基于快響空間的地面控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳韜亦

(1.中國電子科技集團(tuán)公司 第五十四研究所，石家莊 050081;2.中國電子科技集團(tuán)公司 航天信息應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050081)

0 引言

21世紀(jì)是人類全面進(jìn)入、控制和利用太空的世紀(jì)?？焖夙憫?yīng)空間簡稱快響空間[1-9]，涉及到航天器、運(yùn)載器、發(fā)射支持、地面控制及應(yīng)用系統(tǒng)等，并在時(shí)間快、操作易、成本低、任務(wù)專的需求牽引下逐步形成以標(biāo)準(zhǔn)化模塊化平臺(tái)技術(shù)、快速集成測(cè)試發(fā)射技術(shù)、自主運(yùn)行控制技術(shù)為代表的技術(shù)體系。美國在快速響應(yīng)空間領(lǐng)域全面開展研究基礎(chǔ)上，重點(diǎn)放在戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星生成和設(shè)計(jì)的流水線化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化；俄羅斯與歐空局則主要集中在快速響應(yīng)運(yùn)載器上以期獲得空間快速響應(yīng)發(fā)射的能力；英國和德國專注于微小衛(wèi)星及星座計(jì)劃；日本航天器大量采用IT技術(shù)，用人工智能完成火箭射前測(cè)試檢查，用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、即插即用技術(shù)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星功能定制。

地面控制及應(yīng)用系統(tǒng)是快響空間體系的重要組成部分，作為快響空間任務(wù)實(shí)施的中心樞紐，該系統(tǒng)為各級(jí)各類太空操作人員提供控制手段，對(duì)任務(wù)進(jìn)行需求分析部署，提供任務(wù)規(guī)劃和調(diào)度服務(wù)，為快響空間應(yīng)急場(chǎng)景提供環(huán)境模擬和態(tài)勢(shì)綜合，對(duì)空間資源進(jìn)行配置。當(dāng)前針對(duì)快響空間任務(wù)正在研制、演示和驗(yàn)證的控制與應(yīng)用系統(tǒng)主要包括美國的虛擬任務(wù)操作中心(virtual mission operation center，VMOC)、戰(zhàn)術(shù)航天器指揮服務(wù)體系(tactical spacecraft commanding service architecture，TSCSA)[1]等。VMOC提供了一個(gè)快響空間戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的虛擬任務(wù)操作中心，其主要思想是通過將應(yīng)用用戶直接納入在軌航天器有效載荷的框架內(nèi)，使用戶通過安全互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)獲取衛(wèi)星數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)地給衛(wèi)星有效載荷分派任務(wù)，實(shí)施在軌衛(wèi)星設(shè)備的遙測(cè)、跟蹤和控制，以達(dá)到衛(wèi)星直接支持應(yīng)用的目的。TSCSA是以操作人員為中心，符合WEB服務(wù)規(guī)范的，用于戰(zhàn)術(shù)空間資源訪問接入、任務(wù)分派和接收信息的一種全新方式。

1 能力需求

當(dāng)前快響空間系統(tǒng)主要立足于快速滿足各類信息支援需要，支持快速組織和補(bǔ)充精干高效的空間資源，力求滿足國家重大突發(fā)事件、反恐維穩(wěn)、災(zāi)害救援等空間信息綜合保障需求。這些需求可分為四個(gè)等級(jí)：等級(jí)一為在軌衛(wèi)星載荷分配；等級(jí)二為在軌衛(wèi)星機(jī)動(dòng)變軌；等級(jí)三為在儲(chǔ)快速發(fā)射入軌；等級(jí)四為在研快速生產(chǎn)運(yùn)輸發(fā)射。從任務(wù)角度可將等級(jí)四合并到等級(jí)三，三個(gè)等級(jí)的需求對(duì)地面系統(tǒng)提出了關(guān)鍵能力要求，主要有以下幾個(gè)方面：在軌衛(wèi)星快速信息支援，包括快速需求統(tǒng)籌分析分配、快速任務(wù)控制、快速業(yè)務(wù)測(cè)控，快速獲得信息并下傳，以及信息快速處理與分發(fā)等五項(xiàng)活動(dòng)；在軌衛(wèi)星快速機(jī)動(dòng)變軌，包括快速變軌組網(wǎng)分析、快速上傳軌道機(jī)動(dòng)指令(快速變軌測(cè)控)以及快速軌道機(jī)動(dòng)等三項(xiàng)活動(dòng)；航天器快速發(fā)射入軌補(bǔ)網(wǎng)，包括快速發(fā)射任務(wù)規(guī)劃，載荷、平臺(tái)和運(yùn)載器長期存儲(chǔ)，載荷與平臺(tái)靈活配置，載荷、平臺(tái)與運(yùn)載器快速集成測(cè)試，快速發(fā)射和工程測(cè)控、快速自主在軌檢測(cè)，以及地面系統(tǒng)快速構(gòu)建(地面系統(tǒng)基于新發(fā)射衛(wèi)星特點(diǎn)快速構(gòu)建)等七項(xiàng)活動(dòng)。

通過對(duì)上述快響活動(dòng)進(jìn)行分析，快響控制的能力需求主要包括：1)需求受理分析、資源分配和批準(zhǔn)。輔助操作人員根據(jù)空間信息進(jìn)行需求分析，確定需求等級(jí)，合理分配資源和批準(zhǔn)需求；2)任務(wù)規(guī)劃、方案制定與推演。對(duì)空間快速信息支援、衛(wèi)星變軌和快速發(fā)射任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃、擬制和推演；3)調(diào)度與控制、過程監(jiān)控。對(duì)快響力量的調(diào)度，監(jiān)控快響任務(wù)的控制過程、星地資源使用過程等；4)態(tài)勢(shì)顯示與信息分發(fā)。為完成快響活動(dòng)而進(jìn)行空間態(tài)勢(shì)、地面任務(wù)系統(tǒng)的態(tài)勢(shì)綜合處理、顯示和分發(fā)；5)快響任務(wù)執(zhí)行效果評(píng)估。對(duì)需求滿足度、資源使用效率以及快響任務(wù)各項(xiàng)活動(dòng)情況進(jìn)行評(píng)估等。

2 初步設(shè)計(jì)

2.1 思路和方法

快響控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本思路是融合快響空間任務(wù)控制流程和現(xiàn)有業(yè)務(wù)應(yīng)用流程，以“快”為核，以“服務(wù)化”云架構(gòu)為基，構(gòu)建面向服務(wù)的快響空間地面控制系統(tǒng)。其基本方法是基于云服務(wù)架構(gòu)，從快響任務(wù)剖面構(gòu)建現(xiàn)有地面業(yè)務(wù)或任務(wù)中心的信息服務(wù)系統(tǒng)；然后研究VMOC及天地安全互聯(lián)技術(shù)[10]，構(gòu)建基于多層次多類型的半自動(dòng)化、全自動(dòng)化快響任務(wù)規(guī)劃、調(diào)度和控制核心應(yīng)用及服務(wù)；支撐實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的快響空間態(tài)勢(shì)綜合、任務(wù)籌劃、任務(wù)控制和綜合保障功能，達(dá)到提高快響空間能力的目的。

2.2 體系視圖

體系視圖描述控制系統(tǒng)外部環(huán)境及其基本結(jié)構(gòu)，如圖1所示。以控制中心為核心，以柵格網(wǎng)絡(luò)連結(jié)基礎(chǔ)，形成“外圍-后臺(tái)-前臺(tái)”控制系統(tǒng)三層結(jié)構(gòu)。外圍主要包含快響火箭等航天器、衛(wèi)星等傳感器、站網(wǎng)等地面資源及其他系統(tǒng)；后臺(tái)主要包含與各衛(wèi)星控制中心、應(yīng)用處理中心、地面站網(wǎng)中心等業(yè)務(wù)中心和發(fā)射、測(cè)控等任務(wù)中心相關(guān)的信息服務(wù)系統(tǒng)，以及控制系統(tǒng)所屬資源管理系統(tǒng)等。前臺(tái)主要包含控制中心和用戶終端。信息服務(wù)系統(tǒng)主要通過對(duì)各類業(yè)務(wù)中心、任務(wù)中心的功能進(jìn)行抽取并服務(wù)化封裝，資源管理系統(tǒng)提供控制功能和信息服務(wù)的云基礎(chǔ)平臺(tái)及云資源管理和維護(hù)。前臺(tái)、后臺(tái)、外圍是調(diào)用與被調(diào)用、控制與被控制的關(guān)系。圖1所示的大外圍、強(qiáng)后臺(tái)、精前臺(tái)表示控制系統(tǒng)體系發(fā)展的方向。

圖1 快響空間地面控制系統(tǒng)體系視圖

2.3 功能視圖

基于對(duì)快響空間地面控制系統(tǒng)能力需求與使用模式的分析，設(shè)計(jì)快響空間地面控制系統(tǒng)的功能體系架構(gòu)，主要包括態(tài)勢(shì)綜合、任務(wù)決策、任務(wù)控制、綜合保障四大功能。態(tài)勢(shì)綜合功能主要包括多源信息接入、信息處理、態(tài)勢(shì)綜合、態(tài)勢(shì)分發(fā)共享、態(tài)勢(shì)顯示等功能。任務(wù)決策功能主要包括快響任務(wù)分析、天基信息需求受理分析、衛(wèi)星變軌與組網(wǎng)分析、快響發(fā)射規(guī)劃分析、計(jì)劃方案生成和評(píng)估推演、人員管理和籌劃產(chǎn)品管理。任務(wù)控制功能主要包括行動(dòng)控制、任務(wù)/設(shè)備調(diào)度控制、綜合監(jiān)視、關(guān)鍵事件告警、臨機(jī)情況處置、任務(wù)效果評(píng)估等功能。綜合保障功能主要包括通信保障、設(shè)備保障、后勤保障等。系統(tǒng)功能視圖如圖2所示。

圖2 快響空間地面控制系統(tǒng)功能視圖

2.4 運(yùn)行視圖

基于對(duì)快響控制流程與信息交互關(guān)系的分析，設(shè)計(jì)快響空間地面控制系統(tǒng)運(yùn)行流程?？刂浦行奈挥谶\(yùn)行核心，可包含多個(gè)分中心；衛(wèi)星控制中心管理各類太空快響資源；地面站網(wǎng)中心支持太空快響資源的測(cè)控和數(shù)傳執(zhí)行；應(yīng)用處理中心提供數(shù)據(jù)產(chǎn)品，包括圖像數(shù)據(jù)、信號(hào)數(shù)據(jù)、情報(bào)處理、數(shù)據(jù)融合、民用數(shù)據(jù)等。用戶終端系統(tǒng)包括固定、船載、機(jī)載、車載、個(gè)人攜帶式等終端，必要時(shí)還配屬機(jī)動(dòng)保障車(含測(cè)控、數(shù)傳和應(yīng)用處理)?？祉懓l(fā)射和測(cè)控系統(tǒng)用于衛(wèi)星快速發(fā)射和應(yīng)急組網(wǎng)補(bǔ)網(wǎng)。其運(yùn)行視圖如圖3所示。

圖3 快響空間地面控制系統(tǒng)運(yùn)行視圖

1)快響基本流程:

控制中心通過用戶終端接收快響任務(wù)需求，對(duì)空間快響資源、地面站網(wǎng)資源、發(fā)射測(cè)控資源進(jìn)行協(xié)同規(guī)劃分析，確認(rèn)任務(wù)初步方案、等級(jí)；對(duì)于等級(jí)二，下達(dá)機(jī)動(dòng)變軌應(yīng)急組網(wǎng)任務(wù)，轉(zhuǎn)入機(jī)動(dòng)變軌流程，對(duì)于等級(jí)三，下達(dá)應(yīng)急發(fā)射補(bǔ)網(wǎng)任務(wù)，轉(zhuǎn)入應(yīng)急發(fā)射流程；控制中心向衛(wèi)星控制中心下達(dá)天基支援任務(wù)，同時(shí)授予用戶終端衛(wèi)星載荷操控、信息權(quán)限；衛(wèi)星控制中心進(jìn)行多任務(wù)調(diào)度，確定優(yōu)化配置空間資源要素，上報(bào)資源使用計(jì)劃；地面站網(wǎng)中心接收測(cè)控、數(shù)據(jù)任務(wù)，執(zhí)行設(shè)備計(jì)劃，并上報(bào)態(tài)勢(shì)信息；控制中心依據(jù)優(yōu)先級(jí)規(guī)則調(diào)度用戶終端對(duì)衛(wèi)星操作控制指令；衛(wèi)星控制中心或者衛(wèi)星(根據(jù)任務(wù)配置等)實(shí)時(shí)響應(yīng)用戶終端指令，對(duì)衛(wèi)星載荷實(shí)時(shí)操作控制，并上報(bào)狀態(tài)；衛(wèi)星執(zhí)行任務(wù)，下傳載荷數(shù)據(jù)到地面站，或者將目標(biāo)數(shù)據(jù)廣播分發(fā)給用戶終端；地面站網(wǎng)中心執(zhí)行衛(wèi)星控制指令，并接收衛(wèi)星下傳數(shù)據(jù)，發(fā)送給應(yīng)用處理中心；應(yīng)用處理中心實(shí)時(shí)生成情報(bào)產(chǎn)品，推送給用戶終端和控制中心，并上報(bào)狀態(tài)；控制中心實(shí)時(shí)監(jiān)視快響任務(wù)流程。

2)機(jī)動(dòng)變軌流程:

在現(xiàn)有衛(wèi)星不能滿足任務(wù)需求時(shí)，控制中心進(jìn)行衛(wèi)星機(jī)動(dòng)變軌與組網(wǎng)后能力分析，根據(jù)任務(wù)支援需求，分析籌劃需要進(jìn)行變軌的衛(wèi)星以及目標(biāo)軌道，以及變軌后任務(wù)需求滿足情況，確定機(jī)動(dòng)變軌方案后，控制衛(wèi)星控制中心進(jìn)行衛(wèi)星變軌指令生成，地面站網(wǎng)中心進(jìn)行指令上注執(zhí)行并接收遙測(cè)數(shù)據(jù)，衛(wèi)星控制中心通過遙測(cè)數(shù)據(jù)監(jiān)視變軌過程。變軌到位后，按照等級(jí)一的流程執(zhí)行快響任務(wù)信息綜合保障。

3)應(yīng)急發(fā)射補(bǔ)網(wǎng)流程:

在衛(wèi)星變軌后仍不能滿足需求時(shí)，控制中心進(jìn)行應(yīng)急發(fā)射分析籌劃，分析需要發(fā)射的衛(wèi)星載荷與平臺(tái)類型、型號(hào)、軌道、運(yùn)載火箭型號(hào)、發(fā)射窗口、發(fā)射單位與發(fā)射場(chǎng)地等，安排衛(wèi)星組裝、聯(lián)調(diào)、測(cè)試與發(fā)射等活動(dòng)，若庫存沒有相應(yīng)的衛(wèi)星型號(hào)時(shí)，進(jìn)行應(yīng)急研制組裝、測(cè)試、運(yùn)輸，制定應(yīng)急發(fā)射補(bǔ)網(wǎng)方案?？刂浦行幕趹?yīng)急發(fā)射補(bǔ)網(wǎng)方案，調(diào)度存儲(chǔ)衛(wèi)星與運(yùn)載火箭運(yùn)輸?shù)桨l(fā)射場(chǎng)，控制快響發(fā)射系統(tǒng)與快響測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行衛(wèi)星與運(yùn)載器快速集成聯(lián)調(diào)測(cè)試，進(jìn)行新衛(wèi)星發(fā)射與工程測(cè)控，調(diào)度地面系統(tǒng)進(jìn)行新衛(wèi)星管理、接收與處理等能力快速構(gòu)建，然后組織進(jìn)行星地在軌測(cè)試，測(cè)試合格后轉(zhuǎn)入等級(jí)一的流程執(zhí)行快響任務(wù)信息綜合保障。

4)運(yùn)用流程:

快響流程支持各類高時(shí)效性任務(wù)，使操作人員能夠從應(yīng)用終端實(shí)時(shí)監(jiān)控天基資源的使用情況。操作人員使用終端制定具體觀測(cè)任務(wù)，經(jīng)控制中心任務(wù)仲裁后，直接由應(yīng)用終端生成衛(wèi)星控制指令和地面站接收計(jì)劃，由地面機(jī)動(dòng)保障車上注衛(wèi)星控制指令和調(diào)度地面站接收計(jì)劃，星上將觀測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果直接廣播至地面應(yīng)用終端，保障遂行任務(wù)要求。

2.5 系統(tǒng)視圖

快響空間地面控制系統(tǒng)主要由以下部分構(gòu)成：用戶終端、核心控制系統(tǒng)和信息服務(wù)系統(tǒng)。核心控制系統(tǒng)包含網(wǎng)信資源及管理系統(tǒng)、共用信息服務(wù)平臺(tái)以及快響任務(wù)規(guī)劃、調(diào)度和控制系統(tǒng)三部分，這三個(gè)部分共同支撐控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)四個(gè)主要功能應(yīng)用和服務(wù)，即態(tài)勢(shì)綜合系統(tǒng)、任務(wù)決策系統(tǒng)、任務(wù)控制系統(tǒng)、綜合保障系統(tǒng)。信息服務(wù)系統(tǒng)包括衛(wèi)星控制中心信息服務(wù)系統(tǒng)、地面站網(wǎng)中心信息服務(wù)系統(tǒng)、應(yīng)用處理中心信息服務(wù)系統(tǒng)、發(fā)射測(cè)控信息服務(wù)系統(tǒng)等，是實(shí)現(xiàn)快響任務(wù)規(guī)劃、調(diào)度和控制系統(tǒng)的重要功能載體。如圖4所示。

任務(wù)規(guī)劃、調(diào)度和控制系統(tǒng)是快響空間控制系統(tǒng)的重要部分，具備對(duì)各類衛(wèi)星資源、接收資源、測(cè)控資源、快響發(fā)射資源等天地快響資源進(jìn)行能力分析，支持點(diǎn)目標(biāo)觀測(cè)、大區(qū)域覆蓋、海洋目標(biāo)跟蹤監(jiān)視、目標(biāo)動(dòng)態(tài)監(jiān)視、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)監(jiān)視、立體測(cè)繪類型任務(wù)規(guī)劃能力。任務(wù)規(guī)劃、調(diào)度和控制系統(tǒng)具備對(duì)多任務(wù)多用戶情況下對(duì)天地資源的自動(dòng)化優(yōu)化分配、資源沖突消解，以及天地裝備指令注入調(diào)度和控制功能。

任務(wù)規(guī)劃、調(diào)度和控制系統(tǒng)包含快響任務(wù)需求受理、快響任務(wù)協(xié)同籌劃、星地資源規(guī)劃分析、快響發(fā)射規(guī)劃分析、任務(wù)計(jì)劃生成、星地資源調(diào)度與控制、人員控制、終端用戶管理和任務(wù)仲裁管理等九個(gè)子系統(tǒng)。以下是對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的功能進(jìn)行介紹。

快響任務(wù)需求受理子系統(tǒng)：負(fù)責(zé)接收各類用戶終端提交的快響需求和快響任務(wù)；

快響任務(wù)協(xié)同籌劃子系統(tǒng)：根據(jù)任務(wù)情況、天地資源對(duì)需求進(jìn)行多方聯(lián)合籌劃分析，確定任務(wù)需求分級(jí)和需求解決初步方案；

圖4 快響空間地面控制系統(tǒng)系統(tǒng)視圖

星地資源規(guī)劃分析子系統(tǒng)：負(fù)責(zé)對(duì)各類衛(wèi)星資源、接收資源、測(cè)控資源、快響發(fā)射資源等天地快響資源的分析和規(guī)劃，生成快響任務(wù)方案；

快響發(fā)射規(guī)劃分析子系統(tǒng)：根據(jù)快響任務(wù)方案或快響發(fā)射任務(wù)進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，生成快響發(fā)射測(cè)控方案；

任務(wù)計(jì)劃生成子系統(tǒng)：根據(jù)快響任務(wù)方案或/和發(fā)射測(cè)控方案，生成衛(wèi)星工程測(cè)控計(jì)劃、衛(wèi)星業(yè)務(wù)測(cè)控計(jì)劃、有效載荷控制計(jì)劃、地面站接收和傳輸計(jì)劃，以及發(fā)射/測(cè)控計(jì)劃、保障計(jì)劃、應(yīng)急處置計(jì)劃等；

人員控制子系統(tǒng)：下達(dá)任務(wù)指令，進(jìn)行任務(wù)/裝備調(diào)度控制、綜合監(jiān)視、關(guān)鍵事件告警、臨機(jī)情況處置、任務(wù)效果評(píng)估；

星地資源調(diào)度與控制子系統(tǒng)：依據(jù)任務(wù)計(jì)劃生成和調(diào)度分發(fā)指令，并上注衛(wèi)星。調(diào)度和分發(fā)依據(jù)(元)任務(wù)優(yōu)先級(jí)、時(shí)間序列和其它規(guī)則進(jìn)行；

終端用戶管理子系統(tǒng)：審核終端用戶的注冊(cè)請(qǐng)求和配置使用權(quán)限、增強(qiáng)用戶跟蹤和接收來自多個(gè)衛(wèi)星資源數(shù)據(jù)的能力；

任務(wù)仲裁管理子系統(tǒng)：將操作人員的請(qǐng)求、空間協(xié)調(diào)部門的請(qǐng)求，以及所有支持指令的請(qǐng)求進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，并根據(jù)空間資源的可用性進(jìn)行分配，對(duì)于沖突的需求按照任務(wù)執(zhí)行規(guī)則自動(dòng)裁決取舍。

任務(wù)規(guī)劃、調(diào)度和控制系統(tǒng)作為整個(gè)快響空間控制系統(tǒng)重要組成部分，提供了一個(gè)虛擬的快響空間任務(wù)中心，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)航天控制系統(tǒng)在支持高時(shí)效性應(yīng)用方面存在的不足以及任務(wù)準(zhǔn)確性的需求。傳統(tǒng)航天任務(wù)控制系統(tǒng)通過獲取用戶的需求，進(jìn)行復(fù)雜的任務(wù)規(guī)劃和任務(wù)優(yōu)化，然后控制航天器及地面資源完成對(duì)用戶需求的響應(yīng)，航天任務(wù)的管理控制過程及星地資源的使用對(duì)操作人員不透明，操作人員無法直接獲取當(dāng)前航天器載荷及地面資源狀態(tài)，不能直接準(zhǔn)確地體現(xiàn)操作人員的應(yīng)用目的。

任務(wù)規(guī)劃、調(diào)度和控制系統(tǒng)在現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過對(duì)功能的抽象構(gòu)建服務(wù)，提供一種向終端用戶滿足高時(shí)效性應(yīng)用的任務(wù)服務(wù)，將原有衛(wèi)星地面系統(tǒng)的操作控制前移，由操作人員使用IP的方式獲取有效載荷狀態(tài)，結(jié)合需求動(dòng)態(tài)地給有效載荷及地面資源分派任務(wù)，實(shí)施在軌衛(wèi)星設(shè)備的控制，直接獲取衛(wèi)星有效載荷數(shù)據(jù)。

任務(wù)規(guī)劃、調(diào)度和控制系統(tǒng)提供下述能力和特性：

1)用戶通過系統(tǒng)提供的服務(wù)或應(yīng)用直接實(shí)現(xiàn)與在軌航天器和地面接收處理等資源的互通；

2)任何經(jīng)過授權(quán)和認(rèn)證的用戶可以直接通過安全網(wǎng)絡(luò)從系統(tǒng)獲取衛(wèi)星應(yīng)用服務(wù)；

3)能夠極大地提高衛(wèi)星的使用效率和操作人員指令的執(zhí)行效率；

4)使操作人員和數(shù)據(jù)用戶可以遠(yuǎn)離地面站，衛(wèi)星地面站接入安全互聯(lián)網(wǎng)之后，任務(wù)規(guī)劃、調(diào)度和控制系統(tǒng)就成了能夠協(xié)調(diào)用戶和衛(wèi)星及地面資源之間聯(lián)系的控制單元；

5)能夠?qū)γ總€(gè)用戶進(jìn)行核實(shí)與授權(quán)；

6)建立平臺(tái)間安全的對(duì)話機(jī)制；

7)對(duì)用戶、任務(wù)和指令等的優(yōu)先級(jí)競爭進(jìn)行仲裁與控制；

8)進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，并執(zhí)行合理性指令測(cè)試；

9)在無人干預(yù)的情況下，將數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)發(fā)給遠(yuǎn)程用戶；

10)為可信任的傳感器數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程用戶提供訪問用的加密網(wǎng)關(guān)。

2.6 技術(shù)架構(gòu)視圖

快響空間地面控制系統(tǒng)初步構(gòu)建資源層、服務(wù)層和應(yīng)用層三層開放式服務(wù)化的技術(shù)架構(gòu)。如圖5所示。

資源層提供通信網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算存儲(chǔ)、時(shí)空基準(zhǔn)、安全保密、綜合管理、數(shù)據(jù)資源，以及傳感探測(cè)等資源要素，為系統(tǒng)提供安全可靠的信息傳輸、處理、存儲(chǔ)、應(yīng)用等提供基礎(chǔ)支撐。

服務(wù)層對(duì)資源層進(jìn)行虛擬化管理，形成以網(wǎng)絡(luò)為中心的服務(wù)運(yùn)行管理調(diào)度平臺(tái)；提供資源管理、資源服務(wù)、系統(tǒng)集成服務(wù)、共性服務(wù)；聚合快響空間任務(wù)規(guī)劃、調(diào)度和控制核心應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)態(tài)勢(shì)綜合、任務(wù)決策、任務(wù)控制、綜合保障等基本功能。

應(yīng)用層是基于資源層和服務(wù)層支撐，在各種應(yīng)用場(chǎng)景下，通過對(duì)應(yīng)用功能的靈活編排組合構(gòu)建的應(yīng)用系統(tǒng)，包括快響任務(wù)中心控制系統(tǒng)、天基信息支援控制系統(tǒng)、快響測(cè)控控制系統(tǒng)、應(yīng)急發(fā)射控制系統(tǒng)和應(yīng)用端系統(tǒng)等。

快響空間地面控制系統(tǒng)采用云平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)，依托資源管理系統(tǒng)，構(gòu)建地面“控制云”，支持組網(wǎng)共享、按需服務(wù)的 “云+端”模式。衛(wèi)星控制中心、地面站網(wǎng)中心、應(yīng)用處理中心、發(fā)射測(cè)控中心等進(jìn)行功能服務(wù)化封裝、云化構(gòu)建，納入“控制云”體系。資源管理系統(tǒng)提供各級(jí)各類控制系統(tǒng)服務(wù)化、云化物質(zhì)載體和系統(tǒng)構(gòu)建工具，支持地面、地下、機(jī)動(dòng)多種模式的快速轉(zhuǎn)換和體系容災(zāi)抗毀，支持應(yīng)用軟件在線版本升級(jí)和新研軟件的即插即用。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 星地任務(wù)協(xié)同規(guī)劃技術(shù)

1)快響空間多星協(xié)同任務(wù)規(guī)劃技術(shù):

快響空間多星任務(wù)規(guī)劃涉及多部門、多衛(wèi)星、多載荷的統(tǒng)籌分析、協(xié)同規(guī)劃與快速調(diào)整。通過分析天基地面資源的能力約束、快響任務(wù)需求特點(diǎn)以及多任務(wù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，對(duì)各類天基資源以及地面控制、接收、測(cè)控、處理資源進(jìn)行協(xié)同規(guī)劃，合理分配天地基資源，達(dá)到半自動(dòng)化、自動(dòng)化衛(wèi)星控制、測(cè)控、接收、記錄、傳輸活動(dòng)的任務(wù)調(diào)度和最大化任務(wù)完成率的目的。

采用層次任務(wù)網(wǎng)絡(luò)(hierarchical task network，HTN)與專家決策技術(shù)進(jìn)行快響空間任務(wù)可行性分析、任務(wù)分解與資源需求分配方案。采用多Agent系統(tǒng)(multi-agent system，MAS)進(jìn)行多部門分布式協(xié)作與資源協(xié)同規(guī)劃，將復(fù)雜任務(wù)分解為各資源可獨(dú)立完成的子任務(wù)，確定和分配快響空間任務(wù)需要的衛(wèi)星資源、載荷資源、管理資源、測(cè)控資源、接收資源、應(yīng)用處理資源等。

根據(jù)不同快響任務(wù)需求特征，分析各類任務(wù)規(guī)劃算法的適用性，分析不同資源分配策略，建立多策略資源分配模式；根據(jù)天基地面資源的能力約束特點(diǎn)，建立天基地面資源能力體系，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)多星協(xié)同任務(wù)規(guī)劃算法。借鑒多智能體(Multi-Agent)協(xié)作技術(shù)中的合同網(wǎng)招投標(biāo)機(jī)制，基于多Agent系統(tǒng)進(jìn)行分布式多星協(xié)同任務(wù)規(guī)劃快速調(diào)整，多星之間通過合同網(wǎng)協(xié)商機(jī)制進(jìn)行快響任務(wù)與資源協(xié)調(diào)[11]。

圖5 快響控制系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)視圖

2)快速發(fā)射任務(wù)規(guī)劃技術(shù):

快速發(fā)射任務(wù)規(guī)劃根據(jù)補(bǔ)網(wǎng)/組網(wǎng)需求進(jìn)行應(yīng)急發(fā)射的活動(dòng)。發(fā)射規(guī)劃要求從全局統(tǒng)籌考慮所有星地資源情況，依據(jù)快響任務(wù)及組網(wǎng)需求分析任務(wù)衛(wèi)星、發(fā)射運(yùn)載、時(shí)間窗口、發(fā)射方式、發(fā)射流程安排、設(shè)施安排、行動(dòng)路線、協(xié)同計(jì)劃、保障計(jì)劃、應(yīng)急處置計(jì)劃和風(fēng)險(xiǎn)控制要求，確定快響火箭、組網(wǎng)/補(bǔ)網(wǎng)衛(wèi)星、發(fā)射窗口、軌道根數(shù)、發(fā)射陣地等要素[12]。

根據(jù)快響任務(wù)需求特點(diǎn)，研究不同衛(wèi)星快響發(fā)射任務(wù)協(xié)同優(yōu)化模型，設(shè)計(jì)求解模型的多目標(biāo)進(jìn)化算法，研究并行規(guī)劃模型及算法，模擬不同方案的每次發(fā)射任務(wù)、每道工序的工作過程，結(jié)合算法尋找任務(wù)規(guī)劃的最優(yōu)方案，研究仿真推演技術(shù)確定方案合理性與有效性。

3.2 高效調(diào)度與實(shí)時(shí)控制技術(shù)

快響空間任務(wù)在高時(shí)效性任務(wù)調(diào)度與控制過程中，要求系統(tǒng)盡可能采用“發(fā)現(xiàn)即跟蹤”的運(yùn)行模式。系統(tǒng)常常被要求在盡可能短的時(shí)間內(nèi)完成載荷實(shí)時(shí)控制指令生成及上注，地面控制系統(tǒng)應(yīng)具備高時(shí)效、高可靠、高自動(dòng)化特點(diǎn)。

常規(guī)觀測(cè)任務(wù)對(duì)衛(wèi)星資源、載荷約束、數(shù)據(jù)接收資源，觀測(cè)目標(biāo)(區(qū)域)選擇確定具有可預(yù)見性，任務(wù)安排具有周期性，方案制定具有很強(qiáng)的計(jì)劃性和穩(wěn)定性。快響空間觀測(cè)任務(wù)往往具有應(yīng)急特點(diǎn)，對(duì)目標(biāo)實(shí)施緊急觀測(cè)。面向高時(shí)效性的快響任務(wù)保障需求，為減少星上指令調(diào)整頻次，采用滾動(dòng)式動(dòng)態(tài)任務(wù)管理模式，實(shí)現(xiàn)常規(guī)流程可由測(cè)控周期自動(dòng)觸發(fā)調(diào)度，快響流程可由快響任務(wù)自動(dòng)觸發(fā)調(diào)度。

高效調(diào)度與實(shí)時(shí)控制技術(shù)主要解決星地一體合理高效自動(dòng)化調(diào)度，以及地面對(duì)載荷的實(shí)時(shí)控制?；诳祉懣臻g任務(wù)特點(diǎn)，通過對(duì)控制流程進(jìn)行分析，梳理重要環(huán)節(jié)及其相互關(guān)聯(lián)，采用預(yù)置自動(dòng)化判斷規(guī)則，規(guī)則庫中定義了星地一體控制的各種約束條件及調(diào)度流程的相關(guān)配置信息。對(duì)于固化規(guī)則和配置，可定義為模板，如指令模板，在進(jìn)行指令編制時(shí)，可依據(jù)指令模板快速生成指令序列。針對(duì)控制流程可能隨業(yè)務(wù)變化的情況，引入工作流機(jī)制，將流程配置作為規(guī)則庫的一部分。

針對(duì)準(zhǔn)確性和時(shí)效性的要求，采用智能化虛擬控制、測(cè)控技術(shù)，針對(duì)服務(wù)化封裝，云化遷移，建立面向用戶的虛擬任務(wù)中心，用戶通過地面終端及安全互聯(lián)技術(shù)直接操控和使用星上資源，業(yè)務(wù)人員通過后臺(tái)管理和配置星地資源。

3.3 資源優(yōu)化分配技術(shù)

對(duì)快響空間資源統(tǒng)籌分配，就是根據(jù)衛(wèi)星資源、數(shù)傳資源、測(cè)控資源的使用特點(diǎn)，按照一定的分配策略，對(duì)資源進(jìn)行合理的高效分配。其問題可描述為：對(duì)多類型任務(wù)集合，依據(jù)多顆觀測(cè)衛(wèi)星、可用數(shù)傳資源、測(cè)控資源各自的能力及約束條件，以協(xié)作方式將任務(wù)集合中的任務(wù)根據(jù)類型優(yōu)化分配至觀測(cè)衛(wèi)星時(shí)間窗口、數(shù)傳窗口、測(cè)控站測(cè)控窗口等資源，為觀測(cè)、數(shù)傳、測(cè)控規(guī)劃提供輸入。在協(xié)同分配過程中，任務(wù)分配以衛(wèi)星資源的能力為依據(jù)，保證分配給每個(gè)觀測(cè)平臺(tái)的任務(wù)能夠完成；而數(shù)傳窗口的分配主要面向衛(wèi)星，分配時(shí)以各個(gè)衛(wèi)星的任務(wù)負(fù)載以及衛(wèi)星與地面站的可見性為依據(jù)；測(cè)控資源的分配主要以滿足衛(wèi)星觀測(cè)任務(wù)的測(cè)控需求，保證資源約束、時(shí)間約束、狀態(tài)約束、關(guān)系約束前提下完成測(cè)控資源的分配。

研究采用分布式異步協(xié)同機(jī)制確定觀測(cè)資源分配模式；研究采用測(cè)控任務(wù)綜合優(yōu)先度概念，啟發(fā)式算法解決多星測(cè)控資源復(fù)雜組合優(yōu)化分配問題；研究地面接收站網(wǎng)資源分配技術(shù)和中繼衛(wèi)星系統(tǒng)資源分配技術(shù)解決多星數(shù)傳資源分配問題。

3.4 空/地接口標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)研究

針對(duì)快速響應(yīng)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)多星多站無縫互聯(lián)，設(shè)計(jì)基于國際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(consultative committee for space data systems，CCSDS)標(biāo)準(zhǔn)的快響空間地面控制系統(tǒng)空/地協(xié)議體系，兼容現(xiàn)行衛(wèi)星接口規(guī)范，遵循我國國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB1198.1-91《衛(wèi)星測(cè)控和數(shù)據(jù)管理》標(biāo)準(zhǔn)。其協(xié)議體系中包含應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，協(xié)議體系架構(gòu)如圖6所示。

圖6 基于CCSDS框架的快響控制系統(tǒng)空/地協(xié)議體系架構(gòu)

針對(duì)快響空間控制系統(tǒng)，為了提高信息在多星多站間異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中靈活傳輸，高效交互衛(wèi)星各類數(shù)據(jù)，首先要對(duì)信息傳輸進(jìn)行層次化設(shè)計(jì)與規(guī)范，遵循協(xié)議框架標(biāo)準(zhǔn)， 基于可擴(kuò)展標(biāo)記語言的遙測(cè)遙控信息交換(XML telemetric and command exchange，XTCE)的快響互聯(lián)信息模型是貫穿從數(shù)據(jù)鏈路層到應(yīng)用層的分層規(guī)范描述，研究XTCE標(biāo)準(zhǔn)，將其作為地面遙控、遙測(cè)、和數(shù)傳接口規(guī)范，并兼容現(xiàn)有傳統(tǒng)遙測(cè)遙控格式，作為高級(jí)在軌系統(tǒng)(advanced orbiting systems，AOS)協(xié)議補(bǔ)充；同時(shí)研究處于網(wǎng)絡(luò)層空間通信協(xié)議的空間分組協(xié)議SPP，根據(jù)特定路由策略與算法生成的路由信息，形成傳輸數(shù)據(jù)包；研究空間通信協(xié)議規(guī)范-傳輸協(xié)議(space communication protocol standard-transmission protocol，SCPS-TP)和CCSDS文件傳輸協(xié)議(CCSDS file delivery protocol，CFDP)，以向空間通信用戶提供端到端傳輸服務(wù)；在應(yīng)用層提供面向應(yīng)用與信息交換的快速響應(yīng)信息預(yù)處理服務(wù)。

4 結(jié)束語

本文在探討快響空間地面控制系統(tǒng)時(shí)基于虛擬任務(wù)操作中心思想，研究快響空間地面控制系統(tǒng)的工作與信息流程及應(yīng)用端使用模式，充分利用現(xiàn)有衛(wèi)星、地面測(cè)控、運(yùn)控、應(yīng)用系統(tǒng)資源能力，突出多部門、多手段聯(lián)合觀測(cè)和快速反應(yīng)，提高天基對(duì)地觀測(cè)作業(yè)精度，探索天基信息支援控制體制機(jī)制創(chuàng)新。

基于云服務(wù)框架構(gòu)建快速響應(yīng)空間任務(wù)應(yīng)用的地面控制系統(tǒng)體系架構(gòu)。按照以“云”聚合各類航天裝備資源，以“云”協(xié)同各級(jí)任務(wù)籌劃，以“云”貫通各類保障渠道的體系思想，構(gòu)建一體化、分布式的快速響應(yīng)空間地面控制“云”系統(tǒng)體系架構(gòu)，基于網(wǎng)絡(luò)化和云平臺(tái)的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件的按需、靈活部署，支持應(yīng)用端功能的快速遷移和靈活重構(gòu)。結(jié)合天地安全互聯(lián)技術(shù)，用戶終端通過云端應(yīng)用以服務(wù)的方式獲取使用資源，從而實(shí)現(xiàn)“一線操作人員所想即所得、直接操控衛(wèi)星”。

在構(gòu)建快響空間地面控制流程時(shí)，打破原有各部門各系統(tǒng)各自為政，獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)的現(xiàn)狀，在實(shí)現(xiàn)各部門、各系統(tǒng)的互聯(lián)互通的基礎(chǔ)上，從頂層進(jìn)行協(xié)調(diào)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)航天對(duì)地觀測(cè)、快響發(fā)射、機(jī)動(dòng)測(cè)控等統(tǒng)一調(diào)度，充分利用現(xiàn)有衛(wèi)星資源和地面測(cè)運(yùn)控、應(yīng)用系統(tǒng)能力，進(jìn)行實(shí)現(xiàn)多部門、多手段聯(lián)合協(xié)同和快速反應(yīng)，提高天基空間快速響應(yīng)能力。

在實(shí)現(xiàn)快響空間地面控制系統(tǒng)任務(wù)規(guī)劃、調(diào)度和控制功能實(shí)現(xiàn)途徑時(shí)，可采用微服務(wù)+容器架構(gòu)對(duì)現(xiàn)有體制業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)改造，以分布式服務(wù)為基礎(chǔ)，通過服務(wù)框架、中間件、消息通信實(shí)現(xiàn)服務(wù)的規(guī)范化。對(duì)微服務(wù)進(jìn)行重新排列、組合成新應(yīng)用，以容器的方式將應(yīng)用快速發(fā)布上線。通過各類任務(wù)系統(tǒng)縱向的結(jié)構(gòu)分層、橫向的功能拆分，實(shí)現(xiàn)同層的功能聚合，積累并形成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，集中統(tǒng)一開發(fā)通用的和專用服務(wù)組件，通過按需定制、動(dòng)態(tài)重組、靈活擴(kuò)展、快速構(gòu)建各類任務(wù)系統(tǒng)。