深空遥操作大回路延时研究

陈玉坤 荣 刚 欧连军 张声艳 冯忠伟

(中国运载火箭技术研究院研究发展中心，北京 100076)

深空遥操作大回路延时研究

陈玉坤 荣 刚 欧连军 张声艳 冯忠伟

(中国运载火箭技术研究院研究发展中心，北京 100076)

深空探测是航天未来发展的重要领域，遥操作技术是深空探测的重要研究内容，是人类开展深空探测不可或缺的重要支撑技术。对遥操作交互模型进行了研究，阐述了典型深空遥操作闭环系统的遥控、遥测功能实现过程，基于深空遥操作的直接控制模式，对回路延时组成参数进行了分析，给出了回路延时各参数的工程测算方法，提出遥操作中遥测数据判读时刻的修正方法。理论分析表明，该方法提高了连续指令发送效率，充分利用了系统资源，缩短了任务执行时间。

遥操作 交互模型 回路延时 参数测算

1 引 言

随着空间技术的进步，人类探索空间的步伐逐渐加快，越来越多的深空探测器成为人类空间探索的先锋或助手。空间遥操作系统为人类探索空间环境和完成复杂的空间任务提供了便利。相对于地面遥操作，深空探测具有距离远、信息传输时延大、现场信息有限的特点，从而给遥操作任务带来了巨大的技术挑战。对于空间遥操作，这种大时延将严重影响操作控制反馈的实时性和透明性，从而影响空间遥操作的安全性及可靠性，而且大的时变时延可能使系统失去稳定性[1]。因此，遥操作系统中分析天地通信大回路的时延组成对飞行控制的影响具有重要意义，通过计算出时间延迟修正量，对飞行控制进行调整，保证探测器按程序计划高效正常运行。

2 典型深空遥操作系统

遥操作代表一类复杂高级的任务操作过程，比遥控概念更高一个层次。遥控是指控制端利用传输信道将控制指令传送到相隔一定距离的被控对象，使其产生预定动作的过程。可见，遥控多指远程单向控制过程；而遥操作是指通过一系列的遥测与遥控构成交互操作的过程。典型遥操作系统架构如图1所示。

美国国家航空和航天局(NASA)对遥操作的定义是：一种实现远距离控制的人机系统，用于扩展人的敏感能力、操纵能力和运动动力。欧洲航天局(ESA)对遥操作的定义是：借助遥控，由远方站上的机械装置执行的机械活动。与地球轨道航天器相比，深空探测器遥控的作用距离遥远，上行信号接收能力有限，上行数据码率一般很低，因此要求探测器载遥控终端具有良好的低码率指令接收解调能力。同时，由于传输时延大，不宜进行返回校验，通常采取纠错编码、信息加密或身份认证等技术措施，以保证上行数据的正确性和安全性[2]。深空遥操作的实现是与遥测、遥控系统相紧密结合。

典型深空遥操作闭环系统组成及时延分析如图2所示。遥控功能实现过程为：由深空地面站接收飞行控制中心送来的指令或注入数据，经过加扰、BCH编码、码型变换后，调制到副载波上，通过大功率发射机和高增益天线向空间发射到探测器；探测器遥控终端接收到应答机解调出的已调PSK副载波信号后，再二次解调出遥控指令或注入数据，输出PCM码流。指令译码器译码输出遥控指令；数据译码器接收、解包和校验注入数据，并将恢复的数据送往数据管理计算机或其他用户，控制执行部件，实现对探测器的控制。深空地面站向探测器发送的上行遥控信息包括遥控开关指令和注入数据两部分。其中遥控开关指令是指控制探测器飞行姿态和探测器上设备工作状态、主备机切换等开关命令；注入数据控制探测器运行的工作参数，包括轨道根树、设备工作程序参数、延时遥控指令、时钟校正和探测器计算机程序等。遥测功能实现过程为：执行单元通过传感器反馈任务的执行状态，将遥测信息送给探测器遥测遥控终端，遥测遥控终端经过编码、副载波调之后，通过空间链路传递，深空地面站接收信号，经过解调、译码等处理，通过地面通信链路发送给飞行控制中心进行数据显示。

3 遥操作交互模型及回路延时分析

3.1 遥操作交互模型

远端探测器的研究现状表明，由于受到机构、控制、传感和人工智能等支撑技术的限制，研制出能在未知或复杂环境下全自主方式工作的远端探测器在短期内难以实现。因此从目前和长远来看，利用有限条件下的远端探测器和人机合作的遥操作技术成为完成空间作业任务的主要手段[3]。

远端探测器通常不需要或仅具备一定限度的自主控制能力，远端探测器与操作员组成一个大的闭环控制系统。当操作员行为动作的指令信息到达远端探测器时，远端探测器按照该指令直接进行动作或者依靠自己的局部闭环控制器来自行执行命令，同时将运动中的执行情况反馈到本地操作端，操作员判断执行情况，调整后续的操作指令。远端探测器的工作过程最终都在操作员的控制下。这种采用“发令-工作-等候”的直接控制模式可以降低系统的工作带宽。

根据时延因素分析，建立变时延系统的遥操作交互模型，如图3所示，该模型对时延可适时进行修正[4]。遥测信息由探测器上传感器获取,并按预定周期传送至地面飞行控制中心，地面飞行控制中心(简称飞控中心)根据此遥测信息计算后续相应控制指令,并将下一步指令发送至探测器执行,实现既定任务。

由图3可知，由于飞控中心与空间探测器物理上的隔离,导致信号在传输过程中需经历天地通信回路环节,使得控制回路中不可避免的存在时延。在操作者发出并上传控制指令1后，空间探测器执行一定的动作，同时将执行动作后的遥测信息下传至地面，以便操作者决定控制指令2是重复上传控制指令1、执行下一步操作还是进行应急处理。控制指令1、控制指令2的上传间隔时间是遥操作系统的重要设计指标。若间隔过大，则造成指令上传系统效率低下；若间隔过小，未来得及对探测器下传的遥测信息进行判读，容易造成后续操作错误。因此，遥操作系统中分析天地通信大回路的时延组成对探测器飞行控制的影响具有重要意义，通过计算出时间延迟修正量，提高指令发送效率。

3.2 遥操作回路延时组成分析

在飞控中心对探测器实施控制的天地通信大回路中，遥控指令和注入数据从飞控中心遥控终端发出到产生响应的遥测参数返回飞控中心，需经过飞控中心计算机处理、飞控中心到深空地面站的通信链路传输、深空地面站计算机及遥测遥控设备处理、深空地面站到探测器的空间链路传输、探测器指令处理和遥测采编、遥测数据下传的空间链路传输、深空地面站计算机及遥测遥控设备处理、深空地面站到飞控中心的通信链路传输等过程[5]，各环节产生的时延如图2中T1～T10所示，具体说明见表1。

表1 遥操作回路时延组成

4 回路延时参数分类及工程测算方法

遥操作回路延时组成复杂，由于各个组成环节的量值较小，逐个测算延时参数比较困难，并且会导致误差积累，因此，将遥操作回路时延大体上分为4类进行预估[6]。各部分时延分类如下：

4.1 地面计算机处理时延

地面计算机处理时延，为飞控中心计算机与深空地面站计算机之间的时延，即表1中的T1、T2、T3；地面计算机处理时延分为上行和下行传输时延，上行传输时延指飞控中心发出信息到深空地面站的时延，下行时延指深空地面站发出信息到飞控中心的时延。需要注意的是，尽管图2中用相同的T2、T3字母代号来示意，但由于通过不同的链路传输，尽管其具体数值稍微有差别，在工程中可近似用同一次测量值得到。

在工程应用中，地面计算机处理上行传输时延的测算方法为：飞控中心向深空地面站发出一固定信息，同时记录发出时刻t1，深空地面站计算机收到该信息后，再反馈一标记时标的信息给飞控中心，该信息中包含深空地面站计算机收到遥控指令的时间t2，根据t1、t2的2个时标差可计算出上行传输时延。为了消除随机误差，可多次测算取平均值。

在工程应用中，地面计算机处理下行传输时延的测算方法为：飞控中心接收深空地面站计算机发送的标记时标t3的信息，同时记录收到信息的时刻t4，根据t3、t4的2个时标差可计算出下行传输时延。为了消除随机误差，可多次测算取平均值。

4.2 测控通信设备时延

测控通信设备(以下简称：测控设备)时延为探测器与地面测控通信设备的时延，分为上行和下行传输时延,上行传输时延指遥控信息从进入深空地面站测控设备到探测器测控设备解调出的时延,即表1中的T4+T7；下行传输时延指遥测信息从进入探测器测控设备到深空地面站测控设备解调出的时延，即表1中的T8+T5。

在工程应用中，上行遥控指令传输时延的测算原理为：测量从指令发出到探测器收到指令的时延量。具体方法是：将探测器遥控终端与地面站的遥控终端通过有线连接，分别记录深空地面站收到遥控指令的时间和探测器上遥控指令计数的变化时间，该时间差即为上行传输时延。某型号探测器天地通信对接过程中测得的上行传输时延量约为百毫秒量级。

在工程应用中，下行遥测信息传输时延的测算原理为：测量探测器遥测信息帧同步码的时延量。具体方法是：将探测器遥测终端与地面站的遥测终端通过有线连接，用模拟器向探测器发送遥测数据，记录探测器接收的遥测帧同步码脉冲与地面站接收解调的帧同步码脉冲的时间变化量，该时间差即为下行传输时延。

4.3 空间链路传输时延

空间链路传输时延，为电磁波在深空地面站与探测器之间的空间链路传输时间，即表1中的T6，T6=R/c，其中R为探测器与深空地面站的距离，根据导航信息可实时测得；c为电磁波传播速度，取值为300000km/s。深空探测通信距离遥远，会引起通信的极大时延，空间遥操作系统的回路时延通常可达几秒甚至几十分钟[7]。表2总结出了太阳系各大行星与地球通信的信号空间传输时延。

表2 太阳系行星际探测信号损耗及时延

由表2可以看出，月球是离我们最近的天体，当其运行到离地球最近时，单向空间传输最小时延只需1.2s，尚可满足准实时通信的要求；但对于海王星，其单向空间传输时延可达4.35小时，在遥控指令的发送、下行遥测数据判读时刻就需要考虑传输时间延迟量的影响。

4.4 探测器内部处理时延

探测器内部设备处理时延包括探测器遥控指令响应时间、遥测状态采集时延等，即表1中的T9、T10，一般由探测器研制部门提供相应指标或通过实测得到。探测器内部处理时延主要考虑遥测状态采集的时延，即状态采集周期。若状态采集周期为1s，则时延为0s～1s。状态采集周期与探测器内部的硬件性能无关，一般根据探测器的下行传输码率约束通过软件来进行控制。对于状态变化比较快的参数，在一个采集周期内通过多次采样来实现。

5 回路延时对指令判读影响分析

为了提高判读指令执行效率和准确率，深空探测任务中，在发送指令之后，使用软件自动判断指令执行情况，自动判断指令执行过程示意图如图4所示。

在图4所示的天地通信大回路判断过程中，指令经飞控中心发出，延迟一段时间(即上行传输时延TKd)指令到达探测器，指令到达探测器经处理和执行，再延迟一段时间(即下行传输时延TYd)飞控中心开始读取遥测状态，即指令开始启判，判断是否满足指令执行判据，在指定的指令比判时间段(TKj)内指令正常判出，则退出比判过程；否则，在超出指定时间后退出比判过程，将指令判为超时。其中开始读取遥测状态的时刻为指令启判时刻，指定时间段为指令最长比判时间。指令比判流程图如图5所示。

从指令比判流程图及过程分析，指令启判时刻直接影响指令执行情况判断，若提前启判相当于压缩了指令比判时间，可导致误判指令未执行；若延长指令比判时间，则系统等待时间过长，降低效率；若推迟启判，则影响到根据状态变化判断执行情况的指令，此时遥控软件只能采集到指令执行后的状态，而未采集到指令执行前的状态，因此将误判状态未变化，从而导致误判指令未执行。因此，指令启判时刻需根据天地通信大回路时延进行修正，以充分利用指定的比判时间，准确地判断指令执行情况。深空探测任务中，测控计划中的遥控指令时刻为该上行指令实际到达探测器上并执行该指令后的时间。

指令启判时刻的计算方法为

Tsj=TKs+TKd+TYd或TKp+TYd

(1)

式中：TKs——为实际的遥控指令发送时刻；TKd——上行传输时延，TKd=(T1+T2)+(T3+T4)+T6+(T7+T9)，其中(T1+T2)+(T3+T4)+(T7+T9)为常数，用k来表示，T6与地星距离成正比，因此，上行传输时延可表示为：TKd=k+R/c;c——电磁波传输速度;R——深空地面站与探测器的距离;一般来说，k值不会太大，一般就是在秒级的量级上；TKp——计划中遥控指令时刻；TYd——下行传输时延，TYd=T10+(T8+T5)+T6+(T1+T2+T3)，其中，(T1+T2+T3)为常数，T6与地星距离成正比，(T8+T5)与发令深空地面站及当时探测器遥测编码状态相关，对于固定深空地面站和一定的探测器遥测编码状态，该时延是固定的，T10为指令判据的遥测状态采集时延，介于0与该指令判据的遥测状态采集周期之间。

深空探测任务中，由于探测器与地面的距离十分遥远，深空地面站至探测器间电波传播单向时延为几分钟至几十分钟，而且由于受传输信道码率的限制，遥测状态采集周期较近地轨道探测器的周期要长很多。根据上述分析，指令启判时刻不仅受探测器与地面距离的影响，而且与探测器遥测状态采集周期相关，如果将指令启判时刻简单地取发令时刻，若要正常地判断指令执行情况，必须加长指令比判时间，这不仅将极大增加地面任务系统的负担，而且会加长发令间隔，不利于复杂、连续操作时的快速发令。根据天地通信回路时延分析，通过计算合理的指令启判时刻，缩短了任务执行时间，充分利用了系统资源，可较好地克服这一深空遥操作任务中的难题。

6 结束语

时延问题是深空遥操作系统重要研究内容之一。本文对遥操作交互模型进行了研究，阐述了深空遥操作系统的遥控、遥测功能实现过程，分析了天地通信回路时延的组成，提出了指令执行情况启判时刻的修正方法，通过确定合理的指令启判时刻，确保在指定时间内最大限度地完成指令比判，提高了连续指令发送效率，充分利用飞控中心计算机资源。将时延分析结果应用于实际型号的深空探测飞行任务的指令执行情况比判中，大大改善了遥控比判过程，提高了对探测器控制的准确性。

[1] 杨艳华，阳方平，李洪谊等. 基于时延预测的空间遥操作系统广义预测控制[J]. 载人航天，2013，19(2)：30～37.

[2] 吴伟仁，董光亮，李海涛等. 深空测控通信系统工程与技术[M]. 北京：科学出版社，2013.

[3] 周剑勇，伍小君，周岳娇等. 遥操作交会中时延影响的仿真试验研究[J]. 载人航天，2013，19(1)：5～8.

[4] 张波，李海阳，唐国金. 变时延遥操作交会的Smith模糊控制[J]. 物理学报，2013，62(2)：1～10.

[5] 郝岩. 深空测控网[M]. 北京：国防工业出版社，2004.

[6] 陈宏敏，战守义，赵凤才等. 深空探测任务天地时延分析[J]. 飞行器测控学报，2008，28(1)：69～71.

[7] 崔潇潇. 美国深空测控通信技术动向分析[J]. 空间电子技术，2010(3)：106～111.

Research on Big-Loop Time Delay in Deep Space Teleoperation

CHEN Yu-kun RONG Gang OU Lian-jun ZHANG Sheng-yan FENG Zhong-wei

(Research and Development Center, China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076, China)

Deep space detecting is the important subject for future space development. Teleoperation is the significant domain and indispensably essential technology of deep space detecting. The interactive mode of teleoperation is investigated, and the telecontrol and telemetry interactive process of typical deep space teleoperation closed-loop system is presented. Based on the direct control mode of teleoperation, the parameter of loop time delay is analyzed, and then the engineering calculation methods of loop time delay components are given. A modified way is proposed on dealing with the time of judging telemetry. The theory analysis indicates that the method can greatly improve continuous instruction efficiency, maximize system resource and decrease mission performance time.

Teleoperation Interactive mode Loop time delay Parameter forecast

2016-09-25，

2016-12-27

陈玉坤(1979-)，男，博士，高级工程师，主要研究方向：测控通信系统及数据管理系统。

1000-7202(2017) 02-0062-06

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.02.13

TP732

A