基于任務目標的航天器自主控制技術研究

摘 要：傳統的航天器控制方式是基于指令的，這種方式受測控影響大、執行靈活性差、自主性低，已經無法適用于深空探測、實時對地觀測等新型的空間應用。因此，文章提出基于任務目標的航天器控制方式，對該方式的控制流程進行分析，給出任務目標的具體定義并研究了任務目標與控制指令之間的轉換方法，從而實現基于任務目標的自主控制。

關鍵詞：任務目標；控制指令；工作模式

1 概述

從1957年人類發射第一顆人造衛星以來，空間技術取得了突飛猛進的發展，航天器的類型也在不斷增加，如通信衛星、氣象衛星、導航衛星、深空探測器等[1]。航天器的功能隨著種類不同而存在差異，但無論何種類型的航天器，都是一個包含多種分系統、由多臺設備組成的復雜集合體，其功能的實現依賴于各組件之間的協同運作，因此需要正確的控制。

傳統的航天器控制方式是基于指令的，地面人員綜合考慮航天器任務需求和各種約束條件，制定相應的控制指令序列，并在航天器處于測控范圍時上傳[2]，航天器接收指令后根據指令內容在指定時刻執行相應的動作，然后返回遙測信息，完成對航天器的控制。控制指令上傳和遙測信息返回要求地面與航天器進行頻繁地交互，因此對測控資源的依賴較為嚴重；控制指令的執行時刻是固定的，當遇到突發情況時無法自動調整，靈活性較差，不能滿足實時對地觀測等高動態特性應用的要求；此外，這種控制方式以地面為主導，航天器缺乏自主性，已經無法適用于深空探測等外部環境不確定、對自主性要求很高的應用場合。

為了滿足新型空間應用的要求，需要對傳統的航天器控制方式進行改進，因此，文章提出基于任務目標的航天器自主控制技術，把航天器的控制方式從指令級別上升到任務級別，航天器接收任務信息后在軌自動生成所需的控制指令，實現自主控制。

2 基于任務目標的航天器控制方式

傳統的基于指令的控制方式是一個典型的規劃、執行和感知的循環過程。地面人員通過遙測信息來預測航天器當前狀態，并結合任務安排進行綜合規劃，生成完整的控制指令序列，完成規劃過程；地面中心上傳控制指令至航天器，航天器接收指令后分發給相應的設備，完成執行過程；控制指令執行完畢以后，由測量設備采集各設備的狀態并通過遙測信息返回地面，用于后續任務的規劃，完成感知過程。在這種控制方式中，規劃過程是在地面進行的，執行過程和感知過程是在航天器上完成的。

為了減少對測控資源的依賴，增加指令執行的靈活性和航天器的自主性，與基于指令的控制方式相比，基于任務目標的控制方式把規劃過程轉移到了航天器上，如圖1所示。航天器接收任務目標，該任務目標可能來自地面中心，也可能由航天器上的智能任務模塊根據外部事件自主產生；規劃過程采用一定的規則和算法，把任務目標轉換為完成任務所需的指令序列；感知過程采集執行過程中的狀態信息，并反饋給規劃過程進行動態調整。

基于任務目標的航天器控制方式有以下三個優點：

（1）注入效率高。為了實現對航天器的控制，地面中心只需要上傳任務目標，控制指令的生成由航天器自主完成，相比于指令序列的上傳，注入效率明顯提高[3]。

（2）受測控影響小。規劃過程位于航天器上，規劃所需的狀態信息和控制所需的指令序列均在航天器內部傳遞，減少了與地面中心的交互，在特殊情況下，任務目標可以由航天器自主產生，此時，航天器甚至可以在無地面干預的條件下保持較長時間的正常運行，降低了對測控的依賴。

（3）動態響應特性強。規劃過程可以實時獲取航天器各設備的狀態信息，當指令執行出現偏差或遇到突發事件時，規劃過程可以迅速實施重規劃，根據外部條件動態調整之前的指令序列，指令執行的靈活性很強，極大地提高了航天器的自主能力。

3 基于任務目標的航天器控制實現

為了實現基于任務目標的控制，需要解決兩個基本問題：任務目標的定義、任務目標和控制指令的轉換方法。

3.1 任務目標的定義

航天器由多個分系統構成，如熱控分系統、姿軌控分系統、通信分系統等，各分系統又包含一系列設備，如通信分系統包括天線、功率放大器、調制解調器等，因此，設備是航天器實現具體功能的原子單位，對航天器的控制本質上是對各設備的控制，航天器任務目標的完成依賴于各設備基本功能的實現。

設備在不同的時間段可能處于不同的狀態，分別表示不同的工作模式，如功率放大器包括關機模式、開機模式等。設備執行控制指令后狀態發生變化，工作模式也隨之改變，把最常見的工作模式稱為默認工作模式，表示設備不接收指令時所處的狀態，如關機模式為功率放大器的默認工作模式。在航天器控制過程中，發送指令使設備從默認工作模式轉移到完成任務所需的工作模式，任務完成后再恢復到默認工作模式，因此，可以用工作模式來定義任務目標，如下所示。

任務目標：某一時間區間內設備所處的工作模式。

根據定義，任務目標可以用三元組<設備Device，時間區間Interval，工作模式Mode>來表述，記作Goal：Mode，其中，設備表示任務目標的執行對象，時間區間表示任務目標的執行時段，工作模式表示任務目標的狀態要求。

3.2 任務目標與控制指令的轉換

在基于任務目標的控制模式下，航天器各設備最終執行的仍然是控制指令，因此，本節對任務目標和控制指令的轉換方法展開研究。以一個簡單的對地成像系統為例，設定該系統包括成像儀、溫控器和旋轉機構三臺設備，其中，成像儀用于對地觀測，溫控器對成像儀的溫度進行控制以防止其受損，旋轉機構根據觀測目標的方位把成像儀旋轉到合適角度進行觀測。

在該成像系統中，設定以下三條約束條件：（1）溫控器在成像儀開機3分鐘前關閉，防止成像儀溫度過高造成損害。（2）溫控器在成像儀關機5分鐘后開啟，防止成像儀溫度過低造成損害。（3）成像儀在旋轉機構停止旋轉2分鐘后可以拍照，防止旋轉機構抖動引起成像質量下降。

成像系統中各設備的控制指令如表1所示。

假設旋轉機構在T0時刻開始向成像區域旋轉，在T1時刻旋轉到位，成像儀拍照過程持續一分鐘，根據設備動作之間的約束條件（若無約束條件，設定相鄰兩個動作間的間隔為一分鐘），制定合適的指令序列來控制對地觀測任務。

在T0時刻旋轉機構開始旋轉，在T0+1時刻溫控器關機，根據約束條件1，在T0+4時刻成像儀開機；在T1時刻旋轉機構停止旋轉，根據約束條件3，在T1+2時刻成像儀開始拍照；在T1+3時刻成像儀停止拍照，在T1+4時刻成像儀關機，根據約束條件2，在T1+9時刻溫控器開機。具體的控制指令序列如表2所示。

上述過程是典型的基于指令的控制方式，為了實現基于任務目標的控制，需要把指令轉換為任務目標，因此，采用時間線來表示控制指令的執行過程，如圖2所示。

圖2中，各設備在指定時刻執行相應的控制指令，從而引起設備狀態的變化。以旋轉機構為例，在T0時刻前，旋轉機構處于“靜止”狀態；從T0時刻執行“開始旋轉”指令后，至T1時刻執行“停止旋轉”指令前，旋轉機構處于“旋轉”狀態；在T1時刻后，旋轉機構恢復“靜止”狀態。其余設備的狀態隨著指令執行而變化的過程類似，此處不再贅述。

根據上述分析，指令執行時間線可以轉換為相應的狀態轉移時間線，如圖3所示。

圖3中，相鄰時刻之間的設備狀態是確定的，因此工作模式也隨之確定。以溫控器為例，在T0+1時刻前，溫控器處于“開機”狀態，工作模式為“開機”模式；在T0+1時刻至T1+9時刻，溫控器處于“關機”狀態，工作模式為“關機”模式；在T1+9時刻以后，溫控器恢復“開機”狀態，工作模式也恢復為“開機”模式。其余設備的工作模式類似，此處不再贅述。

在任意時間區間內，各設備的工作模式是明確的，根據任務目標的定義，此時任務目標也是明確的，因此，狀態轉移時間線可以轉換為任務目標時間線，如圖4所示，其中R-0和R-INF分別表示相對0時刻和相對無窮時刻，無具體意義。

圖4中，任意相鄰時刻之間的工作模式均可以視作任務目標。以成像儀為例，在T1+2時刻至T1+3時刻處于“成像”模式，該任務目標可以表示為 。

通過指令、狀態和工作模式之間的關系，圖2所示的基于指令的控制方式逐步轉換為圖4所示的基于任務目標的控制方式。反之，給定任務目標，規劃過程通過任務目標之間的相互傳遞，使各設備從默認工作模式轉移到指定工作模式，任務完成后再恢復為默認工作模式，轉移過程中引起工作模式變化的所有指令即為最終的控制指令序列，從而完成任務目標向控制指令的轉換，實現基于任務目標的控制。

4 結束語

文章分析了基于任務目標的航天器控制流程，在此基礎上對任務目標的定義、任務目標和控制指令之間的轉換方法進行論述，建立起基于任務目標控制的一般性概念。與基于指令的控制方式相比，基于任務目標的控制方式具有靈活性強、自主性高等優點，在未來的空間探索中存在很大的應用潛力，值得進一步深入研究。

參考文獻

[1]徐福祥.衛星工程概論[M].第2版.北京：中國宇航出版社，2004.

[2]王丹，徐進，陳丹.基于自主規劃的載人航天器飛行程序設計[J].航天器工程，2015，24（1）：50-55.

[3]田志新，崔曉婷，鄭國成，等.基于有向圖模型的衛星任務指令生成算法[J].航天器工程，2014，23（6）：54-60.