遙感衛(wèi)星在軌測試任務管控方法

劉曉麗，張 恒，王京京

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

遙感衛(wèi)星在軌測試任務管控方法

劉曉麗，張 恒，王京京

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對在軌測試任務特殊要求，通過分析當前衛(wèi)星在軌測試期間面臨的問題，提出了地面任務控制系統(tǒng)在軌測試能力支持必要性，設計了在軌測試任務生成、在軌測試項目管理等衛(wèi)星在軌測試專項能力，對現(xiàn)有常規(guī)任務管控流程進行改進，在流程各環(huán)節(jié)靈活適應在軌測試任務特殊控制要求，通過多種解決措施，使在軌測試項目能夠順利有效執(zhí)行，縮短在軌測試周期。

在軌測試；衛(wèi)星任務管控；遙感衛(wèi)星地面系統(tǒng)

0 引言

一顆衛(wèi)星需要經過研制、發(fā)射、在軌測試之后才能交付用戶投入運營，發(fā)揮效益。衛(wèi)星有效載荷在軌測試是衛(wèi)星入軌后，最終用戶使用前的各項性能測試，因此在軌測試項目應全面，從用戶的角度對衛(wèi)星使用要求與技術指標最大程度地進行性能考核。同時，測試方法應確保衛(wèi)星在軌的安全[1]。衛(wèi)星的在軌測試分為平臺測試和有效載荷測試2大部分。平臺測試主要測試衛(wèi)星平臺的位置控制、姿態(tài)控制能力，其測試結果直接影響衛(wèi)星在軌道上所處的位置以及控制衛(wèi)星姿態(tài)的精度等。而有效載荷測試則是要進行考核與衛(wèi)星實際用途相關的技術指標測試[2]，進行衛(wèi)星各項功能與技術指標的詳細測試考核，驗證衛(wèi)星的實際能力是否符合其使用要求。對于平臺測試一般用戶不太關注，用戶主要關注有效載荷測試部分。而有效載荷的在軌測試，一般要結合衛(wèi)星實際使用場景的測試任務執(zhí)行，這時需要地面的任務管控系統(tǒng)進行相應的測試任務規(guī)劃與指令編制，上注衛(wèi)星執(zhí)行，地面站接收遙感數(shù)據(jù)與遙測數(shù)據(jù)后進行數(shù)據(jù)處理、分析與評估。衛(wèi)星在軌測試期間，除了執(zhí)行正常任務的動作以外，還要執(zhí)行一些特殊動作或任務，不能只按照任務管控系統(tǒng)常規(guī)任務流程進行任務管控[3-4]，特殊的在軌測試項目，經常需要手工進行許多設置，不能自動化完成，另一方面，手工設置無形中增加了不安全因素。因此，在目前衛(wèi)星發(fā)射頻度很高、數(shù)量激增的情況下，衛(wèi)星在軌測試階段如何根據(jù)在軌測試計劃及測試任務要求，在保證衛(wèi)星使用安全的前提下，配合完成衛(wèi)星在軌測試任務安排，是地面任務管控系統(tǒng)急需考慮的問題。

目前，對各類衛(wèi)星的地面測試方法與在軌測試方法研究較多，但大多研制專門的測試系統(tǒng)在衛(wèi)星發(fā)射前在地面進行自動化測試[5-7]。有關衛(wèi)星在軌測試的方法一般涉及對衛(wèi)星平臺與星上各分系統(tǒng)的測試方法[8]，有些衛(wèi)星研制專門的在軌測試系統(tǒng)實施在軌測試任務[9]，但這些系統(tǒng)不能按照用戶的實際使用場景進行在軌測試。如何在執(zhí)行常規(guī)任務的地面任務管控系統(tǒng)中實施在軌測試任務管控，上注衛(wèi)星執(zhí)行在軌測試任務，相關文獻均沒有研究。另一方面，現(xiàn)有的遙感衛(wèi)星地面任務管控系統(tǒng)中也沒有考慮到在軌測試特殊任務的實施方法，沒有研制相應的在軌測試系統(tǒng)針對性地實施在軌測試[10-11]。本文主要側重于在用戶實際使用場景下，研究與星上有效載荷使用模式相關的在軌測試任務管控能力和效率提升的方法。

1 衛(wèi)星在軌測試任務管控現(xiàn)狀分析

1.1 在軌測試任務生成困難

日常對地觀測衛(wèi)星在軌運行任務一般是由數(shù)據(jù)應用部門提交衛(wèi)星觀測需求，任務管控系統(tǒng)統(tǒng)一匯總進行任務規(guī)劃，編制遙控指令上注衛(wèi)星執(zhí)行。在軌測試期間，衛(wèi)星尚未交付使用，還不能提供數(shù)據(jù)服務，因此，一般無外部任務需求。

衛(wèi)星任務的插入需要依據(jù)各種載荷使用約束進行沖突分析，而各類衛(wèi)星的載荷使用約束差別很大[12]。比如，衛(wèi)星使用約束邊界值的測試數(shù)據(jù)要求任務的執(zhí)行開始時刻、結束時刻、工作模式和衛(wèi)星平臺姿態(tài)要求比較精確，而單圈的載荷動作次數(shù)、單圈衛(wèi)星載荷工作時長約束、星上能源約束等對一段時間范圍的衛(wèi)星任務有較高要求，單一靠人工插入的任務經常不能滿足衛(wèi)星的使用約束，需要不斷調整，費時費力，有時會錯過指令上注時機。隨著不同類型不同型號系列衛(wèi)星的發(fā)射，在軌的衛(wèi)星數(shù)量增多，對于操控異常復雜的衛(wèi)星，如多載荷衛(wèi)星，組合工作模式很多，在軌測試項目更多，在衛(wèi)星多、任務繁重的情況下，在軌測試對值班人員的壓力很大，再依賴人工去挑選在軌測試任務已不能滿足在軌測試需求，因此迫切需要自動化的在軌測試任務生成工具，經任務分析籌劃輔助生成各類在軌測試任務，納入常規(guī)系統(tǒng)流程，驅動在軌測試流程。

1.2 在軌測試任務操作復雜

任務管控系統(tǒng)軟件都是按照常規(guī)任務流程開發(fā)的，有些特殊的在軌測試項目，即使已生成任務，也無法按正常的任務控制流程執(zhí)行，經常需要手工進行許多特殊操作。有些在軌測試項目只需要執(zhí)行對地觀測動作，不需要進行數(shù)據(jù)下傳，有些在軌測試項目只需要進行數(shù)據(jù)下傳，不需要安排對地觀測動作，還有一些在軌測試項目與正常的任務要求不同，按照正常的任務控制流程會在處理過程中由于不滿足要求被篩除，無法安排執(zhí)行。如單載波測試、誤碼率測試和固存數(shù)據(jù)多次下傳等測試任務，需要根據(jù)特殊要求手工修改載荷動作與參數(shù)，以及單獨安排接收任務，或者人工添加載荷控制指令等，增加了在軌測試期間的工作復雜度和載荷指令復核的工作量。

衛(wèi)星在軌測試一般時間長達3～6個月，有時會有多顆衛(wèi)星同時進行在軌測試，更增加了在軌測試值班工作量與復雜度，考慮到在軌測試任務生成復雜與任務控制流程的特殊性，有必要在常規(guī)任務控制流程基礎上，針對性研制相應的在軌測試任務支持功能，靈活設置在軌測試任務控制流程，實現(xiàn)在軌測試任務順利有效執(zhí)行，減少研制人員在軌測試保障時間，降低在軌測試期間值班人員壓力。

2 在軌測試任務管控專項能力設計

2.1 衛(wèi)星在軌測試任務模型

根據(jù)不同衛(wèi)星工作模式，抽象在軌測試任務模型，依據(jù)具體型號衛(wèi)星使用說明與在軌測試項目要求細化模型。模型中包括衛(wèi)星的工作模式、載荷控制參數(shù)、載荷工作時間與動作間隔時間、數(shù)據(jù)傳輸特點與模式、姿態(tài)切換能力、可支持的在軌測試項目、在軌測試項目類型、載荷動作組合、工作模式與控制參數(shù)等信息。根據(jù)基本模型與各衛(wèi)星具體特點，組合派生出各衛(wèi)星專用的在軌測試任務模型[13]。依據(jù)該模型能快速遍歷衛(wèi)星的在軌測試各項工作模式和使用約束，支持在軌測試任務生成、任務規(guī)劃與指令生成等過程。衛(wèi)星在軌測試任務模型的一部分如圖1所示，實際工程中具體的模型要復雜很多。

圖1 衛(wèi)星在軌測試任務模型

2.2 在軌測試任務生成方法

結合衛(wèi)星在軌測試任務模型與衛(wèi)星使用約束[14]，基于在軌測試任務生成方法，生成在軌測試任務。不同在軌測試任務模型有配套的在軌測試任務生成方法，與載荷動作邏輯和衛(wèi)星使用約束有關系。

在軌測試任務之間的邏輯關系主要是指衛(wèi)星載荷動作之間的相互約束，以及一個在軌測試項目涉及的多個任務之間的執(zhí)行順序，主要是由執(zhí)行的因果關系等形成的在軌測試任務之間的約束關系[15]。在軌測試任務之間的邏輯關系一般為時間關系，典型的關系包括：單觀測任務、連續(xù)多次觀測任務時間關系以及觀測與數(shù)傳配合時間關系等，其中連續(xù)多次觀測又可分為：單圈連續(xù)多次觀測任務、連續(xù)多次觀測固存滿負荷任務與連續(xù)多次觀測數(shù)傳滿負荷任務等。

以下對基本的組合測試任務進行分析研究，提出各自的在軌測試任務生成與處理方法，將復雜的測試項目(組合測試任務)分成若干子測試任務。一般先確定各測試任務的時間關系，再計算各測試任務觀測時間與觀測姿態(tài)指向的地面位置，然后補充各測試任務的相關屬性，最終生成在軌測試任務。

2.2.1 單次觀測任務

主要為觀測時長臨界值測試任務，包括最短觀測時長測試任務與最長觀測時長測試任務，由用戶指定測試類型與第1次觀測開始時間T0，依據(jù)衛(wèi)星使用約束規(guī)定的最短觀測時長Δtmin或最長觀測時長Δtmax，自動生成相應的單次臨界值觀測任務。

最小臨界值時間關系為：

Te=T0+Δtmin，

最大臨界值時間關系為：

Te=T0+Δtmax，

式中，Te為觀測任務結束時刻。

按照不側擺或用戶指定的側擺角度，計算觀測時段中心時刻指向的地面點位置，生成觀測任務。

2.2.2 單圈連續(xù)多次觀測任務

主要為多次觀測測試任務，由用戶指定第1次觀測開始時間T0與觀測次數(shù)N，依據(jù)衛(wèi)星使用約束規(guī)定的2次可觀測任務之間的最小間隔時間Δtn(Δtn與前后觀測任務之間的姿態(tài)機動角度有關系)、單圈最大可觀測次數(shù)與姿態(tài)切換次數(shù)等，基于一次觀測默認時長ΔT，自動生成相應的多次觀測任務。多次觀測任務之間的時間關系為：

計算各觀測任務在側擺時指向的地面位置點，生成觀測任務序列。

2.2.3 連續(xù)多次觀測固存滿負荷測試任務

主要為多次觀測記錄測試任務，由用戶指定第1次觀測開始時間T0與觀測次數(shù)N，依據(jù)衛(wèi)星使用約束規(guī)定的2次可觀測任務之間的最小間隔時間Δtn、單圈最大可觀測次數(shù)與姿態(tài)切換次數(shù)等，隨機設置觀測間隔時間，自動生成相應的多次觀測任務，并迭代調整觀測時長與觀測次數(shù)，計算相應的固存占用容量，直到達到固存最大容量C。

計算各觀測任務在側擺時指向的地面位置點，生成觀測任務序列。

2.2.4 連續(xù)多次觀測數(shù)傳滿負荷任務

主要為多次觀測記錄測試任務，由用戶指定第1次觀測開始時間T0與觀測次數(shù)N，依據(jù)衛(wèi)星使用約束規(guī)定的2次可觀測任務之間的最小間隔時間Δtn、單圈最大可觀測次數(shù)與姿態(tài)切換次數(shù)等，隨機設置觀測間隔時間，自動生成相應的多次觀測任務，并迭代調整觀測時長與觀測次數(shù)，計算相應的回放時間，直到達到一次數(shù)傳最長時間T。

設P為數(shù)據(jù)錄放比，則

計算各觀測任務在側擺時指向的地面位置點，生成觀測任務序列。

2.2.5 一次實傳觀測任務

實傳與觀測時間關系為：

式中，Ts為觀測任務起始時刻，其結束時刻為：

2.2.6 觀測與數(shù)傳間隔測試任務

觀測與回放時間關系為：

計算觀測任務在側擺時指向的地面位置點，生成觀測任務。

2.3 在軌測試任務生成流程

基于衛(wèi)星軌道推演進行在軌測試任務計算分析[16]，分析任務執(zhí)行可行性，包括衛(wèi)星對任務覆蓋可行性、數(shù)據(jù)接收可行性等，輔助值班人員生成各類在軌測試任務，可以加載不同的衛(wèi)星在軌測試任務模型，根據(jù)衛(wèi)星有效載荷使用約束與在軌測試任務模式自動生成在軌測試需要的單個任務或連續(xù)任務序列；針對在軌測試任務特殊要求，進行特殊處理，根據(jù)在軌測試需求進行特殊工作模式要求與控制參數(shù)設置。在軌測試任務生成流程如圖2所示。

圖2 衛(wèi)星在軌測試任務生成流程

主要包括以下內容：

① 加載星地資源信息與衛(wèi)星在軌測試任務模型；

② 衛(wèi)星軌道計算與可視化顯示：計算衛(wèi)星軌道預報數(shù)據(jù)、衛(wèi)星覆蓋范圍、預報地面站可接收弧段，在二維、三維地圖上可視化顯示衛(wèi)星運行軌跡與地面站接收范圍；

③ 基于目標位置信息的單個測試任務生成：支持多種測試任務位置信息獲取方式，直接輸入位置信息、目標庫選取或依據(jù)地圖上衛(wèi)星覆蓋范圍位置點選獲取目標位置信息，計算任務可執(zhí)行時間，并可設置任務的工作模式與控制要求等，生成測試任務；

④ 基于衛(wèi)星執(zhí)行任務時間與姿態(tài)的單個測試任務生成：根據(jù)輸入的任務執(zhí)行時間與執(zhí)行姿態(tài)，進行衛(wèi)星指向計算，獲取目標位置，設置任務的工作模式與控制要求等，生成測試任務；

⑤ 基于特定測試項目要求與任務模式(如衛(wèi)星單圈工作次數(shù)測試任務、動作間隔時間測試任務、連續(xù)姿態(tài)切換測試任務、連續(xù)變參數(shù)任務、邊界值測試任務和滿負荷測試任務等)生成連續(xù)測試任務或組合測試任務序列，具體在軌測試任務生成方法參見2.2節(jié)；

⑥ 虛擬測試任務生成：針對只需安排單個載荷動作無需安排星上成套載荷動作配合的特殊測試項目，如數(shù)傳誤碼率測試、數(shù)傳單載波測試、星上存儲數(shù)據(jù)下傳測試和固存滿負荷測試等，只開觀測類載荷或只開數(shù)傳類載荷等，根據(jù)特殊測試項目要求生成虛擬任務，在任務屬性中標識測試類型，在后續(xù)處理時根據(jù)測試類型標識進行特殊處理，由于該任務并非實際執(zhí)行的任務，只是為了方便驅動任務管控流程特意添加的任務，因此稱為虛擬任務；

⑦ 測試任務執(zhí)行可行性分析：對生成的測試任務進行覆蓋情況、接收情況和載荷約束滿足情況等綜合分析；

⑧ 測試任務與測試項目保存入庫：將生成的測試任務保存入庫，根據(jù)測試要求，將生成的一個或多個測試任務打包生成一個測試項目，記錄測試項目基本信息，保存入庫。

3 任務管控流程支持在軌測試設計

3.1 常規(guī)任務管控流程在軌測試能力改造

在常規(guī)任務管控流程基礎上，增加多個流程切入點，針對在軌測試項目特殊要求進行相應的特殊處理，如設置特殊的工作模式與載荷控制參數(shù)。在流程中的各個環(huán)節(jié)如任務規(guī)劃、計劃編制和指令編制等環(huán)節(jié)，增加相應的在軌測試特殊處理支持能力。在軌測試任務管控流程如圖3所示。

圖3 在軌測試任務管控流程

3.2 任務規(guī)劃環(huán)節(jié)在軌測試能力設計

任務規(guī)劃環(huán)節(jié)增加在軌測試期間使用模式與相應的規(guī)則。在該模式下，衛(wèi)星任務規(guī)劃算法和使用約束處理功能將不會篩除掉不符合常規(guī)的特殊任務，并進行特殊處理，如光學成像衛(wèi)星夜間開機成像的暗電平測試任務，常規(guī)任務在夜間與太陽高度角較小時，是不能安排成像的，而在軌測試期間，可以安排執(zhí)行。對于虛擬測試任務的虛擬動作，可不考慮星上載荷約束，對于同一固存載荷數(shù)據(jù)需要多次回放的情況，或平臺數(shù)據(jù)回放等，可增加安排多次接收資源。

3.3 計劃編制環(huán)節(jié)在軌測試能力設計

計劃編制環(huán)節(jié)增加在軌測試特殊任務處理流程。針對不同的測試任務設置不同的載荷控制參數(shù)，并提供人機交互調整手段，設置測試任務特殊參數(shù)，對虛擬測試任務，進行特殊處理，自動增加或修改特殊的載荷動作，并根據(jù)測試項目特點調整各類計劃數(shù)據(jù)。

3.4 指令編制環(huán)節(jié)在軌測試能力設計

指令編制環(huán)節(jié)針對測試項目要求與相應的指令模板，生成針對測試項目的指令數(shù)據(jù)塊，提供手工指令編制功能與自動指令編制結果人機交互修改功能，針對在軌測試項目要求修改設置特定指令參數(shù)。增加特殊測試任務載荷指令約束檢驗功能，保證特殊測試任務的正確性和衛(wèi)星使用的安全性。

4 應用實例

根據(jù)上述方法，在實際工程項目中研制了測試任務生成軟件，并對地面任務管控系統(tǒng)的主流程軟件進行在軌測試任務支持能力改造。改造后的系統(tǒng)成功支持了3顆衛(wèi)星的在軌測試任務管控。主要數(shù)據(jù)歸納如表1所示。

表1 各衛(wèi)星在軌測試任務數(shù)量匯總

從表1可看出，目前共支持了405個在軌測試任務的自動生成與指令上注衛(wèi)星執(zhí)行，占整個在軌測試期間上注任務數(shù)的10%，其他測試任務由外部發(fā)起。在整個過程中，只有在任務生成的起始界面需要人機交互進行少量的測試模式與參數(shù)的配置操作，其他過程中無需人工干預，均可按照預先定義的在軌測試任務模型、衛(wèi)星載荷約束與預定義的測試任務生成與處理方法、規(guī)則進行自動處理。原先一個在軌測試任務全程人工干預，大約耗時30 min，對于復雜的邊界值或組合測試任務，需要不斷調整，耗時更長。采用支持在軌測試任務的新系統(tǒng)后，每個在軌測試任務大約耗時1 min，縮減了在軌測試值班時間，并提高了在軌測試任務生成的準確性和在軌測試期間任務管控系統(tǒng)值班效率。

改造后可對衛(wèi)星在軌測試期間的所有測試項目與相關的測試任務進行管理，可統(tǒng)計和查詢衛(wèi)星模式測試情況。包括以下內容：

① 衛(wèi)星在軌測試任務模型維護：對基礎的衛(wèi)星在軌測試任務模型進行維護，結合各衛(wèi)星資源信息，對不同衛(wèi)星的在軌測試任務模型進行維護。

② 測試項目基本信息管理：在測試任務生成時，可以將一個或多個測試任務打包生成一個測試項目，記錄測試項目基本信息，可在此對測試項目基本信息進行補充，查詢統(tǒng)計測試項目基本信息。

③ 測試項目執(zhí)行情況閉環(huán)管理：測試項目生成后，根據(jù)任務控制流程中對測試項目的計劃安排情況進行狀態(tài)標識，根據(jù)數(shù)據(jù)接收情況反饋與數(shù)據(jù)處理情況反饋，進行測試項目執(zhí)行狀態(tài)標識與閉環(huán)，可對測試項目執(zhí)行情況進行查詢，統(tǒng)計某一類測試項目的完成情況，不同工作模式的測試情況。

5 結束語

通過在軌測試能力支持設計，使衛(wèi)星地面任務管控系統(tǒng)能自主生成在軌測試任務，驅動在軌測試流程，快速遍歷衛(wèi)星各項測試指標，提高在軌測試效率與測試項目有效性。通過常規(guī)流程適應性改造，在軌測試專項功能增加與在流程各環(huán)節(jié)增加在軌測試支持能力等多種解決措施，不但可大大減輕值班人員工作壓力，而且可以大大縮短在軌測試周期，提前讓衛(wèi)星交付運行，提早發(fā)揮衛(wèi)星的使用效益。同時，在軌測試能力也可用于支持地面任務管控系統(tǒng)上線運行前的各類測試工作[17]，通過生成各類測試任務，輔助生成測試用例數(shù)據(jù)，測試系統(tǒng)對衛(wèi)星工作模式使用與載荷使用約束檢驗的正確性，提高衛(wèi)星載荷操控的安全性。

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ManagementandControlTechniquesforRemoteSensingSatelliteOn-orbitTestMission

LIU Xiaoli,ZHANG Heng,WANG Jingjing

(The54thResearchInstituteofCETC,Shijiazhuang050081,China)

Considering the special requirement of satellite on-orbit test mission,through the analysis of the problems faced during on-orbit test for satellite,the necessity of satellite on-orbit test mission management and control is presented.The special system abilities of satellite on-orbit test mission generating,on-orbit test project management and so on are designed.The process of conventional mission management and control is improved for on-orbit test mission through improving each process node to support special requirement of on-orbit test mission management and control.By several solutions,on-orbit test projects can be performed smoothly,and the period during satellite on-orbit test is shortened.

on-orbit test；satellite mission management and control；remote sensing satellite ground system

2017-09-27

國家部委基金資助項目；中國電子科技集團公司航天信息應用技術重點實驗室開放基金資助項目

10.3969/j.issn.1003-3106.2018.01.09

劉曉麗,張恒,王京京.遙感衛(wèi)星在軌測試任務管控方法[J].無線電工程,2018,48(1):40-45.[LIU Xiaoli,ZHANG Heng,WANG Jingjing.Management and Control Techniques for Remote Sensing Satellite On-orbit Test Mission[J].Radio Engineering,2018,48(1):40-45.]

TP391

A

1003-3106(2018)01-00-0040-06

劉曉麗女，(1976—)，畢業(yè)于通信測控技術研究所信號與信息處理專業(yè)，碩士，高級工程師。主要研究方向：智能信息處理、航天任務管控。

張恒男，(1986—)，工程師。主要研究方向：航天任務管控。

王京京女，(1982—)，碩士，高級工程師。主要研究方向：航天任務管理。