北京三號A/B衛星星地一體協同任務規劃設計及實現

田帥虎 楊芳 李超 陳雄姿 黃敏 郭琪

(航天東方紅衛星有限公司,北京 100094)

傳統的衛星運行管理以遙控遙測為主要手段,嚴重依賴地面測控站,有限的測控弧段對我國的航天任務造成了極大的約束與限制。對于用戶而言,在傳統的任務模式中,從需求搜集到數據采集、數據產品的獲取需要很長的時間,因此難以適應對時間要求高的緊急任務。用戶好用易用和應急響應能力的需求,提出了由衛星自主規劃并執行姿態動作、成像動作的要求。對于衛星運行管理部門而言,迅猛增長且日益復雜的航天任務使測控任務量和衛星運行管理成本迅速增加,衛星的運行管理日益困難。星上自主任務規劃具有充分發揮衛星在軌使用效能、提高衛星緊急任務響應能力、大幅減少對地面測控的依賴和支持多星自主協同配合執行對地觀測任務等諸多優勢,成為智能化衛星和星座的一項標配技術[1]。

近些年來,國內外相繼開展了衛星自主任務規劃技術研究,隨著規劃模型和算法的日趨成熟,自主任務規劃技術在工程實踐與應用上的案例也越來越多。國外方面,2001年,ESA發射了專門用于驗證星上自主技術優越性與可行性的星上自主計劃-1(PROBA-1)衛星[2],它可以接收觀測目標的經緯度坐標執行短期規劃,自動計算觀測時間并生成指令序列。2004年,美國噴氣推進實驗室(JPL)開發的自主任務規劃軟件系統在地球觀測-1(EO-1)衛星上取得巨大成功[3],規劃效能相比深空-1(DS-1)提高了20多倍。2008年,法國航天局研發的星上自主系統AGATA在敏捷對地觀測衛星昴宿星(Pleiades)上進行了試驗[4]。該系統涉及的規劃約束條件包括時間窗口、衛星姿態機動能力、星上能源和存儲空間、任務優先級、觀測任務的觀測角度等。2015年,德國空間中心開發的航天器自主任務規劃在軌驗證(VAMOS)系統在雙光譜紅外光學系統(BIROS,即火鳥-2)衛星上進行了試驗驗證[5-6],它能夠實時監測與管理星上存儲資源狀態,處理地面上注的高優先級任務,還可快速規劃由圖像處理過程中發現的新需求,實現自主發現、自主監視目標等功能。國內方面,為了提升衛星的好用易用性,航天東方紅衛星有限公司研制的星上指令自主解譯系統[7]在2015年發射的高分九號衛星上完成驗證并應用,衛星在接收到地面上注的元任務指令塊后,基于星上裝訂的指令模板可以動態生成分系統指令序列。北京空間飛行器總體設計部研制的高分三號衛星同樣采用了9種自主任務規劃指令模板[8],并于2016年開展了在軌驗證;上海航天技術研究院2015年發射的浦江一號衛星,采用基于單星電磁信號監測載荷與光學成像載荷綜合應用的自主任務規劃[9],解決了電磁信號檢測與光學成像高效協同的問題。上述案例中實現的自主任務規劃各具特點,差異性較為明顯,主要是由衛星任務本身的多樣性決定的。國內相關研究起步較晚,高分九號衛星和高分三號衛星尚屬于“地面規劃+星上解譯”的半自主規劃,浦江一號衛星實現了成像任務的完全自主規劃,但它非敏捷衛星,也沒有考慮數傳任務規劃,任務調度求解相對簡單。

相比于上述衛星,北京三號A衛星[10]是國內第1顆具有完全星上自主任務規劃能力的敏捷光學遙感衛星,于2021年6月11日成功發射。它采用三超(超敏捷、超穩定、超精度)平臺,因此具有超敏捷、超穩定和超精度成像特征,實現了單斜條帶、多斜條帶拼接、斜條帶拼幅等多種主動推掃成像模式,是國際上第1顆具備沿任意航跡成像能力的遙感衛星。衛星的自主任務規劃支持成像任務和數傳任務的一體化規劃。用戶僅需要上注期望拍攝任務的地理位置和可用數傳窗口,星上即可在短短數分鐘內完成全天的任務規劃。北京三號B衛星于2022年8月24日成功發射,是三超平臺第2顆衛星,相比于北京三號A衛星,其軌道提升100多千米,配備了更高分辨率的天舒相機。本文以北京三號A/B衛星任務規劃功能為例,介紹星地一體協同任務規劃設計及實現。

1 任務需求分析

北京三號A/B衛星具有很強的姿態機動能力,可以通過姿態機動實現多種成像模式,也可以大幅提高衛星的觀測效能,一軌內能夠完成的觀測任務數量顯著增加。衛星的姿態機動能力很強,對同一目標的觀測窗口、觀測姿態等就有很多種可能,無法與傳統衛星一樣,通過窮舉指令模板的方式實現任務編排。這也使得敏捷遙感衛星的任務規劃相對傳統衛星要復雜很多。

星上自主任務規劃技術是星地一體協同任務規劃的前提,其根本目標為:在星上綜合電子系統支持下,通過智能技術,根據用戶業務需求或在軌事件,在符合衛星的資源狀態和使用約束的條件下,自主實現任務編排及指令序列生成。北京三號A/B衛星星上自主任務規劃正常運行,必須依靠地面管控、星上自主任務規劃模塊和衛星各分系統多方的密切協同與配合才能實現。

地面管控負責定期上注未來固定時段內的待規劃觀測任務序列。對于普通的單個任務,一般包含任務編號、任務優先級、任務類型、目標類型、目標經緯度等;對于特殊成像任務,例如同軌立體成像,還包括成像次數、拍攝角度等,動中成像還包括成像起始點窗口、成像時長等。為了減輕地面操控人員編排觀測任務的負擔,同時達到滿意的在軌應用效能,在地面應用系統中必須配置一套高效、可靠的任務規劃系統。

星上自主任務規劃模塊根據地面上注的待規劃任務信息,結合衛星的資源狀態和使用約束條件(軌道、姿態機動能力等),基于一定的準則進行優化計算,輸出未來固定時長內綜合收益最大的觀測任務序列,并基于衛星在軌使用說明和指令模板生成可執行的衛星指令序列。衛星具有星上自主任務規劃的能力,同時支持接收、存儲和執行地面任務規劃生成的元任務塊序列,用戶可根據需要選擇和切換任務規劃的模式。星上自主任務規劃關鍵技術指標如表1所示。

表1 關鍵技術指標

2 星地一體協同任務規劃設計

北京三號A/B衛星支持地面規劃與星上自主任務規劃2種工作方式,這2種方式相對獨立,整個星地一體協同任務規劃的運行機制見圖1。

2.1 星上全自主任務規劃

基于星上自主任務規劃,用戶操控衛星時不再涉及任何衛星指令層的操作,只需要專注于在地圖上挑選期望觀測的目標。衛星在軌操控期間的信息流如圖2所示。

在一次任務規劃周期內,地面測控站將待觀測目標的位置信息和可用數傳窗口等原始任務信息上注到星上自主任務規劃模塊,自主任務規劃軟件可根據上注信息一次性完成所有觀測任務和數傳任務的優化編排。自主任務規劃模塊將生成的元任務指令塊序列發送給星務中心計算機,星務中心計算機應用軟件根據元任務指令塊中指定的發送時間和標志將元任務指令塊拆分為分系統程控塊并分發給控制、相機和數傳分系統執行。整個過程中星務分系統通過遙測不斷向地面滾動播報星上安排的觀測計劃和數傳計劃。

當地面需要安排緊急任務時,先通知星務中心計算機刪除與重規劃時間區間交疊的舊任務指令塊,隨后上注緊急原始任務信息,由星上自主完成任務的重規劃,再輸出重規劃生成的新元任務指令塊至星務中心計算機。

2.2 地面任務規劃

用戶利用地面應用系統完成任務籌劃,確定未來一段時間內擬觀測的任務及其觀測模式等屬性,并按約定的格式輸出任務描述文件、規劃窗口與數傳窗口文件,如圖3所示。

圖3 元任務生成過程

地面任務規劃系統加載上述所有文件,執行任務規劃運算并生成各個分系統未來時刻的元任務塊序列,同時輸出基于規劃結果解算得到的地面觀測覆蓋區域信息文件。用戶讀取規劃輸出的地面觀測覆蓋區域信息文件,判斷觀測結果是否滿足需求。在測控弧段內將地面規劃得到的所有元任務塊上注到星上,由星務中心計算機負責接收和存儲元任務塊序列;同時,用戶或運管中心根據地面任務規劃結果通知相應地面站按時接收圖像數據。全部元任務塊上注完后,星務中心計算機開始通過匹配當前星時與元任務塊的發送時間將其分發給控制、相機和數傳3個分系統,執行觀測和數傳任務。

若有緊急任務,由地面應用系統生成緊急任務描述文件,地面任務規劃系統在完成已有任務規劃的基礎上,加載緊急任務文件進行重規劃,生成緊急元任務塊序列;若緊急任務與已有任務存在沖突,還會同時輸出任務刪除數據塊;然后在測控弧段內上注給衛星,星務中心計算機根據給定的任務刪除時間對星上已有元任務塊序列進行刪除,并按發送時間將緊急元任務塊插入到元任務隊列;若更新后的規劃結果中地面站接收數據弧段有更改,則由用戶或運管中心通知地面站相應作出調整。

2.3 星地一體協同任務規劃

星地一體協同任務規劃的關鍵在于元任務格式的一致性,星地協同任務規劃過程見圖4。

圖4 星地協同任務規劃過程

(1)用戶利用地面應用系統完成任務籌劃,確定未來一段時間內擬觀測的任務及其觀測模式等屬性,并按約定的格式輸出任務描述文件、規劃窗口與數傳窗口文件。

(2)地面任務規劃系統加載上述所有文件,生成觀測任務塊、規劃窗口塊和數傳窗口塊,并執行任務規劃運算,同時輸出基于規劃結果解算得到的地面觀測覆蓋區域信息文件。

(3)用戶讀取規劃輸出的地面觀測覆蓋區域信息文件,判斷觀測結果是否滿足需求。若滿足,則執行(4);否則,回到(1),更新任務執行下次迭代。

(4)在測控弧段內給星上自主任務規劃模塊加電,并將生成的原始任務數據塊上注給衛星,由自主任務規劃模塊接收、存儲這些原始任務信息。

(5)原始任務數據塊上注完畢后,星上自主任務規劃模塊執行規劃運算,生成元任務塊序列,并轉發給星務分系統。通過遙測獲取各編排目標的觀測時間和地面站數傳時間,再由用戶或運管中心通知相應地面站在指定弧段內接收下傳數據。

(6)規劃完成后,自主任務規劃模塊將全部元任務塊序列發送給星務中心計算機;隨后,星務中心計算機通過匹配當前星時與元任務塊的發送時間,輸出各分系統執行。

若有緊急任務,首先,由地面應用系統生成緊急任務描述文件。然后,在地面篩選方式下,地面任務規劃系統加載緊急任務文件進行重規劃,生成緊急觀測任務數據塊,并更新地面觀測區域信息。接著,將緊急觀測任務數據塊上注給衛星,同時發送重規劃指令;自主任務規劃模塊進行重規劃,并調整規劃結果。最后,用戶或運管中心通過遙測獲取更新后的規劃結果,若地面站接收數據弧段有更改,則通知地面站作出相應調整。

3 規劃設計實現

針對自主任務規劃功能涉及復雜的軌道、成像姿態、觀測窗口迭代搜索等大量復雜計算的特點,星上利用專用協處理器實現規劃運算、指令編排。

3.1 硬件狀態

協處理器通過內部總線與星務中心計算機模塊連接,配合星務中心計算機完成星上自主任務規劃功能。圖5給出了協處理器的原理設計框圖,它主要由數字信號處理器(DSP)、現場可編程邏輯門陣列(FPGA)、晶振、上電復位電路、“看門狗”電路、串行RS422接口等電路組成。

圖5 協處理器原理框圖

運行自主任務規劃軟件的國產DSP處理器具有960MFLOPS強浮點運算能力和抗輻照能力,設置的工作頻率為120MHz?？删幊讨蛔x存取器(PROM)中運行協處理器系統軟件,負責引導和重構任務規劃軟件。協處理器與星務中心計算機通過RS422異步串口連接,串口數據的收發由FPGA實現,FPGA同時負責外部靜態隨機存取存儲器(SRAM)的錯誤檢測與糾正(EDAC)。

3.2 主要接口設計

協處理器任務規劃軟件與星務中心計算機軟件之間的數據交互關系如圖6所示,主要包括2種類型。第1種是星務中心計算機發送給協處理器的間接指令、地面上注數據塊或衛星實時狀態數據塊,協處理器返回給星務中心計算機接收應答;第2種是星務中心計算機發送遙測數據輪詢、元任務數據塊輪詢或元任務刪除數據塊輪詢,協處理器返回相應的數據塊給星務中心計算機。

圖6 軟件接口

根據自主任務規劃的功能需求,設計6種地面上注的原始任務信息數據塊,分別是規劃窗口數據塊、觀測任務數據塊、數傳窗口數據塊、按時間回放數據塊、文件重傳數據塊和文件擦除數據塊。其中,觀測任務數據塊按目標類型和屬性差異又分為點目標、線目標、區域目標和智能處理目標4種數據塊。數傳窗口數據塊也可細分為窗口注入和窗口刪除2種,后者僅用于緊急重規劃時刪除原有普通規劃上注的數傳窗口。

表2給出了協處理器與星務中心計算機之間所有的數據傳輸類型和每個項目分配的塊標志,還規定了各種數據類型的通信頻次及在1個星務處理周期內的通信次序。

表2 數據的標志與通信頻次

北京三號A/B衛星采用高精度時間系統設計,分系統時間同步精度優于0.1ms。衛星采用分系統下位機程控的指令模板,星務、控制、相機和數傳4個分系統都各自管理和維護著分系統層級的指令模板,星務中心計算機負責分發元任務指令塊中包含的各個分系統的程控數據塊。為了盡可能地減少元任務塊的個數并將屬于同一個任務的分系統動作同步發出,將4個分系統的程控塊集中編排到了1個元任務指令塊中。執行元任務指令塊時,星務中心計算機應用軟件先根據分系統程控塊標志拆解出有效的分系統程控塊,然后將它們在指定的元任務塊發送時間一起分發給所屬分系統,各分系統再解析程控塊中的動作類型、動作執行時間和動作參數等信息,使用分系統下位機程控指令模板生成分系統的指令序列并執行。這種設計的優點在于:各分系統動作可以獨立并行執行,分系統間的協同與配合全部由動作執行時間來保證,可以有效縮短任務執行完成所需的時間,降低各分系統間非必要的指令耦合和星務指令管理的壓力。

3.3 元任務數據管理

自主任務規劃軟件與星務中心計算機軟件之間采用主從式的通信方式交互任務信息。為了保證元任務數據的準確性和完整性,星務分系統設置合理的緩存區,避免數據丟失,通過幀序號判斷幀的連續性,通過累加和判斷幀的正確性。在元任務數據交互過程中,設置星務接收元任務數據塊編號和數據塊位置標志保證元任務數據的完整性。1次完整的元任務交互流程見圖7。

圖7 元任務交互流程

星務中心計算機接收1次完整的任務數據后,在不影響分系統正常運行的前提下,利用空余機時將任務保存至第三方模塊,保證切機或復位后能夠獲取完整的任務數據,保障業務連續性。星務中心計算機支持按任務號和執行時間刪除任務數據,并插入緊急任務,滿足用戶緊急任務編排的需求,充分體現了衛星好用、易用、可靠的特點。

4 在軌應用情況

截至2023年5月19日,北京三號A/B衛星分別在軌穩定運行23個月和9個月,累計執行任務量見表3。

表3 北京三號A/B衛星在軌任務量統計

星地一體協同任務規劃設計大幅提升了衛星的好用易用性和智能化水平,被動成像和動中成像拍攝的圖像景物層次豐富、紋理清晰、色彩分明,條帶搭接控制合理,目標區域覆蓋準確。在軌期間,衛星穩定優異的表現證明了任務規劃設計的合理性和有效性。

5 結束語

本文以北京三號A/B衛星自主任務規劃功能為例,介紹了星地一體協同任務規劃設計。自主任務規劃能夠發揮衛星在軌使用效能,提高衛星緊急任務響應能力,為用戶提供多種使用方式。在任務規劃設計實現中,重點突出了任務規劃計算和任務交互的接口可靠性設計,確保了元任務數據的正確性和完整性,可為其他衛星任務規劃功能設計提供技術基線和產品基線。