基于快響空間的地面控制系統設計

陳韜亦

(1.中國電子科技集團公司 第五十四研究所，石家莊 050081;2.中國電子科技集團公司 航天信息應用技術重點實驗室，石家莊 050081)

0 引言

21世紀是人類全面進入、控制和利用太空的世紀。快速響應空間簡稱快響空間[1-9]，涉及到航天器、運載器、發射支持、地面控制及應用系統等，并在時間快、操作易、成本低、任務專的需求牽引下逐步形成以標準化模塊化平臺技術、快速集成測試發射技術、自主運行控制技術為代表的技術體系。美國在快速響應空間領域全面開展研究基礎上，重點放在戰術衛星生成和設計的流水線化、模塊化、標準化；俄羅斯與歐空局則主要集中在快速響應運載器上以期獲得空間快速響應發射的能力；英國和德國專注于微小衛星及星座計劃；日本航天器大量采用IT技術，用人工智能完成火箭射前測試檢查，用模塊化結構設計、即插即用技術實現衛星功能定制。

地面控制及應用系統是快響空間體系的重要組成部分，作為快響空間任務實施的中心樞紐，該系統為各級各類太空操作人員提供控制手段，對任務進行需求分析部署，提供任務規劃和調度服務，為快響空間應急場景提供環境模擬和態勢綜合，對空間資源進行配置。當前針對快響空間任務正在研制、演示和驗證的控制與應用系統主要包括美國的虛擬任務操作中心(virtual mission operation center，VMOC)、戰術航天器指揮服務體系(tactical spacecraft commanding service architecture，TSCSA)[1]等。VMOC提供了一個快響空間戰術應用的虛擬任務操作中心，其主要思想是通過將應用用戶直接納入在軌航天器有效載荷的框架內，使用戶通過安全互聯網絡獲取衛星數據，動態地給衛星有效載荷分派任務，實施在軌衛星設備的遙測、跟蹤和控制，以達到衛星直接支持應用的目的。TSCSA是以操作人員為中心，符合WEB服務規范的，用于戰術空間資源訪問接入、任務分派和接收信息的一種全新方式。

1 能力需求

當前快響空間系統主要立足于快速滿足各類信息支援需要，支持快速組織和補充精干高效的空間資源，力求滿足國家重大突發事件、反恐維穩、災害救援等空間信息綜合保障需求。這些需求可分為四個等級：等級一為在軌衛星載荷分配；等級二為在軌衛星機動變軌；等級三為在儲快速發射入軌；等級四為在研快速生產運輸發射。從任務角度可將等級四合并到等級三，三個等級的需求對地面系統提出了關鍵能力要求，主要有以下幾個方面：在軌衛星快速信息支援，包括快速需求統籌分析分配、快速任務控制、快速業務測控，快速獲得信息并下傳，以及信息快速處理與分發等五項活動；在軌衛星快速機動變軌，包括快速變軌組網分析、快速上傳軌道機動指令(快速變軌測控)以及快速軌道機動等三項活動；航天器快速發射入軌補網，包括快速發射任務規劃，載荷、平臺和運載器長期存儲，載荷與平臺靈活配置，載荷、平臺與運載器快速集成測試，快速發射和工程測控、快速自主在軌檢測，以及地面系統快速構建(地面系統基于新發射衛星特點快速構建)等七項活動。

通過對上述快響活動進行分析，快響控制的能力需求主要包括：1)需求受理分析、資源分配和批準。輔助操作人員根據空間信息進行需求分析，確定需求等級，合理分配資源和批準需求；2)任務規劃、方案制定與推演。對空間快速信息支援、衛星變軌和快速發射任務進行規劃、擬制和推演；3)調度與控制、過程監控。對快響力量的調度，監控快響任務的控制過程、星地資源使用過程等；4)態勢顯示與信息分發。為完成快響活動而進行空間態勢、地面任務系統的態勢綜合處理、顯示和分發；5)快響任務執行效果評估。對需求滿足度、資源使用效率以及快響任務各項活動情況進行評估等。

2 初步設計

2.1 思路和方法

快響控制系統設計的基本思路是融合快響空間任務控制流程和現有業務應用流程，以“快”為核，以“服務化”云架構為基，構建面向服務的快響空間地面控制系統。其基本方法是基于云服務架構，從快響任務剖面構建現有地面業務或任務中心的信息服務系統；然后研究VMOC及天地安全互聯技術[10]，構建基于多層次多類型的半自動化、全自動化快響任務規劃、調度和控制核心應用及服務；支撐實現控制系統的快響空間態勢綜合、任務籌劃、任務控制和綜合保障功能，達到提高快響空間能力的目的。

2.2 體系視圖

體系視圖描述控制系統外部環境及其基本結構，如圖1所示。以控制中心為核心，以柵格網絡連結基礎，形成“外圍-后臺-前臺”控制系統三層結構。外圍主要包含快響火箭等航天器、衛星等傳感器、站網等地面資源及其他系統；后臺主要包含與各衛星控制中心、應用處理中心、地面站網中心等業務中心和發射、測控等任務中心相關的信息服務系統，以及控制系統所屬資源管理系統等。前臺主要包含控制中心和用戶終端。信息服務系統主要通過對各類業務中心、任務中心的功能進行抽取并服務化封裝，資源管理系統提供控制功能和信息服務的云基礎平臺及云資源管理和維護。前臺、后臺、外圍是調用與被調用、控制與被控制的關系。圖1所示的大外圍、強后臺、精前臺表示控制系統體系發展的方向。

圖1 快響空間地面控制系統體系視圖

2.3 功能視圖

基于對快響空間地面控制系統能力需求與使用模式的分析，設計快響空間地面控制系統的功能體系架構，主要包括態勢綜合、任務決策、任務控制、綜合保障四大功能。態勢綜合功能主要包括多源信息接入、信息處理、態勢綜合、態勢分發共享、態勢顯示等功能。任務決策功能主要包括快響任務分析、天基信息需求受理分析、衛星變軌與組網分析、快響發射規劃分析、計劃方案生成和評估推演、人員管理和籌劃產品管理。任務控制功能主要包括行動控制、任務/設備調度控制、綜合監視、關鍵事件告警、臨機情況處置、任務效果評估等功能。綜合保障功能主要包括通信保障、設備保障、后勤保障等。系統功能視圖如圖2所示。

圖2 快響空間地面控制系統功能視圖

2.4 運行視圖

基于對快響控制流程與信息交互關系的分析，設計快響空間地面控制系統運行流程。控制中心位于運行核心，可包含多個分中心；衛星控制中心管理各類太空快響資源；地面站網中心支持太空快響資源的測控和數傳執行；應用處理中心提供數據產品，包括圖像數據、信號數據、情報處理、數據融合、民用數據等。用戶終端系統包括固定、船載、機載、車載、個人攜帶式等終端，必要時還配屬機動保障車(含測控、數傳和應用處理)。快響發射和測控系統用于衛星快速發射和應急組網補網。其運行視圖如圖3所示。

圖3 快響空間地面控制系統運行視圖

1)快響基本流程:

控制中心通過用戶終端接收快響任務需求，對空間快響資源、地面站網資源、發射測控資源進行協同規劃分析，確認任務初步方案、等級；對于等級二，下達機動變軌應急組網任務，轉入機動變軌流程，對于等級三，下達應急發射補網任務，轉入應急發射流程；控制中心向衛星控制中心下達天基支援任務，同時授予用戶終端衛星載荷操控、信息權限；衛星控制中心進行多任務調度，確定優化配置空間資源要素，上報資源使用計劃；地面站網中心接收測控、數據任務，執行設備計劃，并上報態勢信息；控制中心依據優先級規則調度用戶終端對衛星操作控制指令；衛星控制中心或者衛星(根據任務配置等)實時響應用戶終端指令，對衛星載荷實時操作控制，并上報狀態；衛星執行任務，下傳載荷數據到地面站，或者將目標數據廣播分發給用戶終端；地面站網中心執行衛星控制指令，并接收衛星下傳數據，發送給應用處理中心；應用處理中心實時生成情報產品，推送給用戶終端和控制中心，并上報狀態；控制中心實時監視快響任務流程。

2)機動變軌流程:

在現有衛星不能滿足任務需求時，控制中心進行衛星機動變軌與組網后能力分析，根據任務支援需求，分析籌劃需要進行變軌的衛星以及目標軌道，以及變軌后任務需求滿足情況，確定機動變軌方案后，控制衛星控制中心進行衛星變軌指令生成，地面站網中心進行指令上注執行并接收遙測數據，衛星控制中心通過遙測數據監視變軌過程。變軌到位后，按照等級一的流程執行快響任務信息綜合保障。

3)應急發射補網流程:

在衛星變軌后仍不能滿足需求時，控制中心進行應急發射分析籌劃，分析需要發射的衛星載荷與平臺類型、型號、軌道、運載火箭型號、發射窗口、發射單位與發射場地等，安排衛星組裝、聯調、測試與發射等活動，若庫存沒有相應的衛星型號時，進行應急研制組裝、測試、運輸，制定應急發射補網方案。控制中心基于應急發射補網方案，調度存儲衛星與運載火箭運輸到發射場，控制快響發射系統與快響測控系統進行衛星與運載器快速集成聯調測試，進行新衛星發射與工程測控，調度地面系統進行新衛星管理、接收與處理等能力快速構建，然后組織進行星地在軌測試，測試合格后轉入等級一的流程執行快響任務信息綜合保障。

4)運用流程:

快響流程支持各類高時效性任務，使操作人員能夠從應用終端實時監控天基資源的使用情況。操作人員使用終端制定具體觀測任務，經控制中心任務仲裁后，直接由應用終端生成衛星控制指令和地面站接收計劃，由地面機動保障車上注衛星控制指令和調度地面站接收計劃，星上將觀測數據處理結果直接廣播至地面應用終端，保障遂行任務要求。

2.5 系統視圖

快響空間地面控制系統主要由以下部分構成：用戶終端、核心控制系統和信息服務系統。核心控制系統包含網信資源及管理系統、共用信息服務平臺以及快響任務規劃、調度和控制系統三部分，這三個部分共同支撐控制系統實現四個主要功能應用和服務，即態勢綜合系統、任務決策系統、任務控制系統、綜合保障系統。信息服務系統包括衛星控制中心信息服務系統、地面站網中心信息服務系統、應用處理中心信息服務系統、發射測控信息服務系統等，是實現快響任務規劃、調度和控制系統的重要功能載體。如圖4所示。

任務規劃、調度和控制系統是快響空間控制系統的重要部分，具備對各類衛星資源、接收資源、測控資源、快響發射資源等天地快響資源進行能力分析，支持點目標觀測、大區域覆蓋、海洋目標跟蹤監視、目標動態監視、運動目標監視、立體測繪類型任務規劃能力。任務規劃、調度和控制系統具備對多任務多用戶情況下對天地資源的自動化優化分配、資源沖突消解，以及天地裝備指令注入調度和控制功能。

任務規劃、調度和控制系統包含快響任務需求受理、快響任務協同籌劃、星地資源規劃分析、快響發射規劃分析、任務計劃生成、星地資源調度與控制、人員控制、終端用戶管理和任務仲裁管理等九個子系統。以下是對各個子系統的功能進行介紹。

快響任務需求受理子系統：負責接收各類用戶終端提交的快響需求和快響任務；

快響任務協同籌劃子系統：根據任務情況、天地資源對需求進行多方聯合籌劃分析，確定任務需求分級和需求解決初步方案；

圖4 快響空間地面控制系統系統視圖

星地資源規劃分析子系統：負責對各類衛星資源、接收資源、測控資源、快響發射資源等天地快響資源的分析和規劃，生成快響任務方案；

快響發射規劃分析子系統：根據快響任務方案或快響發射任務進行任務規劃，生成快響發射測控方案；

任務計劃生成子系統：根據快響任務方案或/和發射測控方案，生成衛星工程測控計劃、衛星業務測控計劃、有效載荷控制計劃、地面站接收和傳輸計劃，以及發射/測控計劃、保障計劃、應急處置計劃等；

人員控制子系統：下達任務指令，進行任務/裝備調度控制、綜合監視、關鍵事件告警、臨機情況處置、任務效果評估；

星地資源調度與控制子系統：依據任務計劃生成和調度分發指令，并上注衛星。調度和分發依據(元)任務優先級、時間序列和其它規則進行；

終端用戶管理子系統：審核終端用戶的注冊請求和配置使用權限、增強用戶跟蹤和接收來自多個衛星資源數據的能力；

任務仲裁管理子系統：將操作人員的請求、空間協調部門的請求，以及所有支持指令的請求進行優先級排序，并根據空間資源的可用性進行分配，對于沖突的需求按照任務執行規則自動裁決取舍。

任務規劃、調度和控制系統作為整個快響空間控制系統重要組成部分，提供了一個虛擬的快響空間任務中心，彌補了傳統航天控制系統在支持高時效性應用方面存在的不足以及任務準確性的需求。傳統航天任務控制系統通過獲取用戶的需求，進行復雜的任務規劃和任務優化，然后控制航天器及地面資源完成對用戶需求的響應，航天任務的管理控制過程及星地資源的使用對操作人員不透明，操作人員無法直接獲取當前航天器載荷及地面資源狀態，不能直接準確地體現操作人員的應用目的。

任務規劃、調度和控制系統在現有業務系統的基礎上，通過對功能的抽象構建服務，提供一種向終端用戶滿足高時效性應用的任務服務，將原有衛星地面系統的操作控制前移，由操作人員使用IP的方式獲取有效載荷狀態，結合需求動態地給有效載荷及地面資源分派任務，實施在軌衛星設備的控制，直接獲取衛星有效載荷數據。

任務規劃、調度和控制系統提供下述能力和特性：

1)用戶通過系統提供的服務或應用直接實現與在軌航天器和地面接收處理等資源的互通；

2)任何經過授權和認證的用戶可以直接通過安全網絡從系統獲取衛星應用服務；

3)能夠極大地提高衛星的使用效率和操作人員指令的執行效率；

4)使操作人員和數據用戶可以遠離地面站，衛星地面站接入安全互聯網之后，任務規劃、調度和控制系統就成了能夠協調用戶和衛星及地面資源之間聯系的控制單元；

5)能夠對每個用戶進行核實與授權；

6)建立平臺間安全的對話機制；

7)對用戶、任務和指令等的優先級競爭進行仲裁與控制；

8)進行任務規劃，并執行合理性指令測試；

9)在無人干預的情況下，將數據直接轉發給遠程用戶；

10)為可信任的傳感器數據遠程用戶提供訪問用的加密網關。

2.6 技術架構視圖

快響空間地面控制系統初步構建資源層、服務層和應用層三層開放式服務化的技術架構。如圖5所示。

資源層提供通信網絡、計算存儲、時空基準、安全保密、綜合管理、數據資源，以及傳感探測等資源要素，為系統提供安全可靠的信息傳輸、處理、存儲、應用等提供基礎支撐。

服務層對資源層進行虛擬化管理，形成以網絡為中心的服務運行管理調度平臺；提供資源管理、資源服務、系統集成服務、共性服務；聚合快響空間任務規劃、調度和控制核心應用，實現態勢綜合、任務決策、任務控制、綜合保障等基本功能。

應用層是基于資源層和服務層支撐，在各種應用場景下，通過對應用功能的靈活編排組合構建的應用系統，包括快響任務中心控制系統、天基信息支援控制系統、快響測控控制系統、應急發射控制系統和應用端系統等。

快響空間地面控制系統采用云平臺技術架構，依托資源管理系統，構建地面“控制云”，支持組網共享、按需服務的 “云+端”模式。衛星控制中心、地面站網中心、應用處理中心、發射測控中心等進行功能服務化封裝、云化構建，納入“控制云”體系。資源管理系統提供各級各類控制系統服務化、云化物質載體和系統構建工具，支持地面、地下、機動多種模式的快速轉換和體系容災抗毀，支持應用軟件在線版本升級和新研軟件的即插即用。

3 關鍵技術

3.1 星地任務協同規劃技術

1)快響空間多星協同任務規劃技術:

快響空間多星任務規劃涉及多部門、多衛星、多載荷的統籌分析、協同規劃與快速調整。通過分析天基地面資源的能力約束、快響任務需求特點以及多任務間的關聯關系，對各類天基資源以及地面控制、接收、測控、處理資源進行協同規劃，合理分配天地基資源，達到半自動化、自動化衛星控制、測控、接收、記錄、傳輸活動的任務調度和最大化任務完成率的目的。

采用層次任務網絡(hierarchical task network，HTN)與專家決策技術進行快響空間任務可行性分析、任務分解與資源需求分配方案。采用多Agent系統(multi-agent system，MAS)進行多部門分布式協作與資源協同規劃，將復雜任務分解為各資源可獨立完成的子任務，確定和分配快響空間任務需要的衛星資源、載荷資源、管理資源、測控資源、接收資源、應用處理資源等。

根據不同快響任務需求特征，分析各類任務規劃算法的適用性，分析不同資源分配策略，建立多策略資源分配模式；根據天基地面資源的能力約束特點，建立天基地面資源能力體系，設計并實現多星協同任務規劃算法。借鑒多智能體(Multi-Agent)協作技術中的合同網招投標機制，基于多Agent系統進行分布式多星協同任務規劃快速調整，多星之間通過合同網協商機制進行快響任務與資源協調[11]。

圖5 快響控制系統技術架構視圖

2)快速發射任務規劃技術:

快速發射任務規劃根據補網/組網需求進行應急發射的活動。發射規劃要求從全局統籌考慮所有星地資源情況，依據快響任務及組網需求分析任務衛星、發射運載、時間窗口、發射方式、發射流程安排、設施安排、行動路線、協同計劃、保障計劃、應急處置計劃和風險控制要求，確定快響火箭、組網/補網衛星、發射窗口、軌道根數、發射陣地等要素[12]。

根據快響任務需求特點，研究不同衛星快響發射任務協同優化模型，設計求解模型的多目標進化算法，研究并行規劃模型及算法，模擬不同方案的每次發射任務、每道工序的工作過程，結合算法尋找任務規劃的最優方案，研究仿真推演技術確定方案合理性與有效性。

3.2 高效調度與實時控制技術

快響空間任務在高時效性任務調度與控制過程中，要求系統盡可能采用“發現即跟蹤”的運行模式。系統常常被要求在盡可能短的時間內完成載荷實時控制指令生成及上注，地面控制系統應具備高時效、高可靠、高自動化特點。

常規觀測任務對衛星資源、載荷約束、數據接收資源，觀測目標(區域)選擇確定具有可預見性，任務安排具有周期性，方案制定具有很強的計劃性和穩定性。快響空間觀測任務往往具有應急特點，對目標實施緊急觀測。面向高時效性的快響任務保障需求，為減少星上指令調整頻次，采用滾動式動態任務管理模式，實現常規流程可由測控周期自動觸發調度，快響流程可由快響任務自動觸發調度。

高效調度與實時控制技術主要解決星地一體合理高效自動化調度，以及地面對載荷的實時控制。基于快響空間任務特點，通過對控制流程進行分析，梳理重要環節及其相互關聯，采用預置自動化判斷規則，規則庫中定義了星地一體控制的各種約束條件及調度流程的相關配置信息。對于固化規則和配置，可定義為模板，如指令模板，在進行指令編制時，可依據指令模板快速生成指令序列。針對控制流程可能隨業務變化的情況，引入工作流機制，將流程配置作為規則庫的一部分。

針對準確性和時效性的要求，采用智能化虛擬控制、測控技術，針對服務化封裝，云化遷移，建立面向用戶的虛擬任務中心，用戶通過地面終端及安全互聯技術直接操控和使用星上資源，業務人員通過后臺管理和配置星地資源。

3.3 資源優化分配技術

對快響空間資源統籌分配，就是根據衛星資源、數傳資源、測控資源的使用特點，按照一定的分配策略，對資源進行合理的高效分配。其問題可描述為：對多類型任務集合，依據多顆觀測衛星、可用數傳資源、測控資源各自的能力及約束條件，以協作方式將任務集合中的任務根據類型優化分配至觀測衛星時間窗口、數傳窗口、測控站測控窗口等資源，為觀測、數傳、測控規劃提供輸入。在協同分配過程中，任務分配以衛星資源的能力為依據，保證分配給每個觀測平臺的任務能夠完成；而數傳窗口的分配主要面向衛星，分配時以各個衛星的任務負載以及衛星與地面站的可見性為依據；測控資源的分配主要以滿足衛星觀測任務的測控需求，保證資源約束、時間約束、狀態約束、關系約束前提下完成測控資源的分配。

研究采用分布式異步協同機制確定觀測資源分配模式；研究采用測控任務綜合優先度概念，啟發式算法解決多星測控資源復雜組合優化分配問題；研究地面接收站網資源分配技術和中繼衛星系統資源分配技術解決多星數傳資源分配問題。

3.4 空/地接口標準化技術研究

針對快速響應作業，實現多星多站無縫互聯，設計基于國際空間數據系統咨詢委員會(consultative committee for space data systems，CCSDS)標準的快響空間地面控制系統空/地協議體系，兼容現行衛星接口規范，遵循我國國家軍用標準GJB1198.1-91《衛星測控和數據管理》標準。其協議體系中包含應用層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層和物理層，協議體系架構如圖6所示。

圖6 基于CCSDS框架的快響控制系統空/地協議體系架構

針對快響空間控制系統，為了提高信息在多星多站間異構網絡中靈活傳輸，高效交互衛星各類數據，首先要對信息傳輸進行層次化設計與規范，遵循協議框架標準， 基于可擴展標記語言的遙測遙控信息交換(XML telemetric and command exchange，XTCE)的快響互聯信息模型是貫穿從數據鏈路層到應用層的分層規范描述，研究XTCE標準，將其作為地面遙控、遙測、和數傳接口規范，并兼容現有傳統遙測遙控格式，作為高級在軌系統(advanced orbiting systems，AOS)協議補充；同時研究處于網絡層空間通信協議的空間分組協議SPP，根據特定路由策略與算法生成的路由信息，形成傳輸數據包；研究空間通信協議規范-傳輸協議(space communication protocol standard-transmission protocol，SCPS-TP)和CCSDS文件傳輸協議(CCSDS file delivery protocol，CFDP)，以向空間通信用戶提供端到端傳輸服務；在應用層提供面向應用與信息交換的快速響應信息預處理服務。

4 結束語

本文在探討快響空間地面控制系統時基于虛擬任務操作中心思想，研究快響空間地面控制系統的工作與信息流程及應用端使用模式，充分利用現有衛星、地面測控、運控、應用系統資源能力，突出多部門、多手段聯合觀測和快速反應，提高天基對地觀測作業精度，探索天基信息支援控制體制機制創新。

基于云服務框架構建快速響應空間任務應用的地面控制系統體系架構。按照以“云”聚合各類航天裝備資源，以“云”協同各級任務籌劃，以“云”貫通各類保障渠道的體系思想，構建一體化、分布式的快速響應空間地面控制“云”系統體系架構，基于網絡化和云平臺的構建，實現應用軟件的按需、靈活部署，支持應用端功能的快速遷移和靈活重構。結合天地安全互聯技術，用戶終端通過云端應用以服務的方式獲取使用資源，從而實現“一線操作人員所想即所得、直接操控衛星”。

在構建快響空間地面控制流程時，打破原有各部門各系統各自為政，獨立運轉的現狀，在實現各部門、各系統的互聯互通的基礎上，從頂層進行協調調度，實現航天對地觀測、快響發射、機動測控等統一調度，充分利用現有衛星資源和地面測運控、應用系統能力，進行實現多部門、多手段聯合協同和快速反應，提高天基空間快速響應能力。

在實現快響空間地面控制系統任務規劃、調度和控制功能實現途徑時，可采用微服務+容器架構對現有體制業務信息系統進行相關改造，以分布式服務為基礎，通過服務框架、中間件、消息通信實現服務的規范化。對微服務進行重新排列、組合成新應用，以容器的方式將應用快速發布上線。通過各類任務系統縱向的結構分層、橫向的功能拆分，實現同層的功能聚合，積累并形成標準規范，集中統一開發通用的和專用服務組件，通過按需定制、動態重組、靈活擴展、快速構建各類任務系統。