葛菲 張喬 張雅娟

(中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心 北京 100190)

0 引言

隨著中國航天技術(shù)的不斷發(fā)展，航天器結(jié)構(gòu)從簡單構(gòu)型向大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)和小型微型化結(jié)構(gòu)發(fā)展，航天器工作任務(wù)從單一型向多樣化和特殊化發(fā)展。面對(duì)這樣的發(fā)展趨勢，傳統(tǒng)載荷管理軟件在軌工作控制技術(shù)存在以下幾方面問題。

（1）載荷管理器在軌運(yùn)行時(shí)，需要根據(jù)不同的探測要求切換不同的工作任務(wù)。傳統(tǒng)載荷管理軟件切換任務(wù)時(shí)，需要地面注入大量指令序列，完成對(duì)載荷的一系列工作參數(shù)配置和驅(qū)動(dòng)控制工作。然而目前中國測控站數(shù)量有限，天地信息聯(lián)系弧度短，測控資源不可能為航天器長期獨(dú)占。隨著航天器壽命越來越長，這將增加地面指令注入的壓力，對(duì)天地傳輸鏈路可靠性也提出了更高要求。

（2）面對(duì)多樣化的載荷管理器工作任務(wù)，傳統(tǒng)載荷管理軟件的設(shè)計(jì)通常未考慮通用設(shè)計(jì)。一方面沒有對(duì)需求進(jìn)行約定，導(dǎo)致需求變化多樣；另一方面開發(fā)人員在開發(fā)軟件時(shí)沒有可遵循的規(guī)范，未考慮或者很少考慮軟件在不同型號(hào)之間的復(fù)用。需要根據(jù)不同衛(wèi)星型號(hào)的個(gè)性化工作要求進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，這樣既降低了開發(fā)效率，又增加了研制成本。

（3）當(dāng)載荷管理器出現(xiàn)故障時(shí)，傳統(tǒng)的載荷管理軟件主要依靠地面測控站進(jìn)行地面干預(yù)，通過人工判讀大量遙測信息獲取其運(yùn)行狀態(tài)，地面進(jìn)行故障處置時(shí)往往需要多軌完成，時(shí)效性差，且在執(zhí)行處置策略時(shí)極易出現(xiàn)空間鏈路不安全、人為操作失誤等問題，從而影響用戶滿意度。如果載荷管理器長時(shí)間處于不可見弧段，在故障發(fā)生時(shí)如果不能盡快解決會(huì)使故障進(jìn)一步擴(kuò)散造成不可挽回的重大損失。這無疑增加了故障診斷和處置工作的難度及復(fù)雜度[1]。

針對(duì)上述問題，CCSDS 開展了航天器接口業(yè)務(wù)（SOIS）領(lǐng)域的研究工作[2]。其中，基于SOIS 架構(gòu)的EDS（SEDS）[3,4]通過可讀的數(shù)據(jù)表單，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)部件的兼容使用，解決智能自主控制、協(xié)議統(tǒng)一、重用和可持續(xù)的問題。中國一直以來也在不斷跟蹤研究CCSDS 標(biāo)準(zhǔn)及其EDS 技術(shù)[5]，航天器軟件工作有從編程向數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)、從人為干預(yù)向智能控制轉(zhuǎn)化的趨勢。本文基于EDS 的思想，自定義一種通用的數(shù)據(jù)表格式，以統(tǒng)一指令格式和內(nèi)部數(shù)據(jù)管理格式。根據(jù)對(duì)多個(gè)載荷在軌工作需求進(jìn)行分析，得出一系列通用的功能，并且將這些功能采用通用的服務(wù)實(shí)現(xiàn)。在不修改或者少修改程序的條件下，通過服務(wù)的應(yīng)用以及數(shù)據(jù)傳遞和配置，提升軟件的適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)重用的效果。本文提出的在軌工作自主控制方案以在軌工作流程管理和重要參數(shù)監(jiān)控管理兩個(gè)服務(wù)為例，對(duì)載荷管理軟件在軌工作的自主控制技術(shù)進(jìn)行研究，并給出具體的自主控制方案和實(shí)現(xiàn)方法。

1 有效載荷工作流程自主控制方案設(shè)計(jì)

在軌工作自主控制主要是針對(duì)不同工作模式，對(duì)不同載荷進(jìn)行工作時(shí)序控制和對(duì)載荷工作狀態(tài)的監(jiān)控管理而設(shè)計(jì)的通用化方案。載荷工作時(shí)序控制主要體現(xiàn)在，可以根據(jù)不同的載荷主體、接口類型、使用目的和控制方式，提取出一系列工作指令類型，通過可視化的數(shù)據(jù)表格對(duì)指令進(jìn)行格式定義，進(jìn)而匯總為工作指令表。再根據(jù)時(shí)序和工作模式要求，將各個(gè)工作指令動(dòng)態(tài)匯聚成工作流程表來控制載荷工作，達(dá)到載荷管理器在軌工作自主控制的要求。載荷工作狀態(tài)監(jiān)控管理主要針對(duì)在軌工作流程中載荷工作狀態(tài)異常時(shí)的應(yīng)急處理，可根據(jù)重要參數(shù)監(jiān)控指令工作表的設(shè)計(jì)，按載荷個(gè)性化要求轉(zhuǎn)入停止工作狀態(tài)或自動(dòng)轉(zhuǎn)為待機(jī)模式。該方案通過對(duì)工作表的設(shè)計(jì)和使用，有效解決了載荷管理軟件在軌工作控制需求差異化帶來的多樣化、定制化問題。

1.1 工作分析

目前通用化、模塊化和智能化已成為智能自主控制系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)[6-7]。這里對(duì)多個(gè)型號(hào)的軟件需求進(jìn)行歸納整理和統(tǒng)籌分析（見圖1），對(duì)載荷管理器在軌工作涉及的接口通信類型、載荷控制對(duì)象和在軌工作模式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

圖1 中載荷管理器與載荷之間的接口類型主要包括總線指令控制及應(yīng)答、電平信號(hào)控制及采集、同步信號(hào)接收和科學(xué)數(shù)據(jù)傳輸?shù)?；常見的控制?duì)象包括光學(xué)探測器頭部控制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、加熱/制冷等溫度控制、磁控制、速度控制、開關(guān)量/編碼器控制等。對(duì)于多數(shù)控制對(duì)象，基本都體現(xiàn)在通過外接FPGA 進(jìn)行總線指令及電平信號(hào)的控制及采集；其工作模式可分為待機(jī)模式、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?、維護(hù)模式三類。

圖1 載荷在軌工作自主控制需求分析Fig.1 Demand analysis diagram for autonomous control of load on-orbit

載荷管理器作為控制核心，需要對(duì)載荷各功能模塊的運(yùn)行進(jìn)行高效可靠管理和控制，協(xié)調(diào)內(nèi)部各功能模塊的工作。圖2 為載荷管理器的在軌工作時(shí)序，其工作流程與載荷在軌運(yùn)行時(shí)序及工作流程安排密切相關(guān)。

根據(jù)圖2 所示在軌工作時(shí)序，可將工作模式歸納整理為待機(jī)模式、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ胶途S護(hù)模式，具體模式之間的切換如圖3 所示。

圖2 在軌工作時(shí)序Fig.2 On-orbit working timing diagram

待機(jī)模式：實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ角盎蛱囟ㄐ枨笙?，進(jìn)入待機(jī)模式。在此模式下，載荷管理器和各載荷單元均處于待機(jī)狀態(tài)。待機(jī)模式下載荷管理器與各載荷單元進(jìn)行周期狀態(tài)輪詢通信，與衛(wèi)星平臺(tái)進(jìn)行1553 B 總線通信，載荷管理器進(jìn)行周期健康維護(hù)管理。待機(jī)模式下不進(jìn)行工作流程的自動(dòng)處理。

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑簩?shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ揭攒壍乐芷跒閱挝?，可根?jù)不同探測需求分為不同的工作流程，每個(gè)工作流程為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较碌莫?dú)立子模式。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较?，各載荷單元均處于工作狀態(tài)，采集科學(xué)數(shù)據(jù)，完成科學(xué)探測任務(wù)。每個(gè)子模式工作流程結(jié)束后自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)模式，如果當(dāng)前子模式下收到其他子模式，可記錄收到的子模式，待當(dāng)前子模式工作流程結(jié)束后在下一軌自動(dòng)進(jìn)入新注入的子模式工作流程。

維護(hù)模式：衛(wèi)星入軌后，儀器正常工作前，載荷管理器需對(duì)載荷單元進(jìn)行在軌維護(hù)參數(shù)配置。當(dāng)遇到緊急狀況，例如能源節(jié)省、能源危機(jī)等，載荷管理器自動(dòng)進(jìn)入維護(hù)模式，如果此時(shí)處于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较?，則自主停止工作流程并將各載荷單元關(guān)機(jī)進(jìn)入維護(hù)模式。

圖3 中模式間的切換方式用A～F 表示，其具體說明如下。

圖3 工作模式切換狀態(tài)Fig.3 Working mode switching diagram

A：系統(tǒng)上電默認(rèn)為維護(hù)模式，維護(hù)模式下僅載荷管理器上電和需要維護(hù)的載荷單元上電。

B：載荷管理器和所有載荷單元均上電后進(jìn)入待機(jī)模式。

C：除需要維護(hù)的載荷單元外，其他載荷單元斷電進(jìn)入維護(hù)模式，或在待機(jī)模式下收到緊急指令時(shí)進(jìn)入維護(hù)模式。

D：待機(jī)模式下收到某個(gè)實(shí)驗(yàn)子模式指令，按該子模式工作流程開始工作則進(jìn)入實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健?/p>

E：工作流程結(jié)束后自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)模式，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ街谐霈F(xiàn)工作異常則自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)模式。

F：當(dāng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较率盏骄o急指令時(shí)進(jìn)入維護(hù)模式。

1.2 工作表設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)通用化的載荷在軌工作自主控制設(shè)計(jì)，這里自定義了一種通用的數(shù)據(jù)表。該數(shù)據(jù)表包括初始化參數(shù)配置表、工作指令表和工作流程控制表，將指令格式和內(nèi)部數(shù)據(jù)管理格式進(jìn)行統(tǒng)一，其中數(shù)據(jù)表內(nèi)容可根據(jù)型號(hào)要求進(jìn)行個(gè)性化配置。圖4 為該數(shù)據(jù)表的地址分配。

圖4 數(shù)據(jù)表地址分配Fig.4 Address allocation diagram of data sheet

1.2.1 初始化參數(shù)配置表

初始化參數(shù)配置表主要用于存儲(chǔ)載荷加電后載荷及工作流程運(yùn)行的初始化狀態(tài)，對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)控制載荷的FPGA 初始化狀態(tài)，以及載荷管理器通信管理相關(guān)的初始化配置及系統(tǒng)維護(hù)初始化參數(shù)等。初始化參數(shù)配置表的具體參數(shù)可根據(jù)型號(hào)要求進(jìn)行自定義（見表1）。

表1 初始化參數(shù)配置Table 1 Initialize parameter configuration

1.2.2 工作指令表

工作指令表用于存儲(chǔ)有效載荷所有可能的指令內(nèi)容，可用2 Byte 動(dòng)作類型和2 Byte 動(dòng)作編碼確定具體指令內(nèi)容。指令格式、長度及內(nèi)容可根據(jù)型號(hào)要求自行定義。這里對(duì)3 種指令類型進(jìn)行介紹，分別為RS422 通信指令（屬于總線指令控制與采集類別）、載荷開關(guān)及復(fù)位指令（屬于電平信號(hào)控制與采集類別）、載荷重要參數(shù)監(jiān)控指令。

RS422 通信指令表用于存儲(chǔ)載荷管理器通過RS422 總線發(fā)送給有效載荷的控制指令內(nèi)容。本系統(tǒng)發(fā)送給各有效載荷的指令長度均為8 Byte，具體格式列于表2。

表2 RS422 通信指令Table 2 RS422 communication instruction

例如指令編號(hào)2001H 為載荷2 的第2 條指令，每條指令可根據(jù)指令編號(hào)進(jìn)行指令地址索引，指令的索引地址可根據(jù)初始化參數(shù)配置表中的各種類型指令的基地址、指令最大存儲(chǔ)數(shù)及指令長度進(jìn)行索引。

載荷開關(guān)及復(fù)位指令用于存儲(chǔ)載荷管理器通過驅(qū)動(dòng)控制載荷的FPGA，對(duì)載荷進(jìn)行開關(guān)機(jī)控制及復(fù)位的指令內(nèi)容。指令內(nèi)容多為通過衛(wèi)星平臺(tái)總線通信發(fā)送的總線指令，具體格式列于表3。

表3 載荷開關(guān)及復(fù)位指令Table 3 Payload switch and reset instruction

載荷重要參數(shù)監(jiān)控指令[8]用于存儲(chǔ)載荷及載荷管理器需要狀態(tài)監(jiān)控的重要參數(shù)相關(guān)指令，具體格式列于表4。

表4 載荷重要參數(shù)監(jiān)控指令Table 4 Payload important parameter monitoring instruction

參數(shù)說明如下。

監(jiān)控類型：分為單次監(jiān)控和一直監(jiān)控，若監(jiān)控超限則根據(jù)處理類型進(jìn)行超限處理，單次監(jiān)控若未超限則繼續(xù)執(zhí)行該工作流程。

處理類型：根據(jù)不同載荷單元對(duì)監(jiān)控的重要參數(shù)超限的不同約定進(jìn)行處理。

監(jiān)控間隔：監(jiān)控一次重要參數(shù)的間隔。

判斷類型：03H 代表大于，0CH 代表等于，30H 代表小于，C0H 代表不等于，05H 代表大于等于，0AH 代表小于等于。

判斷閾值：需要比較的數(shù)值。

監(jiān)控重要參數(shù)類型：可根據(jù)軟件對(duì)參數(shù)分類進(jìn)行定義，例如載荷模擬量、載荷狀態(tài)參數(shù)等。

監(jiān)控重要參數(shù)字節(jié)數(shù)：可設(shè)置1～4 字節(jié)。

監(jiān)控重要參數(shù)位置：按照不同的監(jiān)控重要參數(shù)類型，索引該類型參數(shù)首地址相對(duì)應(yīng)的偏移位置。

1.2.3 工作流程控制表

工作流程控制表用于存放不同實(shí)驗(yàn)子模式對(duì)應(yīng)的工作流程中所有有效載荷的指令時(shí)序控制信息。工作流程控制表分為控制表頭和控制內(nèi)容兩部分，其中控制表頭和控制內(nèi)容中每個(gè)執(zhí)行步驟均為8 字節(jié)。工作流程控制格式列于表5。

表5 工作流程控制Table 5 Workflow control

注1工作流程控制表的控制表頭包括工作流程表編號(hào)、步驟數(shù)、指令時(shí)間碼類型和流程起始時(shí)間。其中，步驟數(shù)表示該工作流程控制表中需要執(zhí)行的工作指令總數(shù)。指令時(shí)間碼類型55H 代表基于流程起始時(shí)間的絕對(duì)時(shí)間，AAH 表示基于上一條指令時(shí)間碼的相對(duì)時(shí)間。流程起始時(shí)間是以軌道周期為單位的0 時(shí)刻基準(zhǔn)時(shí)間下的起始工作時(shí)間，其中FFFFFFFFH表示立刻執(zhí)行，非FFFFFFFFH 時(shí)bit31 用于區(qū)分正負(fù)數(shù)，0 表示正數(shù)，1 表示負(fù)數(shù)，負(fù)數(shù)適用于起始時(shí)刻在軌道0 時(shí)刻之前的情況，正數(shù)適用于起始觀測在軌道0 時(shí)刻之后或每次觀測開關(guān)機(jī)的情況；本系統(tǒng)的時(shí)間單位為100 μs 的計(jì)數(shù)。

注2工作流程控制表的控制內(nèi)容由一條條指令序列組成，每一條指令序列為一條指令步驟。包括4 字節(jié)指令執(zhí)行時(shí)間碼、2 字節(jié)指令類型和2 字節(jié)指令編碼。指令時(shí)間碼表示該條指令執(zhí)行的時(shí)間。系統(tǒng)共涉及三種指令類型：33H 定義為RS422 通信指令；66H 定義為載荷開關(guān)及復(fù)位指令；99H 定義為重要參數(shù)監(jiān)控指令。指令編碼定義參見表2～4。

2 軟件實(shí)現(xiàn)

軟件實(shí)現(xiàn)工作流程的自主控制主要包括工作流程管理和重要參數(shù)監(jiān)控管理，具體模塊分解如圖5 所示。其中，工作模式切換按照?qǐng)D3 所示的切換方式進(jìn)行模式切換管理，這里將重點(diǎn)分析工作流程控制管理和重要參數(shù)監(jiān)控管理。

圖5 工作流程自主控制功能分解Fig.5 Functional decompositon of workflow antonomous control

2.1 工作流程管理

工作流程控制管理包括數(shù)據(jù)表使用、數(shù)據(jù)表健康管理和在軌工作自主控制遙測管理。

2.1.1 數(shù)據(jù)表使用

軟件按照初始化參數(shù)配置表對(duì)工作狀態(tài)進(jìn)行初始化配置后，啟動(dòng)在軌工作自主控制任務(wù)，按照?qǐng)D6所示流程索引并讀取相關(guān)工作流程控制表和指令表內(nèi)容。首先，對(duì)軌道內(nèi)部時(shí)間進(jìn)行管理，既要按照軌道周期進(jìn)行自首時(shí)處理，又要適應(yīng)入光點(diǎn)變化而導(dǎo)致的零時(shí)校準(zhǔn)。在得到軌道內(nèi)部時(shí)間后判斷當(dāng)前工作自主控制流程是處于停止?fàn)顟B(tài)還是工作狀態(tài)。若此時(shí)為停止?fàn)顟B(tài)，則按照工作模式設(shè)置數(shù)據(jù)注入中設(shè)置的工作流程表序號(hào)進(jìn)行索引，若表序號(hào)正確則讀取表頭信息，當(dāng)軌道內(nèi)部時(shí)間達(dá)到表頭中的開始執(zhí)行時(shí)間則置當(dāng)前為工作狀態(tài)且設(shè)置當(dāng)前為實(shí)驗(yàn)開始時(shí)間。在軌自主控制流程進(jìn)入工作狀態(tài)后判斷當(dāng)前工作是否出現(xiàn)異常，如果收到了緊急斷電指令，載荷重要監(jiān)控參數(shù)出現(xiàn)異常、軟件復(fù)位恢復(fù)異常等，則按照任務(wù)要求進(jìn)入相應(yīng)異常情況下的工作流程表對(duì)載荷進(jìn)行異常處理，自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)/維護(hù)模式；若沒有出現(xiàn)異常則按照工作流程表的步驟依次索引指令內(nèi)容及其指令時(shí)間并執(zhí)行相應(yīng)工作指令，直至全部步驟執(zhí)行完成，將當(dāng)前置為停止?fàn)顟B(tài)。此外軟件隨時(shí)對(duì)工作狀態(tài)進(jìn)行備份，當(dāng)軟件發(fā)生異常復(fù)位時(shí)，可對(duì)工作狀態(tài)進(jìn)行恢復(fù)，保證在軌工作流程可以繼續(xù)執(zhí)行。

圖6 工作流程管理處理流程Fig.6 Workflow management process flow chart

2.1.2 數(shù)據(jù)表健康管理

軟件對(duì)數(shù)據(jù)表的健康管理包括對(duì)數(shù)據(jù)表的備份、數(shù)據(jù)表單粒子糾錯(cuò)以及數(shù)據(jù)表的在線更改。

由于宇宙空間存在大量高能量的粒子輻射，很容易引起電路邏輯狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)發(fā)生隨機(jī)改變，進(jìn)而可能造成災(zāi)難性后果。為防止單粒子現(xiàn)象的發(fā)生，軟件在設(shè)計(jì)過程中將數(shù)據(jù)表在EEPROM 中備份存儲(chǔ)三份[9]，軟件上電后首先將EEPROM 中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)表以三取二的方式搬移到RAM 保留區(qū)，防止因某一份數(shù)據(jù)表內(nèi)容因單粒子翻轉(zhuǎn)造成錯(cuò)誤，確保了數(shù)據(jù)表內(nèi)容的可靠性。

此外，載荷管理器還使用了EDAC 糾錯(cuò)技術(shù)，軟件會(huì)對(duì)EEPROM 區(qū)進(jìn)行全區(qū)域數(shù)據(jù)讀取并計(jì)算校驗(yàn)和，當(dāng)EEPROM 區(qū)發(fā)生單bit 錯(cuò)誤時(shí)，軟件會(huì)進(jìn)入CPU 內(nèi)部的EDAC 中斷，將錯(cuò)地址寄存器（FAILAR）、錯(cuò)誤數(shù)據(jù)等信息存儲(chǔ)下來存放到EDAC 出錯(cuò)信息保留區(qū)，存儲(chǔ)容量為64 條。對(duì)于雙bit 錯(cuò)誤系統(tǒng)軟件會(huì)將出錯(cuò)信息放到系統(tǒng)軟件trap 信息保留區(qū)，地面可通過內(nèi)存下泄，查看錯(cuò)誤狀態(tài)，再通過在線更改對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行修改或忽略。

數(shù)據(jù)表在線修改的修改范圍包括對(duì)單字節(jié)的部分修改和大數(shù)據(jù)塊的整體修改；修改時(shí)效包括臨時(shí)修改和永久修改。部分修改包括數(shù)據(jù)表中對(duì)載荷總線通信指令內(nèi)容的修改和定向修改。定向修改即為針對(duì)指定地址和長度的數(shù)據(jù)表內(nèi)容進(jìn)行修改；針對(duì)給載荷轉(zhuǎn)發(fā)的指令內(nèi)容將遙控注入包中增加指令編碼對(duì)工作指令進(jìn)行索引，當(dāng)指令編碼為FFFFH 時(shí)表示僅轉(zhuǎn)發(fā)載荷指令不對(duì)數(shù)據(jù)表進(jìn)行修改，當(dāng)指令編碼為非FFFFH 時(shí)，即設(shè)置為指令的索引編號(hào)，除了轉(zhuǎn)發(fā)載荷指令外，還需對(duì)數(shù)據(jù)表RAM 保留區(qū)中對(duì)應(yīng)指令參數(shù)進(jìn)行修改。此外，還設(shè)計(jì)了大數(shù)據(jù)塊遙控注入包[10-11]，將數(shù)據(jù)表內(nèi)容按照指定格式分包上注后對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)表進(jìn)行修改。

軟件上電后會(huì)將數(shù)據(jù)表從EEPROM 區(qū)搬移到RAM 保留區(qū)，軟件對(duì)數(shù)據(jù)表的修改及使用都是針對(duì)數(shù)據(jù)表RAM 保留區(qū)，由于RAM 掉電內(nèi)容不保存而EEPROM 掉電內(nèi)容保存的特性，當(dāng)修改數(shù)據(jù)表時(shí)會(huì)因?yàn)橹粚?duì)RAM 保留區(qū)進(jìn)行修改而只起到臨時(shí)修改的效果，軟件在執(zhí)行工作流程控制表時(shí)會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)表RAM 保留區(qū)中最新修改的工作指令內(nèi)容執(zhí)行。如需永久修改則可通過上注“數(shù)據(jù)表從RAM 區(qū)到EEPROM”指令將修改的內(nèi)容更新到EEPROM 區(qū)中，即設(shè)備在重新上電后可根據(jù)更改的數(shù)據(jù)表進(jìn)行加載。當(dāng)然，如果只想恢復(fù)原始數(shù)據(jù)表指令內(nèi)容，可通過“數(shù)據(jù)表從EEPROM 到RAM 區(qū)”指令將原先保存在EERPOM 中的內(nèi)容重新拷貝到RAM 保留區(qū)，在軌工作時(shí)也會(huì)按照原始數(shù)據(jù)表中的內(nèi)容進(jìn)行執(zhí)行。

2.1.3 在軌工作自主控制遙測管理

軟件在進(jìn)行在軌工作自主控制時(shí)，會(huì)對(duì)工作流程自主控制過程中的執(zhí)行狀態(tài)進(jìn)行管理和下傳，相關(guān)參數(shù)如表6 所示。通過當(dāng)前執(zhí)行工作控制表序號(hào)和待執(zhí)行工作控制表序號(hào)，確認(rèn)工作模式的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较聦?duì)應(yīng)執(zhí)行子模式的工作流程控制表序號(hào)。通過工作流程表更新標(biāo)識(shí)，確認(rèn)當(dāng)前工作流程控制表是否有更新情況，通過工作流程表執(zhí)行狀態(tài)，確認(rèn)當(dāng)前工作流程控制表是否因故障無法繼續(xù)執(zhí)行并顯示當(dāng)前的故障類型。通過流程執(zhí)行步驟計(jì)數(shù)可查看當(dāng)前工作流程控制表將要執(zhí)行的步驟號(hào)，也可確認(rèn)當(dāng)前因故障停止運(yùn)行時(shí)的步驟號(hào)。工作流程表工作狀態(tài)表示當(dāng)前工作流程控制表是處于工作狀態(tài)還是停止?fàn)顟B(tài)。

表6 工作流程管理相關(guān)參數(shù)Table 6 Workflow management related parameters

2.2 重要參數(shù)監(jiān)控管理

重要參數(shù)監(jiān)控功能根據(jù)制定的條件對(duì)監(jiān)控參數(shù)進(jìn)行判斷，能夠監(jiān)控載荷在軌工作和自身狀態(tài)，及時(shí)采取相應(yīng)對(duì)策和動(dòng)作，維護(hù)載荷在軌工作順利運(yùn)行。對(duì)每個(gè)參數(shù)的監(jiān)控由一個(gè)統(tǒng)一的重要參數(shù)監(jiān)控任務(wù)處理，任務(wù)流程如圖7 所示，其中對(duì)應(yīng)的重要參數(shù)、監(jiān)控條件、超限處理通過對(duì)參數(shù)監(jiān)控表的配置實(shí)現(xiàn)。

圖7 重要參數(shù)監(jiān)控通用處理流程Fig.7 General processing flow of important parameter monitoring

軟件設(shè)計(jì)了監(jiān)控使能/禁止和監(jiān)控指令的打開/關(guān)閉。監(jiān)控使能的情況下，在工作流程控制表中可編輯某條監(jiān)控指令的打開和關(guān)閉，軟件可根據(jù)流程控制表中的內(nèi)容分時(shí)進(jìn)行指令監(jiān)控。在監(jiān)控禁止的情況下，即使工作流程控制表中有指令的打開/關(guān)閉，均不執(zhí)行相應(yīng)監(jiān)控。工作流程控制表執(zhí)行過程中，當(dāng)監(jiān)控使能和監(jiān)控指令打開的情況下，軟件獲取相關(guān)指令內(nèi)容，對(duì)監(jiān)控參數(shù)進(jìn)行單次或多次的監(jiān)控條件判斷，當(dāng)監(jiān)控條件超限時(shí)進(jìn)行分別處理。另外，地面還可通過上注對(duì)重要參數(shù)監(jiān)控表進(jìn)行在線編輯和修改，包括監(jiān)控指令的增減和替換；設(shè)置監(jiān)控指令的使能/禁止、打開/關(guān)閉；更改監(jiān)控指令內(nèi)容包括但不限于監(jiān)控周期和監(jiān)控類型等。

軟件設(shè)計(jì)了重要參數(shù)監(jiān)控程管理，相關(guān)參數(shù)通過遙測通道下傳到地面（見表7）。重要參數(shù)監(jiān)控編號(hào)為重要參數(shù)指令表中的指令編號(hào)，重要參數(shù)監(jiān)控開關(guān)為監(jiān)控使能/禁止及打開/關(guān)閉的狀態(tài)，重要參數(shù)監(jiān)控狀態(tài)為重要參數(shù)超限狀態(tài)。

表7 重要參數(shù)監(jiān)控程管理相關(guān)參數(shù)Table 7 Important parameters monitor and manage related parameters

3 設(shè)計(jì)驗(yàn)證與成果

3.1 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

在軌工作自主控制方案的設(shè)計(jì)驗(yàn)證列于表8。

表8 在軌工作自主控制方案設(shè)計(jì)驗(yàn)證Table 8 Design and verification of on-orbit autonomous control scheme

通過在QONE 平臺(tái)上對(duì)使用該方案的5 個(gè)型號(hào)8 個(gè)軟件配置項(xiàng)進(jìn)行項(xiàng)目跟蹤統(tǒng)計(jì)，相比傳統(tǒng)載荷管理軟件在軌工作控制方案，從項(xiàng)目研制效率、代碼行數(shù)、可擴(kuò)展性等方面進(jìn)行比較，結(jié)果列于表9。

表9 在軌工作控制的效果比較Table 9 Effect comparison of on orbit work control

經(jīng)過驗(yàn)證，該方案適用于快速在軌工作自主控制系統(tǒng)開發(fā)，可有效提高軟件研制效率，降低問題發(fā)生概率，最終建立通用化的在軌工作自主控制框架，提升軟件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化和靈活性。

3.2 設(shè)計(jì)成效

相比傳統(tǒng)載荷管理軟件在軌工作控制方案，本文所討論的在軌工作自主控制方案在多樣化、可重用、縮短測試周期及可靠性方面有著顯著的成效。

（1）使用多樣化。軟件將在軌工作任務(wù)所需工作參數(shù)按照設(shè)計(jì)好的協(xié)議格式寫入EEPROM 數(shù)據(jù)表中，通過配置上述數(shù)據(jù)表，對(duì)載荷工作流程進(jìn)行個(gè)性化修改，達(dá)到適應(yīng)載荷工作流程多樣性的要求。

（2）設(shè)計(jì)可重用。該載荷管理軟件的在軌工作自主控制方案已經(jīng)過調(diào)試階段、單元測試、組裝測試、配置項(xiàng)測試、第三方測試及整星測試階段，目前已入庫并在5 顆衛(wèi)星8 個(gè)軟件上重用，其中在軌有4 個(gè)軟件，其余均在正樣研制階段。

（3）縮短研制周期。由于工作流程自主控制方案的可重用性，軟件代碼、測試用例、工作流程自主控制方案相關(guān)技術(shù)要求文檔、遙控指令包和遙測文件等具有很高的重用性，大大縮短了軟件研制周期。軟件設(shè)計(jì)人員只需根據(jù)型號(hào)任務(wù)的個(gè)性化要求，完成數(shù)據(jù)表說明文件的編寫，測試人員需要針對(duì)這些個(gè)性化的工作參數(shù)配置進(jìn)行個(gè)性化的工作流程驗(yàn)證。

（4）提高可靠性。在軌工作自主控制方案在軟件代碼、測試用例、相關(guān)遙控指令包設(shè)計(jì)、相關(guān)遙測設(shè)計(jì)、相關(guān)文檔內(nèi)容等方面都具有很高的可重用性，可減少軟件運(yùn)行及驗(yàn)證過程中的不確定性，減少生產(chǎn)試驗(yàn)環(huán)節(jié)的時(shí)間和成本。同時(shí)保證了整個(gè)軟件研發(fā)周期的數(shù)據(jù)一致性，提高了各階段數(shù)據(jù)的一致性。

4 結(jié)論

通過對(duì)載荷管理軟件在軌工作流程管理需求的研究，引入數(shù)據(jù)表的可配置性，研究并介紹了載荷管理軟件在軌工作自主控制技術(shù)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法。該方案不僅能夠提高載荷管理器的智能化水平，增強(qiáng)其兼容性和適應(yīng)性，同時(shí)能夠縮短研發(fā)周期，減少開發(fā)成本。軟件已通過開發(fā)方各項(xiàng)測試、第三方測試，并通過環(huán)境試驗(yàn)的考核，目前已在多個(gè)型號(hào)任務(wù)上使用，滿足載荷在軌工作多樣性的要求，軟件工作正常，具有較高的可靠性及應(yīng)用性。