北京三號A/B衛(wèi)星星務分系統(tǒng)信息處理技術(shù)

田帥虎 李超 趙麗 閆國瑞 羅文 高宇純

(1 航天東方紅衛(wèi)星有限公司,北京 100094)(2 山東航天電子技術(shù)研究所,山東煙臺 264670)(3 北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)

北京三號A/B衛(wèi)星是2顆均采用三超(超敏捷、超穩(wěn)定、超精度)平臺的高分辨率對地觀測衛(wèi)星,其星務分系統(tǒng)負責完成衛(wèi)星的在軌運行調(diào)度、自主任務規(guī)劃和綜合信息處理工作。它對星上各任務模塊的運行進行高效可靠的管理和控制,監(jiān)視整星狀態(tài),協(xié)調(diào)整星的工作,配合有效載荷實現(xiàn)各種在軌控制和參數(shù)重新設(shè)置,以實現(xiàn)預定的功能和任務要求。同時,監(jiān)測在軌異常狀態(tài),配合地面對星上進行遙控操作,實現(xiàn)在軌重構(gòu)。星上網(wǎng)絡(luò)采用2條CAN總線作為整星實時現(xiàn)場總線,將星上分散的各功能模塊連接起來,實現(xiàn)星上信息交換和共享,實時地完成星上任務運行管理和控制。

本文主要從高精度控溫技術(shù)、任務規(guī)劃技術(shù)、高精度時間系統(tǒng)3個方面詳細介紹北京三號A/B衛(wèi)星星務分系統(tǒng)信息處理技術(shù)創(chuàng)新性,同時也簡要分析了綜合電子技術(shù)、軟件構(gòu)件庫和數(shù)字衛(wèi)星技術(shù)等支撐技術(shù)。

1 分系統(tǒng)簡介

星務分系統(tǒng)由平臺綜合電子設(shè)備和遙控單元組成。其中,平臺綜合電子設(shè)備包括星務中心計算機模塊、多功能模塊、接口擴展模塊、協(xié)處理器模塊(星上任務規(guī)劃專用處理器)、電源模塊,見圖1。星務分系統(tǒng)以星務中心計算機模塊為核心,采用標準通信接口協(xié)議和數(shù)據(jù)通信格式的計算機通信網(wǎng)絡(luò)把多個模塊、單機連接起來,形成星上統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)整星信息的統(tǒng)一化管理,從而提高衛(wèi)星整體的自治能力。

圖1 平臺綜合電子設(shè)備

星務分系統(tǒng)除保證基本任務(上行注入數(shù)據(jù)的接收、處理、分發(fā)和執(zhí)行,遙測數(shù)據(jù)的采集、處理,總線網(wǎng)絡(luò)通信的管理,整星安全模式管理)外,還具備特有的功能和任務,即:①采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)對星敏感器和三超平臺機構(gòu)等溫度敏感部件實現(xiàn)高精度控溫,保證溫度長期穩(wěn)定在目標值±0.3℃;②研發(fā)星上任務規(guī)劃專用處理器,構(gòu)建星上任務規(guī)劃系統(tǒng),實現(xiàn)完全星上自主任務規(guī)劃功能;③秒脈沖和時間廣播相結(jié)合,構(gòu)建星上高精度時間管理系統(tǒng),在全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)接收機定位和不定位期間時間同步精度均優(yōu)于0.1ms。

2 高精度控溫技術(shù)

衛(wèi)星最經(jīng)典最常用的熱設(shè)計方法是采用被動熱控為主、主動熱控為輔的方案,單獨的被動熱控不能很好地解決問題,于是主動熱控就成為一種有益的補充,能達到一定的控制精度[1-3]。傳統(tǒng)控溫算法采用開關(guān)型控制算法,即當控溫點溫度測量值小于下限且該回路為關(guān)閉狀態(tài)時,該回路開啟加熱;當控溫點溫度測量值大于上限且該回路為開狀態(tài)時,該回路關(guān)閉加熱。它能實現(xiàn)的艙內(nèi)設(shè)備控溫范圍一般為2.0℃,例如蓄電池補償加熱回路門限為[21.0℃,23.0℃]。

北京三號A/B衛(wèi)星姿態(tài)的測量依賴安裝在艙外的星敏感器及安裝支架結(jié)構(gòu)組合體,其光學系統(tǒng)性能對溫度較為敏感,指向隔振機構(gòu)是核心控制部件,需要工作在溫度相對穩(wěn)定的環(huán)境中。為確保星敏感器的測量精度和指向隔振機構(gòu)工作性能,回路控溫范圍設(shè)定為0.6℃,即星敏感器控溫回路門限為[19.7℃,20.3℃],指向隔振機構(gòu)控溫回路門限為[19.2℃,19.8℃]。為了滿足控溫精度要求,星務分系統(tǒng)采用帶比例-積分-微分(PID)主動加熱控制算法實現(xiàn)對上述核心部件的高精度控溫功能。

2.1 主動控溫回路設(shè)計

PID控制算法就是依據(jù)溫度偏差信號的比例、積分、微分計算出回路的加熱時長來對被控對象進行控制[4]。與開關(guān)型控制算法相比,PID控制算法針對熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)反應滯后、過程非線性及溫度傳感器反應速度慢等現(xiàn)狀具有較穩(wěn)定的控制效果。衛(wèi)星主動控溫功能由星務分系統(tǒng)平臺綜合電子實現(xiàn),平臺綜合電子集成化程度較高,在設(shè)計控溫功能時具有如下特點。

(1)將測溫點位置及關(guān)聯(lián)性、熱控回路功耗及控溫周期作為設(shè)計依據(jù),提出測溫點和控溫回路的分配方案。

(2)對每個測溫點多次采集,剔除野值后取平均值,并作為有效溫度值輸入,每個控溫回路支持指定值、最小值和平均值控溫。

(3)采用智能識別測溫點健康狀態(tài)的算法,在軌可自動剔除故障測溫點或增加健康測溫點,無需地面干預,大大提升了在軌故障處理的效率。

(4)去除了控溫點在軌不可更改的限制條件,使得每個控溫回路可以任意增加或減少整星任意測溫點。

(5)在繼承傳統(tǒng)算法的基礎(chǔ)上,采用改進后歸一化PID算法進行主動控溫,控溫門限內(nèi)采用PID控制,門限外采用開關(guān)型控制。

(6)加熱回路的輸出時長采用12bit量化,當量達到毫秒級。

2.2 仿真和在軌應用情況

為了在地面試驗階段充分驗證高精度控溫功能的正確性,搭建了主動控溫回路的仿真測試床,測試床硬件平臺由1套專用測試設(shè)備組成,為星上設(shè)備提供一次電源、溫控電源、集電極開路(OC)指令、模擬量、電阻量、溫控回路檢測,以及遙控上行和遙測下行等接口功能。測試設(shè)備利用電子負載模擬控溫回路熱響應,通過修改控溫回路等效溫度系數(shù)和被控目標熱熔系數(shù)實現(xiàn)模擬不同的加熱回路功能。仿真測試回路門限為[19.7℃,20.3℃],仿真控溫效果見圖2,驗證了星務分系統(tǒng)的高精度控溫功能。

圖2 仿真測試效果

衛(wèi)星入軌后,平臺及有效載荷長期加電設(shè)備溫度逐漸趨于穩(wěn)定,指向隔振機構(gòu)與相機接口處溫度穩(wěn)定在19.5～20.5℃,高精度控溫點溫度穩(wěn)定在19.2～19.8℃(見圖3),滿足溫度指標要求。

圖3 指向隔振機構(gòu)溫度曲線

星敏感器溫度所有部位(含光學鏡頭前段、中部、后段、法蘭、精測鏡)控制在19.7～20.3℃,且每軌溫度波動小于0.3℃,滿足溫度指標要求。圖4和圖5給出了星敏感器溫度和控溫回路加熱占空比。

圖4 星敏感器溫度曲線

圖5 星敏感器加熱回路占空比

外熱流引起指向隔振機構(gòu)和星敏感器溫度發(fā)生變化時,高精度控溫加熱回路能在很快的時間內(nèi)將目標溫度控制回來,證明了星務分系統(tǒng)能實現(xiàn)高精度控溫,功能性能均滿足要求。

3 任務規(guī)劃技術(shù)

星上自主任務規(guī)劃能夠充分發(fā)揮衛(wèi)星在軌使用效能,提高衛(wèi)星緊急任務響應能力,同時也可大幅減少對地面測控的依賴,可支持多星自主協(xié)同配合執(zhí)行對地觀測任務,成為未來智能化衛(wèi)星和星座的一項標配技術(shù)[5-6]。北京三號A/B衛(wèi)星實現(xiàn)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,是具備沿任意航跡成像能力的遙感衛(wèi)星。北京三號A/B衛(wèi)星的自主任務規(guī)劃支持成像任務和數(shù)傳任務的一體化規(guī)劃,用戶僅需要上注期望拍攝任務的地理位置和可用數(shù)傳窗口,星上即可在短短數(shù)分鐘內(nèi)完成全天的任務規(guī)劃。

3.1 自主任務規(guī)劃功能

基于星上自主任務規(guī)劃,用戶操控衛(wèi)星時可不涉及任何衛(wèi)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[7-8]。在一次任務規(guī)劃周期內(nèi),地面測控站將待觀測目標的位置(經(jīng)度、緯度、高度)和可用數(shù)傳窗口等原始任務信息上注到星上自主任務規(guī)劃模塊,自主任務規(guī)劃軟件可根據(jù)上注信息一次性完成所有觀測任務和數(shù)傳任務的優(yōu)化編排。自主任務規(guī)劃模塊將生成的元任務指令塊序列發(fā)送給星務中心計算機;星務中心計算機應用軟件根據(jù)元任務指令塊中指定的發(fā)送時間和標志,將元任務指令塊拆分為分系統(tǒng)程控塊,并分發(fā)給控制、相機和數(shù)傳等分系統(tǒng)執(zhí)行。圖6為自主任務規(guī)劃數(shù)據(jù)交互示意。

圖6 自主任務規(guī)劃數(shù)據(jù)交互

在整個過程中,星務分系統(tǒng)通過遙測不斷向地面滾動播報星上安排的觀測計劃和數(shù)傳計劃。當?shù)孛嫘枰才啪o急任務時,可先通知星務中心計算機刪除與重規(guī)劃時間區(qū)間交疊的舊任務指令塊;隨后只需要上注緊急原始任務信息,由星上自主完成任務的重規(guī)劃,再輸出重規(guī)劃生成的新元任務指令塊至星務中心計算機。

3.2 原始任務信息

根據(jù)自主任務規(guī)劃的功能需求,設(shè)計6種地面上注的原始任務信息數(shù)據(jù)塊,分別是規(guī)劃窗口數(shù)據(jù)塊、觀測任務數(shù)據(jù)塊、數(shù)傳窗口數(shù)據(jù)塊、按時間回放數(shù)據(jù)塊、文件重傳數(shù)據(jù)塊和文件擦除數(shù)據(jù)塊。其中:觀測任務數(shù)據(jù)塊按目標類型和屬性差異又分為點目標、線目標、區(qū)域目標和智能處理目標4種數(shù)據(jù)塊。數(shù)傳窗口數(shù)控塊也可細分為窗口注入和窗口刪除數(shù)據(jù)塊,窗口刪除數(shù)據(jù)塊僅用于緊急重規(guī)劃時刪除原有普通規(guī)劃上注的數(shù)傳窗口。各種數(shù)據(jù)塊包含的參數(shù)設(shè)計如表1所示。

表1 原始任務信息

3.3 元任務

北京三號A/B衛(wèi)星不再使用傳統(tǒng)整星層級的指令模板,星務、控制、相機和數(shù)傳4個分系統(tǒng)都各自管理和維護著分系統(tǒng)層級的指令模板,星務只分發(fā)自主任務規(guī)劃輸出的元任務塊中包含的分系統(tǒng)的程控數(shù)據(jù)塊。元任務的組成見表2。執(zhí)行元任務塊時,星務首先根據(jù)分系統(tǒng)程控塊有效性標志拆解出有效的分系統(tǒng)程控塊,然后將它們在指定的元任務塊發(fā)送時間一起分發(fā)給對應的分系統(tǒng),各分系統(tǒng)再解析程控塊中的動作類型、動作執(zhí)行時間和動作參數(shù)等信息,使用指令模板生成分系統(tǒng)的指令序列并執(zhí)行。這種設(shè)計的優(yōu)勢在于:各分系統(tǒng)動作可以獨立并行執(zhí)行,不僅提高了衛(wèi)星的工作效率,還降低了各分系統(tǒng)指令間的非必要耦合和星務指令管理的壓力。

表2 元任務組成

3.4 在軌上注數(shù)據(jù)量比較

北京三號A/B衛(wèi)星支持傳統(tǒng)地面規(guī)劃與星上自主任務規(guī)劃2種工作方式,這2種方式相對獨立。根據(jù)北京三號A/B衛(wèi)星1天支持不同觀測任務類型的數(shù)量進行統(tǒng)計分析,假設(shè)1天的數(shù)傳元任務統(tǒng)一按10個計算,每個數(shù)傳元任務的地面上注用時按4s計算,2種規(guī)劃模式數(shù)據(jù)上注需求如表3所示。由表3可知,星上規(guī)劃上注數(shù)據(jù)量和上注用時均遠遠少于地面規(guī)劃。

4 高精度時間系統(tǒng)

北京三號A/B衛(wèi)星不使用傳統(tǒng)整星層級的指令模板,分系統(tǒng)都各自管理和維護著各自層級的指令模板,整星時間同步性決定了指令執(zhí)行的精度。衛(wèi)星總體要求中提出,衛(wèi)星各分系統(tǒng)時間同步精度要優(yōu)于0.1ms。

4.1 總體設(shè)計

星上時間的產(chǎn)生基準有內(nèi)時鐘和外時鐘2種。2種時鐘以不同晶振產(chǎn)生的周期中斷為計時標準,其中,外時鐘的準確度更高。地面可以通過發(fā)送指令對內(nèi)、外時鐘進行切換。衛(wèi)星發(fā)射前及主動段使用內(nèi)時鐘,長期在軌工作期間一般使用外時鐘。

需要同時使用高精度秒脈沖及星務時間基準廣播作為工作時間基準的分系統(tǒng),包括控制分系統(tǒng)、載荷分系統(tǒng)和數(shù)傳分系統(tǒng)。高精度時間信息包括秒脈沖信號以及與秒脈沖信號相對應的星務時間基準廣播[9],見圖7。控制、載荷和數(shù)傳設(shè)備接收到以上時間信息后,與自身的時間進行修正,從而完成星上時間的校時。通過這種設(shè)計,完成各分系統(tǒng)的對時、守時及用時功能,避免由于總線傳輸造成的時間精度誤差。

除圖7所示的高精度時間系統(tǒng)外,北京三號A/B衛(wèi)星的星務分系統(tǒng)同時兼容了以往衛(wèi)星的毫秒級時間系統(tǒng),使之能夠適應不同平臺、不同時間精度的業(yè)務需求。時間校正有基于GNSS時間的主動校時、無GNSS條件下的自主校時和地面校時3種手段。在軌時,主要使用基于GNSS時間主動校時方式;當GNSS不定位或不工作時,切換到自主均勻校時方式;地面校時手段由地面用戶根據(jù)需要靈活使用,可以作為衛(wèi)星時間管理的應急手段。

4.2 校時系統(tǒng)

星務分系統(tǒng)設(shè)計有基于秒脈沖信號的時鐘信號校準功能。

(1)秒脈沖生成電路設(shè)計。FPGA內(nèi)部設(shè)有指令選擇功能,可選擇內(nèi)時鐘或外時鐘信號作為秒脈沖的時鐘源。

(2)秒脈沖校時電路。秒脈沖校時電路根據(jù)軟件發(fā)出的脈沖調(diào)整指令,改變脈沖序列中的脈沖相位,達到調(diào)快或減慢時鐘信號的目的,從而保持與基準脈沖的同步性。

(3)誤差獲取電路。誤差獲取電路采用計數(shù)器對基準時鐘信號和星務時鐘之間的誤差進行累計。計數(shù)器設(shè)計的精度決定了誤差的獲取精度。此誤差值作為軟件內(nèi)部時間管理功能的輸入信號,對時間信息進行閉環(huán)控制,閉環(huán)信號驅(qū)動校時電路的輸出,以此保證誤差信號處于設(shè)計范圍之內(nèi)。圖8給出了計數(shù)器時序關(guān)系。

圖8 100kHz時鐘沿和計數(shù)的關(guān)系

星務中心計算機軟件校準時間的基本邏輯如下。主機軟件讀取時鐘誤差值,判斷當前誤差值與設(shè)定閾值之間的偏差,綜合考慮用戶對時間精度、調(diào)整速度的要求,以及晶振穩(wěn)定度等因素,選擇合理的控制算法,進一步輸出時鐘誤差的調(diào)整值,然后傳送給校時驅(qū)動電路。例如,當誤差值表明星務中心計算機秒脈沖滯后于GNSS接收機秒脈沖,就需要對星務中心計算機秒脈沖進行超前校時操作;當誤差值表明星務中心計算機秒脈沖超前于GNSS接收機秒脈沖,就需要對星務中心計算機秒脈沖進行滯后校時操作。為消除隨機誤差,需要在出現(xiàn)穩(wěn)定超時的誤差時才對星務中心計算機秒脈沖進行調(diào)整。同時,主機軟件還能夠?qū)r鐘偏差的變化情況不斷進行在線統(tǒng)計分析,并將分析結(jié)果以數(shù)據(jù)集的形式下傳到地面,供用戶詳細掌握時間系統(tǒng)的整體工作情況。同時,主機軟件也支持地面用戶注入新的時間精度控制算法進行功能改善或者算法驗證。

4.3 時間鏈精度

為了保證各分系統(tǒng)的時間都能與UTC時間靠齊,星務中心計算機在每個UTC整秒時刻向星上時間用戶輸出秒脈沖信號,見圖9。

圖9 秒脈沖輸出過程

星務中心計算機內(nèi)部設(shè)計有開關(guān)選擇輸出2種互為熱冗余備份的秒脈沖信號。主機軟件自主判斷選擇輸出秒脈沖的原則為:當GNSS定位時,轉(zhuǎn)發(fā)GNSS輸入的秒脈沖;當GNSS不定位或者不工作時,選擇輸出星務中心計算機的秒脈沖。同時,地面用戶也可以通過指令設(shè)定選擇,指令設(shè)定權(quán)的優(yōu)先級高于主機軟件自主選擇權(quán)。

整個時間系統(tǒng)的設(shè)計保證了衛(wèi)星各分系統(tǒng)時間同步精度優(yōu)于0.1ms,滿足總體需求。同時,整套時間系統(tǒng)設(shè)計為全自主閉環(huán)運行模式,不需要地面用戶干預。

5 分系統(tǒng)其他技術(shù)

5.1 面向智能化需求的綜合電子架構(gòu)技術(shù)

星載電子技術(shù)逐漸向高性能、微型化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、綜合化的方向發(fā)展。小衛(wèi)星發(fā)展的總體趨勢是輕量化、敏捷化、智能化、組網(wǎng)化、批量化、快速集成和測試、高可靠和高自主等方向,這些都對星上綜合電子系統(tǒng)提出了新的需求[10]。綜合電子系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計遵從通用性和可擴展性特征的理念,采取合理的功能模塊劃分,在實現(xiàn)中融入標準化和模塊化。

北京三號A/B衛(wèi)星星務分系統(tǒng)平臺綜合電子通過合理的系統(tǒng)構(gòu)架、信息處理流程、協(xié)議和軟硬件接口實現(xiàn)系統(tǒng)的靈活性、高可靠性、高功能密度和高效率,1臺綜合電子設(shè)備集成了星務中心計算機、有效載荷管理單元、熱控下位機和時鐘單元4臺單機的功能,與傳統(tǒng)的星務分系統(tǒng)相比,質(zhì)量減少60%,功耗減少20%。

5.2 面向星座批產(chǎn)需求的軟件構(gòu)件庫開發(fā)模式

目前,航天領(lǐng)域絕大多數(shù)軟件使用“沿用”的開發(fā)模式,衛(wèi)星任務的增多,將導致“沿用樹”分支增多,需要投入的人力增多,維護、測試成本高。在星務分系統(tǒng)中心計算機軟件設(shè)計階段梳理了共性功能需求和特殊功能需求,針對星務中心計算機軟件共性功能,在基線產(chǎn)品的基礎(chǔ)之上建立星務通用構(gòu)件,通用構(gòu)件庫包括遙測構(gòu)件、遙控構(gòu)件、程控數(shù)據(jù)塊構(gòu)件、指令序列構(gòu)件、安全模式構(gòu)件、總線抽象層構(gòu)件、CAN總線構(gòu)件、時間管理構(gòu)件、自主任務恢復構(gòu)件。星務分系統(tǒng)軟件設(shè)計師根據(jù)北京三號A/B衛(wèi)星的特點,開發(fā)并完善了專用構(gòu)件(Space Wire總線構(gòu)件、任務規(guī)劃構(gòu)件、高精度控溫構(gòu)件)。構(gòu)件提供了標準遙測輸出接口、遙控輸入接口,標準上下文依賴接口,通過配置參數(shù)、配置表的設(shè)計可覆蓋多種類型衛(wèi)星的基本需求。軟件構(gòu)件能夠被獨立部署及組織,實現(xiàn)功能級復用。構(gòu)件庫存放在配置管理系統(tǒng)中,衛(wèi)星使用時從配置管理系統(tǒng)出庫,完成參數(shù)配置及適應性修改后按衛(wèi)星進行工程化管理。構(gòu)件庫提高了星載軟件復用水平和開發(fā)效率,降低了軟件分支,探索了一種星座批產(chǎn)時星載軟件的開發(fā)模式。

5.3 基于數(shù)字衛(wèi)星技術(shù)的平行系統(tǒng)研制

北京三號A/B衛(wèi)星的數(shù)字衛(wèi)星是在地面建立的面向快速設(shè)計驗證和工程研制的數(shù)字衛(wèi)星平臺,包括姿態(tài)控制、電源、星務分系統(tǒng)真實的數(shù)字模型和其他分系統(tǒng)簡化數(shù)字模型,通過模型互聯(lián)實現(xiàn)多學科集成仿真。星務分系統(tǒng)模型能夠支持在仿真前通過參數(shù)配置接口進行模型參數(shù)修改,即系統(tǒng)參數(shù)變化時不需要修改模型,僅需要通過模型配置接口進行參數(shù)配置即可。分系統(tǒng)對可能需要修改的參數(shù)進行詳細梳理,然后在仿真模型中定義參數(shù)配置接口,該接口與地面軟件連接,可通過地面軟件注入?yún)?shù)的形式配置和定義分系統(tǒng)模型。數(shù)字衛(wèi)星通過構(gòu)建圖形化的模型來支持系統(tǒng)的需求捕獲、設(shè)計、分析、驗證和確認等全生命周期活動,提供清晰的工作流程,對方案設(shè)計的正確性及相關(guān)指標進行快速仿真驗證。

6 結(jié)束語

北京三號A/B衛(wèi)星星務分系統(tǒng)是整星電子系統(tǒng)的核心,負責完成衛(wèi)星的在軌運行調(diào)度和綜合信息處理工作。星務分系統(tǒng)高精度控溫技術(shù)能夠滿足關(guān)鍵部組件對溫度穩(wěn)定性的要求;任務規(guī)劃功能在軌表現(xiàn)優(yōu)異,高精度時間系統(tǒng)確保了衛(wèi)星各分系統(tǒng)時間同步精度優(yōu)于0.1ms,保證了分系統(tǒng)執(zhí)行指令時的同步性;在星務分系統(tǒng)研制中對綜合電子技術(shù)、軟件構(gòu)件庫和數(shù)字衛(wèi)星技術(shù)進行探索,可為其他衛(wèi)星綜合電子的設(shè)計提供基線。本文梳理的北京三號A/B衛(wèi)星星務分系統(tǒng)的信息處理技術(shù),可為后續(xù)衛(wèi)星星務分系統(tǒng)的研制提供參考。