包絡(luò)為210 s。對(duì)于我國境內(nèi)成像任務(wù)，采用高速實(shí)時(shí)傳輸、高速邊記邊放、低速邊記邊放模式；對(duì)于我國境外的成像任務(wù)，采用境外成像數(shù)據(jù)記錄，境內(nèi)高速回放或者低速回放模式，衛(wèi)星在軌需要支持共計(jì)6種數(shù)據(jù)處理方法。采用“宏指令”，每個(gè)用戶任務(wù)包含的信息不超過40字節(jié)，傳統(tǒng)運(yùn)控模式下每個(gè)上行注入任務(wù)數(shù)據(jù)塊可以容納6個(gè)任務(wù)，注入效率提升了5倍；采用3個(gè)面向用戶業(yè)務(wù)的通用操控接口，就可以支持總計(jì)52種工作模式，包括7種載荷組合模式、2種姿態(tài)機(jī)動(dòng)策略下的總計(jì)14種成像記錄工作模式，7種載荷組合模式、2種數(shù)據(jù)傳輸策略下的總計(jì)14種對(duì)地實(shí)時(shí)傳輸工作模式，7種載荷組合模式、3種數(shù)據(jù)傳輸策略下的總計(jì)21種邊記邊放工作模式，以及3種數(shù)據(jù)回放模式，操控接口復(fù)雜度可以減少94%。采用STK軟件對(duì)該衛(wèi)星一個(gè)回歸周期的成像任務(wù)進(jìn)行仿真，采用傳統(tǒng)運(yùn)控體制時(shí)，衛(wèi)星單軌成像的點(diǎn)目標(biāo)數(shù)最大為6個(gè)，采用有向圖關(guān)鍵路徑優(yōu)化技術(shù)后，衛(wèi)星單軌成像的點(diǎn)目標(biāo)數(shù)量最大提升到8個(gè)，衛(wèi)星單軌最大信息獲取效能提升了33.3%。采用北京、三亞兩個(gè)地面站，多站接力傳輸可傳弧段時(shí)間最長16 min，傳統(tǒng)運(yùn)控模式下，對(duì)地面站兩次接力傳輸?shù)那袚Q時(shí)間為5 min，采用“提前預(yù)置、交叉使用”的數(shù)據(jù)傳輸策略，兩次接力傳輸?shù)那袚Q時(shí)間為30 s，數(shù)傳弧段的使用效率從69%提升到97%。該綜合型遙感衛(wèi)星的后繼星采用動(dòng)態(tài)約束條件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的靜態(tài)約束條件優(yōu)化總體方案，采用能源按天平衡策略和星上動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)管理策略，衛(wèi)星載荷成像功率增長5.6倍，對(duì)地回放功率增長12.3倍，中繼回放功率增長13.8倍，而蓄電池容量僅增長71.4%，太陽電池陣的供電能力則優(yōu)化了22.4%；衛(wèi)星有效載荷數(shù)據(jù)率增長了近20倍，而存儲(chǔ)容量、對(duì)地傳輸數(shù)據(jù)率、中繼傳輸數(shù)據(jù)率分別僅增長到3.0倍、2.3倍和2.0倍。采用STK對(duì)該后繼星的在軌典型任務(wù)進(jìn)行仿真，蓄電池的平均放電深度18%(當(dāng)前在軌衛(wèi)星平均放電深度13%)，最大放電深度不超過30%(當(dāng)前在軌衛(wèi)星最大放電深度不超過20%)；衛(wèi)星存儲(chǔ)平均使用率提高到優(yōu)于90%(當(dāng)前在軌衛(wèi)星的固存使用效率平均低于40%)，大幅度提升了星載能源和存儲(chǔ)資源的使用效率。

4 結(jié)束語

綜上所述，任務(wù)注入、設(shè)備控制、信息獲取、數(shù)據(jù)傳輸、能源平衡是影響遙感衛(wèi)星可用性的主要環(huán)節(jié)，本文提出一種全新的遙感衛(wèi)星天地一體化在軌運(yùn)控模式，采用面向任務(wù)的“宏指令”，提升了復(fù)雜衛(wèi)星的任務(wù)注入效率，并簡(jiǎn)化了星上設(shè)備的控制難度；地面系統(tǒng)采用基于衛(wèi)星數(shù)字化模型的“動(dòng)態(tài)約束規(guī)劃”，結(jié)合星載計(jì)算機(jī)的“自主指令序列優(yōu)化”技術(shù)，提升了成像數(shù)據(jù)獲取效率、海量數(shù)據(jù)傳輸效率、能源使用效率等。本文方案對(duì)后繼遙感衛(wèi)星運(yùn)控模式研究具有借鑒意義。

References)

[1] Lemaitre M,Verfaillie G, Jouhaud F, et al. Selecting and scheduling observations of agile satellites[J]. Aerospace Science and Technology, 2002, 6(5): 367-381

[2] 田志新, 湯海濤, 王中果, 等. 基于星上動(dòng)態(tài)指令調(diào)度的衛(wèi)星使用效能提升技術(shù)[J]. 宇航學(xué)報(bào), 2014, 35(1): 1105-1113

Tian Zhixin, Tang Haitao, Wang Zhongguo, et al. Satellite utility improvement technique based on dynamic on-board command scheduling[J]. Journal of Astronautics, 2014, 35(1): 1105-1113 (in Chinese)

[3] 賀仁杰, 李菊芳, 姚鋒, 等. 成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃技術(shù)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2011

HeRenjie, Li Jufang, Yao Feng. Earth observing satellite mission planning[M]. Beijing: Science Press, 2011(in Chinese)

[4] 徐偉, 樸永杰. 從Pleiades剖析新一代高性能小衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展[J]. 中國光學(xué), 2013, 6(1) : 9-19

Xu Wei, Piao Yongjie. Analysis of new generation high-performance small satellite technology based on the Pleiades[J]. Chinese Journal of Optics, 2013, 6(1): 9-19 (in Chinese)

[5] 金光, 武小悅, 高衛(wèi)斌. 衛(wèi)星地面站資源配置仿真研究[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2004, 16(11): 2401-2403

Jin Guang, Wu Xiaoyue, Gao Weibin. Simulation-based study on resource deployment of satellite ground station[J]. Journal of System Simulation, 2004, 16(11): 2401-2403 (in Chinese)

[6] Tian Zhixin, Cui Xiaoting, Li Xiaojuan, et al. Digraph-model-based dynamic command scheduling: an emerging paradigm for smart satellite operation[C]// 6th Conference on Advanced Space Technology, Shanghai: Chinese Society of Astronautics & International Academy of Astronautics, 2015: 661-669

[7] Thompson D R, Bornstein B J,Chien S A, et al. Autonomous spectral discovery and mapping onboard the EO-1 spacecraft[J]. IEEE Trans. on Geoscience and Remote Sensing, 2013, 51(6): 3567-3579

[8] Grotzinger J P, Crisp J, Vasavada A R, et al. Mars science laboratory mission and science investigation[J]. Space Science Reviews, 2012, 170(1-4): 5-56

[9] Kucinskis F N, Ferreira M G V. Planning on-board satellites for the goal-based operations for space missions[J]. IEEE Latin America Trans., 2013, 11(4): 1110-1120

[10] 田志新，崔曉婷，鄭國成, 等. 基于有向圖模型的衛(wèi)星任務(wù)指令生成算法[J]. 航天器工程， 2014，23(6)：54-60

Tian Zhixin, Cui Xiaoting, Zheng Guocheng, et al. Remote sensing satellite autonomous command sequences generation based on digraph-model[J]. Spacecraft Engineering, 2014，23(6)：54-60

[11] Tian Zhixin, Cui Xiaoting, Li Xiaojuan, et al. Remote sensing satellite mission operation based on dynamic coloring digraph-model[C]// 5th National Academic Conference for Space Data System. Nanjing, Nanjing University, 2017: 113-117