伍保峰 李志剛 李軍予 李娟 史簡

（航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094）

1 引言

以往衛(wèi)星型號的在軌任務(wù)操作主要依靠程控指令完成，遙控?cái)?shù)據(jù)注入量大，并且存在注入遙控指令鏈不完整的可能，對衛(wèi)星在軌安全運(yùn)行造成嚴(yán)重的風(fēng)險，為了保證遙控指令的安全性，需要地面遙控操作平臺進(jìn)行專門設(shè)計(jì)［1］?，F(xiàn)代小衛(wèi)星裝載的有效載荷種類和數(shù)量越來越多，如環(huán)境減災(zāi)-1A、1B衛(wèi)星有3種相機(jī)［2］，工作模式復(fù)雜，衛(wèi)星用戶需要了解多種復(fù)雜指令模版的細(xì)節(jié)，才能生成執(zhí)行正常任務(wù)的遙控注入數(shù)據(jù)，如此增加了衛(wèi)星用戶使用衛(wèi)星的難度。如何提高衛(wèi)星操作的效率和安全性，是衛(wèi)星用戶和研制方普遍關(guān)心的問題。國外針對分布式航天器系統(tǒng)開展了自主指令和控制技術(shù)的研究［3］。在我國，星務(wù)系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于小衛(wèi)星中，星上具備較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理和計(jì)算能力［4］，為優(yōu)化衛(wèi)星在軌任務(wù)操作提供了軟硬件基礎(chǔ)。為了簡化衛(wèi)星遙控操作，提高衛(wèi)星的安全性、可靠性和可用性，降低衛(wèi)星對地面人工管理的依賴性，本文分析了小衛(wèi)星遙控指令執(zhí)行的特點(diǎn)，提出了面向任務(wù)的自主指令設(shè)計(jì)方案，可以有效簡化衛(wèi)星遙控操作，并提高指令的安全性。

2 小衛(wèi)星遙控指令特點(diǎn)和設(shè)計(jì)原則

小衛(wèi)星只使用少量的直接指令用于部分關(guān)鍵設(shè)備加斷電或主備份切換控制，此外，由星載計(jì)算機(jī)執(zhí)行的遙控?cái)?shù)據(jù)和間接指令是控制衛(wèi)星工作的主要手段。星務(wù)中心計(jì)算機(jī)是整星的信息中心，接收遙控?cái)?shù)據(jù)和間接指令，并通過總線發(fā)送給各下位機(jī)。星務(wù)中心計(jì)算機(jī)監(jiān)視全星狀態(tài)，協(xié)調(diào)整星的工作，控制有效載荷在軌工作和參數(shù)重新設(shè)置。各下位機(jī)接收來自總線的遙控?cái)?shù)據(jù)和間接指令，完成相應(yīng)的控制。

1）小衛(wèi)星遙控指令特點(diǎn)

（1）大部分指令由星載軟件執(zhí)行，可以完成復(fù)雜的指令控制，支持帶參數(shù)的指令；

（2）如果指令執(zhí)行是有條件的，該條件是否滿足，可以由星上自主判斷，也可以由地面判斷；

（3）衛(wèi)星常規(guī)任務(wù)管理有一定的規(guī)律性，可以由固定指令系列完成，地面控制重復(fù)執(zhí)行；

（4）指令之間有一定的相關(guān)性。

2）設(shè)計(jì)原則

根據(jù)以上特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)遙控指令時應(yīng)遵循以下原則：

（1）安全設(shè)計(jì)：對于關(guān)鍵危險指令，應(yīng)采取硬件或軟件措施保證遙控指令的安全性，確保任何情況下不對衛(wèi)星造成破壞性損傷。

（2）容錯設(shè)計(jì)：星上軟件應(yīng)能夠完成遙控?cái)?shù)據(jù)和間接指令漏發(fā)時的重發(fā)，完成完整性和正確性判斷，自動剔除錯誤的數(shù)據(jù)和指令。

（3）簡化操作：星上設(shè)備應(yīng)當(dāng)盡量支持簡化操作，減小星地操作的復(fù)雜性和人工誤操作的可能性。

（4）自動故障監(jiān)測處理：判斷星上設(shè)備工作和健康狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)故障由星上自動處理，避免故障范圍擴(kuò)大，并便于地面對衛(wèi)星的狀態(tài)監(jiān)視和管理。

3 面向任務(wù)的自主指令設(shè)計(jì)

美國國家航空航天局（NASA）采用自主指令技術(shù)對衛(wèi)星群進(jìn)行控制［5］，在我國研制的小衛(wèi)星中，也不斷改進(jìn)衛(wèi)星遙控指令設(shè)計(jì)，簡化衛(wèi)星操作并提高衛(wèi)星的安全性。以星務(wù)中心計(jì)算機(jī)為信息處理中心，充分發(fā)揮星載計(jì)算機(jī)的智能處理能力，對常用工作模式或異常處理的指令系列進(jìn)行封裝，例如，只須發(fā)送一條類似“照相幾分鐘”的帶參數(shù)指令，即可控制一次有效載荷的工作，而不必了解星上設(shè)備工作需要幾條指令、指令順序以及控制設(shè)備等細(xì)節(jié)，避免了地面發(fā)送多條遙控指令可能導(dǎo)致指令鏈不完整等錯誤引起的故障風(fēng)險，簡化了衛(wèi)星系統(tǒng)與用戶的接口關(guān)系。星務(wù)中心計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)的面向任務(wù)的自主指令功能，包括遙控?cái)?shù)據(jù)接收、程控指令、自主任務(wù)管理、自主故障監(jiān)測與處理、封裝系列指令和間接指令處理等功能模塊，其控制流程如圖1所示。

圖1 面向任務(wù)的自主指令控制流程圖Fig．1 Mission-oriented autonomous commands control flow

3．1 封裝系列指令

間接指令包括執(zhí)行條件標(biāo)志、指令代碼和參數(shù)。封裝系列指令技術(shù)對載荷工作、故障處理等需要的多條間接指令進(jìn)行封裝，包括間接指令代碼、時間間隔、最大允許執(zhí)行時間、執(zhí)行條件標(biāo)志、故障判據(jù)調(diào)整量、臨界資源標(biāo)志、指令執(zhí)行優(yōu)先級等信息，存儲在星務(wù)中心計(jì)算機(jī)中，可以通過遙控注入數(shù)據(jù)進(jìn)行在軌修改或增加。封裝系列指令代碼格式如圖2所示，執(zhí)行條件標(biāo)志的每一位對應(yīng)一種衛(wèi)星健康狀態(tài)，“1”為相關(guān)，“0”為無關(guān)。臨界資源標(biāo)志的每一位對應(yīng)一種臨界資源，“1”為相關(guān)，“0”為無關(guān)。具體的設(shè)計(jì)要配合程控、自主任務(wù)管理和自主故障監(jiān)測與處理等模塊的需求而進(jìn)行，支持它們完成特定的功能。

圖2 封裝系列指令格式Fig．2 Format of encapsulated batch commands

封裝系列指令在執(zhí)行時，判斷能源、姿態(tài)和熱控等衛(wèi)星健康狀態(tài)是否滿足執(zhí)行條件，對執(zhí)行條件標(biāo)志和衛(wèi)星健康狀態(tài)作“與”運(yùn)算，結(jié)果為“0”才可以執(zhí)行，還須判斷臨界資源使用是否與正在執(zhí)行的指令有沖突。由于衛(wèi)星工作模式的改變會引起故障判據(jù)的變化，根據(jù)封裝系列指令的執(zhí)行情況，實(shí)時修改故障監(jiān)測的判據(jù)，如載荷設(shè)備開關(guān)時，要對整星電流判斷門限動態(tài)調(diào)整。星上很多間接指令執(zhí)行是有條件的，錯誤執(zhí)行可能造成嚴(yán)重后果，所以，在執(zhí)行間接指令時，判斷執(zhí)行條件是否滿足，否則執(zhí)行異常處理流程。例如，某星上設(shè)備有幾路電壓分別由幾條指令控制，要求嚴(yán)格按順序加電，否則設(shè)備就會損傷，在這種情況下星上需要嚴(yán)格判斷加電情況。如果不采取安全性設(shè)計(jì)措施，一旦在單機(jī)測試、整星測試和在軌長期使用中由于某種原因發(fā)生漏指令問題，則可能造成災(zāi)難性后果，封裝系列指令技術(shù)則可以有效避免這類誤操作的風(fēng)險。封裝系列指令執(zhí)行流程如圖3所示。

圖3 封裝系列指令執(zhí)行流程Fig．3 Implementation flow diagram of encapsulated batch commands

3．2 封裝系列指令啟動方法

封裝系列指令可以由地面發(fā)送指令或程控指令啟動，也可以由自主任務(wù)管理、自主故障監(jiān)測與處理模塊產(chǎn)生的特定事件觸發(fā)啟動。

程控指令是一種廣泛使用的傳統(tǒng)衛(wèi)星操作方式，衛(wèi)星用戶選擇對應(yīng)任務(wù)的封裝系列指令，計(jì)算好指令執(zhí)行的開始時刻，確定需要的執(zhí)行時間長度等間接指令參數(shù)，把包含執(zhí)行時刻和間接指令代碼的數(shù)據(jù)注入到星上。星上計(jì)算機(jī)定時檢查程控指令的執(zhí)行時間，如果時間到，則按間接指令代碼啟動相應(yīng)的封裝系列指令。對于一次任務(wù)，地面只須注入一條程控指令就可以完成任務(wù)的啟動。

目前，衛(wèi)星有效載荷在軌工作主要靠地面注入的程控指令完成，采用在軌任務(wù)自主管理技術(shù)可以進(jìn)一步簡化衛(wèi)星操作。NASA 的深空-1（DS-1）、地球觀測-1（EO-1）、3CS（Three Corner Sat）等衛(wèi)星采用連續(xù)規(guī)劃與調(diào)度系統(tǒng)（Continuous Activity Scheduling，Planning，Execution and Replanning，CASPER）技術(shù)自主完成載荷的控制［6］。為了方便衛(wèi)星用戶的使用，2000年在我國海洋一號（HY-1）衛(wèi)星中，根據(jù)有效載荷主要重復(fù)觀測特定地理區(qū)域的工作特點(diǎn)，綜合利用GPS信息、能源信息和衛(wèi)星姿態(tài)信息，滿足條件后星上自動產(chǎn)生觸發(fā)事件啟動相應(yīng)的封裝系列指令，實(shí)現(xiàn)了有效載荷在我國境內(nèi)工作的自主運(yùn)行管理，降低了衛(wèi)星日常管理的工作量［7］。

自主故障監(jiān)測與處理模塊對整星狀態(tài)進(jìn)行分析、監(jiān)測，自動更新整星的健康狀態(tài)作為封裝系列指令的執(zhí)行條件，發(fā)現(xiàn)異常時產(chǎn)生特定的事件觸發(fā)相應(yīng)的封裝系列指令，完成故障隔離、恢復(fù)或系統(tǒng)重組等措施，如對故障設(shè)備加斷電、主備機(jī)切換、恢復(fù)工作狀態(tài)和冗余系統(tǒng)重構(gòu)等。采用封裝系列指令技術(shù)有效解決了以往衛(wèi)星型號中的故障監(jiān)測與執(zhí)行指令的邏輯復(fù)雜、不易擴(kuò)展以及整星指令執(zhí)行時序不易控制等難題。

4 面向任務(wù)的自主指令在軌應(yīng)用情況

面向任務(wù)的自主指令已經(jīng)成功應(yīng)用到多個小衛(wèi)星型號，在軌應(yīng)用情況證明，它的確顯著簡化了衛(wèi)星遙控操作和任務(wù)管理。2008年發(fā)射的環(huán)境減災(zāi)-1（HJ-1）衛(wèi)星，每種任務(wù)模式的指令間執(zhí)行時間相對固定，唯一不同的是成像時間長度不同，采用了面向任務(wù)的自主指令技術(shù)，只須注入一塊數(shù)據(jù)（小于256byte）就可完成一個星期的工作任務(wù)，其效率比以往衛(wèi)星型號提高了約20～30倍，大大簡化了衛(wèi)星管理的復(fù)雜度，并提高了衛(wèi)星的可靠性和安全性［8］。

2010年遙感-9（YaoGan-9）衛(wèi)星發(fā)射后，由于軌道輻照條件惡劣，單粒子事件發(fā)生頻繁，多臺設(shè)備發(fā)生了多種意想不到的故障模式，嚴(yán)重影響衛(wèi)星的正常使用。針對在軌新發(fā)生的故障，5次在軌升級星務(wù)中心計(jì)算機(jī)軟件的自主故障監(jiān)測與恢復(fù)功能模塊和封裝系列指令功能模塊，改進(jìn)故障監(jiān)測方法及封裝系列指令，從而實(shí)現(xiàn)自動監(jiān)測故障，并在最短時間內(nèi)故障設(shè)備自動恢復(fù)工作，把故障對衛(wèi)星的影響降到最低程度，有效保證了衛(wèi)星可靠性和可用性，顯示了面向任務(wù)的自主指令技術(shù)的作用和擴(kuò)展工作能力。

5 結(jié)束語

本文提出的小衛(wèi)星面向任務(wù)的自主指令技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用到我國多顆小衛(wèi)星上，經(jīng)過在軌飛行驗(yàn)證，有效提高了衛(wèi)星的可靠性、安全性和可用性，簡化了衛(wèi)星的操作，比以往傳統(tǒng)的程控指令操作方式提高20～30倍的遙控注入效率。在后續(xù)衛(wèi)星型號研制中，需要根據(jù)衛(wèi)星的工作特點(diǎn)，進(jìn)一步改進(jìn)和完善面向任務(wù)的自主指令技術(shù)。

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