应急条件下星地资源综合运用模式研究

杨正磊 张海威 王瑞花 袁丽华

(1 宇航动力学国家重点实验室，西安 710043) (2 西安卫星测控中心，西安 710043)



应急条件下星地资源综合运用模式研究

杨正磊1,2张海威1,2王瑞花1,2袁丽华2

(1 宇航动力学国家重点实验室，西安 710043) (2 西安卫星测控中心，西安 710043)

以应急条件下卫星应用需求为牵引，分析了我国现有星地资源运用过程及其面临的综合运用能力弱、数传资源浪费等不足，提出了一种适合应急条件下星地资源综合运用的新模式，并分析了其中涉及的数传网，卫星资源、测控资源、数传资源数据库，以及综合运用调度模型和算法等关键技术。新模式建立了数传网的概念，在任务规划时综合考虑卫星资源、测控资源及数传资源分配，旨在最大程度地发挥星地资源的综合运用能力。仿真结果表明，提出的新模式能够有效缩短应急条件下的任务需求响应时间。

星地资源；应急条件；综合运用；数传网

1 引言

我国自1970年成功发射第1颗人造卫星以来，已经实施了200余次发射任务，将数百颗人造卫星送入太空。在卫星技术发展初期，卫星数量及其有效载荷能力有限，用户需求和任务相对较少[1]。随着卫星技术的发展，近年来，我国持续发射了一系列遥感、通信、导航等卫星，卫星的商业应用逐渐崛起，种类、数量持续增加，由此对卫星应用也提出了更高的要求[2-3]，特别是在防灾减灾、应急通信及军事作战等应急条件下，当出现多类型卫星协同的应用需求时，如何最大程度地发挥星地资源的综合运用能力，进一步缩短需求响应时间，是我国卫星应用领域急需解决的问题。世界各国对星地资源的使用模式不尽相同，但大致依据其功能进行分类管理，同时通过对综合任务规划问题的研究提高卫星使用效率，缩短任务响应时间，且重点在平时综合任务规划技术方面[4-5]，研究对象也以成像卫星居多。虽然也有应急条件下多星协同调度问题模型及算法的研究[6-7]，但其前提是星地资源间具有良好的协调与调度能力。在我国目前的星地资源运用模式下，以用户划分的各类卫星在系统内协调调度能力良好，但缺乏各类卫星系统间，以及卫星应用涉及的各大系统间的协调与调度能力，制约了应急条件下对任务需求的响应时间。因此，本文从星地资源综合运用的角度，首先分析了现有星地资源的运用过程，在指出现有模式存在不足的基础上，提出适合于应急条件下星地资源综合运用的新模式，并对其中涉及的关键技术进行了分析，可为我国星地资源应用领域提供思路。

2 星地资源运用过程分析

2.1 目前星地资源运用过程

通常，卫星按照其功能分为导航、通信、气象、侦察、勘测及试验卫星等，卫星运用任务的完成通常要经过接收需求、测控及数传计划安排，直至数传接收完成，典型的星地资源运用过程如图1所示。

从图1可以看出，卫星资源在运用过程中涉及卫星、用户、运控系统、地面测控网、中继卫星资源及地面数传等要素，但在实际运用过程中，依据功能由卫星、用户、运控(含运控系统和地面数传资源)和测控网(含中继卫星、地面测控网)4个部分组成。其中：地面数传资源作为运控的组成部分，由运控系统管理；中继卫星能实现中继测控和数传功能，因此可作为运控和测控网的一部分。

典型的星地资源运用须经过提出需求、制定计划、测控、数据接收几个过程，具体描述如下。

(1)各类用户根据需要向运控系统提出任务需求；

(2)运控系统根据用户提出的任务需求，向测控网提出测控申请，形成测控、数据接收等任务列表，制定卫星工作计划和数据接收计划，工作计划发往测控网(若需要中继测控，则发往中继卫星)，数据接收计划发往地面数传资源(若需天基数传，则发往中继卫星)；

(3)测控网根据卫星工作计划进行测控，并将接收到的数据发往运控系统；

(4)运控系统根据数传接收计划接收数据，并将接收到的数据发往用户。

2.2 现有模式分析

根据第2.1节的描述，现有星地资源运用过程有如下特点。

(1)一个卫星应用任务的完成需要卫星、用户、运控及测控网等几大系统间相互协调，统一协作；

(2)运控系统依据卫星功能建立，实现对卫星资源及数传资源的分类管理，用户需求面向运控系统；

(3)测控网包括地面测控网和中继卫星，独立进行管理和任务分配，中继卫星同时具备测控和数传功能，存在任务冲突时网内进行调度分配。

不难看出，现有星地资源运用模式通过运控系统实现分类管理，使各类卫星在其领域内能够较好地发挥效能，满足平时的业务需求。然而，在应急条件下出现时效性要求高的应用需求时，现有星地资源运用模式存在系统响应慢的问题，主要原因如下。

(1)各大系统间缺乏综合运用能力。一方面，卫星资源由各运控系统进行分类管理的模式，使得星地资源间协作能力弱，应急条件下的任务需求不能很好地面向所有可用卫星资源；另一方面，现有模式下数传计划由运控系统制定，如需测控，则要向测控网提出申请，这种系统间对资源进行申请-响应的模式，在一定程度上增加了应急条件下测控的任务响应时间。

(2)数传资源浪费。现有模式下，数传资源主要由各运控系统管理，各类卫星的运控系统相对独立，使得数传资源缺乏共享，特定条件下造成资源浪费，进而影响应急条件下任务需求响应时间。

3 应急条件下星地资源综合运用模式

针对现有星地资源运用模式在应急条件下存在的问题，本文提出了一种星地资源综合运用模式，着重解决现有模式下任务需求响应时间长的问题。新模式的设计思想为：

(1)任务需求面向所有在轨可用卫星，打破现有运控系统的界限；

(2)应急条件下以任务需求为主线，实现对卫星资源、测控资源及数传资源的统一规划与管理；

(3)实现数传资源共享。

3.1 应急条件下星地资源综合应用框架

应急条件下星地资源运用模式架构设计，如图2所示，主要包含以下几个要素。

(1)卫星资源：应涵盖能够在应急条件下提供服务的所有在轨卫星(中继卫星除外)。

(2)测控网：包含地基测控资源和中继卫星。

(3)运控：由现有各类卫星的运控系统及数传网组成。其中，数传网将改变现有模式下数传站的单独管理，实现各运控系统管理的数传站互联(包括中继卫星)。

(4)应急任务需求：面对应急或突发情况产生的卫星应用需求，可能是多卫星资源协同需求。

(5)星地资源运用调度与规划：是应急条件下星地资源综合运用模式的核心，在建立卫星资源、测控资源及数传资源数据库的基础上，通过综合任务调度与规划模型库，以应急任务需求为输入，实现对卫星资源、测控资源及数传资源的统一分配。

3.2 关键技术分析

在现有星地资源运用模式的基础上，实现向应急条件下星地资源综合运用模式的转变，尚面临诸多关键技术需要研究和解决，主要包括以下几个方面。

(1)数传网。现有模式下，数传资源由各运控系统进行管理和分配，这种方式在很大程度上制约了应急条件下数传资源的使用效率，由数传资源向数传网的转变能够起到至关重要的改进作用，如图3所示。

数传网的实现要着重解决两个方面的问题。一方面，打破现有模式下数传资源由运控系统管理与分配的模式，实现资源之间的互联互通，卫星在任务响应过程中，只要卫星与数传网中任意数传资源之间满足可见性和数传体制约束，就可以在第一时间将数据下传至该数传资源；另一方面，数传网内部建立合理的路由机制，在接收到星上数据后，自动识别数据并将其送至相应的运控或用户。

(2)卫星资源、测控资源、数传资源数据库。现有模式中，卫星资源运用要素之间的接口不匹配和信息缺乏互联互通，是制约实现应急条件下对卫星资源、测控资源及数传资源进行统一调度和分配的主要因素，因此，建立卫星资源、测控资源及数传资源数据库十分必要[8]，同时也是对各类资源进行统一规划的前提。卫星资源数据库首先应面向可能的应急任务需求，侧重涵盖有效载荷的功能信息，同时包括轨道、卫星对测控和数传需求的相关信息，以便在进行任务规划时分配相应的测控资源及数传资源。测控资源、数传资源数据库应包括位置、可测控体制或可进行数传接收体制等信息。图4显示了各要素之间的信息接口，包括任务需求-卫星资源，卫星资源-测控资源，卫星资源-数传资源等。可以看出，任务需求面向卫星，只关注哪颗卫星能满足任务需求，而无须考虑测控资源、数传资源；测控资源、数传资源分别面向卫星资源，分别完成相应的测控及数据接收任务。

(3)综合运用调度模型及算法。已有的一些研究涉及卫星任务的调度与规划，但大多以成像卫星为对象[9-10]，也有一些研究考虑了数传资源在内的综合规划问题[11]，却鲜有研究将卫星资源运用过程中涉及的测控、数传等资源进行统一调度与规划，因此，并不适用于本文提出的综合任务调度与规划模型库。综合运用调度模型及算法是实现本文提出的应急条件下星地资源综合运用模式的核心，旨在有多任务需求并发时能解决卫星、测控及数传等资源间的冲突，在卫星、测控及数传资源三者之间建立一种优化无冲突的关联关系[12]，是一个复杂的约束满足优化问题。模型及算法的建立须着重把握两点：一是模型以任务需求为输入，对任务需求、卫星资源、测控资源、数传资源进行合理的形式化描述；二是规划过程中就应急任务需求，对卫星资源、测控资源及数传资源进行分配，同时分别考虑卫星与测控、数传资源三者之间的可见性约束和接口匹配约束。

4 仿真分析

为了进一步说明本文提出的星地资源综合运用模式的可行性和有效性，选择由10颗不同类型的成像卫星(见表1)、9个地面测控资源(见表2)及5个数传资源(见表3)组成星地资源，进行仿真验证。

假设在现有星地资源运用模式下，卫星资源和数传资源分别由3个运控系统进行管理，划分如下：运控1{卫星1、卫星2、卫星3；数传资源1、数传资源2}；运控2{卫星4、卫星5、卫星6、卫星7；数传资源3、数传资源4}；运控3{卫星7、卫星8、卫星9；数传资源5}；测控资源统一规划。仿真起始时刻为2016-07-27T00:00:00，结束时刻为2016-07-28T00:00:00。若某种应急情况下(假设应急需求提出时刻为2016-07-27T00:00:00)须要对坐标为(157.9°W，21.3°N)的地点进行成像，工作过程遵从测控―成像―数据传输的过程约束。卫星资源与地面测控资源、数传资源可见性通过STK软件计算，分别对任务需求由运控1、运控2、运控3及本文提出的面向所有星地资源的综合运用的最短响应时间(任务需求响应时间定义为卫星数传结束时刻与需求提出时刻之差)，进行分析计算，结果如表4和图5所示。

表1 成像卫星信息Table 1 Information of imaging satellites

注：a为轨道半长轴；e为轨道偏心率；i为轨道倾角；Ω为升交点赤经；ω为近地点幅角；M为平近点角。

表2 地面测控资源信息Table 2 Information of ground control station resources

表3 数传资源信息Table 3 Information of data transfer resources

表4 不同模式下星地资源分配及需求响应时间Table 4 Distribution of resources and response time under different modes

从仿真结果可以看出：若应急需求由假设的各运控系统分别进行响应，卫星资源和数传资源在运控系统内部进行分配，在不考虑运控向测控网申请测控资源所需时间的条件下，最短响应时间约为3 h54 min，最长约为17 h40 min，若按照本文提出的综合运用模式进行星地资源统一规划，则响应时间缩短至约3 h47 min。可见，在本文提出的星地资源综合运用模式下，数传网的建立及星地资源的综合调度与规划，在避免数传资源浪费的同时，能够解决现有模式下由于系统间资源协调导致的任务需求响应时间长的问题。

5 结束语

本文从应急条件下星地资源综合运用需求出发，分析了现有星地资源运用过程中存在的问题和不足，提出了一种新的适用于应急条件下星地资源综合运用的模式，并对其中涉及的关键技术进行了分析。在应急条件下星地资源综合运用模式中，以任务需求为牵引，在星地资源综合运用时统一考虑卫星、测控及数传等资源进行任务规划，优化了现有数传资源管理机制，建立了数传网的概念。仿真结果表明：本文提出的星地资源综合运用模式，能够解决数传资源浪费和现有模式下各大系统间综合运用能力弱的问题，通过星地资源综合规划，可有效缩短应急条件下任务需求响应时间，提高星地资源的综合运用效能，为我国未来星地资源运用模式提供参考。

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(编辑：夏光)

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谨此启示。

《航天器工程》编辑部

2017年2月1日

Research on Integrated Handling Mode of Satellite and Station Resources Under Emergency Conditions

YANG Zhenglei1,2ZHANG Haiwei1,2WANG Ruihua1,2YUAN Lihua2

(1 State Key Laboratory of Science and Technology on Aerospace Flight Dynamic,Xi’an 710043,China) (2 Xi’an Satellite Control Center,Xi’an 710043,China)

Derived from requirements of missions under emergency conditions,current satellite and station resources handling process and disadvantages which the ability of integrated handling is weak and data transfer resources is waste are analyzed. A new mode which fits into satellite and station resources handling under emergency conditions is put forward,and its key techniques,such as data transfer net,satellite resources，control resources and database of data transfer resources,integrated handling models and algorithm are also analyzed. The concept of data transfer net is established,and satellites resources,control resources as well as data transfer resources are all considered when mission scheduled,which mostly upgrades ability of satellite and station resources integrated handling. The simulation result shows that proposed new mode can shorten the response time of mission requirement under emergency conditions.

satellite and station resource； emergency condition； integrated handling； data transfer net

2016-10-18；

2017-01-06

国家自然科学青年基金(61401516)

杨正磊，男，博士，工程师，研究方向为航天器测控总体。Email：pather123@163.com。

TP302

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.01.002