崔 嵩

(中國電子科技集團(tuán)公司第十四研究所，南京210039)

0 引 言

隨著我國航天事業(yè)的快速發(fā)展，航天測(cè)量船測(cè)控任務(wù)逐漸增加。每一次航天任務(wù)都是十分巨大且復(fù)雜的工程，僅僅依靠陸基測(cè)控站對(duì)在軌航天器進(jìn)行監(jiān)測(cè)已經(jīng)不能滿足全程監(jiān)控的要求，因此基于海上測(cè)量船的海上測(cè)控站應(yīng)運(yùn)而生。海上測(cè)量船具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、靈活性大、測(cè)控范圍大等特點(diǎn)，已經(jīng)被世界上多數(shù)航天大國用于航天測(cè)控任務(wù)[1-2]。但是在使用海上測(cè)量船進(jìn)行測(cè)控任務(wù)過程中也有一定的約束條件，需要考慮測(cè)量工況、船載設(shè)備之間的遮蔽、船載設(shè)備之間的電磁頻譜干擾等因素，因此執(zhí)行任務(wù)前進(jìn)行完整的規(guī)劃是十分重要的。一套完整的規(guī)劃設(shè)計(jì)可以為船上技術(shù)人員提供執(zhí)行任務(wù)輔助便利，對(duì)測(cè)量船是否能成功執(zhí)行測(cè)控任務(wù)具有十分重要的意義。文獻(xiàn)[1]提出了一種基于B/S架構(gòu)航天測(cè)量船指揮顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)闡述執(zhí)行任務(wù)時(shí)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸處理軟件設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[3]圍繞航天測(cè)量船海上測(cè)控任務(wù)的分析與設(shè)計(jì)方法，詳細(xì)闡述了海上測(cè)控的任務(wù)分析和設(shè)計(jì)的原理。文獻(xiàn)[4]對(duì)航天測(cè)量船工況規(guī)劃方法進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[5]對(duì)測(cè)量船電磁兼容性技術(shù)進(jìn)行了分析。

本文提供了一種航天測(cè)量船對(duì)空間目標(biāo)觀測(cè)執(zhí)行測(cè)控任務(wù)的規(guī)劃方法，主要完成對(duì)航天測(cè)量船的工況規(guī)劃自動(dòng)計(jì)算，以及考慮遮蔽、電磁頻譜、觀測(cè)要求等多因素下的測(cè)量工況、可探測(cè)性分析、值班時(shí)序、裝備計(jì)劃等規(guī)劃結(jié)果的生成。

本文的創(chuàng)新之處在于提出了一套完整的航天測(cè)控任務(wù)規(guī)劃方法，在各個(gè)關(guān)鍵技術(shù)中結(jié)合工程實(shí)踐闡述了測(cè)量工況變航向的具體實(shí)施過程方法，提出了一種通過伺服引導(dǎo)規(guī)劃的裝備任務(wù)計(jì)劃編排方法，并在工程應(yīng)用中取得了良好的效果。

1 總體設(shè)計(jì)

測(cè)量船出海執(zhí)行航天測(cè)控任務(wù)首要開展的工作是進(jìn)行測(cè)量工況的規(guī)劃，保證測(cè)量船在執(zhí)行任務(wù)時(shí)的船位、船向和船速能夠滿足船的測(cè)量要求[3]。根據(jù)測(cè)量工況規(guī)劃出的船位、船向和船速，以及執(zhí)行任務(wù)前的校準(zhǔn)航線和執(zhí)行任務(wù)時(shí)的測(cè)量航線，結(jié)合遮蔽分析計(jì)算結(jié)果、電磁頻譜分析，進(jìn)行裝備可探測(cè)性分析。根據(jù)各裝備對(duì)目標(biāo)的可見期生成裝備對(duì)目標(biāo)觀測(cè)計(jì)劃和各裝備的值班時(shí)序，并將裝備計(jì)劃按照約定格式下發(fā)給各裝備執(zhí)行，同時(shí)接收裝備計(jì)劃執(zhí)行狀態(tài)，完成計(jì)劃執(zhí)行與監(jiān)視的閉環(huán)流程。

航天測(cè)量船對(duì)空間目標(biāo)觀測(cè)規(guī)劃的總體設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)流程如圖1所示。

圖1 航天測(cè)量船對(duì)空間目標(biāo)觀測(cè)規(guī)劃的總體設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)流程

2 關(guān)鍵技術(shù)

航天測(cè)量船規(guī)劃技術(shù)實(shí)現(xiàn)需要涉及到任務(wù)管理、方案管理、工況規(guī)劃、遮蔽分析、電磁頻譜分析、觀測(cè)要求設(shè)置、船載裝備管理、裝備可探測(cè)性分析、值班時(shí)序生成、裝備計(jì)劃生成等多個(gè)技術(shù)要點(diǎn)，本文針對(duì)其中最為典型的測(cè)量工況規(guī)劃、電磁頻譜分析、裝備可探測(cè)性模型分析、裝備任務(wù)計(jì)劃編排等進(jìn)行研究。

2.1 測(cè)量工況規(guī)劃

測(cè)量工況規(guī)劃可以分為固定航向的和變航向的規(guī)劃。如圖2所示，固定航向的測(cè)量工況規(guī)劃可以按照選船位、定航向、定航速、算航線的流程進(jìn)行[4]，但通過這一系列步驟再次計(jì)算裝備可探測(cè)弧段可能會(huì)受遮蔽角影響。根據(jù)需要可以選擇變航向的測(cè)量工況規(guī)劃，在航行過程中每隔一段時(shí)間通過航向改變來避開遮蔽且采用最佳觀測(cè)俯仰對(duì)目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，進(jìn)而完成全程無遮蔽觀測(cè)。

圖2 固定航向測(cè)量工況規(guī)劃流程圖

采用變航向觀測(cè)時(shí)，考慮有裝備部署在船甲板非中軸線位置，如圖3裝備4在船的右舷，初始船位在星下點(diǎn)飛行右側(cè)(沿著空間目標(biāo)飛行方向的右側(cè))，初始航向垂直初始船位與發(fā)點(diǎn)連線，與射向夾角小于90°，確保航行方向沿著衛(wèi)星飛行方向；初始船位在衛(wèi)星飛行左側(cè)(沿著衛(wèi)星飛行方向的左側(cè))，初始航向垂直初始船位與發(fā)點(diǎn)連線，與射向夾角大于90°，確保航行方向與衛(wèi)星飛行方向相反。變航向觀測(cè)時(shí)的初始船位計(jì)算方法與固定航向觀測(cè)的方法基本一致，取任務(wù)弧段中點(diǎn)，以觀測(cè)弧段中點(diǎn)且垂直于軌道面取最高觀測(cè)仰角的點(diǎn)作為船的首點(diǎn)位置。在確定了初始船位后，按照平行測(cè)量的船向和一般船速，計(jì)算任務(wù)起止時(shí)間段第一次遇到遮蔽的時(shí)間點(diǎn)，在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)改變航向，確保航向沿著衛(wèi)星方向。以此類推，以后每個(gè)遇到遮蔽的時(shí)間點(diǎn)都如此處理來改變航向。如果任務(wù)起止時(shí)段內(nèi)通過計(jì)算后沒有遮蔽點(diǎn)，為了保持最佳觀測(cè)仰角，沿初始船位航向向前遞進(jìn)1 min，下一時(shí)刻航向垂直下一時(shí)刻船位與下一時(shí)刻衛(wèi)星位置連線。依次類推計(jì)算，直至結(jié)束航向垂直觀測(cè)弧段末點(diǎn)與結(jié)束船位的連線，即每隔1 min改變一下航向。如果裝備部署均在測(cè)量船甲板中軸線上，則無需考慮測(cè)量船部署于衛(wèi)星的左側(cè)或者右側(cè)。

圖3 變航向觀測(cè)航向變化示意圖

2.2 電磁頻譜分析

電磁兼容問題是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期就必須考慮的問題，必須與全船其他系統(tǒng)(如通信系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、指揮系統(tǒng))統(tǒng)籌考慮[5]。測(cè)量船上各測(cè)量裝備的工作頻段大都不一致，部分裝備之間有頻段重疊，主要沖突在于雷達(dá)與無源裝備之間有頻譜干擾。存在頻譜干擾時(shí)，根據(jù)任務(wù)數(shù)據(jù)錄取要求同時(shí)也為保證裝備的安全，必須關(guān)閉一個(gè)裝備來確保裝備正常運(yùn)行。測(cè)量船上各裝備之間的頻譜干擾類型主要包含同頻干擾、鄰頻干擾、倍頻干擾，影響裝備工作最主要的干擾是同頻干擾，因此制定頻譜規(guī)則在裝備之間存在干擾情況時(shí)來進(jìn)行分時(shí)分頻工作。

首先在規(guī)則庫中添加頻譜規(guī)則，規(guī)則包含干擾設(shè)備、受干擾設(shè)備、干擾裝備方位角、工作優(yōu)先級(jí)、處理建議。一般為確保裝備安全運(yùn)行，同頻干擾下干擾裝備方位角度認(rèn)為0°～360°。若干擾裝備與受干擾裝備均只有一個(gè)工作頻段，則根據(jù)數(shù)據(jù)錄取要求和裝備任務(wù)優(yōu)先級(jí)，當(dāng)兩裝備有同時(shí)可探測(cè)弧段的時(shí)段將其中一個(gè)裝備關(guān)機(jī)，此為分時(shí)工作；若干擾裝備與受干擾裝備有多個(gè)工作頻段，可適當(dāng)調(diào)整其中一個(gè)裝備的工作頻段，使其避開同頻干擾而同時(shí)工作，此為分頻工作。頻譜規(guī)則管理應(yīng)用的基本流程如圖4所示。

圖4 頻譜規(guī)則管理應(yīng)用流程圖

2.3 裝備可探測(cè)性模型分析

為了獲取目標(biāo)的多種數(shù)據(jù)信息，一般測(cè)量船上會(huì)裝載多種裝備，包括雷達(dá)、無源系統(tǒng)、光電經(jīng)緯儀等。多種裝備對(duì)目標(biāo)觀測(cè)相互配合，具有較好的觀測(cè)效果。一般的雷達(dá)的探測(cè)精度高，捕獲能力強(qiáng)，可全天候值班[6]；無源系統(tǒng)因其不向外發(fā)射電磁波所以隱蔽性相對(duì)好[7]；光電設(shè)備則對(duì)高軌衛(wèi)星探測(cè)具有較好的探測(cè)精度。因此，在進(jìn)行可探測(cè)性分析計(jì)算時(shí)，需要考慮以上多種裝備的探測(cè)模型[8]。

雷達(dá)的一般方程如下所示[9]：

(1)

一般地，雷達(dá)的標(biāo)稱威力是已知的。記雷達(dá)散射截面(Radar Cross Section,RCS)為1 m2的雷達(dá)威力為R，根據(jù)目標(biāo)RCS來折算雷達(dá)的威力。由式(1)的雷達(dá)方程可知，雷達(dá)的威力與目標(biāo)RCS之間的關(guān)系如下：

(2)

式中：R′為折算后的雷達(dá)作用距離，σ′為目標(biāo)的RCS，R為RCS為1 m2的雷達(dá)威力。

無源系統(tǒng)利用目標(biāo)輻射信號(hào)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)和定位，常用的信號(hào)包括通信信號(hào)、數(shù)傳信號(hào)、遙測(cè)信號(hào)等。針對(duì)每種不同的信號(hào)，主要是目標(biāo)的信號(hào)功率對(duì)作用距離的影響，考慮到系統(tǒng)損耗，無源系統(tǒng)的最大作用距離可用如下公式表示[10]：

(3)

式中：Pt為輻射源的信號(hào)功率，Gt為輻射源發(fā)射天線的增益，Gr為無源探測(cè)接收機(jī)天線的增益，γr為接收機(jī)天線極化與輻射源信號(hào)極化失配損失(γr<1)，k為玻爾茲曼常數(shù)，T0為標(biāo)準(zhǔn)噪聲溫度，F(xiàn)n為接收機(jī)噪聲系數(shù)，Bn為接收機(jī)噪聲帶寬，(S/N)min為最小可檢測(cè)信噪比，L為總的系統(tǒng)損耗。

一般在工程應(yīng)用中，難以全面獲取有關(guān)目標(biāo)的情報(bào)信息，無源系統(tǒng)對(duì)未知目標(biāo)探測(cè)時(shí)常利用典型的威力值來進(jìn)行可探測(cè)性弧段估算。

光電經(jīng)緯儀對(duì)于目標(biāo)的可見性分析主要受到天光、地影等的約束條件的限制，即必須滿足以下兩個(gè)條件：一是測(cè)站處于黑夜；二是空間目標(biāo)處于被太陽直接照射。

天光地影的區(qū)間求解方法描述如下[11]：

(1)地影區(qū)間

所謂地影區(qū)間，就是每圈的出地影時(shí)刻到進(jìn)地影時(shí)刻的時(shí)間段，如圖5所示。

圖5 地影區(qū)間

設(shè)某圈的過赤道時(shí)刻為TN(I)，由軌道根數(shù)和日月坐標(biāo)α⊙、δ⊙即可計(jì)算進(jìn)出地影點(diǎn)的UJ、UC步驟如下：

Step1 求太陽在軌道面上的投影u⊙、ψ⊙。

u⊙、ψ⊙可由圖5中的球面三角形中求出：在球面三角形中，已知兩邊夾一角，即i，90°-δ⊙，90°+α⊙-Ω已知，就可求得90°-u⊙-ψ⊙，90°-u⊙，90°-ψ⊙。于是，太陽在軌道面上的投影u⊙、ψ⊙就可求出。

Step2 求遠(yuǎn)日點(diǎn)u。

遠(yuǎn)日點(diǎn)的定義為軌道上地影最深處的點(diǎn)，即rsinψ最大的點(diǎn)。

(4)

式中：r為人造衛(wèi)星的地心距，ψ為人造衛(wèi)星和太陽在地心處的交角。

根據(jù)

cosψ=cosψ⊙cos(u-u⊙) ，

(5)

(6)

得

(7)

(8)

于是，

(9)

令

u=u⊙+π+ε，

(10)

則

(11)

根據(jù)式(10)和(11)即可迭代得到遠(yuǎn)日點(diǎn)的u。

Step3 求進(jìn)出地影點(diǎn)的UJ、UC。

在[u,u-π]之間求進(jìn)地影點(diǎn)UJ，在[u,u+π]之間求出地影點(diǎn)UC，求地影點(diǎn)時(shí)采用二分法，不在地影中的條件為

(12)

r地影=1.003 741 37(6 402 km) 。

(13)

則該圈的無地影區(qū)間EST(1，I)、EST(2，I) 分別為

EST(1,I)=TN(I)+λ(UC)/(dλ/dt),

(14)

EST(2,I)=TN(I)+λ(UJ)/(dλ/dt) 。

(15)

式中：λ(U)為U對(duì)應(yīng)的λ，dλ/dt為λ的變率。

對(duì)于一步內(nèi)的所有進(jìn)出地影時(shí)刻，在程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)必須保證相鄰兩圈的時(shí)間間隔為一圈。要注意UC向南向北過赤道的情況，對(duì)此要作特殊處理。這樣就可得到一步內(nèi)的地影區(qū)間為

[EST(1，I)，EST(2，I)]，I=1，2,…,MAXN。

(16)

(2)天光區(qū)間

如圖6所示，天光區(qū)間即為測(cè)站預(yù)報(bào)當(dāng)天的昏影終時(shí)刻t1到下一天的晨光始時(shí)刻t2之間的時(shí)間段[t1,t2]。

圖6 天光圖

設(shè)當(dāng)天0h的太陽坐標(biāo)為α⊙、δ⊙，測(cè)站的經(jīng)緯度為λ、φ，當(dāng)天0h的恒星時(shí)為S，計(jì)算天光時(shí)要求的太陽天頂距為Z⊙，則太陽天頂距為Z⊙時(shí)的時(shí)角τ為

(17)

于是，昏影終時(shí)刻為t1=τ+α⊙-λ-S，晨光始時(shí)刻為t2=t1+1.0+2τ。

注意這些量要化為以天為單位，與上面LT區(qū)間一樣每天有一個(gè)區(qū)間。這樣就可得到一步內(nèi)的天光區(qū)間為

[SST(1，I)，SST(2，I)]，I=-1，0，1，2,…,H。

(18)

2.4 裝備任務(wù)計(jì)劃編排

根據(jù)任務(wù)場(chǎng)景、任務(wù)數(shù)據(jù)錄取要求，對(duì)各個(gè)傳感器進(jìn)行任務(wù)編排。由于單脈沖、無源監(jiān)視系統(tǒng)、光電經(jīng)緯儀的跟蹤能力有限，可以認(rèn)為在同一時(shí)刻只能觀測(cè)一個(gè)空間目標(biāo)，而相控陣?yán)走_(dá)因其波束可以任意指向，在微秒量級(jí)上進(jìn)行捷變，因而具備多功能、多目標(biāo)和高度自適應(yīng)的能力[12-13]。因此，對(duì)于相控陣?yán)走_(dá)的任務(wù)編排是測(cè)量船執(zhí)行觀測(cè)任務(wù)之前規(guī)劃的關(guān)鍵。

由于在航天測(cè)量船上的相控陣?yán)走_(dá)的陣面是可轉(zhuǎn)動(dòng)的，因此在任務(wù)編排過程中考慮如何進(jìn)行伺服規(guī)劃引導(dǎo)是任務(wù)計(jì)劃編排要考慮的重要問題。本文提出一種方法，在雷達(dá)對(duì)空間目標(biāo)任務(wù)編排過程中同時(shí)給出伺服引導(dǎo)建議，下面介紹主要過程。

(1)確定觀測(cè)條件，考慮任務(wù)要求，因素可定為最短觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)、最大轉(zhuǎn)向時(shí)長(zhǎng)等。相控陣?yán)走_(dá)的最短觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)可定為3 min。低于3 min的可探測(cè)弧段可以剔除，不作為考慮范圍，即以下步驟中提到的可探測(cè)弧段均為觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)滿足觀測(cè)條件要求、大于最短觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)的可探測(cè)弧段。

(2)在不考慮方位和俯仰限制(即不考慮電掃范圍)的情況下，計(jì)算出裝備對(duì)多個(gè)空間目標(biāo)的可探測(cè)性弧段。

(3)對(duì)(2)中得出的可探測(cè)弧段按照各個(gè)探測(cè)開始時(shí)間從小到大排序，對(duì)于各個(gè)時(shí)間上沒有間斷的時(shí)間段計(jì)為ts～te，這種時(shí)間段個(gè)數(shù)為N個(gè)，因此分析的時(shí)間段可表示為ts1～te1、ts2～te2…tsN～teN。

(4)在某個(gè)時(shí)間片內(nèi)，雷達(dá)的伺服指向在方位和俯仰上可以一定的步長(zhǎng)進(jìn)行滑動(dòng)計(jì)算在某伺服指向上的可探測(cè)目標(biāo)個(gè)數(shù)為最多。

(5)得出在某時(shí)間片裝備觀測(cè)到目標(biāo)數(shù)目最多的伺服指向，同時(shí)計(jì)算在此指向下裝備對(duì)多空間目標(biāo)的觀測(cè)起止時(shí)間和位置，輸出多目標(biāo)任務(wù)編排方案。

該方法的任務(wù)編排流程如圖7所示。

圖7 相控陣?yán)走_(dá)任務(wù)編排流程圖

以上方法可總結(jié)為基于多滑窗比較方法，大大提高了計(jì)算效率，避免了逐個(gè)遍歷比較耗費(fèi)時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng)的問題?；安介L(zhǎng)選擇也要同時(shí)兼顧計(jì)算全面性。該方法認(rèn)為多目標(biāo)的優(yōu)先級(jí)一致，對(duì)于多目標(biāo)優(yōu)先級(jí)的任務(wù)來說也可用基于目標(biāo)優(yōu)先級(jí)的貪婪算法進(jìn)行任務(wù)編排，本文不再贅述。

3 界面設(shè)計(jì)

為了滿足功能要求和操作便捷，良好的界面設(shè)計(jì)、交互設(shè)計(jì)能提升軟件使用效率和使用效果[14-15]。本文為實(shí)現(xiàn)測(cè)量船對(duì)空間目標(biāo)規(guī)劃功能，設(shè)計(jì)了一種界面展示方式，如圖8～11所示。

圖8 規(guī)劃主界面

圖8為航天測(cè)量船對(duì)空間目標(biāo)觀測(cè)規(guī)劃主界面，界面布局左側(cè)主要為輸入元素，右側(cè)為輸出內(nèi)容。在界面中添加規(guī)劃的空間目標(biāo)，設(shè)置任務(wù)觀測(cè)時(shí)段，添加觀測(cè)裝備，考慮船上裝備之間的遮蔽分析和電磁頻譜規(guī)則，進(jìn)行規(guī)劃生成操作，最終依次給出測(cè)量工況規(guī)劃結(jié)果、目標(biāo)觀測(cè)效果、裝備值班時(shí)序和裝備對(duì)目標(biāo)的可探測(cè)計(jì)劃。圖9為測(cè)量工況規(guī)劃出的船位結(jié)果的二、三維地圖顯示。圖10為電磁頻譜規(guī)則應(yīng)用界面，界面中提供基礎(chǔ)規(guī)則查詢、添加至方案，規(guī)則中優(yōu)選裝備等功能，同時(shí)提供基礎(chǔ)規(guī)則新增和刪除的規(guī)則管理功能。圖11為各個(gè)裝備對(duì)多空間目標(biāo)的任務(wù)編排結(jié)果，上表下圖，編排結(jié)果包含裝備名稱、目標(biāo)、伺服指向、觀測(cè)的起止時(shí)間和起止位置。

圖9 測(cè)量工況規(guī)劃船位地圖二三維顯示

圖10 電磁頻譜規(guī)則應(yīng)用界面

圖11 任務(wù)計(jì)劃編排結(jié)果展示界面

4 結(jié) 論

本文對(duì)航天測(cè)量船空間目標(biāo)觀測(cè)規(guī)劃的總體業(yè)務(wù)流程、規(guī)劃方法進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)，對(duì)其所涉及到的典型關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，并給出了關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)流程與方法，對(duì)航天測(cè)量船多空間目標(biāo)觀測(cè)規(guī)劃技術(shù)具有重要的參考意義。本文所設(shè)計(jì)的規(guī)劃方法已在工程中得到了實(shí)際應(yīng)用，運(yùn)行狀態(tài)良好。