李 巍

（上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240）

引言

隨著航天事業(yè)的發(fā)展，發(fā)射在軌的衛(wèi)星數(shù)量越來越多，衛(wèi)星載荷設計越來越復雜。衛(wèi)星用戶單位需要消耗越來越多的人力資源用于衛(wèi)星的作業(yè)計劃編制。深空探測器由于通信控制回路較長，一般設計為更多依賴自主任務規(guī)劃。靜止軌道衛(wèi)星由于星下點位置較為固定，探測目標也較為固定，作業(yè)編排變化少。不同于深空探測器和靜止軌道衛(wèi)星，近地軌道衛(wèi)星的作業(yè)安排要求使用靈活、探測目標不固定，可自主任務控制又允許人工深度干預。通過近地軌道衛(wèi)星自主作業(yè)管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)衛(wèi)星根據(jù)控制策略長期無人值守自動控制衛(wèi)星載荷工作，在處理緊急任務或任務模式發(fā)生變更時又可以通過少量注數(shù)實現(xiàn)載荷的靈活控制。

1 近地軌道衛(wèi)星的常規(guī)編制情況

近地軌道衛(wèi)星的作業(yè)計劃編制工作多為人工編排后遙控上注到衛(wèi)星。作業(yè)編排少有創(chuàng)新性，對于氣象衛(wèi)星、資源普查衛(wèi)星更是作業(yè)編制千篇一律少有變化。對于這些人工生成的作業(yè)，地面測控系統(tǒng)每天要協(xié)調(diào)地面上行資源發(fā)送遙控數(shù)據(jù)到衛(wèi)星同樣消耗了大量的人力、物力。對于軍事衛(wèi)星，這種對地面運控系統(tǒng)、測控系統(tǒng)的過分依賴是比較危險的。一旦在戰(zhàn)時地面運控系統(tǒng)、測控系統(tǒng)受到破壞這些衛(wèi)星由于不能自主生成作業(yè)而完全失去作用。

目前的衛(wèi)星載荷作業(yè)編制分為3種情況，都不同程度消耗大量的人力、物力資源進行地面干預。

1） 地面用戶利用運控系統(tǒng)編制每次任務的作業(yè)項或者指令序列，通過測控系統(tǒng)上注到衛(wèi)星。這些作業(yè)項或指令序列中包含衛(wèi)星載荷的開機、關(guān)機的指令，載荷運行的各種模式注數(shù)等信息。這些作業(yè)項或指令序列由衛(wèi)星進行解釋、執(zhí)行，完成對載荷的開、關(guān)機控制。遙控上注指令序列的方式是每次載荷工作前上注帶時間信息的指令序列。這樣的指令序列少則十幾條，多則近百條指令完成一次載荷的工作控制。由于遙控注數(shù)量大，而衛(wèi)星過境時間有限，就使得載荷控制工作次數(shù)較少，載荷利用不飽滿。上注作業(yè)項的方式，是地面上注作業(yè)項信息，這個作業(yè)項中包含開、關(guān)機時間、載荷工作模式。上注到衛(wèi)星后由星載計算機進行解析，把這個作業(yè)項分解成一串帶時間信息的開、關(guān)機指令序列。多個作業(yè)項組成一個作業(yè)表，這種上注作業(yè)表的方式較上注指令序列的方式，節(jié)約了測控信道上注成本，在相同的過境時間內(nèi)可完成更多的作業(yè)上注。上注作業(yè)表對衛(wèi)星載荷進行控制的方式雖然比上注指令序列的方式節(jié)約遙控上注成本，但由于每個作業(yè)仍然由地面人工干預生成，并未減少人力資源成本。

2） 某些資源普查衛(wèi)星利用衛(wèi)星軌道周期性重返的特點，一次上注可支持一個回歸周期內(nèi)工作的多個作業(yè)。衛(wèi)星反復執(zhí)行這些作業(yè)。一些衛(wèi)星軌道具有7天、10天等不同的軌道重返周期。用戶可以把一個周期的作業(yè)表上注到衛(wèi)星，由衛(wèi)星自動重復執(zhí)行這些作業(yè)以簡化衛(wèi)星的控制。由于衛(wèi)星軌道不可避免的飄移，地面控制人員要每隔一段時間重新調(diào)整這些作業(yè)配置，才能保證衛(wèi)星經(jīng)過正確的星下點時開機工作。如果要臨時增加一些載荷作業(yè)，必須重新上注作業(yè)項，如果與周期性工作有沖突還需要重新上注整個周期的作業(yè)表。

3） 對數(shù)傳站、測控站的自主任務規(guī)劃。一些衛(wèi)星具有遙測數(shù)據(jù)下傳地面測控站、載荷數(shù)據(jù)下傳地面數(shù)傳站這些任務的自主規(guī)劃功能。由于遙測下傳作業(yè)、數(shù)傳下傳作業(yè)較為簡單，數(shù)傳下行射頻的開關(guān)機時序、工作模式、工作參數(shù)配置較為固定。星上存儲地面站類型、地理經(jīng)度、地理緯度、地心緯度、地心距、最小工作仰角，當衛(wèi)星經(jīng)過地面站上方，滿足最小工作仰角時進行測控、數(shù)傳的單機開機下傳數(shù)據(jù)。這種方法只針對測控、數(shù)傳等簡單的程控。當涉及到光學載荷、雷達成像載荷、無線電信號偵收載荷等復雜的程控，由于工作參數(shù)配置靈活，仍需要人工上注作業(yè)進行控制。

以上三種衛(wèi)星載荷作業(yè)編制方法，都需要大量的地面控制人員干預。當有臨時作業(yè)安排時，作業(yè)的注數(shù)量較大、注數(shù)生成復雜。本文提出的近地軌道衛(wèi)星的自主作業(yè)管理方法可以彌補這些不足。

2 近地軌道衛(wèi)星的自主作業(yè)管理方法

近地軌道衛(wèi)星自主作業(yè)管理方法是利用作業(yè)策略解釋模塊，根據(jù)作業(yè)模板庫、重點區(qū)域庫、作業(yè)策略庫的內(nèi)容在衛(wèi)星上自動生成作業(yè)。由于重點區(qū)域根據(jù)星下點經(jīng)緯度劃分，衛(wèi)星根據(jù)GPS軌道數(shù)據(jù)或者軌道平根自動推演衛(wèi)星飛臨重點區(qū)域的時間。無論衛(wèi)星軌道的重訪周期性如何都可以自主生成作業(yè)。當發(fā)生臨時作業(yè)時，只需上注新的重點區(qū)域和新的作業(yè)策略即可，這兩者的遙控注數(shù)量都很小且生成簡單，無需復雜的載荷使用背景知識。衛(wèi)星可通過上注更新作業(yè)模板庫、重點區(qū)域庫、作業(yè)策略庫的方式使衛(wèi)星載荷的使用靈活，衛(wèi)星根據(jù)這三庫信息完全自主控制衛(wèi)星載荷工作。根據(jù)不同的載荷特點配置不同的作業(yè)模板庫，使得本方法具有很好的通用性。

本方法既可以在日常在軌作業(yè)管理中節(jié)省了地面運控系統(tǒng)、測控系統(tǒng)的大量工作；又可以在突發(fā)情況下的靈活變更作業(yè)。

如圖1所示近地軌道衛(wèi)星自主作業(yè)管理系統(tǒng)包括三庫（作業(yè)模板庫、重點區(qū)域庫、作業(yè)策略庫）、兩隊列（作業(yè)隊列、指令隊列）、兩模塊（作業(yè)策略解釋模塊、作業(yè)項解釋模塊）。

作業(yè)模板庫用于存儲常用的衛(wèi)星載荷工作參數(shù)配置。其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以模板編號為索引的一維數(shù)組，如表1所示。數(shù)組中每一個單元為一個作業(yè)模板項，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表2所示。

表1 作業(yè)模板庫數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表2 作業(yè)模板項數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表2所示的作業(yè)模板項為一種通用的作業(yè)模板。衛(wèi)星上不同的載荷作業(yè)模板通過作業(yè)模板項中的載荷類型碼進行區(qū)分。例如某載荷的作業(yè)控制參數(shù)只有4個，分別長度為8個字節(jié)、4個字節(jié)、12個字節(jié)、30個字節(jié)。那么對于這個載荷的作業(yè)模板中控制參數(shù)A長度為8，控制參數(shù)B長度為4，控制參數(shù)C長度為12，控制參數(shù)D長度為30?？刂茀?shù)區(qū)中為這4種54個字節(jié)的數(shù)據(jù)。作業(yè)模板項中的控制參數(shù)E到J長度都是0。

重點區(qū)域庫用于存儲需要載荷開機工作的星下區(qū)域。其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為以重點區(qū)域編號為索引的一維數(shù)組，如表3所示。數(shù)組中每一個單元為一個重點區(qū)域項，如表4所示。每一個重點區(qū)域項包括經(jīng)度1、經(jīng)度2、緯度1、緯度2,4個弧度值。在這2個經(jīng)度、2個緯度之間的區(qū)域為一個重點區(qū)域。

表3 重點區(qū)域庫數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表4 重點區(qū)域項數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

一般衛(wèi)星載荷對地工作都有一定的幅寬。衛(wèi)星實際工作區(qū)域不同于星下點經(jīng)過區(qū)域。如圖2中所示，當衛(wèi)星經(jīng)過星下點區(qū)域緯度E、緯度F、經(jīng)度B、經(jīng)度C所包圍的范圍時，其載荷對地工作實際掃描的區(qū)域為緯度E、緯度F、經(jīng)度A、經(jīng)度D所包圍的范圍。重點區(qū)域的范圍由實際工作需求、載荷工作特點及載荷工作模式相關(guān)，當載荷具有可轉(zhuǎn)動的探頭或衛(wèi)星可滾動、俯仰機動時更是如此。

作業(yè)策略庫用于存儲作業(yè)策略。其結(jié)構(gòu)為作業(yè)策略編號為索引的一維數(shù)組，如表5所示。數(shù)組中每一個單元為一個作業(yè)策略項，如表6所示。每一個作業(yè)策略項包括本規(guī)則是否被激活信息、關(guān)聯(lián)作業(yè)模板項編號、關(guān)聯(lián)重點區(qū)域項編號、工作時間上限、工作時間下限、24小時內(nèi)執(zhí)行本作業(yè)次數(shù)上限、優(yōu)先級、工作時間排序方式、起始終止時間段限制等信息。

表5 作業(yè)策略庫數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表6 作業(yè)策略項數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

作業(yè)隊列用于存儲作業(yè)。該隊列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為循環(huán)隊列。隊列中作業(yè)項按執(zhí)行起始時間從小到大排序。作業(yè)項的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表7所示。 作業(yè)策略解釋模塊根據(jù)作業(yè)策略庫中的規(guī)則，查詢作業(yè)模板庫、重點區(qū)域庫中相關(guān)信息生成作業(yè)序列插入到作業(yè)隊列中。其工作流程如圖3所示。

表7 作業(yè)項數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表8 指令項數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

圖3 作業(yè)策略解釋模塊運行流程

作業(yè)解釋模塊查詢作業(yè)隊列中執(zhí)行起始時間小于等于當前衛(wèi)星系統(tǒng)時間的作業(yè)，根據(jù)優(yōu)先級大小刪除資源使用沖突的作業(yè)，并把該作業(yè)解釋成指令序列插入到指令隊列中。當同一時間段同一載荷有多個作業(yè)時執(zhí)行優(yōu)先級高的作業(yè)。其工作流程如圖4所示。

圖4 作業(yè)解釋模塊運行流程

3 結(jié)論

本文中衛(wèi)星根據(jù)地面預注的作業(yè)模板庫、重點區(qū)域庫、作業(yè)策略庫自動生成作業(yè)，控制載荷系統(tǒng)工作。通常情況下，衛(wèi)星被要求飛臨重點區(qū)域時在能源足夠的情況下載荷系統(tǒng)盡量多開機。本方法中的近地軌道衛(wèi)星自主作業(yè)管理系統(tǒng)完全可以滿足這樣的使用要求。當把重點區(qū)域設置成幾個可以覆蓋全球的大塊區(qū)域，在作業(yè)策略中圈選擇規(guī)則設置為隨機排序、天內(nèi)最多作業(yè)數(shù)設置為1，就可以實現(xiàn)每天進行全球范圍內(nèi)的一次探索性開機工作。本方法既滿足了常規(guī)性作業(yè)管理又可以進行探索性作業(yè)設置。衛(wèi)星的絕大部分作業(yè)管理工作通過發(fā)射前預先設置作業(yè)模板庫、重點區(qū)域庫、作業(yè)策略庫完成。在軌期間也可遙控注數(shù)修改這3個庫。衛(wèi)星間隔固定時間調(diào)用作業(yè)策略解釋模塊生成控制載荷工作的作業(yè)項。對于臨時決策的緊急作業(yè)可通過遙控注數(shù)直接把設置為高優(yōu)先級的作業(yè)項上注到作業(yè)隊列中。這樣可實現(xiàn)對衛(wèi)星的實時控制。通過使用近地軌道衛(wèi)星自主作業(yè)管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)長期無人值守而完成任務，也可以通過人工干預更新這3庫內(nèi)容而提高近地軌道衛(wèi)星的使用效能，在突發(fā)任務情況更是簡單的注數(shù)就可完成任務變更。