劉曉敏 孫進 張帥 李晗

(北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

隨著遙感衛(wèi)星數(shù)量的快速增長和遙感信息獲取 能力的不斷提升,傳統(tǒng)衛(wèi)星操控模式開始顯現(xiàn)出其對衛(wèi)星應用效能的制約。同時,用戶對遙感衛(wèi)星的要求越來越高,既要求遙感信息獲取的準確性和時效性,同時也要求有良好的交互體驗。這就對遙感衛(wèi)星的操控能力提出了更高的要求,因此,必須通過發(fā)展衛(wèi)星智能操控技術來降低衛(wèi)星操控難度和復雜度,以提高操控便捷性和信息處理效率,有效提升衛(wèi)星的應用效能。

遙感衛(wèi)星的智能操控涉及到多領域多學科技術,包括智能信息處理、智能故障診斷以及智能人機交互等,具有問題條件復雜和目標需求多樣的特點。國內(nèi)外相關領域研究者針對智能操控技術開展了大量研究,涉及到遙感衛(wèi)星操控多個關鍵環(huán)節(jié),如衛(wèi)星自主任務規(guī)劃、多星任務協(xié)同、星載數(shù)據(jù)處理以及地面智能操控等各個方面。目前,國外發(fā)達國家已實現(xiàn)了自主任務規(guī)劃、星座規(guī)劃以及在軌數(shù)據(jù)處理能力星載驗證,而國內(nèi)遙感衛(wèi)星主要還是靠上注指令進行操控,數(shù)據(jù)處理仍以地面為主,智能化操控研究相對滯后,尚需深入研究。

本文首先論述遙感衛(wèi)星操控技術的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀,并對智能星地操控中涉及到的關鍵技術進行分析。在此基礎上,結合遙感衛(wèi)星操控當前存在的問題和未來應用需求,提出了天地一體化智能操控模式設計構想,為我國遙感衛(wèi)星智能操控模式設計和系統(tǒng)實現(xiàn)提供參考。

1 遙感衛(wèi)星智能操控技術的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

自20世紀90年代以來,世界各主要航天機構在智能衛(wèi)星和衛(wèi)星智能操控方面開展了大量研究,利用人工智能技術,在衛(wèi)星智能規(guī)劃與決策、自主運行及管理等方面全面提升衛(wèi)星操控的智能化和衛(wèi)星使用效能[1]。

NASA 于2003年研制了自主科學航天器試驗系統(tǒng)(Autonomous Spacecraft Experiment,ASE)[2],在地球觀測1 號(EO-1)和技術衛(wèi)星-21(TechSat-21)[3]中對遙感圖像在線判讀,觀測任務自主規(guī)劃完成了在軌驗證,能夠在線完成遙感圖像識別處理,并根據(jù)觀測的事件對任務進行重規(guī)劃,從而在下一個觀測周期中自動瞄準感興趣的觀測目標。2009年,美國發(fā)射的戰(zhàn)術星-3(TacSat-3)衛(wèi)星,除了提供先期戰(zhàn)場信息準備和“戰(zhàn)斗－毀傷－評估”信息外,同時支持目標探測和自動識別及自主定位。衛(wèi)星能夠搜集和處理圖像并通過已建立的通用數(shù)據(jù)鏈路和戰(zhàn)場超高頻裝置下傳資料文件、信息位置或完整的圖像,具有一定智能性[4]。

在地面操控方面,2000年美國噴氣推進實驗室(JPL)人工智能團隊開發(fā)的地面自動規(guī)劃與調(diào)度系統(tǒng)(Automated Planning/Scheduling Environment,ASPEN)[5],采用自主計劃/調(diào)度技術,通過自動生成一組命令序列將用戶(例如科學家)提出的高級任務目標自動轉(zhuǎn)換為航天器系統(tǒng)能夠識別的可執(zhí)行命令,可以顯著降低運營成本并增加航天器的自主性。同時,ASPEN 建立了更加簡潔的“地面－航天器”任務接口,一方面大幅減少了航天器地面操作人員的工作量,另一方面也使用戶(例如科學家)可以直接操作航天器。2010年,美國Orbit Logic公司開發(fā)了面向多星協(xié)同任務的聯(lián)合任務規(guī)劃系統(tǒng)(Collection Planning&Analysis Workstation,CPAW),采用了一系列仿真模型來預測環(huán)境信息、航天器子系統(tǒng)、任務目標的變化情況,可以根據(jù)任務需求直接生成用于衛(wèi)星操控的指令序列,已成功用于對多個衛(wèi)星生產(chǎn)商的多型衛(wèi)星的任務規(guī)劃問題。另外,2012年美國國防先進研究計劃局(DARPA)啟動了“太空使能的軍事作戰(zhàn)效能”(Space Enabled Effects for Military Engagements,SEEME)項目,允許用戶通過手持終端提交偵察請求,系統(tǒng)在獲取需求后即可對目標區(qū)域進行成像并將數(shù)據(jù)“實傳”到用戶終端,該項目除了要求衛(wèi)星具有較強的星地鏈路外對衛(wèi)星的自主性、智能性也提出了很高的要求,尤其是衛(wèi)星的自主規(guī)劃能力和多星協(xié)同能力。

在ESA2009 年的星載自主計劃系統(tǒng)(Project for On-Board Autonomy,PROBA)中,衛(wèi)星可根據(jù)面向目標的觀測請求(如一個觀測請求包括目標位置和觀測持續(xù)時間),將觀測請求轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€活動調(diào)度、資源管理決策和衛(wèi)星指向的命令[6]。法國航天局(CNES)2010年開發(fā)的自主通用體系結構演示驗證試驗平臺(Autonomy Generic Architecture-Test and Application,AGATA)[7],致力于發(fā)展航天器在規(guī)劃、監(jiān)督和診斷等方面的星上自主能力,在其昂宿星(Pleiades)衛(wèi)星上開展了相關試驗,并設計了融合啟發(fā)式規(guī)則和隨機迭代功能的“貪心”搜索算法,解決衛(wèi)星星座任務規(guī)劃問題[8]。德國航空航天中心(DLR)2014年進行的星載自主任務規(guī)劃試驗(Verification of Autonomous Mission Planning Onboard a Spacecraft,VAMOS)包括星上和地面組件兩大部分,地面組件通過整理不同用戶的需求和預測的資源與環(huán)境狀態(tài),給出全局任務規(guī)劃方案,并將其上注衛(wèi)星。星上根據(jù)觀測反饋結果與環(huán)境、資源的變化情況,可實時調(diào)整星上實際資源使用情況,以保證星上重規(guī)劃方案的可行性。意大利航天局(ASI)2013年也提出了復雜開放結構空間任務執(zhí)行系統(tǒng)(Comprehensive Open-architecture Space Mission Operations System,COSMOS)[9],進行多衛(wèi)星組成的星座任務規(guī)劃,以及監(jiān)測與控制任務,通過可重構設計,該系統(tǒng)可快速適應新的衛(wèi)星結構并重新組合。

韓國航空航天研究所(KARI)2006 年開發(fā)了一套衛(wèi)星智能運行管理系統(tǒng)(OMS)[10]。該系統(tǒng)提供了一個操控平臺,任務計劃人員可以向任務管理系統(tǒng)上的飛行運行經(jīng)理請求任務指揮批準,也可以使用運行文檔管理功能讓實時操作員報告異常事件,系統(tǒng)已在多用途衛(wèi)星(KOMPSAT-2、-3和-5)上進行了應用驗證。日本宇宙航空研究開發(fā)機構(JAXA)2014年提出了一種遙感衛(wèi)星自動運行系統(tǒng)[11],并以小型科學衛(wèi)星瑞美號的地面站為試驗臺,對自動運行系統(tǒng)進行了驗證。具備包括數(shù)據(jù)鏈路自動操作、衛(wèi)星遠程操作等能力,遠程操作系統(tǒng)可在移動設備中實現(xiàn),例如平板電腦或智能手機以及個人電腦。

從上述發(fā)展概況可以看出,國外航天機構在衛(wèi)星智能操控方面開展了全面的研究,取得了大量成果,涵蓋單星自主任務規(guī)劃、星上環(huán)境自主感知與任務動態(tài)規(guī)劃、多星協(xié)同規(guī)劃、星載智能實時處理、航天器終端操控等應用方向,并在多衛(wèi)星系統(tǒng)進行了在軌驗證,已逐步形成了型號應用能力。系統(tǒng)研制方面,主要通過星地一體聯(lián)合任務規(guī)劃形式來發(fā)揮地面資源豐富、星上實時性強的優(yōu)勢,另外,單星自主任務規(guī)劃系統(tǒng)與多星協(xié)同任務規(guī)劃系統(tǒng)并行開展、互為支撐;體系研究方面,國外自主任務規(guī)劃技術與自主感知、自主決策、自主故障診斷等航天器自主技術協(xié)同發(fā)展,正逐步形成從自主感知、自主決策、自主規(guī)劃到自主執(zhí)行的航天器自主體系架構;地面操控方面,則致力于建立簡潔的“地面－航天器”任務接口,一方面大幅減少了航天器地面操作人員的工作量,并發(fā)展智能終端操控,提升用戶操控和信息獲取的便捷性。

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

目前,我國遙感衛(wèi)星任務管理模式還是基于“天地大回路”的傳統(tǒng)地面管控方式,大多通過“任務規(guī)劃＋指令生成和上注”的模式實現(xiàn)在軌控制[12],遙感數(shù)據(jù)處理也以地面為主。用戶任務操作采用“需求－籌劃－管控－衛(wèi)星－處理－用戶”的閉環(huán)鏈路,流程冗余,任務反應能力弱,無法充分發(fā)揮衛(wèi)星應用效能,且星地操控復雜度高。為此,國內(nèi)相關領域研究人員在遙感衛(wèi)星操控智能化方向開展了相關研究,包括操控模式、智能衛(wèi)星系統(tǒng)、地面運控系統(tǒng)與處理平臺等幾個方面。

在操控模式方面,2016年北京空間飛行器總體設計部田志新提出了基于智能星載電子系統(tǒng)的天地一體化運控方案[13],在星載電子系統(tǒng)自主指令生成、成像參數(shù)計算、任務規(guī)劃優(yōu)化、敏捷姿態(tài)規(guī)劃的支持下,實現(xiàn)了從靜態(tài)任務規(guī)劃到動態(tài)任務規(guī)劃轉(zhuǎn)變,從專用操控模式向通用操控模式轉(zhuǎn)變,從星地開環(huán)管理向星地閉環(huán)管理轉(zhuǎn)變。2019年北京空間飛行器總體設計部劉云鶴等提出了基于“人在回路”的靜軌遙感衛(wèi)星智能操控方案[14],采用面向任務和用戶操控的總體架構,通過最優(yōu)任務規(guī)劃、指令自主生成、參數(shù)智能匹配、星載信息處理、星地信息交互等多項星地一體化設計,提升衛(wèi)星操控的靈活性。通過引入“人機接口”控制衛(wèi)星任務執(zhí)行的進程并引入判斷與創(chuàng)新,使衛(wèi)星用戶能夠便捷的監(jiān)控衛(wèi)星任務執(zhí)行的全進程,再根據(jù)衛(wèi)星反饋后的圖像信息作為輸入更快的重建目標任務。

在智能遙感衛(wèi)星系統(tǒng)研制方面,2017年我國首顆商業(yè)遙感衛(wèi)星吉林一號發(fā)射入軌,具有一定的星上圖像處理能力,并實現(xiàn)了機動路徑的自主規(guī)劃[15]。2019年發(fā)射了我國第一顆軟件定義衛(wèi)星天智一號,可在軌完成衛(wèi)星所獲的大部分數(shù)據(jù)處理,如智能目標檢測識別、智能云判讀、基于強化學習的智能姿態(tài)控制等,并根據(jù)需要下傳地面[16];同時,衛(wèi)星為開放型系統(tǒng),所有人都可以為衛(wèi)星開發(fā)軟件,并可根據(jù)一定流程將開發(fā)的軟件或是地面訓練好的神經(jīng)網(wǎng)絡模型上注衛(wèi)星,以提高衛(wèi)星在軌實時處理能力或開展在軌實驗。對于衛(wèi)星的實時狀態(tài),所有人都可以通過手機利用APP訪問查詢,并指揮衛(wèi)星在軌實時執(zhí)行“在軌自拍”等空間任務。另外,國內(nèi)主要航天科研機構和高校圍繞智能遙感衛(wèi)星系統(tǒng)也組織了許多相關項目研究,如微小衛(wèi)星智能網(wǎng)絡、地球觀測智慧系統(tǒng)等。

在地面系統(tǒng)平臺方面,2016 年國防科學技術大學陳英武等提出了一種敏捷成像衛(wèi)星自主運控系統(tǒng)[17],成像衛(wèi)星配備有星載重規(guī)劃分系統(tǒng)和實時任務的接收器,實時任務的接收器用于成像衛(wèi)星與用戶、成像衛(wèi)星與地面支持系統(tǒng)進行實時短報文信息交互,星載重規(guī)劃分系統(tǒng)主要實現(xiàn)系統(tǒng)中所有觀測任務的在線任務規(guī)劃功能,可自主生成任務規(guī)劃方案并結合衛(wèi)星指令模板生成衛(wèi)星指令。劉繼東等創(chuàng)建了基于數(shù)字地球的“空天大數(shù)據(jù)承載與智能服務平臺”[18],將空天大數(shù)據(jù)、云計算與人工智能技術深入融合,提高了遙感數(shù)據(jù)處理能力和智能化水平。

從國內(nèi)研究概況可以看出,當前國內(nèi)遙感衛(wèi)星領域的智能化研究還處于初步階段,工程實踐應用尚不足。操控模式方面,目前研究僅關注遙感衛(wèi)星的在軌操控環(huán)節(jié),未涉及信息處理、在軌診斷等關鍵問題,也未從整體上對智能操控總體架構進行設計研究,尚不能支持全面的自動化操控;系統(tǒng)研制方面,自主任務規(guī)劃系統(tǒng)和星載智能處理能力僅有少量初步驗證,處于地面系統(tǒng)使用向星載驗證的過渡階段,尚無成熟應用經(jīng)驗;地面系統(tǒng)方面,任務處理平臺和終端操控智能化研究匱乏,尚未形成通用便捷的衛(wèi)星操控平臺,且對智能人機交互研究不多,智能化程度不足,無法支撐面向終端用戶的航天器智能操控應用。

2 智能星地操控關鍵技術分析

從上述發(fā)展現(xiàn)狀可以看出,目前國內(nèi)外相關機構在智能星地操控方面的研究焦點主要集中在衛(wèi)星自主任務規(guī)劃、多星任務協(xié)同、星載智能處理以及地面智能操控與信息處理等幾個方面。

1)衛(wèi)星自主任務規(guī)劃

傳統(tǒng)的衛(wèi)星任務規(guī)劃由地面依據(jù)預設條件制定任務方案,但這種模式依賴于穩(wěn)定的運行環(huán)境和充裕的星地通信時間,伴隨著高昂的星地溝通成本。自主任務規(guī)劃可大大降低對地面管控的依賴,減少復雜功能衛(wèi)星任務上注數(shù)據(jù)量,顯著縮短從任務提出至航天器執(zhí)行的過程、提高突發(fā)事件的自主響應能力、提升復雜任務的自主執(zhí)行能力、更好的發(fā)揮航天器應用效能,是實現(xiàn)遙感衛(wèi)星智能操控的首要關鍵技術。

衛(wèi)星自主任務規(guī)劃所面臨的最大問題是星上計算和存儲資源受限,當前主要研究資源約束下的自主任務規(guī)劃問題建模與優(yōu)化求解問題。目前,國外衛(wèi)星自主任務規(guī)劃技術已經(jīng)在多領域具備了工程化應用能力,但國內(nèi)研究尚處于地面系統(tǒng)使用向星載驗證的過渡階段,需將自主任務規(guī)劃技術與人工智能發(fā)展緊密結合,研究智能規(guī)劃算法。另外,目前現(xiàn)有研究主要集中于模型和算法領域,并沒有具體給出完整的基于實際衛(wèi)星情景的建模流程和驗證,也缺乏系統(tǒng)的流程和框架的設計,尚需進一步系統(tǒng)性的深入研究。

2)多星任務協(xié)同

隨著航天活動日益開展深入,用戶對觀測任務實時性、觀測空間延展性、觀測對象動態(tài)性等方面提出了更嚴苛和復雜的要求,受衛(wèi)星所處軌道、星載遙感器資源特征、觀測目標物理特征等影響,單一衛(wèi)星難以滿足日趨復雜的觀測需求,而多星自主任務規(guī)劃具有更強大的觀測能力和優(yōu)勢。

相對于單星情況,多星的任務規(guī)劃由于目標數(shù)目和種類的豐富、衛(wèi)星數(shù)目和載荷種類的豐富,問題建模的復雜度和問題求解的計算規(guī)模都有了巨大的增長。這也致使在星載計算機有限的計算能力下,所有基于遍歷搜索得到全局最優(yōu)解的方法在星上都難以被采用。目前,國外已經(jīng)在多個領域開展了多星自主任務規(guī)劃技術的星載驗證[19],但國內(nèi)關于多星自主任務規(guī)劃的研究較為匱乏,且沒有明確衛(wèi)星體系之中各個衛(wèi)星的角色和完整的基于資源特征和時間窗特征的任務分配機制,使得多顆衛(wèi)星難以實現(xiàn)高效和快速的任務分配,需進一步深入研究。

3)星載智能實時處理

隨著遙感數(shù)據(jù)量的迅猛增長以及用戶對信息獲取時效性和有效性要求的提高,必須利用星載智能實時處理技術縮短系統(tǒng)反應時間、突破數(shù)傳瓶頸,并提高載荷利用率。遙感信息星載智能處理通過在星上完成無效數(shù)據(jù)剔除、感興趣區(qū)域提取、關鍵目標檢測等,可以生產(chǎn)出具有更高附加值的產(chǎn)品,盡量減少回傳的數(shù)據(jù)量,又能夠極大地提高應用的時效性。

隨著人工智能技術的發(fā)展,尤其是深度學習等優(yōu)秀算法的涌現(xiàn),星載智能處理方法已發(fā)生重大改變。目前主要的方法是借鑒注意力機制[20]在人類視覺系統(tǒng)中的選擇性感知特點,結合自底向上的視覺顯著性引導及自頂向下的顯著區(qū)域解釋,進行大視場遙感目標檢測,需要關注的是如何進行星載計算資源的合理分配,以實現(xiàn)實時遙感與信息處理的并行進行。

4)地面智能操控

遙感衛(wèi)星地面操控涉及用戶操控衛(wèi)星的操控接口和操控界面,直接影響用戶對衛(wèi)星的智能操控體驗,主要包括任務運控、遙感信息處理以及健康監(jiān)測與故障診斷三部分。

任務運控是結合現(xiàn)有衛(wèi)星系統(tǒng)資源,面向待執(zhí)行任務提出的符合各種限制條件的最大化衛(wèi)星系統(tǒng)資源效益的任務執(zhí)行序列,涉及從用戶提出需求,到衛(wèi)星指令和地面接收計劃的生成全過程。目前,以ESA 和NASA 為代表的衛(wèi)星地面運控系統(tǒng),其特點是體系結構標準化,信息互通、應用互操作,具有統(tǒng)一的組織來協(xié)調(diào)處理系統(tǒng)的標準規(guī)范制定和研制管理[21]。而國內(nèi)的衛(wèi)星運控系統(tǒng)觀測任務調(diào)度與執(zhí)行彼此獨立運行,在業(yè)務層面由協(xié)商討論、手工計劃等手段實現(xiàn)各部門的協(xié)同數(shù)據(jù)獲取。因此,基于微服務的分布式、可擴展的地面運控系統(tǒng)已經(jīng)成為發(fā)展趨勢,系統(tǒng)對于新增衛(wèi)星的兼容性更好,擴展性更強,開發(fā)成本更加低廉。對于任務操作,國內(nèi)遙感衛(wèi)星多采用基于指令模板或宏指令的運控體制,用戶編制指令和操控難度和復雜度高。因此,構建面向用戶的好用易用的智能運控系統(tǒng),以提升操作便捷性和用戶體驗,逐步受到相關領域研究者的關注。

地面遙感信息處理主要是負責接收衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),進行圖像預處理和圖像應用處理,生成不同等級和不同類型的圖像產(chǎn)品,并對衛(wèi)星遙感圖像進行判讀、解釋和評估等。隨著在軌遙感衛(wèi)星數(shù)量的快速增加,遙感圖像的數(shù)據(jù)量也呈幾何級數(shù)增長,同時受衛(wèi)星振動、電磁干擾等的影響遙感圖像質(zhì)量也難以保證,基于圖像特征提取、輻射/幾何校正等傳統(tǒng)預處理手段已經(jīng)不能滿足要求。因此,可研究結合衛(wèi)星運動參數(shù)特性,采用全連接神經(jīng)網(wǎng)絡對振動和干擾點進行估計,改善圖像質(zhì)量,同時采用深度學習理論對遙感圖像進行電磁干擾和圖像畸變檢測,進一步提高圖像復原的魯棒性和準確性[22]。對于特定目標檢測,傳統(tǒng)的檢測方法包括基于形狀先驗特征的目標檢測、梯度直方圖、支持向量機等,在用于復雜背景、動態(tài)環(huán)境下的遙感目標檢測時效果并不理想,而基于深度學習的方法由于采用深度神經(jīng)網(wǎng)絡可以提取多層次特征,其特征表達能力強,適合于遙感圖像目標檢測。進一步的,還可以融合視覺注意力機制,選擇感興趣區(qū)域進行詳細分析,提升目標檢測精度,降低時間和空間復雜度。另外,由于現(xiàn)有的遙感圖像處理工具大多針對不同研究人員進行算法研究進行設計,不利于進行圖像處理流程可視化及處理結果的現(xiàn)場展示和交互,需基于人工智能和人機交互技術,進一步實現(xiàn)任務結果的多維度呈現(xiàn)和用戶便捷的交互體驗。

在健康監(jiān)測與故障診斷環(huán)節(jié),遙感衛(wèi)星由于遙測數(shù)據(jù)量大、判讀復雜度高,難以滿足用戶對于衛(wèi)星健康狀態(tài)感知、故障診斷的直觀性和快速性要求,且應急故障響應和處置能力不足。因此,需進一步深入研究健康監(jiān)測與故障診斷技術,基于衛(wèi)星自主健康評估技術,通過星地聯(lián)合對衛(wèi)星運行狀態(tài)和故障進行智能化處理,提升衛(wèi)星健康管理可視化、降低衛(wèi)星健康狀態(tài)感知復雜度,實現(xiàn)智能化衛(wèi)星故障處置響應。

3 天地一體化智能操控模式設計構想

3.1 天地一體化智能星地操控總體框架

結合國內(nèi)外遙感衛(wèi)星智能星地操控研究現(xiàn)狀及未來我國遙感衛(wèi)星應用需求,為提升用戶操作的便捷性和智能化,采用天地一體化的設計思路,構建“智能衛(wèi)星＋一體化地面系統(tǒng)＋智能操控平臺”的總體架構,通過高、中、低軌衛(wèi)星多星協(xié)同、單星智能、星地聯(lián)合處理以及星地操控各環(huán)節(jié)的天地一體化設計和協(xié)調(diào)應用,形成遙感衛(wèi)星智能化操控新模式?？傮w框架如圖1所示。

圖1 天地一體化智能星地操控總體框架Fig.1 Overall architecture of the space-ground-integration and intelligent satellite-ground manipulation

在體系方面,從快捷任務指控、任務信息獲取、智能健康監(jiān)測等各環(huán)節(jié)全面優(yōu)化星地操控設計。一方面,衛(wèi)星自主任務規(guī)劃技術與星載實時處理、自主故障診斷等協(xié)同發(fā)展,從而串聯(lián)起遙感衛(wèi)星自主感知、自主決策、自主故障診斷等自主技術,形成從自主感知、自主決策、自主規(guī)劃到自主執(zhí)行的自主體系架構,提升航天器智能自主能力;另一方面,地面系統(tǒng)充分利用人工智能和人機交互技術,構建一體化地面系統(tǒng)和智能操控平臺,提升操控便捷性和用戶體驗,實現(xiàn)終端快捷任務指控、任務結果智能處理與多維呈現(xiàn),以及智能健康監(jiān)測與故障處置等。

在智能算法方面,將人工智能技術與自主任務規(guī)劃技術、遙感圖像在軌處理技術、故障診斷技術緊密結合,深入研究單星及多星智能規(guī)劃算法、智能實時處理及故障診斷算法,提升星、地智能化處理水平。

3.2 天地一體化智能星地操控接口和操控流程

基于天地一體化智能操控總體框架,根據(jù)遙感衛(wèi)星星地操控業(yè)務內(nèi)容,將星地操控劃分為:任務指控、任務進程監(jiān)控、任務結果處理與多維度呈現(xiàn)、在軌維護、在軌健康監(jiān)測與處置等5個維度,通過5個維度的天地一體化設計,全面優(yōu)化星地操控接口和操控流程,并改善人機交互效果,提升衛(wèi)星的好用易用性。具體操控接口和流程如圖2所示。

圖2 天地一體化智能星地操控接口和流程Fig.2 Interface and process of the space-ground-integration and intelligent satellite-ground manipulation

1)智能化任務指控接口和流程

為提升遙感衛(wèi)星任務指控效率和便捷性,采用多模態(tài)[23]任務指令輸入方式,實現(xiàn)任務參數(shù)高效注入,并結合地面系統(tǒng)任務統(tǒng)籌和衛(wèi)星自主任務規(guī)劃,實現(xiàn)“一鍵式”任務上注,并自動完成任務合法性檢驗,滿足用戶高效、可靠、快捷的任務指控要求。

用戶通過操控平臺完成多模態(tài)任務指令輸入,任務指令輸入形式可包括參數(shù)、文本、語音、可視化地圖界面等多種模態(tài),目標類型可包含點目標、線目標、區(qū)域目標或多個目標等。地面系統(tǒng)接收操控平臺模態(tài)檢測與信息識別處理后的統(tǒng)一格式數(shù)據(jù)幀,完成多用戶多任務智能調(diào)度、任務規(guī)劃和任務數(shù)據(jù)生成,并將任務數(shù)據(jù)上注給衛(wèi)星,實現(xiàn)用戶只需要輸入目標地理位置信息和成像時間等簡單參數(shù)即可完成任務指控。地面上注的指令數(shù)據(jù)包括兩類:一類是地面任務規(guī)劃后的指令數(shù)據(jù),由衛(wèi)星接收指令直接執(zhí)行完成任務操控;另一類是任務指令數(shù)據(jù),由衛(wèi)星自主完成任務分解、自主任務規(guī)劃、在軌指令序列生成和自主任務操控。具體任務指控過程如圖3所示。

圖3 智能化任務指控過程Fig.3 Process of the intelligent task command and control

2)任務進程智能監(jiān)控接口和流程

通過星地聯(lián)合對衛(wèi)星工作狀態(tài)的智能化處理,實現(xiàn)衛(wèi)星執(zhí)行任務的全局動態(tài)監(jiān)控和單個任務進程的實時監(jiān)控,以滿足用戶對任務執(zhí)行過程的實時監(jiān)控需求。

智能衛(wèi)星下發(fā)衛(wèi)星任務相關信息,對于衛(wèi)星已規(guī)劃待執(zhí)行任務,可基于衛(wèi)星在線任務規(guī)劃結果獲取遙感任務計劃,包括規(guī)劃路徑、預計執(zhí)行時段、衛(wèi)星姿態(tài)等信息;對于正執(zhí)行任務,可獲取任務規(guī)劃路徑、實時衛(wèi)星姿態(tài)、實時視頻圖像數(shù)據(jù)、跟蹤目標位置及特征信息、可疑目標的告警等信息。當有應急任務插入時,衛(wèi)星可生成相應的事件報告,供地面分析處理。

地面系統(tǒng)接收任務信息,完成任務狀態(tài)遙測處理,包括遙測數(shù)據(jù)融合與分析、事件報告處理及數(shù)據(jù)可視化等,并完成任務綜合狀態(tài)統(tǒng)計與分析。最后,通過各操控平臺實現(xiàn)相關任務的進程監(jiān)控及狀態(tài)直觀呈現(xiàn),包括衛(wèi)星相關工作模式、任務執(zhí)行進程、數(shù)據(jù)傳輸與回放進程等。

3)任務結果處理與多維度呈現(xiàn)接口和流程

任務結果通過智能衛(wèi)星完成星上數(shù)據(jù)智能處理及分發(fā),地面系統(tǒng)對衛(wèi)星處理結果和原始圖像數(shù)據(jù)進行進一步的智能化處理,實現(xiàn)任務結果的多維度交互式呈現(xiàn),滿足用戶對整體態(tài)勢全方位的直觀感知需求和時效性獲取要求。

地面系統(tǒng)接收星上智能處理結果和原始圖像數(shù)據(jù)兩類任務結果數(shù)據(jù),在完成精細圖像處理、目標檢測與識別等處理后,將兩類任務結果數(shù)據(jù)采用圖像增強、實時視頻顯示、三維重建及場景融合等技術手段完成面向用戶的任務結果多維度直觀呈現(xiàn),實現(xiàn)用戶對遙感目標態(tài)勢全方位的直觀信息感知。用戶收到任務結果后,根據(jù)實際任務需求還可通過“一鍵式”操作將自動跟蹤、目標詳查等指令發(fā)送給任務指控環(huán)節(jié),通過任務指控將跟蹤、星間協(xié)同等任務發(fā)送至衛(wèi)星,或?qū)⑿畔?shù)據(jù)分發(fā)至各地面用戶終端。具體功能模塊設計和工作過程如圖4所示。

圖4 任務結果處理與多維度呈現(xiàn)過程Fig.4 Process of task result processing and multidimensional presentation

4)智能化在軌維護接口和流程

受限于衛(wèi)星計算資源和能耗,衛(wèi)星在軌自主維護一般只針對實時性要求高、對任務完成質(zhì)量起決定作用的部分參數(shù)進行,大量的目標庫、參數(shù)庫、算法庫及相關參數(shù)優(yōu)化均需要通過地面系統(tǒng)實現(xiàn),然后再通過地面上注的方式傳輸給衛(wèi)星。因此,需建立衛(wèi)星在軌和地面的聯(lián)合智能處理機制,即星上進行高層次信息融合,地面基于人工智能技術進行海量數(shù)據(jù)的機器學習過程,建立完善星地知識庫、模型庫、信息源資源庫等,將在軌和地面的信息進行可控信息量的交互,從而形成星上和地面處理的有機整體,支持衛(wèi)星在軌動態(tài)能力提升。

智能衛(wèi)星設置目標庫、任務庫、歷史任務規(guī)劃結果庫、算法庫以及目標檢測識別模型庫等,地面系統(tǒng)基于深度學習框架,與衛(wèi)星同步建立各知識庫和模型框架,并通過歷史任務數(shù)據(jù)進行樣本訓練和模型優(yōu)化。用戶可通過操控平臺查看星上當前各知識庫、算法庫以及模型庫的參數(shù)信息,根據(jù)遙感任務需求和衛(wèi)星在軌維護要求,可通過“一鍵式”操作由地面系統(tǒng)自主完成各知識庫、算法庫的數(shù)據(jù)組包、正確性及安全性驗證和自動上注,實現(xiàn)星上各知識庫和算法庫的“一鍵式”管理、升級和維護。

5)在軌健康監(jiān)測與處置接口和流程

結合智能衛(wèi)星自主健康管理技術及地面健康管控,通過星地聯(lián)合對衛(wèi)星運行狀態(tài)和故障進行智能化處理,提升衛(wèi)星健康管理可視化、降低衛(wèi)星健康狀態(tài)感知復雜度,實現(xiàn)智能化衛(wèi)星故障處置響應。地面系統(tǒng)實時獲取衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)進行復雜遙測解析、處理和衛(wèi)星實時健康監(jiān)測,通過數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)簡化和可視化處理等手段,實現(xiàn)衛(wèi)星健康狀態(tài)的直觀呈現(xiàn),降低用戶對衛(wèi)星健康狀態(tài)感知的復雜度,并完成衛(wèi)星健康狀態(tài)診斷。

當衛(wèi)星發(fā)生異常事件時,地面處理可通過兩種途徑:一種是地面通過復雜遙測數(shù)據(jù)分析進行故障識別;另一種是衛(wèi)星自主將故障數(shù)據(jù)包(或緊急故障代碼)發(fā)送至地面。地面系統(tǒng)根據(jù)地面復雜遙測分析結果或衛(wèi)星下傳的故障數(shù)據(jù)包,與已建立的故障診斷模型和診斷知識庫進行模式匹配,自動獲得故障信息及應急處理建議,用戶只需通過“一鍵式”操作即可將故障處置指令數(shù)據(jù)包上注至衛(wèi)星,實現(xiàn)衛(wèi)星智能化的快速故障處置響應。具體工作過程如圖5所示。

圖5 在軌健康監(jiān)測與處置過程Fig.5 Process of on-orbit health monitoring and disposal

3.3 與現(xiàn)有操控模式對比分析

將該模式與目前國內(nèi)遙感衛(wèi)星操控模式進行對比,見表1。可以看出,該模式可實現(xiàn)遙感衛(wèi)星各操控環(huán)節(jié)的“一鍵式”智能星地交互,有效提升衛(wèi)星好用易用性,實現(xiàn)用戶對衛(wèi)星的便捷操控和智能交互。

表1 與現(xiàn)有操控模式對比分析Table 1 Comparison with existing manipulating mode

4 結束語

本文針對當前遙感衛(wèi)星智能化操控需求,綜合研究了國內(nèi)外遙感衛(wèi)星操控技術研究現(xiàn)狀及存在的問題,基于“天地一體化”設計思路構建了“智能衛(wèi)星＋一體化地面系統(tǒng)＋智能操控平臺”的3層總體架構、智能操控流程及模塊間接口,并對智能化任務指控、任務進程智能監(jiān)控、任務結果處理與多維度呈現(xiàn)、智能化在軌維護、在軌健康監(jiān)測與處置等關鍵環(huán)節(jié)進行了分析。通過與現(xiàn)有操控模式的定性比較,結果顯示該模式可以有效提升衛(wèi)星的好用易用性,實現(xiàn)用戶對衛(wèi)星的便捷操控和智能交互。下一步將根據(jù)所提出的設計模式,進行“天地一體化”操控系統(tǒng)的詳細設計與實現(xiàn),以完成遙感衛(wèi)星各操控環(huán)節(jié)的“一鍵式”星地交互。