衛(wèi)星在軌自主裝訂技術研究

季毅巍++王學良++王守亮

摘 要 在當今社會，衛(wèi)星在國防建設和人們的日常生活中已成為不可或缺的一部分。衛(wèi)星攜帶多種不同的有效載荷，可以完成多種任務。在傳統(tǒng)模式下，地面操作人員通過輸入不同的指令才使得衛(wèi)星完成相應的任務。本文對衛(wèi)星自主裝訂模型、相關參數(shù)的調用和任務裝訂進行了研究，提出了一種衛(wèi)星自主裝訂的方法，以使得衛(wèi)星在軌能夠自主完成相應的任務。

【關鍵詞】衛(wèi)星 自主裝訂 參數(shù)調用

在運行過程中，衛(wèi)星會根據(jù)不同的任務進行相應的自主裝訂。在這個控制過程中，系統(tǒng)應用到很多相關的參數(shù)，在使用這些參數(shù)時必須對這些參數(shù)進行初始化，以保證系統(tǒng)能夠正常地按照裝訂的指令運行。在整個系統(tǒng)運行時，星務計算機有大量的數(shù)據(jù)需要處理。在本設計中，為了降低星務計算機的工作壓力，采用模塊化的思想，將衛(wèi)星初始化的數(shù)據(jù)按照某一規(guī)則存儲下來，并制定提取這些數(shù)據(jù)的相應推理算法。根據(jù)衛(wèi)星任務規(guī)劃，將這些數(shù)據(jù)通過虛擬信道傳送到衛(wèi)星的各個模塊，完成對衛(wèi)星的在軌自主裝訂。在衛(wèi)星工作的過程中，為了使星務計算機能夠有序的處理數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)的來源將這些數(shù)據(jù)依次放入不同的虛擬信道里，并采用輪詢條用機制執(zhí)行各個模塊的數(shù)據(jù)，這就使得星務計算機循環(huán)的處理來自不同模塊數(shù)據(jù)。

1 衛(wèi)星自主裝訂模型

衛(wèi)星自主裝訂是希望衛(wèi)星在初始化時達到的一種智能水平，能夠在輸入幾個指令的情況下，自主的在探測器模型中調用數(shù)據(jù)并發(fā)送給衛(wèi)星，完成衛(wèi)星的初始化，使得衛(wèi)星根據(jù)所輸入的關鍵詞完成相應的任務。這種衛(wèi)星自主裝訂能夠減少對地面操作人員的工作量，并快速有效地完成衛(wèi)星的初始化裝訂。

參考NASA自主管理體系結構并結合實際情況，采用模塊化的思想，在星務系統(tǒng)中加入自主裝訂模塊，如圖 1所示。該模塊可以根據(jù)地面的輸入指令完成對衛(wèi)星的初始化裝訂。

自主裝訂模塊分為探測器模型、通用推理機和虛擬信道三部分。

探測器模型是衛(wèi)星初始化所用到的知識庫，該模型包括初始化的任務庫和與之對應的真實值數(shù)據(jù)庫兩部分，所有關于衛(wèi)星不同功能初始化的數(shù)據(jù)包都存放在這里。在探測器模型中，我們可以將所要用到的參數(shù)按照一定的規(guī)則存放到探測器模型中。

通用推理機具有掃描探測器模型和取出符合條件的數(shù)據(jù)包兩大功能。在執(zhí)行掃描探測器模型的工作時，推理機根據(jù)地面指令利用各種算法和推理準則對探測器資源進行搜索，并從探測器模型中調用探測器知識，對衛(wèi)星各個模塊依次進行初始化。

虛擬信道（Virtual Channel）是一種對多數(shù)據(jù)流的信道動態(tài)管理機制，實際上是多信源以動態(tài)時分的方式虛擬獨占物理信道，從而使多數(shù)據(jù)流用同一物理信道進行數(shù)據(jù)傳輸。采用虛擬信道的好處是各虛擬信道可以獨立管理，不同的虛擬信道可具有不同的優(yōu)先級，以便為不同的類型數(shù)據(jù)提供不同等級的服務。在本設計中，虛擬信道分成 A、B兩類，由于主信道在某一時刻只能為一個虛擬信道服務，就存在虛擬信道的調度問題。合理的虛擬信道應該能夠滿足不同傳輸要求的數(shù)據(jù)對信道的占用需求。

2 裝訂參數(shù)的推理算法

在衛(wèi)星自主裝訂的過程中，通用推理機如何將星務計算機傳送來的指令根據(jù)推理規(guī)則調出探測器模型中的參數(shù)是非常關鍵的。操作人員在地面可以根據(jù)衛(wèi)星所要執(zhí)行的任務對衛(wèi)星進行相應的初始化。本設計中，主要采用了輸入關鍵詞的形式對衛(wèi)星進行自主裝訂。以汶川地震搜索任務為例，輸入的關鍵詞如表1所示。根據(jù)輸入的關鍵詞，調用對應的指令集以獲取具體的裝訂參數(shù)，指令集如表2所示。對調用的指令集進行參數(shù)校驗，保證了裝訂參數(shù)的正確性。

在所輸入的關鍵詞中，系統(tǒng)將這些關鍵詞自動分為四類：任務前期的準備參數(shù)、運行軌道參數(shù)、有效載荷參數(shù)和運行狀態(tài)參數(shù)。推理機按照這四類參數(shù)在探測器模型中調出具體的參數(shù)，使得系統(tǒng)完成任務的初始化裝訂。裝訂參數(shù)的推理算法過程如圖2所示。

2.1 任務前期的準備參數(shù)

根據(jù)任務規(guī)劃需求，地面操作人員輸入衛(wèi)星任務關鍵詞，通過通用推理機指令使衛(wèi)星任務參數(shù)，實現(xiàn)衛(wèi)星的任務切換。在衛(wèi)星任務切換的過程中，所要用到的參數(shù)在探測器模型中推測出來并賦予初值，完成衛(wèi)星的初始裝訂，而用不到的參數(shù)賦予相應的值使得所對應的有效載荷停止工作，并為下次初始化裝訂做好準備。

2.2 確定衛(wèi)星將要運行的軌道參數(shù)

星務計算機通過通信處理單元接收到傳送來的地點和任務指令并經過模擬信道A傳送到推理機中，推理機根據(jù)所接收到的地點和任務指令在探測器模型中推測出符合條件的運行軌道參數(shù)。通用推理機在探測器模型中推測出所要運行軌道參數(shù)是衛(wèi)星自主裝訂的首要任務，也是信息自主裝訂的關鍵。只有將軌道參數(shù)推理成功推理機才能接著推測出衛(wèi)星在該軌道上的星體內的環(huán)境參數(shù)和衛(wèi)星有效載荷的控制參數(shù)，以達到滿足衛(wèi)星當前任務的載荷配置。

2.3 確定有效載荷的參數(shù)

根據(jù)衛(wèi)星所要執(zhí)行的任務，地面操作人員輸入規(guī)范的執(zhí)行任務指令給星載計算機，推理機在探測器模型中推測出衛(wèi)星有效載荷的控制參數(shù)，以達到滿足衛(wèi)星當前任務的載荷配置。

2.4 衛(wèi)星運行狀態(tài)參數(shù)的確立

在衛(wèi)星運行的過程中，為了使有效載荷能夠正常工作，衛(wèi)星必須調整好自身的運行狀態(tài)和姿態(tài)以確保有效載荷能執(zhí)行任務，從而推理機根據(jù)衛(wèi)星所攜帶的有效載荷推測出衛(wèi)星運行的狀態(tài)參數(shù)和衛(wèi)星平臺的運行狀態(tài)控制等。

3 任務裝訂

在相關參數(shù)推測出來以后，系統(tǒng)將這些參數(shù)初始化并送到相應的模塊。裝訂過程分為以下四個階段：

3.1 衛(wèi)星變軌及姿態(tài)控制與調整

根據(jù)輸入的目標地點，調取數(shù)據(jù)庫中的位置坐標，進一步調取任務庫中與衛(wèi)星移動相關的一系列子任務，來實現(xiàn)衛(wèi)星移動至目標地點，并進行衛(wèi)星姿態(tài)控制，以滿足衛(wèi)星任務對姿態(tài)的需求。

3.2 信息獲取

根據(jù)任務需求，從任務庫中調取該任務分解的子任務，實現(xiàn)信息獲取的相關任務。

3.3 信息融合

對獲取的信息進行分析，得到所需要的信息內容。不同的任務內容需要不同的信息融合算法。

3.4 輔助決策

系統(tǒng)根據(jù)任務信息等相關因素，給出一個或多個解決辦法。

這四個階段的具體流程如圖3所示，衛(wèi)星接收到所發(fā)送的指令后，進入衛(wèi)星變軌姿態(tài)控制及調整、獲取信息、信息融合和輔助決策這四個階段任務的執(zhí)行。在沒有地面參與的情況下，獲取信息、信息融合和輔助決策這三個階段任務一直循環(huán)執(zhí)行，而當?shù)孛媾c衛(wèi)星進行信息交互就會中斷循環(huán)，進行信息交互。交互結束，循環(huán)再次啟動，直至完成衛(wèi)星的任務裝訂。

4 結論

本次設計是完成對衛(wèi)星的任務規(guī)劃自主裝訂。在對衛(wèi)星進行初始化前，將衛(wèi)星的初始化數(shù)據(jù)和相關的推理規(guī)則存放衛(wèi)星的初始化模塊里，以備在衛(wèi)星初始化裝訂時使用。確定衛(wèi)星所要執(zhí)行的任務以后，星務計算機根據(jù)輸入的指令可將所需的數(shù)據(jù)在探測器模型中推理出來，并且通過虛擬信道將所要用到的數(shù)據(jù)在虛擬信道里輸送到衛(wèi)星的各個模塊。其優(yōu)點：

（1）操作人員可以根據(jù)特定的輸入任務進行衛(wèi)星自主裝訂，裝訂速度快，效率高。

（2）數(shù)據(jù)庫中集成不同功能衛(wèi)星初始化所用到的數(shù)據(jù)，確定完衛(wèi)星所要執(zhí)行的任務以后，衛(wèi)星可以自主調用數(shù)據(jù)庫里的數(shù)據(jù)，完成系統(tǒng)的任務規(guī)劃的衛(wèi)星狀態(tài)初始化。

（3）通過地面操作人員少量關鍵詞的輸入對衛(wèi)星進行初始化，減少了在衛(wèi)星信息裝訂過程中人為誤操作，提高了衛(wèi)星系統(tǒng)初始化的準確性和可靠性。

（4）減少地面操作人員的工作量，并可以有效的降低衛(wèi)星運行成本。

參考文獻

[1]姜毅.深空探測器星務管理系統(tǒng)方案設計與仿真研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學博士論文，2009：25-48.

[2]Pell B，Bernard D E，Chien S A，et al An Autonomous Robots，1998（05）：29-52.

[3]徐瑞，徐曉飛，崔平遠.基于時間約束網(wǎng)絡的動態(tài)規(guī)劃調度算法[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2004，10（01）：188-194.

[4]代樹武，孫輝先.衛(wèi)星的職能規(guī)劃與調度[J].控制與決策，2003，18（02）：203-206.

[5]徐瑞.基于多智能體的深空探測器自主任務規(guī)劃方法與系統(tǒng)實現(xiàn)[D].哈爾濱工業(yè)大學博士論文，2004：30-34.

作者單位

上海微小衛(wèi)星工程中心 上海市 201210