高分多模衛星星地任務管理方案設計與驗證

于龍江 汪精華 趙思陽 朱劍冰 劉明亮

(1 中國空間技術研究院遙感衛星總體部，北京 100094) (2 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)(3 中國資源衛星應用中心，北京 100094)

高分多模衛星是我國“十二五”期間全新一代中型敏捷遙感衛星公用平臺的首發星，是一顆典型的敏捷高分辨率光學成像衛星。衛星在設計之初，充分繼承并利用中型敏捷遙感衛星公用平臺基礎，面向應用需求設計了姿態機動速度達到25°/20 s和40°/25 s的快速姿態機動并穩定能力，以及同軌區域拼幅[1]、同軌多角度成像、同軌立體成像、主動推掃“動中成像”[2-3]等豐富的敏捷成像模式。同時，為滿足遙感圖像數據的快速回傳要求，配置了多種傳輸手段，包括X頻段極化復用對地數傳系統、Ka頻段中繼數傳系統及激光中繼數傳系統。

豐富、靈活的工作模式為衛星設計和應用帶來了新的挑戰，主要包括：成像與數傳工作模式調動的星上設備操作多且復雜；面向具體應用的模式組合變化多，任務間的時間沖突和資源沖突需要規避；衛星單軌和1天內可執行任務數量大幅增加，對任務上注過程帶來很大壓力。這些問題不解決，將可能導致衛星雖然有單個的敏捷成像模式，但不易組合、不便使用，甚至由于地面操作的繁瑣、對衛星安全性的過度保護，而不能充分發揮衛星能力。面對上述問題，文獻[4]和文獻[5]先后對法國敏捷光學成像衛星“昴宿星”(Pleiades)開展了日常任務規劃與調度算法研究，成果應用于地面任務規劃系統建設與應用；文獻[6-8]中進一步發展了多種類型的任務規劃算法。在國內，文獻[9-10]中對小型敏捷衛星的任務規劃系統、任務操控模式進行了研究，提出了基于星上資源模型的地面任務規劃系統、基于星上指令解譯的地面任務上注方案，并提出了用戶只需要上注觀測目標的地理位置和時間、由衛星自主完成任務操控的技術發展設想。

高分多模衛星在設計與研制過程中，借鑒國內外任務規劃與管理技術發展經驗，歸納整理了星地任務管理層次化邏輯架構，明確了衛星自主任務管理等級和星地任務接口形式，開發了對應的地面任務規劃軟件、星上自主任務管理軟件，星地結合實現了復雜工作模式的靈活、高效應用。本文對高分多模衛星的星地任務管理方案設計要點、驗證情況與應用效能進行了總結和介紹。

1 任務管理特點與需求分析

遙感衛星星地任務管理包括任務規劃與任務執行2個環節。任務規劃是指在綜合考慮觀測任務需求和衛星能力的基礎上，將衛星資源分配給相互競爭的多個任務需求，確定任務所對應參數，排除任務間資源使用沖突，以最大程度滿足用戶需求的活動。任務規劃的輸出是衛星待執行的任務序列，即“衛星要做什么”。任務執行是指衛星接收到任務序列(或由其衍生的指令序列、任務表單等)信息后，解析并執行相應動作、從而完成任務序列中各個任務的活動；也包括衛星對任務是否可被執行、任務是否已被正確執行的信息整理和反饋活動。任務執行的輸出是衛星將執行的具體動作序列，即“衛星要怎么做”。

高分多模衛星的任務管理相比傳統遙感衛星具有以下特點。

(1)需要處理的成像需求更加靈活多樣。衛星成像模式豐富，用戶也會提出多樣化和精細化的觀測需求。觀測需求要素包括目標地理信息、觀測時效、圖像品質、成像模式、緊急程度等。在多用戶共同使用衛星的情況下，各類觀測需求數量很大、類型龐雜，為任務規劃過程帶來挑戰。

(2)任務規劃技術更為復雜，精細化程度要求更高。衛星執行單次成像任務的方式非常靈活，前后相鄰成像的間隔可以非常短。規劃求解空間很大，但姿態路徑規劃復雜度提高，任務時序優化過程也更加復雜。因此，需要任務規劃系統對衛星能力充分了解，也需要進行精確的約束檢查后方可執行。約束檢查工作如果只在地面開展，將存在一定風險，因此期望衛星上也能自主開展。

(3)衛星工作過程指令數據量大，需要星上自主任務管理能力增強。高分多模衛星相比傳統遙感衛星，單位時間可執行的任務數量大幅提高。同時，主動推掃模式過程中和不同模式之間的切換過程中，衛星的姿態規劃曲線需要用密集的數據點來描述。若采用傳統的地面指令編排方式，將難以在有限的測控弧段內滿足復雜任務上注的需求。因此，必須改變當前以指令序列為星地任務接口的方式，提高衛星對復雜工作模式的自主管理能力。

綜上，高分多模衛星的任務管理，其難點既體現在任務規劃和任務執行兩部分工作各自的復雜程度，也包括如何將兩部分工作合理分配給地面和衛星，從而實現操作簡易度與工程難度之間的平衡。為此，本文提出了高分多模衛星星地任務管理方案設計，包括任務管理的分層架構和星上自主任務管理等級設計，以及地面段任務管理方案設計和星上自主任務管理方案設計。

2 任務管理分層架構設計

2.1 衛星任務分層描述方式

為了解決從地面到衛星的全鏈路任務管理難點，需要對“任務”這一籠統的概念進行精確的解構和定義，將各個環節的工作內容、接口界面及相互關系表述清楚。按照由頂層到底層、由需求到實現的方式，將觀測任務分解為5個層面，分別為：目標層、需求/任務層、元任務/條帶層、動作層、指令層。參考觀測任務的分層方式，可以類比設計出數據回傳任務的分層方式。由此，得到高分多模衛星任務分層結構如圖1所示，每層的信息有其自身特點和對應的描述方式。采用任務分層設計理念，可以為地面及衛星任務管理提供良好設計框架。

圖1 任務分層描述方式Fig.1 Hierarchical description of task

(1)目標：指用戶提出的地表觀測對象，具有特定幾何位置、形狀、尺寸描述。觀測目標形式和內容可能非常多樣，尺度范圍跨度也可能很大，例如小到某個建筑、大到某座城市。概括來說，觀測目標可以分為點目標、區域目標和長條帶目標3種，如圖2所示。點目標是指衛星一次條帶成像可以完全覆蓋的目標，對應為地面上的一個小區域，采用中心點的經緯度坐標來描述。區域目標是指需要多個觀測條帶才能覆蓋的面積較大的區域，目標邊界由一系列首尾相連的點組成。長條帶目標是指諸如邊境線、海岸帶等具有不規則形狀的線形目標，由一系列中心點組成。

圖2 不同類型觀測目標示例Fig.2 Examples of different types of observation targets

(2)需求/任務：指用戶在目標的基礎上所提出的成像具體需求，包含成像模式(單視角、多視角、立體、主動等)、像質要求(分辨率等)、云量要求、時效性要求等。觀測需求通常也稱為觀測任務。成像需求/數傳需求是高分多模衛星任務規劃系統的直接輸入。任務規劃系統設計時，需要盡量細致地刻畫、描述需求的各個細節，定義需求的屬性參數。成像需求(任務)的描述包括地理要求、時效要求、圖像要求3個方面。地理要求包括目標類型及其具體位置、形狀、尺寸描述；時效要求為完成成像的期限，對于不同緊急程度的成像任務，可以賦予不同級別的優先級；圖像要求代表用戶對圖像質量的要求，包括成像模式/觀測角度要求、分辨率要求、云量要求、像質綜合要求等。數傳需求(任務)的描述包括數據回傳的期限要求、地面站/中繼衛星要求等。某些用戶會要求將特定的成像數據在特定時間段內傳輸至指定地面站，以方便接收和處理。

(3)元任務/條帶：成像元任務是衛星一次成像過程可以完成的觀測活動，是衛星可以執行的最小成像任務，圖3展示了衛星一次對地成像的觀測幾何及相關參數;回放元任務是衛星一次回放過程可以完成的任務。高分多模衛星工作模式多樣且組合應用方式復雜。在成像模式中，既有衛星姿態在軌道坐標系基本固定的被動推掃成像模式，也有衛星姿態在軌道坐標系“動中成像”的主動推掃成像模式。在回放模式中，既有單站回放、多站接力回放、邊記邊放等對地回放模式，也有星體姿態機動結合中繼天線指向中繼通信衛星的中繼回放模式、激光通信試驗模式。衛星的數據回放可能發生在成像之前、成像之后，甚至跨越一個或數個成像過程。基于上述考慮，提取各個模式的共性要素，設計成像元任務、回放元任務，使兩類元任務可以分別獨立執行，提高衛星執行任務的靈活性。高分多模衛星設計了5種具體的成像元任務，包括被動推掃成像元任務(指定目標條帶位置、指定成像時星體姿態)、主動推掃成像元任務(勻地速、勻角速度、勻積分時間)。每種成像元任務的數據格式完全相同，包含任務圈編號、元任務序號、優先級、成像元任務類型、起始/結束成像時刻、起始點的經度/緯度(或起始點滾動角/俯仰角)、結束點的經度/緯度、成像參數等內容，實現對該成像元任務在時間、位置、姿態方面的全部限定。在回放元任務的數據格式中，包含任務圈編號、元任務序號、優先級、開始/結束傳輸時間、天線標志、天線控制模式、星體姿態、地面站標志、數據傳輸模式、傳輸數據數量/清單等內容，實現對該回放任務在時間、地面站、傳輸模式/內容等方面的全部限定。

注：t0和t1分別為成像起始時刻和結束時刻；PT,0和PT,1分別為成像條帶起點位置和終點位置；PS,0和PS,1分別為成像起始時刻和結束時刻的衛星位置。圖3 衛星對地觀測幾何示意Fig.3 Satellite earth observation geometry

(4)動作：指衛星某個分系統、單機或功能模塊完成的一次具體操作，包含時間信息，并按照時間排列。例如：光學相機的開機動作、成像動作、關機動作；數傳分系統的加電動作、基帶開機動作、數據記錄動作、通道開機動作、數據傳輸動作。

(5)指令：是驅動動作執行的具體模擬或數字信號，通常由衛星的一級信息管理設備或二級信息管理設備發出。

2.2 星上任務管理自主程度等級

從衛星設計的角度來說，重點關注的是星上任務管理的自主性達到什么程度，需要在使用效果和工程難度之間進行平衡。基于任務分層框架，梳理常見的遙感衛星任務管理設計理念和方法，定義任務管理的自主程度等級，并明確高分多模衛星采用哪種程度的自主任務管理。

遙感衛星自主任務管理等級由低到高可以分為以下5種，5個層次對應的技術特征如表1所示。

表1 衛星自主任務管理能力分層及特征Table 1 Stratification and characteristics of satellite autonomous task management capability

等級1：傳統的地面規劃與指令上注模式，從任務規劃到指令編排全部在地面完成，并在衛星過境時通過測控鏈路上注到衛星上。指令上注后，衛星上無法修改，全部執行。

等級2：地面完成任務規劃，并將規劃得到的衛星動作采用腳本語言進行描述，由星載計算機將衛星動作腳本解釋為指令并執行。這種方式能夠使衛星具備一些簡單的自主能力，包括根據當前狀態調整指令的某些參數或者根據事件觸發指令序列等，從而在一定程度上減少地面運行管理的負擔。

等級3：地面任務規劃解決目標分解、時序優化、沖突取舍等計算量較大、過程較為復雜的問題，并將規劃結果的主要要素(例如元任務)上注到衛星上，星載計算機在無需考慮時序、資源沖突的情況下，對接收的規劃結果進行解析計算、自主執行。

等級4：地面針對選定目標，設定觀測需求并上傳到衛星上。星載計算機根據衛星狀態和觀測需求的綜合情況，進行成像過程具體規劃、檢查，然后生成動作和指令并執行。衛星上可以自主消解執行過程中的沖突，盡量合理、高效完成觀測需求。

等級5：地面僅提供目標信息，星載計算機完成從需求設定、任務規劃到指令編排的全過程。衛星上具有很高的計算能力和智能性，甚至可以自主生成一些觀測需求，從而實現對衛星能力、成像時機和條件的最佳利用。

當前，世界上主要發達國家及我國的遙感衛星自主任務管理發展程度均大致處于2級、3級的水平。高分多模衛星在研制初期即確定了以3級程度的自主任務管理為主要業務運行模式，并開展4級程度的自主任務管理在軌試驗，以此為指導，開展地面、衛星上的任務規劃與任務執行方案設計，并完成地面驗證與在軌應用。

3 地面段任務管理方案設計

高分多模衛星星地任務系統總體組成和信息接口，如圖4所示。其中，各個用戶構成了衛星的應用系統，地面任務管理中心、數據處理中心、接收系統共同構成衛星的地面系統，位于國內外的測控站及中繼衛星共同構成衛星的測控系統。

圖4 高分多模衛星星地任務系統總體組成Fig.4 Ground-to-satellite task system composition of GFDM-1 satellite

地面任務管理中心負責收集來自多源用戶的觀測需求并進行需求統籌、分解，以1天為周期、按圈次進行任務規劃，生成元任務序列，具體流程如下。

(1)對觀測需求進行預處理，將區域、長條帶目標按一定規則拆分為條帶；對每個條帶進行成像工作模式選擇和成像圈次分配；對一軌內的條帶序列進行時序規劃，得到初步的成像元任務序列。

(2)根據地面站或中繼衛星的可用時段，添加數據回放元任務。

(3)考慮衛星資源能力，對元任務序列可行性進行檢查，對衛星的電源、存儲資源等變化情況進行計算檢查，并結合氣象條件等計算各個成像元任務的成像質量。

(4)依據檢查分析結果，對元任務序列進行優化調整和最終確認，形成各個圈次的元任務序列。

(5)將元任務序列通過測控網上傳至衛星，同時制定地面接收系統的工作計劃并發送給地面接收系統。

上述規劃流程主要依靠高分多模衛星地面任務規劃軟件實現，其組成如圖5所示。其中：目標管理模塊用于設定用戶所需的點、區域和長條帶目標；需求管理模塊用于對成像目標賦予成像要求，包括成像模式、成像角度、時效性、重要程度、圖像質量要求(分辨率、光照、云量)等；任務處理與規劃模塊集成了任務時序尋優、成像過程姿態規劃、切換過程姿態規劃、積分時間計算等核心規劃算法，用于圈次分配、條帶分解、條帶排序、成像任務規劃、回放任務規劃等過程，是衛星敏捷成像能力充分發揮的關鍵；任務復核模塊用于對元任務規劃結果進行能量平衡、數據平衡、成像質量的復算，檢查任務時序的正確性和約束條件的滿足性；元任務編輯管理模塊將最終的元任務序列編輯、轉換為衛星能夠識別的數據格式，并進行碼字正確性的復核檢查。地面任務管理中心可以每天1次或數次上傳規劃好的元任務序列。衛星在每個軌道周期的任務圈開始前，對一軌內的元任務進行解析，生成各個分系統可以執行的動作序列和指令序列，并按時序完成相應操作，實現各類敏捷成像工作模式。同時，地面任務管理中心還可以根據衛星能力約束，隨時提前幾分鐘安排應急任務，將新的元任務序列上傳給衛星，并啟動任務重置機制，以控制衛星在當圈執行新的元任務序列。

圖5 高分多模衛星任務規劃軟件系統組成Fig.5 Composition of GFDM-1 satellite task planning software system

4 星上自主任務管理方案設計

高分多模衛星能夠根據收到的元任務序列，自主完成任務執行全過程的姿態規劃，以及對于相機、數傳等分系統動作的規劃，將元任務信息自主轉換為連續的動作序列和指令序列，自動執行并對執行過程進行監控。

由表2可得出：在陰極極化條件下，該材料——介質體系在自腐蝕電壓（-658mV）的電位下斷裂壽命最長，其應力腐蝕敏感性最小、抗拉強度最大、應變量也最大。在比自腐蝕電壓更正的-1 300、-1 000mV的電位下，也能激發10＃鋼的應力腐蝕開裂。

地面上注元任務數量增多和模式復雜性提高，可能對衛星的在軌運行帶來安全性影響。盡管這種影響是地面要確保消除的，但仍然希望衛星具有自主任務檢查與自我保護能力。衛星在執行任務前，能夠根據任務數量、時序等約束限制，對元任務序列進行可行性分析、檢查和確認，避免任務執行過程違反衛星使用限制，確保衛星安全。

(1)元任務的上注與刪除。地面可以在任何時段向衛星上注元任務；但對于下一個任務圈的元任務，應當在該任務圈開始前10 min完成上注。同時，地面也可以在任務圈開始時刻10 min之前，通過指令刪除未開始的任務圈的元任務，方式包括：刪除指定元任務、刪除指定任務圈的所有元任務、刪除所有元任務。在任務圈開始后，地面可以刪除當圈所有元任務，并上注新的元任務。

(2)元任務合法性檢查。在任何情況里，元任務上注后，衛星都立刻對該元任務進行“合法性檢查”(由數管分系統負責)，即對元任務序列是否有明顯問題進行檢查，以及對明顯上注有誤的元任務進行剔除。

(3)元任務預處理。在任務圈開始前啟動(由數管分系統負責)，主要工作內容包括：提取當圈元任務、生成元任務序列表；對當圈元任務的時序關系進行檢查；對當圈元任務的次數、累計時長等進行檢查。

(4)動作規劃與指令生成。數管分系統在完成元任務預處理之后，進行動作規劃與指令生成。這一過程主要是一系列的映射、展開和邏輯操作。

(5)當圈元任務的處理。為了應對緊急任務，允許用戶隨時刪除當圈元任務并注入當圈新的元任務，處理方式為：地面上注元任務重置開始指令，數管分系統刪掉本圈內全部元任務；在此情況下，地面可以重新注入包括應急任務在內的本圈全部新的元任務(需要確保提前至少5 min)；地面上注元任務重置結束指令，數管分系統重新進行本圈元任務的解析和執行。

(6)執行過程異常情況的處理。如果整星發生異常，包括姿態機動過程異常、電源異常等，衛星終止執行當前的元任務，并刪除本圈所有未執行的元任務。

5 任務管理應用效能分析

5.1 地面研制階段效能分析

圖6 高分多模衛星任務規劃仿真系統應用Fig.6 Application of GFDM-1 satellite task planning simulation system

衛星研制團隊完成了星上自主任務管理軟件的設計開發，結合任務規劃仿真系統編排生成的各種測試工況和用例，對衛星在軌執行各類任務的正確性進行充分驗證。

工況1：衛星一軌內連續執行35次點目標成像，任務規劃結果如圖7和圖8所示。可見，衛星在緯度跨度40°的范圍里，即可完成35次點目標成像。該工況通過了電測確認，全過程執行正常。

圖8 衛星全過程姿態角(工況1)Fig.8 Satellite attitude angle (example 1)

工況2：衛星一軌內進行各種成像模式的組合測試，包括多點目標成像、區域拼幅、多角度成像、立體成像和連續的非沿跡主動推掃等，任務規劃結果如圖9和圖10所示。經測試，各種成像模式都能正確執行，全過程的執行結果與規劃預期一致。

圖10 衛星全過程姿態角(工況2)Fig.10 Satellite attitude angle (example 2)

在地面對衛星的全部工作模式、工作能力進行了充分測試和驗證，保證了衛星入軌后即能投入使用，研制與應用無縫銜接。

注：淺綠色曲線代表衛星的星下點軌跡；紅色曲線代表衛星的攝影點軌跡；藍色曲線代表衛星成像條帶。圖7 衛星全過程地面軌跡(工況1)Fig.7 Satellite ground trajectory (example 1)

注：淺綠色曲線代表衛星的星下點軌跡，紅色曲線代表衛星的攝影點軌跡，藍色曲線代表衛星成像條帶。圖9 衛星全過程地面軌跡(工況2)Fig.9 Satellite ground trajectory (example 2)

5.2 在軌飛行階段效能分析

高分多模衛星在發射入軌后的飛控期間，迅速開展了成像和回放的功能與模式測試。通過地面任務規劃和衛星自主任務執行，在5天的成像與回放任務測試階段共成像277次(見表2)、回放55次。所有任務全部順利、正確執行，充分驗證了衛星的工作模式及星地任務體系運行過程的正確性。

表2 高分多模衛星飛控期間成像任務統計Table 2 GFDM-1 satellite imaging task statistics during flight control period

高分多模衛星在軌飛行期間，各類成像模式可以靈活使用，包括“動中成像”的主動推掃成像模式、同一目標連續12個角度的多視角成像模式、區域目標的連續6次拼幅成像模式等，均可以靈活組合使用，在軌典型成像模式獲取圖像如圖11所示；衛星一軌內能夠成像35次，相比以往的大中型低軌遙感衛星提高5倍以上；極大提升了衛星的有效成圖效率，提高了衛星的應用價值。

6 結束語

高分多模衛星的星地任務系統由地面部分和衛星部分共同組成，兩部分協調配合完成衛星任務的規劃、傳遞、執行及數據的交互工作。為解決任務數量增多、模式復雜度提高等對衛星任務系統帶來的難題，研究提出了層次化的星地任務分層架構、星地任務接口的形式和內容。用戶進行目標的選取、需求的制定；地面系統采用任務規劃軟件進行元任務的規劃編排并上注衛星；衛星自主完成元任務執行工作，包括元任務解析、約束檢查、動作規劃與指令編排等，并對任務執行過程進行監視。高分多模衛星通過星地任務管理方案的設計與驗證，提高了任務上注效率、執行效率，一軌可實現35次成像，相比以往大中型遙感衛星提高至少5倍；可實現多點目標、區域拼幅、主動推掃、立體、多角度等成像模式的任意靈活組合使用，大幅提高了衛星使用的靈活性、有效圖像的獲取效率和衛星的應用價值。