北京三号A/B卫星星地一体协同任务规划设计及实现

田帅虎 杨芳 李超 陈雄姿 黄敏 郭琪

(航天东方红卫星有限公司,北京 100094)

传统的卫星运行管理以遥控遥测为主要手段,严重依赖地面测控站,有限的测控弧段对我国的航天任务造成了极大的约束与限制。对于用户而言,在传统的任务模式中,从需求搜集到数据采集、数据产品的获取需要很长的时间,因此难以适应对时间要求高的紧急任务。用户好用易用和应急响应能力的需求,提出了由卫星自主规划并执行姿态动作、成像动作的要求。对于卫星运行管理部门而言,迅猛增长且日益复杂的航天任务使测控任务量和卫星运行管理成本迅速增加,卫星的运行管理日益困难。星上自主任务规划具有充分发挥卫星在轨使用效能、提高卫星紧急任务响应能力、大幅减少对地面测控的依赖和支持多星自主协同配合执行对地观测任务等诸多优势,成为智能化卫星和星座的一项标配技术[1]。

近些年来,国内外相继开展了卫星自主任务规划技术研究,随着规划模型和算法的日趋成熟,自主任务规划技术在工程实践与应用上的案例也越来越多。国外方面,2001年,ESA发射了专门用于验证星上自主技术优越性与可行性的星上自主计划-1(PROBA-1)卫星[2],它可以接收观测目标的经纬度坐标执行短期规划,自动计算观测时间并生成指令序列。2004年,美国喷气推进实验室(JPL)开发的自主任务规划软件系统在地球观测-1(EO-1)卫星上取得巨大成功[3],规划效能相比深空-1(DS-1)提高了20多倍。2008年,法国航天局研发的星上自主系统AGATA在敏捷对地观测卫星昴宿星(Pleiades)上进行了试验[4]。该系统涉及的规划约束条件包括时间窗口、卫星姿态机动能力、星上能源和存储空间、任务优先级、观测任务的观测角度等。2015年,德国空间中心开发的航天器自主任务规划在轨验证(VAMOS)系统在双光谱红外光学系统(BIROS,即火鸟-2)卫星上进行了试验验证[5-6],它能够实时监测与管理星上存储资源状态,处理地面上注的高优先级任务,还可快速规划由图像处理过程中发现的新需求,实现自主发现、自主监视目标等功能。国内方面,为了提升卫星的好用易用性,航天东方红卫星有限公司研制的星上指令自主解译系统[7]在2015年发射的高分九号卫星上完成验证并应用,卫星在接收到地面上注的元任务指令块后,基于星上装订的指令模板可以动态生成分系统指令序列。北京空间飞行器总体设计部研制的高分三号卫星同样采用了9种自主任务规划指令模板[8],并于2016年开展了在轨验证;上海航天技术研究院2015年发射的浦江一号卫星,采用基于单星电磁信号监测载荷与光学成像载荷综合应用的自主任务规划[9],解决了电磁信号检测与光学成像高效协同的问题。上述案例中实现的自主任务规划各具特点,差异性较为明显,主要是由卫星任务本身的多样性决定的。国内相关研究起步较晚,高分九号卫星和高分三号卫星尚属于“地面规划+星上解译”的半自主规划,浦江一号卫星实现了成像任务的完全自主规划,但它非敏捷卫星,也没有考虑数传任务规划,任务调度求解相对简单。

相比于上述卫星,北京三号A卫星[10]是国内第1颗具有完全星上自主任务规划能力的敏捷光学遥感卫星,于2021年6月11日成功发射。它采用三超(超敏捷、超稳定、超精度)平台,因此具有超敏捷、超稳定和超精度成像特征,实现了单斜条带、多斜条带拼接、斜条带拼幅等多种主动推扫成像模式,是国际上第1颗具备沿任意航迹成像能力的遥感卫星。卫星的自主任务规划支持成像任务和数传任务的一体化规划。用户仅需要上注期望拍摄任务的地理位置和可用数传窗口,星上即可在短短数分钟内完成全天的任务规划。北京三号B卫星于2022年8月24日成功发射,是三超平台第2颗卫星,相比于北京三号A卫星,其轨道提升100多千米,配备了更高分辨率的天舒相机。本文以北京三号A/B卫星任务规划功能为例,介绍星地一体协同任务规划设计及实现。

1 任务需求分析

北京三号A/B卫星具有很强的姿态机动能力,可以通过姿态机动实现多种成像模式,也可以大幅提高卫星的观测效能,一轨内能够完成的观测任务数量显著增加。卫星的姿态机动能力很强,对同一目标的观测窗口、观测姿态等就有很多种可能,无法与传统卫星一样,通过穷举指令模板的方式实现任务编排。这也使得敏捷遥感卫星的任务规划相对传统卫星要复杂很多。

星上自主任务规划技术是星地一体协同任务规划的前提,其根本目标为:在星上综合电子系统支持下,通过智能技术,根据用户业务需求或在轨事件,在符合卫星的资源状态和使用约束的条件下,自主实现任务编排及指令序列生成。北京三号A/B卫星星上自主任务规划正常运行,必须依靠地面管控、星上自主任务规划模块和卫星各分系统多方的密切协同与配合才能实现。

地面管控负责定期上注未来固定时段内的待规划观测任务序列。对于普通的单个任务,一般包含任务编号、任务优先级、任务类型、目标类型、目标经纬度等;对于特殊成像任务,例如同轨立体成像,还包括成像次数、拍摄角度等,动中成像还包括成像起始点窗口、成像时长等。为了减轻地面操控人员编排观测任务的负担,同时达到满意的在轨应用效能,在地面应用系统中必须配置一套高效、可靠的任务规划系统。

星上自主任务规划模块根据地面上注的待规划任务信息,结合卫星的资源状态和使用约束条件(轨道、姿态机动能力等),基于一定的准则进行优化计算,输出未来固定时长内综合收益最大的观测任务序列,并基于卫星在轨使用说明和指令模板生成可执行的卫星指令序列。卫星具有星上自主任务规划的能力,同时支持接收、存储和执行地面任务规划生成的元任务块序列,用户可根据需要选择和切换任务规划的模式。星上自主任务规划关键技术指标如表1所示。

表1 关键技术指标

2 星地一体协同任务规划设计

北京三号A/B卫星支持地面规划与星上自主任务规划2种工作方式,这2种方式相对独立,整个星地一体协同任务规划的运行机制见图1。

2.1 星上全自主任务规划

基于星上自主任务规划,用户操控卫星时不再涉及任何卫星指令层的操作,只需要专注于在地图上挑选期望观测的目标。卫星在轨操控期间的信息流如图2所示。

在一次任务规划周期内,地面测控站将待观测目标的位置信息和可用数传窗口等原始任务信息上注到星上自主任务规划模块,自主任务规划软件可根据上注信息一次性完成所有观测任务和数传任务的优化编排。自主任务规划模块将生成的元任务指令块序列发送给星务中心计算机,星务中心计算机应用软件根据元任务指令块中指定的发送时间和标志将元任务指令块拆分为分系统程控块并分发给控制、相机和数传分系统执行。整个过程中星务分系统通过遥测不断向地面滚动播报星上安排的观测计划和数传计划。

当地面需要安排紧急任务时,先通知星务中心计算机删除与重规划时间区间交叠的旧任务指令块,随后上注紧急原始任务信息,由星上自主完成任务的重规划,再输出重规划生成的新元任务指令块至星务中心计算机。

2.2 地面任务规划

用户利用地面应用系统完成任务筹划,确定未来一段时间内拟观测的任务及其观测模式等属性,并按约定的格式输出任务描述文件、规划窗口与数传窗口文件,如图3所示。

图3 元任务生成过程

地面任务规划系统加载上述所有文件,执行任务规划运算并生成各个分系统未来时刻的元任务块序列,同时输出基于规划结果解算得到的地面观测覆盖区域信息文件。用户读取规划输出的地面观测覆盖区域信息文件,判断观测结果是否满足需求。在测控弧段内将地面规划得到的所有元任务块上注到星上,由星务中心计算机负责接收和存储元任务块序列;同时,用户或运管中心根据地面任务规划结果通知相应地面站按时接收图像数据。全部元任务块上注完后,星务中心计算机开始通过匹配当前星时与元任务块的发送时间将其分发给控制、相机和数传3个分系统,执行观测和数传任务。

若有紧急任务,由地面应用系统生成紧急任务描述文件,地面任务规划系统在完成已有任务规划的基础上,加载紧急任务文件进行重规划,生成紧急元任务块序列;若紧急任务与已有任务存在冲突,还会同时输出任务删除数据块;然后在测控弧段内上注给卫星,星务中心计算机根据给定的任务删除时间对星上已有元任务块序列进行删除,并按发送时间将紧急元任务块插入到元任务队列;若更新后的规划结果中地面站接收数据弧段有更改,则由用户或运管中心通知地面站相应作出调整。

2.3 星地一体协同任务规划

星地一体协同任务规划的关键在于元任务格式的一致性,星地协同任务规划过程见图4。

图4 星地协同任务规划过程

(1)用户利用地面应用系统完成任务筹划,确定未来一段时间内拟观测的任务及其观测模式等属性,并按约定的格式输出任务描述文件、规划窗口与数传窗口文件。

(2)地面任务规划系统加载上述所有文件,生成观测任务块、规划窗口块和数传窗口块,并执行任务规划运算,同时输出基于规划结果解算得到的地面观测覆盖区域信息文件。

(3)用户读取规划输出的地面观测覆盖区域信息文件,判断观测结果是否满足需求。若满足,则执行(4);否则,回到(1),更新任务执行下次迭代。

(4)在测控弧段内给星上自主任务规划模块加电,并将生成的原始任务数据块上注给卫星,由自主任务规划模块接收、存储这些原始任务信息。

(5)原始任务数据块上注完毕后,星上自主任务规划模块执行规划运算,生成元任务块序列,并转发给星务分系统。通过遥测获取各编排目标的观测时间和地面站数传时间,再由用户或运管中心通知相应地面站在指定弧段内接收下传数据。

(6)规划完成后,自主任务规划模块将全部元任务块序列发送给星务中心计算机;随后,星务中心计算机通过匹配当前星时与元任务块的发送时间,输出各分系统执行。

若有紧急任务,首先,由地面应用系统生成紧急任务描述文件。然后,在地面筛选方式下,地面任务规划系统加载紧急任务文件进行重规划,生成紧急观测任务数据块,并更新地面观测区域信息。接着,将紧急观测任务数据块上注给卫星,同时发送重规划指令;自主任务规划模块进行重规划,并调整规划结果。最后,用户或运管中心通过遥测获取更新后的规划结果,若地面站接收数据弧段有更改,则通知地面站作出相应调整。

3 规划设计实现

针对自主任务规划功能涉及复杂的轨道、成像姿态、观测窗口迭代搜索等大量复杂计算的特点,星上利用专用协处理器实现规划运算、指令编排。

3.1 硬件状态

协处理器通过内部总线与星务中心计算机模块连接,配合星务中心计算机完成星上自主任务规划功能。图5给出了协处理器的原理设计框图,它主要由数字信号处理器(DSP)、现场可编程逻辑门阵列(FPGA)、晶振、上电复位电路、“看门狗”电路、串行RS422接口等电路组成。

图5 协处理器原理框图

运行自主任务规划软件的国产DSP处理器具有960MFLOPS强浮点运算能力和抗辐照能力,设置的工作频率为120MHz。可编程只读存取器(PROM)中运行协处理器系统软件,负责引导和重构任务规划软件。协处理器与星务中心计算机通过RS422异步串口连接,串口数据的收发由FPGA实现,FPGA同时负责外部静态随机存取存储器(SRAM)的错误检测与纠正(EDAC)。

3.2 主要接口设计

协处理器任务规划软件与星务中心计算机软件之间的数据交互关系如图6所示,主要包括2种类型。第1种是星务中心计算机发送给协处理器的间接指令、地面上注数据块或卫星实时状态数据块,协处理器返回给星务中心计算机接收应答;第2种是星务中心计算机发送遥测数据轮询、元任务数据块轮询或元任务删除数据块轮询,协处理器返回相应的数据块给星务中心计算机。

图6 软件接口

根据自主任务规划的功能需求,设计6种地面上注的原始任务信息数据块,分别是规划窗口数据块、观测任务数据块、数传窗口数据块、按时间回放数据块、文件重传数据块和文件擦除数据块。其中,观测任务数据块按目标类型和属性差异又分为点目标、线目标、区域目标和智能处理目标4种数据块。数传窗口数据块也可细分为窗口注入和窗口删除2种,后者仅用于紧急重规划时删除原有普通规划上注的数传窗口。

表2给出了协处理器与星务中心计算机之间所有的数据传输类型和每个项目分配的块标志,还规定了各种数据类型的通信频次及在1个星务处理周期内的通信次序。

表2 数据的标志与通信频次

北京三号A/B卫星采用高精度时间系统设计,分系统时间同步精度优于0.1ms。卫星采用分系统下位机程控的指令模板,星务、控制、相机和数传4个分系统都各自管理和维护着分系统层级的指令模板,星务中心计算机负责分发元任务指令块中包含的各个分系统的程控数据块。为了尽可能地减少元任务块的个数并将属于同一个任务的分系统动作同步发出,将4个分系统的程控块集中编排到了1个元任务指令块中。执行元任务指令块时,星务中心计算机应用软件先根据分系统程控块标志拆解出有效的分系统程控块,然后将它们在指定的元任务块发送时间一起分发给所属分系统,各分系统再解析程控块中的动作类型、动作执行时间和动作参数等信息,使用分系统下位机程控指令模板生成分系统的指令序列并执行。这种设计的优点在于:各分系统动作可以独立并行执行,分系统间的协同与配合全部由动作执行时间来保证,可以有效缩短任务执行完成所需的时间,降低各分系统间非必要的指令耦合和星务指令管理的压力。

3.3 元任务数据管理

自主任务规划软件与星务中心计算机软件之间采用主从式的通信方式交互任务信息。为了保证元任务数据的准确性和完整性,星务分系统设置合理的缓存区,避免数据丢失,通过帧序号判断帧的连续性,通过累加和判断帧的正确性。在元任务数据交互过程中,设置星务接收元任务数据块编号和数据块位置标志保证元任务数据的完整性。1次完整的元任务交互流程见图7。

图7 元任务交互流程

星务中心计算机接收1次完整的任务数据后,在不影响分系统正常运行的前提下,利用空余机时将任务保存至第三方模块,保证切机或复位后能够获取完整的任务数据,保障业务连续性。星务中心计算机支持按任务号和执行时间删除任务数据,并插入紧急任务,满足用户紧急任务编排的需求,充分体现了卫星好用、易用、可靠的特点。

4 在轨应用情况

截至2023年5月19日,北京三号A/B卫星分别在轨稳定运行23个月和9个月,累计执行任务量见表3。

表3 北京三号A/B卫星在轨任务量统计

星地一体协同任务规划设计大幅提升了卫星的好用易用性和智能化水平,被动成像和动中成像拍摄的图像景物层次丰富、纹理清晰、色彩分明,条带搭接控制合理,目标区域覆盖准确。在轨期间,卫星稳定优异的表现证明了任务规划设计的合理性和有效性。

5 结束语

本文以北京三号A/B卫星自主任务规划功能为例,介绍了星地一体协同任务规划设计。自主任务规划能够发挥卫星在轨使用效能,提高卫星紧急任务响应能力,为用户提供多种使用方式。在任务规划设计实现中,重点突出了任务规划计算和任务交互的接口可靠性设计,确保了元任务数据的正确性和完整性,可为其他卫星任务规划功能设计提供技术基线和产品基线。