田帥虎 楊芳 李超 陳雄姿 黃敏 郭琪

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司,北京 100094)

傳統(tǒng)的衛(wèi)星運(yùn)行管理以遙控遙測(cè)為主要手段,嚴(yán)重依賴(lài)地面測(cè)控站,有限的測(cè)控弧段對(duì)我國(guó)的航天任務(wù)造成了極大的約束與限制。對(duì)于用戶而言,在傳統(tǒng)的任務(wù)模式中,從需求搜集到數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)產(chǎn)品的獲取需要很長(zhǎng)的時(shí)間,因此難以適應(yīng)對(duì)時(shí)間要求高的緊急任務(wù)。用戶好用易用和應(yīng)急響應(yīng)能力的需求,提出了由衛(wèi)星自主規(guī)劃并執(zhí)行姿態(tài)動(dòng)作、成像動(dòng)作的要求。對(duì)于衛(wèi)星運(yùn)行管理部門(mén)而言,迅猛增長(zhǎng)且日益復(fù)雜的航天任務(wù)使測(cè)控任務(wù)量和衛(wèi)星運(yùn)行管理成本迅速增加,衛(wèi)星的運(yùn)行管理日益困難。星上自主任務(wù)規(guī)劃具有充分發(fā)揮衛(wèi)星在軌使用效能、提高衛(wèi)星緊急任務(wù)響應(yīng)能力、大幅減少對(duì)地面測(cè)控的依賴(lài)和支持多星自主協(xié)同配合執(zhí)行對(duì)地觀測(cè)任務(wù)等諸多優(yōu)勢(shì),成為智能化衛(wèi)星和星座的一項(xiàng)標(biāo)配技術(shù)[1]。

近些年來(lái),國(guó)內(nèi)外相繼開(kāi)展了衛(wèi)星自主任務(wù)規(guī)劃技術(shù)研究,隨著規(guī)劃模型和算法的日趨成熟,自主任務(wù)規(guī)劃技術(shù)在工程實(shí)踐與應(yīng)用上的案例也越來(lái)越多。國(guó)外方面,2001年,ESA發(fā)射了專(zhuān)門(mén)用于驗(yàn)證星上自主技術(shù)優(yōu)越性與可行性的星上自主計(jì)劃-1(PROBA-1)衛(wèi)星[2],它可以接收觀測(cè)目標(biāo)的經(jīng)緯度坐標(biāo)執(zhí)行短期規(guī)劃,自動(dòng)計(jì)算觀測(cè)時(shí)間并生成指令序列。2004年,美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)開(kāi)發(fā)的自主任務(wù)規(guī)劃軟件系統(tǒng)在地球觀測(cè)-1(EO-1)衛(wèi)星上取得巨大成功[3],規(guī)劃效能相比深空-1(DS-1)提高了20多倍。2008年,法國(guó)航天局研發(fā)的星上自主系統(tǒng)AGATA在敏捷對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星昴宿星(Pleiades)上進(jìn)行了試驗(yàn)[4]。該系統(tǒng)涉及的規(guī)劃約束條件包括時(shí)間窗口、衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力、星上能源和存儲(chǔ)空間、任務(wù)優(yōu)先級(jí)、觀測(cè)任務(wù)的觀測(cè)角度等。2015年,德國(guó)空間中心開(kāi)發(fā)的航天器自主任務(wù)規(guī)劃在軌驗(yàn)證(VAMOS)系統(tǒng)在雙光譜紅外光學(xué)系統(tǒng)(BIROS,即火鳥(niǎo)-2)衛(wèi)星上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證[5-6],它能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)與管理星上存儲(chǔ)資源狀態(tài),處理地面上注的高優(yōu)先級(jí)任務(wù),還可快速規(guī)劃由圖像處理過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的新需求,實(shí)現(xiàn)自主發(fā)現(xiàn)、自主監(jiān)視目標(biāo)等功能。國(guó)內(nèi)方面,為了提升衛(wèi)星的好用易用性,航天東方紅衛(wèi)星有限公司研制的星上指令自主解譯系統(tǒng)[7]在2015年發(fā)射的高分九號(hào)衛(wèi)星上完成驗(yàn)證并應(yīng)用,衛(wèi)星在接收到地面上注的元任務(wù)指令塊后,基于星上裝訂的指令模板可以動(dòng)態(tài)生成分系統(tǒng)指令序列。北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部研制的高分三號(hào)衛(wèi)星同樣采用了9種自主任務(wù)規(guī)劃指令模板[8],并于2016年開(kāi)展了在軌驗(yàn)證;上海航天技術(shù)研究院2015年發(fā)射的浦江一號(hào)衛(wèi)星,采用基于單星電磁信號(hào)監(jiān)測(cè)載荷與光學(xué)成像載荷綜合應(yīng)用的自主任務(wù)規(guī)劃[9],解決了電磁信號(hào)檢測(cè)與光學(xué)成像高效協(xié)同的問(wèn)題。上述案例中實(shí)現(xiàn)的自主任務(wù)規(guī)劃各具特點(diǎn),差異性較為明顯,主要是由衛(wèi)星任務(wù)本身的多樣性決定的。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究起步較晚,高分九號(hào)衛(wèi)星和高分三號(hào)衛(wèi)星尚屬于“地面規(guī)劃+星上解譯”的半自主規(guī)劃,浦江一號(hào)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了成像任務(wù)的完全自主規(guī)劃,但它非敏捷衛(wèi)星,也沒(méi)有考慮數(shù)傳任務(wù)規(guī)劃,任務(wù)調(diào)度求解相對(duì)簡(jiǎn)單。

相比于上述衛(wèi)星,北京三號(hào)A衛(wèi)星[10]是國(guó)內(nèi)第1顆具有完全星上自主任務(wù)規(guī)劃能力的敏捷光學(xué)遙感衛(wèi)星,于2021年6月11日成功發(fā)射。它采用三超(超敏捷、超穩(wěn)定、超精度)平臺(tái),因此具有超敏捷、超穩(wěn)定和超精度成像特征,實(shí)現(xiàn)了單斜條帶、多斜條帶拼接、斜條帶拼幅等多種主動(dòng)推掃成像模式,是國(guó)際上第1顆具備沿任意航跡成像能力的遙感衛(wèi)星。衛(wèi)星的自主任務(wù)規(guī)劃支持成像任務(wù)和數(shù)傳任務(wù)的一體化規(guī)劃。用戶僅需要上注期望拍攝任務(wù)的地理位置和可用數(shù)傳窗口,星上即可在短短數(shù)分鐘內(nèi)完成全天的任務(wù)規(guī)劃。北京三號(hào)B衛(wèi)星于2022年8月24日成功發(fā)射,是三超平臺(tái)第2顆衛(wèi)星,相比于北京三號(hào)A衛(wèi)星,其軌道提升100多千米,配備了更高分辨率的天舒相機(jī)。本文以北京三號(hào)A/B衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃功能為例,介紹星地一體協(xié)同任務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。

1 任務(wù)需求分析

北京三號(hào)A/B衛(wèi)星具有很強(qiáng)的姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力,可以通過(guò)姿態(tài)機(jī)動(dòng)實(shí)現(xiàn)多種成像模式,也可以大幅提高衛(wèi)星的觀測(cè)效能,一軌內(nèi)能夠完成的觀測(cè)任務(wù)數(shù)量顯著增加。衛(wèi)星的姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力很強(qiáng),對(duì)同一目標(biāo)的觀測(cè)窗口、觀測(cè)姿態(tài)等就有很多種可能,無(wú)法與傳統(tǒng)衛(wèi)星一樣,通過(guò)窮舉指令模板的方式實(shí)現(xiàn)任務(wù)編排。這也使得敏捷遙感衛(wèi)星的任務(wù)規(guī)劃相對(duì)傳統(tǒng)衛(wèi)星要復(fù)雜很多。

星上自主任務(wù)規(guī)劃技術(shù)是星地一體協(xié)同任務(wù)規(guī)劃的前提,其根本目標(biāo)為:在星上綜合電子系統(tǒng)支持下,通過(guò)智能技術(shù),根據(jù)用戶業(yè)務(wù)需求或在軌事件,在符合衛(wèi)星的資源狀態(tài)和使用約束的條件下,自主實(shí)現(xiàn)任務(wù)編排及指令序列生成。北京三號(hào)A/B衛(wèi)星星上自主任務(wù)規(guī)劃正常運(yùn)行,必須依靠地面管控、星上自主任務(wù)規(guī)劃模塊和衛(wèi)星各分系統(tǒng)多方的密切協(xié)同與配合才能實(shí)現(xiàn)。

地面管控負(fù)責(zé)定期上注未來(lái)固定時(shí)段內(nèi)的待規(guī)劃觀測(cè)任務(wù)序列。對(duì)于普通的單個(gè)任務(wù),一般包含任務(wù)編號(hào)、任務(wù)優(yōu)先級(jí)、任務(wù)類(lèi)型、目標(biāo)類(lèi)型、目標(biāo)經(jīng)緯度等;對(duì)于特殊成像任務(wù),例如同軌立體成像,還包括成像次數(shù)、拍攝角度等,動(dòng)中成像還包括成像起始點(diǎn)窗口、成像時(shí)長(zhǎng)等。為了減輕地面操控人員編排觀測(cè)任務(wù)的負(fù)擔(dān),同時(shí)達(dá)到滿意的在軌應(yīng)用效能,在地面應(yīng)用系統(tǒng)中必須配置一套高效、可靠的任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)。

星上自主任務(wù)規(guī)劃模塊根據(jù)地面上注的待規(guī)劃任務(wù)信息,結(jié)合衛(wèi)星的資源狀態(tài)和使用約束條件(軌道、姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力等),基于一定的準(zhǔn)則進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,輸出未來(lái)固定時(shí)長(zhǎng)內(nèi)綜合收益最大的觀測(cè)任務(wù)序列,并基于衛(wèi)星在軌使用說(shuō)明和指令模板生成可執(zhí)行的衛(wèi)星指令序列。衛(wèi)星具有星上自主任務(wù)規(guī)劃的能力,同時(shí)支持接收、存儲(chǔ)和執(zhí)行地面任務(wù)規(guī)劃生成的元任務(wù)塊序列,用戶可根據(jù)需要選擇和切換任務(wù)規(guī)劃的模式。星上自主任務(wù)規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

2 星地一體協(xié)同任務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)

北京三號(hào)A/B衛(wèi)星支持地面規(guī)劃與星上自主任務(wù)規(guī)劃2種工作方式,這2種方式相對(duì)獨(dú)立,整個(gè)星地一體協(xié)同任務(wù)規(guī)劃的運(yùn)行機(jī)制見(jiàn)圖1。

2.1 星上全自主任務(wù)規(guī)劃

基于星上自主任務(wù)規(guī)劃,用戶操控衛(wèi)星時(shí)不再涉及任何衛(wèi)星指令層的操作,只需要專(zhuān)注于在地圖上挑選期望觀測(cè)的目標(biāo)。衛(wèi)星在軌操控期間的信息流如圖2所示。

在一次任務(wù)規(guī)劃周期內(nèi),地面測(cè)控站將待觀測(cè)目標(biāo)的位置信息和可用數(shù)傳窗口等原始任務(wù)信息上注到星上自主任務(wù)規(guī)劃模塊,自主任務(wù)規(guī)劃軟件可根據(jù)上注信息一次性完成所有觀測(cè)任務(wù)和數(shù)傳任務(wù)的優(yōu)化編排。自主任務(wù)規(guī)劃模塊將生成的元任務(wù)指令塊序列發(fā)送給星務(wù)中心計(jì)算機(jī),星務(wù)中心計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件根據(jù)元任務(wù)指令塊中指定的發(fā)送時(shí)間和標(biāo)志將元任務(wù)指令塊拆分為分系統(tǒng)程控塊并分發(fā)給控制、相機(jī)和數(shù)傳分系統(tǒng)執(zhí)行。整個(gè)過(guò)程中星務(wù)分系統(tǒng)通過(guò)遙測(cè)不斷向地面滾動(dòng)播報(bào)星上安排的觀測(cè)計(jì)劃和數(shù)傳計(jì)劃。

當(dāng)?shù)孛嫘枰才啪o急任務(wù)時(shí),先通知星務(wù)中心計(jì)算機(jī)刪除與重規(guī)劃時(shí)間區(qū)間交疊的舊任務(wù)指令塊,隨后上注緊急原始任務(wù)信息,由星上自主完成任務(wù)的重規(guī)劃,再輸出重規(guī)劃生成的新元任務(wù)指令塊至星務(wù)中心計(jì)算機(jī)。

2.2 地面任務(wù)規(guī)劃

用戶利用地面應(yīng)用系統(tǒng)完成任務(wù)籌劃,確定未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)擬觀測(cè)的任務(wù)及其觀測(cè)模式等屬性,并按約定的格式輸出任務(wù)描述文件、規(guī)劃窗口與數(shù)傳窗口文件,如圖3所示。

圖3 元任務(wù)生成過(guò)程

地面任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)加載上述所有文件,執(zhí)行任務(wù)規(guī)劃運(yùn)算并生成各個(gè)分系統(tǒng)未來(lái)時(shí)刻的元任務(wù)塊序列,同時(shí)輸出基于規(guī)劃結(jié)果解算得到的地面觀測(cè)覆蓋區(qū)域信息文件。用戶讀取規(guī)劃輸出的地面觀測(cè)覆蓋區(qū)域信息文件,判斷觀測(cè)結(jié)果是否滿足需求。在測(cè)控弧段內(nèi)將地面規(guī)劃得到的所有元任務(wù)塊上注到星上,由星務(wù)中心計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)接收和存儲(chǔ)元任務(wù)塊序列;同時(shí),用戶或運(yùn)管中心根據(jù)地面任務(wù)規(guī)劃結(jié)果通知相應(yīng)地面站按時(shí)接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)。全部元任務(wù)塊上注完后,星務(wù)中心計(jì)算機(jī)開(kāi)始通過(guò)匹配當(dāng)前星時(shí)與元任務(wù)塊的發(fā)送時(shí)間將其分發(fā)給控制、相機(jī)和數(shù)傳3個(gè)分系統(tǒng),執(zhí)行觀測(cè)和數(shù)傳任務(wù)。

若有緊急任務(wù),由地面應(yīng)用系統(tǒng)生成緊急任務(wù)描述文件,地面任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)在完成已有任務(wù)規(guī)劃的基礎(chǔ)上,加載緊急任務(wù)文件進(jìn)行重規(guī)劃,生成緊急元任務(wù)塊序列;若緊急任務(wù)與已有任務(wù)存在沖突,還會(huì)同時(shí)輸出任務(wù)刪除數(shù)據(jù)塊;然后在測(cè)控弧段內(nèi)上注給衛(wèi)星,星務(wù)中心計(jì)算機(jī)根據(jù)給定的任務(wù)刪除時(shí)間對(duì)星上已有元任務(wù)塊序列進(jìn)行刪除,并按發(fā)送時(shí)間將緊急元任務(wù)塊插入到元任務(wù)隊(duì)列;若更新后的規(guī)劃結(jié)果中地面站接收數(shù)據(jù)弧段有更改,則由用戶或運(yùn)管中心通知地面站相應(yīng)作出調(diào)整。

2.3 星地一體協(xié)同任務(wù)規(guī)劃

星地一體協(xié)同任務(wù)規(guī)劃的關(guān)鍵在于元任務(wù)格式的一致性,星地協(xié)同任務(wù)規(guī)劃過(guò)程見(jiàn)圖4。

圖4 星地協(xié)同任務(wù)規(guī)劃過(guò)程

(1)用戶利用地面應(yīng)用系統(tǒng)完成任務(wù)籌劃,確定未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)擬觀測(cè)的任務(wù)及其觀測(cè)模式等屬性,并按約定的格式輸出任務(wù)描述文件、規(guī)劃窗口與數(shù)傳窗口文件。

(2)地面任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)加載上述所有文件,生成觀測(cè)任務(wù)塊、規(guī)劃窗口塊和數(shù)傳窗口塊,并執(zhí)行任務(wù)規(guī)劃運(yùn)算,同時(shí)輸出基于規(guī)劃結(jié)果解算得到的地面觀測(cè)覆蓋區(qū)域信息文件。

(3)用戶讀取規(guī)劃輸出的地面觀測(cè)覆蓋區(qū)域信息文件,判斷觀測(cè)結(jié)果是否滿足需求。若滿足,則執(zhí)行(4);否則,回到(1),更新任務(wù)執(zhí)行下次迭代。

(4)在測(cè)控弧段內(nèi)給星上自主任務(wù)規(guī)劃模塊加電,并將生成的原始任務(wù)數(shù)據(jù)塊上注給衛(wèi)星,由自主任務(wù)規(guī)劃模塊接收、存儲(chǔ)這些原始任務(wù)信息。

(5)原始任務(wù)數(shù)據(jù)塊上注完畢后,星上自主任務(wù)規(guī)劃模塊執(zhí)行規(guī)劃運(yùn)算,生成元任務(wù)塊序列,并轉(zhuǎn)發(fā)給星務(wù)分系統(tǒng)。通過(guò)遙測(cè)獲取各編排目標(biāo)的觀測(cè)時(shí)間和地面站數(shù)傳時(shí)間,再由用戶或運(yùn)管中心通知相應(yīng)地面站在指定弧段內(nèi)接收下傳數(shù)據(jù)。

(6)規(guī)劃完成后,自主任務(wù)規(guī)劃模塊將全部元任務(wù)塊序列發(fā)送給星務(wù)中心計(jì)算機(jī);隨后,星務(wù)中心計(jì)算機(jī)通過(guò)匹配當(dāng)前星時(shí)與元任務(wù)塊的發(fā)送時(shí)間,輸出各分系統(tǒng)執(zhí)行。

若有緊急任務(wù),首先,由地面應(yīng)用系統(tǒng)生成緊急任務(wù)描述文件。然后,在地面篩選方式下,地面任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)加載緊急任務(wù)文件進(jìn)行重規(guī)劃,生成緊急觀測(cè)任務(wù)數(shù)據(jù)塊,并更新地面觀測(cè)區(qū)域信息。接著,將緊急觀測(cè)任務(wù)數(shù)據(jù)塊上注給衛(wèi)星,同時(shí)發(fā)送重規(guī)劃指令;自主任務(wù)規(guī)劃模塊進(jìn)行重規(guī)劃,并調(diào)整規(guī)劃結(jié)果。最后,用戶或運(yùn)管中心通過(guò)遙測(cè)獲取更新后的規(guī)劃結(jié)果,若地面站接收數(shù)據(jù)弧段有更改,則通知地面站作出相應(yīng)調(diào)整。

3 規(guī)劃設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

針對(duì)自主任務(wù)規(guī)劃功能涉及復(fù)雜的軌道、成像姿態(tài)、觀測(cè)窗口迭代搜索等大量復(fù)雜計(jì)算的特點(diǎn),星上利用專(zhuān)用協(xié)處理器實(shí)現(xiàn)規(guī)劃運(yùn)算、指令編排。

3.1 硬件狀態(tài)

協(xié)處理器通過(guò)內(nèi)部總線與星務(wù)中心計(jì)算機(jī)模塊連接,配合星務(wù)中心計(jì)算機(jī)完成星上自主任務(wù)規(guī)劃功能。圖5給出了協(xié)處理器的原理設(shè)計(jì)框圖,它主要由數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列(FPGA)、晶振、上電復(fù)位電路、“看門(mén)狗”電路、串行RS422接口等電路組成。

圖5 協(xié)處理器原理框圖

運(yùn)行自主任務(wù)規(guī)劃軟件的國(guó)產(chǎn)DSP處理器具有960MFLOPS強(qiáng)浮點(diǎn)運(yùn)算能力和抗輻照能力,設(shè)置的工作頻率為120MHz?？删幊讨蛔x存取器(PROM)中運(yùn)行協(xié)處理器系統(tǒng)軟件,負(fù)責(zé)引導(dǎo)和重構(gòu)任務(wù)規(guī)劃軟件。協(xié)處理器與星務(wù)中心計(jì)算機(jī)通過(guò)RS422異步串口連接,串口數(shù)據(jù)的收發(fā)由FPGA實(shí)現(xiàn),FPGA同時(shí)負(fù)責(zé)外部靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)的錯(cuò)誤檢測(cè)與糾正(EDAC)。

3.2 主要接口設(shè)計(jì)

協(xié)處理器任務(wù)規(guī)劃軟件與星務(wù)中心計(jì)算機(jī)軟件之間的數(shù)據(jù)交互關(guān)系如圖6所示,主要包括2種類(lèi)型。第1種是星務(wù)中心計(jì)算機(jī)發(fā)送給協(xié)處理器的間接指令、地面上注數(shù)據(jù)塊或衛(wèi)星實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)塊,協(xié)處理器返回給星務(wù)中心計(jì)算機(jī)接收應(yīng)答;第2種是星務(wù)中心計(jì)算機(jī)發(fā)送遙測(cè)數(shù)據(jù)輪詢(xún)、元任務(wù)數(shù)據(jù)塊輪詢(xún)或元任務(wù)刪除數(shù)據(jù)塊輪詢(xún),協(xié)處理器返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊給星務(wù)中心計(jì)算機(jī)。

圖6 軟件接口

根據(jù)自主任務(wù)規(guī)劃的功能需求,設(shè)計(jì)6種地面上注的原始任務(wù)信息數(shù)據(jù)塊,分別是規(guī)劃窗口數(shù)據(jù)塊、觀測(cè)任務(wù)數(shù)據(jù)塊、數(shù)傳窗口數(shù)據(jù)塊、按時(shí)間回放數(shù)據(jù)塊、文件重傳數(shù)據(jù)塊和文件擦除數(shù)據(jù)塊。其中,觀測(cè)任務(wù)數(shù)據(jù)塊按目標(biāo)類(lèi)型和屬性差異又分為點(diǎn)目標(biāo)、線目標(biāo)、區(qū)域目標(biāo)和智能處理目標(biāo)4種數(shù)據(jù)塊。數(shù)傳窗口數(shù)據(jù)塊也可細(xì)分為窗口注入和窗口刪除2種,后者僅用于緊急重規(guī)劃時(shí)刪除原有普通規(guī)劃上注的數(shù)傳窗口。

表2給出了協(xié)處理器與星務(wù)中心計(jì)算機(jī)之間所有的數(shù)據(jù)傳輸類(lèi)型和每個(gè)項(xiàng)目分配的塊標(biāo)志,還規(guī)定了各種數(shù)據(jù)類(lèi)型的通信頻次及在1個(gè)星務(wù)處理周期內(nèi)的通信次序。

表2 數(shù)據(jù)的標(biāo)志與通信頻次

北京三號(hào)A/B衛(wèi)星采用高精度時(shí)間系統(tǒng)設(shè)計(jì),分系統(tǒng)時(shí)間同步精度優(yōu)于0.1ms。衛(wèi)星采用分系統(tǒng)下位機(jī)程控的指令模板,星務(wù)、控制、相機(jī)和數(shù)傳4個(gè)分系統(tǒng)都各自管理和維護(hù)著分系統(tǒng)層級(jí)的指令模板,星務(wù)中心計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)分發(fā)元任務(wù)指令塊中包含的各個(gè)分系統(tǒng)的程控?cái)?shù)據(jù)塊。為了盡可能地減少元任務(wù)塊的個(gè)數(shù)并將屬于同一個(gè)任務(wù)的分系統(tǒng)動(dòng)作同步發(fā)出,將4個(gè)分系統(tǒng)的程控塊集中編排到了1個(gè)元任務(wù)指令塊中。執(zhí)行元任務(wù)指令塊時(shí),星務(wù)中心計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件先根據(jù)分系統(tǒng)程控塊標(biāo)志拆解出有效的分系統(tǒng)程控塊,然后將它們?cè)谥付ǖ脑蝿?wù)塊發(fā)送時(shí)間一起分發(fā)給所屬分系統(tǒng),各分系統(tǒng)再解析程控塊中的動(dòng)作類(lèi)型、動(dòng)作執(zhí)行時(shí)間和動(dòng)作參數(shù)等信息,使用分系統(tǒng)下位機(jī)程控指令模板生成分系統(tǒng)的指令序列并執(zhí)行。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于:各分系統(tǒng)動(dòng)作可以獨(dú)立并行執(zhí)行,分系統(tǒng)間的協(xié)同與配合全部由動(dòng)作執(zhí)行時(shí)間來(lái)保證,可以有效縮短任務(wù)執(zhí)行完成所需的時(shí)間,降低各分系統(tǒng)間非必要的指令耦合和星務(wù)指令管理的壓力。

3.3 元任務(wù)數(shù)據(jù)管理

自主任務(wù)規(guī)劃軟件與星務(wù)中心計(jì)算機(jī)軟件之間采用主從式的通信方式交互任務(wù)信息。為了保證元任務(wù)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性,星務(wù)分系統(tǒng)設(shè)置合理的緩存區(qū),避免數(shù)據(jù)丟失,通過(guò)幀序號(hào)判斷幀的連續(xù)性,通過(guò)累加和判斷幀的正確性。在元任務(wù)數(shù)據(jù)交互過(guò)程中,設(shè)置星務(wù)接收元任務(wù)數(shù)據(jù)塊編號(hào)和數(shù)據(jù)塊位置標(biāo)志保證元任務(wù)數(shù)據(jù)的完整性。1次完整的元任務(wù)交互流程見(jiàn)圖7。

圖7 元任務(wù)交互流程

星務(wù)中心計(jì)算機(jī)接收1次完整的任務(wù)數(shù)據(jù)后,在不影響分系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提下,利用空余機(jī)時(shí)將任務(wù)保存至第三方模塊,保證切機(jī)或復(fù)位后能夠獲取完整的任務(wù)數(shù)據(jù),保障業(yè)務(wù)連續(xù)性。星務(wù)中心計(jì)算機(jī)支持按任務(wù)號(hào)和執(zhí)行時(shí)間刪除任務(wù)數(shù)據(jù),并插入緊急任務(wù),滿足用戶緊急任務(wù)編排的需求,充分體現(xiàn)了衛(wèi)星好用、易用、可靠的特點(diǎn)。

4 在軌應(yīng)用情況

截至2023年5月19日,北京三號(hào)A/B衛(wèi)星分別在軌穩(wěn)定運(yùn)行23個(gè)月和9個(gè)月,累計(jì)執(zhí)行任務(wù)量見(jiàn)表3。

表3 北京三號(hào)A/B衛(wèi)星在軌任務(wù)量統(tǒng)計(jì)

星地一體協(xié)同任務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)大幅提升了衛(wèi)星的好用易用性和智能化水平,被動(dòng)成像和動(dòng)中成像拍攝的圖像景物層次豐富、紋理清晰、色彩分明,條帶搭接控制合理,目標(biāo)區(qū)域覆蓋準(zhǔn)確。在軌期間,衛(wèi)星穩(wěn)定優(yōu)異的表現(xiàn)證明了任務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)的合理性和有效性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以北京三號(hào)A/B衛(wèi)星自主任務(wù)規(guī)劃功能為例,介紹了星地一體協(xié)同任務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)。自主任務(wù)規(guī)劃能夠發(fā)揮衛(wèi)星在軌使用效能,提高衛(wèi)星緊急任務(wù)響應(yīng)能力,為用戶提供多種使用方式。在任務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中,重點(diǎn)突出了任務(wù)規(guī)劃計(jì)算和任務(wù)交互的接口可靠性設(shè)計(jì),確保了元任務(wù)數(shù)據(jù)的正確性和完整性,可為其他衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃功能設(shè)計(jì)提供技術(shù)基線和產(chǎn)品基線。