張馳 劉杰 王振興 趙元清

(北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)

高分三號衛(wèi)星自主任務(wù)規(guī)劃設(shè)計與在軌驗證

張馳 劉杰 王振興 趙元清

(北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)

對高分三號(GF-3)衛(wèi)星的工作模式以及地面操作指令形式進行介紹,在此基礎(chǔ)上設(shè)計了自主任務(wù)規(guī)劃,提出單次記錄、單天線單站邊記邊放、單天線雙站邊記邊放等9種自主任務(wù)規(guī)劃編排指令模板。自主任務(wù)規(guī)劃設(shè)計在GF-3衛(wèi)星常規(guī)執(zhí)行任務(wù)中的應(yīng)用結(jié)果表明:設(shè)計合理、操作便捷,能有效地提高GF-3衛(wèi)星的好用易用性,可為后續(xù)SAR衛(wèi)星設(shè)計提供參考。

高分三號衛(wèi)星;自主任務(wù)規(guī)劃;指令模板

1 引言

隨著航天技術(shù)的不斷進步,衛(wèi)星從傳統(tǒng)單一工作模式向多任務(wù)多模式的復雜型應(yīng)用轉(zhuǎn)變。國外相繼開展了衛(wèi)星自主任務(wù)管理技術(shù)研究。美國國家航空航天局(NASA)在地球觀測-1(EO-1)衛(wèi)星的基礎(chǔ)上,先后開發(fā)了“自主調(diào)度與規(guī)劃”(ASPEN)[1]及“調(diào)度和執(zhí)行程序框架”(CASPER)[2]兩大衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)。ASPEN能夠針對任務(wù)層次觀測目標,自動生成EO-1衛(wèi)星指令層的每日工作計劃。CASPER則采用一種實時重規(guī)劃機制,使系統(tǒng)能夠基于固定的時間步長或事件步長采集系統(tǒng)的實時狀態(tài)和新的目標,并在此實時信息的基礎(chǔ)上進行必要的重規(guī)劃。歐洲航天局(ESA)支持的星上自主計劃(PROBA)[3],研究并驗證了一些星載自主規(guī)劃技術(shù)。法國航天局(CNES)在其昂宿星(Pleiades)衛(wèi)星上也開展了衛(wèi)星自主任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的試驗[4]。

國內(nèi)也開展了很多遙感衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃技術(shù)研究。文獻[5]針對地面多星任務(wù)規(guī)劃問題,提出規(guī)劃模型和算法,開發(fā)了一整套地面任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng),已運用到成像衛(wèi)星的日常管控中,但并不適用于微波類SAR衛(wèi)星。文獻[6-7]針對星務(wù)系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計,提出面向任務(wù)的小衛(wèi)星自主指令設(shè)計,并未闡述對于大衛(wèi)星自主任務(wù)管理。文獻[8-9]對光學衛(wèi)星自主任務(wù)規(guī)劃進行研究,有效降低了衛(wèi)星管控的復雜性,并提高了衛(wèi)星上注的效率。文獻[8-10]提出的自主任務(wù)規(guī)劃,主要針對傳統(tǒng)光學衛(wèi)星,并沒有考慮到微波類SAR衛(wèi)星任務(wù)的自主管理。

高分三號(GF-3)衛(wèi)星是一顆具備1 m分辨率的C頻段多極化SAR成像衛(wèi)星,能夠全天時和全天候?qū)崿F(xiàn)對全球海洋和陸地的監(jiān)視監(jiān)測,并通過左右姿態(tài)機動擴大對地觀測范圍和提升快速響應(yīng)能力。衛(wèi)星的數(shù)據(jù)率從兆級至吉級范圍變化;數(shù)傳系統(tǒng)除常規(guī)模式外,還具備快記慢放、慢記快放等模式;數(shù)傳天線跟蹤具備單天線單站、單天線雙站、雙天線雙站等組合。結(jié)合上述衛(wèi)星特點,本文提出了自主任務(wù)規(guī)劃設(shè)計,并將其分解成9種自主任務(wù)規(guī)劃編排指令模板。地面用戶只要針對不同的任務(wù)形式,選擇適用的模板,輸入必要的參數(shù),就可以完成一次SAR成像及數(shù)傳任務(wù),可大幅提高載荷應(yīng)用時用戶對衛(wèi)星指令操作的簡便性和可靠性。

2 衛(wèi)星工作模式及地面操作指令形式

依據(jù)用戶需求和衛(wèi)星特性,GF-3衛(wèi)星采用12種SAR載荷工作模式,以及配合成像任務(wù)的4種數(shù)傳工作模式。在對比單指令、數(shù)據(jù)塊和自主任務(wù)規(guī)劃編排指令的基礎(chǔ)上,GF-3衛(wèi)星地面系統(tǒng)選用自主任務(wù)指令對衛(wèi)星進行操作。

2．1 SAR載荷工作模式

GF-3衛(wèi)星共有12種成像模式,每種成像模式的分辨率、原始數(shù)據(jù)量和極化方式要求,如表1所示。

表1 SAR載荷成像性能Table 1 Performances of SAR payload imaging

2．2 數(shù)傳工作模式

(1)成像對地實時傳輸模式。在地面接收站可視范圍內(nèi),衛(wèi)星處于正常右側(cè)視飛行姿態(tài)(或者左側(cè)視飛行姿態(tài)),SAR分系統(tǒng)對地成像,數(shù)傳分系統(tǒng)將接收到的SAR成像回波數(shù)據(jù)、輔助數(shù)據(jù)發(fā)送至地面接收站。

(2)成像記錄模式。衛(wèi)星處于正常右側(cè)視飛行姿態(tài)(或者左側(cè)視飛行姿態(tài)),SAR分系統(tǒng)對地成像,數(shù)傳分系統(tǒng)將接收到的SAR成像回波數(shù)據(jù)、輔助數(shù)據(jù)送至數(shù)傳分系統(tǒng)固態(tài)存儲器進行存儲。

(3)成像回放模式。在地面接收站可視范圍內(nèi),衛(wèi)星處于正常右側(cè)視飛行姿態(tài)(或者左側(cè)視、正視飛行姿態(tài)),SAR分系統(tǒng)不成像,將存儲在數(shù)傳分系統(tǒng)固態(tài)存儲器中的SAR成像回波數(shù)據(jù)、輔助數(shù)據(jù),經(jīng)數(shù)傳分系統(tǒng)發(fā)送至地面接收站。

(4)成像對地邊記邊放模式。在地面接收站可視范圍內(nèi),衛(wèi)星處于正常右側(cè)視飛行姿態(tài)(或者左側(cè)視飛行姿態(tài)),SAR分系統(tǒng)對地成像,回波數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)傳分系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理器送到固態(tài)存儲器進行記錄;同時,固態(tài)存儲器將當前記錄的數(shù)據(jù)或者歷史記錄數(shù)據(jù)通過對地數(shù)傳通道,經(jīng)對地數(shù)傳天線輻射至地面接收站。該模式還可以細分為以下2種模式。①成像對地準實時傳輸模式,固態(tài)存儲器回放數(shù)據(jù)的起始地址為此次記錄的起始地址。②成像對地記錄回放模式,固態(tài)存儲器回放的數(shù)據(jù)為歷史成像回波數(shù)據(jù),當前記錄的成像回波數(shù)據(jù)擇機回放至地面。

2．3 地面操作指令形式

一般,地面系統(tǒng)通過3種指令形式(對比見表2),實現(xiàn)對衛(wèi)星的操作控制。

(1)單指令。地面系統(tǒng)通過一條一條的指令發(fā)送,對衛(wèi)星進行操作控制。一條指令執(zhí)行正確后,再發(fā)送下一條指令。

(2)數(shù)據(jù)塊,由多條單指令組成,封裝在數(shù)管分系統(tǒng)中央單元(CTU)中。

(3)自主任務(wù)規(guī)劃編排指令,由多條單指令和數(shù)據(jù)塊組成。面向用戶的高級任務(wù)調(diào)度指令,只需要簡單地規(guī)定成像任務(wù)的時間、工作模式等信息。

表2 指令形式比較Table 2 Comparison of command types

與單指令和數(shù)據(jù)塊相比,自主任務(wù)規(guī)劃編排指令本身簡單,操作簡易,執(zhí)行安全,可簡化星地接口,縮減數(shù)據(jù)上注量,更加便于用戶操作。因此,GF-3衛(wèi)星通過自主任務(wù)規(guī)劃編排指令開展成像任務(wù)效率和安全性更高,更適用于長期業(yè)務(wù)運行。

3 自主任務(wù)規(guī)劃設(shè)計

GF-3衛(wèi)星不同于普通的光學遙感衛(wèi)星,在軌實際應(yīng)用較為復雜,要綜合考慮測控上行通道弧段選取、衛(wèi)星姿態(tài)設(shè)置、SAR成像區(qū)域選取、成像模式設(shè)置、波位選取、極化方式選取、成像時長規(guī)劃、下傳數(shù)據(jù)弧段選擇、下傳模式設(shè)置、下傳通道切換、下傳數(shù)據(jù)量規(guī)劃、下傳文件號選取等一系列復雜的前期準備工作,這導致用戶在完成一次任務(wù)應(yīng)用時要花費巨大的時間成本進行前期任務(wù)規(guī)劃、指令設(shè)置編排等操作,對一線操作人員要求較高,而且易出現(xiàn)操作失誤,會降低衛(wèi)星的可靠性。為此,本文從用戶應(yīng)用角度出發(fā),為滿足衛(wèi)星好用易用的指導原則,設(shè)計了任務(wù)規(guī)劃及操作指令。

3．1 輸入?yún)?shù)接口設(shè)計

輸入?yún)?shù)接口是用戶通過地面操作在自主任務(wù)編排指令模板中輸入約束信息,從時間、地域、方式規(guī)劃出一次完整成像傳輸任務(wù)。輸入的參數(shù)只需要用戶填寫必要的參數(shù)信息,主要包含任務(wù)時間信息、姿態(tài)信息、成像時間及區(qū)域信息、數(shù)傳弧段信息、數(shù)傳模式信息、數(shù)傳天線預置角度信息、固態(tài)存儲器記錄或回放文件信息、地面接收站信息等,見表3。通過輸入這些信息,并結(jié)合衛(wèi)星本身的載荷工作特點及工作模式,規(guī)劃出一次成像及傳輸任務(wù)。

表3 參數(shù)接口表Table 3 Interface sheet of parameters

3．2 自主任務(wù)規(guī)劃編排指令設(shè)計

用戶在應(yīng)用遙感衛(wèi)星自主任務(wù)規(guī)劃時常采用“靜態(tài)時間約束＋指令模板”的運行控制體制。為了便于用戶操作,結(jié)合GF-3衛(wèi)星的工作模式,本文根據(jù)任務(wù)要求、衛(wèi)星約束等要求,將自主規(guī)劃任務(wù)分解成最常用的9種自主任務(wù)指令模板,包括單次記錄、單天線單站實傳、單天線單站回放、單天線單站邊記邊放、單天線單站邊記邊放(回放起始標志)、單天線雙站順序或序號回放、單天線雙站邊記邊放、單天線雙站邊記邊放(回放起始標志)、固態(tài)存儲器擦除,并將其固化在數(shù)管分系統(tǒng)中。地面用戶只要選擇其中的一種自主任務(wù)規(guī)劃編排指令模板,輸入必要的參數(shù),就可以完成一次SAR成像及數(shù)傳任務(wù)。圖1為自主任務(wù)規(guī)劃指令執(zhí)行示意。

通過衛(wèi)星自主規(guī)劃,調(diào)用多個指令組和少量指令(見表4),能保證SAR載荷成像及數(shù)據(jù)下傳,同時具備一次短期成像任務(wù)中包含多次多區(qū)域SAR成像,使GF-3衛(wèi)星的使用更加靈活。表4為成像任務(wù)規(guī)劃內(nèi)容。

表4 成像任務(wù)規(guī)劃內(nèi)容Table 4 Planning of imaging task

4 在軌驗證

本文設(shè)計9套自主任務(wù)規(guī)劃編排指令模板,遍歷GF-3衛(wèi)星整個正樣電測階段及發(fā)射場電測階段,驗證了設(shè)計的正確性、合理性及便利性,配合完成了SAR分系統(tǒng)測試,保證衛(wèi)星順利出場及發(fā)射。

GF-3衛(wèi)星入軌后,在2016年8月15日首次成像,開展了為期約5個月的衛(wèi)星及地面系統(tǒng)在軌測試工作。截止到2017年1月,衛(wèi)星在軌總成像時間超過7000 min,9種自主任務(wù)規(guī)劃編排指令模板使用次數(shù)超過1689次,圓滿完成了SAR成像任務(wù)、數(shù)據(jù)傳輸任務(wù),成像分辨率達到米級,并獲取了高質(zhì)量重軌干涉SAR試驗數(shù)據(jù),提取出亞厘米級的地面沉降信息,實現(xiàn)了中國衛(wèi)星SAR影像干涉測量零的突破。

5 結(jié)束語

本文基于GF-3衛(wèi)星的任務(wù)特點,對自主任務(wù)規(guī)劃進行設(shè)計,提出了9種自主任務(wù)規(guī)劃編排指令模板,可提高衛(wèi)星的可靠性、安全性、可用性、易用性。本文的設(shè)計能大幅降低衛(wèi)星對地面人工控制的依賴,減少上注的操作指令,使任務(wù)規(guī)劃更加簡單明了,可解決GF-3衛(wèi)星在軌應(yīng)用復雜的問題,減少漏指令、錯指令的情況出現(xiàn),并獲得了很好的應(yīng)用效果,可為后續(xù)SAR遙感衛(wèi)星自主任務(wù)規(guī)劃設(shè)計提供參考。

References)

[1]Chien S,Rabideau G,Kflight R,et a1．ASPEN automated planning and scheduling for space mission operations[C]//Proceedings of the 6th International Conference on Space Operations(Space Ops 2000)．Washington D．C．:AIAA,2000:1-10

[2]Cichy B,Chien S,Sehaffer S,et a1．Validating the EO-1 autonomous science agent[R]．Washington D．C．:NASA,2006

[3]Bamsley M J,Settle JJ,Cutter M A,et al．The PROBA/CHRIS mission:a low-cost smallsat for hyperspectral multiangle observations of the earth surface and atmosphere[J]．IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2004,42(7):1512-1520

[4]Bianchessi N．Planning and scheduling problems for earth observing satellites:models and algorithms[D]．Milano:University Degli Studi Di Milano,2006

[5]賀仁杰,高鵬,白保存,等．成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃模型、算法及其應(yīng)用[J]．系統(tǒng)工程理論與實踐,2011,31(3):411-412 He Renjie,Gao Peng,Bai Baocun,et a1．Models,algorithms and applications to the mission planning system of imaging satellites[J]．Systems Engineering Theory&Practice,2011,31(3):411-412(in Chinese)

[6]李志剛,伍保峰,馮永．環(huán)境減災-1A、1B衛(wèi)星星務(wù)分系統(tǒng)技術(shù)[J]．航天器工程,2009,18(6):76-80 Li Zhigang,Wu Baofeng,Feng Yong．Technical characteristics of HJ-1A/1B housekeeping system[J]．Space-craft Engineering,2009,18(6):76-80(in Chinese)

[7]伍保峰,李志剛,李軍予,等．面向任務(wù)的小衛(wèi)星自主指令設(shè)計[J]．航天器工程,2013,22(4):68-71 Wu Baofeng,Li Zhigang,Li Junyu,et al．Design of mission-oriented autonomous commands for small satellites[J]．Spacecraft Engineering,2013,22(4):68-71(in Chinese)

[8]朱劍冰,汪路元,趙魏,等．敏捷光學衛(wèi)星自主任務(wù)管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析[J]．航天器工程,2016,25(4):54-59 Zhu Jianbing,Wang Luyuan,Zhao Wei,et al．Analysis on key techniques of onboard autonomous mission management system of optical agile satellite[J]．Spacecraft Engineering,2016,25(4):54-59(in Chinese)

[9]朱瑪,劉云鶴,韋涌泉,等．高分四號衛(wèi)星自主任務(wù)規(guī)劃設(shè)計[C]//星上綜合電子與測控專業(yè)組2016年學術(shù)交流會議論文集．北京:中國空間技術(shù)研究院,2016:129-134 Zhu Ma,Liu Yunhe,Wei Yongquan,et al．Design of the command generation strategy for the task selfarrangement of GF-4 satellite[C]//Proceedings of the 2016 Symposium on Integrated Electronics and Measurement and Control．Beijing:China Academy of Space Technology,2016:129-134(in Chinese)

[10]Knight R,Rabideau G,Chien S,et a1．Casper:space exploration through continuous planning[J]．IEEE Intelligent Systems,2001,16(5):70-75

Design and On-orbit Verification of Task Self-arrangement for GF-3 Satellite

ZHANG Chi LIU Jie WANG Zhenxing ZHAO Yuanqing
(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)

The operating modes and ground operation command types of GF-3 satellite are demonstrated,and the task self-arrangement is designed．9 command templates generated are proposed including single antenna tracking single station,single antenna tracking double stations,double antennas tracking double stations,etc．The proposed design has already been applied to the GF-3 satellite daily manipulation,which shows that it simplifies the manipulating procedure and makes GF-3 satellite more user-friendly compared with other similar satellites．The design of task selfarrangement can be used as a reference for the design of the other SAR satellites．

GF-3 satellite;task self-arrangement;command templates generated

V474．2

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.06.005

2017-10-20;

2017-11-10

國家重大科技專項工程

張馳,男,工程師,研究方向為航天器總體設(shè)計。Email:zhangchizhc0102＠163．com。

(編輯:夏光)