面向應(yīng)急常態(tài)化的衛(wèi)星任務(wù)管控模式研究

付 偉，劉曉麗，宋世杰，張 超

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094)

0 引言

衛(wèi)星任務(wù)管控系統(tǒng)是航天地面系統(tǒng)業(yè)務(wù)運(yùn)行的核心，主要負(fù)責(zé)根據(jù)上級(jí)指令和衛(wèi)星觀測(cè)任務(wù)需求，完成觀測(cè)任務(wù)規(guī)劃、衛(wèi)星計(jì)劃制定、衛(wèi)星有效載荷控制、數(shù)據(jù)接收計(jì)劃調(diào)度及衛(wèi)星系統(tǒng)工作狀態(tài)監(jiān)視等。任務(wù)管控系統(tǒng)涉及對(duì)衛(wèi)星資源、地面站接收資源、測(cè)控資源的統(tǒng)一優(yōu)化調(diào)度管理。隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，已經(jīng)建立了適用于常規(guī)普查任務(wù)的地面任務(wù)管控系統(tǒng)[1-2]。

隨著衛(wèi)星技術(shù)的不斷發(fā)展和用戶對(duì)遙感需求的不斷提高，對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星在戰(zhàn)爭、地震、火山爆發(fā)和森林火災(zāi)等應(yīng)急事件中扮演著越來越重要的角色，成為獲取信息的重要手段。實(shí)際觀測(cè)過程中，高動(dòng)態(tài)、高時(shí)效任務(wù)即時(shí)產(chǎn)生，即任務(wù)必須在規(guī)定期限內(nèi)完成，否則將會(huì)喪失觀測(cè)價(jià)值，使得傳統(tǒng)的固定周期靜態(tài)規(guī)劃難以及時(shí)處理衛(wèi)星應(yīng)急調(diào)度問題，對(duì)現(xiàn)有運(yùn)行機(jī)制提出了挑戰(zhàn)，應(yīng)急響應(yīng)常態(tài)化將成為一種趨勢(shì)[3-6]。然而，原來針對(duì)常規(guī)普查任務(wù)的管控流程和任務(wù)規(guī)劃算法[7]，在面對(duì)突發(fā)事件緊急調(diào)整任務(wù)時(shí)，應(yīng)急任務(wù)插入可能會(huì)影響到24 h的星上任務(wù)執(zhí)行，任務(wù)調(diào)整復(fù)雜、涉及范圍廣、風(fēng)險(xiǎn)大，無法應(yīng)付應(yīng)急常態(tài)化值班，需要為應(yīng)急任務(wù)設(shè)計(jì)特別算法，如層次網(wǎng)絡(luò)算法[8]、滾動(dòng)任務(wù)規(guī)劃算法[9]。

另一方面，隨著地面系統(tǒng)的增量式建設(shè)，在軌運(yùn)行衛(wèi)星數(shù)量大幅增長，任務(wù)量大幅增長，任務(wù)調(diào)整影響的衛(wèi)星任務(wù)將成倍增長，牽扯的任務(wù)、資源等關(guān)聯(lián)關(guān)系更加錯(cuò)綜復(fù)雜，應(yīng)急任務(wù)調(diào)整不但影響地面系統(tǒng)計(jì)劃的取消與調(diào)整，而且要涉及到衛(wèi)星指令的取消與調(diào)整，應(yīng)急調(diào)整影響范圍較廣，風(fēng)險(xiǎn)很大。

針對(duì)現(xiàn)有的面向常規(guī)任務(wù)的值班流程，進(jìn)行任務(wù)管控運(yùn)行模式變革，結(jié)合面向應(yīng)急任務(wù)觸發(fā)的應(yīng)急快速動(dòng)態(tài)調(diào)整模式，提出了事件觸發(fā)的滾動(dòng)式動(dòng)態(tài)任務(wù)管控新模式。在此基礎(chǔ)上提出了適用于滾動(dòng)管控模式的任務(wù)規(guī)劃算法以及業(yè)務(wù)流程的控制策略，有效提升衛(wèi)星管控自動(dòng)化水平。

1 基于事件觸發(fā)的滾動(dòng)式任務(wù)管控模式

常規(guī)任務(wù)管控模式下，觀測(cè)任務(wù)是分時(shí)段、分批次到達(dá)的，任務(wù)管控系統(tǒng)按照固定周期(通常為一天)提前執(zhí)行任務(wù)規(guī)劃、計(jì)劃制定和指令編制，當(dāng)測(cè)控時(shí)機(jī)到達(dá)前發(fā)送指令并將該時(shí)段指令統(tǒng)一上注。在常規(guī)運(yùn)行模式下，任務(wù)管控系統(tǒng)前后2次任務(wù)規(guī)劃、計(jì)劃制定和指令編制的任務(wù)時(shí)段在時(shí)間上互不交疊，因此每次上注的指令不會(huì)影響星上已有動(dòng)作指令的執(zhí)行。

隨著航天應(yīng)用的發(fā)展，特別是用戶的不斷增多，針對(duì)強(qiáng)時(shí)效性要求的觀測(cè)需求，從數(shù)量和要求上都有了極大的提高。另一方面，測(cè)控資源充足的情況下，可通過縮短任務(wù)規(guī)劃時(shí)間周期，實(shí)現(xiàn)任務(wù)指令的及時(shí)上注及安排，以便快速納入應(yīng)急流程，縮短任務(wù)地面調(diào)整時(shí)間，盡量規(guī)避星上任務(wù)頻繁調(diào)整的復(fù)雜性與高風(fēng)險(xiǎn)。

應(yīng)急常態(tài)化下的衛(wèi)星觀測(cè)任務(wù)以動(dòng)態(tài)方式不斷到達(dá)系統(tǒng)。為滿足任務(wù)的時(shí)效性需求，任務(wù)管控系統(tǒng)需要通過多次規(guī)劃完成所有任務(wù)的規(guī)劃。針對(duì)應(yīng)急任務(wù)具有動(dòng)態(tài)變化性和快速保障的特點(diǎn)，提出基于事件觸發(fā)的滾動(dòng)優(yōu)化策略的動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法。該方法以滾動(dòng)推進(jìn)的形式選擇任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃，可及時(shí)調(diào)整任務(wù)規(guī)劃方案以適應(yīng)和跟蹤系統(tǒng)狀態(tài)的變化，因此能夠有效應(yīng)對(duì)任務(wù)動(dòng)態(tài)到達(dá)對(duì)系統(tǒng)負(fù)載的影響。

基于事件觸發(fā)，主要指在出現(xiàn)使系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生改變的事件，或在受到人工干預(yù)時(shí)開始執(zhí)行規(guī)劃，例如有緊急任務(wù)到達(dá)、衛(wèi)星狀態(tài)發(fā)生變化、測(cè)控資源狀態(tài)發(fā)生變化、決策部門提出規(guī)劃需求等情況發(fā)生時(shí)，觸發(fā)任務(wù)管控各個(gè)節(jié)點(diǎn)流程的啟動(dòng)。

不同于常規(guī)任務(wù)分時(shí)段、分批次的到達(dá)模式，滾動(dòng)式任務(wù)管控模式針對(duì)當(dāng)前任務(wù)到達(dá)時(shí)間分布、測(cè)控資源保障機(jī)制和衛(wèi)星使用特點(diǎn)，任務(wù)管控系統(tǒng)對(duì)任務(wù)規(guī)劃與計(jì)劃指令編制操作的時(shí)間周期重新定義，采用多節(jié)點(diǎn)流程異步滾動(dòng)模式，如圖1所示。

圖1 異步滾動(dòng)管控模式Fig.1 Asynchronous rolling control mode

任務(wù)規(guī)劃以天為周期進(jìn)行多次滾動(dòng)式規(guī)劃，完成一次任務(wù)規(guī)劃后，當(dāng)有新任務(wù)到達(dá)且執(zhí)行時(shí)間距離測(cè)控時(shí)刻較近時(shí)，立即啟動(dòng)下一輪任務(wù)規(guī)劃。按照任務(wù)動(dòng)態(tài)情況與測(cè)控資源保障情況一天可執(zhí)行多輪任務(wù)規(guī)劃，每一輪任務(wù)規(guī)劃時(shí)間周期都是交疊的，時(shí)間逐步推進(jìn)的。

計(jì)劃編制、指令編制與任務(wù)規(guī)劃的周期不同，按照測(cè)控時(shí)間周期切分為多次執(zhí)行。一輪任務(wù)規(guī)劃完成后立即啟動(dòng)一輪計(jì)劃編制，從長周期任務(wù)規(guī)劃方案中按照測(cè)控時(shí)機(jī)截取2次測(cè)控時(shí)機(jī)之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)劃編制，計(jì)劃編制完成后立即進(jìn)行指令編制，指令編制與計(jì)劃編制的周期完全同步，通過流程調(diào)度自動(dòng)切換運(yùn)行。一天根據(jù)任務(wù)規(guī)劃次數(shù)需要上注多次指令，每次的指令塊中不需要進(jìn)行星上指令取消。

異步滾動(dòng)模式避免了星上指令的頻繁取消，無運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，給各地面站的跟蹤接收計(jì)劃也不需要經(jīng)常取消，不影響其他系統(tǒng)值班工作。由于任務(wù)規(guī)劃時(shí)間交疊，任務(wù)規(guī)劃方案數(shù)據(jù)存在大量取消情況，數(shù)據(jù)冗余且狀態(tài)需要進(jìn)行有效維護(hù)，以保證數(shù)據(jù)的一致性。但是任務(wù)規(guī)劃按天為周期，可保證任務(wù)與資源安排的優(yōu)化性。由于計(jì)劃、指令與任務(wù)規(guī)劃時(shí)間周期不同步，若測(cè)控時(shí)機(jī)很多，且密集時(shí)，計(jì)劃與指令的滾動(dòng)周期切分策略不好確定。若測(cè)控時(shí)機(jī)較少，指令上注周期較長時(shí)，也會(huì)存在臨時(shí)申請(qǐng)應(yīng)急測(cè)控，取消星上指令重新注入新指令的情況。

2 滾動(dòng)式任務(wù)規(guī)劃優(yōu)化策略

從觀測(cè)任務(wù)是否完成回放角度來看，任務(wù)規(guī)劃有2種優(yōu)化策略：完全回放和部分回放。常規(guī)任務(wù)規(guī)劃采用完全回放策略，一般按天進(jìn)行一批次任務(wù)規(guī)劃，因此在一次任務(wù)規(guī)劃過程中首動(dòng)作安排固存清除，從頭開始記錄任務(wù)，任務(wù)規(guī)劃周期內(nèi)將所有安排的觀測(cè)任務(wù)全部安排數(shù)據(jù)下傳，衛(wèi)星姿態(tài)復(fù)位，一次任務(wù)規(guī)劃與下一次任務(wù)規(guī)劃之間相對(duì)獨(dú)立，業(yè)務(wù)值班交接簡單。

不同于常規(guī)任務(wù)規(guī)劃方式，基于事件觸發(fā)的滾動(dòng)式管控任務(wù)規(guī)劃周期不固定，任務(wù)規(guī)劃區(qū)間內(nèi)星上存儲(chǔ)與平臺(tái)姿態(tài)等不進(jìn)行強(qiáng)制復(fù)位，因此每輪任務(wù)規(guī)劃之間并不是獨(dú)立的，本次任務(wù)規(guī)劃與前一次、后一次任務(wù)規(guī)劃之間存在星地資源使用的關(guān)聯(lián)關(guān)系，即前一次任務(wù)規(guī)劃結(jié)束后的星地資源使用狀態(tài)會(huì)影響后一次任務(wù)規(guī)劃的決策。因此需要重新設(shè)計(jì)滾動(dòng)式任務(wù)規(guī)劃策略以適應(yīng)新的管控系統(tǒng)[3]。

滾動(dòng)式任務(wù)規(guī)劃將原來以天為單位的長周期任務(wù)規(guī)劃問題劃分為若干個(gè)子階段的任務(wù)規(guī)劃過程，選擇一天可用的多個(gè)業(yè)務(wù)測(cè)控時(shí)機(jī)，進(jìn)行多次任務(wù)規(guī)劃，每個(gè)階段任務(wù)規(guī)劃稱為一個(gè)子任務(wù)規(guī)劃[10-11]。每次子任務(wù)規(guī)劃需要根據(jù)上一次規(guī)劃的結(jié)果導(dǎo)出當(dāng)前的星地狀態(tài)作為本階段任務(wù)規(guī)劃的輸入，如固存剩余容量、衛(wèi)星能源和平臺(tái)姿動(dòng)狀態(tài)等，星上未回放任務(wù)需要與本階段需執(zhí)行的任務(wù)統(tǒng)一考慮，即在本輪任務(wù)安排盡量飽滿的情況下盡可能安排上一次未回放任務(wù)進(jìn)行數(shù)傳。因此滾動(dòng)式模式下任務(wù)規(guī)劃的求解可以看作多輪子任務(wù)規(guī)劃之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程。

在滾動(dòng)式管控模式下，極限情況下可將測(cè)控時(shí)間間隔作為一次任務(wù)規(guī)劃區(qū)間，此時(shí)，每一個(gè)測(cè)控時(shí)機(jī)就成為任務(wù)規(guī)劃的觸發(fā)事件。以測(cè)控時(shí)間段為任務(wù)規(guī)劃區(qū)間雖然可以提高衛(wèi)星對(duì)應(yīng)急任務(wù)的保障能力，但是，由于受衛(wèi)星測(cè)控資源的限制，目前衛(wèi)星2次測(cè)控時(shí)間間隔一般在小時(shí)級(jí)，隨著動(dòng)態(tài)任務(wù)下達(dá)的隨機(jī)性提高，不可預(yù)知未來觀測(cè)任務(wù)的分布情況。另一方面，由于衛(wèi)星受固存與回放資源的限制，如果任務(wù)規(guī)劃時(shí)完全不考慮后續(xù)回放資源，有可能出現(xiàn)前面規(guī)劃的觀測(cè)任務(wù)無法進(jìn)行數(shù)據(jù)下傳，或者前面規(guī)劃的任務(wù)太多導(dǎo)致后面無法安排其他任務(wù)。所以，為了避免上述情況，每次任務(wù)規(guī)劃時(shí)必須適度前瞻以便充分考慮回放資源。異步滾動(dòng)管控模式下，每輪任務(wù)規(guī)劃雖然觸發(fā)時(shí)機(jī)不同，但每次均以觸發(fā)事件可用測(cè)控時(shí)機(jī)之后的一天為固定區(qū)間對(duì)任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化，采用觀測(cè)任務(wù)完全回放策略，從而保證了方案的優(yōu)化性。每一輪任務(wù)規(guī)劃過程中采用的優(yōu)化搜索算法、優(yōu)化策略以及各星的約束處理功能等，與原先的任務(wù)規(guī)劃沒有太大不同，仍然可以復(fù)用原先的方法[8-9,12-13]，也可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。

3 滾動(dòng)式任務(wù)管控的調(diào)度流程

在異步滾動(dòng)式任務(wù)管控模式下，任務(wù)規(guī)劃、計(jì)劃制定與指令編制環(huán)節(jié)的觸發(fā)條件發(fā)生變化，各個(gè)環(huán)節(jié)所包含的任務(wù)周期也有所不同。因此需要在深入分析地面任務(wù)管控、遙控指令上注、星上指令執(zhí)行時(shí)序邏輯的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)基于事件觸發(fā)的滾動(dòng)式業(yè)務(wù)調(diào)度流程。

為描述方便，下面定義幾個(gè)與任務(wù)規(guī)劃調(diào)度緊密相關(guān)的時(shí)間變量。

ΔT：定義為規(guī)劃開始時(shí)刻與最早任務(wù)執(zhí)行時(shí)刻的最小時(shí)間間隔。主要組成包括：規(guī)劃用時(shí)、計(jì)劃編制用時(shí)、指令編制用時(shí)、指令發(fā)控用時(shí)、指令上注準(zhǔn)備用時(shí)、指令上注用時(shí)和指令上注后解包用時(shí)。

Δτ：定義為規(guī)劃開始時(shí)刻與選用的測(cè)控時(shí)刻的最小時(shí)間間隔。主要組成包括：規(guī)劃用時(shí)、計(jì)劃編制用時(shí)、指令編制用時(shí)、指令發(fā)控用時(shí)和指令上注準(zhǔn)備用時(shí)。

Δt：定義為測(cè)控時(shí)刻與任務(wù)執(zhí)行時(shí)刻的最小時(shí)間間隔。主要組成包括：指令上注用時(shí)、指令上注后解包用時(shí)。

T0：定義為當(dāng)前時(shí)刻。

Te：定義為最早任務(wù)執(zhí)行時(shí)刻。

TC：定義為選用的測(cè)控時(shí)刻。

時(shí)間定義示意如圖2所示。

圖2 時(shí)間定義示意Fig.2 Time definition diagram

滾動(dòng)式動(dòng)態(tài)管控自動(dòng)調(diào)度流程如圖3所示。

① 實(shí)時(shí)監(jiān)視觀測(cè)任務(wù)狀態(tài)，形成未規(guī)劃觀測(cè)任務(wù)列表，實(shí)時(shí)更新當(dāng)前時(shí)刻T0；

② 獲取觀測(cè)任務(wù)最早執(zhí)行時(shí)刻Te，選擇最佳的測(cè)控時(shí)機(jī)Tc；

③ 分析觀測(cè)任務(wù)受理處理、自主任務(wù)補(bǔ)充調(diào)度時(shí)機(jī)：

根據(jù)預(yù)先配置，在Tc-Δτ前某一時(shí)刻進(jìn)行觀測(cè)任務(wù)受理處理、自主任務(wù)補(bǔ)充調(diào)度；

④ 分析任務(wù)規(guī)劃調(diào)度時(shí)機(jī)

判斷Te-T0<ΔT是否成立,若成立，則轉(zhuǎn)步驟⑤；否則返回①，繼續(xù)等待新任務(wù)到來，并更新T0；

⑤ 調(diào)度任務(wù)規(guī)劃開始執(zhí)行；

⑥ 任務(wù)規(guī)劃完成后，返回完成通知，調(diào)度計(jì)劃編制開始執(zhí)行；

⑦ 計(jì)劃編制完成后，返回完成通知，調(diào)度指令編制開始執(zhí)行；

⑧ 分析指令發(fā)控調(diào)度時(shí)機(jī)

根據(jù)測(cè)控時(shí)機(jī)和指令發(fā)控用時(shí)、指令上注準(zhǔn)備用時(shí)等參數(shù)設(shè)置，計(jì)算指令發(fā)控調(diào)度時(shí)機(jī)，調(diào)度指令發(fā)控將指令發(fā)送給測(cè)控系統(tǒng)；

⑨ 接收計(jì)劃發(fā)布調(diào)度時(shí)機(jī)

根據(jù)接收計(jì)劃執(zhí)行時(shí)間、接收計(jì)劃下發(fā)用時(shí)、接收站接收準(zhǔn)備用時(shí)等參數(shù)，計(jì)算接收計(jì)劃發(fā)布調(diào)度時(shí)機(jī)，調(diào)度接收計(jì)劃發(fā)布將跟蹤接收計(jì)劃發(fā)送給各接收站;

⑩ 返回步驟①，進(jìn)行下一輪規(guī)劃調(diào)度。

需要說明的是，當(dāng)發(fā)現(xiàn)任務(wù)執(zhí)行時(shí)間已近而觸發(fā)了任務(wù)規(guī)劃節(jié)點(diǎn)時(shí)，還要判斷是否存在合適的測(cè)控資源。若無合適的測(cè)控資源，需立即觸發(fā)測(cè)控資源申請(qǐng)的子流程以保障該任務(wù)的正常執(zhí)行，若申請(qǐng)失敗則該觀測(cè)任務(wù)被舍棄。

圖3 滾動(dòng)式管控自動(dòng)調(diào)度流程Fig.3 Automatic scheduling process of rolling control

4 結(jié)束語

基于事件觸發(fā)的滾動(dòng)式任務(wù)管控模式打破了日值班周期批處理任務(wù)的管控模式，將常規(guī)任務(wù)流程與應(yīng)急響應(yīng)流程有機(jī)結(jié)合在同一個(gè)框架，通過各節(jié)點(diǎn)流程調(diào)度控制，可實(shí)現(xiàn)任務(wù)管控的高度自動(dòng)化，滿足應(yīng)急任務(wù)常態(tài)下對(duì)任務(wù)管控系統(tǒng)高時(shí)效性要求。同時(shí)，滾動(dòng)式任務(wù)管控模式及流程同樣適用于現(xiàn)有系統(tǒng)的分層規(guī)劃架構(gòu)，在測(cè)控接收資源統(tǒng)一協(xié)調(diào)調(diào)度的基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)單星任務(wù)管控分布式運(yùn)行，現(xiàn)有運(yùn)行系統(tǒng)影響較小，對(duì)新型號(hào)任務(wù)管控系統(tǒng)的建設(shè)有積極的借鑒意義。