遙感衛星任務規劃系統設計

馮志強 何 濤 朱永生 胡海鷹 鄭珍珍

上海微小衛星工程中心，上海 201203

0 引言

空間遙感致力于提供實時的全空域全譜態勢感知，為空間部署和攻防對抗提供必要的信息支援，在國家空間控制和空間作戰能力體系中具有基礎性作用[1]。與地基觀測相比，天基觀測不受地球大氣和固定布站的限制，可在目標特征獲取和觀測覆蓋性等方面發揮較大優勢。空間遙感衛星一般是對太空環境中的人造航天器進行監視[2]，其探測手段是采用可見光相機等載荷進行長距離探測，且具備長時間連續監測的能力[3]，可獲取目標的幾何特征、無線電特征，實現對目標測定軌[4-6]。

衛星地面應用系統是以衛星應用需求為牽引，以發揮系統應用效益為中心，以智能化運行管理和體系完備性建設為重點，創新協同應用模式，構建結構合理、功能完備、運行高效、服務可靠的地面應用系統，提升系統運行管理和應用服務能力[7]。衛星任務規劃是地面應用系統中的基礎，隨著空間技術不斷發展，在資源與約束不變的前提下，隨著衛星數量的不斷增加、載荷升級帶來的新的約束與更高的應用目標導致有效信息獲取率不高、系統整體資源利用率下降、應急任務規劃工作更復雜等新的矛盾[8], 為更好地適應新的應用環境并滿足不同用戶的需求，需要設計自主衛星任務規劃系統，基于對衛星需求分析，整理衛星應用場景、主要模塊和關鍵技術，解決實際衛星應用中遇到的問題[9]。

目前國內外也有許多關于衛星任務規劃策略和算法的相關研究，如文獻[10]為EO-1設計的星載任務規劃軟件CASPER，可以根據實際情況改變規劃目標，并根據當前目標調整任務規劃方案[11]，但針對特定衛星任務，不具有普適性。文獻[12]立足于對地觀測衛星任務規劃技術的工程應用，闡述和分析了應急衛星任務規劃、多系統協同任務規劃等規劃技術,文獻[13-14]分析對地遙感任務中對目標區域覆蓋模型及優化算法，提高測繪效能，均只適用于對地遙感任務。文獻[15]提出了一種面向在軌實時引導成像的多星自主任務規劃方法，實現將多目標向多星系統的分配，增加臨機調整策略后，可實時通過用高收益目標替代低收益目標的方式提高整個規劃方案的成像收益。文獻[16]針對航天器交會任務給出了一種交會任務中特征點和Lambert多脈沖聯合的控制方法。

以上研究是針對衛星特定應用，設計了對應規劃策略及優化算法提高性能，未涉及太空目標監視衛星任務規劃系統設計。本文以某遙感衛星為例，討論了衛星任務規劃系統設計方法，該系統不是基于常規STK和MATLAB的可見性分析平臺[17]，滿足國產化要求，自動分析衛星對太空目標監視的任務機會、計算任務參數、完成多任務沖突消解及任務編排，為衛星在軌應用提供保障。具有時效性好、穩定性高等優點。

1 系統功能

空間遙感衛星需求規劃系統是保障衛星用戶業務常態化、自動化運行的核心組成部分。主要功能包括觀測任務需求分析、在軌維護需求分析、需求計劃管理。

觀測任務需求分析：接收解析觀測任務需求，分析計算對太空目標監視的任務機會，任務參數、輸出可見目標詳情。

在軌維護任務需求分析：接收解析衛星在軌維護任務需求，分析計算在軌任務機會，任務參數。

需求計劃管理：主要功能包括管理衛星資源及約束條件、衛星及目標軌道信息，任務需求制定及動態監控，多星多任務計劃優化與評價，需求規劃狀態跟蹤與執行情況評估，需求訂單生成與發控。

2 系統組成

遙感衛星需求規劃系統主要由觀測需求分析軟件、在軌維護分析軟件、計劃管理軟件3部分組成，如圖1所示。

圖1 需求規劃系統組成框圖

圖1中，計劃管理軟件提供用戶操作的人機交互界面，可以進行衛星資源及約束編輯、衛星及目標軌道信息更新，軟件自動或人工制定觀測任務需求和在軌維護需求分別發送給觀測需求分析軟件和在軌維護分析軟件進行機會分析，任務機會分析結果返回給需求計劃軟件進行匯總，軟件完成目標優選、多任務沖突消解編排，生成任務需求訂單并發送地面運控系統，最終生成任務指令并上注衛星。

2.1 觀測需求分析軟件

任務需求分析軟件是基于Code Blocks環境和C++編程語言開發的一套獨立運行的進程軟件，可運行在麒麟版本國產化操作系統上。主要由任務機會分析部件、軌道預報與約束計算服務部件、需求訂單生成部件組成，如圖2所示。其中任務機會分析部件對觀測任務需求的解析，根據任務需求采用不同載荷任務可見性計算方進行分析處理，完成調用軌道預報與約束計算服務部件，與需求訂單生成部件的數據交互。軌道預報與約束計算服務部件能完成對衛星或目標高精度的軌道外推[18]、包括計算太陽、月亮位置、衛星過SAA區時間、地氣光影響等。需求訂單生成部件根據需求分析部件計算的可見性分析結果，包括任務時間、目標信息、任務期間相對距離、相對角度、相對角速度、太陽光照角、月光角等信息，按照定義的數據庫表格式入庫。

圖2 觀測需求分析軟件組成框圖

其中觀測任務分析部件監控并讀取觀測任務需求，解析衛星軌道數據、太空目標軌道數據。衛星及目標軌道數據送入軌道預報與約束計算部件計算得到衛星、目標、太陽、月亮等空間相對位置及約束條件，依據任務可見性分析方法進行觀測計算、觀測預報[19-20]，得到相機觀測任務、其它無線電偵收載荷任務的可執行任務時間、目標信息、任務詳情。規劃算法考慮約束及計算方法簡要說明如下：

(1)SAA區判斷：通過射線法判斷衛星過SAA 時間，以衛星星下點為原點，引出射線切過的邊數量為奇數，則過SAA區。

(2)目標可見性：根據衛星軌道，建立基于衛星的準慣性坐標系，計算J2000坐標系至衛星本體系的轉換矩陣M。通過坐標轉換計算目標相對衛星的方位、俯仰角大小，計算滿足任務約束的弧段。

圖3 目標可見性計算示意圖

(3)月光角計算：根據月亮星歷計算相機視軸與對月矢量夾角，約束月光角>10°的弧段。

(4)光照角計算：根據太陽星歷計算目標到太陽與目標到衛星矢量夾角，約束夾角<90°的弧段。

(5)地心夾角計算：計算相機視軸到地心矢量夾角，約束夾角>74.9°(衛星高度相關)的弧段。

(6)地影約束計算：根據太陽星歷計算目標到太陽與目標到地心矢量夾角，約束夾角>70°(目標高度相關)的弧段。

2.2 在軌維護分析軟件

在軌維護分析軟件是基于VS2015環境和C++編程語言開發的一套獨立運行的進程軟件，可運行在麒麟版本國產化操作系統，主要負責相機、轉臺等載荷的在軌維護任務。軟件主要由調度單元、狀態數據庫、綜合處理單元組成，如圖4所示。

圖4 維護需求分析軟件組成框圖

維護需求生成有自動觸發和人工觸發2種方式，自動觸發模式下采用定時及監測遙測數據方式，條件滿足則觸發生成維護需求。軟件接收并讀取維護任務需求，分析計算得到維護任務的類型及參數，調度維護任務內部處理軟件，并將狀態參數傳入處理軟件，同時從維護任務載荷狀態設置數據庫中讀取對應任務狀態下的載荷任務參數進行計算，最終將維護任務結果標準化入庫。在軌維護任務主要模式及其計算方法說明如下：

(1)相機輻射標校：通過對恒星成像標定相機參數，根據恒星星歷，計算其相對衛星的方位，根據衛星姿態約束，轉臺范圍約束計算可執行相機維護任務的弧段，并給出任務所需姿態、轉臺等參數，需要考慮SAA區、月光角、太陽角、地氣光等約束。

(2)相機煺火：空間環境效應噪聲增大導致載荷探測能力下降至超出任務指標要求時，調整探測器制冷深度，降低探測器本底噪聲，恢復探測載荷性能，通過調用指令模板方式安排空閑弧段執行。

(3)轉臺自檢：完成對轉動范圍、最大跟蹤速度、加速度、跟蹤精度的自檢，通過調用指令模板方式安排空閑弧段執行。

2.3 需求計劃管理軟件

需求計劃管理軟件配置項為滿足國產化，跨平臺要求，采用BS架構[21]。由計劃管理服務端、計劃管理客戶端、消息隊列服務器、數據庫服務器組成。服務器端的軟件環境為銀河麒麟服務器操作系統、神通數據庫V7.0與JRE1.8以上版本，作為后臺計算軟件，實現任務需求管理、多任務籌劃等功能，同時采用Rabbit MQ消息隊列機制與外部接口通信，所以還包含消息隊列服務器。軟件部署包括軟件制品qfive.jar。客戶端的軟件環境為麒麟服務器操作系統桌面版，同時需要安裝Google Chome瀏覽器，提供基于Web開發的人機交互界面，為用戶提供需求制定、衛星資源、目標資源管理、綜合狀態監控等功能。數據庫服務器存儲了衛星約束、衛星及目標軌道、任務需求及需求規劃運行過程中的各類數據。各軟件模塊部署情況如圖5所示。

圖5 計劃管理軟件部署圖

3 系統接口

遙感衛星監視需求規劃系統接口統計情況如下表所示，通信方式有文件傳輸、共享數據庫訪問、服務調用、共享存儲空間訪問等方式。

3.1 衛星軌道根數

衛星軌道根數在數據庫中主要以六根數格式存儲，可由人工或軟件自動進行更新。包括歷元時刻(北京時)、a(半長軸)、e(偏心率)、I(軌道傾角)、w(近地點傾角)、o(升交點赤經)、m(平近點角)、大氣攝動系數和光壓系數。

表1 需求規劃系統接口統計

3.2 目標軌道根數

目標軌道根數在數據庫中主要以兩行根數形式存儲[22]，可由人工或軟件自動進行更新。首行存儲了衛星編號、衛星類別、衛星發射年份、TLE歷時、平均運動的一階時間導數、平均運動的二階時間導數等，第二行存儲了衛星編號、軌道傾角、升交點赤經、軌道偏心率、近地點幅角、平近點角、每天繞地球圈數等。每行共69個字符。

3.3 衛星資源信息

數據庫中存儲了衛星資源及載荷能力，作為可見性分析的輸入條件。可由人工或軟件自動進行更新，包括衛星代號、衛星名稱、衛星載荷、視場大小、最大觀測距離、姿態角度最大機動范圍、轉臺機動角范圍、轉臺機動角速度范圍等。

3.4 目標編號及特征信息

目標數據庫中存儲了目標特征信息，支持添加、刪除、更新等操作，信息條目包括目標代號、名稱、所屬國家、類型、尺寸、亮度、無線電頻段等。

3.5 任務要求

任務要求文件為XML格式，由軟件需求制定界面操作生成，包含了任務分析開始時間、任務分析結束時間、觀測類型、觀測頻次、優先級、觀測目標編號及名稱、目標類型、衛星標識、傳感器標識、傳感器工作模式等數據內容，作為觀測需求分析和維護需求分析的輸入。

3.6 載荷評估數據

載荷評估數據主要是以對衛星遙測進行解析處理得到的衛星載荷性能的評估結果，作為是否需要開展載荷在軌維護的重要指標，包括相機本底噪聲評估結果、轉臺性能等。

3.7 任務要求通知

任務要求通知采用TCP/IP協議進行傳輸，當軟件需求制定界面操作生成任務要求時，發送一條任務要求通知給觀測需求分析軟件或維護需求分析軟件進行分析。包含了任務要求編號、任務類型、優先級、任務狀態等數據內容。

3.8 任務要求響應

任務要求響應通知采用TCP/IP協議進行傳輸，當觀測需求分析軟件或維護需求分析軟件在接收任務要求并開始分析時，更新任務狀態為“正在分析”，并返回任務要求響應。當觀測需求分析軟件或維護需求分析軟件完成對任務要求分析時，更新任務狀態為“已完成”，并返回任務要求響應。

3.9 任務規劃結果

任務規劃結果文件為XML格式，作為衛星運控系統生成衛星指令的依據文件，包含了需要生成衛星指令的所有參數信息，包括衛星標識、傳感器標識、傳感器工作模式、任務執行時間、任務參數等數據內容。

3.10 界面設計

遙感衛星系統需求規劃系統計劃管理軟件為用戶提供一個基于Web開發的圖形用戶界面，方便用戶管理衛星資源及約束信息、目標庫信息、需求制定、需求狀態跟蹤等，實現對衛星任務需求規劃，其中需求制定界面設計如圖6所示。

圖6 需求規劃系統需求制定界面

分析圖6所示的界面和其他需求規劃系統界面，將需求規劃系統所有子頁面的控件和元素內容進行統計，結果如表2所示。

表2 需求規劃系統界面設計

4 規劃效能分析

需求規劃系統軟件在收到每日更新的衛星及目標軌道后，自動觸發生成需求，進行觀測機會分析，并對未來一天的衛星任務開展籌劃，最終生成規劃方案并發送給運控系統，相比傳統人工仿真規劃任務的方式，規劃效率大幅提高。

任務規劃軟件采用多線程，目標快速篩選等優化算法，同時在多終端上進行部署以支持多星并行規劃。為測試需求規劃軟件的規劃性能，同時對3顆監視衛星進行分析，分別測試日常和應急情況下，規劃未來1天、3天、7天任務所需時間，如表3所示。

表3 規劃時間性能測試結果

根據測試結果，針對目標個數為2000的日常任務，規劃未來7天任務，總規劃時間不超過30分鐘，應急情況下，針對重點目標(一般不超過10個)進行7天機會分析的時間為2分21秒，任務編排時間為30s,總規劃時間不超過3分鐘，具有較高的時效性。

5 結論

目前該需求規劃系統正成功應用于某遙感衛星地面應用系統中，軟件常態化運行。根據最新的衛星及目標軌道信息，自動進行觀測機會計算。根據衛星載荷工作狀態，自動分析判斷是否進行維護任務機會分析。最終經過多星多任務籌劃、人工確認任務編排結果，生成規劃方案并發送運控系統，生成衛星指令并上注衛星。在衛星長達1年的在軌試驗過程中，規劃軟件一直發揮著重要作用。經過分析，軟件運行穩定，可靠，時效性好，為衛星在軌任務的正常運行提供了重要保障。

該需求規劃系統不依賴于STK和MATLAB，通過將軌道預報、可見性計算等算法進行國產化軟件實現，替代STK仿真和MATLAB數據運算功能。運行環境是國產化麒麟操作系統，數據庫采用的是國產化神通數據庫，滿足軟件國產化設計要求。