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        衛(wèi)星能源約束檢查模型改進及仿真

        2018-11-03 02:37:58趙靈峰潘小彤
        上海航天 2018年5期
        關(guān)鍵詞:數(shù)據(jù)表校正約束

        李 立,朱 野,趙靈峰,潘小彤,張 銘,王 碩

        (1.中國科學(xué)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(biāo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(zhǔn)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(dǎo)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(fù)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dǎo)致計算結(jié)果不準(zhǔn)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(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致電池剩余電量估計方法復(fù)雜,估計結(jié)果不準(zhǔn)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(dāng)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(zhǔn)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。

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