提高空間科學任務地面段系統與運行的費效比

+ 胡行毅 中國科學院國家空間科學中心

提高空間科學任務地面段系統與運行的費效比

+ 胡行毅 中國科學院國家空間科學中心

降低空間科學任務的費用是世界各國現在和將來都在致力的方向和挑戰。在空間科學工程地面段系統和運行中引入商業模式和提高綜合運行效率，能在可靠的運行條件下減少系統的成本和開銷。這里用近年發展出的微小衛星綜合性空間任務運行系統（COSMOS）和GARADA SAR編隊飛行計劃的地面段任務開發為例表明對空間科學任務實施全生命周期的運行管理并降低地面段系統與運行費用是降低空間科學任務成本的有效途徑之一。

空間科學任務 地面系統 有效載荷。

1　概述

一個ESA空間科學任務的研發和執行分成以下不同的階段：征集想法、提交科學計劃建議、建議書遴選、提交正式建議書(前期A階段)、定義階段（A、前期B、B1）、有效載荷選購評議階段、實施階段（B2、C/D、E1）、試運行與運行利用階段（E2）、維護處置與評價階段（F）等，這一過程稱為空間科學任務的全生命周期。[1]

空間科學任務設計時需要考慮一些要素，一般，由科學團隊負責定出科學目標和有效載荷模型，然后由技術團隊轉化成飛行器設計、任務分析、推進、地面段等等約束（圖1示）。而在現實實際中，這種轉化是雙向的，反復論證和迭代的過程，例如在質量（mass）指標出現問題時，首先是直接影響實現科學目標的有效載荷的質量。如果導致出現了不可接受的預算影響時，科學團隊和技術團隊就得緊密合作，需要重新定義科學需求。僅從定義階段就可以看出要支持實現一項空間科學任務的費用是很高昂的。

空間科學任務的設計與實施分為空間段任務和地面段任務。近年來、微衛星和立方星的出現，已經逐步降低了空間段任務的費用；相應的地面段任務要求用較低的成本和靈活的方法去支持諸如用多皮星軌道部署器（poly pico-satellite orbital deployer P-POD）彈射分離部署的立方星和皮衛星的優化管理運行，并對之建立起統一的驗收標準與方法。由于地面段任務的特點是支持和服務于空間科學任務的實現，具有相對的持續性、永久性和重復性，應該也有可能降低作為空間任務基礎設施的地面系統建設和運行的費用,以期達到空間任務特別是空間科學任務的可持續性和在費用上負擔得起。

通常，為了有效地支持空間科學任務，需要設計和建設地面段任務支持系統，用以獲取數據、操作運行、管理與協調任務、長管以及維護。其具體內容也包括對有效載荷的全生命周期的管理，因而，地面段系統的任務建設和運行周期長，運行費用相對亦較高。

目前，可能減少空間科學地面段系統與運行成本的幾個方面是：

○不追求絕對的可靠性，例如：允許每軌（pass）丟失1%的數據，減少一些地面覆蓋率等；

圖1　空間科學任務設計

○減少要求地面系統實時或近實時地獲取數據，也盡可能減少最終用戶實時或準實時使用數據的要求，以保證地面低帶寬的傳遞數據；

○盡管允許個別用戶自己擁有數據處理的能力，但是操控功能和數據應該集中在一個地方，多數用戶可通過網絡訪問數據。這些數據包括：任務規劃（指令準備和驗證）、和衛星的TTC接口、星上設備的工況和健康狀態監控、數據分發給最終用戶前的初步預處理、射前與射后地面電氣支持設備（EGSE）的使用等；

○盡可能共享國有和社會商業資源，例如共享TTC測控網和商業傳輸網絡等；設備盡可能模塊化并使用商業與現成的貨架產品，即插即用；

○盡可能采用自動化運行模式（開環）與自主運行模式（閉環），采用人工智能和專家系統，

提升系統的自治性和重用性。

本文首先介紹一種開放架構的綜合性空間任務運行系統（COSMOS），它能支持一個或多個飛行器空間任務的全生命周期的運行，可以完成航天器設計、開發、測試和維護階段的任務。這是一組適合于有限經費的航天器與有效載荷運行操作的開放的軟件工具，配合以硬件和飛行器、有效載荷、地面控制網絡及其它任務用戶的接口。其開放架構的基本特征是易于做適應性修改，包括源代碼和外部模塊的插入。目前COSMOS的主要任務操作與支持工具（MOST）可支持LEO運行、國際探月任務的0階段研究及著陸器與巡視器監控、動態電離層立方體實驗衛星（DICE）、電話衛星(PhoneSat)等多種空間任務。完成任務的基本需求是任務響應迅速和系統故障的快速恢復。其次介紹正在研發的澳大利亞GARADA SAR編隊飛行項目的地面段系統和運行。

通過美國和澳大利亞的兩個空間任務實例，表明對空間任務實施全生命周期的綜合管理，改進和降低地面段系統的成本是提高空間任務特別是空間科學任務費效比的有效途徑。

圖2　.功能架構與接口關系

2　綜合性空間任務運行系統[2]

綜合性空間任務運行系統（COSMOS）是獲得美國宇航局開展促進競爭性研究的試驗計劃（NASA/ EPSCoR）所支持的一個項目。起始于2010年9月，于2013年8月31日完成階段性工作。由夏威夷大學的夏威夷空間飛行實驗室（HSFL）牽頭，目標是針對300kg以下的LEO微小衛星的全生命周期任務運行提供一攬子的支持，內容為AIT與校核、地面站、任務運行中心（MOC）和仿真操作測試試驗臺的設計、開發、實施與運行。這樣一個系統擁有能隨時嵌入外部應用和工具的即插即用框架（PNP）和開放的系統架構和軟件，使用戶能迅速開發新的系統特性與功能。美國宇航局艾姆士研究中心（NASA Ames Research Center）是項目主要的合作伙伴。COSMOS的軟硬件任務運行工具已安裝于HSFL和ARC的任務運行中心，用于支持它們的微衛星。

COSMOS能支持全生命周期的空間任務運行功能，包括：任務的規劃與計劃、信息來往操作、數據管理、任務分析、任務狀態的顯示投影、測試試驗臺仿真操作、地面網絡監控、有效載荷操作、平臺姿軌動力學、系統管理和質量保證等。為了完成任務運行功能，該系統提供了任務運行人員和飛行器人員、地面控制網絡人員、有效載荷人員以及其他客戶的接口。各任務地面站配置一臺計算機用于COSMOS與地面站之間的數據管理接口，監控地面站的運行狀態。

COSMOS基本的功能架構與接口關系如圖2示。提供的基本元素是以圖形界面完全交互性地創建仿真器，操作測試試驗臺以及飛行與運行軟件。COSMOS所支持的任務運行按功能流程有4個主要的過程：

?任務規劃與分析，也包含指令排序和仿真器與操作測試試驗臺（OTB）；

?MOC與地面網絡內的各項信息來往操作；

?COSMOS吞吐的全部數據管理；

?任務分析，包含分析趨勢、狀態、軌道、彈道，任務完成等有助于判決任務成功的有效措施的數據，將任務分析的結果反饋給任務規劃員、航天器工程師（特別是解決飛行器自主問題）、任務管理員和客戶。

完成COSMOS任務運行主要功能的系統（工具）如下，它們對于新模塊可以PNP嵌入：

?任務規劃與計劃系統（MPST工具）

?任務運行與支持系統（MOST工具）

?操作測試試驗臺控制系統（OTB工具）與仿真器

?地面段控制系統（GSCT工具）

GSCT的輸入來自用戶、客戶與任務運行和支持工具，輸出到客戶與數據管理系統。和地面網絡以圖形化接口。包括：各個地面站的相關信息，例如：位置、天線類型、地面站往來接觸信息、地面站狀態。顯示即將往來接觸時的地面站配置（亦即，正等待上載的文件，頻率設置，開環跟蹤的星歷文件），也要監控在接觸時的地面站狀態，顯示天線指向角，實際與預計的天線指向、載波信號檢測與鎖定狀態、信號強度與數據率等。用戶從任務中心向地面站發送所需的指令。以一定的方式觀察地面段/網絡數據，讓用戶快速而簡易地了解信息。也能在地圖上觀察到地面站狀態。

?數據管理系統（DMT工具）

?飛行動力學系統（FDT工具）

?COSMOS執行操作器（CEO）

?引擎（ENGINES）

引擎是為完成COSMOS某些復雜的過程所提供的先進功能軟件工具。例如：星歷器、仿真器、分析與報告以及其他圖形工具。

COSMOS的中心部分，是可視化工具、支持工具以及生成與操作數據所需的其它工具集的一些底層程序，它們盡可能建立在現有的協議和方法之上。開放的架構使COSMOS容易修改并適應于新的任務。其能支持多飛行器的軟件層次架構與要素如圖3示：

系統對于設計、研制開發、運行操作和維護是一個完全開放的環境。系統的基礎是由一組支持各種功能套件的庫組成。包括：數學函數、軌道坐標計算、協議支持、操作測試試驗臺硬件與仿真支持。主要是對應于以上功能的一組軟件工具，包括：任務規劃與計劃、任務操作、測試試驗臺控制、地面段控制、數據管理、系統執行操作器、各類分析與支持等。關鍵要素都由模塊組成，用現有的協議和方法來實現，易于移植、配置和擴充。

多飛行器能力

COSMOS能管理多任務多星。數量為幾個或少于幾十個飛行器時，它能在單一的一個MOC內管理多任務，這時，各衛星要么在主要的COSMOS工具中有其自己的部分要么在同樣的或不同的操作臺中有其自己的部分。倘若設備資源許可，就會更簡單更容易地配置一個衛星一個操作臺，與其它主機的GSCT，一個DMT，以及一個運行COSMOS執行程序的頂級協調操作臺。

關鍵是要高水平地自動管理多飛行器。COSMOS設計成‘熄燈（lights-out）’運行模式，無需人員常管，若系統檢測發現問題就自動給管理員發送能用于作出適當響應決定的短信，或者遙控或通過給MOC發信息來管理。采用公共的代理（agents）與工具來管理多飛行器數據的關鍵是清除和數據文件與組織數據有關的航天器標識。這一點用飛行器標識器來實現。

COSMOS要解決的更困難的問題是航天器群的任務規劃與計劃、指令生成與測試裝載、協調它們相互工作以及調配地面段的資源。

圖3　a

3　GARADA項目[3]

GARADA SAR編隊飛行項目是一項澳大利亞國際合作的空間對地觀察(EO)工程研究項目，其主要任務是探索測量澳大利亞的土壤含水量，森林生長情況和水災變化事件。項目開展于2010年12月至2013年6月(階段0、A范圍)，根據項目評估將繼續延續。GARADA由澳大利亞空間研究計劃(ASRP)提供經費支持，澳大利亞新南威爾士大學（UNSW）的澳大利亞空間工程研究中心（ACSER）牽頭負責，合作伙伴有其他的澳國內外的大學與公司。GARADA項目的研究工作按工作分解法（WBS）由11個工作包組成，每一個工作包都由一位國際知名的首席研究員牽頭。工作包將潛在產生獨立研究的新知識和新概念，并反饋給項目定義的全部目標之中。這11個工作包分別是：空間系統工程和雷達應用、L波段SAR方案、L波段SAR系統分析、雙基雷達、原型導航接收機、編隊飛行算法、軌道模型、軌控分析、工業化分析、地面段研究和項目管理。

圖3　b.軟件要素

GARADA項目的任務設計是在需求分析的基礎上，其任務分為空間段和地面段。

空間段由飛行器、飛行器的地面支持設備及發射服務組成。空間系統由兩個間隔180度完全一樣的SAR衛星編隊組成，衛星運行于傾角97.9o的太陽同步軌道，軌道高度630km，降交點地方時06：00AM，軌道重復周期6天，每3天覆蓋澳洲全境。平臺包括姿軌控系統，熱控系統，電源系統，數管系統，推進系統和通信系統。有效載荷是L頻段SAR和高精度GNSS接收機。距離分辨4-11米（單視），方位分辨7米（單視、條帶）。任務運行和有效載荷操作以及有效載荷數據處理都在澳大利亞本土并由澳大利亞人員負責。

地面段定義是在空間段概念和用戶需求的基礎上，內容概括了地面段概念，運行，需求，地理位置部署與系統架構與實現。地面段設計使成本最小化，原則是盡可能地使用COSTS產品設備，并無縫地整合到現有的EO系統之中。經過評估后，預計地面段系統總共計劃69個月完成A,B,C,D階段。GARADA地面段定義還包括到南極地面站的數據流建模（利用南極寬帶ASRP項目）。

地面段由全部地面系統和運行組織機構組成。它們分別支持任務運行前的準備活動、地面系統運行以及全部運行結束后的活動。

按設計，接收站使用南極接收站（AG）接收極軌衛星的下行數據，以提供良好的軌道覆蓋，利用國家寬帶網絡（NBN）和南極寬帶（AB）鏈路系統，將下行數據從南極中繼回澳洲大陸。這就使南極接收站具有翻倍的下行能力，即接收現有的極軌衛星與未來規劃的依賴于挪威Svalbard接收站的極軌衛星的接收。第二個地面站是現有的Tasmania接收站，以提供輔助軌道覆蓋和冗余備份，但需要升級。

地面段系統由高速數據鏈路內連的現有系統和定制系統組成。其架構設計包括:

·地面站系統 (GSS)

承擔有效載荷和遙測數據的下行接收和傳輸指令數據上行到GARADA飛行器；將澳大利亞現有的三個高數據率接收站升級到6個，即在東北部澳洲，西部澳洲和南極增加3個新站。能提供80%的極軌飛行器的訪問率，經評價該布局對澳洲的覆蓋、冗余與分集最佳。

·任務控制系統 (MCS)

承擔飛行器平臺與有效載荷的任務分析準備、規劃與計劃、測控監控、操作運行與仿真、在軌軟件維護管理、數據管理、空地時間管理、和地面網絡管理與接收站的監控等。解決方案是采用運行COTS軟件之COTS硬件計算平臺陣列，只開發COST軟件產品與系統的接口所需的定制軟件，以解決地面站控制的任務專門功能，SAR的管理，應用專門的數據庫和任務控制系統仿真器；

·任務管理和數據處理系統 (MMDPS)

承擔SAR和GNSS有效載荷的校準與處理，影像的解釋，接受用戶的申請，向用戶分發處理的數據產品。也包含任何從SAR數據測定土壤水分的處理算法和系統相關的需求。用主要運行定制軟件的COTS計算平臺來實現，軟件開發活動是需要開發將SAR回波數據處理成影像產品的軟件，以及需要開發進一步處理生成土壤濕度輪廓以及洪水、森林與油膜概況產品等復雜算法的軟件。數據產品分為：0、1A、1B、1C、1D和2級。

·通信系統 (CS)

承擔地面系統之間和地面段與外部之間的全部語音和數據通信互聯；借用國家寬帶網提供的高速數據鏈來實現地理位置分離的各個地面系統從任務管理和數據處理系統到用戶之間的通信。從南極站的數據返回澳大陸規劃是通過已有的南極寬帶系統，現有的中繼衛星系統和海事衛星Global Xpress（GX）系列寬帶衛星對于南極鏈路也是可能的。對于SAR高速率數據采用X頻段全帶寬的雙寬帶數據鏈路將提供所需的數據率和現有地面站的兼容性；

·支持系統 (SS)

提供地面段的硬軟件維護和升級，也負責飛行器飛行軟件的升級和上載。利用現有的COTS硬件和軟件工具來實現，僅需要進行很少的開發活動。

由于GARADA的所有數據都是在接收數據之后的地面完成，所以，地面段的需求應包括由用戶顧問組提出的數據處理需求。

地面段任務也包含培訓運行人員，承擔任務的準備和運行。典型的運行人員包括：

·運行經理

·航天器操作人員

·SAR操作人員

·任務規劃人員

·飛行動力學工程師

·地面系統操作人員

·SAR 有效載荷研發人員，如科學與算法專家，最終用戶聯絡人員，產品生成支持人員和校準專家

·地面系統維護工程師.

用參數估計法（parameter estimation）對GSRADA項目的經費做了粗略預估（ROM），供預算目的用。

GARADA的運行概念和任務目標是：

·研發的硬軟件要保持最小規模和最大利用現有的成熟硬軟件；

·滿足現有的監管要求；

·為了最小的研發和運行成本，現有的基礎設施要盡可能使用；

·GARADA系統要使用標準的數據格式以便允許最大的利用COTS產品并對現有客戶產生的影響最小；

·為了兼容未來可能的應用，設計系統以允許數據和數據處理分離并分成保密的和不保密的。

任務規劃包括飛行運行規劃、數據處理規劃、采集活動規劃。

4　結束語

因篇幅所限，從兩個國外空間項目的研究、設計和實施等簡介中，、方法和實施的狀況以及取得的實實在在的階段成果和利益。

對比我國，中科院正在進行的空間科學先導專項，雖然在這方面也已開展了有益的探索，但隨著我國空間科學事業的迅速發展和進步，空間科學任務的需求也在空前高漲。為了我國空間科學事業的持續發展和在經費投入上能負擔得起或能辦更多的事，對空間科學任務實施全生命周期的綜合性管理，注意提高地面段系統與運行的費效比，使需求和供求相匹配，還有待進一步地研究和探討。

參考資料

[1]V.Martinez pillet etc., Payload and Mission Definition in Space Science, Cambridge University Press 2005,

[2]Trevor C. Sorensen etc., A University-developed Comprehensive Open-architecture Space Mission Operations System (COSMOS) to Operate Multiple Space Vehicles Proc.AIAA-1296468-2012

[3] Garada Final Report - Volume I - Main Report，2013

胡行毅，中科院國家空間科學中心研究員，從事空間電子與信息系統研究。