資源一號02D衛星信息系統總體設計

雷勇 王文平 張宏宇 范大亮 王建

(中國空間技術研究院遙感衛星總體部，北京 100094)

資源一號02D衛星(又稱為5米光學業務衛星)是一顆三軸穩定對地觀測光學遙感衛星，主推高光譜分辨率，定位于中等分辨率、大幅寬觀測和定量化遙感任務，向用戶提供豐富的地物光譜信息。衛星信息系統承擔了衛星遙測遙控、星務管理、定位定軌、衛星時間發布與維持、重要數據存儲與恢復、星務數據存儲與回放、自主健康管理、自主任務管理、載荷數據處理、存儲與傳輸、衛星狀態管理與系統維護等功能，其功能涉及數管、測控、數傳、固存、姿軌控等分系統。根據用戶在圖像質量、操控便利性以及在軌運行穩定性等方面的要求，信息系統在采用成熟技術的基礎上，重點在信息系統體系結構、信息流、好用易用以及健壯性等方面開展了針對性的設計。

資源一號02D衛星信息系統星地測控采用脈沖編碼調制(PCM)[1]遙控體制和高級在軌系統(AOS)遙測體制[2-3]，采用2×450 Mbit/s碼速率的星地載荷數據傳輸通道、雙圓極化復用的數傳體制，星上配置了2種速率等級的信息網絡，分別用于星務數據、載荷數據的傳輸，星上重要數據保存與恢復采用多地存儲、多優先級恢復、斷電不丟失、數據校驗等保護策略，星載自主任務管理采用面向用戶任務的操控接口，將經過抽象的各分系統操控子序列，在規則庫和解析模型的約束下實現了衛星系統級快記慢放、回放、記錄、定標以及單雙天線和多站接力等任務模式，此外還通過信息流優化、自主監控、關鍵軟件在軌重構等手段，有效提升了信息系統的健壯性。

本文首先介紹了信息系統的網絡體系結構、功能體系結構設計，重點對資源一號02D衛星的信息流設計、好用易用設計以及健壯性設計進行了詳細描述，此外還介紹了測試驗證以及在軌應用情況，并提出了發展建議。

1 信息系統體系結構

1.1 功能體系結構

信息系統主要完成星地測控通信與定軌定位、星務管理、衛星自主管理以及載荷數據處理傳輸等，信息系統功能體系結構如圖1所示[4]。測控通信功能分布于測控分系統，以測控應答機和導航接收機為核心設備完成星地測控通信、定位定軌、積分時間計算以及時間基準發布等功能。星務管理功能分布于數管分系統，以中央處理單元為核心，承擔著整星綜合管理控制、1553B通信網絡管理，整星遙測/遙控信息處理與調度、衛星時間維護與發布等功能。自主管理功能是衛星好用易用以及在軌穩定運行的關鍵，包括自主任務管理和自主健康管理兩部分[5]，衛星自主管理采用分層分布式體系結構，系統級管理由中央處理單元承擔，各分系統負責各分系統級自主管理任務。載荷數據處理傳輸分布于數傳分系統，主要完成對載荷數據的壓縮、AOS格式編排、信道編碼與調制、存儲與回放、天線跟蹤控制以及對地傳輸等功能。

圖1 信息系統功能體系Fig.1 Information system function architecture

1.2 網絡體系結構

根據資源一號02D衛星各類型信息的數據量、傳輸頻率、延遲等需求，信息系統構建了兩種不同速率的分布式信息網絡[6-7]。低速信息網絡以1553B總線作為媒介，主要用于傳輸星載設備之間的遙測遙控信息、注入數據以及設備/部件測量輸出數據、系統控制信息等，是星務信息、系統綜合控制信息、遙控遙測信息傳輸、交換的主干網絡。高速信息網絡以LVDS、TLK2711總線作為媒介，LVDS總線用于數據存儲與處理單元和數傳分系統間以及數傳分系統內部設備間的數據傳遞，TLK2711總線用于可見近紅外相機、高光譜相機與數傳分系統間的數據傳遞。衛星信息網絡體系結構如圖2所示。

圖2 信息系統網絡體系Fig.2 Information system net architecture

2 信息系統總體設計

2.1 信息流設計

2.1.1 星務信息流設計

星務信息流以數管分系統中央處理單元為控制和調度的中心，通過1553B總線網絡完成與各分系統終端之間的信息調度與共享。星務信息流包括星務數據存儲信息流、時間流、天線控制數據流、輔助數據流、上行遙控流以及下行遙測流等，不同類別信息流所涉及的終端、信息傳輸途徑以及傳輸內容等均有所不同。下面以星務數據存儲與分發流和重要數據流為例說明資源一號02D衛星的信息流設計。

1)星務數據存儲與分發流

中央處理單元是整星星務數據處理與調度的中心，但存在存儲空間小以及復位后存儲數據丟失的風險，因此資源一號02D衛星配置了數據存儲與處理單元(DRP)用于存儲和分發整星全時星務數據，提供多種靈活的查詢功能，并可從測控和數傳通道進行回放，信息流設計如圖3所示。

圖3 星務數據存儲流圖Fig.3 Housekeeping data storage flow

DRP從中央處理單元接收整星全時星務數據，按源包和時間順序存儲，DRP對其內部存儲數據提供RS編碼保護，測控通道回放模式下提供了4種源包檢索方式，數傳通道回放模式下提供了2種回放方式，如圖4所示。測控通道回放主要用于快速查詢指定時間段內的指定數據源包以及在整星能源緊張、數傳通道使用受限的情況下緊急回放指定數據。數傳通道回放主要用于快速高效回放全部存儲數據，是在軌應用的主要模式。此外為了快速獲取整軌圖像對應的輔助數據，在每次成像結束前使用回溯回放模式將DRP中存儲的當前圈次整軌圖像輔助數據與圖像數據一起下傳至地面或存儲至載荷數據固態存儲器，該設計有效提升了圖像數據的處理效率和輔助數據的處理精度。

圖4 DRP數據回放檢索模式說明Fig.4 Data playback and query mode of DRP

2)重要數據流

為確保衛星的關鍵狀態在衛星出現異常復位、重啟時及時恢復到異常前的狀態，需要將衛星姿軌控、系統配置、能源等關鍵參數作為重要數據在多個計算機或存儲設備中進行可靠保存，同時需要設計可靠的保存和恢復策略，確保重要數據可被及時、正確保存，在需要時能可靠、正確恢復，重要數據流設計如圖5所示。

圖5 重要數據流圖Fig.5 Important data flow

2.1.2 載荷信息流設計

衛星配置了兩臺光學載荷，分別為可見近紅外相機和高光譜相機，載荷對地數傳通道碼速率為2×450 Mbits/s。載荷信息流處理過程包括載荷數據壓縮、AOS格式編排、存儲/回放、信道編碼與調制以及對地傳輸。數據處理器是載荷系統數據實傳、記錄、回放、邊記邊放、服務數據傳輸等模式切換和數據流調度的中心，載荷信息流設計如圖6所示。

圖6 衛星載荷數據流圖Fig.6 Payload data flow

2.2 自主任務管理設計

2.2.1 任務管理體系結構

衛星用戶越來越重視在軌好用易用性，為了方便用戶使用、提升衛星使用效率，資源一號02D衛星在易用性方面采用了面向用戶的自主任務管理方案，向用戶提供了靈活高效的操控接口，屏蔽了衛星內部設計，用戶只需要注入任務所需的參數衛星即可完成任務解析和執行，大大提升了衛星操控性和使用效率[8]。衛星自主任務管理設計需要考慮用戶使用要求、大系統配置狀態、衛星系統指標與能力邊界、各分系統功能性能、使用時序等約束規則。自主任務管理采用分層、分布式的體系結構設計，共分為四個層次，頂層為用戶接口層，第二層為衛星系統任務層，第三層為子任務層，最低層為執行層，如圖7所示。

頂層為用戶接口層，是星上自主任務管理系統與衛星用戶操控的接口，是星上自主任務管理系統的輸入，接口內容包括與衛星任務直接相關的模式、成像參數、數據傳輸要求、成像時間等。

第二層為衛星系統任務層，該層主要完成對用戶任務的合法性、安全性檢查和任務解析，根據用戶要求以及系統配置庫將用戶任務解析并生成子任務序列發送至子任務層，衛星系統任務層由數管分系統中央處理單元完成。

第三層為子任務層，該層主要由各分系統控制單元完成對子任務的解析和執行，并確保子任務執行的安全，對于不具備子任務執行能力的分系統，由中央處理單元完成對子任務的執行。

最低層為執行層，即根據子任務層要求，將子任務分解出的單條指令按照特定時序動作，本層由各個任務相關的設備執行。

2.2.2 子任務設計

依據衛星系統模式、各分系統工作模式、操控序列以及時序要求，從便于系統級調用、復用和操控簡便等角度考慮，經綜合優化后形成了6類共35種子任務序列，圖7中子任務層對應的所有子任務序列如表1所示。各子任務序列內規定了操作指令、時序以及執行條件等。

表1 子任務序列Table 1 Sub-mission command sequences

2.2.3 任務模式設計

根據衛星系統配置以及用戶使用要求，并考慮衛星使用效率，針對成像實傳、快記慢放、記錄、回放、服務數據傳輸等常規使用需求，設計了11種具體應用模式，如表2所示。用戶使用時，無需關心具體載荷或部件開關機的指令序列及時序等信息，僅需上注每次任務相關的地面站選擇、天線選擇、工作模式、固存使用信息、載荷成像參數以及回放信息、姿態機動信息等內容，顯著地改善了用戶使用體驗，同時提升了衛星使用效能。

表2 衛星應用模式Table 2 Satellite operation modes

2.3 自主健康管理設計

自主健康管理主要負責衛星健康狀態的監視、診斷、處置和恢復，是衛星在軌穩定運行的關鍵。系統級健康管理任務由中央處理單元承擔，主要完成健康信息采集、調度、綜合各分系統健康信息，并發布系統健康狀態或診斷、處置信息等。中央處理單元還負責按照特定的數據調度策略向地面控制中心報告衛星健康狀態，確保地面可及時、全面、準確的了解衛星健康狀態[9]。衛星配置了數據存儲與處理單元用于存儲衛星全時原始遙測數據、各分系統生成的健康數據、系統故障數據、故障診斷信息庫、系統配置狀態等，需要時地面可進行靈活查詢和回放，獲取關心的健康數據。

衛星除在部件、單機、分系統級采取了相應的健康管理措施外，也設計了若干系統級健康管理策略，如表3所示。系統級健康管理策略主要包括：系統監控類策略、載荷任務安全策略、能源安全策略、安全模式策略、系統狀態恢復策略、系統重配置策略等[10]。

表3 系統級健康管理策略Table 3 System health management strategy

3 測試驗證與在軌應用

在衛星研制過程中，針對信息系統開展了軟件、單機、分系統、分系統間聯試以及衛星系統級等測試驗證工作。除進行了常規的功能性能測試外，還專題開展了成像鏈路測試、重要數據保存與恢復測試、時統性能測試、自主任務管理測試、自主健康管理測試等項目。研制過程測試驗證矩陣如表4所示。

表4 信息系統相關測試驗證矩陣Table 4 Information system test matrix

資源一號02D衛星于2019年9月在太原衛星發射中心成功發射，目前在軌已完成了信息系統各項功能性能的測試和驗證，經飛行測試驗證以及定期對全時遙測數據下傳及健康評估表明，信息系統功能完備、性能符合任務要求。衛星入軌已來，執行用戶任務連續，自主健康管理各項設計措施運行有效；自主任務管理給用戶操控、使用衛星帶來了極大的便利，在任務接收與執行、載荷數據多站接力傳輸、整軌輔助數據獲取以及載荷工作模式切換等方面的性能與靈活性大幅提升，用戶體驗良好。

4 結束語

本文設計的資源一號02D衛星信息系統具有技術狀態成熟、體系結構開放、自主管理能力完備以及好用易用等特點。隨著星載電子技術和軟件技術的不斷進步，信息系統的水平將直接決定衛星的使用效能和向用戶提供服務的能力，尤其是星上自主任務規劃和自主健康管理更是直接關系到衛星的好用易用以及在軌運行的健壯性和穩定性，因此不斷提升衛星的自主任務規劃和自主健康管理能力是未來的重點研究和發展方向。此外，隨著衛星種類數量的增多、載荷數據量的不斷增大、用戶對獲取衛星觀測數據的時效性要求不斷提高，研究星上實時數據處理、星間、星地多渠道信息分發與互聯互通也將是未來的發展與研究熱點。