高分三號衛星自主任務規劃設計與在軌驗證

張馳 劉杰 王振興 趙元清

(北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

高分三號衛星自主任務規劃設計與在軌驗證

張馳 劉杰 王振興 趙元清

(北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

對高分三號(GF-3)衛星的工作模式以及地面操作指令形式進行介紹,在此基礎上設計了自主任務規劃,提出單次記錄、單天線單站邊記邊放、單天線雙站邊記邊放等9種自主任務規劃編排指令模板。自主任務規劃設計在GF-3衛星常規執行任務中的應用結果表明:設計合理、操作便捷,能有效地提高GF-3衛星的好用易用性,可為后續SAR衛星設計提供參考。

高分三號衛星;自主任務規劃;指令模板

1 引言

隨著航天技術的不斷進步,衛星從傳統單一工作模式向多任務多模式的復雜型應用轉變。國外相繼開展了衛星自主任務管理技術研究。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“自主調度與規劃”(ASPEN)[1]及“調度和執行程序框架”(CASPER)[2]兩大衛星任務規劃系統。ASPEN能夠針對任務層次觀測目標,自動生成EO-1衛星指令層的每日工作計劃。CASPER則采用一種實時重規劃機制,使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)在其昂宿星(Pleiades)衛星上也開展了衛星自主任務規劃系統的試驗[4]。

國內也開展了很多遙感衛星任務規劃技術研究。文獻[5]針對地面多星任務規劃問題,提出規劃模型和算法,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,但并不適用于微波類SAR衛星。文獻[6-7]針對星務系統進行優化設計,提出面向任務的小衛星自主指令設計,并未闡述對于大衛星自主任務管理。文獻[8-9]對光學衛星自主任務規劃進行研究,有效降低了衛星管控的復雜性,并提高了衛星上注的效率。文獻[8-10]提出的自主任務規劃,主要針對傳統光學衛星,并沒有考慮到微波類SAR衛星任務的自主管理。

高分三號(GF-3)衛星是一顆具備1 m分辨率的C頻段多極化SAR成像衛星,能夠全天時和全天候實現對全球海洋和陸地的監視監測,并通過左右姿態機動擴大對地觀測范圍和提升快速響應能力。衛星的數據率從兆級至吉級范圍變化;數傳系統除常規模式外,還具備快記慢放、慢記快放等模式;數傳天線跟蹤具備單天線單站、單天線雙站、雙天線雙站等組合。結合上述衛星特點,本文提出了自主任務規劃設計,并將其分解成9種自主任務規劃編排指令模板。地面用戶只要針對不同的任務形式,選擇適用的模板,輸入必要的參數,就可以完成一次SAR成像及數傳任務,可大幅提高載荷應用時用戶對衛星指令操作的簡便性和可靠性。

2 衛星工作模式及地面操作指令形式

依據用戶需求和衛星特性,GF-3衛星采用12種SAR載荷工作模式,以及配合成像任務的4種數傳工作模式。在對比單指令、數據塊和自主任務規劃編排指令的基礎上,GF-3衛星地面系統選用自主任務指令對衛星進行操作。

2．1 SAR載荷工作模式

GF-3衛星共有12種成像模式,每種成像模式的分辨率、原始數據量和極化方式要求,如表1所示。

表1 SAR載荷成像性能Table 1 Performances of SAR payload imaging

2．2 數傳工作模式

(1)成像對地實時傳輸模式。在地面接收站可視范圍內,衛星處于正常右側視飛行姿態(或者左側視飛行姿態),SAR分系統對地成像,數傳分系統將接收到的SAR成像回波數據、輔助數據發送至地面接收站。

(2)成像記錄模式。衛星處于正常右側視飛行姿態(或者左側視飛行姿態),SAR分系統對地成像,數傳分系統將接收到的SAR成像回波數據、輔助數據送至數傳分系統固態存儲器進行存儲。

(3)成像回放模式。在地面接收站可視范圍內,衛星處于正常右側視飛行姿態(或者左側視、正視飛行姿態),SAR分系統不成像,將存儲在數傳分系統固態存儲器中的SAR成像回波數據、輔助數據,經數傳分系統發送至地面接收站。

(4)成像對地邊記邊放模式。在地面接收站可視范圍內,衛星處于正常右側視飛行姿態(或者左側視飛行姿態),SAR分系統對地成像,回波數據經數傳分系統數據處理器送到固態存儲器進行記錄;同時,固態存儲器將當前記錄的數據或者歷史記錄數據通過對地數傳通道,經對地數傳天線輻射至地面接收站。該模式還可以細分為以下2種模式。①成像對地準實時傳輸模式,固態存儲器回放數據的起始地址為此次記錄的起始地址。②成像對地記錄回放模式,固態存儲器回放的數據為歷史成像回波數據,當前記錄的成像回波數據擇機回放至地面。

2．3 地面操作指令形式

一般,地面系統通過3種指令形式(對比見表2),實現對衛星的操作控制。

(1)單指令。地面系統通過一條一條的指令發送,對衛星進行操作控制。一條指令執行正確后,再發送下一條指令。

(2)數據塊,由多條單指令組成,封裝在數管分系統中央單元(CTU)中。

(3)自主任務規劃編排指令,由多條單指令和數據塊組成。面向用戶的高級任務調度指令,只需要簡單地規定成像任務的時間、工作模式等信息。

表2 指令形式比較Table 2 Comparison of command types

與單指令和數據塊相比,自主任務規劃編排指令本身簡單,操作簡易,執行安全,可簡化星地接口,縮減數據上注量,更加便于用戶操作。因此,GF-3衛星通過自主任務規劃編排指令開展成像任務效率和安全性更高,更適用于長期業務運行。

3 自主任務規劃設計

GF-3衛星不同于普通的光學遙感衛星,在軌實際應用較為復雜,要綜合考慮測控上行通道弧段選取、衛星姿態設置、SAR成像區域選取、成像模式設置、波位選取、極化方式選取、成像時長規劃、下傳數據弧段選擇、下傳模式設置、下傳通道切換、下傳數據量規劃、下傳文件號選取等一系列復雜的前期準備工作,這導致用戶在完成一次任務應用時要花費巨大的時間成本進行前期任務規劃、指令設置編排等操作,對一線操作人員要求較高,而且易出現操作失誤,會降低衛星的可靠性。為此,本文從用戶應用角度出發,為滿足衛星好用易用的指導原則,設計了任務規劃及操作指令。

3．1 輸入參數接口設計

輸入參數接口是用戶通過地面操作在自主任務編排指令模板中輸入約束信息,從時間、地域、方式規劃出一次完整成像傳輸任務。輸入的參數只需要用戶填寫必要的參數信息,主要包含任務時間信息、姿態信息、成像時間及區域信息、數傳弧段信息、數傳模式信息、數傳天線預置角度信息、固態存儲器記錄或回放文件信息、地面接收站信息等,見表3。通過輸入這些信息,并結合衛星本身的載荷工作特點及工作模式,規劃出一次成像及傳輸任務。

表3 參數接口表Table 3 Interface sheet of parameters

3．2 自主任務規劃編排指令設計

用戶在應用遙感衛星自主任務規劃時常采用“靜態時間約束＋指令模板”的運行控制體制。為了便于用戶操作,結合GF-3衛星的工作模式,本文根據任務要求、衛星約束等要求,將自主規劃任務分解成最常用的9種自主任務指令模板,包括單次記錄、單天線單站實傳、單天線單站回放、單天線單站邊記邊放、單天線單站邊記邊放(回放起始標志)、單天線雙站順序或序號回放、單天線雙站邊記邊放、單天線雙站邊記邊放(回放起始標志)、固態存儲器擦除,并將其固化在數管分系統中。地面用戶只要選擇其中的一種自主任務規劃編排指令模板,輸入必要的參數,就可以完成一次SAR成像及數傳任務。圖1為自主任務規劃指令執行示意。

通過衛星自主規劃,調用多個指令組和少量指令(見表4),能保證SAR載荷成像及數據下傳,同時具備一次短期成像任務中包含多次多區域SAR成像,使GF-3衛星的使用更加靈活。表4為成像任務規劃內容。

表4 成像任務規劃內容Table 4 Planning of imaging task

4 在軌驗證

本文設計9套自主任務規劃編排指令模板,遍歷GF-3衛星整個正樣電測階段及發射場電測階段,驗證了設計的正確性、合理性及便利性,配合完成了SAR分系統測試,保證衛星順利出場及發射。

GF-3衛星入軌后,在2016年8月15日首次成像,開展了為期約5個月的衛星及地面系統在軌測試工作。截止到2017年1月,衛星在軌總成像時間超過7000 min,9種自主任務規劃編排指令模板使用次數超過1689次,圓滿完成了SAR成像任務、數據傳輸任務,成像分辨率達到米級,并獲取了高質量重軌干涉SAR試驗數據,提取出亞厘米級的地面沉降信息,實現了中國衛星SAR影像干涉測量零的突破。

5 結束語

本文基于GF-3衛星的任務特點,對自主任務規劃進行設計,提出了9種自主任務規劃編排指令模板,可提高衛星的可靠性、安全性、可用性、易用性。本文的設計能大幅降低衛星對地面人工控制的依賴,減少上注的操作指令,使任務規劃更加簡單明了,可解決GF-3衛星在軌應用復雜的問題,減少漏指令、錯指令的情況出現,并獲得了很好的應用效果,可為后續SAR遙感衛星自主任務規劃設計提供參考。

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Design and On-orbit Verification of Task Self-arrangement for GF-3 Satellite

ZHANG Chi LIU Jie WANG Zhenxing ZHAO Yuanqing
(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)

The operating modes and ground operation command types of GF-3 satellite are demonstrated,and the task self-arrangement is designed．9 command templates generated are proposed including single antenna tracking single station,single antenna tracking double stations,double antennas tracking double stations,etc．The proposed design has already been applied to the GF-3 satellite daily manipulation,which shows that it simplifies the manipulating procedure and makes GF-3 satellite more user-friendly compared with other similar satellites．The design of task selfarrangement can be used as a reference for the design of the other SAR satellites．

GF-3 satellite;task self-arrangement;command templates generated

V474．2

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.06.005

2017-10-20;

2017-11-10

國家重大科技專項工程

張馳,男,工程師,研究方向為航天器總體設計。Email:zhangchizhc0102＠163．com。

(編輯:夏光)