敏捷光學衛星自主任務管理系統關鍵技術分析

朱劍冰 汪路元 趙魏 田賀祥

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

敏捷光學衛星自主任務管理系統關鍵技術分析

朱劍冰 汪路元 趙魏 田賀祥

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

針對敏捷光學衛星單軌任務數多，成像模式復雜，應急任務響應速度要求快的特點，提出了一種自主任務管理系統分層架構設計，采用分層遞進、逐步細化的方式，便于系統模塊化設計和有效降低軟件實現的復雜度。文章研究了任務規劃與應急重規劃、積分時間實時計算、任務執行自主監控3項關鍵技術，基于此研究成果設計的自主任務管理系統已應用于某敏捷遙感衛星平臺，試驗結果表明：星上使用自主任務管理系統后，支持成像任務數量提升了5倍，可以有效滿足我國后續新型遙感衛星的任務需求。

敏捷光學衛星；星上自主任務管理；分層架構

1 引言

隨著航天技術的不斷進步，衛星對地成像從傳統的單自由度被動推掃成像，向滾動、俯仰、偏航三軸都可自由變化的主動推掃成像發展，衛星成像效率和成像數量都有較大提高，這類新型成像衛星國際上稱為敏捷光學衛星(Optical Agile Satellite)，典型的包括美國的“世界觀測”(WorldView)衛星、法國的昴宿星(Pleiades)、英國的TopSat衛星等。傳統的“地面規劃、星上執行”的衛星管控模式已無法適應敏捷光學衛星單軌多模式多任務的成像需求，因此各航天大國都在開展衛星自主任務管理技術的研究，美國國家航空航天局(NASA)在地球觀測-1(EO-1)衛星的基礎上，先后開發了ASPEN[1]和CASPER[2]兩大衛星任務規劃系統，ASPEN能夠針對任務層次的觀測目標，自動生成EO-1衛星指令層次的每日工作計劃，CASPER則提出一種實時重規劃機制，系統能夠基于固定的時間步長或事件步長采集系統的實時狀態和新的目標，并在此實時信息的基礎上進行必要的重規劃；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劃技術；法國航天局(CNES)在Pleiades衛星上也開展衛星自主任務規劃系統的試驗[4]。

國內也有很多學者和工程技術人員在開展遙感衛星任務規劃技術研究，賀仁杰、李菊芳等人針對地面多星任務規劃問題提出了規劃模型和算法，并開發了一整套地面任務規劃系統，已運用到成像衛星的日常管控中[5]。但目前主要應用于地面并且針對傳統非敏捷成像衛星。田志新等人提出基于有向圖模型的衛星任務指令生成算法[6]，首次在星上實現任務級指令到執行級指令的分解，有效降低衛星管控復雜性并提高了衛星上注效率。但該方法主要針對傳統非敏捷光學衛星，沒有考慮敏捷光學衛星主動推掃、非沿跡推掃等復雜成像任務的自主管理。

本文分析了敏捷光學衛星星上自主任務管理系統的特點，須具備的4項能力(任務規劃能力、積分時間高頻度實時計算能力、任務重規劃能力、自主監控能力)，提出了一種自主任務管理系統分層架構設計，并對關鍵技術進行了研究，包括任務規劃與應急重規劃技術、積分時間實時計算技術、任務執行自主監控技術。基于上述研究成果設計的任務自主管理系統已應用于某敏捷遙感衛星平臺，有效滿足了敏捷光學衛星單軌多模式多任務的成像需求。

2 敏捷光學衛星星上自主任務管理系統的特點

敏捷光學衛星星上自主任務管理系統與傳統衛星星上任務管理系統相比，主要有以下特點：

(1)單軌支持的任務數更多，要求星上具有較強的任務規劃能力。敏捷光學衛星相比傳統衛星成像效率更高，任務切換時間更短，單軌支持的任務數成倍增加(見圖1)，如果仍采用傳統衛星管控方式，指令上注量將成指數級增長，無法滿足有限測控弧段內上注所有指令的需求，因此要求星上自主任務管理系統具備將任務級指令規劃為操控級指令的能力，為完成更多成像任務提供技術保障。

圖1 單軌成像任務數增加Fig.1 More imaging missions on monorail

(2)成像模式更加復雜，要求星上具有積分時間高頻率實時計算能力。敏捷光學衛星除了支持傳統衛星的被動推掃成像外，還支持主動推掃、非沿跡推掃[7]等復雜成像模式(見圖2)，成像過程姿態變化靈活，三軸方向都可以變化，并且三軸姿態角速度都可以不為零。衛星在進行“動中成像”時，光軸斜距的劇烈變化不僅帶來圖像比例尺的改變，而且會造成相機像面圖像運動角速度的變化，進而引起積分時間參數在成像過程中的劇烈變化，因此要求星上自主任務管理系統具備積分時間高頻率實時計算能力，從而有效保證敏捷模式下衛星的成像質量。

圖2 敏捷光學衛星復雜成像模式Fig.2 Sophisticated imaging mode of optical agile satellites

(3)應急任務響應速度要求更快,要求星上具有任務重規劃能力。敏捷光學衛星姿態控制能力強，成像靈活，具有快速任務切換能力，因此要求星上自主任務管理系統具有較強的任務重規劃能力，為用戶的應急任務提供快速響應服務，從而有效提升衛星的應急保障能力。

(4)衛星處理邏輯更加復雜，要求星上具有較強的自主監控能力。敏捷光學衛星要求支持的任務數多，成像模式復雜，要求應急響應速度快，導致星上處理邏輯復雜，各分系統運行負荷大，任務運行過程中各分系統出現異常的概率高，因此要求星上自主任務管理系統具有很強的自主監控能力，及時發現并處理異常，保證衛星安全可靠運行。

3 分層體系架構

敏捷光學衛星自主任務管理系統任務模式多樣，信息流控制復雜，因此要設計一套合理的系統結構，便于系統模塊化設計和有效降低軟件實現的復雜度。本文采用分層架構設計思想，將系統分為應用層、規劃層、服務層和執行層，如圖3所示。星載計算機采用分層遞進、逐步細化的方式，實現敏捷成像任務的規劃、調度與執行。

圖3 自主任務管理系統分層架構Fig.3 Layered architecture of autonomic mission management system

1)應用層

包括元任務受理和元任務預處理兩個模塊。元任務受理模塊從地面接收任務請求，按批次管理，并按規劃時段提交給任務預處理模塊。預處理模塊對當前批次待規劃的元任務按時間先后進行排序和初步校核(如元任務時間間隔、成像累計時長等)，形成合法的元任務序列供任務規劃模塊使用。

2)規劃層

包括任務規劃、任務重規劃、指令生成三個模塊。任務規劃模塊從應用層任務預處理模塊接收元任務，調用任務規劃算法輸出規劃方案；指令生成模塊將規劃方案轉化成可直接執行的指令；任務重規劃受理地面應急任務，生成更新方案，并調用指令生成模塊形成指令。

3)服務層

包括任務參數自主計算和任務執行監控兩個模塊。任務參數自主計算為任務規劃、任務重規劃提供積分時間等任務參數；任務執行監控模塊監測衛星運行狀態，及時將無法執行的任務指令駁回。

4)執行層

包括指令校驗和指令執行兩個模塊。指令校驗用于判斷指令安全性，將安全指令發給指令執行模塊，并駁回非法指令。指令執行模塊直接驅動衛星硬件執行相應動作。

4 關鍵技術分析

從分層體系架構可以看出，星上自主任務管理系統的核心技術包括任務規劃與重規劃、積分時間實時計算和任務執行自主監控。

4.1 任務規劃與應急重規劃技術

為了完成敏捷光學衛星單軌執行多個不同模式的成像任務需求，星上必須具備快速的任務規劃能力，同時為了降低規劃復雜度，便于星上實現，本文采用每軌開始前規劃下一軌任務的策略，形成下一軌初步規劃方案。規劃過程需要首先建立姿態、能源、存儲的約束模型，姿態約束主要考慮成像過程和任務切換過程是否滿足控制設計能力，能源約束主要考慮任務執行消耗的能源是否滿足當圈電量平衡，存儲約束根據每個任務成像模式和成像時長計算當圈所有成像元任務消耗的存儲容量是否滿足星載磁盤存儲量。規劃算法調用這些約束模型進行下一軌元任務序列的約束檢查，形成可行的元任務隊列。然后利用元任務包含的控制、成像、數傳動作和元任務的時序關系，規劃出任務的動作序列，指令生成模塊將規劃動作序列按照指令模板快速翻譯成可直接執行的指令。當接收到應急任務時，系統需要按照時間順序將應急任務快速插入到已規劃的元任務隊列中，分析與已有任務時間約束的沖突關系，如果有沖突，則刪除已有任務，直到滿足時間約束為止，形成可行的元任務序列，然后重新執行任務規劃過程(包括約束檢查和動作規劃)，形成任務的動作序列，接著指令生成模塊將規劃動作序列按照指令模板快速翻譯成可直接執行的指令。整個過程如圖4所示。

圖4 任務規劃與重規劃執行過程Fig.4 Implementation process of mission planning and replanning

4.2 積分時間實時計算技術

積分時間作為敏捷光學衛星TDICCD相機的關鍵參數，其計算精準度直接影響衛星成像質量。敏捷光學衛星成像過程中姿態變化靈活，積分時間也相應變化，傳統衛星積分時間計算模型[8]已無法滿足精度要求，本文在文獻[8]基礎上對攝影點地速計算模型和斜距計算模型進行了改進。

4.2.1 攝影點地速模型的改進

敏捷光學衛星動中成像時姿態角速度不為零，因此計算本體坐標系角速度矢量為

(1)

式中：ωn是衛星的軌道角速度矢量，ωs是衛星姿態角速度矢量。因此敏捷模式下攝影點地速的計算公式與文獻[8]中的公式(13)有所區別：

(2)

式中：ωe是地球角速度矢量，R是地心到目標點的矢量，r是地心指向衛星的矢徑，H是衛星到目標點的距離矢量，vr是衛星絕對速度的徑向分量。

4.2.2 斜距模型的改進

文獻[8]中斜距的計算是一個簡單粗精度的模型，實際計算過程中須利用地面數字高程對斜距進行修正，獲得更精準的斜距值，從而保證積分時間計算的精準性。計算模型如圖5所示。

在慣性系中，將擬攝影點p′的坐標轉換到地固系中，通過數字高程圖查出當前的高程Δh，根據坐標的平移和旋轉不改變矢量長度的特性，對攝影點斜距進行修正，修正公式如式(3)所示。其中Δh是地表數字高程，α為高程與斜距間的夾角。

(3)

圖5 斜距計算模型示意圖Fig.5 Calculation model of slant distance

4.3 任務執行自主監控技術

敏捷光學衛星要求支持的任務數多，成像模式復雜，要求應急響應速度快，導致任務運行過程中衛星出現異常的概率高，要求星上具有任務執行的自主監控能力。指令執行的自主監控過程如圖6所示。

圖6 指令執行的自主監控過程Fig.6 Autonomous monitoring process of instructions execution

由圖6可知，任務執行監控的核心是確保任務期間各分系統的各條指令安全執行，因此需要對每天指令的執行效果進行實時檢查。狀態采集模塊實時采集各分系統的健康狀態數據，結合星上計算機存儲的判斷規則庫，判斷指令是否執行正常，如果出現輕度異常，則采用日志方式進行記錄，定期通過事

件報告下傳地面，便于分析異常原因。如果出現嚴重異常，則直接進入自主安全保護模式，對衛星載荷實施安全關機操作，衛星運行在最小功能集，確保衛星安全。如果執行正常則繼續下一條指令的執行。

5 典型應用

基于上述研究成果設計的自主任務管理系統已應用于某敏捷遙感衛星平臺，其數據流如圖7所示。星上測控應答機接收地面注入的元任務后發送給綜合電子分系統，綜合電子分系統利用這些元任務數據和1553B總線發來的各分系統遙測數據(包括姿態數據、軌道數據、健康狀態數據等)，采用本文研究的關鍵技術完成任務規劃、積分時間計算、任務執行自主監控等自主任務管理功能，有效滿足了敏捷光學衛星任務需求。該敏捷光學衛星使用星上自主任務管理功能與傳統遙感衛星使用的系統相比較，結果見表1。

圖7 某敏捷光學衛星平臺自主任務管理數據流示意圖Fig.7 Autonomic task management data flow on an optical agile satellite platform

名稱使用自主任務管理的敏捷衛星未使用自主任務管理的傳統衛星單軌支持最大任務數/個204任務約束檢查能力有無單個任務上注數據量/字節40220應急任務快速響應能力有無積分時間實時高頻度計算能力有無任務自主監控能力有無

6 結束語

高度自主是未來航天器發展的一個重要方向，與以遙控遙測為主要手段的傳統任務運行管理模式相比，星上自主任務管理技術能夠大幅度地提高衛星整體應用效能，降低地面運行管理成本。本文結合敏捷光學衛星的工作模式分析了敏捷光學衛星星上自主任務管理系統的特點，提出了自主任務管理系統應包括的主要功能模塊及關鍵技術。針對敏捷光學衛星自主任務管理任務模式多樣、信息流控制復雜的特點，自主任務管理系統采用分層架構設計，保障任務規劃及指令執行的安全有效；考慮到敏捷光學衛星成像時姿態角速度不為零以及獲取更精準的斜距值，對攝影點地速模型及斜距模型進行了改進，以保證積分時間計算的精準性；通過任務執行自主監控機制對指令執行效果進行實時檢查，最大限度地減少了異常情況對衛星及系統的影響。基于關鍵技術設計的任務自主管理系統已應用于某敏捷遙感衛星平臺，有效滿足了敏捷光學衛星單軌多模式多任務的成像需求。

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(編輯：李多)

Analysis on Key Techniques of Onboard Autonomous Mission Management System of Optical Agile Satellite

ZHU Jianbing WANG Luyuan ZHAO Wei TIAN Hexiang

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)

For the features of an agile satellite that has more missions per revolution,more sophisticated imaging mode and faster speed of emergency mission response,a layered architecture design is proposed,using a layered progressive,stepwise refinement way to facilitate the system modular design and effectively reduce the complexity of the implementation. Three key techniques are researched,including the task planning and emergency planning,integration time real-time computing,and autonomous monitoring of the task execution. Autonomous mission management system based on this research result has been applied in a certain agile platform，Experiment shows that the number of image mission improve 500% compared with that of traditional satellite,the system can meet the need of all Chinese agile satellites in the future.

optical agile satellite; onboard autonomous mission management; layered architecture

2016-03-15；

2016-04-05

國家重大航天工程

朱劍冰，男，工程師，從事敏捷衛星自主任務管理技術研究工作。Email:xgdzjb@163.com。

V57

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2016.04.009