李 立，朱 野，趙靈峰，潘小彤，張 銘，王 碩

(1.中國科學院 上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海 200050； 2.上海微小衛(wèi)星工程中心，上海 201203)

0 引言

對地觀測衛(wèi)星攜帶可見光、電子偵察、合成孔徑雷達等星載傳感器，獲取地面目標的圖像和信號等信息，并將這些信息傳回地面站供分析使用[1]。因衛(wèi)星成本高昂，故衛(wèi)星資源顯得尤為寶貴。為充分利用星地資源，最大限度發(fā)揮衛(wèi)星效能，有必要對衛(wèi)星進行任務(wù)規(guī)劃以最大化利用衛(wèi)星資源。衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃是衛(wèi)星運控系統(tǒng)的核心部分，指根據(jù)用戶需求規(guī)劃未來一段時間內(nèi)衛(wèi)星的工作模式[2]。由于星地資源有限，在任務(wù)規(guī)劃過程中需要考慮很多約束，例如衛(wèi)星姿態(tài)約束、載荷工作能力約束及衛(wèi)星能源約束[3-4]。在過去，衛(wèi)星姿態(tài)機動能力和星上載荷工作能力限制了單軌的任務(wù)執(zhí)行數(shù)量，衛(wèi)星能源對任務(wù)的約束并非衛(wèi)星任務(wù)實現(xiàn)能力的主要限制因素[5]。衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃不考慮能源約束[6]，或者只是簡單考慮載荷工作期間的能源消耗，以單圈或多圈能源平衡作為約束[7]。隨著衛(wèi)星姿態(tài)機動能力和載荷性能的提升，衛(wèi)星工作水平得到大幅提升，但同時衛(wèi)星的能源消耗也有所增加。因此，有必要對衛(wèi)星能源預(yù)期使用情況進行估計，以防衛(wèi)星在執(zhí)行任務(wù)時出現(xiàn)能源不足的狀況，導致衛(wèi)星故障或任務(wù)無法順利完成。

文獻[5]提出了一種遙感衛(wèi)星能源平衡約束分析系統(tǒng)，可針對衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃進行能源約束檢查。文獻[8-10]提出了衛(wèi)星能源平衡計算方法，可計算一段時間內(nèi)衛(wèi)星的能源能否平衡，此結(jié)果將用于指導電源系統(tǒng)的設(shè)計。然而，上述方法在能源約束運用中面臨三方面問題：一是每次進行能源約束計算時需人為給定初始能源值，而規(guī)劃任務(wù)時往往不知道任務(wù)開始時的能源情況；二是若規(guī)劃的任務(wù)不能滿足能源約束條件，則能源約束檢查模型只給出不通過的結(jié)果，不提供規(guī)劃任務(wù)調(diào)整建議，不利于后期對任務(wù)進行快速調(diào)整；三是由于建模的簡化及衛(wèi)星功耗變化，使得計算結(jié)果與實際結(jié)果出現(xiàn)偏差，不進行校正會導致誤差積累。針對上述問題，本研究對能源消耗模型進行改進，提出了一種改進的能源約束檢查模型，該模型能自動計算衛(wèi)星長時間內(nèi)的能源消耗情況，并引入了衛(wèi)星遙測量對計算結(jié)果進行校正，以消除計算結(jié)果和實際結(jié)果的誤差。改進的能源約束檢查模型還能按照任務(wù)優(yōu)先級，從能源約束角度提出規(guī)劃任務(wù)調(diào)整建議。

1 衛(wèi)星能源約束檢查模型

衛(wèi)星能源約束檢查模型旨在對規(guī)劃的任務(wù)進行能源約束檢查，使得衛(wèi)星能源能保證規(guī)劃任務(wù)順利完成。已有的能源約束檢查模型在設(shè)定計算初始時間及初始值后，根據(jù)軌道信息和任務(wù)表確定衛(wèi)星工作模式，結(jié)合各工作模式下的衛(wèi)星功耗，計算任務(wù)期間的能源消耗，計算完畢或能源約束不滿足時，則停止計算返回結(jié)果，其計算流程如圖1所示[5]。

圖1 已有的能源約束檢查模型流程圖Fig.1 Flowchart of existing energy constraint checking model

已有的能源約束模型針對單次能源約束檢查設(shè)計，而在使用衛(wèi)星的實際場景中，工作人員需多次使用任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)進行任務(wù)規(guī)劃。使用已有的能源約束檢查模型需指定計算初始值，無法實現(xiàn)能源約束的準確計算，且在能源約束不通過的情況下，能源約束檢查模型未給出調(diào)整意見，規(guī)劃任務(wù)系統(tǒng)不能對任務(wù)進行快速調(diào)整，導致整個規(guī)劃周期較長，影響衛(wèi)星的使用效能。為克服已有能源約束檢查模型存在的問題，對該模型進行了改進。改進模型以能源數(shù)據(jù)庫為中心，由任務(wù)期能源約束檢查、非任務(wù)期能源計算、遙測校正和數(shù)據(jù)庫維護4部分組成。

任務(wù)期能源約束檢查部分在規(guī)劃任務(wù)時被任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)調(diào)用，計算完畢后向任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)返回能源約束檢查結(jié)果和任務(wù)調(diào)整建議，實現(xiàn)規(guī)劃任務(wù)能源約束檢查計算和規(guī)劃任務(wù)調(diào)整功能。非任務(wù)期能源計算部分由模型定時啟動，該部分用于檢測能源數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)是否為最新數(shù)據(jù)，如果否，則啟動計算，使任務(wù)期能源約束檢查部分獲取到最近時刻的計算初始值。遙測校正部分利用衛(wèi)星能源遙測數(shù)據(jù)對能源數(shù)據(jù)庫中的能源值進行校正，消除計算誤差。數(shù)據(jù)庫維護部分實現(xiàn)對能源數(shù)據(jù)庫的管理，對模型各部分產(chǎn)生的能源數(shù)據(jù)進行處理，包括合并重合數(shù)據(jù)、刪除多余數(shù)據(jù)、更新能源數(shù)據(jù)等操作。經(jīng)過改進的能源約束檢查模型如圖2所示。

圖2 改進的能源約束檢查模型流程圖Fig.2 Flowchart of improved energy constraint checking model

2 改進模型的組成

2.1 任務(wù)期能源約束檢查

任務(wù)期能源約束檢查是改進的能源約束檢查模型的核心部分，用于實現(xiàn)任務(wù)期能源消耗計算和規(guī)劃任務(wù)調(diào)整2個功能。

2.1.1 能源消耗計算

能源消耗計算的流程如下。首先從規(guī)劃任務(wù)表中讀取任務(wù)開始時間和結(jié)束時間，并從本地能源數(shù)據(jù)庫中獲取開始時間的能源值，以此作為計算初始值，而非人為指定計算的初始能源值。本地能源數(shù)據(jù)庫中的能源數(shù)據(jù)由任務(wù)期能源約束檢查和非任務(wù)期能源計算模塊共同插入更新，以保證能源數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)持續(xù)更新到最近時間。初始值的確定方式具體為：查詢本地數(shù)據(jù)庫中早于開始時間T1和晚于開始時間T2的最近能源值記錄，采用插值計算開始時間的能源值；若沒有查詢到T2，則采用非任務(wù)期能源計算模塊中的計算方法計算開始時間，獲取開始時間的能源值。由于非任務(wù)期能源計算模塊的定期更新，后一種情況下的計算開銷較小。之后，根據(jù)輸入的規(guī)劃任務(wù)表和軌道信息表，結(jié)合衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整策略，綜合得到衛(wèi)星的工作模式，判斷衛(wèi)星充放電情況。最后，結(jié)合各個工作模式下的功耗表，計算衛(wèi)星的能源變化直到計算結(jié)束。

對于多任務(wù)且姿態(tài)需要相應(yīng)機動的衛(wèi)星，多個任務(wù)相互影響，姿態(tài)調(diào)整錯綜復雜，能源計算的難點在于對衛(wèi)星工作模式的判斷。文獻[5，8-10]都未給出判斷衛(wèi)星工作模式的方法。在改進模型中利用一種通過查詢數(shù)據(jù)庫進行工作模式判斷的方法[11]，該方法操作簡單，可擴展性好，具有一定的通用性。其思路為考慮各個載荷任務(wù)、軌道信息和姿態(tài)調(diào)整的所有組合，建立各個狀態(tài)組合和衛(wèi)星工作模式的對應(yīng)表，將軌道信息和規(guī)劃任務(wù)時間信息分別注入數(shù)據(jù)庫表，查詢某時刻各個數(shù)據(jù)庫表中的衛(wèi)星工作狀態(tài)，由對應(yīng)表得到當前衛(wèi)星工作模式。工作模式判斷方法如圖3所示。

圖3 衛(wèi)星工作模式判別方法示意圖Fig.3 Schematic diagram of working pattern discrimination

軌道時間包含衛(wèi)星進出地影的時間。在進出地影時，載荷1和載荷2執(zhí)行前后有姿態(tài)機動，載荷2還有任務(wù)處理操作，上述姿態(tài)機動在姿態(tài)不需要調(diào)整時不會執(zhí)行?？赏ㄟ^建立工作狀態(tài)組合與衛(wèi)星工作模式的對應(yīng)表處理相互影響的3個序列。軌道時間序列工作狀態(tài)有4種，載荷1工作狀態(tài)有4種，載荷2工作狀態(tài)有6種，共計有4×4×6=96種工作狀態(tài)組合。時間1工作模式為對地姿態(tài)機動，時間2工作模式為載荷任務(wù)1……通過窮舉的方式可建立各個狀態(tài)組合與衛(wèi)星工作模式的對應(yīng)表。分別查詢到某時刻3個時間序列的工作狀態(tài)后，即可通過對應(yīng)表判斷衛(wèi)星工作模式，再結(jié)合衛(wèi)星在各個工作模式下的能源功耗表進行能源消耗計算。

2.1.2 規(guī)劃任務(wù)調(diào)整

當規(guī)劃的任務(wù)未通過能源約束檢查時，任務(wù)調(diào)整功能可從能源角度對任務(wù)表進行調(diào)整，以提供規(guī)劃任務(wù)調(diào)整的方向。模型按照優(yōu)先級對任務(wù)進行調(diào)整，即當任務(wù)不滿足能源約束條件時，能源約束檢查模型首先對低優(yōu)先級的任務(wù)進行調(diào)整，若任務(wù)調(diào)整后通過能源約束，則對任務(wù)表變動部分進行重新計算，否則按照優(yōu)先級從低到高繼續(xù)調(diào)整。任務(wù)調(diào)整過程如圖4所示。

圖4 任務(wù)調(diào)整示意圖Fig.4 Schematic diagram of task adjustment

在T5時刻，計算的能源值低于能源閾值，模型會計算T6時刻，得到在該時刻的能源值V1，利用該值可計算出為滿足T6時刻能源值大于能源閾值，需要縮短的任務(wù)時間。因T1時刻能源值滿，故之前的任務(wù)不再調(diào)整，模型只對T1～T6之間的任務(wù)進行調(diào)整。模型首先逐次檢索最低優(yōu)先級的任務(wù)，若滿足能源約束，則退出調(diào)整功能，否則對該優(yōu)先級或次低優(yōu)先級任務(wù)繼續(xù)進行調(diào)整。任務(wù)調(diào)整完畢后，對能源數(shù)據(jù)庫中原來有變化的能源數(shù)據(jù)進行更新。待計算完畢，輸出調(diào)整任務(wù)的代號，任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)據(jù)此進行任務(wù)調(diào)整。圖4顯示了對T4～T6之間的任務(wù)進行調(diào)整后的能源值變化。

2.2 能源校正

由于在軌運行狀態(tài)與地面測量環(huán)境的差別，能源模型的計算結(jié)果與實際能源情況存在偏差。若不加以校正，則長期的誤差積累會導致計算結(jié)果不準確。為此，改進的模型引入了衛(wèi)星遙測對能源數(shù)據(jù)庫中的能源值進行校正。衛(wèi)星常用鋰電池和鎳氫電池供電[12]，剩余電量與電流、內(nèi)阻和溫度有關(guān)，電池內(nèi)部復雜的電化學反應(yīng)導致電池剩余電量估計方法復雜，估計結(jié)果不準確[13]，難以用衛(wèi)星遙測量對能源剩余量進行估計，但可用衛(wèi)星方陣電流、負載電流和充放電電流判斷衛(wèi)星電源是否充滿。在模型中，獲取衛(wèi)星的能源遙測量，當判斷電源充滿時，將能源數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)時間點的能源值校正為滿。校正過程如圖5所示。

圖5 能源值校正示意圖Fig.5 Schematic diagram of energy value adjustment

校正時不必對校正時間點后的能源重新進行計算。若模型檢測到T1時刻的能源為滿，則會對能源數(shù)據(jù)庫中T1時刻后的能源值進行校正。若T1～T2期間能源處于充電狀態(tài)，則能源一直為滿。若T2時刻衛(wèi)星能源值增加了H1，則對后續(xù)能源值增加H1一直到能源滿。若T4時刻能源值增加了H2，由于增加量H2

2.3 非任務(wù)期能源計算

改進的模型引入能源數(shù)據(jù)庫對衛(wèi)星整個運行過程中的能源數(shù)據(jù)進行記錄和預(yù)測，2次規(guī)劃任務(wù)時間間隔可能較長。為保證能從數(shù)據(jù)庫中查詢到下一次能源約束檢查時的初始值，在非任務(wù)期間也要計算衛(wèi)星的能源消耗情況。

在非任務(wù)期間，模型定時自動計算，其計算方法與任務(wù)期能源消耗計算類似，但只考慮衛(wèi)星軌道信息和姿態(tài)調(diào)整策略。模型首先從能源數(shù)據(jù)庫中獲取最晚時間點作為計算開始時間，再從軌道信息表中讀取衛(wèi)星在該時間點后的軌道信息，參考衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整策略進行能源計算，并將結(jié)果上注到能源數(shù)據(jù)庫。

2.4 能源數(shù)據(jù)庫維護

改進的能源約束檢查模型以能源數(shù)據(jù)庫為中心，任務(wù)期、非任務(wù)期能源計算和能源遙測校正都與能源數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)交互。改進的模型需要對能源數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)維護。能源數(shù)據(jù)庫中有3個數(shù)據(jù)表：任務(wù)期數(shù)據(jù)表、非任務(wù)期數(shù)據(jù)表和能源數(shù)據(jù)表。

任務(wù)期的能源計算結(jié)果上注在任務(wù)期數(shù)據(jù)表內(nèi)，任務(wù)調(diào)整功能會對該數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)進行刪除和更新，待計算完畢后，若任務(wù)表通過，則表示任務(wù)會最終上注，模型會將該次計算數(shù)據(jù)拷貝至能源數(shù)據(jù)表，能源數(shù)據(jù)表中與任務(wù)期數(shù)據(jù)表中時間相同的數(shù)據(jù)將被覆蓋，模型會對該次任務(wù)后續(xù)數(shù)據(jù)進行校正。若任務(wù)表未通過，則該次任務(wù)不能滿足需求，數(shù)據(jù)無效被丟棄。

非任務(wù)期計算時，模型查詢能源數(shù)據(jù)表和非任務(wù)期數(shù)據(jù)表，獲取最晚時間作為計算起始時間，以讀取相應(yīng)的軌道信息表進行計算。計算完畢后，查詢能源數(shù)據(jù)表最晚時間和其對應(yīng)的能源值，將非任務(wù)期數(shù)據(jù)表中晚于該時間點的數(shù)據(jù)校正后拷貝至能源數(shù)據(jù)表。

能源數(shù)據(jù)表存儲星上能源值，記錄星上能源消耗情況，提供任務(wù)期能源約束計算初始值，接收遙測數(shù)據(jù)校正。

3 模型仿真

改進后的模型以數(shù)據(jù)庫為中心，實現(xiàn)能源計算、規(guī)劃任務(wù)調(diào)整和能源校正功能。本節(jié)模擬衛(wèi)星運行的真實場景，對模型實現(xiàn)的功能進行驗證。

3.1 仿真輸入

能源消耗模型需要輸入衛(wèi)星的規(guī)劃任務(wù)時間表、衛(wèi)星軌道信息和衛(wèi)星能源消耗列表。載荷任務(wù)時間見表1，表中優(yōu)先級數(shù)字越大表示優(yōu)先級越高。軌道信息包含衛(wèi)星進出地影的時間，由STK(system tool kit)軟件解算輸入。同時，設(shè)定衛(wèi)星能源閾值為滿電量的25%，如果計算中能源值低于25%，則認為衛(wèi)星能源不能滿足要求，規(guī)劃任務(wù)需要調(diào)整。

表1 載荷任務(wù)時間表

3.2 仿真結(jié)果

3.2.1 規(guī)劃任務(wù)調(diào)整功能驗證

為驗證改進模型的調(diào)整效果，首先禁用模型的任務(wù)調(diào)整功能，利用模型獲取規(guī)劃任務(wù)時間表和軌道信息后進行計算，計算結(jié)果與預(yù)期結(jié)果一致，計算結(jié)果如圖6所示。在2017年8月16日00:25:00時，計算能源值低于設(shè)定的能源閾值，不滿足能源約束的要求，由表1可見，此時衛(wèi)星處于載荷任務(wù)中的dz3執(zhí)行期間。

圖6 禁止任務(wù)調(diào)整功能計算結(jié)果Fig.6 Result of prohibition on adjustment function

利用使能模型的任務(wù)調(diào)整功能再次進行計算，根據(jù)模型的調(diào)整策略，應(yīng)對dz2和dz3進行調(diào)整。因dz2的優(yōu)先級低于dz3，故模型先計算刪除dz2是否滿足能源需求，若滿足，則dz3保留繼續(xù)計算。計算結(jié)果如圖7所示。

圖7 調(diào)整dz2計算結(jié)果Fig.7 Result with the adjustment of dz2

為驗證模型對不同優(yōu)先級的優(yōu)化策略，將dz2優(yōu)先級設(shè)置為2，dz3優(yōu)先級設(shè)置為1，重新計算得到的結(jié)果如圖8所示。

圖8 調(diào)整dz3計算結(jié)果Fig.8 Result with the adjustment of dz3

由圖6～8可見，改進的模型能準確計算能源消耗，并在規(guī)劃任務(wù)不滿足能源約束條件時根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級給出調(diào)整建議，使得任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)可迅速對任務(wù)進行合理調(diào)整。

3.2.2 能源校正功能驗證

為驗證模型的能源校正功能，針對圖8所示的仿真條件，在dz2后實施能源校正，設(shè)定在2017年8月16日04:32:00時衛(wèi)星能源值滿，校正結(jié)果如圖9所示。

圖9 能源校正前后對比Fig.9 Comparison of energy adjustment

由圖9可見，在收到能源值滿的消息后，模型按照校正策略對能源值進行校正。從收到消息的時間點到下一次能源為滿時間點之間的數(shù)據(jù)會被校正。

4 結(jié)束語

本文建立了一種改進的能源約束檢查模型。該模型以能源數(shù)據(jù)庫為中心，分為任務(wù)期計算部分、遙測校正部分、非任務(wù)期計算部分和數(shù)據(jù)庫維護部分，克服了原有模型不能進行任務(wù)調(diào)整、無校正環(huán)節(jié)及能源計算時間不連續(xù)的缺點，實現(xiàn)了能源約束計算自動管理和任務(wù)自動調(diào)整功能。仿真結(jié)果表明：該模型能按照預(yù)期實現(xiàn)能源約束計算和任務(wù)調(diào)整，且能實現(xiàn)無人干預(yù)狀態(tài)下的自動運行，具備良好的擴展性。該模型在進行能源計算時未考慮衛(wèi)星整星溫度變化對能源消耗的影響，特別是衛(wèi)星加熱制冷設(shè)備對能源消耗的影響，且在能源計算時采用單機功耗平均值進行計算，造成模型計算誤差，后續(xù)需補充針對溫度的補償，并擬合單機能源消耗的實際曲線，減小計算誤差。