卫星在轨自主装订技术研究

季毅巍++王学良++王守亮

摘 要 在当今社会，卫星在国防建设和人们的日常生活中已成为不可或缺的一部分。卫星携带多种不同的有效载荷，可以完成多种任务。在传统模式下，地面操作人员通过输入不同的指令才使得卫星完成相应的任务。本文对卫星自主装订模型、相关参数的调用和任务装订进行了研究，提出了一种卫星自主装订的方法，以使得卫星在轨能够自主完成相应的任务。

【关键词】卫星 自主装订 参数调用

在运行过程中，卫星会根据不同的任务进行相应的自主装订。在这个控制过程中，系统应用到很多相关的参数，在使用这些参数时必须对这些参数进行初始化，以保证系统能够正常地按照装订的指令运行。在整个系统运行时，星务计算机有大量的数据需要处理。在本设计中，为了降低星务计算机的工作压力，采用模块化的思想，将卫星初始化的数据按照某一规则存储下来，并制定提取这些数据的相应推理算法。根据卫星任务规划，将这些数据通过虚拟信道传送到卫星的各个模块，完成对卫星的在轨自主装订。在卫星工作的过程中，为了使星务计算机能够有序的处理数据，根据数据的来源将这些数据依次放入不同的虚拟信道里，并采用轮询条用机制执行各个模块的数据，这就使得星务计算机循环的处理来自不同模块数据。

1 卫星自主装订模型

卫星自主装订是希望卫星在初始化时达到的一种智能水平，能够在输入几个指令的情况下，自主的在探测器模型中调用数据并发送给卫星，完成卫星的初始化，使得卫星根据所输入的关键词完成相应的任务。这种卫星自主装订能够减少对地面操作人员的工作量，并快速有效地完成卫星的初始化装订。

参考NASA自主管理体系结构并结合实际情况，采用模块化的思想，在星务系统中加入自主装订模块，如图 1所示。该模块可以根据地面的输入指令完成对卫星的初始化装订。

自主装订模块分为探测器模型、通用推理机和虚拟信道三部分。

探测器模型是卫星初始化所用到的知识库，该模型包括初始化的任务库和与之对应的真实值数据库两部分，所有关于卫星不同功能初始化的数据包都存放在这里。在探测器模型中，我们可以将所要用到的参数按照一定的规则存放到探测器模型中。

通用推理机具有扫描探测器模型和取出符合条件的数据包两大功能。在执行扫描探测器模型的工作时，推理机根据地面指令利用各种算法和推理准则对探测器资源进行搜索，并从探测器模型中调用探测器知识，对卫星各个模块依次进行初始化。

虚拟信道（Virtual Channel）是一种对多数据流的信道动态管理机制，实际上是多信源以动态时分的方式虚拟独占物理信道，从而使多数据流用同一物理信道进行数据传输。采用虚拟信道的好处是各虚拟信道可以独立管理，不同的虚拟信道可具有不同的优先级，以便为不同的类型数据提供不同等级的服务。在本设计中，虚拟信道分成 A、B两类，由于主信道在某一时刻只能为一个虚拟信道服务，就存在虚拟信道的调度问题。合理的虚拟信道应该能够满足不同传输要求的数据对信道的占用需求。

2 装订参数的推理算法

在卫星自主装订的过程中，通用推理机如何将星务计算机传送来的指令根据推理规则调出探测器模型中的参数是非常关键的。操作人员在地面可以根据卫星所要执行的任务对卫星进行相应的初始化。本设计中，主要采用了输入关键词的形式对卫星进行自主装订。以汶川地震搜索任务为例，输入的关键词如表1所示。根据输入的关键词，调用对应的指令集以获取具体的装订参数，指令集如表2所示。对调用的指令集进行参数校验，保证了装订参数的正确性。

在所输入的关键词中，系统将这些关键词自动分为四类：任务前期的准备参数、运行轨道参数、有效载荷参数和运行状态参数。推理机按照这四类参数在探测器模型中调出具体的参数，使得系统完成任务的初始化装订。装订参数的推理算法过程如图2所示。

2.1 任务前期的准备参数

根据任务规划需求，地面操作人员输入卫星任务关键词，通过通用推理机指令使卫星任务参数，实现卫星的任务切换。在卫星任务切换的过程中，所要用到的参数在探测器模型中推测出来并赋予初值，完成卫星的初始装订，而用不到的参数赋予相应的值使得所对应的有效载荷停止工作，并为下次初始化装订做好准备。

2.2 确定卫星将要运行的轨道参数

星务计算机通过通信处理单元接收到传送来的地点和任务指令并经过模拟信道A传送到推理机中，推理机根据所接收到的地点和任务指令在探测器模型中推测出符合条件的运行轨道参数。通用推理机在探测器模型中推测出所要运行轨道参数是卫星自主装订的首要任务，也是信息自主装订的关键。只有将轨道参数推理成功推理机才能接着推测出卫星在该轨道上的星体内的环境参数和卫星有效载荷的控制参数，以达到满足卫星当前任务的载荷配置。

2.3 确定有效载荷的参数

根据卫星所要执行的任务，地面操作人员输入规范的执行任务指令给星载计算机，推理机在探测器模型中推测出卫星有效载荷的控制参数，以达到满足卫星当前任务的载荷配置。

2.4 卫星运行状态参数的确立

在卫星运行的过程中，为了使有效载荷能够正常工作，卫星必须调整好自身的运行状态和姿态以确保有效载荷能执行任务，从而推理机根据卫星所携带的有效载荷推测出卫星运行的状态参数和卫星平台的运行状态控制等。

3 任务装订

在相关参数推测出来以后，系统将这些参数初始化并送到相应的模块。装订过程分为以下四个阶段：

3.1 卫星变轨及姿态控制与调整

根据输入的目标地点，调取数据库中的位置坐标，进一步调取任务库中与卫星移动相关的一系列子任务，来实现卫星移动至目标地点，并进行卫星姿态控制，以满足卫星任务对姿态的需求。

3.2 信息获取

根据任务需求，从任务库中调取该任务分解的子任务，实现信息获取的相关任务。

3.3 信息融合

对获取的信息进行分析，得到所需要的信息内容。不同的任务内容需要不同的信息融合算法。

3.4 辅助决策

系统根据任务信息等相关因素，给出一个或多个解决办法。

这四个阶段的具体流程如图3所示，卫星接收到所发送的指令后，进入卫星变轨姿态控制及调整、获取信息、信息融合和辅助决策这四个阶段任务的执行。在没有地面参与的情况下，获取信息、信息融合和辅助决策这三个阶段任务一直循环执行，而当地面与卫星进行信息交互就会中断循环，进行信息交互。交互结束，循环再次启动，直至完成卫星的任务装订。

4 结论

本次设计是完成对卫星的任务规划自主装订。在对卫星进行初始化前，将卫星的初始化数据和相关的推理规则存放卫星的初始化模块里，以备在卫星初始化装订时使用。确定卫星所要执行的任务以后，星务计算机根据输入的指令可将所需的数据在探测器模型中推理出来，并且通过虚拟信道将所要用到的数据在虚拟信道里输送到卫星的各个模块。其优点：

（1）操作人员可以根据特定的输入任务进行卫星自主装订，装订速度快，效率高。

（2）数据库中集成不同功能卫星初始化所用到的数据，确定完卫星所要执行的任务以后，卫星可以自主调用数据库里的数据，完成系统的任务规划的卫星状态初始化。

（3）通过地面操作人员少量关键词的输入对卫星进行初始化，减少了在卫星信息装订过程中人为误操作，提高了卫星系统初始化的准确性和可靠性。

（4）减少地面操作人员的工作量，并可以有效的降低卫星运行成本。

参考文献

[1]姜毅.深空探测器星务管理系统方案设计与仿真研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学博士论文，2009：25-48.

[2]Pell B，Bernard D E，Chien S A，et al An Autonomous Robots，1998（05）：29-52.

[3]徐瑞，徐晓飞，崔平远.基于时间约束网络的动态规划调度算法[J].计算机集成制造系统，2004，10（01）：188-194.

[4]代树武，孙辉先.卫星的职能规划与调度[J].控制与决策，2003，18（02）：203-206.

[5]徐瑞.基于多智能体的深空探测器自主任务规划方法与系统实现[D].哈尔滨工业大学博士论文，2004：30-34.

作者单位

上海微小卫星工程中心 上海市 201210