陳韜亦

(1.中國電子科技集團公司 第五十四研究所，石家莊 050081;2.中國電子科技集團公司 航天信息應用技術重點實驗室，石家莊 050081)

0 引言

21世紀是人類全面進入、控制和利用太空的世紀?？焖夙憫臻g簡稱快響空間[1-9]，涉及到航天器、運載器、發(fā)射支持、地面控制及應用系統(tǒng)等，并在時間快、操作易、成本低、任務專的需求牽引下逐步形成以標準化模塊化平臺技術、快速集成測試發(fā)射技術、自主運行控制技術為代表的技術體系。美國在快速響應空間領域全面開展研究基礎上，重點放在戰(zhàn)術衛(wèi)星生成和設計的流水線化、模塊化、標準化；俄羅斯與歐空局則主要集中在快速響應運載器上以期獲得空間快速響應發(fā)射的能力；英國和德國專注于微小衛(wèi)星及星座計劃；日本航天器大量采用IT技術，用人工智能完成火箭射前測試檢查，用模塊化結構設計、即插即用技術實現(xiàn)衛(wèi)星功能定制。

地面控制及應用系統(tǒng)是快響空間體系的重要組成部分，作為快響空間任務實施的中心樞紐，該系統(tǒng)為各級各類太空操作人員提供控制手段，對任務進行需求分析部署，提供任務規(guī)劃和調度服務，為快響空間應急場景提供環(huán)境模擬和態(tài)勢綜合，對空間資源進行配置。當前針對快響空間任務正在研制、演示和驗證的控制與應用系統(tǒng)主要包括美國的虛擬任務操作中心(virtual mission operation center，VMOC)、戰(zhàn)術航天器指揮服務體系(tactical spacecraft commanding service architecture，TSCSA)[1]等。VMOC提供了一個快響空間戰(zhàn)術應用的虛擬任務操作中心，其主要思想是通過將應用用戶直接納入在軌航天器有效載荷的框架內，使用戶通過安全互聯(lián)網絡獲取衛(wèi)星數(shù)據(jù)，動態(tài)地給衛(wèi)星有效載荷分派任務，實施在軌衛(wèi)星設備的遙測、跟蹤和控制，以達到衛(wèi)星直接支持應用的目的。TSCSA是以操作人員為中心，符合WEB服務規(guī)范的，用于戰(zhàn)術空間資源訪問接入、任務分派和接收信息的一種全新方式。

1 能力需求

當前快響空間系統(tǒng)主要立足于快速滿足各類信息支援需要，支持快速組織和補充精干高效的空間資源，力求滿足國家重大突發(fā)事件、反恐維穩(wěn)、災害救援等空間信息綜合保障需求。這些需求可分為四個等級：等級一為在軌衛(wèi)星載荷分配；等級二為在軌衛(wèi)星機動變軌；等級三為在儲快速發(fā)射入軌；等級四為在研快速生產運輸發(fā)射。從任務角度可將等級四合并到等級三，三個等級的需求對地面系統(tǒng)提出了關鍵能力要求，主要有以下幾個方面：在軌衛(wèi)星快速信息支援，包括快速需求統(tǒng)籌分析分配、快速任務控制、快速業(yè)務測控，快速獲得信息并下傳，以及信息快速處理與分發(fā)等五項活動；在軌衛(wèi)星快速機動變軌，包括快速變軌組網分析、快速上傳軌道機動指令(快速變軌測控)以及快速軌道機動等三項活動；航天器快速發(fā)射入軌補網，包括快速發(fā)射任務規(guī)劃，載荷、平臺和運載器長期存儲，載荷與平臺靈活配置，載荷、平臺與運載器快速集成測試，快速發(fā)射和工程測控、快速自主在軌檢測，以及地面系統(tǒng)快速構建(地面系統(tǒng)基于新發(fā)射衛(wèi)星特點快速構建)等七項活動。

通過對上述快響活動進行分析，快響控制的能力需求主要包括：1)需求受理分析、資源分配和批準。輔助操作人員根據(jù)空間信息進行需求分析，確定需求等級，合理分配資源和批準需求；2)任務規(guī)劃、方案制定與推演。對空間快速信息支援、衛(wèi)星變軌和快速發(fā)射任務進行規(guī)劃、擬制和推演；3)調度與控制、過程監(jiān)控。對快響力量的調度，監(jiān)控快響任務的控制過程、星地資源使用過程等；4)態(tài)勢顯示與信息分發(fā)。為完成快響活動而進行空間態(tài)勢、地面任務系統(tǒng)的態(tài)勢綜合處理、顯示和分發(fā)；5)快響任務執(zhí)行效果評估。對需求滿足度、資源使用效率以及快響任務各項活動情況進行評估等。

2 初步設計

2.1 思路和方法

快響控制系統(tǒng)設計的基本思路是融合快響空間任務控制流程和現(xiàn)有業(yè)務應用流程，以“快”為核，以“服務化”云架構為基，構建面向服務的快響空間地面控制系統(tǒng)。其基本方法是基于云服務架構，從快響任務剖面構建現(xiàn)有地面業(yè)務或任務中心的信息服務系統(tǒng)；然后研究VMOC及天地安全互聯(lián)技術[10]，構建基于多層次多類型的半自動化、全自動化快響任務規(guī)劃、調度和控制核心應用及服務；支撐實現(xiàn)控制系統(tǒng)的快響空間態(tài)勢綜合、任務籌劃、任務控制和綜合保障功能，達到提高快響空間能力的目的。

2.2 體系視圖

體系視圖描述控制系統(tǒng)外部環(huán)境及其基本結構，如圖1所示。以控制中心為核心，以柵格網絡連結基礎，形成“外圍-后臺-前臺”控制系統(tǒng)三層結構。外圍主要包含快響火箭等航天器、衛(wèi)星等傳感器、站網等地面資源及其他系統(tǒng)；后臺主要包含與各衛(wèi)星控制中心、應用處理中心、地面站網中心等業(yè)務中心和發(fā)射、測控等任務中心相關的信息服務系統(tǒng)，以及控制系統(tǒng)所屬資源管理系統(tǒng)等。前臺主要包含控制中心和用戶終端。信息服務系統(tǒng)主要通過對各類業(yè)務中心、任務中心的功能進行抽取并服務化封裝，資源管理系統(tǒng)提供控制功能和信息服務的云基礎平臺及云資源管理和維護。前臺、后臺、外圍是調用與被調用、控制與被控制的關系。圖1所示的大外圍、強后臺、精前臺表示控制系統(tǒng)體系發(fā)展的方向。

圖1 快響空間地面控制系統(tǒng)體系視圖

2.3 功能視圖

基于對快響空間地面控制系統(tǒng)能力需求與使用模式的分析，設計快響空間地面控制系統(tǒng)的功能體系架構，主要包括態(tài)勢綜合、任務決策、任務控制、綜合保障四大功能。態(tài)勢綜合功能主要包括多源信息接入、信息處理、態(tài)勢綜合、態(tài)勢分發(fā)共享、態(tài)勢顯示等功能。任務決策功能主要包括快響任務分析、天基信息需求受理分析、衛(wèi)星變軌與組網分析、快響發(fā)射規(guī)劃分析、計劃方案生成和評估推演、人員管理和籌劃產品管理。任務控制功能主要包括行動控制、任務/設備調度控制、綜合監(jiān)視、關鍵事件告警、臨機情況處置、任務效果評估等功能。綜合保障功能主要包括通信保障、設備保障、后勤保障等。系統(tǒng)功能視圖如圖2所示。

圖2 快響空間地面控制系統(tǒng)功能視圖

2.4 運行視圖

基于對快響控制流程與信息交互關系的分析，設計快響空間地面控制系統(tǒng)運行流程。控制中心位于運行核心，可包含多個分中心；衛(wèi)星控制中心管理各類太空快響資源；地面站網中心支持太空快響資源的測控和數(shù)傳執(zhí)行；應用處理中心提供數(shù)據(jù)產品，包括圖像數(shù)據(jù)、信號數(shù)據(jù)、情報處理、數(shù)據(jù)融合、民用數(shù)據(jù)等。用戶終端系統(tǒng)包括固定、船載、機載、車載、個人攜帶式等終端，必要時還配屬機動保障車(含測控、數(shù)傳和應用處理)?？祉懓l(fā)射和測控系統(tǒng)用于衛(wèi)星快速發(fā)射和應急組網補網。其運行視圖如圖3所示。

圖3 快響空間地面控制系統(tǒng)運行視圖

1)快響基本流程:

控制中心通過用戶終端接收快響任務需求，對空間快響資源、地面站網資源、發(fā)射測控資源進行協(xié)同規(guī)劃分析，確認任務初步方案、等級；對于等級二，下達機動變軌應急組網任務，轉入機動變軌流程，對于等級三，下達應急發(fā)射補網任務，轉入應急發(fā)射流程；控制中心向衛(wèi)星控制中心下達天基支援任務，同時授予用戶終端衛(wèi)星載荷操控、信息權限；衛(wèi)星控制中心進行多任務調度，確定優(yōu)化配置空間資源要素，上報資源使用計劃；地面站網中心接收測控、數(shù)據(jù)任務，執(zhí)行設備計劃，并上報態(tài)勢信息；控制中心依據(jù)優(yōu)先級規(guī)則調度用戶終端對衛(wèi)星操作控制指令；衛(wèi)星控制中心或者衛(wèi)星(根據(jù)任務配置等)實時響應用戶終端指令，對衛(wèi)星載荷實時操作控制，并上報狀態(tài)；衛(wèi)星執(zhí)行任務，下傳載荷數(shù)據(jù)到地面站，或者將目標數(shù)據(jù)廣播分發(fā)給用戶終端；地面站網中心執(zhí)行衛(wèi)星控制指令，并接收衛(wèi)星下傳數(shù)據(jù)，發(fā)送給應用處理中心；應用處理中心實時生成情報產品，推送給用戶終端和控制中心，并上報狀態(tài)；控制中心實時監(jiān)視快響任務流程。

2)機動變軌流程:

在現(xiàn)有衛(wèi)星不能滿足任務需求時，控制中心進行衛(wèi)星機動變軌與組網后能力分析，根據(jù)任務支援需求，分析籌劃需要進行變軌的衛(wèi)星以及目標軌道，以及變軌后任務需求滿足情況，確定機動變軌方案后，控制衛(wèi)星控制中心進行衛(wèi)星變軌指令生成，地面站網中心進行指令上注執(zhí)行并接收遙測數(shù)據(jù)，衛(wèi)星控制中心通過遙測數(shù)據(jù)監(jiān)視變軌過程。變軌到位后，按照等級一的流程執(zhí)行快響任務信息綜合保障。

3)應急發(fā)射補網流程:

在衛(wèi)星變軌后仍不能滿足需求時，控制中心進行應急發(fā)射分析籌劃，分析需要發(fā)射的衛(wèi)星載荷與平臺類型、型號、軌道、運載火箭型號、發(fā)射窗口、發(fā)射單位與發(fā)射場地等，安排衛(wèi)星組裝、聯(lián)調、測試與發(fā)射等活動，若庫存沒有相應的衛(wèi)星型號時，進行應急研制組裝、測試、運輸，制定應急發(fā)射補網方案?？刂浦行幕趹卑l(fā)射補網方案，調度存儲衛(wèi)星與運載火箭運輸?shù)桨l(fā)射場，控制快響發(fā)射系統(tǒng)與快響測控系統(tǒng)進行衛(wèi)星與運載器快速集成聯(lián)調測試，進行新衛(wèi)星發(fā)射與工程測控，調度地面系統(tǒng)進行新衛(wèi)星管理、接收與處理等能力快速構建，然后組織進行星地在軌測試，測試合格后轉入等級一的流程執(zhí)行快響任務信息綜合保障。

4)運用流程:

快響流程支持各類高時效性任務，使操作人員能夠從應用終端實時監(jiān)控天基資源的使用情況。操作人員使用終端制定具體觀測任務，經控制中心任務仲裁后，直接由應用終端生成衛(wèi)星控制指令和地面站接收計劃，由地面機動保障車上注衛(wèi)星控制指令和調度地面站接收計劃，星上將觀測數(shù)據(jù)處理結果直接廣播至地面應用終端，保障遂行任務要求。

2.5 系統(tǒng)視圖

快響空間地面控制系統(tǒng)主要由以下部分構成：用戶終端、核心控制系統(tǒng)和信息服務系統(tǒng)。核心控制系統(tǒng)包含網信資源及管理系統(tǒng)、共用信息服務平臺以及快響任務規(guī)劃、調度和控制系統(tǒng)三部分，這三個部分共同支撐控制系統(tǒng)實現(xiàn)四個主要功能應用和服務，即態(tài)勢綜合系統(tǒng)、任務決策系統(tǒng)、任務控制系統(tǒng)、綜合保障系統(tǒng)。信息服務系統(tǒng)包括衛(wèi)星控制中心信息服務系統(tǒng)、地面站網中心信息服務系統(tǒng)、應用處理中心信息服務系統(tǒng)、發(fā)射測控信息服務系統(tǒng)等，是實現(xiàn)快響任務規(guī)劃、調度和控制系統(tǒng)的重要功能載體。如圖4所示。

任務規(guī)劃、調度和控制系統(tǒng)是快響空間控制系統(tǒng)的重要部分，具備對各類衛(wèi)星資源、接收資源、測控資源、快響發(fā)射資源等天地快響資源進行能力分析，支持點目標觀測、大區(qū)域覆蓋、海洋目標跟蹤監(jiān)視、目標動態(tài)監(jiān)視、運動目標監(jiān)視、立體測繪類型任務規(guī)劃能力。任務規(guī)劃、調度和控制系統(tǒng)具備對多任務多用戶情況下對天地資源的自動化優(yōu)化分配、資源沖突消解，以及天地裝備指令注入調度和控制功能。

任務規(guī)劃、調度和控制系統(tǒng)包含快響任務需求受理、快響任務協(xié)同籌劃、星地資源規(guī)劃分析、快響發(fā)射規(guī)劃分析、任務計劃生成、星地資源調度與控制、人員控制、終端用戶管理和任務仲裁管理等九個子系統(tǒng)。以下是對各個子系統(tǒng)的功能進行介紹。

快響任務需求受理子系統(tǒng)：負責接收各類用戶終端提交的快響需求和快響任務；

快響任務協(xié)同籌劃子系統(tǒng)：根據(jù)任務情況、天地資源對需求進行多方聯(lián)合籌劃分析，確定任務需求分級和需求解決初步方案；

圖4 快響空間地面控制系統(tǒng)系統(tǒng)視圖

星地資源規(guī)劃分析子系統(tǒng)：負責對各類衛(wèi)星資源、接收資源、測控資源、快響發(fā)射資源等天地快響資源的分析和規(guī)劃，生成快響任務方案；

快響發(fā)射規(guī)劃分析子系統(tǒng)：根據(jù)快響任務方案或快響發(fā)射任務進行任務規(guī)劃，生成快響發(fā)射測控方案；

任務計劃生成子系統(tǒng)：根據(jù)快響任務方案或/和發(fā)射測控方案，生成衛(wèi)星工程測控計劃、衛(wèi)星業(yè)務測控計劃、有效載荷控制計劃、地面站接收和傳輸計劃，以及發(fā)射/測控計劃、保障計劃、應急處置計劃等；

人員控制子系統(tǒng)：下達任務指令，進行任務/裝備調度控制、綜合監(jiān)視、關鍵事件告警、臨機情況處置、任務效果評估；

星地資源調度與控制子系統(tǒng)：依據(jù)任務計劃生成和調度分發(fā)指令，并上注衛(wèi)星。調度和分發(fā)依據(jù)(元)任務優(yōu)先級、時間序列和其它規(guī)則進行；

終端用戶管理子系統(tǒng)：審核終端用戶的注冊請求和配置使用權限、增強用戶跟蹤和接收來自多個衛(wèi)星資源數(shù)據(jù)的能力；

任務仲裁管理子系統(tǒng)：將操作人員的請求、空間協(xié)調部門的請求，以及所有支持指令的請求進行優(yōu)先級排序，并根據(jù)空間資源的可用性進行分配，對于沖突的需求按照任務執(zhí)行規(guī)則自動裁決取舍。

任務規(guī)劃、調度和控制系統(tǒng)作為整個快響空間控制系統(tǒng)重要組成部分，提供了一個虛擬的快響空間任務中心，彌補了傳統(tǒng)航天控制系統(tǒng)在支持高時效性應用方面存在的不足以及任務準確性的需求。傳統(tǒng)航天任務控制系統(tǒng)通過獲取用戶的需求，進行復雜的任務規(guī)劃和任務優(yōu)化，然后控制航天器及地面資源完成對用戶需求的響應，航天任務的管理控制過程及星地資源的使用對操作人員不透明，操作人員無法直接獲取當前航天器載荷及地面資源狀態(tài)，不能直接準確地體現(xiàn)操作人員的應用目的。

任務規(guī)劃、調度和控制系統(tǒng)在現(xiàn)有業(yè)務系統(tǒng)的基礎上，通過對功能的抽象構建服務，提供一種向終端用戶滿足高時效性應用的任務服務，將原有衛(wèi)星地面系統(tǒng)的操作控制前移，由操作人員使用IP的方式獲取有效載荷狀態(tài)，結合需求動態(tài)地給有效載荷及地面資源分派任務，實施在軌衛(wèi)星設備的控制，直接獲取衛(wèi)星有效載荷數(shù)據(jù)。

任務規(guī)劃、調度和控制系統(tǒng)提供下述能力和特性：

1)用戶通過系統(tǒng)提供的服務或應用直接實現(xiàn)與在軌航天器和地面接收處理等資源的互通；

2)任何經過授權和認證的用戶可以直接通過安全網絡從系統(tǒng)獲取衛(wèi)星應用服務；

3)能夠極大地提高衛(wèi)星的使用效率和操作人員指令的執(zhí)行效率；

4)使操作人員和數(shù)據(jù)用戶可以遠離地面站，衛(wèi)星地面站接入安全互聯(lián)網之后，任務規(guī)劃、調度和控制系統(tǒng)就成了能夠協(xié)調用戶和衛(wèi)星及地面資源之間聯(lián)系的控制單元；

5)能夠對每個用戶進行核實與授權；

6)建立平臺間安全的對話機制；

7)對用戶、任務和指令等的優(yōu)先級競爭進行仲裁與控制；

8)進行任務規(guī)劃，并執(zhí)行合理性指令測試；

9)在無人干預的情況下，將數(shù)據(jù)直接轉發(fā)給遠程用戶；

10)為可信任的傳感器數(shù)據(jù)遠程用戶提供訪問用的加密網關。

2.6 技術架構視圖

快響空間地面控制系統(tǒng)初步構建資源層、服務層和應用層三層開放式服務化的技術架構。如圖5所示。

資源層提供通信網絡、計算存儲、時空基準、安全保密、綜合管理、數(shù)據(jù)資源，以及傳感探測等資源要素，為系統(tǒng)提供安全可靠的信息傳輸、處理、存儲、應用等提供基礎支撐。

服務層對資源層進行虛擬化管理，形成以網絡為中心的服務運行管理調度平臺；提供資源管理、資源服務、系統(tǒng)集成服務、共性服務；聚合快響空間任務規(guī)劃、調度和控制核心應用，實現(xiàn)態(tài)勢綜合、任務決策、任務控制、綜合保障等基本功能。

應用層是基于資源層和服務層支撐，在各種應用場景下，通過對應用功能的靈活編排組合構建的應用系統(tǒng)，包括快響任務中心控制系統(tǒng)、天基信息支援控制系統(tǒng)、快響測控控制系統(tǒng)、應急發(fā)射控制系統(tǒng)和應用端系統(tǒng)等。

快響空間地面控制系統(tǒng)采用云平臺技術架構，依托資源管理系統(tǒng)，構建地面“控制云”，支持組網共享、按需服務的 “云+端”模式。衛(wèi)星控制中心、地面站網中心、應用處理中心、發(fā)射測控中心等進行功能服務化封裝、云化構建，納入“控制云”體系。資源管理系統(tǒng)提供各級各類控制系統(tǒng)服務化、云化物質載體和系統(tǒng)構建工具，支持地面、地下、機動多種模式的快速轉換和體系容災抗毀，支持應用軟件在線版本升級和新研軟件的即插即用。

3 關鍵技術

3.1 星地任務協(xié)同規(guī)劃技術

1)快響空間多星協(xié)同任務規(guī)劃技術:

快響空間多星任務規(guī)劃涉及多部門、多衛(wèi)星、多載荷的統(tǒng)籌分析、協(xié)同規(guī)劃與快速調整。通過分析天基地面資源的能力約束、快響任務需求特點以及多任務間的關聯(lián)關系，對各類天基資源以及地面控制、接收、測控、處理資源進行協(xié)同規(guī)劃，合理分配天地基資源，達到半自動化、自動化衛(wèi)星控制、測控、接收、記錄、傳輸活動的任務調度和最大化任務完成率的目的。

采用層次任務網絡(hierarchical task network，HTN)與專家決策技術進行快響空間任務可行性分析、任務分解與資源需求分配方案。采用多Agent系統(tǒng)(multi-agent system，MAS)進行多部門分布式協(xié)作與資源協(xié)同規(guī)劃，將復雜任務分解為各資源可獨立完成的子任務，確定和分配快響空間任務需要的衛(wèi)星資源、載荷資源、管理資源、測控資源、接收資源、應用處理資源等。

根據(jù)不同快響任務需求特征，分析各類任務規(guī)劃算法的適用性，分析不同資源分配策略，建立多策略資源分配模式；根據(jù)天基地面資源的能力約束特點，建立天基地面資源能力體系，設計并實現(xiàn)多星協(xié)同任務規(guī)劃算法。借鑒多智能體(Multi-Agent)協(xié)作技術中的合同網招投標機制，基于多Agent系統(tǒng)進行分布式多星協(xié)同任務規(guī)劃快速調整，多星之間通過合同網協(xié)商機制進行快響任務與資源協(xié)調[11]。

圖5 快響控制系統(tǒng)技術架構視圖

2)快速發(fā)射任務規(guī)劃技術:

快速發(fā)射任務規(guī)劃根據(jù)補網/組網需求進行應急發(fā)射的活動。發(fā)射規(guī)劃要求從全局統(tǒng)籌考慮所有星地資源情況，依據(jù)快響任務及組網需求分析任務衛(wèi)星、發(fā)射運載、時間窗口、發(fā)射方式、發(fā)射流程安排、設施安排、行動路線、協(xié)同計劃、保障計劃、應急處置計劃和風險控制要求，確定快響火箭、組網/補網衛(wèi)星、發(fā)射窗口、軌道根數(shù)、發(fā)射陣地等要素[12]。

根據(jù)快響任務需求特點，研究不同衛(wèi)星快響發(fā)射任務協(xié)同優(yōu)化模型，設計求解模型的多目標進化算法，研究并行規(guī)劃模型及算法，模擬不同方案的每次發(fā)射任務、每道工序的工作過程，結合算法尋找任務規(guī)劃的最優(yōu)方案，研究仿真推演技術確定方案合理性與有效性。

3.2 高效調度與實時控制技術

快響空間任務在高時效性任務調度與控制過程中，要求系統(tǒng)盡可能采用“發(fā)現(xiàn)即跟蹤”的運行模式。系統(tǒng)常常被要求在盡可能短的時間內完成載荷實時控制指令生成及上注，地面控制系統(tǒng)應具備高時效、高可靠、高自動化特點。

常規(guī)觀測任務對衛(wèi)星資源、載荷約束、數(shù)據(jù)接收資源，觀測目標(區(qū)域)選擇確定具有可預見性，任務安排具有周期性，方案制定具有很強的計劃性和穩(wěn)定性?？祉懣臻g觀測任務往往具有應急特點，對目標實施緊急觀測。面向高時效性的快響任務保障需求，為減少星上指令調整頻次，采用滾動式動態(tài)任務管理模式，實現(xiàn)常規(guī)流程可由測控周期自動觸發(fā)調度，快響流程可由快響任務自動觸發(fā)調度。

高效調度與實時控制技術主要解決星地一體合理高效自動化調度，以及地面對載荷的實時控制。基于快響空間任務特點，通過對控制流程進行分析，梳理重要環(huán)節(jié)及其相互關聯(lián)，采用預置自動化判斷規(guī)則，規(guī)則庫中定義了星地一體控制的各種約束條件及調度流程的相關配置信息。對于固化規(guī)則和配置，可定義為模板，如指令模板，在進行指令編制時，可依據(jù)指令模板快速生成指令序列。針對控制流程可能隨業(yè)務變化的情況，引入工作流機制，將流程配置作為規(guī)則庫的一部分。

針對準確性和時效性的要求，采用智能化虛擬控制、測控技術，針對服務化封裝，云化遷移，建立面向用戶的虛擬任務中心，用戶通過地面終端及安全互聯(lián)技術直接操控和使用星上資源，業(yè)務人員通過后臺管理和配置星地資源。

3.3 資源優(yōu)化分配技術

對快響空間資源統(tǒng)籌分配，就是根據(jù)衛(wèi)星資源、數(shù)傳資源、測控資源的使用特點，按照一定的分配策略，對資源進行合理的高效分配。其問題可描述為：對多類型任務集合，依據(jù)多顆觀測衛(wèi)星、可用數(shù)傳資源、測控資源各自的能力及約束條件，以協(xié)作方式將任務集合中的任務根據(jù)類型優(yōu)化分配至觀測衛(wèi)星時間窗口、數(shù)傳窗口、測控站測控窗口等資源，為觀測、數(shù)傳、測控規(guī)劃提供輸入。在協(xié)同分配過程中，任務分配以衛(wèi)星資源的能力為依據(jù)，保證分配給每個觀測平臺的任務能夠完成；而數(shù)傳窗口的分配主要面向衛(wèi)星，分配時以各個衛(wèi)星的任務負載以及衛(wèi)星與地面站的可見性為依據(jù)；測控資源的分配主要以滿足衛(wèi)星觀測任務的測控需求，保證資源約束、時間約束、狀態(tài)約束、關系約束前提下完成測控資源的分配。

研究采用分布式異步協(xié)同機制確定觀測資源分配模式；研究采用測控任務綜合優(yōu)先度概念，啟發(fā)式算法解決多星測控資源復雜組合優(yōu)化分配問題；研究地面接收站網資源分配技術和中繼衛(wèi)星系統(tǒng)資源分配技術解決多星數(shù)傳資源分配問題。

3.4 空/地接口標準化技術研究

針對快速響應作業(yè)，實現(xiàn)多星多站無縫互聯(lián)，設計基于國際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(consultative committee for space data systems，CCSDS)標準的快響空間地面控制系統(tǒng)空/地協(xié)議體系，兼容現(xiàn)行衛(wèi)星接口規(guī)范，遵循我國國家軍用標準GJB1198.1-91《衛(wèi)星測控和數(shù)據(jù)管理》標準。其協(xié)議體系中包含應用層、傳輸層、網絡層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，協(xié)議體系架構如圖6所示。

圖6 基于CCSDS框架的快響控制系統(tǒng)空/地協(xié)議體系架構

針對快響空間控制系統(tǒng)，為了提高信息在多星多站間異構網絡中靈活傳輸，高效交互衛(wèi)星各類數(shù)據(jù)，首先要對信息傳輸進行層次化設計與規(guī)范，遵循協(xié)議框架標準， 基于可擴展標記語言的遙測遙控信息交換(XML telemetric and command exchange，XTCE)的快響互聯(lián)信息模型是貫穿從數(shù)據(jù)鏈路層到應用層的分層規(guī)范描述，研究XTCE標準，將其作為地面遙控、遙測、和數(shù)傳接口規(guī)范，并兼容現(xiàn)有傳統(tǒng)遙測遙控格式，作為高級在軌系統(tǒng)(advanced orbiting systems，AOS)協(xié)議補充；同時研究處于網絡層空間通信協(xié)議的空間分組協(xié)議SPP，根據(jù)特定路由策略與算法生成的路由信息，形成傳輸數(shù)據(jù)包；研究空間通信協(xié)議規(guī)范-傳輸協(xié)議(space communication protocol standard-transmission protocol，SCPS-TP)和CCSDS文件傳輸協(xié)議(CCSDS file delivery protocol，CFDP)，以向空間通信用戶提供端到端傳輸服務；在應用層提供面向應用與信息交換的快速響應信息預處理服務。

4 結束語

本文在探討快響空間地面控制系統(tǒng)時基于虛擬任務操作中心思想，研究快響空間地面控制系統(tǒng)的工作與信息流程及應用端使用模式，充分利用現(xiàn)有衛(wèi)星、地面測控、運控、應用系統(tǒng)資源能力，突出多部門、多手段聯(lián)合觀測和快速反應，提高天基對地觀測作業(yè)精度，探索天基信息支援控制體制機制創(chuàng)新。

基于云服務框架構建快速響應空間任務應用的地面控制系統(tǒng)體系架構。按照以“云”聚合各類航天裝備資源，以“云”協(xié)同各級任務籌劃，以“云”貫通各類保障渠道的體系思想，構建一體化、分布式的快速響應空間地面控制“云”系統(tǒng)體系架構，基于網絡化和云平臺的構建，實現(xiàn)應用軟件的按需、靈活部署，支持應用端功能的快速遷移和靈活重構。結合天地安全互聯(lián)技術，用戶終端通過云端應用以服務的方式獲取使用資源，從而實現(xiàn)“一線操作人員所想即所得、直接操控衛(wèi)星”。

在構建快響空間地面控制流程時，打破原有各部門各系統(tǒng)各自為政，獨立運轉的現(xiàn)狀，在實現(xiàn)各部門、各系統(tǒng)的互聯(lián)互通的基礎上，從頂層進行協(xié)調調度，實現(xiàn)航天對地觀測、快響發(fā)射、機動測控等統(tǒng)一調度，充分利用現(xiàn)有衛(wèi)星資源和地面測運控、應用系統(tǒng)能力，進行實現(xiàn)多部門、多手段聯(lián)合協(xié)同和快速反應，提高天基空間快速響應能力。

在實現(xiàn)快響空間地面控制系統(tǒng)任務規(guī)劃、調度和控制功能實現(xiàn)途徑時，可采用微服務+容器架構對現(xiàn)有體制業(yè)務信息系統(tǒng)進行相關改造，以分布式服務為基礎，通過服務框架、中間件、消息通信實現(xiàn)服務的規(guī)范化。對微服務進行重新排列、組合成新應用，以容器的方式將應用快速發(fā)布上線。通過各類任務系統(tǒng)縱向的結構分層、橫向的功能拆分，實現(xiàn)同層的功能聚合，積累并形成標準規(guī)范，集中統(tǒng)一開發(fā)通用的和專用服務組件，通過按需定制、動態(tài)重組、靈活擴展、快速構建各類任務系統(tǒng)。