提高空间科学任务地面段系统与运行的费效比

+ 胡行毅 中国科学院国家空间科学中心

提高空间科学任务地面段系统与运行的费效比

+ 胡行毅 中国科学院国家空间科学中心

降低空间科学任务的费用是世界各国现在和将来都在致力的方向和挑战。在空间科学工程地面段系统和运行中引入商业模式和提高综合运行效率，能在可靠的运行条件下减少系统的成本和开销。这里用近年发展出的微小卫星综合性空间任务运行系统（COSMOS）和GARADA SAR编队飞行计划的地面段任务开发为例表明对空间科学任务实施全生命周期的运行管理并降低地面段系统与运行费用是降低空间科学任务成本的有效途径之一。

空间科学任务 地面系统 有效载荷。

1　概述

一个ESA空间科学任务的研发和执行分成以下不同的阶段：征集想法、提交科学计划建议、建议书遴选、提交正式建议书(前期A阶段)、定义阶段（A、前期B、B1）、有效载荷选购评议阶段、实施阶段（B2、C/D、E1）、试运行与运行利用阶段（E2）、维护处置与评价阶段（F）等，这一过程称为空间科学任务的全生命周期。[1]

空间科学任务设计时需要考虑一些要素，一般，由科学团队负责定出科学目标和有效载荷模型，然后由技术团队转化成飞行器设计、任务分析、推进、地面段等等约束（图1示）。而在现实实际中，这种转化是双向的，反复论证和迭代的过程，例如在质量（mass）指标出现问题时，首先是直接影响实现科学目标的有效载荷的质量。如果导致出现了不可接受的预算影响时，科学团队和技术团队就得紧密合作，需要重新定义科学需求。仅从定义阶段就可以看出要支持实现一项空间科学任务的费用是很高昂的。

空间科学任务的设计与实施分为空间段任务和地面段任务。近年来、微卫星和立方星的出现，已经逐步降低了空间段任务的费用；相应的地面段任务要求用较低的成本和灵活的方法去支持诸如用多皮星轨道部署器（poly pico-satellite orbital deployer P-POD）弹射分离部署的立方星和皮卫星的优化管理运行，并对之建立起统一的验收标准与方法。由于地面段任务的特点是支持和服务于空间科学任务的实现，具有相对的持续性、永久性和重复性，应该也有可能降低作为空间任务基础设施的地面系统建设和运行的费用,以期达到空间任务特别是空间科学任务的可持续性和在费用上负担得起。

通常，为了有效地支持空间科学任务，需要设计和建设地面段任务支持系统，用以获取数据、操作运行、管理与协调任务、长管以及维护。其具体内容也包括对有效载荷的全生命周期的管理，因而，地面段系统的任务建设和运行周期长，运行费用相对亦较高。

目前，可能减少空间科学地面段系统与运行成本的几个方面是：

○不追求绝对的可靠性，例如：允许每轨（pass）丢失1%的数据，减少一些地面覆盖率等；

图1　空间科学任务设计

○减少要求地面系统实时或近实时地获取数据，也尽可能减少最终用户实时或准实时使用数据的要求，以保证地面低带宽的传递数据；

○尽管允许个别用户自己拥有数据处理的能力，但是操控功能和数据应该集中在一个地方，多数用户可通过网络访问数据。这些数据包括：任务规划（指令准备和验证）、和卫星的TTC接口、星上设备的工况和健康状态监控、数据分发给最终用户前的初步预处理、射前与射后地面电气支持设备（EGSE）的使用等；

○尽可能共享国有和社会商业资源，例如共享TTC测控网和商业传输网络等；设备尽可能模块化并使用商业与现成的货架产品，即插即用；

○尽可能采用自动化运行模式（开环）与自主运行模式（闭环），采用人工智能和专家系统，

提升系统的自治性和重用性。

本文首先介绍一种开放架构的综合性空间任务运行系统（COSMOS），它能支持一个或多个飞行器空间任务的全生命周期的运行，可以完成航天器设计、开发、测试和维护阶段的任务。这是一组适合于有限经费的航天器与有效载荷运行操作的开放的软件工具，配合以硬件和飞行器、有效载荷、地面控制网络及其它任务用户的接口。其开放架构的基本特征是易于做适应性修改，包括源代码和外部模块的插入。目前COSMOS的主要任务操作与支持工具（MOST）可支持LEO运行、国际探月任务的0阶段研究及着陆器与巡视器监控、动态电离层立方体实验卫星（DICE）、电话卫星(PhoneSat)等多种空间任务。完成任务的基本需求是任务响应迅速和系统故障的快速恢复。其次介绍正在研发的澳大利亚GARADA SAR编队飞行项目的地面段系统和运行。

通过美国和澳大利亚的两个空间任务实例，表明对空间任务实施全生命周期的综合管理，改进和降低地面段系统的成本是提高空间任务特别是空间科学任务费效比的有效途径。

图2　.功能架构与接口关系

2　综合性空间任务运行系统[2]

综合性空间任务运行系统（COSMOS）是获得美国宇航局开展促进竞争性研究的试验计划（NASA/ EPSCoR）所支持的一个项目。起始于2010年9月，于2013年8月31日完成阶段性工作。由夏威夷大学的夏威夷空间飞行实验室（HSFL）牵头，目标是针对300kg以下的LEO微小卫星的全生命周期任务运行提供一揽子的支持，内容为AIT与校核、地面站、任务运行中心（MOC）和仿真操作测试试验台的设计、开发、实施与运行。这样一个系统拥有能随时嵌入外部应用和工具的即插即用框架（PNP）和开放的系统架构和软件，使用户能迅速开发新的系统特性与功能。美国宇航局艾姆士研究中心（NASA Ames Research Center）是项目主要的合作伙伴。COSMOS的软硬件任务运行工具已安装于HSFL和ARC的任务运行中心，用于支持它们的微卫星。

COSMOS能支持全生命周期的空间任务运行功能，包括：任务的规划与计划、信息来往操作、数据管理、任务分析、任务状态的显示投影、测试试验台仿真操作、地面网络监控、有效载荷操作、平台姿轨动力学、系统管理和质量保证等。为了完成任务运行功能，该系统提供了任务运行人员和飞行器人员、地面控制网络人员、有效载荷人员以及其他客户的接口。各任务地面站配置一台计算机用于COSMOS与地面站之间的数据管理接口，监控地面站的运行状态。

COSMOS基本的功能架构与接口关系如图2示。提供的基本元素是以图形界面完全交互性地创建仿真器，操作测试试验台以及飞行与运行软件。COSMOS所支持的任务运行按功能流程有4个主要的过程：

•任务规划与分析，也包含指令排序和仿真器与操作测试试验台（OTB）；

•MOC与地面网络内的各项信息来往操作；

•COSMOS吞吐的全部数据管理；

•任务分析，包含分析趋势、状态、轨道、弹道，任务完成等有助于判决任务成功的有效措施的数据，将任务分析的结果反馈给任务规划员、航天器工程师（特别是解决飞行器自主问题）、任务管理员和客户。

完成COSMOS任务运行主要功能的系统（工具）如下，它们对于新模块可以PNP嵌入：

•任务规划与计划系统（MPST工具）

•任务运行与支持系统（MOST工具）

•操作测试试验台控制系统（OTB工具）与仿真器

•地面段控制系统（GSCT工具）

GSCT的输入来自用户、客户与任务运行和支持工具，输出到客户与数据管理系统。和地面网络以图形化接口。包括：各个地面站的相关信息，例如：位置、天线类型、地面站往来接触信息、地面站状态。显示即将往来接触时的地面站配置（亦即，正等待上载的文件，频率设置，开环跟踪的星历文件），也要监控在接触时的地面站状态，显示天线指向角，实际与预计的天线指向、载波信号检测与锁定状态、信号强度与数据率等。用户从任务中心向地面站发送所需的指令。以一定的方式观察地面段/网络数据，让用户快速而简易地了解信息。也能在地图上观察到地面站状态。

•数据管理系统（DMT工具）

•飞行动力学系统（FDT工具）

•COSMOS执行操作器（CEO）

•引擎（ENGINES）

引擎是为完成COSMOS某些复杂的过程所提供的先进功能软件工具。例如：星历器、仿真器、分析与报告以及其他图形工具。

COSMOS的中心部分，是可视化工具、支持工具以及生成与操作数据所需的其它工具集的一些底层程序，它们尽可能建立在现有的协议和方法之上。开放的架构使COSMOS容易修改并适应于新的任务。其能支持多飞行器的软件层次架构与要素如图3示：

系统对于设计、研制开发、运行操作和维护是一个完全开放的环境。系统的基础是由一组支持各种功能套件的库组成。包括：数学函数、轨道坐标计算、协议支持、操作测试试验台硬件与仿真支持。主要是对应于以上功能的一组软件工具，包括：任务规划与计划、任务操作、测试试验台控制、地面段控制、数据管理、系统执行操作器、各类分析与支持等。关键要素都由模块组成，用现有的协议和方法来实现，易于移植、配置和扩充。

多飞行器能力

COSMOS能管理多任务多星。数量为几个或少于几十个飞行器时，它能在单一的一个MOC内管理多任务，这时，各卫星要么在主要的COSMOS工具中有其自己的部分要么在同样的或不同的操作台中有其自己的部分。倘若设备资源许可，就会更简单更容易地配置一个卫星一个操作台，与其它主机的GSCT，一个DMT，以及一个运行COSMOS执行程序的顶级协调操作台。

关键是要高水平地自动管理多飞行器。COSMOS设计成‘熄灯（lights-out）’运行模式，无需人员常管，若系统检测发现问题就自动给管理员发送能用于作出适当响应决定的短信，或者遥控或通过给MOC发信息来管理。采用公共的代理（agents）与工具来管理多飞行器数据的关键是清除和数据文件与组织数据有关的航天器标识。这一点用飞行器标识器来实现。

COSMOS要解决的更困难的问题是航天器群的任务规划与计划、指令生成与测试装载、协调它们相互工作以及调配地面段的资源。

图3　a

3　GARADA项目[3]

GARADA SAR编队飞行项目是一项澳大利亚国际合作的空间对地观察(EO)工程研究项目，其主要任务是探索测量澳大利亚的土壤含水量，森林生长情况和水灾变化事件。项目开展于2010年12月至2013年6月(阶段0、A范围)，根据项目评估将继续延续。GARADA由澳大利亚空间研究计划(ASRP)提供经费支持，澳大利亚新南威尔士大学（UNSW）的澳大利亚空间工程研究中心（ACSER）牵头负责，合作伙伴有其他的澳国内外的大学与公司。GARADA项目的研究工作按工作分解法（WBS）由11个工作包组成，每一个工作包都由一位国际知名的首席研究员牵头。工作包将潜在产生独立研究的新知识和新概念，并反馈给项目定义的全部目标之中。这11个工作包分别是：空间系统工程和雷达应用、L波段SAR方案、L波段SAR系统分析、双基雷达、原型导航接收机、编队飞行算法、轨道模型、轨控分析、工业化分析、地面段研究和项目管理。

图3　b.软件要素

GARADA项目的任务设计是在需求分析的基础上，其任务分为空间段和地面段。

空间段由飞行器、飞行器的地面支持设备及发射服务组成。空间系统由两个间隔180度完全一样的SAR卫星编队组成，卫星运行于倾角97.9º的太阳同步轨道，轨道高度630km，降交点地方时06：00AM，轨道重复周期6天，每3天覆盖澳洲全境。平台包括姿轨控系统，热控系统，电源系统，数管系统，推进系统和通信系统。有效载荷是L频段SAR和高精度GNSS接收机。距离分辨4-11米（单视），方位分辨7米（单视、条带）。任务运行和有效载荷操作以及有效载荷数据处理都在澳大利亚本土并由澳大利亚人员负责。

地面段定义是在空间段概念和用户需求的基础上，内容概括了地面段概念，运行，需求，地理位置部署与系统架构与实现。地面段设计使成本最小化，原则是尽可能地使用COSTS产品设备，并无缝地整合到现有的EO系统之中。经过评估后，预计地面段系统总共计划69个月完成A,B,C,D阶段。GARADA地面段定义还包括到南极地面站的数据流建模（利用南极宽带ASRP项目）。

地面段由全部地面系统和运行组织机构组成。它们分别支持任务运行前的准备活动、地面系统运行以及全部运行结束后的活动。

按设计，接收站使用南极接收站（AG）接收极轨卫星的下行数据，以提供良好的轨道覆盖，利用国家宽带网络（NBN）和南极宽带（AB）链路系统，将下行数据从南极中继回澳洲大陆。这就使南极接收站具有翻倍的下行能力，即接收现有的极轨卫星与未来规划的依赖于挪威Svalbard接收站的极轨卫星的接收。第二个地面站是现有的Tasmania接收站，以提供辅助轨道覆盖和冗余备份，但需要升级。

地面段系统由高速数据链路内连的现有系统和定制系统组成。其架构设计包括:

·地面站系统 (GSS)

承担有效载荷和遥测数据的下行接收和传输指令数据上行到GARADA飞行器；将澳大利亚现有的三个高数据率接收站升级到6个，即在东北部澳洲，西部澳洲和南极增加3个新站。能提供80%的极轨飞行器的访问率，经评价该布局对澳洲的覆盖、冗余与分集最佳。

·任务控制系统 (MCS)

承担飞行器平台与有效载荷的任务分析准备、规划与计划、测控监控、操作运行与仿真、在轨软件维护管理、数据管理、空地时间管理、和地面网络管理与接收站的监控等。解决方案是采用运行COTS软件之COTS硬件计算平台阵列，只开发COST软件产品与系统的接口所需的定制软件，以解决地面站控制的任务专门功能，SAR的管理，应用专门的数据库和任务控制系统仿真器；

·任务管理和数据处理系统 (MMDPS)

承担SAR和GNSS有效载荷的校准与处理，影像的解释，接受用户的申请，向用户分发处理的数据产品。也包含任何从SAR数据测定土壤水分的处理算法和系统相关的需求。用主要运行定制软件的COTS计算平台来实现，软件开发活动是需要开发将SAR回波数据处理成影像产品的软件，以及需要开发进一步处理生成土壤湿度轮廓以及洪水、森林与油膜概况产品等复杂算法的软件。数据产品分为：0、1A、1B、1C、1D和2级。

·通信系统 (CS)

承担地面系统之间和地面段与外部之间的全部语音和数据通信互联；借用国家宽带网提供的高速数据链来实现地理位置分离的各个地面系统从任务管理和数据处理系统到用户之间的通信。从南极站的数据返回澳大陆规划是通过已有的南极宽带系统，现有的中继卫星系统和海事卫星Global Xpress（GX）系列宽带卫星对于南极链路也是可能的。对于SAR高速率数据采用X频段全带宽的双宽带数据链路将提供所需的数据率和现有地面站的兼容性；

·支持系统 (SS)

提供地面段的硬软件维护和升级，也负责飞行器飞行软件的升级和上载。利用现有的COTS硬件和软件工具来实现，仅需要进行很少的开发活动。

由于GARADA的所有数据都是在接收数据之后的地面完成，所以，地面段的需求应包括由用户顾问组提出的数据处理需求。

地面段任务也包含培训运行人员，承担任务的准备和运行。典型的运行人员包括：

·运行经理

·航天器操作人员

·SAR操作人员

·任务规划人员

·飞行动力学工程师

·地面系统操作人员

·SAR 有效载荷研发人员，如科学与算法专家，最终用户联络人员，产品生成支持人员和校准专家

·地面系统维护工程师.

用参数估计法（parameter estimation）对GSRADA项目的经费做了粗略预估（ROM），供预算目的用。

GARADA的运行概念和任务目标是：

·研发的硬软件要保持最小规模和最大利用现有的成熟硬软件；

·满足现有的监管要求；

·为了最小的研发和运行成本，现有的基础设施要尽可能使用；

·GARADA系统要使用标准的数据格式以便允许最大的利用COTS产品并对现有客户产生的影响最小；

·为了兼容未来可能的应用，设计系统以允许数据和数据处理分离并分成保密的和不保密的。

任务规划包括飞行运行规划、数据处理规划、采集活动规划。

4　结束语

因篇幅所限，从两个国外空间项目的研究、设计和实施等简介中，、方法和实施的状况以及取得的实实在在的阶段成果和利益。

对比我国，中科院正在进行的空间科学先导专项，虽然在这方面也已开展了有益的探索，但随着我国空间科学事业的迅速发展和进步，空间科学任务的需求也在空前高涨。为了我国空间科学事业的持续发展和在经费投入上能负担得起或能办更多的事，对空间科学任务实施全生命周期的综合性管理，注意提高地面段系统与运行的费效比，使需求和供求相匹配，还有待进一步地研究和探讨。

参考资料

[1]V.Martinez pillet etc., Payload and Mission Definition in Space Science, Cambridge University Press 2005,

[2]Trevor C. Sorensen etc., A University-developed Comprehensive Open-architecture Space Mission Operations System (COSMOS) to Operate Multiple Space Vehicles Proc.AIAA-1296468-2012

[3] Garada Final Report - Volume I - Main Report，2013

胡行毅，中科院国家空间科学中心研究员，从事空间电子与信息系统研究。