航天測控系統(tǒng)分層協(xié)調(diào)控制模型

王志淋， 李新明

（1.裝備學(xué)院 復(fù)雜電子系統(tǒng)仿真實驗室，北京 101416； 2.北京空間信息中繼傳輸技術(shù)研究中心，北京 100094）

隨著航天測控系統(tǒng)的規(guī)模日益擴(kuò)大，復(fù)雜程度越來越高，數(shù)字化設(shè)備得到廣泛使用，數(shù)字化測控系統(tǒng)得到迅速發(fā)展。與傳統(tǒng)測控系統(tǒng)相比，數(shù)字化測控系統(tǒng)在信息處理的復(fù)雜性，模型描述的多樣性，多層次、多任務(wù)的控制復(fù)雜性，任務(wù)模型的精確性等方面存在著很大的區(qū)別。航天測控系統(tǒng)的監(jiān)控基本上采用分層分類方法，根據(jù)航天測控系統(tǒng)中各分系統(tǒng)的特點分為衛(wèi)星控制、地面站設(shè)備監(jiān)控、測控中心任務(wù)規(guī)劃等方面。由于相關(guān)研究的側(cè)重點不同，模型抽象的層次不同，導(dǎo)致在工程應(yīng)用時，不能很好地相互匹配，不利于工程實現(xiàn)。若將測控系統(tǒng)的任務(wù)規(guī)劃、系統(tǒng)控制、系統(tǒng)監(jiān)視作為一個整體進(jìn)行監(jiān)控研究，采用統(tǒng)一的模型標(biāo)準(zhǔn)，則可實現(xiàn)分系統(tǒng)研究成果的匹配，更易于工程實現(xiàn)。離散事件動態(tài)系統(tǒng)是由離散事件驅(qū)動，并由離散事件按照一定運行規(guī)則相互作用，進(jìn)而導(dǎo)致狀態(tài)演化的一類動態(tài)系統(tǒng)［1］。航天測控系統(tǒng)作為大型人造系統(tǒng)，其系統(tǒng)控制規(guī)律符合離散事件動態(tài)系統(tǒng)的特征。離散事件動態(tài)系統(tǒng)的相關(guān)研究包括：離散事件系統(tǒng)監(jiān)控理論［2－4］、系統(tǒng)調(diào)用策略［5－6］、系統(tǒng)監(jiān)視控制［7－8］和系統(tǒng)診斷［9］等。

本文通過分析測控系統(tǒng)的工作流程，提出分層協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)模型，利用離散事件動態(tài)系統(tǒng)監(jiān)控理論，分別建立了任務(wù)規(guī)劃模型、任務(wù)協(xié)調(diào)模型、任務(wù)控制模型和系統(tǒng)監(jiān)視模型，以簡化的測控系統(tǒng)為例討論了上述自動機(jī)模型的組合方式，構(gòu)建了統(tǒng)一的分層協(xié)調(diào)控制模型。

1 分層協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)

航天測控系統(tǒng)的工作流程包括：匯集任務(wù)需求、統(tǒng)籌資源分配、任務(wù)操作分解、分系統(tǒng)協(xié)調(diào)、任務(wù)執(zhí)行以及協(xié)調(diào)監(jiān)視。在上述系統(tǒng)工作流程中，多個用戶的多批次任務(wù)需求統(tǒng)一匯總給資源分配，資源分配的重點是基站資源的規(guī)劃，要將多個基站合理地分配給不同用戶的不同批次的任務(wù)。在資源分配的基礎(chǔ)上進(jìn)行任務(wù)分解，將任務(wù)所需的操作分解給基站、衛(wèi)星等?；尽⑿l(wèi)星的操作之間存在相互約束關(guān)系，為了協(xié)調(diào)相關(guān)環(huán)節(jié)，必須對基站、衛(wèi)星進(jìn)行統(tǒng)籌和協(xié)調(diào)控制?；?、衛(wèi)星的控制方法、策略存在很大不同，其控制機(jī)制需分別設(shè)計實現(xiàn)。參考分層遞階控制理論［10］，提出航天測控系統(tǒng)的分層協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 航天測控系統(tǒng)的分層協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)

共分4個部分：

1）任務(wù)規(guī)劃。它是整個系統(tǒng)的高層機(jī)構(gòu)，主要完成任務(wù)規(guī)劃、決策、任務(wù)計劃；對系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作進(jìn)行監(jiān)督、指導(dǎo)、評估；收集環(huán)境信息，接受人員或外部系統(tǒng)的干預(yù)，逐步改進(jìn)系統(tǒng)，實現(xiàn)整個任務(wù)目標(biāo)。

2）任務(wù)協(xié)調(diào)。接收來自任務(wù)規(guī)劃的指令和每一個子系統(tǒng)執(zhí)行過程中的反饋信息，同時在線實時監(jiān)控、協(xié)調(diào)任務(wù)過程，并優(yōu)化任務(wù)執(zhí)行的控制指標(biāo)和參數(shù)等。為每個用戶任務(wù)提供獨立的協(xié)調(diào)控制節(jié)點，簡化協(xié)調(diào)控制流程。

3）任務(wù)控制。由基站控制、衛(wèi)星控制等多種控制過程組成，通過建立數(shù)學(xué)模型、檢測性能指標(biāo)或代價函數(shù)等，對任務(wù)過程中的環(huán)節(jié)、控制回路、被控對象進(jìn)行特定控制和檢測。各控制與物理設(shè)備一一對應(yīng)，且根據(jù)任務(wù)需求靈活組合。

4）系統(tǒng)監(jiān)視。通過對系統(tǒng)的運行狀態(tài)、任務(wù)執(zhí)行情況、參數(shù)以及控制過程的反饋等采集，經(jīng)信息預(yù)處理、特征提取和信息融合，對當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行識別和故障診斷，并將結(jié)果上報給任務(wù)規(guī)劃，作為決策依據(jù)。

2 系統(tǒng)模型

航天測控系統(tǒng)作為大型信息系統(tǒng)，其上層行為符合離散事件動態(tài)系統(tǒng)的邏輯特征［2］?？刹捎米詣訖C(jī)和形式語言方法，建立貫穿任務(wù)規(guī)劃、任務(wù)協(xié)調(diào)、任務(wù)控制、系統(tǒng)監(jiān)視全過程的模型體系。

2.1 任務(wù)規(guī)劃模型

任務(wù)規(guī)劃負(fù)責(zé)將用戶的任務(wù)申請轉(zhuǎn)換為測控系統(tǒng)的任務(wù)序列。用戶的任務(wù)申請為某一時段利用測控系統(tǒng)資源完成某顆衛(wèi)星的控制。衛(wèi)星測控時間段的選取，是根據(jù)衛(wèi)星狀態(tài)和用戶的操作需求決定，一般為固定時間段。由于測控系統(tǒng)的瓶頸資源為測站設(shè)備，故測控資源的分配可轉(zhuǎn)換為測站使用時段的分配。

測控系統(tǒng)的任務(wù)規(guī)劃過程描述如下。引入最小時間間隔T（Tick）概念，建立時間節(jié)點串。匯總所有用戶的任務(wù)申請，將申請中的時間段散列為時間節(jié)點串上的點。采用二維數(shù)組的形式描述用戶的申請集，每列代表具體的用戶，行方向為時間節(jié)點串上的申請需求標(biāo)志，若有申請則置1，否則為0。根據(jù)測站的數(shù)量，建立資源狀態(tài)集合，按照輸入的用戶申請調(diào)整狀態(tài)。

定義1 （任務(wù)規(guī)劃自動機(jī)）：

式中：

Q為狀態(tài)合集，是集合參數(shù)，形式為（q1，q2，…，qk），k為測站的數(shù)量，qi代表第i個測站的使用狀態(tài)，若為空表示測站空閑，為其他字符表示被某星的某任務(wù)占用。令Q＝（Q1，Q2，….Qn），為狀態(tài)集合，設(shè)函數(shù)num（Qi）（0＜i≤n）為狀態(tài)Qi時測站的在用數(shù)量。

R為輸入事件合集，是集合參數(shù)，形式為（r1，r2，…..rm），其中 m 為用戶數(shù)量，ri代表任務(wù)需求在時間串上的散列值，若為空則表示此時間節(jié)點上沒有任務(wù)需求，否則為第i個用戶的任務(wù)申請標(biāo)志。令R＝（R1，R2，…..Rm）為事件集，設(shè)函數(shù)num（Ri）（0＜i≤m）為當(dāng)前任務(wù)所需測站數(shù)量。令tag（ri）代表ri對應(yīng)的標(biāo)志。令enum（Ri）表示Ri中非空的任務(wù)需求合集。

M為輸出向量，其形式同R，只保留已分配的任務(wù)需求。

Q0為初始狀態(tài)，其值為（01，02，…0k），k為測站的數(shù)量。

δ為轉(zhuǎn)換函數(shù)，R×Q→Q：M，其轉(zhuǎn)換方式如下：

1）當(dāng)為起始狀態(tài)Q0時。若num（R1）＜k，則順序選取num（r1）個測控站狀態(tài)，將其值設(shè)為對應(yīng)衛(wèi)星的任務(wù)需求標(biāo)志，則狀態(tài)集合的值qx＝tag（ry），（其中0＜x≤num（r1），y∈enum（R1）），狀態(tài)集合的其他值為0；若num（R1）≥k，則順序選取k個測控站狀態(tài)，將其值設(shè)為從enum（R1）中順序選取的k個衛(wèi)星的任務(wù)申請。

2）在狀態(tài)Qi時。①num（R1）≤num（Qi），則表示當(dāng)前的任務(wù)需求減少，將不再包含在enum（Ri）中任務(wù)需求對應(yīng)的標(biāo)示重新置為0，將enum（Ri）中新增的任務(wù)需求按順序選取自動機(jī)狀態(tài)位修改；②num（Qi）＜num（R1）≤k，則表示當(dāng)前的任務(wù)需求增加，且沒有超過測控數(shù)量，將不再包含在enum（Ri）中任務(wù)需求對應(yīng)的標(biāo)示重新置為0，將enum（Ri）中新增的任務(wù)需求按順序選取自動機(jī)狀態(tài)位修改；③k＜num（R1），則表示當(dāng)前的任務(wù)需求超過測控數(shù)量，將不再包含在enum（Ri）中任務(wù)需求對應(yīng)的標(biāo)示重新置為0，將enum（Ri）中新增的任務(wù)需求按順序選取自動機(jī)狀態(tài)位修改，多余的任務(wù)需求遺棄。

3）在所有狀態(tài)下，自動機(jī)輸出Q的狀態(tài)序列。

2.2 任務(wù)協(xié)調(diào)模型

每個用戶的任務(wù)需求，在任務(wù)協(xié)調(diào)控制階段就轉(zhuǎn)化為一系列的活動，這些活動按照時間先后順序執(zhí)行，若某個活動出現(xiàn)問題，將導(dǎo)致整個任務(wù)控制流程終結(jié)。

每顆衛(wèi)星的活動數(shù)量是與遙控指令相對應(yīng)的，為固定值。令衛(wèi)星1的活動集為S1，A＝（S1，a1，S1，a2，…，S1，an），其中n為衛(wèi)星的指令個數(shù)。則所有衛(wèi)星的活動集合為：（m 為衛(wèi)星數(shù)量）。

每個測站的活動數(shù)量是與設(shè)備控制指令相對應(yīng)的，為固定值。令測站1的活動集為H1，A＝（H1，a1，H1，a2，…，H1，an），其中n 為設(shè)備控制的指令個數(shù)。則所有測站的活動集合為：Hi，A（m 為測站數(shù)量）。

令I(lǐng)start和Istop為某個活動的啟動、停止命令，則對應(yīng)S1，A＝（S1，a1，S1，a2，…，S1，an）活動，其命令形式為Istart，S1，a1和Istop，S1，a1。

定義2 （任務(wù)協(xié)調(diào)自動機(jī)）：

式中：

ψ為狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)，A×Q→Q：I，其轉(zhuǎn)換方式如下：

1）當(dāng)為初始狀態(tài)Q0即I時。若輸入為T時，則狀態(tài)保持不變，輸出Ivoid；若輸入為E，則狀態(tài)保持不變，輸出Ivoid；若輸入為具體的活動，則狀態(tài)值為活動標(biāo)示，輸出為活動的Istart指令。

2）當(dāng)為活動狀態(tài)時。① 若輸入為T時，則狀態(tài)變?yōu)镮，輸出狀態(tài)活動的Istop指令；② 若輸入為E，則狀態(tài)變?yōu)镕ault，輸出Ivoid；③ 若輸入為當(dāng)前活動時，則狀態(tài)保持不變，輸出Ivoid；④ 若輸入為新的活動時，則狀態(tài)值改為新活動的標(biāo)示，輸出當(dāng)前狀態(tài)的Istop指令和新狀態(tài)的Istart指令。

3）當(dāng)為Fault狀態(tài)時，整個自動機(jī)退出。

Q0為初始狀態(tài)I。

2.3 任務(wù)控制模型

衛(wèi)星、測站的控制遵循相同的模型。

定義3 （控制自動機(jī)）：

式中：

Q 為狀態(tài)合集，｛q｜q∈（I，W，F(xiàn)）｝（I代表空閑，W 代表運行，F(xiàn)代表故障）。

E 為事件合集，｛e｜e∈ （Istart，Istop，B，R）｝（Istart、Istop來自任務(wù)協(xié)調(diào)自動機(jī)的輸出；B代表出錯；R代表維護(hù)）。

O為輸出合集，｛o｜o∈（F，A）｝（F代表出錯，A代表可用）。

ξ為轉(zhuǎn)換函數(shù)，E×Q→Q：O，其轉(zhuǎn)換方式如下：

1）當(dāng)為初始狀態(tài)Q0即I時。若輸入為Istart時，則狀態(tài)變?yōu)閃，輸出A；輸入為B時，則狀態(tài)變?yōu)镕，輸出F；其他輸入時，狀態(tài)不改變，無輸出。

2）當(dāng)為初始狀態(tài)W 時。若輸入為Istop時，則狀態(tài)變?yōu)镮，輸出A；輸入為B時，則狀態(tài)變?yōu)镕，輸出F；其他輸入時，狀態(tài)不改變，無輸出。

3）當(dāng)為初始狀態(tài)F時。若輸入為R時，則狀態(tài)變?yōu)镮，輸出A；其他輸入時，狀態(tài)不改變，無輸出。

Q0為初始狀態(tài)I。

2.4 系統(tǒng)監(jiān)視模型

定義4 （系統(tǒng)監(jiān)視自動機(jī)）：

式中：

Q為狀態(tài)合集，｛q｜q∈（F，A）｝（F 代表出錯，A代表可用）。

E為事件合集，｛e｜e∈（B，R）｝（B 代表出錯，R代表維護(hù)）。

O為輸出合集，｛o｜o∈（F，A）｝（F代表出錯，A代表可用）。

ξ為轉(zhuǎn)換函數(shù)，E×Q→Q：O，其轉(zhuǎn)換方式如下：

1）當(dāng)為初始狀態(tài)A時。若輸入為B時，則狀態(tài)變?yōu)镕，輸出F；其他輸入時，狀態(tài)不改變，無輸出。

2）當(dāng)為初始狀態(tài)F時。若輸入為R時，則狀態(tài)變?yōu)锳，輸出A；其他輸入時，狀態(tài)不改變，無輸出。

Q0為初始狀態(tài)A。

2.5 小 結(jié)

基于上述的任務(wù)規(guī)劃模型、過程協(xié)調(diào)模型、執(zhí)行控制模型和系統(tǒng)監(jiān)視模型，一個航天測控系統(tǒng)由一個任務(wù)規(guī)劃自動機(jī)、多個任務(wù)協(xié)調(diào)自動機(jī)（由并行執(zhí)行任務(wù)數(shù)量確定）、多個任務(wù)控制自動機(jī)（由衛(wèi)星、測站數(shù)量確定），以及一個系統(tǒng)監(jiān)控自動機(jī)組成，基于分層協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)（參見圖1）實現(xiàn)航天測控系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制。其中，任務(wù)規(guī)劃自動機(jī)識別用戶申請，形成多個任務(wù)執(zhí)行序列；每個任務(wù)執(zhí)行序列對應(yīng)一個任務(wù)協(xié)調(diào)自動機(jī)，驅(qū)動任務(wù)按序執(zhí)行；任務(wù)控制自動機(jī)根據(jù)協(xié)調(diào)指令，完成所需操作；系統(tǒng)監(jiān)視自動機(jī)監(jiān)聽多個任務(wù)控制自動機(jī)的健康狀態(tài)，若設(shè)備故障則調(diào)整系統(tǒng)資源可用數(shù)量；任務(wù)規(guī)劃自動機(jī)根據(jù)可用資源的數(shù)量，調(diào)整分配策略。

3 實例分析

下面以一個簡化測控系統(tǒng)為例，分析各自動機(jī)模型的工作流程，驗證自動機(jī)模型的有效性以及相互間的協(xié)調(diào)工作方式。設(shè)某測控系統(tǒng)有3個測站，需同時管理4顆衛(wèi)星。令某一時段4顆衛(wèi)星的測控任務(wù)需求集分別為：（a1，a2）、（b）、（c1，c2，c3）、（d），其任務(wù)需求在時間串上的散列序列，如圖2所示。

圖2 測控任務(wù)需求時間散列圖

將上述任務(wù)需求序列作為任務(wù)規(guī)劃自動機(jī)的輸入，得到的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖3所示。

圖3 任務(wù)規(guī)劃自動機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

其輸出參見圖4。

圖4 任務(wù)規(guī)劃自動機(jī)輸出圖

由于執(zhí)行每顆衛(wèi)星的測控任務(wù)時，需要獨占測控站，即測控系統(tǒng)任務(wù)的最大并行數(shù)等于測站數(shù)量，因此將任務(wù)序列指定給相同編號的測站。測控任務(wù)為固定操作流程，采用自然映射方法，將測控任務(wù)需求映射為測站操作指令、衛(wèi)星遙控指令的序列，并在指令之間增加時間間隔T?？刂菩枨笮蛄?的測控操作流程映射如下：

其作為任務(wù)協(xié)調(diào)自動機(jī)的輸入，得到狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖5，其輸出為：

圖5 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

正常情況下，任務(wù)控制自動機(jī)、系統(tǒng)監(jiān)視自動機(jī)自主運行，輸出對系統(tǒng)其他部分沒影響。但在故障情況下，根據(jù)任務(wù)控制自動機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，以衛(wèi)星1為例，若在Istart，S1，a1出現(xiàn)故障，其輸出故障事件FS1，a1，則任務(wù)協(xié)調(diào)自動機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖變?yōu)閳D6。系統(tǒng)監(jiān)視自動機(jī)根據(jù)故障事件FS1，a1，將輸出衛(wèi)星1資源不可用狀態(tài)，由任務(wù)規(guī)劃自動機(jī)將衛(wèi)星1從分配資源中刪除。

圖6 故障輸入時的任務(wù)協(xié)調(diào)自動機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

4 結(jié)束語

本文基于航天測控任務(wù)過程，從邏輯層面對航天測控系統(tǒng)的綜合控制建模進(jìn)行了初步探索，采用離散自動機(jī)模型為載體，建立了任務(wù)規(guī)劃、過程協(xié)調(diào)、執(zhí)行控制和系統(tǒng)監(jiān)視的模型，為航天測控系統(tǒng)的綜合控制設(shè)計提出了新的思路。但相關(guān)研究內(nèi)容還不深入，后續(xù)需研究模型的可控性、可觀測性等控制理論問題；需進(jìn)一步貼近工程應(yīng)用，開展代數(shù)、性能層面的建模研究內(nèi)容。

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