田志新 李小娟 楊易 王宇飛 王虎妹

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

隨著姿態(tài)機動能力的快速提升，遙感衛(wèi)星支持多點目標成像、條帶拼接成像、非沿跡成像、立體成像等多種敏捷成像模式，衛(wèi)星成像模式、載荷組合模式、星上載荷數(shù)據(jù)處理模式、海量數(shù)據(jù)傳輸策略越來越復雜[1]。一方面，近15年來，我國遙感衛(wèi)星的任務(wù)模板數(shù)增長了29倍，任務(wù)指令數(shù)增長100%[2]，任務(wù)注入和星載設(shè)備的操控難度不斷加大；另一方面，用戶面臨如何通過操控策略改進提升遙感衛(wèi)星在軌使用效能的難題：以某在軌綜合型遙感衛(wèi)星為例，對147天在軌測試的運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，衛(wèi)星能源使用效率不足50%、存儲資源使用效率不足40%、數(shù)傳弧段使用效率不足70%。因此，提升衛(wèi)星可用性設(shè)計成為迫在眉睫的問題。

針對上述挑戰(zhàn)，本文從系統(tǒng)工程的角度出發(fā)，以天地一體化視角，從任務(wù)注入、設(shè)備控制、信息獲取、數(shù)據(jù)傳輸、能源平衡五個維度，分析了制約遙感衛(wèi)星在軌可用性的主要環(huán)節(jié)。針對這五個環(huán)節(jié)，從三個方面提升遙感衛(wèi)星的在軌可用性：采用面向任務(wù)的“宏指令”，提升任務(wù)注入效率，并降低衛(wèi)星的操控難度；采用動態(tài)任務(wù)規(guī)劃，提升衛(wèi)星能源、存儲資源和數(shù)據(jù)傳輸資源的在軌使用效率；采用星上指令序列優(yōu)化，提升衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)的執(zhí)行效率。本文方案已應用于某領(lǐng)域遙感衛(wèi)星，與傳統(tǒng)在軌控制模式相比，衛(wèi)星的任務(wù)測控效率提升了約5倍，用戶操作接口復雜度降低了約94%，并顯著提升了衛(wèi)星存儲資源使用效率和海量數(shù)據(jù)傳輸效率。本文方案對后繼遙感衛(wèi)星可用性設(shè)計具有借鑒意義。

1 遙感衛(wèi)星在軌可用性約束分析

目前，遙感衛(wèi)星通過“任務(wù)規(guī)劃+指令生成”實現(xiàn)在軌控制。任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)根據(jù)成像需求、衛(wèi)星運行狀態(tài)、星載資源最大包絡(luò)使用約束、地面資源可用性等因素完成任務(wù)規(guī)劃，通過觀測區(qū)域、衛(wèi)星資源、地面接收資源匹配優(yōu)化，制定載荷工作方案和跟蹤接收計劃；接著，根據(jù)任務(wù)規(guī)劃的結(jié)果生成載荷控制指令序列，經(jīng)由測控系統(tǒng)上注給衛(wèi)星，在預定時間獲取成像數(shù)據(jù)和接收有效載荷數(shù)據(jù)[3]。用戶完成一次任務(wù)操作，涉及的環(huán)節(jié)包括：任務(wù)注入、星上設(shè)備控制、信息獲取和數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，同時，衛(wèi)星平臺必須為任務(wù)操作提供必要的能源。

1.1 任務(wù)注入環(huán)節(jié)分析

與傳統(tǒng)遙感衛(wèi)星相比，遙感衛(wèi)星姿態(tài)機動能力不斷加強，每軌成像任務(wù)數(shù)顯著增長。以軌道高度500 km的太陽同步成像衛(wèi)星為例，傳統(tǒng)模式下衛(wèi)星每軌成像任務(wù)僅1～2個，而法國昴宿星(Pleiades)等敏捷成像衛(wèi)星每軌的任務(wù)數(shù)增加到20個[4]。高分辨率對地觀測衛(wèi)星一般采用近90°傾角的太陽同步軌道，衛(wèi)星每天過境窗口短，在軌僅5%～10%的時間可在境內(nèi)執(zhí)行測控任務(wù)[5]，由于敏捷成像能力的提升，要求衛(wèi)星每天注入的任務(wù)量由20～30個提升到100～120個左右，基于“指令模板”的傳統(tǒng)運控體制不能滿足使用要求。

1.2 設(shè)備控制環(huán)節(jié)分析

隨著衛(wèi)星功能性能快速提升，成像模式、數(shù)據(jù)處理模式、數(shù)據(jù)傳輸策略越來越復雜[6]。目前，遙感衛(wèi)星一般支持以下工作模式：多載荷組合、多姿態(tài)機動策略下的成像記錄；多載荷組合、多姿態(tài)機動策略下的境內(nèi)實時觀測；境外數(shù)據(jù)對地鏈路數(shù)據(jù)回放；基于中繼鏈路的境外數(shù)據(jù)回放；多載荷組合策略下的境內(nèi)準實時觀測(又稱為“邊記邊放”)；多載荷組合策略下的境外準實時觀測(又稱為中繼“邊記邊放”)等。鑒于指令使用不當引起任務(wù)失敗、甚至導致星上設(shè)備損壞，地面操控人員的工作強度與風險越來越大。

1.3 信息獲取環(huán)節(jié)分析

給定飛行軌道，衛(wèi)星飛越成像目標i和成像目標j的時間間隔記做Ti,j。顯然，Ti,j越小表明衛(wèi)星獲取信息的能力越強。隨著姿態(tài)機動能力的增強，遙感衛(wèi)星開始支持敏捷成像，包括同軌多目標成像，同軌多條帶拼接成像，同軌多角度觀測成像，非沿跡成像等。所有成像模式均可以簡化為若干個快速點目標成像任務(wù)，該類成像模式對星上動作的實時性要求很高，如何縮短多次點目標成像任務(wù)的控制時序成為提升信息獲取效率的核心環(huán)節(jié)。

1.4 數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)分析

在相同幅寬下，遙感衛(wèi)星載荷數(shù)據(jù)量與成像分辨率的平方成反比。遙感衛(wèi)星成像分辨率快速提升，導致衛(wèi)星載荷數(shù)據(jù)量快速增長?？紤]到星載能源、頻譜資源等約束，我國遙感衛(wèi)星目前還是以對地數(shù)據(jù)傳輸為主。由于歷史及地緣政治等原因，美國在全球設(shè)地面站，歐洲、俄羅斯在北極地區(qū)建立地面站，衛(wèi)星每天可用數(shù)傳弧段多，從而實現(xiàn)了高分辨率遙感衛(wèi)星的海量圖像數(shù)據(jù)下傳。目前，我國遙感衛(wèi)星主要依賴國內(nèi)地面站接收遙感圖像數(shù)據(jù)。我國國內(nèi)地面站的分布特點導致衛(wèi)星每天可用的數(shù)傳弧段少，提升數(shù)傳弧段的使用效率可以大幅度地提升衛(wèi)星的在軌使用效能。

1.5 星載能源約束分析

為了提升姿態(tài)機動能力，新一代遙感衛(wèi)星通過優(yōu)化轉(zhuǎn)動慣量和系統(tǒng)柔性提升敏捷成像能力。昴宿星(Pleiades)、軌道觀測-5(OrbView-5)、艾克諾斯-2(Ikonos-2)等衛(wèi)星對太陽翼展開方式進行優(yōu)化，展開后太陽翼橫向尺寸變大，通過降低整星轉(zhuǎn)動慣量提升姿態(tài)機動速度；同時取消驅(qū)動機構(gòu)等活動部件，通過提高太陽翼剛度降低整星柔性，減少姿態(tài)機動到位后的穩(wěn)定時間。然而，上述設(shè)計導致星體在成像過程中對太陽翼形成遮擋，星載能源將制約衛(wèi)星可承載的任務(wù)量。隨著成像分辨率和姿態(tài)機動能力快速提升，載荷能源消耗水平快速增長和星載能源供給削減的矛盾愈發(fā)突出，衛(wèi)星操控必須確保星載能源安全。

2 面向可用性的遙感衛(wèi)星設(shè)計對策

針對制約遙感衛(wèi)星易用性的各類要素，提出了一種遙感衛(wèi)星運控模式，從3個方面提升遙感衛(wèi)星的可用性：采用面向任務(wù)的“宏指令”取代“指令模板”，提升任務(wù)注入效率、簡化星上設(shè)備控制難度；地面系統(tǒng)采用“動態(tài)約束規(guī)劃”取代“靜態(tài)約束規(guī)劃”；星載計算機采用“自主指令序列優(yōu)化”取代“被動執(zhí)行上注指令”，提升衛(wèi)星信息獲取、數(shù)據(jù)傳輸、能源使用的效率。

2.1 面向任務(wù)的“宏指令”操控模式

面向任務(wù)的通用操控模式正在取代指令序列注入模式，成為一種極有前景的運控模式。采用面向任務(wù)的通用操控接口，地球觀測-1(EO-1)衛(wèi)星實現(xiàn)了對冰凍圈、洪水、火山等突發(fā)自然災害的應急響應能力[7]；火星探測車(Mars Exploration Rovers，MER)提升了航天器在復雜太空環(huán)境下的自主生存能力[8]；Kucinskis等人[9]則從面向“任務(wù)”的載荷建模方法、星載自主管理軟件架構(gòu)、星地數(shù)據(jù)接口設(shè)計等方面給出了詳細的設(shè)計方案。然而，文獻[7-9]只能處理工作模式簡單、載荷操控方式不多的遙感衛(wèi)星，本文作者(田志新等)曾發(fā)表[10]將復雜遙感衛(wèi)星各類工作模式下的載荷控制流分解成四類“基本指令序列”和相互之間的約束關(guān)系。將四類基本指令序列包含的全部指令依次映射為有向圖的頂點，將全部指令時序關(guān)系映射為有向圖的邊，指令間的時間間隔映射為該邊的“時間間隔”屬性；將約束矩陣轉(zhuǎn)化為有向圖的邊，邊的指向代表指令的執(zhí)行順序約束，邊的“執(zhí)行時長”等于兩條指令執(zhí)行的時間間隔。于是，任務(wù)指令序列調(diào)度問題就對應從衛(wèi)星有向圖模型中挑選“基本指令序列”組合、根據(jù)任務(wù)信息修正有向圖的頂點/邊屬性、并基于修正后的有向圖子圖進行頂點排序的數(shù)學問題。如圖1所示的對地實時觀測任務(wù)有向圖模型， TCA1～TCA6是實時觀測數(shù)據(jù)處理基本指令序列映射得到的6個頂點，TCB1～TCB4是有效載荷B數(shù)據(jù)產(chǎn)生指令序列映射得到的4個頂點，TCC1～TCC3是天線控制基本指令序列映射得到的3個頂點，TCD1是姿態(tài)控制基本指令序列映射得到的1個頂點。有向圖邊包括兩類：一是基本指令序列內(nèi)部指令時序約束映射的邊，邊的長度代表基本指令序列內(nèi)部指令的時間間隔；另一類包括基本指令序列之間約束產(chǎn)生的邊，包括TCD1→TCA3、TCYB2→TCA3、TCYC2→TCYB2、TCA4→TCYB3、TCYB3→TCYC3，分別表示姿態(tài)機動指令TCD1執(zhí)行90 s后發(fā)出數(shù)據(jù)傳輸指令TCA3，有效載荷B數(shù)據(jù)輸出指令TCYB2執(zhí)行后發(fā)出數(shù)據(jù)傳輸指令TCA3，天線轉(zhuǎn)動指令TCYC2執(zhí)行140 s后發(fā)出有效載荷B數(shù)據(jù)輸出指令TCYB2，數(shù)據(jù)傳輸停止指令TCA4執(zhí)行后發(fā)出有效載荷B數(shù)據(jù)停止輸出指令TCYB3，有效載荷B數(shù)據(jù)停止輸出指令TCYB3執(zhí)行后發(fā)出天線停止轉(zhuǎn)動指令TCYC3。

圖1 對地實時觀測任務(wù)有向圖模型Fig.1 Digraph-model of real-time imaging and transmitting mission

新的運控模式只要定義三個“面向任務(wù)”的通用操控接口即可滿足各型衛(wèi)星使用。

(1)“成像記錄任務(wù)”：包括成像記錄工作模式字、任務(wù)代號、任務(wù)優(yōu)先級、成像區(qū)域、成像開始時刻、成像時長等成像任務(wù)信息，以及成像參數(shù)設(shè)置信息。

(2)“數(shù)據(jù)回放任務(wù)”：包括數(shù)據(jù)回放工作模式字、任務(wù)代號、回放模式、地面站(中繼星)標識、回放起始時刻、回放時長等數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)信息。

(3)“邊記邊放任務(wù)”：包括邊記邊放工作模式字、任務(wù)代號、任務(wù)優(yōu)先級、邊記邊放模式、成像區(qū)域、成像開始時刻、成像時長等成像任務(wù)信息，地面站(中繼星)標識、回放起始時刻、回放時長等數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)信息，以及成像參數(shù)設(shè)置信息。

2.2 動態(tài)約束條件下的衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃

1)遙感衛(wèi)星數(shù)字化模型

用于在軌操控的遙感衛(wèi)星數(shù)字化模型包括衛(wèi)星行為模型和衛(wèi)星約束模型，如圖2所示。

圖2 遙感衛(wèi)星數(shù)字化模型Fig.2 Digital model of remote sensing satellite

(1)成像能力約束參數(shù)預估模型：將空間分辨率、觀測方向、信噪比等要求轉(zhuǎn)化為成像過程起止姿態(tài)角、掃描地速等衛(wèi)星工作狀態(tài)約束參數(shù)，為軌道弧段分析和姿態(tài)機動分析提供依據(jù)。

(2)軌道弧段分析模型：基于任務(wù)目標參數(shù)和衛(wèi)星工作狀態(tài)約束參數(shù)，得到軌道弧段范圍，為姿態(tài)機動分析提供軌道參數(shù)序列。

(3)姿態(tài)機動分析模型：基于軌道弧段范圍、任務(wù)目標參數(shù)和衛(wèi)星工作狀態(tài)約束參數(shù)，對衛(wèi)星成像過程姿態(tài)預置、姿態(tài)復位的姿態(tài)機動指向、角速度等參數(shù)進行計算，為成像性能驗證和衛(wèi)星約束模型提供姿態(tài)機動參數(shù)序列。

(4)成像性能驗證模型：基于載荷功能模型和任務(wù)目標參數(shù)計算地面攝影點坐標、空間分辨率、觀測高度角和方位角、信噪比等，驗證衛(wèi)星姿態(tài)機動過程能否滿足成像性能要求。

(5)能源平衡約束模型：根據(jù)軌道與姿態(tài)動態(tài)參數(shù)，基于衛(wèi)星三維動態(tài)模型、日-地-星空間關(guān)系模型等限制條件，計算能源供給功率和消耗功率，分析是否滿足能源安全約束。

(6)數(shù)據(jù)平衡約束模型：根據(jù)載荷數(shù)據(jù)量/數(shù)據(jù)速率、星地數(shù)傳/中繼數(shù)傳的數(shù)據(jù)量/數(shù)據(jù)速率，分析任務(wù)是否滿足星上數(shù)據(jù)存儲能力、數(shù)傳能力等數(shù)據(jù)平衡約束條件。

(7)對地(中繼)數(shù)傳弧段約束模型：根據(jù)衛(wèi)星軌道與姿態(tài)動態(tài)參數(shù)和地面站(中繼星)位置，分析是否滿足對地(中繼)數(shù)傳天線最大指向范圍、最大轉(zhuǎn)動角速度；基于衛(wèi)星構(gòu)型、太陽翼轉(zhuǎn)動模型、對地(中繼)數(shù)傳天線構(gòu)型和轉(zhuǎn)動模型，分析是否滿足可通視的約束條件；計算可用數(shù)傳弧段，并給出對地(中繼)數(shù)傳天線預置時間和預置角。

2)動態(tài)任務(wù)規(guī)劃過程

(1)初始任務(wù)隊列求解。在不考慮星載能源約束和數(shù)傳天線遮擋的條件下，采用傳統(tǒng)的任務(wù)規(guī)劃方法，制定載荷工作方案和跟蹤接收計劃，得到初始任務(wù)隊列。

(2)基于對地數(shù)傳弧段約束模型和中繼數(shù)傳弧段約束模型，計算數(shù)傳弧段和天線預置時間。根據(jù)初始任務(wù)隊列，綜合考慮星體構(gòu)型、衛(wèi)星軌道、任務(wù)姿態(tài)等信息，仿真天線指向角度，以及天線、星體和地面站(中繼星)之間的幾何關(guān)系，分析衛(wèi)星進(出)地面站(中繼衛(wèi)星)的天線遮擋情況，得到本批次任務(wù)可用的數(shù)傳弧段；根據(jù)上次數(shù)傳任務(wù)結(jié)束時刻的天線停止位置，計算本次數(shù)傳天線的預置時長。

(3)基于數(shù)據(jù)平衡約束模型，實現(xiàn)成像任務(wù)-數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)匹配優(yōu)化。根據(jù)動態(tài)仿真得到的數(shù)傳弧段，結(jié)合載荷數(shù)據(jù)量預估、成像任務(wù)優(yōu)先級等，取消低優(yōu)先級成像任務(wù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)平衡。

(4)基于能源平衡約束模型，實現(xiàn)能源供給預估。根據(jù)衛(wèi)星軌道，星體滾動、俯仰、偏航的姿態(tài)參數(shù)變化，動態(tài)計算太陽翼的太陽光入射角和光強，并根據(jù)衛(wèi)星真實三維結(jié)構(gòu)模型計算太陽翼被衛(wèi)星本體遮擋的面積，計算出太陽翼的發(fā)電功率。

(5)任務(wù)級能源優(yōu)化和消耗仿真。根據(jù)任務(wù)的時間分布特性優(yōu)化多次成像過程的載荷開關(guān)機狀態(tài)，如果連續(xù)兩次成像任務(wù)的時間間隔大于載荷的關(guān)機時間與開機時間之和，則在兩次任務(wù)期間關(guān)閉載荷，以降低負載功耗；如果連續(xù)兩次任務(wù)的時間間隔足夠大，則將姿態(tài)回擺到縱軸對地。之后，計算衛(wèi)星負載功率隨時間的變化情況。

(6)基于能源平衡的任務(wù)優(yōu)化。根據(jù)衛(wèi)星能源的供給和消耗關(guān)系，得到蓄電池在軌運行過程中的放電深度，根據(jù)放電深度安全閾值、任務(wù)優(yōu)先級等，調(diào)整成像任務(wù)和數(shù)據(jù)回放任務(wù)，使蓄電池容量滿足安全運行的要求。

(7)在衛(wèi)星能源比較充裕的時間段插入新的成像任務(wù)或數(shù)據(jù)回放任務(wù)，并對新的任務(wù)隊列重復步驟(2)～(6)，修正新的任務(wù)組合模式下的能源、數(shù)據(jù)傳輸約束條件。通過若干次迭代，形成最優(yōu)的任務(wù)列表和相應的“動態(tài)約束參數(shù)”。

(8)將最終的“任務(wù)信息”和“動態(tài)約束參數(shù)”通過測控系統(tǒng)上注給衛(wèi)星。

2.3 星載自主任務(wù)管理

遙感衛(wèi)星接收到地面注入的“成像記錄”、“數(shù)據(jù)回放”和“邊記邊放”高級任務(wù)信息，以及基于模型仿真的動態(tài)約束任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)得到的特定任務(wù)組合下的“動態(tài)約束參數(shù)”，包括可傳輸?shù)臄?shù)傳弧段，天線預置時長，成像姿態(tài)預置時長等，基于用戶任務(wù)的時間分布特性，結(jié)合實時運行狀態(tài)信息，優(yōu)化有效載荷控制、數(shù)傳控制、天線控制、姿態(tài)控制過程，提升衛(wèi)星的信息獲取效率和海量數(shù)據(jù)傳輸效率。

2.3.1 基于關(guān)鍵路徑優(yōu)化的信息獲取效率提升設(shè)計

隨著衛(wèi)星姿態(tài)機動能力快速提升，前后相鄰成像任務(wù)的載荷控制可能產(chǎn)生操作沖突。對于給定飛行軌道，衛(wèi)星每天飛越兩個偵照目標oi和oj的時間間隔是固定數(shù)值，記做Ti,j。顯然，Ti,i+1越小，表明衛(wèi)星獲取情報的能力越強。對于兩個連續(xù)目標，衛(wèi)星必須在Ti,i+1時間內(nèi)完成目標oi成像段、關(guān)機段的指令動作，以及目標oi+1開機段的指令動作。本文作者提出基于有向圖拓撲優(yōu)化的相鄰任務(wù)最優(yōu)控制算法[11]。將成像任務(wù)指令序列抽象成三個基礎(chǔ)指令序列PL(p，q)，DP(b，c，d，e)和AOCS(r，s)，連續(xù)成像任務(wù)有向圖模型如圖3所示，每次任務(wù)包括頂點a，b，c，d，e，p，q，r，s及其之間的有向邊，a代表任務(wù)開始，c代表對目標成像指令，d代表停止成像指令，b，p，r代表設(shè)備開機或姿態(tài)機動指令，q，e，s代表設(shè)備關(guān)機或姿態(tài)恢復指令，上標i表示第i次成像任務(wù)的相關(guān)變量。如果對第i/(i+1)個目標開始成像指令對應的有向圖最長路徑為ci→di→ei→ai+1→bi+1→ci+1,對兩個目標成像的最短時間必須滿足Ti,i+1≥tcd(i)+tde(i)+tea(i)+tab(i+1)+tbc(i+1) 。成像段時間tcd(i)取決于第i次任務(wù)需求，tde(i)+tea(i) 是第i次任務(wù)關(guān)機段時間；tab(i+1)+tbc(i+1) 是第i+1次任務(wù)開機段時間，均無法進行時序優(yōu)化。通過取消第i次任務(wù)基礎(chǔ)指令序列DP的關(guān)機段和第i+1次任務(wù)基礎(chǔ)指令序列DP的開機段指令，連續(xù)成像任務(wù)有向圖頂點的最長路徑減小為ci→di→si→ai+1→ri+1→ci+1,連續(xù)對兩個目標成像的最短時間滿足Ti,i+1≥tcd(i)+tds(i)+tsa(i)+tar(i+1)+trc(i+1) 即可。通過對第i次成像任務(wù)關(guān)機段和第i+1次成像任務(wù)開機段時序優(yōu)化，可以大幅度提升衛(wèi)星的數(shù)據(jù)獲取能力。

圖3 連續(xù)成像任務(wù)的有向圖模型優(yōu)化Fig.3 Consecutive imaging mission optimization based on digraph model

2.3.2 基于提前預置、交叉使用的海量數(shù)據(jù)接力傳輸設(shè)計

高分辨遙感衛(wèi)星采用二維機械掃描點波束天線傳輸海量遙感數(shù)據(jù)。對于軌道高度500 km的遙感衛(wèi)星，以五個地面站(牡丹江、北京、喀什、昆明、三亞)為例，圖4給出了二維點波束天線數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)的時空分布特性圖，五個圓圈是五個地面站的可用數(shù)傳弧段，每個地面站對衛(wèi)星的可視時間不足9 min，可傳弧段平均時間約為7 min。多站接力時間約16 min，當衛(wèi)星離開當前地面站接收范圍并進入其它地面站接收范圍時，需要天線快速轉(zhuǎn)動并跟蹤下一地面站。天線對地跟蹤的角速度不超過0.6(°)/s，按照180°框架角估算，二維點波束天線的預置時間長達5 min，如果按照冷備份策略使用對地數(shù)傳天線，天線預置時間將至少浪費31%的對地傳輸弧段。衛(wèi)星運行一圈約90 min，陸地面積占30%，衛(wèi)星在軌的空閑時間很長，對首個地面站傳輸前，有足夠多的空閑時間段完成天線預置；考慮到地面站的使用效率，地面任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)可確保衛(wèi)星對每個地面站的傳輸時間約7 min左右，可以利用數(shù)據(jù)傳輸時間段完成下一次傳輸任務(wù)所用天線的預置動作。由高分辨率成像衛(wèi)星的任務(wù)時空分布特性可知，利用衛(wèi)星任務(wù)的時空分布特性，通過提前預置、交叉使用的點波束天線使用策略，可以避免天線預置時間占用寶貴的成像弧段和數(shù)傳弧段。

圖4 海量遙感數(shù)據(jù)接力傳輸優(yōu)化Fig.4 Consecutive massive data transmitting mission optimization

2.4 新一代遙感衛(wèi)星運控模式

綜上所述，可用性導向的新一代遙感衛(wèi)星運控模式轉(zhuǎn)變?nèi)鐖D5所示。

1)從專用操控模式向通用操控模式轉(zhuǎn)變

傳統(tǒng)運控下，每顆衛(wèi)星都需要地面系統(tǒng)配置一套指令模板。隨著在軌衛(wèi)星數(shù)快速增長，開發(fā)、維護費用高。新模式下，只要定義3個面向業(yè)務(wù)的通用“宏指令”，即可滿足各型衛(wèi)星使用?！昂曛噶睢焙喕诵堑亟缑?，具有4個優(yōu)勢：①衛(wèi)星入軌后快速應用，提升了部署速度；②用戶只要提供任務(wù)參數(shù)即可操控衛(wèi)星，降低了操控難度，避免了操作失誤的安全隱患；③注入一條指令即可完成數(shù)十條硬件指令的功能，提升了任務(wù)注入效率。④衛(wèi)星具備了協(xié)同觀測的能力：隨著我國天基觀測能力的逐漸增強，亟待通過高中低軌道天基資源協(xié)同觀測，實現(xiàn)搜索、發(fā)現(xiàn)、識別、確認、跟蹤等功能。采用傳統(tǒng)的操控模式，每顆衛(wèi)星需要彼此了解彼此的詳細設(shè)計信息才能實現(xiàn)協(xié)同操控；采用“宏指令”，每顆衛(wèi)星無需了解彼此設(shè)計細節(jié)即可實現(xiàn)互操作，從而降低了研發(fā)和在軌維護成本。

圖5 面向可用性的遙感衛(wèi)星運控模式升級Fig.5 Remote sensing satellite operation evolution for in-orbit usability

2)從靜態(tài)任務(wù)規(guī)劃向動態(tài)任務(wù)規(guī)劃轉(zhuǎn)變

衛(wèi)星能源、存儲資源和數(shù)傳弧段資源將成為制約高分辨率敏捷衛(wèi)星的短板。在新的運控模式下，首先在不考慮資源約束條件下，得到初始的任務(wù)規(guī)劃隊列；之后，地面任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)根據(jù)衛(wèi)星方提供的“數(shù)字化模型”，動態(tài)計算任務(wù)隊列對應的真實蓄電池電量、可用星載存儲資源容量、可傳輸數(shù)傳弧段長度，天線預置時長，成像姿態(tài)預置時長等，修正約束條件；通過約束條件和任務(wù)隊列之間的閉環(huán)迭代優(yōu)化，避免傳統(tǒng)運控模式過渡保守的資源約束制約衛(wèi)星使用效能。

3)從星地開環(huán)管理向星地閉環(huán)管理轉(zhuǎn)變

衛(wèi)星除了回放載荷數(shù)據(jù)，還將運行過程的工程參數(shù)回放到地面系統(tǒng)，分析實際運行過程與地面“數(shù)字化衛(wèi)星模型”的預測差異，定期修正能源模型、姿態(tài)機動模型等，實現(xiàn)應用策略與衛(wèi)星特性的匹配性，實現(xiàn)衛(wèi)星全生命周期的精細化運營管理。同時，衛(wèi)星根據(jù)實時遙測信息自主優(yōu)化成像過程和數(shù)據(jù)回放計劃，并將星上自主調(diào)整的結(jié)果通知地面任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)，地面任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)根據(jù)衛(wèi)星的運行狀態(tài)優(yōu)化后繼用戶任務(wù)。

3 應用效益分析

以某在軌綜合型遙感衛(wèi)星為例，僅從任務(wù)注入效率、用戶操作復雜度、對我國實時監(jiān)測效率的角度出發(fā)，分析本文運控模式相比傳統(tǒng)運控模式的優(yōu)勢。該衛(wèi)星采用太陽同步回歸圓軌道，軌道高度490 km。衛(wèi)星裝載3臺相機載荷，支持單相機載荷成像、相機載荷兩兩組合成像、3臺相機聯(lián)合成像共計7種載荷組合模式。支持每軌一次姿態(tài)機動成像或者連續(xù)兩次姿態(tài)機動成像，共計2種成像姿態(tài)機動策略。衛(wèi)星配置兩副點波束數(shù)傳天線和一副低速數(shù)傳天線，支持總計3種數(shù)據(jù)傳輸模式，其中對地天線的轉(zhuǎn)動范圍為飛行方向-105°～+105°，垂直飛行方向-70°～+70°，轉(zhuǎn)動速度1(°)/s，天線預置時間的最大包絡(luò)為210 s。對于我國境內(nèi)成像任務(wù)，采用高速實時傳輸、高速邊記邊放、低速邊記邊放模式；對于我國境外的成像任務(wù)，采用境外成像數(shù)據(jù)記錄，境內(nèi)高速回放或者低速回放模式，衛(wèi)星在軌需要支持共計6種數(shù)據(jù)處理方法。采用“宏指令”，每個用戶任務(wù)包含的信息不超過40字節(jié)，傳統(tǒng)運控模式下每個上行注入任務(wù)數(shù)據(jù)塊可以容納6個任務(wù)，注入效率提升了5倍；采用3個面向用戶業(yè)務(wù)的通用操控接口，就可以支持總計52種工作模式，包括7種載荷組合模式、2種姿態(tài)機動策略下的總計14種成像記錄工作模式，7種載荷組合模式、2種數(shù)據(jù)傳輸策略下的總計14種對地實時傳輸工作模式，7種載荷組合模式、3種數(shù)據(jù)傳輸策略下的總計21種邊記邊放工作模式，以及3種數(shù)據(jù)回放模式，操控接口復雜度可以減少94%。采用STK軟件對該衛(wèi)星一個回歸周期的成像任務(wù)進行仿真，采用傳統(tǒng)運控體制時，衛(wèi)星單軌成像的點目標數(shù)最大為6個，采用有向圖關(guān)鍵路徑優(yōu)化技術(shù)后，衛(wèi)星單軌成像的點目標數(shù)量最大提升到8個，衛(wèi)星單軌最大信息獲取效能提升了33.3%。采用北京、三亞兩個地面站，多站接力傳輸可傳弧段時間最長16 min，傳統(tǒng)運控模式下，對地面站兩次接力傳輸?shù)那袚Q時間為5 min，采用“提前預置、交叉使用”的數(shù)據(jù)傳輸策略，兩次接力傳輸?shù)那袚Q時間為30 s，數(shù)傳弧段的使用效率從69%提升到97%。該綜合型遙感衛(wèi)星的后繼星采用動態(tài)約束條件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的靜態(tài)約束條件優(yōu)化總體方案，采用能源按天平衡策略和星上動態(tài)存儲管理策略，衛(wèi)星載荷成像功率增長5.6倍，對地回放功率增長12.3倍，中繼回放功率增長13.8倍，而蓄電池容量僅增長71.4%，太陽電池陣的供電能力則優(yōu)化了22.4%；衛(wèi)星有效載荷數(shù)據(jù)率增長了近20倍，而存儲容量、對地傳輸數(shù)據(jù)率、中繼傳輸數(shù)據(jù)率分別僅增長到3.0倍、2.3倍和2.0倍。采用STK對該后繼星的在軌典型任務(wù)進行仿真，蓄電池的平均放電深度18%(當前在軌衛(wèi)星平均放電深度13%)，最大放電深度不超過30%(當前在軌衛(wèi)星最大放電深度不超過20%)；衛(wèi)星存儲平均使用率提高到優(yōu)于90%(當前在軌衛(wèi)星的固存使用效率平均低于40%)，大幅度提升了星載能源和存儲資源的使用效率。

4 結(jié)束語

綜上所述，任務(wù)注入、設(shè)備控制、信息獲取、數(shù)據(jù)傳輸、能源平衡是影響遙感衛(wèi)星可用性的主要環(huán)節(jié)，本文提出一種全新的遙感衛(wèi)星天地一體化在軌運控模式，采用面向任務(wù)的“宏指令”，提升了復雜衛(wèi)星的任務(wù)注入效率，并簡化了星上設(shè)備的控制難度；地面系統(tǒng)采用基于衛(wèi)星數(shù)字化模型的“動態(tài)約束規(guī)劃”，結(jié)合星載計算機的“自主指令序列優(yōu)化”技術(shù)，提升了成像數(shù)據(jù)獲取效率、海量數(shù)據(jù)傳輸效率、能源使用效率等。本文方案對后繼遙感衛(wèi)星運控模式研究具有借鑒意義。

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