陳軍超 張虹 董義兵 由凱

1.西安衛(wèi)星測控中心陜西西安710043

目前,西安衛(wèi)星測控中心的測站大部分設(shè)備基本實現(xiàn)了測控設(shè)備自動化運行[1],成功率可達(dá)到99%.但目前的設(shè)備自動化運行只局限于衛(wèi)星長期管理階段單站測控,無法完成早期軌道段測控任務(wù)的自動化控制,這種狀況是對中心自動化建設(shè)和測控設(shè)備自動化長遠(yuǎn)發(fā)展的極大制約.造成這種缺陷的一個重要因素就是難以解決在早期階段的多站接力測控、捕獲跟蹤異常等問題.這是因為目前測站設(shè)備的自動化控制單純以網(wǎng)管計劃為統(tǒng)一依據(jù),不能靈活應(yīng)對各種聯(lián)合測控情況.

實現(xiàn)多站接力測控的一個很好解決方案就是為設(shè)備的自動化運行增加控制策略,使得測站設(shè)備的自動化運行同時以網(wǎng)管計劃和控制策略為依據(jù),增加設(shè)備自動化運行的靈活度,從而實現(xiàn)多站接力測控自動化運行控制.

1 多站接力測控手動運行場景

目前,測站多站接力測控大多采用手動方式運行.在前站可直接發(fā)送上行的情況下,測站也可采用自動化運行+手動運行的方式.設(shè)備操作人員根據(jù)中心調(diào)度對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤,根據(jù)實際情況分析,主要存在以下運行場景: 同點頻接力跟蹤(標(biāo)準(zhǔn))及同點頻同碼組接力跟蹤(擴(kuò)頻)、同點頻不同碼組接力跟蹤和遙控優(yōu)先級競爭式跟蹤.在手動運行模式下,以同點頻接力跟蹤為例,場景可描述如下:

1)測站根據(jù)設(shè)備工作計劃按時加載缺省狀態(tài)設(shè)置宏: 前站、后站設(shè)備跟蹤狀態(tài)都設(shè)置為TM 狀態(tài);

2)前站跟蹤后,根據(jù)中心調(diào)度,將跟蹤狀態(tài)設(shè)置為TM+TC+R 狀態(tài);

3) 前站狀態(tài)設(shè)置完成后向中心進(jìn)行狀態(tài)報告,中心根據(jù)前站遙控可發(fā)令狀態(tài),開始發(fā)送指令;

4)后站按照缺省狀態(tài)進(jìn)行跟蹤;

5) 中心向測站發(fā)出前站退出接力調(diào)度口令,前站根據(jù)調(diào)度將狀態(tài)設(shè)置為TM+R 狀態(tài),設(shè)置完成后向中心進(jìn)行報告; 中心向測站發(fā)出后站接力調(diào)度口令,后站根據(jù)調(diào)度將狀態(tài)設(shè)置為TM+TC+R 狀態(tài);

6) 后站狀態(tài)設(shè)置完成后向中心進(jìn)行狀態(tài)報告,中心根據(jù)后站遙控可發(fā)令狀態(tài),開始發(fā)送指令;

7) 中心向測站發(fā)出接力跟蹤結(jié)束調(diào)度口令,測站根據(jù)調(diào)度退出接力跟蹤測控任務(wù).

2 多站接力測控自動化運行設(shè)計

本文設(shè)計一種安全可靠的多站接力測控自動化運行架構(gòu),該架構(gòu)以中心調(diào)度為主,根據(jù)XML 策略庫、指令庫和設(shè)備實時狀態(tài)判讀結(jié)果[2],向相關(guān)設(shè)備發(fā)送接力跟蹤命令[3].該架構(gòu)實時獲取設(shè)備運行狀態(tài)作為設(shè)備控制命令的結(jié)果反饋,并根據(jù)測站設(shè)備反饋狀態(tài)指導(dǎo)中心調(diào)度命令執(zhí)行,能有效降低多站接力測控過程中人為因素的影響,提高測控設(shè)備自動化運行的安全性和可靠性,提升接力測控自動化運行水平和任務(wù)成功率.

多站接力測控自動化運行架構(gòu)設(shè)計如圖1所示.

以該架構(gòu)為模型,搭建多站接力測控自動化運行操作平臺.該平臺有兩個外部數(shù)據(jù)接口: 設(shè)備運行狀態(tài)和中心調(diào)度命令.其中設(shè)備運行狀態(tài)是指影響測控任務(wù)和遙控發(fā)令的設(shè)備關(guān)鍵點狀態(tài),平臺根據(jù)設(shè)備狀態(tài)判讀算法,從策略庫中獲取設(shè)備綜合狀態(tài)判斷策略,給出設(shè)備綜合狀態(tài)判斷結(jié)果和遙控可發(fā)令判斷,中心根據(jù)遙控可發(fā)令判斷向衛(wèi)星發(fā)送遙控指令[4];中心調(diào)度命令是中心通過遠(yuǎn)程控制向測站設(shè)備發(fā)送設(shè)備控制命令,主要包括:

1)多站接力跟蹤開始命令;

2)設(shè)備前站、后站設(shè)置命令;

3)設(shè)備前站、后站切換命令;

4)設(shè)備參數(shù)和狀態(tài)設(shè)置命令;

5)多站接力跟蹤結(jié)束命令.

平臺根據(jù)多站接力測控算法,將中心調(diào)度命令轉(zhuǎn)換成設(shè)備可識別的設(shè)備控制命令,遠(yuǎn)程控制測站設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)操作.

2.1 控制策略設(shè)計

由于多站接力跟蹤涉及多個站多套設(shè)備的聯(lián)合工作,各個站運行模式的差異、各套設(shè)備工作方式的不同,導(dǎo)致了在多站接力跟蹤任務(wù)中自動化運行參數(shù)也存在很大差異.同時,在不同接力跟蹤場景下,多站接力跟蹤的流程亦存在不同.因此,在多站接力測控自動化運行設(shè)計中,采用策略配置的方式,可屏蔽各設(shè)備參數(shù)和運行流程帶來的差異,方便操作人員對運行策略進(jìn)行定制[5].多站接力跟蹤自動控制策略主要包含以下3 個策略項:

1) 設(shè)備綜合狀態(tài)判斷策略.該策略是判斷設(shè)備綜合狀態(tài)是否正確的參考依據(jù),它描述了參加測控任務(wù)的設(shè)備在指定跟蹤模式下、指定任務(wù)下對設(shè)備狀態(tài)起關(guān)鍵性作用的參數(shù)集合的合法性.通過參照參數(shù)集中參數(shù)的合法值或值域,可判斷出設(shè)備的綜合狀態(tài)是否正確.該策略采用四級結(jié)構(gòu)對設(shè)備運行的關(guān)鍵參數(shù)集合進(jìn)行描述,設(shè)備綜合狀態(tài)判斷策略結(jié)構(gòu)描述如圖2所示.

考慮到多套設(shè)備在多個工作模式下多個任務(wù)的參數(shù)集要求可能相同,結(jié)構(gòu)中采用組的形式對策略配置與特征模式匹配[6].該策略的主要描述內(nèi)容如表1所示:

表1 設(shè)備綜合狀態(tài)判斷策略參數(shù)描述表

圖1 多站接力測控自動化運行架構(gòu)設(shè)計

圖2 設(shè)備綜合狀態(tài)判斷策略描述結(jié)構(gòu)圖

2) 命令轉(zhuǎn)換策略.該策略將中心調(diào)度命令分解成一系列具有邏輯關(guān)系的簡單操作指令,并結(jié)合基礎(chǔ)指令庫,將分解的指令轉(zhuǎn)換成各設(shè)備可識別的設(shè)備操作命令或平臺內(nèi)部狀態(tài)設(shè)置命令[7],從而完成較為復(fù)雜的設(shè)備遠(yuǎn)程操作控制.命令轉(zhuǎn)換策略邏輯轉(zhuǎn)換描述如圖3所示:

圖3 命令轉(zhuǎn)換策略邏輯轉(zhuǎn)換描述圖

3) 系統(tǒng)運行策略.系統(tǒng)運行策略描述了多站接力跟蹤自動化運行方案,考慮了平臺操控的安全性和可靠性,是平臺運行和算法設(shè)計流程的依據(jù).平臺運行策略如圖4所示.

平臺以主備(熱備) 方式運行,主機(jī)采用大環(huán)比對方式確保數(shù)據(jù)的正確性,即控制命令發(fā)送設(shè)備后,接收設(shè)備的應(yīng)答響應(yīng),并實時監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài);備機(jī)采用小環(huán)比對方式[8],即控制命令在內(nèi)部進(jìn)行正確性比對,并實時監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)和主機(jī)運行狀態(tài).如果主機(jī)出現(xiàn)故障,平臺會自動切換到備機(jī)進(jìn)行工作[9],也可人工進(jìn)行主備機(jī)的切換.

圖4 平臺運行策略描述圖

平臺在網(wǎng)絡(luò)通信上采用A、B雙平面方式與設(shè)備進(jìn)行通信[10],在設(shè)備接收端再對雙平面進(jìn)行融合[11].這種方式可以保證通信鏈路有備份,即使一個鏈路出現(xiàn)故障,另一個也能保證通信正常工作,提高通信安全性可靠性.每個平面使用UDP 加密包進(jìn)行通信[12],在數(shù)據(jù)傳輸上借鑒冗余備份機(jī)制[13?14],采用3判2 比對方式(每次通信發(fā)3 個數(shù)據(jù)包,接收端判斷有兩個相同,則證明數(shù)據(jù)正確) 進(jìn)行處理,確保數(shù)據(jù)的正確性和可靠性.

2.2 設(shè)備綜合狀態(tài)判讀算法

平臺采用設(shè)備綜合狀態(tài)判讀算法給出設(shè)備綜合狀態(tài)判讀結(jié)果.算法給出的設(shè)備綜合狀態(tài)判讀結(jié)果的合法性可以采用簡單二叉樹向量機(jī)模型表示[15],如圖5所示.

圖5 設(shè)備綜合狀態(tài)描述二叉樹

算法中用ωi表示參數(shù)的影響系數(shù),ωi=1 的參數(shù)稱為設(shè)備綜合狀態(tài)的影響因子,ωi=0 的參數(shù)稱為非影響因子.用Pi表示第i個參數(shù),則上圖中P3為非影響因子.對于設(shè)備綜合狀態(tài)的判別,只考慮影響因子的狀態(tài),不考慮非影響因子的狀態(tài)[16].用Si表示參數(shù)Pi的狀態(tài),Si=0 表示該參數(shù)狀態(tài)錯誤,Si=1 表示該參數(shù)狀態(tài)正常.用R表示設(shè)備綜合狀態(tài)正常,W表示設(shè)備綜合狀態(tài)異常.

從圖4中可以看出,如果節(jié)點Pi的狀態(tài)Si=0則設(shè)備綜合狀態(tài)直接被判定為錯誤狀態(tài),只有當(dāng)節(jié)點Pi的狀態(tài)Si=1 時,算法才會繼續(xù)對節(jié)點Pi+1進(jìn)行狀態(tài)判斷,如果所有節(jié)點狀態(tài)的判讀結(jié)果都正常,則算法結(jié)果為R狀態(tài),即設(shè)備綜合狀態(tài)正常.用S表示設(shè)備綜合狀態(tài),則

由于

由式(1)和式(2)可以得出:

其中,F(ωi,Pi)是對Si進(jìn)行求值的函數(shù),其處理過程遵循以下策略:

1)ωi值為0 時,函數(shù)返回值等于1;

2)ωi值為1 時,函數(shù)返回值取決于對Pi的狀態(tài)計算值;

3)對Pi的狀態(tài)求值要遵循設(shè)備綜合狀態(tài)判斷策略.

設(shè)備綜合狀態(tài)判讀算法流程如圖6所示.

圖6 設(shè)備綜合狀態(tài)判讀算法流程圖

2.3 多站接力測控算法

多站接力測控算法完成對多站接力測控自動化運行的控制,測控算法流程圖如圖7所示:

該算法主要實現(xiàn)以下幾個方面的功能:

1)按照策略和測控設(shè)備工作計劃對多站接力測控自動化運行過程進(jìn)行嚴(yán)格控制和跟蹤階段劃分;

圖7 多站接力測控算法流程圖

2)將中心調(diào)度命令轉(zhuǎn)換成設(shè)備控制命令或平臺內(nèi)部狀態(tài)設(shè)置命令,并按照相關(guān)策略將命令發(fā)送出去,或根據(jù)狀態(tài)設(shè)置命令設(shè)置平臺狀態(tài);

3) 實時獲取設(shè)備綜合狀態(tài)結(jié)果,并結(jié)合設(shè)備工作計劃和任務(wù)狀態(tài)給出遙控可發(fā)令判斷;

4) 實時獲取設(shè)備相關(guān)運行狀態(tài),對非法或異常的設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行狀態(tài)抑制或狀態(tài)糾正.

3 多站接力測控自動運行場景

經(jīng)過自動化運行設(shè)計后的多站接力測控場景描述如下:

1)測站根據(jù)設(shè)備工作計劃進(jìn)入自動化運行狀態(tài);

2)自動化運行操作平臺根據(jù)中心命令設(shè)置跟蹤前站和跟蹤后站;

3)自動化運行操作平臺根據(jù)運行策略實時監(jiān)聽并設(shè)置前站、后站跟蹤狀態(tài);

4)自動化運行操作平臺根據(jù)前站設(shè)備綜合狀態(tài)判讀結(jié)果和中心調(diào)度命令給出可發(fā)令判斷,開始發(fā)送指令;

5)自動化運行操作平臺根據(jù)中心命令和運行策略切換前站、后站并設(shè)置狀態(tài);

6)自動化運行操作平臺根據(jù)后站設(shè)備綜合狀態(tài)判讀結(jié)果和中心調(diào)度命令給出可發(fā)令判斷,開始發(fā)送指令;

7)自動化運行操作平臺根據(jù)中心調(diào)度命令發(fā)出接力跟蹤結(jié)束口令,測站設(shè)備根據(jù)命令自動退出接力跟蹤測控任務(wù).

從以上運行場景可以看出,經(jīng)過自動化運行改造后的多站接力測控相比傳統(tǒng)的手動多站接力測控,在流程上無需人為干預(yù),只需中心通過命令方式便可完成多站接力測控任務(wù),能夠較好地實現(xiàn)多站接力測控的自動化運行.

4 結(jié)論

多站接力測控任務(wù)是衛(wèi)星早期階段和長期管理階段一項非常重要的測控工作,然而當(dāng)前手動模式下的多站接力測控方案嚴(yán)重影響著設(shè)備自動化運行,實現(xiàn)多站接力測控的自動化運行是促進(jìn)“測控設(shè)備自動化”這個長遠(yuǎn)目標(biāo)中不可或缺的環(huán)節(jié).本文根據(jù)目前多站接力測控不能進(jìn)行自動化運行的實際情況,研究探索一種基于XML 可配置策略的自動化控制技術(shù),并根據(jù)該技術(shù)搭建測控設(shè)備自動化操作平臺,解決多站接力測控自動化運行問題.

本文研究成果主要有以下特點:

1)設(shè)計了多站接力測控自動化控制技術(shù)和方案,解決了多站接力測控自動化運行問題;

2) 采用可配置的策略定制方法,使得用戶可根據(jù)實際情況對自動化控制策略進(jìn)行修改,提高了自動化運行的靈活性和適應(yīng)性.

3) 解決了傳統(tǒng)多站接力跟蹤對人的依賴性,有效降低了人為因素對測控任務(wù)的影響,提高了任務(wù)運行可靠程度.