范 凱，崔本杰，陳占勝，成 飛

（上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201108）

0 引言

隨著航天技術(shù)的快速發(fā)展，衛(wèi)星在軌工作模式向智能化、自主化運行方向發(fā)展［1］。國內(nèi)外相繼開展了衛(wèi)星自主任務(wù)規(guī)劃技術(shù)的研究。美國國家航空航天局（NASA）在地球觀測衛(wèi)星（EO-1）的基礎(chǔ)上，先后開發(fā)了“自主調(diào)度與規(guī)劃”“調(diào)度和執(zhí)行程序框架”兩型衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)［2］。歐洲航天局（ESA）也支持了星載自主規(guī)劃技術(shù)［3］。在規(guī)劃算法方面，GRASSET-BOURDEL 等［4］研究了基于約束規(guī)劃模型的回溯式啟發(fā)式算法，該算法復(fù)雜度較低。SARKHEYLI 等［5］在研究低軌道衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃時，將任務(wù)優(yōu)先級、資源約束和用戶滿意度納入考量因素，設(shè)計了一種新的禁忌搜索算法進(jìn)行求解。劉嵩等［6］基于任務(wù)規(guī)劃過程的多種約束進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，針對該模型提出一種滾動規(guī)劃啟發(fā)式算法，將一次的全局任務(wù)規(guī)劃過程劃分為連續(xù)多次的局部規(guī)劃。何永明等［7］給出了一種星上自主任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的設(shè)計方案，包括星上和地面系統(tǒng)，分別實現(xiàn)不同的功能并協(xié)同完成某些復(fù)雜任務(wù)。薛志家等［8］提出了一種啟發(fā)式搜索與改進(jìn)的突發(fā)性任務(wù)自主規(guī)劃方法，完成目標(biāo)任務(wù)所需的時序規(guī)劃。楊正磊等［9］針對應(yīng)急條件下成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃問題，建立了單任務(wù)綜合規(guī)劃模型，綜合考慮了任務(wù)規(guī)劃過程中衛(wèi)星、測控及數(shù)傳資源的分配。徐崇彥等［10］將衛(wèi)星使用約束抽象為規(guī)劃規(guī)則，設(shè)計了靈巧衛(wèi)星啟發(fā)式任務(wù)規(guī)劃算法。以上研究在學(xué)術(shù)上均做出了一定的探索工作，但未做工程實現(xiàn)。在工程實踐上，中國空間技術(shù)研究院在高分三號（GF-3）衛(wèi)星上開展了自主任務(wù)規(guī)劃及在軌驗證，提出單次記錄、單天線單站邊記邊放、單天線雙站邊記邊放等9 種自主任務(wù)規(guī)劃編排指令模板［11］。李德仁等［12］介紹了珞珈一號01 星夜光遙感設(shè)計與處理，實現(xiàn)了全國夜光一張圖任務(wù)規(guī)劃。余濤等［13］介紹了“天平”一號衛(wèi)星提出了標(biāo)校衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃方法，對精密定軌調(diào)度和標(biāo)校數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)流程進(jìn)行了分析設(shè)計。以上衛(wèi)星各具特點，但都針對特定任務(wù)，為基于地面上注任務(wù)的星上自主任務(wù)規(guī)劃。

浦江一號衛(wèi)星相比上述衛(wèi)星，在星上實時引導(dǎo)成像自主任務(wù)規(guī)劃做出了技術(shù)探索和在軌驗證，是一顆快速響應(yīng)型試驗小衛(wèi)星，于2015 年9 月25 日成功發(fā)射，衛(wèi)星質(zhì)量347 kg，運行在軌道高度約481 km的太陽同步軌道［14］。衛(wèi)星有效載荷包括電磁信號監(jiān)測、光學(xué)成像和星載圖像處理，其中，電磁信號監(jiān)測載荷實現(xiàn)對星下半錐角30°視場范圍的電磁輻射信號的接收與定位，并用于引導(dǎo)相機(jī)成像；光學(xué)成像為離軸三反時間延時積分電荷耦合器件（Time Delay and Integration Charge Coupled Devices，TDI/CCD）線陣相機(jī)，采用一維機(jī)構(gòu)驅(qū)動擺鏡快速指向目標(biāo)區(qū)域并進(jìn)行可見光成像，地面成像分辨率優(yōu)于3 m，相機(jī)瞬時成像幅寬24 km，掃描幅寬550 km；星載圖像處理載荷實現(xiàn)對目標(biāo)的快速自主識別、高精度定位。衛(wèi)星自主任務(wù)規(guī)劃軟件、數(shù)管軟件、姿軌控軟件等共同運行于綜合電子計算機(jī)，依托星上P1750處理器有限的處理資源，具備在軌多目標(biāo)自主引導(dǎo)成像任務(wù)規(guī)劃能力。本文介紹了浦江一號衛(wèi)星自主任務(wù)規(guī)劃的設(shè)計、測試及在軌應(yīng)用情況。

1 自主任務(wù)規(guī)劃設(shè)計

1.1 自主成像任務(wù)規(guī)劃設(shè)計

1.1.1 自主成像任務(wù)規(guī)劃工作原理

傳統(tǒng)的衛(wèi)星成像任務(wù)規(guī)劃主要由地面管控實現(xiàn)，在地面確定成像區(qū)域、進(jìn)行軌道遞推、協(xié)調(diào)資源沖突、解算成像任務(wù)執(zhí)行參數(shù)等，生成程控作業(yè)指令鏈，在衛(wèi)星過境時上注星上。因星地鏈路無法實現(xiàn)全時互通，傳統(tǒng)做法無法應(yīng)對在軌實時新發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)，對地面管控支持依賴度較高，不適應(yīng)日益增長的衛(wèi)星應(yīng)用便捷性、高時效性需求。

浦江一號衛(wèi)星采用的星載電磁環(huán)境監(jiān)測與光學(xué)成像自主任務(wù)規(guī)劃技術(shù)，將地面管控功能高效地移植到星上，根據(jù)電磁環(huán)境監(jiān)測載荷搜索范圍大的特點對目標(biāo)進(jìn)行初定位，或根據(jù)地面實時上注的成像區(qū)域的定位信息，結(jié)合衛(wèi)星當(dāng)前軌道、姿態(tài)、載荷指向與調(diào)整方式等信息，星上實時接收電磁監(jiān)測載荷的目標(biāo)引導(dǎo)隊列，進(jìn)行目標(biāo)優(yōu)選，高精度求解相機(jī)擺鏡指向與成像觸發(fā)時刻，及時生成平臺與載荷工作指令鏈，引導(dǎo)相機(jī)對優(yōu)選目標(biāo)成像。

浦江一號衛(wèi)星在目標(biāo)進(jìn)入視場被載荷發(fā)現(xiàn)，到相機(jī)對目標(biāo)推掃成像，一般不到30～60 s，星上需要在短時間內(nèi)完成目標(biāo)信號識別定位（2 s）、目標(biāo)隊列短時積累（5 s）、目標(biāo)優(yōu)選及星上引導(dǎo)計算（0.10 s）、擺鏡指向調(diào)整（4 s）、偏流角精修調(diào)整（20 s），并在飛鄰目標(biāo)上空前5 s 開始成像，獲取10 s 圖像。針對實時性的目標(biāo)引導(dǎo)成像任務(wù)，目標(biāo)搜索及引導(dǎo)成像可視范圍不斷向前推進(jìn)，短時最優(yōu)并不代表全局最優(yōu)，星上采用貪婪策略對不斷滾動推進(jìn)的局部視場中的目標(biāo)進(jìn)行快速優(yōu)選，通過以下措施優(yōu)選目標(biāo)：1）裝訂信號庫，做重點目標(biāo)篩選；2）對積累的多個目標(biāo)按優(yōu)先級排序；3）多目標(biāo)可見性計算，得到時間-擺角信息；4）采用貪婪算法確定滿足時間約束及擺角切換約束的目標(biāo)。

自主任務(wù)規(guī)劃技術(shù)工作原理如圖1 所示。

圖1 浦江一號衛(wèi)星自主成像任務(wù)規(guī)劃工作原理Fig.1 Principle of autonomous imaging mission planning for PJ-1 satellite

1.1.2 自主成像任務(wù)規(guī)劃工作模式

浦江一號衛(wèi)星自主任務(wù)規(guī)劃根據(jù)載荷特點及平臺能力，設(shè)計了三種工作模式，分別為詳查引導(dǎo)成像模式、快速引導(dǎo)成像模式、姿態(tài)機(jī)動引導(dǎo)成像模式。其中，前兩種模式通過相機(jī)擺鏡機(jī)構(gòu)完成成像視場調(diào)整，后一種通過衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動完成成像視場調(diào)整。衛(wèi)星自主任務(wù)規(guī)劃工作場景如圖2 所示。

圖2 引導(dǎo)成像示意圖Fig.2 Schematic diagram of guiding imaging modes

1）詳查引導(dǎo)模式。由相機(jī)的滾動軸擺鏡機(jī)構(gòu)完成成像視場調(diào)整，實時進(jìn)行成像點偏流角修正，盡可能地提供引導(dǎo)區(qū)域的清晰圖像，由姿軌控修正擺鏡擺角變化引起的偏流角偏差，具備多區(qū)域引導(dǎo)成像能力。

2）快速引導(dǎo)模式。由相機(jī)的滾動軸擺鏡機(jī)構(gòu)完成成像視場調(diào)整，僅修正星下點偏流角。相比詳查模式，雖然大角度的成像質(zhì)量稍有降低，但節(jié)省了偏流角精修的時間，盡可能地擴(kuò)大了可引導(dǎo)成像的區(qū)域，提高了成像概率。

3）姿態(tài)機(jī)動引導(dǎo)模式。主要基于擺鏡機(jī)構(gòu)單點故障而設(shè)計?？稍跀[鏡故障時，通過姿態(tài)機(jī)動代替擺鏡調(diào)整成像視線指向，視線引導(dǎo)姿態(tài)機(jī)動，對自主任務(wù)規(guī)劃的整個流程進(jìn)行驗證，如圖3 所示。

圖3 工作模式時序圖Fig.3 Sequence diagram of operation modes

為實現(xiàn)衛(wèi)星高速運動時多目標(biāo)連續(xù)引導(dǎo)成像，兼顧偏流角修正保證圖像清晰，設(shè)計了基準(zhǔn)姿態(tài)角、基準(zhǔn)擺角、擺角控制量作為模式調(diào)控因子，確保圖像清晰，成像又快又穩(wěn)。成像任務(wù)規(guī)劃、偏流角計算與控制的調(diào)控因子關(guān)系如圖4 所示。

圖4 軟件信息流Fig.4 Software information flow

1.1.3 自主任務(wù)規(guī)劃的信息流設(shè)計

浦江一號衛(wèi)星自主任務(wù)規(guī)劃涉及了平臺的綜合電子、全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）、姿軌控等功能模塊，以及電磁環(huán)境監(jiān)測、相機(jī)、圖像處理三型載荷，信息流主要通過1553B 總線、RS422、綜合電子公共數(shù)據(jù)區(qū)、SpaceWire 等形式傳輸。信息流輔助完成的主要功能包括主任務(wù)規(guī)劃、姿軌控模式調(diào)控與偏流角跟蹤控制、電磁環(huán)境監(jiān)測定位、GPS 信息傳輸、相機(jī)偏流角、積分時間計算與成像控制、圖像處理載荷精確定位、相機(jī)與圖像處理載荷圖像數(shù)據(jù)傳輸、高程檢索等。成像任務(wù)自主規(guī)劃信息流如圖5 所示。

圖5 自主任務(wù)規(guī)劃信息流Fig.5 Autonomous task planning information flow

1.2 自主運行任務(wù)作業(yè)實施設(shè)計

為了解決衛(wèi)星應(yīng)答機(jī)故障或者星地測控?zé)o法保障時衛(wèi)星失效問題，衛(wèi)星通過判斷未收到地面上行控制作業(yè)時長，判斷衛(wèi)星升降軌、衛(wèi)星經(jīng)緯度，在上述3 個條件均滿足的情況下通過計算機(jī)程控方式實施有效載荷作業(yè)和數(shù)傳作業(yè)。

1）衛(wèi)星未收到地面上行控制作業(yè)時長判斷。在綜合電子計算機(jī)數(shù)據(jù)管理軟件內(nèi)部設(shè)置一軟時鐘，在執(zhí)行完末次地面上行控制作業(yè)后開始計時。如果計時達(dá)到既定時長，則執(zhí)行衛(wèi)星升降軌的判斷和衛(wèi)星當(dāng)前位置的判斷；計時達(dá)到既定時長，且衛(wèi)星升降軌和當(dāng)前位置均滿足條件時，衛(wèi)星綜合電子計算機(jī)數(shù)據(jù)管理軟件發(fā)出有效載荷作業(yè)和數(shù)據(jù)傳輸作業(yè)的程序控制指令，作業(yè)完成后計數(shù)器清零并開始重新計數(shù)；如果計時過程中未達(dá)到既定時長時收到地面上行控制作業(yè)，則計數(shù)清零。

2）衛(wèi)星升降軌的判斷。衛(wèi)星升降軌根據(jù)衛(wèi)星軌道幅角進(jìn)行判斷：軌道幅角0°～90°、270°～360°區(qū)間為衛(wèi)星降軌，軌道幅角90°～270°區(qū)間為衛(wèi)星升軌。

3）衛(wèi)星星下點位置的判斷。設(shè)置降軌執(zhí)行任務(wù)判斷區(qū)（經(jīng)度范圍En1～En2，緯度范圍Nn1～Nn2，單位均為°），當(dāng)衛(wèi)星星下點經(jīng)度在En1～En2 之間、緯度在Nn1～Nn2，且衛(wèi)星為降軌時，則自動執(zhí)行任務(wù)。

設(shè)置升軌執(zhí)行任務(wù)判斷區(qū)（經(jīng)度范圍En3～En4，緯度范圍Nn3～Nn4，單位均為°），當(dāng)衛(wèi)星星下點經(jīng)度在En13～En4 之間、緯度在Nn3～Nn4，且衛(wèi)星為升軌時，則自動執(zhí)行任務(wù)。

衛(wèi)星降軌時星下點執(zhí)行作業(yè)判斷區(qū)，經(jīng)度范圍130°～145°，緯度范圍65°～70°，當(dāng)衛(wèi)星星下點經(jīng)度和緯度在該區(qū)域內(nèi)，且衛(wèi)星為降軌時，則衛(wèi)星自主實施有效載荷和數(shù)據(jù)傳輸作業(yè)。衛(wèi)星升軌時星下點執(zhí)行作業(yè)判斷區(qū)，經(jīng)度范圍120°～135°，緯度范圍-5°～0°，當(dāng)衛(wèi)星星下點經(jīng)度和緯度在該區(qū)域內(nèi)，且衛(wèi)星為升軌時，則衛(wèi)星自主實施有效載荷和數(shù)據(jù)傳輸作業(yè)。衛(wèi)星在軌自主實施作業(yè)任務(wù)的判斷區(qū)域示意圖如圖6 所示。

圖6 衛(wèi)星在軌自主實施作業(yè)任務(wù)的判斷區(qū)域示意圖Fig.6 Schematic diagram of the judgment area for the autonomous operation of the satellite on orbit

2 自主任務(wù)規(guī)劃地面驗證

2.1 地面測試系統(tǒng)

衛(wèi)星自主規(guī)劃設(shè)計的地面試驗驗證，是在軌成功應(yīng)用的關(guān)鍵所在，飛機(jī)搭載試驗與地面車載試驗成本高、操作繁瑣，同時星地相對運動關(guān)系由于速度、大氣、姿態(tài)測量、穩(wěn)定性等極難貼近真實狀態(tài)，不具備驗證可行性。設(shè)計了測試數(shù)據(jù)實時驅(qū)動STK 軟件場景的測試驗證系統(tǒng)，如圖7 所示?；贑++語言開發(fā)，以整星測試遙測數(shù)據(jù)與姿軌控動力學(xué)數(shù)據(jù)，實時驅(qū)動視景仿真計算機(jī)，充分利用STK 軟件中的矢量運算功能，通過比對視景仿真中可視化的衛(wèi)星位置、姿態(tài)、擺鏡位置、視軸與地面目標(biāo)相對關(guān)系，通過場景反演的偏流角等相關(guān)信息，與設(shè)計值進(jìn)行一致性比對。目標(biāo)數(shù)據(jù)采用電磁環(huán)境監(jiān)測單機(jī)模擬或采用地面上注方式。

圖7 自主任務(wù)規(guī)劃測試系統(tǒng)連接圖Fig.7 Connection diagram of the autonomous task planning test system

2.2 地面測試數(shù)據(jù)

在衛(wèi)星研制過程中進(jìn)行了自主任務(wù)規(guī)劃功能測試，驗證了自主任務(wù)規(guī)劃算法正確性，相機(jī)偏流角、積分時間算法正確性，圖像處理載荷高程查找正確性，GPS信息源、姿軌控跟蹤偏流角正確性，姿軌控WGS84數(shù)據(jù)正確性，引導(dǎo)輸出擺角控制信息和成像時序等。

以整星真空熱試驗過程中的自主任務(wù)規(guī)劃作業(yè)為例，熱平衡高溫工況、熱真空試驗高低溫保持期間共執(zhí)行9 次自主任務(wù)作業(yè)18 個成像目標(biāo)，18 個目標(biāo)分布在南北半球太陽照區(qū)，如圖8 所示。

圖8 測試用例目標(biāo)位置示意圖Fig.8 Target coordinates for the test

根據(jù)自主任務(wù)規(guī)劃的求解與執(zhí)行結(jié)果，對計算誤差、引導(dǎo)指向誤差進(jìn)行了統(tǒng)計，見表1。計算誤差是指在成像時刻、理想姿態(tài)、擺角控制準(zhǔn)確、無軌道誤差情況下，星上自主規(guī)劃核心算法輸出的求解結(jié)果經(jīng)過地面高精度遞推模型后，相機(jī)CCD 成像中心點與目標(biāo)坐標(biāo)的誤差。引導(dǎo)指向誤差是指在計算誤差基礎(chǔ)上，疊加姿態(tài)控制誤差、擺鏡指向控制誤差等的因素，相機(jī)實際成像中心點與目標(biāo)量測位置的誤差。

表1 計算誤差與綜合引導(dǎo)誤差結(jié)果Tab.1 Results of calculation errors and integrated guidance errors

采用廠房測試的計算結(jié)果遙測、擺鏡擺角遙測、三軸姿態(tài)角遙測等，進(jìn)行事后數(shù)據(jù)分析，得到表1的結(jié)果。可見綜合解算橫向誤差均方根31.10 m，縱向誤差110.10 m，綜合引導(dǎo)橫向誤差均方根837.80 m（等效481 km，角度0.099 7°），縱向誤差均方根70.70 m，縱向代表衛(wèi)星星下軌跡方向，橫向指與軌跡垂直方向。

通過星上遙測記錄18 個目標(biāo)的星上引導(dǎo)解算時間，統(tǒng)計得出星上自主任務(wù)規(guī)劃時間優(yōu)于0.10 s。

3 在軌應(yīng)用情況

浦江一號衛(wèi)星在軌開展了自主任務(wù)規(guī)劃在軌測試和應(yīng)用，在軌測試期間，先后執(zhí)行了數(shù)百次自主任務(wù)規(guī)劃作業(yè)。以2015 年10 月15 日單目標(biāo)自主任務(wù)規(guī)劃為例，引導(dǎo)成像結(jié)果如圖9 所示。圖中，“真實位置”代表地面目標(biāo)所在位置，“星上定位”代表電磁監(jiān)測載荷測量得到的目標(biāo)位置。引導(dǎo)試驗中電磁環(huán)境監(jiān)測星上定位誤差2.41 km，因平臺指向+相機(jī)擺鏡角度偏差導(dǎo)致的引導(dǎo)指向誤差橫向部分343.40 m，目標(biāo)真實位置與成像引導(dǎo)視場的中心橫向偏差2.54 km，處于24 km 幅寬中心附近，電磁監(jiān)測引導(dǎo)成像對目標(biāo)捕獲成功。

圖9 電磁環(huán)境監(jiān)測引導(dǎo)光學(xué)成像在軌圖片F(xiàn)ig.9 On-orbit image by electromagnetic detection guided optical imaging

以2015 年10 月27 日多目標(biāo)自主任務(wù)規(guī)劃為例，衛(wèi)星對黑海、地中海、北非附近連續(xù)11 個區(qū)域進(jìn)行了快速引導(dǎo)多區(qū)域成像任務(wù)，11 個區(qū)域連續(xù)成像成功執(zhí)行，每個區(qū)域成像10 s。區(qū)域與衛(wèi)星位置關(guān)系如圖10 所示。

圖10 連續(xù)成像目標(biāo)分布圖Fig.10 Target distribution of continuous imaging

在軌應(yīng)用表明，浦江一號衛(wèi)星自主任務(wù)規(guī)劃的單目標(biāo)引導(dǎo)成像橫向求解精度優(yōu)于100 m，擺鏡指向控制精度優(yōu)于0.10°，成像時刻求算時間小于40 ms。星上成像載荷可通過繞滾動軸擺鏡快速調(diào)整成像區(qū)域，具備對多目標(biāo)自主、快速、連續(xù)成像的能力，單次作業(yè)實現(xiàn)規(guī)劃目標(biāo)數(shù)優(yōu)于10 個。

浦江一號衛(wèi)星自主任務(wù)規(guī)劃引導(dǎo)效率高、精度高，縮短了衛(wèi)星任務(wù)管理鏈條，在快速發(fā)現(xiàn)、識別、確認(rèn)等應(yīng)用方面發(fā)揮了重要作用，在軌應(yīng)用獲取了大量高價值的電磁信號及影像數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

本文對浦江一號衛(wèi)星自主任務(wù)規(guī)劃的設(shè)計、測試及在軌應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)介紹。浦江一號衛(wèi)星自主任務(wù)規(guī)劃設(shè)計主要解決突發(fā)性、隨機(jī)性目標(biāo)的成像任務(wù)，減少了衛(wèi)星任務(wù)對地面的依賴，縮短了電磁信號監(jiān)測載荷與光學(xué)成像載荷配合時間，探索了多載荷綜合探測技術(shù)，優(yōu)勢互補(bǔ)，解決共視場、同時域、即聽即看的難題。同時也應(yīng)看到，浦江一號衛(wèi)星光學(xué)相機(jī)受光照、氣象條件影響，使用有一定的局限性。浦江一號衛(wèi)星突破的單星多手段協(xié)同應(yīng)用的自主成像任務(wù)規(guī)劃方法，可推廣至寬頻段電磁信號監(jiān)測與高光譜成像、紅外成像、合成孔徑雷達(dá)成像綜合應(yīng)用，以實現(xiàn)全天時、多維度信息獲取。