衛星在軌自主裝訂技術研究

季毅巍++王學良++王守亮

摘 要 在當今社會，衛星在國防建設和人們的日常生活中已成為不可或缺的一部分。衛星攜帶多種不同的有效載荷，可以完成多種任務。在傳統模式下，地面操作人員通過輸入不同的指令才使得衛星完成相應的任務。本文對衛星自主裝訂模型、相關參數的調用和任務裝訂進行了研究，提出了一種衛星自主裝訂的方法，以使得衛星在軌能夠自主完成相應的任務。

【關鍵詞】衛星 自主裝訂 參數調用

在運行過程中，衛星會根據不同的任務進行相應的自主裝訂。在這個控制過程中，系統應用到很多相關的參數，在使用這些參數時必須對這些參數進行初始化，以保證系統能夠正常地按照裝訂的指令運行。在整個系統運行時，星務計算機有大量的數據需要處理。在本設計中，為了降低星務計算機的工作壓力，采用模塊化的思想，將衛星初始化的數據按照某一規則存儲下來，并制定提取這些數據的相應推理算法。根據衛星任務規劃，將這些數據通過虛擬信道傳送到衛星的各個模塊，完成對衛星的在軌自主裝訂。在衛星工作的過程中，為了使星務計算機能夠有序的處理數據，根據數據的來源將這些數據依次放入不同的虛擬信道里，并采用輪詢條用機制執行各個模塊的數據，這就使得星務計算機循環的處理來自不同模塊數據。

1 衛星自主裝訂模型

衛星自主裝訂是希望衛星在初始化時達到的一種智能水平，能夠在輸入幾個指令的情況下，自主的在探測器模型中調用數據并發送給衛星，完成衛星的初始化，使得衛星根據所輸入的關鍵詞完成相應的任務。這種衛星自主裝訂能夠減少對地面操作人員的工作量，并快速有效地完成衛星的初始化裝訂。

參考NASA自主管理體系結構并結合實際情況，采用模塊化的思想，在星務系統中加入自主裝訂模塊，如圖 1所示。該模塊可以根據地面的輸入指令完成對衛星的初始化裝訂。

自主裝訂模塊分為探測器模型、通用推理機和虛擬信道三部分。

探測器模型是衛星初始化所用到的知識庫，該模型包括初始化的任務庫和與之對應的真實值數據庫兩部分，所有關于衛星不同功能初始化的數據包都存放在這里。在探測器模型中，我們可以將所要用到的參數按照一定的規則存放到探測器模型中。

通用推理機具有掃描探測器模型和取出符合條件的數據包兩大功能。在執行掃描探測器模型的工作時，推理機根據地面指令利用各種算法和推理準則對探測器資源進行搜索，并從探測器模型中調用探測器知識，對衛星各個模塊依次進行初始化。

虛擬信道（Virtual Channel）是一種對多數據流的信道動態管理機制，實際上是多信源以動態時分的方式虛擬獨占物理信道，從而使多數據流用同一物理信道進行數據傳輸。采用虛擬信道的好處是各虛擬信道可以獨立管理，不同的虛擬信道可具有不同的優先級，以便為不同的類型數據提供不同等級的服務。在本設計中，虛擬信道分成 A、B兩類，由于主信道在某一時刻只能為一個虛擬信道服務，就存在虛擬信道的調度問題。合理的虛擬信道應該能夠滿足不同傳輸要求的數據對信道的占用需求。

2 裝訂參數的推理算法

在衛星自主裝訂的過程中，通用推理機如何將星務計算機傳送來的指令根據推理規則調出探測器模型中的參數是非常關鍵的。操作人員在地面可以根據衛星所要執行的任務對衛星進行相應的初始化。本設計中，主要采用了輸入關鍵詞的形式對衛星進行自主裝訂。以汶川地震搜索任務為例，輸入的關鍵詞如表1所示。根據輸入的關鍵詞，調用對應的指令集以獲取具體的裝訂參數，指令集如表2所示。對調用的指令集進行參數校驗，保證了裝訂參數的正確性。

在所輸入的關鍵詞中，系統將這些關鍵詞自動分為四類：任務前期的準備參數、運行軌道參數、有效載荷參數和運行狀態參數。推理機按照這四類參數在探測器模型中調出具體的參數，使得系統完成任務的初始化裝訂。裝訂參數的推理算法過程如圖2所示。

2.1 任務前期的準備參數

根據任務規劃需求，地面操作人員輸入衛星任務關鍵詞，通過通用推理機指令使衛星任務參數，實現衛星的任務切換。在衛星任務切換的過程中，所要用到的參數在探測器模型中推測出來并賦予初值，完成衛星的初始裝訂，而用不到的參數賦予相應的值使得所對應的有效載荷停止工作，并為下次初始化裝訂做好準備。

2.2 確定衛星將要運行的軌道參數

星務計算機通過通信處理單元接收到傳送來的地點和任務指令并經過模擬信道A傳送到推理機中，推理機根據所接收到的地點和任務指令在探測器模型中推測出符合條件的運行軌道參數。通用推理機在探測器模型中推測出所要運行軌道參數是衛星自主裝訂的首要任務，也是信息自主裝訂的關鍵。只有將軌道參數推理成功推理機才能接著推測出衛星在該軌道上的星體內的環境參數和衛星有效載荷的控制參數，以達到滿足衛星當前任務的載荷配置。

2.3 確定有效載荷的參數

根據衛星所要執行的任務，地面操作人員輸入規范的執行任務指令給星載計算機，推理機在探測器模型中推測出衛星有效載荷的控制參數，以達到滿足衛星當前任務的載荷配置。

2.4 衛星運行狀態參數的確立

在衛星運行的過程中，為了使有效載荷能夠正常工作，衛星必須調整好自身的運行狀態和姿態以確保有效載荷能執行任務，從而推理機根據衛星所攜帶的有效載荷推測出衛星運行的狀態參數和衛星平臺的運行狀態控制等。

3 任務裝訂

在相關參數推測出來以后，系統將這些參數初始化并送到相應的模塊。裝訂過程分為以下四個階段：

3.1 衛星變軌及姿態控制與調整

根據輸入的目標地點，調取數據庫中的位置坐標，進一步調取任務庫中與衛星移動相關的一系列子任務，來實現衛星移動至目標地點，并進行衛星姿態控制，以滿足衛星任務對姿態的需求。

3.2 信息獲取

根據任務需求，從任務庫中調取該任務分解的子任務，實現信息獲取的相關任務。

3.3 信息融合

對獲取的信息進行分析，得到所需要的信息內容。不同的任務內容需要不同的信息融合算法。

3.4 輔助決策

系統根據任務信息等相關因素，給出一個或多個解決辦法。

這四個階段的具體流程如圖3所示，衛星接收到所發送的指令后，進入衛星變軌姿態控制及調整、獲取信息、信息融合和輔助決策這四個階段任務的執行。在沒有地面參與的情況下，獲取信息、信息融合和輔助決策這三個階段任務一直循環執行，而當地面與衛星進行信息交互就會中斷循環，進行信息交互。交互結束，循環再次啟動，直至完成衛星的任務裝訂。

4 結論

本次設計是完成對衛星的任務規劃自主裝訂。在對衛星進行初始化前，將衛星的初始化數據和相關的推理規則存放衛星的初始化模塊里，以備在衛星初始化裝訂時使用。確定衛星所要執行的任務以后，星務計算機根據輸入的指令可將所需的數據在探測器模型中推理出來，并且通過虛擬信道將所要用到的數據在虛擬信道里輸送到衛星的各個模塊。其優點：

（1）操作人員可以根據特定的輸入任務進行衛星自主裝訂，裝訂速度快，效率高。

（2）數據庫中集成不同功能衛星初始化所用到的數據，確定完衛星所要執行的任務以后，衛星可以自主調用數據庫里的數據，完成系統的任務規劃的衛星狀態初始化。

（3）通過地面操作人員少量關鍵詞的輸入對衛星進行初始化，減少了在衛星信息裝訂過程中人為誤操作，提高了衛星系統初始化的準確性和可靠性。

（4）減少地面操作人員的工作量，并可以有效的降低衛星運行成本。

參考文獻

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作者單位

上海微小衛星工程中心 上海市 201210