于龍江 汪精華 趙思陽 朱劍冰 劉明亮

(1 中國空間技術(shù)研究院遙感衛(wèi)星總體部，北京 100094) (2 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)(3 中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心，北京 100094)

高分多模衛(wèi)星是我國“十二五”期間全新一代中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)的首發(fā)星，是一顆典型的敏捷高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星。衛(wèi)星在設(shè)計(jì)之初，充分繼承并利用中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)基礎(chǔ)，面向應(yīng)用需求設(shè)計(jì)了姿態(tài)機(jī)動(dòng)速度達(dá)到25°/20 s和40°/25 s的快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)并穩(wěn)定能力，以及同軌區(qū)域拼幅[1]、同軌多角度成像、同軌立體成像、主動(dòng)推掃“動(dòng)中成像”[2-3]等豐富的敏捷成像模式。同時(shí)，為滿足遙感圖像數(shù)據(jù)的快速回傳要求，配置了多種傳輸手段，包括X頻段極化復(fù)用對(duì)地?cái)?shù)傳系統(tǒng)、Ka頻段中繼數(shù)傳系統(tǒng)及激光中繼數(shù)傳系統(tǒng)。

豐富、靈活的工作模式為衛(wèi)星設(shè)計(jì)和應(yīng)用帶來了新的挑戰(zhàn)，主要包括：成像與數(shù)傳工作模式調(diào)動(dòng)的星上設(shè)備操作多且復(fù)雜；面向具體應(yīng)用的模式組合變化多，任務(wù)間的時(shí)間沖突和資源沖突需要規(guī)避；衛(wèi)星單軌和1天內(nèi)可執(zhí)行任務(wù)數(shù)量大幅增加，對(duì)任務(wù)上注過程帶來很大壓力。這些問題不解決，將可能導(dǎo)致衛(wèi)星雖然有單個(gè)的敏捷成像模式，但不易組合、不便使用，甚至由于地面操作的繁瑣、對(duì)衛(wèi)星安全性的過度保護(hù)，而不能充分發(fā)揮衛(wèi)星能力。面對(duì)上述問題，文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]先后對(duì)法國敏捷光學(xué)成像衛(wèi)星“昴宿星”(Pleiades)開展了日常任務(wù)規(guī)劃與調(diào)度算法研究，成果應(yīng)用于地面任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用；文獻(xiàn)[6-8]中進(jìn)一步發(fā)展了多種類型的任務(wù)規(guī)劃算法。在國內(nèi)，文獻(xiàn)[9-10]中對(duì)小型敏捷衛(wèi)星的任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)、任務(wù)操控模式進(jìn)行了研究，提出了基于星上資源模型的地面任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)、基于星上指令解譯的地面任務(wù)上注方案，并提出了用戶只需要上注觀測(cè)目標(biāo)的地理位置和時(shí)間、由衛(wèi)星自主完成任務(wù)操控的技術(shù)發(fā)展設(shè)想。

高分多模衛(wèi)星在設(shè)計(jì)與研制過程中，借鑒國內(nèi)外任務(wù)規(guī)劃與管理技術(shù)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，歸納整理了星地任務(wù)管理層次化邏輯架構(gòu)，明確了衛(wèi)星自主任務(wù)管理等級(jí)和星地任務(wù)接口形式，開發(fā)了對(duì)應(yīng)的地面任務(wù)規(guī)劃軟件、星上自主任務(wù)管理軟件，星地結(jié)合實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜工作模式的靈活、高效應(yīng)用。本文對(duì)高分多模衛(wèi)星的星地任務(wù)管理方案設(shè)計(jì)要點(diǎn)、驗(yàn)證情況與應(yīng)用效能進(jìn)行了總結(jié)和介紹。

1 任務(wù)管理特點(diǎn)與需求分析

遙感衛(wèi)星星地任務(wù)管理包括任務(wù)規(guī)劃與任務(wù)執(zhí)行2個(gè)環(huán)節(jié)。任務(wù)規(guī)劃是指在綜合考慮觀測(cè)任務(wù)需求和衛(wèi)星能力的基礎(chǔ)上，將衛(wèi)星資源分配給相互競爭的多個(gè)任務(wù)需求，確定任務(wù)所對(duì)應(yīng)參數(shù)，排除任務(wù)間資源使用沖突，以最大程度滿足用戶需求的活動(dòng)。任務(wù)規(guī)劃的輸出是衛(wèi)星待執(zhí)行的任務(wù)序列，即“衛(wèi)星要做什么”。任務(wù)執(zhí)行是指衛(wèi)星接收到任務(wù)序列(或由其衍生的指令序列、任務(wù)表單等)信息后，解析并執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作、從而完成任務(wù)序列中各個(gè)任務(wù)的活動(dòng)；也包括衛(wèi)星對(duì)任務(wù)是否可被執(zhí)行、任務(wù)是否已被正確執(zhí)行的信息整理和反饋活動(dòng)。任務(wù)執(zhí)行的輸出是衛(wèi)星將執(zhí)行的具體動(dòng)作序列，即“衛(wèi)星要怎么做”。

高分多模衛(wèi)星的任務(wù)管理相比傳統(tǒng)遙感衛(wèi)星具有以下特點(diǎn)。

(1)需要處理的成像需求更加靈活多樣。衛(wèi)星成像模式豐富，用戶也會(huì)提出多樣化和精細(xì)化的觀測(cè)需求。觀測(cè)需求要素包括目標(biāo)地理信息、觀測(cè)時(shí)效、圖像品質(zhì)、成像模式、緊急程度等。在多用戶共同使用衛(wèi)星的情況下，各類觀測(cè)需求數(shù)量很大、類型龐雜，為任務(wù)規(guī)劃過程帶來挑戰(zhàn)。

(2)任務(wù)規(guī)劃技術(shù)更為復(fù)雜，精細(xì)化程度要求更高。衛(wèi)星執(zhí)行單次成像任務(wù)的方式非常靈活，前后相鄰成像的間隔可以非常短。規(guī)劃求解空間很大，但姿態(tài)路徑規(guī)劃復(fù)雜度提高，任務(wù)時(shí)序優(yōu)化過程也更加復(fù)雜。因此，需要任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星能力充分了解，也需要進(jìn)行精確的約束檢查后方可執(zhí)行。約束檢查工作如果只在地面開展，將存在一定風(fēng)險(xiǎn)，因此期望衛(wèi)星上也能自主開展。

(3)衛(wèi)星工作過程指令數(shù)據(jù)量大，需要星上自主任務(wù)管理能力增強(qiáng)。高分多模衛(wèi)星相比傳統(tǒng)遙感衛(wèi)星，單位時(shí)間可執(zhí)行的任務(wù)數(shù)量大幅提高。同時(shí)，主動(dòng)推掃模式過程中和不同模式之間的切換過程中，衛(wèi)星的姿態(tài)規(guī)劃曲線需要用密集的數(shù)據(jù)點(diǎn)來描述。若采用傳統(tǒng)的地面指令編排方式，將難以在有限的測(cè)控弧段內(nèi)滿足復(fù)雜任務(wù)上注的需求。因此，必須改變當(dāng)前以指令序列為星地任務(wù)接口的方式，提高衛(wèi)星對(duì)復(fù)雜工作模式的自主管理能力。

綜上，高分多模衛(wèi)星的任務(wù)管理，其難點(diǎn)既體現(xiàn)在任務(wù)規(guī)劃和任務(wù)執(zhí)行兩部分工作各自的復(fù)雜程度，也包括如何將兩部分工作合理分配給地面和衛(wèi)星，從而實(shí)現(xiàn)操作簡易度與工程難度之間的平衡。為此，本文提出了高分多模衛(wèi)星星地任務(wù)管理方案設(shè)計(jì)，包括任務(wù)管理的分層架構(gòu)和星上自主任務(wù)管理等級(jí)設(shè)計(jì)，以及地面段任務(wù)管理方案設(shè)計(jì)和星上自主任務(wù)管理方案設(shè)計(jì)。

2 任務(wù)管理分層架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 衛(wèi)星任務(wù)分層描述方式

為了解決從地面到衛(wèi)星的全鏈路任務(wù)管理難點(diǎn)，需要對(duì)“任務(wù)”這一籠統(tǒng)的概念進(jìn)行精確的解構(gòu)和定義，將各個(gè)環(huán)節(jié)的工作內(nèi)容、接口界面及相互關(guān)系表述清楚。按照由頂層到底層、由需求到實(shí)現(xiàn)的方式，將觀測(cè)任務(wù)分解為5個(gè)層面，分別為：目標(biāo)層、需求/任務(wù)層、元任務(wù)/條帶層、動(dòng)作層、指令層。參考觀測(cè)任務(wù)的分層方式，可以類比設(shè)計(jì)出數(shù)據(jù)回傳任務(wù)的分層方式。由此，得到高分多模衛(wèi)星任務(wù)分層結(jié)構(gòu)如圖1所示，每層的信息有其自身特點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的描述方式。采用任務(wù)分層設(shè)計(jì)理念，可以為地面及衛(wèi)星任務(wù)管理提供良好設(shè)計(jì)框架。

圖1 任務(wù)分層描述方式Fig.1 Hierarchical description of task

(1)目標(biāo)：指用戶提出的地表觀測(cè)對(duì)象，具有特定幾何位置、形狀、尺寸描述。觀測(cè)目標(biāo)形式和內(nèi)容可能非常多樣，尺度范圍跨度也可能很大，例如小到某個(gè)建筑、大到某座城市。概括來說，觀測(cè)目標(biāo)可以分為點(diǎn)目標(biāo)、區(qū)域目標(biāo)和長條帶目標(biāo)3種，如圖2所示。點(diǎn)目標(biāo)是指衛(wèi)星一次條帶成像可以完全覆蓋的目標(biāo)，對(duì)應(yīng)為地面上的一個(gè)小區(qū)域，采用中心點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)來描述。區(qū)域目標(biāo)是指需要多個(gè)觀測(cè)條帶才能覆蓋的面積較大的區(qū)域，目標(biāo)邊界由一系列首尾相連的點(diǎn)組成。長條帶目標(biāo)是指諸如邊境線、海岸帶等具有不規(guī)則形狀的線形目標(biāo)，由一系列中心點(diǎn)組成。

圖2 不同類型觀測(cè)目標(biāo)示例Fig.2 Examples of different types of observation targets

(2)需求/任務(wù)：指用戶在目標(biāo)的基礎(chǔ)上所提出的成像具體需求，包含成像模式(單視角、多視角、立體、主動(dòng)等)、像質(zhì)要求(分辨率等)、云量要求、時(shí)效性要求等。觀測(cè)需求通常也稱為觀測(cè)任務(wù)。成像需求/數(shù)傳需求是高分多模衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的直接輸入。任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要盡量細(xì)致地刻畫、描述需求的各個(gè)細(xì)節(jié)，定義需求的屬性參數(shù)。成像需求(任務(wù))的描述包括地理要求、時(shí)效要求、圖像要求3個(gè)方面。地理要求包括目標(biāo)類型及其具體位置、形狀、尺寸描述；時(shí)效要求為完成成像的期限，對(duì)于不同緊急程度的成像任務(wù)，可以賦予不同級(jí)別的優(yōu)先級(jí)；圖像要求代表用戶對(duì)圖像質(zhì)量的要求，包括成像模式/觀測(cè)角度要求、分辨率要求、云量要求、像質(zhì)綜合要求等。數(shù)傳需求(任務(wù))的描述包括數(shù)據(jù)回傳的期限要求、地面站/中繼衛(wèi)星要求等。某些用戶會(huì)要求將特定的成像數(shù)據(jù)在特定時(shí)間段內(nèi)傳輸至指定地面站，以方便接收和處理。

(3)元任務(wù)/條帶：成像元任務(wù)是衛(wèi)星一次成像過程可以完成的觀測(cè)活動(dòng)，是衛(wèi)星可以執(zhí)行的最小成像任務(wù)，圖3展示了衛(wèi)星一次對(duì)地成像的觀測(cè)幾何及相關(guān)參數(shù);回放元任務(wù)是衛(wèi)星一次回放過程可以完成的任務(wù)。高分多模衛(wèi)星工作模式多樣且組合應(yīng)用方式復(fù)雜。在成像模式中，既有衛(wèi)星姿態(tài)在軌道坐標(biāo)系基本固定的被動(dòng)推掃成像模式，也有衛(wèi)星姿態(tài)在軌道坐標(biāo)系“動(dòng)中成像”的主動(dòng)推掃成像模式。在回放模式中，既有單站回放、多站接力回放、邊記邊放等對(duì)地回放模式，也有星體姿態(tài)機(jī)動(dòng)結(jié)合中繼天線指向中繼通信衛(wèi)星的中繼回放模式、激光通信試驗(yàn)?zāi)Ｊ健Ｐl(wèi)星的數(shù)據(jù)回放可能發(fā)生在成像之前、成像之后，甚至跨越一個(gè)或數(shù)個(gè)成像過程。基于上述考慮，提取各個(gè)模式的共性要素，設(shè)計(jì)成像元任務(wù)、回放元任務(wù)，使兩類元任務(wù)可以分別獨(dú)立執(zhí)行，提高衛(wèi)星執(zhí)行任務(wù)的靈活性。高分多模衛(wèi)星設(shè)計(jì)了5種具體的成像元任務(wù)，包括被動(dòng)推掃成像元任務(wù)(指定目標(biāo)條帶位置、指定成像時(shí)星體姿態(tài))、主動(dòng)推掃成像元任務(wù)(勻地速、勻角速度、勻積分時(shí)間)。每種成像元任務(wù)的數(shù)據(jù)格式完全相同，包含任務(wù)圈編號(hào)、元任務(wù)序號(hào)、優(yōu)先級(jí)、成像元任務(wù)類型、起始/結(jié)束成像時(shí)刻、起始點(diǎn)的經(jīng)度/緯度(或起始點(diǎn)滾動(dòng)角/俯仰角)、結(jié)束點(diǎn)的經(jīng)度/緯度、成像參數(shù)等內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)對(duì)該成像元任務(wù)在時(shí)間、位置、姿態(tài)方面的全部限定。在回放元任務(wù)的數(shù)據(jù)格式中，包含任務(wù)圈編號(hào)、元任務(wù)序號(hào)、優(yōu)先級(jí)、開始/結(jié)束傳輸時(shí)間、天線標(biāo)志、天線控制模式、星體姿態(tài)、地面站標(biāo)志、數(shù)據(jù)傳輸模式、傳輸數(shù)據(jù)數(shù)量/清單等內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)對(duì)該回放任務(wù)在時(shí)間、地面站、傳輸模式/內(nèi)容等方面的全部限定。

注：t0和t1分別為成像起始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻；PT,0和PT,1分別為成像條帶起點(diǎn)位置和終點(diǎn)位置；PS,0和PS,1分別為成像起始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻的衛(wèi)星位置。圖3 衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)幾何示意Fig.3 Satellite earth observation geometry

(4)動(dòng)作：指衛(wèi)星某個(gè)分系統(tǒng)、單機(jī)或功能模塊完成的一次具體操作，包含時(shí)間信息，并按照時(shí)間排列。例如：光學(xué)相機(jī)的開機(jī)動(dòng)作、成像動(dòng)作、關(guān)機(jī)動(dòng)作；數(shù)傳分系統(tǒng)的加電動(dòng)作、基帶開機(jī)動(dòng)作、數(shù)據(jù)記錄動(dòng)作、通道開機(jī)動(dòng)作、數(shù)據(jù)傳輸動(dòng)作。

(5)指令：是驅(qū)動(dòng)動(dòng)作執(zhí)行的具體模擬或數(shù)字信號(hào)，通常由衛(wèi)星的一級(jí)信息管理設(shè)備或二級(jí)信息管理設(shè)備發(fā)出。

2.2 星上任務(wù)管理自主程度等級(jí)

從衛(wèi)星設(shè)計(jì)的角度來說，重點(diǎn)關(guān)注的是星上任務(wù)管理的自主性達(dá)到什么程度，需要在使用效果和工程難度之間進(jìn)行平衡?；谌蝿?wù)分層框架，梳理常見的遙感衛(wèi)星任務(wù)管理設(shè)計(jì)理念和方法，定義任務(wù)管理的自主程度等級(jí)，并明確高分多模衛(wèi)星采用哪種程度的自主任務(wù)管理。

遙感衛(wèi)星自主任務(wù)管理等級(jí)由低到高可以分為以下5種，5個(gè)層次對(duì)應(yīng)的技術(shù)特征如表1所示。

表1 衛(wèi)星自主任務(wù)管理能力分層及特征Table 1 Stratification and characteristics of satellite autonomous task management capability

等級(jí)1：傳統(tǒng)的地面規(guī)劃與指令上注模式，從任務(wù)規(guī)劃到指令編排全部在地面完成，并在衛(wèi)星過境時(shí)通過測(cè)控鏈路上注到衛(wèi)星上。指令上注后，衛(wèi)星上無法修改，全部執(zhí)行。

等級(jí)2：地面完成任務(wù)規(guī)劃，并將規(guī)劃得到的衛(wèi)星動(dòng)作采用腳本語言進(jìn)行描述，由星載計(jì)算機(jī)將衛(wèi)星動(dòng)作腳本解釋為指令并執(zhí)行。這種方式能夠使衛(wèi)星具備一些簡單的自主能力，包括根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)調(diào)整指令的某些參數(shù)或者根據(jù)事件觸發(fā)指令序列等，從而在一定程度上減少地面運(yùn)行管理的負(fù)擔(dān)。

等級(jí)3：地面任務(wù)規(guī)劃解決目標(biāo)分解、時(shí)序優(yōu)化、沖突取舍等計(jì)算量較大、過程較為復(fù)雜的問題，并將規(guī)劃結(jié)果的主要要素(例如元任務(wù))上注到衛(wèi)星上，星載計(jì)算機(jī)在無需考慮時(shí)序、資源沖突的情況下，對(duì)接收的規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行解析計(jì)算、自主執(zhí)行。

等級(jí)4：地面針對(duì)選定目標(biāo)，設(shè)定觀測(cè)需求并上傳到衛(wèi)星上。星載計(jì)算機(jī)根據(jù)衛(wèi)星狀態(tài)和觀測(cè)需求的綜合情況，進(jìn)行成像過程具體規(guī)劃、檢查，然后生成動(dòng)作和指令并執(zhí)行。衛(wèi)星上可以自主消解執(zhí)行過程中的沖突，盡量合理、高效完成觀測(cè)需求。

等級(jí)5：地面僅提供目標(biāo)信息，星載計(jì)算機(jī)完成從需求設(shè)定、任務(wù)規(guī)劃到指令編排的全過程。衛(wèi)星上具有很高的計(jì)算能力和智能性，甚至可以自主生成一些觀測(cè)需求，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星能力、成像時(shí)機(jī)和條件的最佳利用。

當(dāng)前，世界上主要發(fā)達(dá)國家及我國的遙感衛(wèi)星自主任務(wù)管理發(fā)展程度均大致處于2級(jí)、3級(jí)的水平。高分多模衛(wèi)星在研制初期即確定了以3級(jí)程度的自主任務(wù)管理為主要業(yè)務(wù)運(yùn)行模式，并開展4級(jí)程度的自主任務(wù)管理在軌試驗(yàn)，以此為指導(dǎo)，開展地面、衛(wèi)星上的任務(wù)規(guī)劃與任務(wù)執(zhí)行方案設(shè)計(jì)，并完成地面驗(yàn)證與在軌應(yīng)用。

3 地面段任務(wù)管理方案設(shè)計(jì)

高分多模衛(wèi)星星地任務(wù)系統(tǒng)總體組成和信息接口，如圖4所示。其中，各個(gè)用戶構(gòu)成了衛(wèi)星的應(yīng)用系統(tǒng)，地面任務(wù)管理中心、數(shù)據(jù)處理中心、接收系統(tǒng)共同構(gòu)成衛(wèi)星的地面系統(tǒng)，位于國內(nèi)外的測(cè)控站及中繼衛(wèi)星共同構(gòu)成衛(wèi)星的測(cè)控系統(tǒng)。

圖4 高分多模衛(wèi)星星地任務(wù)系統(tǒng)總體組成Fig.4 Ground-to-satellite task system composition of GFDM-1 satellite

地面任務(wù)管理中心負(fù)責(zé)收集來自多源用戶的觀測(cè)需求并進(jìn)行需求統(tǒng)籌、分解，以1天為周期、按圈次進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，生成元任務(wù)序列，具體流程如下。

(1)對(duì)觀測(cè)需求進(jìn)行預(yù)處理，將區(qū)域、長條帶目標(biāo)按一定規(guī)則拆分為條帶；對(duì)每個(gè)條帶進(jìn)行成像工作模式選擇和成像圈次分配；對(duì)一軌內(nèi)的條帶序列進(jìn)行時(shí)序規(guī)劃，得到初步的成像元任務(wù)序列。

(2)根據(jù)地面站或中繼衛(wèi)星的可用時(shí)段，添加數(shù)據(jù)回放元任務(wù)。

(3)考慮衛(wèi)星資源能力，對(duì)元任務(wù)序列可行性進(jìn)行檢查，對(duì)衛(wèi)星的電源、存儲(chǔ)資源等變化情況進(jìn)行計(jì)算檢查，并結(jié)合氣象條件等計(jì)算各個(gè)成像元任務(wù)的成像質(zhì)量。

(4)依據(jù)檢查分析結(jié)果，對(duì)元任務(wù)序列進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整和最終確認(rèn)，形成各個(gè)圈次的元任務(wù)序列。

(5)將元任務(wù)序列通過測(cè)控網(wǎng)上傳至衛(wèi)星，同時(shí)制定地面接收系統(tǒng)的工作計(jì)劃并發(fā)送給地面接收系統(tǒng)。

上述規(guī)劃流程主要依靠高分多模衛(wèi)星地面任務(wù)規(guī)劃軟件實(shí)現(xiàn)，其組成如圖5所示。其中：目標(biāo)管理模塊用于設(shè)定用戶所需的點(diǎn)、區(qū)域和長條帶目標(biāo)；需求管理模塊用于對(duì)成像目標(biāo)賦予成像要求，包括成像模式、成像角度、時(shí)效性、重要程度、圖像質(zhì)量要求(分辨率、光照、云量)等；任務(wù)處理與規(guī)劃模塊集成了任務(wù)時(shí)序?qū)?yōu)、成像過程姿態(tài)規(guī)劃、切換過程姿態(tài)規(guī)劃、積分時(shí)間計(jì)算等核心規(guī)劃算法，用于圈次分配、條帶分解、條帶排序、成像任務(wù)規(guī)劃、回放任務(wù)規(guī)劃等過程，是衛(wèi)星敏捷成像能力充分發(fā)揮的關(guān)鍵；任務(wù)復(fù)核模塊用于對(duì)元任務(wù)規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行能量平衡、數(shù)據(jù)平衡、成像質(zhì)量的復(fù)算，檢查任務(wù)時(shí)序的正確性和約束條件的滿足性；元任務(wù)編輯管理模塊將最終的元任務(wù)序列編輯、轉(zhuǎn)換為衛(wèi)星能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)格式，并進(jìn)行碼字正確性的復(fù)核檢查。地面任務(wù)管理中心可以每天1次或數(shù)次上傳規(guī)劃好的元任務(wù)序列。衛(wèi)星在每個(gè)軌道周期的任務(wù)圈開始前，對(duì)一軌內(nèi)的元任務(wù)進(jìn)行解析，生成各個(gè)分系統(tǒng)可以執(zhí)行的動(dòng)作序列和指令序列，并按時(shí)序完成相應(yīng)操作，實(shí)現(xiàn)各類敏捷成像工作模式。同時(shí)，地面任務(wù)管理中心還可以根據(jù)衛(wèi)星能力約束，隨時(shí)提前幾分鐘安排應(yīng)急任務(wù)，將新的元任務(wù)序列上傳給衛(wèi)星，并啟動(dòng)任務(wù)重置機(jī)制，以控制衛(wèi)星在當(dāng)圈執(zhí)行新的元任務(wù)序列。

圖5 高分多模衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃軟件系統(tǒng)組成Fig.5 Composition of GFDM-1 satellite task planning software system

4 星上自主任務(wù)管理方案設(shè)計(jì)

高分多模衛(wèi)星能夠根據(jù)收到的元任務(wù)序列，自主完成任務(wù)執(zhí)行全過程的姿態(tài)規(guī)劃，以及對(duì)于相機(jī)、數(shù)傳等分系統(tǒng)動(dòng)作的規(guī)劃，將元任務(wù)信息自主轉(zhuǎn)換為連續(xù)的動(dòng)作序列和指令序列，自動(dòng)執(zhí)行并對(duì)執(zhí)行過程進(jìn)行監(jiān)控。

由表2可得出：在陰極極化條件下，該材料——介質(zhì)體系在自腐蝕電壓（-658mV）的電位下斷裂壽命最長，其應(yīng)力腐蝕敏感性最小、抗拉強(qiáng)度最大、應(yīng)變量也最大。在比自腐蝕電壓更正的-1 300、-1 000mV的電位下，也能激發(fā)10＃鋼的應(yīng)力腐蝕開裂。

地面上注元任務(wù)數(shù)量增多和模式復(fù)雜性提高，可能對(duì)衛(wèi)星的在軌運(yùn)行帶來安全性影響。盡管這種影響是地面要確保消除的，但仍然希望衛(wèi)星具有自主任務(wù)檢查與自我保護(hù)能力。衛(wèi)星在執(zhí)行任務(wù)前，能夠根據(jù)任務(wù)數(shù)量、時(shí)序等約束限制，對(duì)元任務(wù)序列進(jìn)行可行性分析、檢查和確認(rèn)，避免任務(wù)執(zhí)行過程違反衛(wèi)星使用限制，確保衛(wèi)星安全。

(1)元任務(wù)的上注與刪除。地面可以在任何時(shí)段向衛(wèi)星上注元任務(wù)；但對(duì)于下一個(gè)任務(wù)圈的元任務(wù)，應(yīng)當(dāng)在該任務(wù)圈開始前10 min完成上注。同時(shí)，地面也可以在任務(wù)圈開始時(shí)刻10 min之前，通過指令刪除未開始的任務(wù)圈的元任務(wù)，方式包括：刪除指定元任務(wù)、刪除指定任務(wù)圈的所有元任務(wù)、刪除所有元任務(wù)。在任務(wù)圈開始后，地面可以刪除當(dāng)圈所有元任務(wù)，并上注新的元任務(wù)。

(2)元任務(wù)合法性檢查。在任何情況里，元任務(wù)上注后，衛(wèi)星都立刻對(duì)該元任務(wù)進(jìn)行“合法性檢查”(由數(shù)管分系統(tǒng)負(fù)責(zé))，即對(duì)元任務(wù)序列是否有明顯問題進(jìn)行檢查，以及對(duì)明顯上注有誤的元任務(wù)進(jìn)行剔除。

(3)元任務(wù)預(yù)處理。在任務(wù)圈開始前啟動(dòng)(由數(shù)管分系統(tǒng)負(fù)責(zé))，主要工作內(nèi)容包括：提取當(dāng)圈元任務(wù)、生成元任務(wù)序列表；對(duì)當(dāng)圈元任務(wù)的時(shí)序關(guān)系進(jìn)行檢查；對(duì)當(dāng)圈元任務(wù)的次數(shù)、累計(jì)時(shí)長等進(jìn)行檢查。

(4)動(dòng)作規(guī)劃與指令生成。數(shù)管分系統(tǒng)在完成元任務(wù)預(yù)處理之后，進(jìn)行動(dòng)作規(guī)劃與指令生成。這一過程主要是一系列的映射、展開和邏輯操作。

(5)當(dāng)圈元任務(wù)的處理。為了應(yīng)對(duì)緊急任務(wù)，允許用戶隨時(shí)刪除當(dāng)圈元任務(wù)并注入當(dāng)圈新的元任務(wù)，處理方式為：地面上注元任務(wù)重置開始指令，數(shù)管分系統(tǒng)刪掉本圈內(nèi)全部元任務(wù)；在此情況下，地面可以重新注入包括應(yīng)急任務(wù)在內(nèi)的本圈全部新的元任務(wù)(需要確保提前至少5 min)；地面上注元任務(wù)重置結(jié)束指令，數(shù)管分系統(tǒng)重新進(jìn)行本圈元任務(wù)的解析和執(zhí)行。

(6)執(zhí)行過程異常情況的處理。如果整星發(fā)生異常，包括姿態(tài)機(jī)動(dòng)過程異常、電源異常等，衛(wèi)星終止執(zhí)行當(dāng)前的元任務(wù)，并刪除本圈所有未執(zhí)行的元任務(wù)。

5 任務(wù)管理應(yīng)用效能分析

5.1 地面研制階段效能分析

圖6 高分多模衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃仿真系統(tǒng)應(yīng)用Fig.6 Application of GFDM-1 satellite task planning simulation system

衛(wèi)星研制團(tuán)隊(duì)完成了星上自主任務(wù)管理軟件的設(shè)計(jì)開發(fā)，結(jié)合任務(wù)規(guī)劃仿真系統(tǒng)編排生成的各種測(cè)試工況和用例，對(duì)衛(wèi)星在軌執(zhí)行各類任務(wù)的正確性進(jìn)行充分驗(yàn)證。

工況1：衛(wèi)星一軌內(nèi)連續(xù)執(zhí)行35次點(diǎn)目標(biāo)成像，任務(wù)規(guī)劃結(jié)果如圖7和圖8所示。可見，衛(wèi)星在緯度跨度40°的范圍里，即可完成35次點(diǎn)目標(biāo)成像。該工況通過了電測(cè)確認(rèn)，全過程執(zhí)行正常。

圖8 衛(wèi)星全過程姿態(tài)角(工況1)Fig.8 Satellite attitude angle (example 1)

工況2：衛(wèi)星一軌內(nèi)進(jìn)行各種成像模式的組合測(cè)試，包括多點(diǎn)目標(biāo)成像、區(qū)域拼幅、多角度成像、立體成像和連續(xù)的非沿跡主動(dòng)推掃等，任務(wù)規(guī)劃結(jié)果如圖9和圖10所示。經(jīng)測(cè)試，各種成像模式都能正確執(zhí)行，全過程的執(zhí)行結(jié)果與規(guī)劃預(yù)期一致。

圖10 衛(wèi)星全過程姿態(tài)角(工況2)Fig.10 Satellite attitude angle (example 2)

在地面對(duì)衛(wèi)星的全部工作模式、工作能力進(jìn)行了充分測(cè)試和驗(yàn)證，保證了衛(wèi)星入軌后即能投入使用，研制與應(yīng)用無縫銜接。

注：淺綠色曲線代表衛(wèi)星的星下點(diǎn)軌跡；紅色曲線代表衛(wèi)星的攝影點(diǎn)軌跡；藍(lán)色曲線代表衛(wèi)星成像條帶。圖7 衛(wèi)星全過程地面軌跡(工況1)Fig.7 Satellite ground trajectory (example 1)

注：淺綠色曲線代表衛(wèi)星的星下點(diǎn)軌跡，紅色曲線代表衛(wèi)星的攝影點(diǎn)軌跡，藍(lán)色曲線代表衛(wèi)星成像條帶。圖9 衛(wèi)星全過程地面軌跡(工況2)Fig.9 Satellite ground trajectory (example 2)

5.2 在軌飛行階段效能分析

高分多模衛(wèi)星在發(fā)射入軌后的飛控期間，迅速開展了成像和回放的功能與模式測(cè)試。通過地面任務(wù)規(guī)劃和衛(wèi)星自主任務(wù)執(zhí)行，在5天的成像與回放任務(wù)測(cè)試階段共成像277次(見表2)、回放55次。所有任務(wù)全部順利、正確執(zhí)行，充分驗(yàn)證了衛(wèi)星的工作模式及星地任務(wù)體系運(yùn)行過程的正確性。

表2 高分多模衛(wèi)星飛控期間成像任務(wù)統(tǒng)計(jì)Table 2 GFDM-1 satellite imaging task statistics during flight control period

高分多模衛(wèi)星在軌飛行期間，各類成像模式可以靈活使用，包括“動(dòng)中成像”的主動(dòng)推掃成像模式、同一目標(biāo)連續(xù)12個(gè)角度的多視角成像模式、區(qū)域目標(biāo)的連續(xù)6次拼幅成像模式等，均可以靈活組合使用，在軌典型成像模式獲取圖像如圖11所示；衛(wèi)星一軌內(nèi)能夠成像35次，相比以往的大中型低軌遙感衛(wèi)星提高5倍以上；極大提升了衛(wèi)星的有效成圖效率，提高了衛(wèi)星的應(yīng)用價(jià)值。

6 結(jié)束語

高分多模衛(wèi)星的星地任務(wù)系統(tǒng)由地面部分和衛(wèi)星部分共同組成，兩部分協(xié)調(diào)配合完成衛(wèi)星任務(wù)的規(guī)劃、傳遞、執(zhí)行及數(shù)據(jù)的交互工作。為解決任務(wù)數(shù)量增多、模式復(fù)雜度提高等對(duì)衛(wèi)星任務(wù)系統(tǒng)帶來的難題，研究提出了層次化的星地任務(wù)分層架構(gòu)、星地任務(wù)接口的形式和內(nèi)容。用戶進(jìn)行目標(biāo)的選取、需求的制定；地面系統(tǒng)采用任務(wù)規(guī)劃軟件進(jìn)行元任務(wù)的規(guī)劃編排并上注衛(wèi)星；衛(wèi)星自主完成元任務(wù)執(zhí)行工作，包括元任務(wù)解析、約束檢查、動(dòng)作規(guī)劃與指令編排等，并對(duì)任務(wù)執(zhí)行過程進(jìn)行監(jiān)視。高分多模衛(wèi)星通過星地任務(wù)管理方案的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，提高了任務(wù)上注效率、執(zhí)行效率，一軌可實(shí)現(xiàn)35次成像，相比以往大中型遙感衛(wèi)星提高至少5倍；可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)目標(biāo)、區(qū)域拼幅、主動(dòng)推掃、立體、多角度等成像模式的任意靈活組合使用，大幅提高了衛(wèi)星使用的靈活性、有效圖像的獲取效率和衛(wèi)星的應(yīng)用價(jià)值。