衛星能源約束檢查模型改進及仿真

李 立，朱 野，趙靈峰，潘小彤，張 銘，王 碩

(1.中國科學院 上海微系統與信息技術研究所，上海 200050； 2.上海微小衛星工程中心，上海 201203)

0 引言

對地觀測衛星攜帶可見光、電子偵察、合成孔徑雷達等星載傳感器，獲取地面目標的圖像和信號等信息，并將這些信息傳回地面站供分析使用[1]。因衛星成本高昂，故衛星資源顯得尤為寶貴。為充分利用星地資源，最大限度發揮衛星效能，有必要對衛星進行任務規劃以最大化利用衛星資源。衛星任務規劃是衛星運控系統的核心部分，指根據用戶需求規劃未來一段時間內衛星的工作模式[2]。由于星地資源有限，在任務規劃過程中需要考慮很多約束，例如衛星姿態約束、載荷工作能力約束及衛星能源約束[3-4]。在過去，衛星姿態機動能力和星上載荷工作能力限制了單軌的任務執行數量，衛星能源對任務的約束并非衛星任務實現能力的主要限制因素[5]。衛星任務規劃不考慮能源約束[6]，或者只是簡單考慮載荷工作期間的能源消耗，以單圈或多圈能源平衡作為約束[7]。隨著衛星姿態機動能力和載荷性能的提升，衛星工作水平得到大幅提升，但同時衛星的能源消耗也有所增加。因此，有必要對衛星能源預期使用情況進行估計，以防衛星在執行任務時出現能源不足的狀況，導致衛星故障或任務無法順利完成。

文獻[5]提出了一種遙感衛星能源平衡約束分析系統，可針對衛星任務規劃進行能源約束檢查。文獻[8-10]提出了衛星能源平衡計算方法，可計算一段時間內衛星的能源能否平衡，此結果將用于指導電源系統的設計。然而，上述方法在能源約束運用中面臨三方面問題：一是每次進行能源約束計算時需人為給定初始能源值，而規劃任務時往往不知道任務開始時的能源情況；二是若規劃的任務不能滿足能源約束條件，則能源約束檢查模型只給出不通過的結果，不提供規劃任務調整建議，不利于后期對任務進行快速調整；三是由于建模的簡化及衛星功耗變化，使得計算結果與實際結果出現偏差，不進行校正會導致誤差積累。針對上述問題，本研究對能源消耗模型進行改進，提出了一種改進的能源約束檢查模型，該模型能自動計算衛星長時間內的能源消耗情況，并引入了衛星遙測量對計算結果進行校正，以消除計算結果和實際結果的誤差。改進的能源約束檢查模型還能按照任務優先級，從能源約束角度提出規劃任務調整建議。

1 衛星能源約束檢查模型

衛星能源約束檢查模型旨在對規劃的任務進行能源約束檢查，使得衛星能源能保證規劃任務順利完成。已有的能源約束檢查模型在設定計算初始時間及初始值后，根據軌道信息和任務表確定衛星工作模式，結合各工作模式下的衛星功耗，計算任務期間的能源消耗，計算完畢或能源約束不滿足時，則停止計算返回結果，其計算流程如圖1所示[5]。

圖1 已有的能源約束檢查模型流程圖Fig.1 Flowchart of existing energy constraint checking model

已有的能源約束模型針對單次能源約束檢查設計，而在使用衛星的實際場景中，工作人員需多次使用任務規劃系統進行任務規劃。使用已有的能源約束檢查模型需指定計算初始值，無法實現能源約束的準確計算，且在能源約束不通過的情況下，能源約束檢查模型未給出調整意見，規劃任務系統不能對任務進行快速調整，導致整個規劃周期較長，影響衛星的使用效能。為克服已有能源約束檢查模型存在的問題，對該模型進行了改進。改進模型以能源數據庫為中心，由任務期能源約束檢查、非任務期能源計算、遙測校正和數據庫維護4部分組成。

任務期能源約束檢查部分在規劃任務時被任務規劃系統調用，計算完畢后向任務規劃系統返回能源約束檢查結果和任務調整建議，實現規劃任務能源約束檢查計算和規劃任務調整功能。非任務期能源計算部分由模型定時啟動，該部分用于檢測能源數據庫中數據是否為最新數據，如果否，則啟動計算，使任務期能源約束檢查部分獲取到最近時刻的計算初始值。遙測校正部分利用衛星能源遙測數據對能源數據庫中的能源值進行校正，消除計算誤差。數據庫維護部分實現對能源數據庫的管理，對模型各部分產生的能源數據進行處理，包括合并重合數據、刪除多余數據、更新能源數據等操作。經過改進的能源約束檢查模型如圖2所示。

圖2 改進的能源約束檢查模型流程圖Fig.2 Flowchart of improved energy constraint checking model

2 改進模型的組成

2.1 任務期能源約束檢查

任務期能源約束檢查是改進的能源約束檢查模型的核心部分，用于實現任務期能源消耗計算和規劃任務調整2個功能。

2.1.1 能源消耗計算

能源消耗計算的流程如下。首先從規劃任務表中讀取任務開始時間和結束時間，并從本地能源數據庫中獲取開始時間的能源值，以此作為計算初始值，而非人為指定計算的初始能源值。本地能源數據庫中的能源數據由任務期能源約束檢查和非任務期能源計算模塊共同插入更新，以保證能源數據庫中的數據持續更新到最近時間。初始值的確定方式具體為：查詢本地數據庫中早于開始時間T1和晚于開始時間T2的最近能源值記錄，采用插值計算開始時間的能源值；若沒有查詢到T2，則采用非任務期能源計算模塊中的計算方法計算開始時間，獲取開始時間的能源值。由于非任務期能源計算模塊的定期更新，后一種情況下的計算開銷較小。之后，根據輸入的規劃任務表和軌道信息表，結合衛星姿態調整策略，綜合得到衛星的工作模式，判斷衛星充放電情況。最后，結合各個工作模式下的功耗表，計算衛星的能源變化直到計算結束。

對于多任務且姿態需要相應機動的衛星，多個任務相互影響，姿態調整錯綜復雜，能源計算的難點在于對衛星工作模式的判斷。文獻[5，8-10]都未給出判斷衛星工作模式的方法。在改進模型中利用一種通過查詢數據庫進行工作模式判斷的方法[11]，該方法操作簡單，可擴展性好，具有一定的通用性。其思路為考慮各個載荷任務、軌道信息和姿態調整的所有組合，建立各個狀態組合和衛星工作模式的對應表，將軌道信息和規劃任務時間信息分別注入數據庫表，查詢某時刻各個數據庫表中的衛星工作狀態，由對應表得到當前衛星工作模式。工作模式判斷方法如圖3所示。

圖3 衛星工作模式判別方法示意圖Fig.3 Schematic diagram of working pattern discrimination

軌道時間包含衛星進出地影的時間。在進出地影時，載荷1和載荷2執行前后有姿態機動，載荷2還有任務處理操作，上述姿態機動在姿態不需要調整時不會執行?？赏ㄟ^建立工作狀態組合與衛星工作模式的對應表處理相互影響的3個序列。軌道時間序列工作狀態有4種，載荷1工作狀態有4種，載荷2工作狀態有6種，共計有4×4×6=96種工作狀態組合。時間1工作模式為對地姿態機動，時間2工作模式為載荷任務1……通過窮舉的方式可建立各個狀態組合與衛星工作模式的對應表。分別查詢到某時刻3個時間序列的工作狀態后，即可通過對應表判斷衛星工作模式，再結合衛星在各個工作模式下的能源功耗表進行能源消耗計算。

2.1.2 規劃任務調整

當規劃的任務未通過能源約束檢查時，任務調整功能可從能源角度對任務表進行調整，以提供規劃任務調整的方向。模型按照優先級對任務進行調整，即當任務不滿足能源約束條件時，能源約束檢查模型首先對低優先級的任務進行調整，若任務調整后通過能源約束，則對任務表變動部分進行重新計算，否則按照優先級從低到高繼續調整。任務調整過程如圖4所示。

圖4 任務調整示意圖Fig.4 Schematic diagram of task adjustment

在T5時刻，計算的能源值低于能源閾值，模型會計算T6時刻，得到在該時刻的能源值V1，利用該值可計算出為滿足T6時刻能源值大于能源閾值，需要縮短的任務時間。因T1時刻能源值滿，故之前的任務不再調整，模型只對T1～T6之間的任務進行調整。模型首先逐次檢索最低優先級的任務，若滿足能源約束，則退出調整功能，否則對該優先級或次低優先級任務繼續進行調整。任務調整完畢后，對能源數據庫中原來有變化的能源數據進行更新。待計算完畢，輸出調整任務的代號，任務規劃系統據此進行任務調整。圖4顯示了對T4～T6之間的任務進行調整后的能源值變化。

2.2 能源校正

由于在軌運行狀態與地面測量環境的差別，能源模型的計算結果與實際能源情況存在偏差。若不加以校正，則長期的誤差積累會導致計算結果不準確。為此，改進的模型引入了衛星遙測對能源數據庫中的能源值進行校正。衛星常用鋰電池和鎳氫電池供電[12]，剩余電量與電流、內阻和溫度有關，電池內部復雜的電化學反應導致電池剩余電量估計方法復雜，估計結果不準確[13]，難以用衛星遙測量對能源剩余量進行估計，但可用衛星方陣電流、負載電流和充放電電流判斷衛星電源是否充滿。在模型中，獲取衛星的能源遙測量，當判斷電源充滿時，將能源數據庫中對應時間點的能源值校正為滿。校正過程如圖5所示。

圖5 能源值校正示意圖Fig.5 Schematic diagram of energy value adjustment

校正時不必對校正時間點后的能源重新進行計算。若模型檢測到T1時刻的能源為滿，則會對能源數據庫中T1時刻后的能源值進行校正。若T1～T2期間能源處于充電狀態，則能源一直為滿。若T2時刻衛星能源值增加了H1，則對后續能源值增加H1一直到能源滿。若T4時刻能源值增加了H2，由于增加量H2

2.3 非任務期能源計算

改進的模型引入能源數據庫對衛星整個運行過程中的能源數據進行記錄和預測，2次規劃任務時間間隔可能較長。為保證能從數據庫中查詢到下一次能源約束檢查時的初始值，在非任務期間也要計算衛星的能源消耗情況。

在非任務期間，模型定時自動計算，其計算方法與任務期能源消耗計算類似，但只考慮衛星軌道信息和姿態調整策略。模型首先從能源數據庫中獲取最晚時間點作為計算開始時間，再從軌道信息表中讀取衛星在該時間點后的軌道信息，參考衛星姿態調整策略進行能源計算，并將結果上注到能源數據庫。

2.4 能源數據庫維護

改進的能源約束檢查模型以能源數據庫為中心，任務期、非任務期能源計算和能源遙測校正都與能源數據庫進行數據交互。改進的模型需要對能源數據庫進行數據維護。能源數據庫中有3個數據表：任務期數據表、非任務期數據表和能源數據表。

任務期的能源計算結果上注在任務期數據表內，任務調整功能會對該數據表中的數據進行刪除和更新，待計算完畢后，若任務表通過，則表示任務會最終上注，模型會將該次計算數據拷貝至能源數據表，能源數據表中與任務期數據表中時間相同的數據將被覆蓋，模型會對該次任務后續數據進行校正。若任務表未通過，則該次任務不能滿足需求，數據無效被丟棄。

非任務期計算時，模型查詢能源數據表和非任務期數據表，獲取最晚時間作為計算起始時間，以讀取相應的軌道信息表進行計算。計算完畢后，查詢能源數據表最晚時間和其對應的能源值，將非任務期數據表中晚于該時間點的數據校正后拷貝至能源數據表。

能源數據表存儲星上能源值，記錄星上能源消耗情況，提供任務期能源約束計算初始值，接收遙測數據校正。

3 模型仿真

改進后的模型以數據庫為中心，實現能源計算、規劃任務調整和能源校正功能。本節模擬衛星運行的真實場景，對模型實現的功能進行驗證。

3.1 仿真輸入

能源消耗模型需要輸入衛星的規劃任務時間表、衛星軌道信息和衛星能源消耗列表。載荷任務時間見表1，表中優先級數字越大表示優先級越高。軌道信息包含衛星進出地影的時間，由STK(system tool kit)軟件解算輸入。同時，設定衛星能源閾值為滿電量的25%，如果計算中能源值低于25%，則認為衛星能源不能滿足要求，規劃任務需要調整。

表1 載荷任務時間表

3.2 仿真結果

3.2.1 規劃任務調整功能驗證

為驗證改進模型的調整效果，首先禁用模型的任務調整功能，利用模型獲取規劃任務時間表和軌道信息后進行計算，計算結果與預期結果一致，計算結果如圖6所示。在2017年8月16日00:25:00時，計算能源值低于設定的能源閾值，不滿足能源約束的要求，由表1可見，此時衛星處于載荷任務中的dz3執行期間。

圖6 禁止任務調整功能計算結果Fig.6 Result of prohibition on adjustment function

利用使能模型的任務調整功能再次進行計算，根據模型的調整策略，應對dz2和dz3進行調整。因dz2的優先級低于dz3，故模型先計算刪除dz2是否滿足能源需求，若滿足，則dz3保留繼續計算。計算結果如圖7所示。

圖7 調整dz2計算結果Fig.7 Result with the adjustment of dz2

為驗證模型對不同優先級的優化策略，將dz2優先級設置為2，dz3優先級設置為1，重新計算得到的結果如圖8所示。

圖8 調整dz3計算結果Fig.8 Result with the adjustment of dz3

由圖6～8可見，改進的模型能準確計算能源消耗，并在規劃任務不滿足能源約束條件時根據任務優先級給出調整建議，使得任務規劃系統可迅速對任務進行合理調整。

3.2.2 能源校正功能驗證

為驗證模型的能源校正功能，針對圖8所示的仿真條件，在dz2后實施能源校正，設定在2017年8月16日04:32:00時衛星能源值滿，校正結果如圖9所示。

圖9 能源校正前后對比Fig.9 Comparison of energy adjustment

由圖9可見，在收到能源值滿的消息后，模型按照校正策略對能源值進行校正。從收到消息的時間點到下一次能源為滿時間點之間的數據會被校正。

4 結束語

本文建立了一種改進的能源約束檢查模型。該模型以能源數據庫為中心，分為任務期計算部分、遙測校正部分、非任務期計算部分和數據庫維護部分，克服了原有模型不能進行任務調整、無校正環節及能源計算時間不連續的缺點，實現了能源約束計算自動管理和任務自動調整功能。仿真結果表明：該模型能按照預期實現能源約束計算和任務調整，且能實現無人干預狀態下的自動運行，具備良好的擴展性。該模型在進行能源計算時未考慮衛星整星溫度變化對能源消耗的影響，特別是衛星加熱制冷設備對能源消耗的影響，且在能源計算時采用單機功耗平均值進行計算，造成模型計算誤差，后續需補充針對溫度的補償，并擬合單機能源消耗的實際曲線，減小計算誤差。