崔 嵩

(中國電子科技集團公司第十四研究所，南京210039)

0 引 言

隨著我國航天事業(yè)的快速發(fā)展，航天測量船測控任務(wù)逐漸增加。每一次航天任務(wù)都是十分巨大且復雜的工程，僅僅依靠陸基測控站對在軌航天器進行監(jiān)測已經(jīng)不能滿足全程監(jiān)控的要求，因此基于海上測量船的海上測控站應運而生。海上測量船具有機動性強、靈活性大、測控范圍大等特點，已經(jīng)被世界上多數(shù)航天大國用于航天測控任務(wù)[1-2]。但是在使用海上測量船進行測控任務(wù)過程中也有一定的約束條件，需要考慮測量工況、船載設(shè)備之間的遮蔽、船載設(shè)備之間的電磁頻譜干擾等因素，因此執(zhí)行任務(wù)前進行完整的規(guī)劃是十分重要的。一套完整的規(guī)劃設(shè)計可以為船上技術(shù)人員提供執(zhí)行任務(wù)輔助便利，對測量船是否能成功執(zhí)行測控任務(wù)具有十分重要的意義。文獻[1]提出了一種基于B/S架構(gòu)航天測量船指揮顯示系統(tǒng)的設(shè)計方案，重點闡述執(zhí)行任務(wù)時數(shù)據(jù)實時傳輸處理軟件設(shè)計。文獻[3]圍繞航天測量船海上測控任務(wù)的分析與設(shè)計方法，詳細闡述了海上測控的任務(wù)分析和設(shè)計的原理。文獻[4]對航天測量船工況規(guī)劃方法進行了研究。文獻[5]對測量船電磁兼容性技術(shù)進行了分析。

本文提供了一種航天測量船對空間目標觀測執(zhí)行測控任務(wù)的規(guī)劃方法，主要完成對航天測量船的工況規(guī)劃自動計算，以及考慮遮蔽、電磁頻譜、觀測要求等多因素下的測量工況、可探測性分析、值班時序、裝備計劃等規(guī)劃結(jié)果的生成。

本文的創(chuàng)新之處在于提出了一套完整的航天測控任務(wù)規(guī)劃方法，在各個關(guān)鍵技術(shù)中結(jié)合工程實踐闡述了測量工況變航向的具體實施過程方法，提出了一種通過伺服引導規(guī)劃的裝備任務(wù)計劃編排方法，并在工程應用中取得了良好的效果。

1 總體設(shè)計

測量船出海執(zhí)行航天測控任務(wù)首要開展的工作是進行測量工況的規(guī)劃，保證測量船在執(zhí)行任務(wù)時的船位、船向和船速能夠滿足船的測量要求[3]。根據(jù)測量工況規(guī)劃出的船位、船向和船速，以及執(zhí)行任務(wù)前的校準航線和執(zhí)行任務(wù)時的測量航線，結(jié)合遮蔽分析計算結(jié)果、電磁頻譜分析，進行裝備可探測性分析。根據(jù)各裝備對目標的可見期生成裝備對目標觀測計劃和各裝備的值班時序，并將裝備計劃按照約定格式下發(fā)給各裝備執(zhí)行，同時接收裝備計劃執(zhí)行狀態(tài)，完成計劃執(zhí)行與監(jiān)視的閉環(huán)流程。

航天測量船對空間目標觀測規(guī)劃的總體設(shè)計業(yè)務(wù)流程如圖1所示。

圖1 航天測量船對空間目標觀測規(guī)劃的總體設(shè)計業(yè)務(wù)流程

2 關(guān)鍵技術(shù)

航天測量船規(guī)劃技術(shù)實現(xiàn)需要涉及到任務(wù)管理、方案管理、工況規(guī)劃、遮蔽分析、電磁頻譜分析、觀測要求設(shè)置、船載裝備管理、裝備可探測性分析、值班時序生成、裝備計劃生成等多個技術(shù)要點，本文針對其中最為典型的測量工況規(guī)劃、電磁頻譜分析、裝備可探測性模型分析、裝備任務(wù)計劃編排等進行研究。

2.1 測量工況規(guī)劃

測量工況規(guī)劃可以分為固定航向的和變航向的規(guī)劃。如圖2所示，固定航向的測量工況規(guī)劃可以按照選船位、定航向、定航速、算航線的流程進行[4]，但通過這一系列步驟再次計算裝備可探測弧段可能會受遮蔽角影響。根據(jù)需要可以選擇變航向的測量工況規(guī)劃，在航行過程中每隔一段時間通過航向改變來避開遮蔽且采用最佳觀測俯仰對目標進行觀測，進而完成全程無遮蔽觀測。

圖2 固定航向測量工況規(guī)劃流程圖

采用變航向觀測時，考慮有裝備部署在船甲板非中軸線位置，如圖3裝備4在船的右舷，初始船位在星下點飛行右側(cè)(沿著空間目標飛行方向的右側(cè))，初始航向垂直初始船位與發(fā)點連線，與射向夾角小于90°，確保航行方向沿著衛(wèi)星飛行方向；初始船位在衛(wèi)星飛行左側(cè)(沿著衛(wèi)星飛行方向的左側(cè))，初始航向垂直初始船位與發(fā)點連線，與射向夾角大于90°，確保航行方向與衛(wèi)星飛行方向相反。變航向觀測時的初始船位計算方法與固定航向觀測的方法基本一致，取任務(wù)弧段中點，以觀測弧段中點且垂直于軌道面取最高觀測仰角的點作為船的首點位置。在確定了初始船位后，按照平行測量的船向和一般船速，計算任務(wù)起止時間段第一次遇到遮蔽的時間點，在這個時間點改變航向，確保航向沿著衛(wèi)星方向。以此類推，以后每個遇到遮蔽的時間點都如此處理來改變航向。如果任務(wù)起止時段內(nèi)通過計算后沒有遮蔽點，為了保持最佳觀測仰角，沿初始船位航向向前遞進1 min，下一時刻航向垂直下一時刻船位與下一時刻衛(wèi)星位置連線。依次類推計算，直至結(jié)束航向垂直觀測弧段末點與結(jié)束船位的連線，即每隔1 min改變一下航向。如果裝備部署均在測量船甲板中軸線上，則無需考慮測量船部署于衛(wèi)星的左側(cè)或者右側(cè)。

圖3 變航向觀測航向變化示意圖

2.2 電磁頻譜分析

電磁兼容問題是在系統(tǒng)設(shè)計初期就必須考慮的問題，必須與全船其他系統(tǒng)(如通信系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、指揮系統(tǒng))統(tǒng)籌考慮[5]。測量船上各測量裝備的工作頻段大都不一致，部分裝備之間有頻段重疊，主要沖突在于雷達與無源裝備之間有頻譜干擾。存在頻譜干擾時，根據(jù)任務(wù)數(shù)據(jù)錄取要求同時也為保證裝備的安全，必須關(guān)閉一個裝備來確保裝備正常運行。測量船上各裝備之間的頻譜干擾類型主要包含同頻干擾、鄰頻干擾、倍頻干擾，影響裝備工作最主要的干擾是同頻干擾，因此制定頻譜規(guī)則在裝備之間存在干擾情況時來進行分時分頻工作。

首先在規(guī)則庫中添加頻譜規(guī)則，規(guī)則包含干擾設(shè)備、受干擾設(shè)備、干擾裝備方位角、工作優(yōu)先級、處理建議。一般為確保裝備安全運行，同頻干擾下干擾裝備方位角度認為0°～360°。若干擾裝備與受干擾裝備均只有一個工作頻段，則根據(jù)數(shù)據(jù)錄取要求和裝備任務(wù)優(yōu)先級，當兩裝備有同時可探測弧段的時段將其中一個裝備關(guān)機，此為分時工作；若干擾裝備與受干擾裝備有多個工作頻段，可適當調(diào)整其中一個裝備的工作頻段，使其避開同頻干擾而同時工作，此為分頻工作。頻譜規(guī)則管理應用的基本流程如圖4所示。

圖4 頻譜規(guī)則管理應用流程圖

2.3 裝備可探測性模型分析

為了獲取目標的多種數(shù)據(jù)信息，一般測量船上會裝載多種裝備，包括雷達、無源系統(tǒng)、光電經(jīng)緯儀等。多種裝備對目標觀測相互配合，具有較好的觀測效果。一般的雷達的探測精度高，捕獲能力強，可全天候值班[6]；無源系統(tǒng)因其不向外發(fā)射電磁波所以隱蔽性相對好[7]；光電設(shè)備則對高軌衛(wèi)星探測具有較好的探測精度。因此，在進行可探測性分析計算時，需要考慮以上多種裝備的探測模型[8]。

雷達的一般方程如下所示[9]：

(1)

一般地，雷達的標稱威力是已知的。記雷達散射截面(Radar Cross Section,RCS)為1 m2的雷達威力為R，根據(jù)目標RCS來折算雷達的威力。由式(1)的雷達方程可知，雷達的威力與目標RCS之間的關(guān)系如下：

(2)

式中：R′為折算后的雷達作用距離，σ′為目標的RCS，R為RCS為1 m2的雷達威力。

無源系統(tǒng)利用目標輻射信號對其進行檢測和定位，常用的信號包括通信信號、數(shù)傳信號、遙測信號等。針對每種不同的信號，主要是目標的信號功率對作用距離的影響，考慮到系統(tǒng)損耗，無源系統(tǒng)的最大作用距離可用如下公式表示[10]：

(3)

式中：Pt為輻射源的信號功率，Gt為輻射源發(fā)射天線的增益，Gr為無源探測接收機天線的增益，γr為接收機天線極化與輻射源信號極化失配損失(γr<1)，k為玻爾茲曼常數(shù)，T0為標準噪聲溫度，F(xiàn)n為接收機噪聲系數(shù)，Bn為接收機噪聲帶寬，(S/N)min為最小可檢測信噪比，L為總的系統(tǒng)損耗。

一般在工程應用中，難以全面獲取有關(guān)目標的情報信息，無源系統(tǒng)對未知目標探測時常利用典型的威力值來進行可探測性弧段估算。

光電經(jīng)緯儀對于目標的可見性分析主要受到天光、地影等的約束條件的限制，即必須滿足以下兩個條件：一是測站處于黑夜；二是空間目標處于被太陽直接照射。

天光地影的區(qū)間求解方法描述如下[11]：

(1)地影區(qū)間

所謂地影區(qū)間，就是每圈的出地影時刻到進地影時刻的時間段，如圖5所示。

圖5 地影區(qū)間

設(shè)某圈的過赤道時刻為TN(I)，由軌道根數(shù)和日月坐標α⊙、δ⊙即可計算進出地影點的UJ、UC步驟如下：

Step1 求太陽在軌道面上的投影u⊙、ψ⊙。

u⊙、ψ⊙可由圖5中的球面三角形中求出：在球面三角形中，已知兩邊夾一角，即i，90°-δ⊙，90°+α⊙-Ω已知，就可求得90°-u⊙-ψ⊙，90°-u⊙，90°-ψ⊙。于是，太陽在軌道面上的投影u⊙、ψ⊙就可求出。

Step2 求遠日點u。

遠日點的定義為軌道上地影最深處的點，即rsinψ最大的點。

(4)

式中：r為人造衛(wèi)星的地心距，ψ為人造衛(wèi)星和太陽在地心處的交角。

根據(jù)

cosψ=cosψ⊙cos(u-u⊙) ，

(5)

(6)

得

(7)

(8)

于是，

(9)

令

u=u⊙+π+ε，

(10)

則

(11)

根據(jù)式(10)和(11)即可迭代得到遠日點的u。

Step3 求進出地影點的UJ、UC。

在[u,u-π]之間求進地影點UJ，在[u,u+π]之間求出地影點UC，求地影點時采用二分法，不在地影中的條件為

(12)

r地影=1.003 741 37(6 402 km) 。

(13)

則該圈的無地影區(qū)間EST(1，I)、EST(2，I) 分別為

EST(1,I)=TN(I)+λ(UC)/(dλ/dt),

(14)

EST(2,I)=TN(I)+λ(UJ)/(dλ/dt) 。

(15)

式中：λ(U)為U對應的λ，dλ/dt為λ的變率。

對于一步內(nèi)的所有進出地影時刻，在程序?qū)崿F(xiàn)時必須保證相鄰兩圈的時間間隔為一圈。要注意UC向南向北過赤道的情況，對此要作特殊處理。這樣就可得到一步內(nèi)的地影區(qū)間為

[EST(1，I)，EST(2，I)]，I=1，2,…,MAXN。

(16)

(2)天光區(qū)間

如圖6所示，天光區(qū)間即為測站預報當天的昏影終時刻t1到下一天的晨光始時刻t2之間的時間段[t1,t2]。

圖6 天光圖

設(shè)當天0h的太陽坐標為α⊙、δ⊙，測站的經(jīng)緯度為λ、φ，當天0h的恒星時為S，計算天光時要求的太陽天頂距為Z⊙，則太陽天頂距為Z⊙時的時角τ為

(17)

于是，昏影終時刻為t1=τ+α⊙-λ-S，晨光始時刻為t2=t1+1.0+2τ。

注意這些量要化為以天為單位，與上面LT區(qū)間一樣每天有一個區(qū)間。這樣就可得到一步內(nèi)的天光區(qū)間為

[SST(1，I)，SST(2，I)]，I=-1，0，1，2,…,H。

(18)

2.4 裝備任務(wù)計劃編排

根據(jù)任務(wù)場景、任務(wù)數(shù)據(jù)錄取要求，對各個傳感器進行任務(wù)編排。由于單脈沖、無源監(jiān)視系統(tǒng)、光電經(jīng)緯儀的跟蹤能力有限，可以認為在同一時刻只能觀測一個空間目標，而相控陣雷達因其波束可以任意指向，在微秒量級上進行捷變，因而具備多功能、多目標和高度自適應的能力[12-13]。因此，對于相控陣雷達的任務(wù)編排是測量船執(zhí)行觀測任務(wù)之前規(guī)劃的關(guān)鍵。

由于在航天測量船上的相控陣雷達的陣面是可轉(zhuǎn)動的，因此在任務(wù)編排過程中考慮如何進行伺服規(guī)劃引導是任務(wù)計劃編排要考慮的重要問題。本文提出一種方法，在雷達對空間目標任務(wù)編排過程中同時給出伺服引導建議，下面介紹主要過程。

(1)確定觀測條件，考慮任務(wù)要求，因素可定為最短觀測時長、最大轉(zhuǎn)向時長等。相控陣雷達的最短觀測時長可定為3 min。低于3 min的可探測弧段可以剔除，不作為考慮范圍，即以下步驟中提到的可探測弧段均為觀測時長滿足觀測條件要求、大于最短觀測時長的可探測弧段。

(2)在不考慮方位和俯仰限制(即不考慮電掃范圍)的情況下，計算出裝備對多個空間目標的可探測性弧段。

(3)對(2)中得出的可探測弧段按照各個探測開始時間從小到大排序，對于各個時間上沒有間斷的時間段計為ts～te，這種時間段個數(shù)為N個，因此分析的時間段可表示為ts1～te1、ts2～te2…tsN～teN。

(4)在某個時間片內(nèi)，雷達的伺服指向在方位和俯仰上可以一定的步長進行滑動計算在某伺服指向上的可探測目標個數(shù)為最多。

(5)得出在某時間片裝備觀測到目標數(shù)目最多的伺服指向，同時計算在此指向下裝備對多空間目標的觀測起止時間和位置，輸出多目標任務(wù)編排方案。

該方法的任務(wù)編排流程如圖7所示。

圖7 相控陣雷達任務(wù)編排流程圖

以上方法可總結(jié)為基于多滑窗比較方法，大大提高了計算效率，避免了逐個遍歷比較耗費時長較長的問題。滑窗步長選擇也要同時兼顧計算全面性。該方法認為多目標的優(yōu)先級一致，對于多目標優(yōu)先級的任務(wù)來說也可用基于目標優(yōu)先級的貪婪算法進行任務(wù)編排，本文不再贅述。

3 界面設(shè)計

為了滿足功能要求和操作便捷，良好的界面設(shè)計、交互設(shè)計能提升軟件使用效率和使用效果[14-15]。本文為實現(xiàn)測量船對空間目標規(guī)劃功能，設(shè)計了一種界面展示方式，如圖8～11所示。

圖8 規(guī)劃主界面

圖8為航天測量船對空間目標觀測規(guī)劃主界面，界面布局左側(cè)主要為輸入元素，右側(cè)為輸出內(nèi)容。在界面中添加規(guī)劃的空間目標，設(shè)置任務(wù)觀測時段，添加觀測裝備，考慮船上裝備之間的遮蔽分析和電磁頻譜規(guī)則，進行規(guī)劃生成操作，最終依次給出測量工況規(guī)劃結(jié)果、目標觀測效果、裝備值班時序和裝備對目標的可探測計劃。圖9為測量工況規(guī)劃出的船位結(jié)果的二、三維地圖顯示。圖10為電磁頻譜規(guī)則應用界面，界面中提供基礎(chǔ)規(guī)則查詢、添加至方案，規(guī)則中優(yōu)選裝備等功能，同時提供基礎(chǔ)規(guī)則新增和刪除的規(guī)則管理功能。圖11為各個裝備對多空間目標的任務(wù)編排結(jié)果，上表下圖，編排結(jié)果包含裝備名稱、目標、伺服指向、觀測的起止時間和起止位置。

圖9 測量工況規(guī)劃船位地圖二三維顯示

圖10 電磁頻譜規(guī)則應用界面

圖11 任務(wù)計劃編排結(jié)果展示界面

4 結(jié) 論

本文對航天測量船空間目標觀測規(guī)劃的總體業(yè)務(wù)流程、規(guī)劃方法進行了分析與設(shè)計，對其所涉及到的典型關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，并給出了關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)流程與方法，對航天測量船多空間目標觀測規(guī)劃技術(shù)具有重要的參考意義。本文所設(shè)計的規(guī)劃方法已在工程中得到了實際應用，運行狀態(tài)良好。