李金亮，狄 慧，葉小舟，王再明

(上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240)

·技術(shù)前沿·

隨遇接入衛(wèi)星應(yīng)急任務(wù)響應(yīng)技術(shù)研究

李金亮，狄 慧，葉小舟，王再明

(上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240)

面對(duì)在軌衛(wèi)星當(dāng)前對(duì)突發(fā)事件、災(zāi)難應(yīng)急等突發(fā)性、短暫性的使用需求，傳統(tǒng)空間系統(tǒng)應(yīng)用存在任務(wù)規(guī)劃提前制定、難以臨時(shí)變更的缺點(diǎn)，衛(wèi)星系統(tǒng)無法快速對(duì)該類突發(fā)事件進(jìn)行資源保障。因此迫切需要構(gòu)建高效、即時(shí)的空間任務(wù)執(zhí)行體系。研究了隨遇接入衛(wèi)星應(yīng)急任務(wù)響應(yīng)技術(shù)，該技術(shù)可統(tǒng)籌任務(wù)執(zhí)行過程中涉及的各條鏈路及各類資源，全面改善任務(wù)執(zhí)行即時(shí)性。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)；隨遇接入；任務(wù)調(diào)度；在軌數(shù)據(jù)管理

0 引言

對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星利用星載傳感器獲取地球表面信息，可以廣泛應(yīng)用在土地資源普查、城市規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)等多個(gè)領(lǐng)域。當(dāng)越來越多的抗災(zāi)救援任務(wù)愈加依賴衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)，出現(xiàn)了一些新的需求，主要包括以下幾個(gè)方面：1)反恐維穩(wěn)，快速加強(qiáng)對(duì)某重點(diǎn)區(qū)域的情報(bào)收集分析；2)熱點(diǎn)區(qū)域應(yīng)對(duì)，對(duì)周邊海域艦船的突發(fā)事件針對(duì)性地應(yīng)對(duì)；3)災(zāi)害救援，對(duì)突發(fā)的重大自然災(zāi)害進(jìn)行救援及評(píng)估工作。這些新的衛(wèi)星應(yīng)用需求與傳統(tǒng)的衛(wèi)星使用方式相比具有極強(qiáng)的突發(fā)、短暫等特性，因此衛(wèi)星在軌任務(wù)的反應(yīng)速度逐漸成為衡量空間系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)之一[1]。

衛(wèi)星任務(wù)響應(yīng)過程是一個(gè)多環(huán)節(jié)構(gòu)成系統(tǒng)鏈路，本文以隨遇接入技術(shù)為基礎(chǔ)，通過在整個(gè)系統(tǒng)鏈路的多個(gè)環(huán)節(jié)提出新的技術(shù)方法，經(jīng)在軌衛(wèi)星實(shí)際工程化應(yīng)用，首次成功實(shí)現(xiàn)對(duì)地面目標(biāo)的快速任務(wù)執(zhí)行能力，有效地提升了現(xiàn)有衛(wèi)星裝備對(duì)應(yīng)急任務(wù)響應(yīng)的時(shí)效性。

1 衛(wèi)星應(yīng)急任務(wù)響應(yīng)技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前我國在衛(wèi)星應(yīng)急任務(wù)響應(yīng)研究方面已有很多進(jìn)展，如在快速響應(yīng)載荷設(shè)計(jì)思路方面，提出自主運(yùn)行技術(shù)[2]，載荷設(shè)備自行進(jìn)行自身狀態(tài)監(jiān)測(cè)、設(shè)備校驗(yàn)以及自測(cè)試，自主運(yùn)行星上管理軟件，簡化地面終端用戶操作。在衛(wèi)星任務(wù)調(diào)度方面，提出在線任務(wù)調(diào)度方法[3]，將傳統(tǒng)周期式人為的任務(wù)調(diào)度方式替換為在線任務(wù)調(diào)度算法，通過實(shí)時(shí)計(jì)算的方式判決新任務(wù)的到達(dá)時(shí)間和執(zhí)行時(shí)長，從而保證任務(wù)盡可能早完成。同時(shí)對(duì)于用戶星中繼終端的使用也有相關(guān)研究提出影隨測(cè)控的概念[4]，即通過在Ks/S模式下與中繼星進(jìn)行Ka頻率數(shù)傳時(shí)，同時(shí)進(jìn)行S頻段測(cè)控，稱之為影隨測(cè)控，使得用戶星進(jìn)行中繼數(shù)傳時(shí)都有機(jī)會(huì)與中繼衛(wèi)星建立測(cè)控鏈路，大大提高用戶星測(cè)控快速響應(yīng)能力。

現(xiàn)有的衛(wèi)星快速響應(yīng)技術(shù)研究，主要通過星上載荷自主運(yùn)行、程控任務(wù)合理調(diào)度以及通過中繼終端的使用增加測(cè)控接入能力等方面提升在軌任務(wù)執(zhí)行的效率或時(shí)效性。但基于當(dāng)前的工程可實(shí)現(xiàn)性及在軌任務(wù)執(zhí)行環(huán)境的復(fù)雜性，完全依靠星上資源保證的全自主任務(wù)運(yùn)行與調(diào)度，在可靠性、故障診斷、異常處理等方面仍需進(jìn)一步研究突破。

在中繼終端的使用上，可考慮通過將現(xiàn)有的中繼影隨測(cè)控使用方法進(jìn)一步升級(jí)為隨遇接入，即用戶星中繼終端通過自主指向中繼衛(wèi)星，隨時(shí)隨地具備等待接入中繼星的能力。

傳統(tǒng)衛(wèi)星獲取數(shù)據(jù)的過程一般包括觀測(cè)請(qǐng)求提交、任務(wù)規(guī)劃、上注衛(wèi)星任務(wù)指令、觀測(cè)目標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、下傳數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理和發(fā)布等動(dòng)作[5]，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)衛(wèi)星常規(guī)應(yīng)用方式

本文通過充分分析傳統(tǒng)衛(wèi)星常規(guī)應(yīng)用方式薄弱環(huán)節(jié)，在現(xiàn)有的任務(wù)快速響應(yīng)研究基礎(chǔ)上，對(duì)與及時(shí)性密切相關(guān)的指令上注、星上處理、數(shù)據(jù)下傳等幾個(gè)環(huán)節(jié)提出新的設(shè)計(jì)思路，兼顧工程可實(shí)現(xiàn)性，系統(tǒng)性地提出基于隨遇接入的衛(wèi)星應(yīng)急任務(wù)響應(yīng)技術(shù)。

2 衛(wèi)星應(yīng)急任務(wù)響應(yīng)設(shè)計(jì)總體思路

為實(shí)現(xiàn)平時(shí)完成在軌常規(guī)例行任務(wù)、關(guān)鍵時(shí)期應(yīng)急任務(wù)執(zhí)行兼顧的在軌衛(wèi)星應(yīng)用，衛(wèi)星的設(shè)計(jì)理念從舊有的“地面人工主動(dòng)操控、衛(wèi)星在軌被動(dòng)執(zhí)行”轉(zhuǎn)換到“以星為本，星地協(xié)同”的新思路上。

為快速有效地獲取對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)、提升應(yīng)急觀測(cè)水平，需要以縮短觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取時(shí)間為主要目標(biāo)，綜合考慮觀測(cè)任務(wù)的觀測(cè)類型要求、觀測(cè)質(zhì)量要求等因素，選擇衛(wèi)星平臺(tái)進(jìn)行觀測(cè)，統(tǒng)籌規(guī)劃觀測(cè)過程中涉及的各類資源，制定“從用戶始至用戶終”的全鏈路對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取方案。

隨著應(yīng)急任務(wù)響應(yīng)技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了多手段協(xié)同配合的系統(tǒng)化任務(wù)應(yīng)用快速執(zhí)行技術(shù)，特別針對(duì)在軌應(yīng)急突發(fā)任務(wù)，從自主跟蹤靈活建鏈、程控任務(wù)即時(shí)調(diào)度、星載數(shù)據(jù)融合處理、關(guān)鍵數(shù)據(jù)優(yōu)先下傳等方面開展重點(diǎn)設(shè)計(jì)。以“上注—執(zhí)行—下傳”的全鏈路構(gòu)建了可供快速執(zhí)行技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。該技術(shù)思路如圖2所示。

圖2 在軌衛(wèi)星應(yīng)急任務(wù)響應(yīng)技術(shù)總體思路

采用以上各項(xiàng)設(shè)計(jì)，應(yīng)急響應(yīng)模式下衛(wèi)星從發(fā)現(xiàn)目標(biāo)到發(fā)送至用戶時(shí)延可在分鐘級(jí)別完成。對(duì)各用戶支援的時(shí)效性大幅提升，提高了航天衛(wèi)星系統(tǒng)的信息化支援能力。

3 應(yīng)急任務(wù)響應(yīng)技術(shù)具體設(shè)計(jì)

應(yīng)急任務(wù)響應(yīng)技術(shù)具體實(shí)現(xiàn)如圖3所示，虛框?yàn)獒槍?duì)應(yīng)急任務(wù)專門提出的四項(xiàng)技術(shù)，由圖3可知，增加的技術(shù)實(shí)現(xiàn)并不影響原有衛(wèi)星常規(guī)任務(wù)執(zhí)行流程，僅在突發(fā)任務(wù)出現(xiàn)時(shí)進(jìn)入該支線，提升應(yīng)急任務(wù)響應(yīng)的時(shí)效性。

圖3 在軌應(yīng)急任務(wù)執(zhí)行流程設(shè)計(jì)

1)面向?qū)ο蟮某炭厝蝿?wù)即時(shí)調(diào)度設(shè)計(jì)

遵循衛(wèi)星對(duì)應(yīng)急任務(wù)快速執(zhí)行的總體設(shè)計(jì)思想，數(shù)管分系統(tǒng)在衛(wèi)星程控作業(yè)的設(shè)計(jì)上采用面向?qū)ο蟮默F(xiàn)代軟件設(shè)計(jì)方式替代了傳統(tǒng)的面向流程方法。一方面，頂層設(shè)計(jì)上對(duì)衛(wèi)星任務(wù)進(jìn)行抽象，所有的程控作業(yè)抽象成面向在軌工作模式的任務(wù)對(duì)象，將任務(wù)數(shù)據(jù)與任務(wù)動(dòng)作完整封裝為一個(gè)整體，在軌運(yùn)行時(shí)不同分系統(tǒng)任務(wù)對(duì)象進(jìn)行有機(jī)融合從而構(gòu)成一個(gè)完整的衛(wèi)星工作流程。另一方面，底層設(shè)計(jì)上在對(duì)象融合時(shí)執(zhí)行顆粒化設(shè)計(jì)，通過在系統(tǒng)底層進(jìn)行單元分解，將其轉(zhuǎn)化為帶時(shí)間戳的最簡指令顆粒，以執(zhí)行時(shí)間為界采用分級(jí)式顆粒管道對(duì)多個(gè)分系統(tǒng)的所有指令顆粒排序，以此構(gòu)建了程控作業(yè)靈活變更的基礎(chǔ)。

在程控作業(yè)的具體設(shè)計(jì)上，將其分為固定時(shí)序關(guān)系作業(yè)和定時(shí)指令作業(yè)兩種。固定時(shí)序關(guān)系作業(yè)是指一個(gè)作業(yè)中內(nèi)部的指令間的相互時(shí)序關(guān)系固定，其時(shí)序關(guān)系由數(shù)管軟件描述。在一項(xiàng)作業(yè)中指出作業(yè)起始時(shí)間、作業(yè)的模式、相關(guān)參數(shù)、作業(yè)的持續(xù)時(shí)間。固定時(shí)序關(guān)系作業(yè)表可通過在軌編程進(jìn)行修改。衛(wèi)星在軌長期運(yùn)行時(shí)大量使用的是固定時(shí)序關(guān)系作業(yè)表。定時(shí)指令作業(yè)中包含指令執(zhí)行時(shí)間和指令碼。地面試驗(yàn)、在軌故障處理或者當(dāng)載荷的程控時(shí)序發(fā)生較大調(diào)整時(shí)可以使用定時(shí)指令作業(yè)進(jìn)行衛(wèi)星控制。

固定時(shí)序關(guān)系作業(yè)表的遙控上注數(shù)據(jù)量小，但是時(shí)序關(guān)系固定；定時(shí)指令作業(yè)遙控上注數(shù)據(jù)量大，但是時(shí)序關(guān)系可靈活調(diào)整。

數(shù)管系統(tǒng)內(nèi)的程控固定作業(yè)分為數(shù)傳作業(yè)、遙測(cè)作業(yè)、載荷作業(yè)，3種作業(yè)放在一個(gè)包含一定數(shù)量作業(yè)項(xiàng)的作業(yè)表中。用每個(gè)0.5s節(jié)拍的時(shí)刻與作業(yè)表中的時(shí)刻進(jìn)行比對(duì)。當(dāng)前時(shí)間大于作業(yè)起始時(shí)間時(shí)，根據(jù)作業(yè)表內(nèi)容，激活載荷作業(yè)、數(shù)傳作業(yè)、遙測(cè)傳輸作業(yè)。每張作業(yè)表中的作業(yè)項(xiàng)的排列不必按時(shí)間從小到大。查表時(shí)，每次從表頭查到表尾。

針對(duì)作業(yè)各種臨時(shí)變更需求和場(chǎng)景，開展了針對(duì)性設(shè)計(jì)，在確保系統(tǒng)工作安全可靠前提下，提供用戶臨時(shí)增加、刪除、修改未執(zhí)行的作業(yè)項(xiàng)和臨時(shí)停止、修改已執(zhí)行但未執(zhí)行完的作業(yè)項(xiàng)的授權(quán)，最大限度地提供作業(yè)操作的靈活性，在軌程控任務(wù)解析及執(zhí)行的流程如圖4所示。

圖4 衛(wèi)星程控任務(wù)解析及執(zhí)行流程

2)測(cè)控隨遇接入設(shè)計(jì)及應(yīng)急任務(wù)執(zhí)行

一定時(shí)間內(nèi)可供星地之間建立上行鏈路的窗口數(shù)量是在軌衛(wèi)星達(dá)成應(yīng)急執(zhí)行能力的前提約束。通過裝載中繼終端，采用測(cè)控隨遇接入技術(shù)，可具備全球?qū)崟r(shí)對(duì)地支援能力。

通過采用中繼終端，具備了境外測(cè)控、數(shù)傳中繼能力，延長了可測(cè)控弧段和可傳數(shù)弧段。設(shè)計(jì)了中繼測(cè)控單收工作模式，在衛(wèi)星每次經(jīng)過赤道時(shí)，中繼終端自動(dòng)開機(jī)建立前向遙控接收鏈路。若存在應(yīng)急突發(fā)任務(wù)需求，可隨時(shí)申請(qǐng)中繼弧段，具備全天的隨遇接入能力，隨時(shí)上注應(yīng)急事件作業(yè)任務(wù)。

對(duì)于低軌衛(wèi)星，根據(jù)其選擇的軌道高度，在一個(gè)回歸周期內(nèi)，每天均可保證一定次數(shù)的測(cè)控可接入弧段。為確保與高軌中繼星測(cè)控接入的自主建鏈時(shí)間充裕，可選擇將測(cè)控接入?yún)^(qū)域設(shè)置為赤道上空，區(qū)域主要分布于地球赤道上空。

實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)需考慮在軌衛(wèi)星任務(wù)上注耗時(shí)需求及能源平衡情況，應(yīng)對(duì)默認(rèn)建鏈時(shí)間增加時(shí)間范圍的約束。對(duì)于少部分特定任務(wù)需要大量數(shù)據(jù)上注情況，星上建鏈時(shí)間應(yīng)設(shè)計(jì)為可供自定義，提供可擴(kuò)展性。

3)星載數(shù)據(jù)快速處理技術(shù)

通過將星載多傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，提前在星上進(jìn)行數(shù)據(jù)初步處理，減小地面各大系統(tǒng)間進(jìn)行海量數(shù)據(jù)傳輸及處理的時(shí)間，對(duì)提高衛(wèi)星系統(tǒng)信息支援的速度很有必要。星載數(shù)據(jù)高速處理主要通過高速云判、高速海面目標(biāo)檢測(cè)、高速陸地典型目標(biāo)檢測(cè)等方法完成。

對(duì)于云判，傳統(tǒng)方式通過利用圖像4個(gè)特征完成，精度較高但該算法有著較高的計(jì)算復(fù)雜度。考慮星載資源及處理時(shí)間有限，云判作為圖像預(yù)處理，需要盡量壓縮處理時(shí)間，因此在特征選用上要充分考慮DSP的

計(jì)算特性，設(shè)計(jì)計(jì)算量比較小的圖像特征。設(shè)計(jì)上應(yīng)從以下方面提高檢測(cè)精度和減少處理時(shí)間：①設(shè)計(jì)合適DSP計(jì)算的圖像特征；②在保證精度的情況下盡可能減少圖像特征的個(gè)數(shù)；③在局部特征判別的情況下，再利用全局信息以提高檢測(cè)精度。

對(duì)于海面目標(biāo)檢測(cè)，虛警率和檢測(cè)率在很多情況下是一對(duì)互相制約的指標(biāo)，在需要的情況下，可以通過修改星載軟件參數(shù)來提高目標(biāo)的檢測(cè)率，從而達(dá)到相應(yīng)指標(biāo)要求。

對(duì)于陸地典型目標(biāo)檢測(cè)，在目前遙感圖像目標(biāo)自動(dòng)檢測(cè)的研究上，還很難達(dá)到對(duì)陸地任何目標(biāo)的高精度自動(dòng)檢測(cè)，初步考慮采用的策略是利用獲取圖像和星上數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)圖像的自動(dòng)配準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)陸地特定區(qū)域的目標(biāo)檢測(cè)，其原理是：首先在星上存儲(chǔ)特定區(qū)域的光學(xué)圖像，并對(duì)圖像中關(guān)注的目標(biāo)進(jìn)行人工標(biāo)定，明確該基準(zhǔn)圖像上每個(gè)固定目標(biāo)的類型和經(jīng)緯度，當(dāng)星上載荷獲取該地區(qū)的圖像時(shí)，通過該圖像和基準(zhǔn)圖像的自動(dòng)配準(zhǔn)，再利用基準(zhǔn)圖像上的標(biāo)注信息就可以解析出該圖像上目標(biāo)類型和經(jīng)緯度。在處理時(shí)間上，根據(jù)時(shí)間要求采用不同的特征描述字，一旦配準(zhǔn)成功就可以獲取100%的目標(biāo)檢測(cè)率。

4)可檢索的數(shù)據(jù)文件管理體系及傳序重構(gòu)技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)應(yīng)急任務(wù)執(zhí)行技術(shù)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，可在數(shù)據(jù)文件的存儲(chǔ)和下傳上分別采用可檢索的數(shù)據(jù)文件管理體系及傳序重構(gòu)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)應(yīng)急突發(fā)事件任務(wù)的快速檢索及優(yōu)先下傳，降低了對(duì)數(shù)據(jù)傳輸窗口寬度的敏感性，可在不具備全盤回放的短接收弧段下提供突發(fā)性事件的數(shù)據(jù)支持。

考慮采用基于SDRAM星載存儲(chǔ)器分文件讀寫設(shè)計(jì)方法，通過在存儲(chǔ)器控制軟件中記錄每次文件寫入地址的方式建立存儲(chǔ)器文件索引，便于優(yōu)先下傳選擇。同時(shí)多次寫操作的文件地址保證連續(xù)，可以在數(shù)據(jù)異常時(shí)，實(shí)現(xiàn)全地址的大循環(huán)回放。根據(jù)文件地址存儲(chǔ)方式可設(shè)置最大記錄數(shù)量，如采用4bits記錄文件索引則可最大支持16個(gè)文件，文件的劃分方式是通過存儲(chǔ)器的寫停指令劃分，每次存儲(chǔ)器停止寫操作時(shí)即生成一個(gè)文件，如果在生成15個(gè)文件后仍進(jìn)行多次的寫停操作，就可將剩余數(shù)據(jù)均放入最后一個(gè)文件中。

衛(wèi)星已采集數(shù)據(jù)進(jìn)行下傳時(shí)，用戶可根據(jù)前時(shí)的應(yīng)急在軌任務(wù)需求對(duì)已有數(shù)據(jù)文件進(jìn)行權(quán)重賦值， 通過地面上注下傳數(shù)據(jù)文件序列指令的方式對(duì)某數(shù)據(jù)文件進(jìn)行優(yōu)先下傳。衛(wèi)星依文件權(quán)重從邏輯層面對(duì)下傳順序進(jìn)行重構(gòu)，綜合考慮下傳窗口資源確保應(yīng)急數(shù)據(jù)的及時(shí)、有效下傳。具有存儲(chǔ)空間利用率高、突發(fā)任務(wù)適應(yīng)性好、兼容順序下傳等優(yōu)點(diǎn)。文件傳序重構(gòu)示意如圖5所示。

圖5 文件傳序重構(gòu)流程圖

4 結(jié)束語

目前，空間應(yīng)急任務(wù)響應(yīng)技術(shù)得到了世界各軍事強(qiáng)國的普遍重視，其技術(shù)在軍事領(lǐng)域首先得到了初步應(yīng)用，目前正在民用領(lǐng)域逐漸推廣，鑒于其所蘊(yùn)藏的巨大空間潛在優(yōu)勢(shì)，可以預(yù)見該技術(shù)在空間探索、空間開發(fā)和空間應(yīng)用等方面必將發(fā)揮越來越重要的應(yīng)用效益。本文針對(duì)空間應(yīng)急任務(wù)響應(yīng)需求提出了隨遇接入衛(wèi)星應(yīng)急任務(wù)響應(yīng)技術(shù)，滿足了未來衛(wèi)星應(yīng)急任務(wù)快速執(zhí)行的需求，希望能對(duì)提升空間系統(tǒng)任務(wù)執(zhí)行能力研究提供一種有益的思路?！?/p>

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Random access satellite emergency task response technology

Li Jinliang, Di Hui, Ye Xiaozhou, Wang Zaiming

(Shanghai Institute of Satellite Engieering，Shanghai 200240，China)

For the short-term demand for emergencies of on-orbital satellite, the traditional space system has disadvantages that the mission planning is developed in advance and the planning is difficult to temporarily change. The satellite is difficult to quickly carry out resource protection for such events. So there is an urgent need to build efficient, real-time space task execution system. The random access satellite emergency task response technology is studied. This technology can coordinate the various links and various types of resources in the implementation of the task, and can improve the timeliness of task response comprehensively.

system design；random access；task scheduling；onboard data system

2017-03-10；2017-05-17修回。

李金亮(1981-)，男，高工，主要從事衛(wèi)星總體、載荷綜合應(yīng)用等領(lǐng)域的研究工作。

TN97；V474.2

A