高分三号卫星自主任务规划设计与在轨验证

张驰 刘杰 王振兴 赵元清

(北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

高分三号卫星自主任务规划设计与在轨验证

张驰 刘杰 王振兴 赵元清

(北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

对高分三号(GF-3)卫星的工作模式以及地面操作指令形式进行介绍,在此基础上设计了自主任务规划,提出单次记录、单天线单站边记边放、单天线双站边记边放等9种自主任务规划编排指令模板。自主任务规划设计在GF-3卫星常规执行任务中的应用结果表明:设计合理、操作便捷,能有效地提高GF-3卫星的好用易用性,可为后续SAR卫星设计提供参考。

高分三号卫星;自主任务规划;指令模板

1 引言

随着航天技术的不断进步,卫星从传统单一工作模式向多任务多模式的复杂型应用转变。国外相继开展了卫星自主任务管理技术研究。美国国家航空航天局(NASA)在地球观测-1(EO-1)卫星的基础上,先后开发了“自主调度与规划”(ASPEN)[1]及“调度和执行程序框架”(CASPER)[2]两大卫星任务规划系统。ASPEN能够针对任务层次观测目标,自动生成EO-1卫星指令层的每日工作计划。CASPER则采用一种实时重规划机制,使系统能够基于固定的时间步长或事件步长采集系统的实时状态和新的目标,并在此实时信息的基础上进行必要的重规划。欧洲航天局(ESA)支持的星上自主计划(PROBA)[3],研究并验证了一些星载自主规划技术。法国航天局(CNES)在其昂宿星(Pleiades)卫星上也开展了卫星自主任务规划系统的试验[4]。

国内也开展了很多遥感卫星任务规划技术研究。文献[5]针对地面多星任务规划问题,提出规划模型和算法,开发了一整套地面任务规划系统,已运用到成像卫星的日常管控中,但并不适用于微波类SAR卫星。文献[6-7]针对星务系统进行优化设计,提出面向任务的小卫星自主指令设计,并未阐述对于大卫星自主任务管理。文献[8-9]对光学卫星自主任务规划进行研究,有效降低了卫星管控的复杂性,并提高了卫星上注的效率。文献[8-10]提出的自主任务规划,主要针对传统光学卫星,并没有考虑到微波类SAR卫星任务的自主管理。

高分三号(GF-3)卫星是一颗具备1 m分辨率的C频段多极化SAR成像卫星,能够全天时和全天候实现对全球海洋和陆地的监视监测,并通过左右姿态机动扩大对地观测范围和提升快速响应能力。卫星的数据率从兆级至吉级范围变化;数传系统除常规模式外,还具备快记慢放、慢记快放等模式;数传天线跟踪具备单天线单站、单天线双站、双天线双站等组合。结合上述卫星特点,本文提出了自主任务规划设计,并将其分解成9种自主任务规划编排指令模板。地面用户只要针对不同的任务形式,选择适用的模板,输入必要的参数,就可以完成一次SAR成像及数传任务,可大幅提高载荷应用时用户对卫星指令操作的简便性和可靠性。

2 卫星工作模式及地面操作指令形式

依据用户需求和卫星特性,GF-3卫星采用12种SAR载荷工作模式,以及配合成像任务的4种数传工作模式。在对比单指令、数据块和自主任务规划编排指令的基础上,GF-3卫星地面系统选用自主任务指令对卫星进行操作。

2．1 SAR载荷工作模式

GF-3卫星共有12种成像模式,每种成像模式的分辨率、原始数据量和极化方式要求,如表1所示。

表1 SAR载荷成像性能Table 1 Performances of SAR payload imaging

2．2 数传工作模式

(1)成像对地实时传输模式。在地面接收站可视范围内,卫星处于正常右侧视飞行姿态(或者左侧视飞行姿态),SAR分系统对地成像,数传分系统将接收到的SAR成像回波数据、辅助数据发送至地面接收站。

(2)成像记录模式。卫星处于正常右侧视飞行姿态(或者左侧视飞行姿态),SAR分系统对地成像,数传分系统将接收到的SAR成像回波数据、辅助数据送至数传分系统固态存储器进行存储。

(3)成像回放模式。在地面接收站可视范围内,卫星处于正常右侧视飞行姿态(或者左侧视、正视飞行姿态),SAR分系统不成像,将存储在数传分系统固态存储器中的SAR成像回波数据、辅助数据,经数传分系统发送至地面接收站。

(4)成像对地边记边放模式。在地面接收站可视范围内,卫星处于正常右侧视飞行姿态(或者左侧视飞行姿态),SAR分系统对地成像,回波数据经数传分系统数据处理器送到固态存储器进行记录;同时,固态存储器将当前记录的数据或者历史记录数据通过对地数传通道,经对地数传天线辐射至地面接收站。该模式还可以细分为以下2种模式。①成像对地准实时传输模式,固态存储器回放数据的起始地址为此次记录的起始地址。②成像对地记录回放模式,固态存储器回放的数据为历史成像回波数据,当前记录的成像回波数据择机回放至地面。

2．3 地面操作指令形式

一般,地面系统通过3种指令形式(对比见表2),实现对卫星的操作控制。

(1)单指令。地面系统通过一条一条的指令发送,对卫星进行操作控制。一条指令执行正确后,再发送下一条指令。

(2)数据块,由多条单指令组成,封装在数管分系统中央单元(CTU)中。

(3)自主任务规划编排指令,由多条单指令和数据块组成。面向用户的高级任务调度指令,只需要简单地规定成像任务的时间、工作模式等信息。

表2 指令形式比较Table 2 Comparison of command types

与单指令和数据块相比,自主任务规划编排指令本身简单,操作简易,执行安全,可简化星地接口,缩减数据上注量,更加便于用户操作。因此,GF-3卫星通过自主任务规划编排指令开展成像任务效率和安全性更高,更适用于长期业务运行。

3 自主任务规划设计

GF-3卫星不同于普通的光学遥感卫星,在轨实际应用较为复杂,要综合考虑测控上行通道弧段选取、卫星姿态设置、SAR成像区域选取、成像模式设置、波位选取、极化方式选取、成像时长规划、下传数据弧段选择、下传模式设置、下传通道切换、下传数据量规划、下传文件号选取等一系列复杂的前期准备工作,这导致用户在完成一次任务应用时要花费巨大的时间成本进行前期任务规划、指令设置编排等操作,对一线操作人员要求较高,而且易出现操作失误,会降低卫星的可靠性。为此,本文从用户应用角度出发,为满足卫星好用易用的指导原则,设计了任务规划及操作指令。

3．1 输入参数接口设计

输入参数接口是用户通过地面操作在自主任务编排指令模板中输入约束信息,从时间、地域、方式规划出一次完整成像传输任务。输入的参数只需要用户填写必要的参数信息,主要包含任务时间信息、姿态信息、成像时间及区域信息、数传弧段信息、数传模式信息、数传天线预置角度信息、固态存储器记录或回放文件信息、地面接收站信息等,见表3。通过输入这些信息,并结合卫星本身的载荷工作特点及工作模式,规划出一次成像及传输任务。

表3 参数接口表Table 3 Interface sheet of parameters

3．2 自主任务规划编排指令设计

用户在应用遥感卫星自主任务规划时常采用“静态时间约束＋指令模板”的运行控制体制。为了便于用户操作,结合GF-3卫星的工作模式,本文根据任务要求、卫星约束等要求,将自主规划任务分解成最常用的9种自主任务指令模板,包括单次记录、单天线单站实传、单天线单站回放、单天线单站边记边放、单天线单站边记边放(回放起始标志)、单天线双站顺序或序号回放、单天线双站边记边放、单天线双站边记边放(回放起始标志)、固态存储器擦除,并将其固化在数管分系统中。地面用户只要选择其中的一种自主任务规划编排指令模板,输入必要的参数,就可以完成一次SAR成像及数传任务。图1为自主任务规划指令执行示意。

通过卫星自主规划,调用多个指令组和少量指令(见表4),能保证SAR载荷成像及数据下传,同时具备一次短期成像任务中包含多次多区域SAR成像,使GF-3卫星的使用更加灵活。表4为成像任务规划内容。

表4 成像任务规划内容Table 4 Planning of imaging task

4 在轨验证

本文设计9套自主任务规划编排指令模板,遍历GF-3卫星整个正样电测阶段及发射场电测阶段,验证了设计的正确性、合理性及便利性,配合完成了SAR分系统测试,保证卫星顺利出场及发射。

GF-3卫星入轨后,在2016年8月15日首次成像,开展了为期约5个月的卫星及地面系统在轨测试工作。截止到2017年1月,卫星在轨总成像时间超过7000 min,9种自主任务规划编排指令模板使用次数超过1689次,圆满完成了SAR成像任务、数据传输任务,成像分辨率达到米级,并获取了高质量重轨干涉SAR试验数据,提取出亚厘米级的地面沉降信息,实现了中国卫星SAR影像干涉测量零的突破。

5 结束语

本文基于GF-3卫星的任务特点,对自主任务规划进行设计,提出了9种自主任务规划编排指令模板,可提高卫星的可靠性、安全性、可用性、易用性。本文的设计能大幅降低卫星对地面人工控制的依赖,减少上注的操作指令,使任务规划更加简单明了,可解决GF-3卫星在轨应用复杂的问题,减少漏指令、错指令的情况出现,并获得了很好的应用效果,可为后续SAR遥感卫星自主任务规划设计提供参考。

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Design and On-orbit Verification of Task Self-arrangement for GF-3 Satellite

ZHANG Chi LIU Jie WANG Zhenxing ZHAO Yuanqing
(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)

The operating modes and ground operation command types of GF-3 satellite are demonstrated,and the task self-arrangement is designed．9 command templates generated are proposed including single antenna tracking single station,single antenna tracking double stations,double antennas tracking double stations,etc．The proposed design has already been applied to the GF-3 satellite daily manipulation,which shows that it simplifies the manipulating procedure and makes GF-3 satellite more user-friendly compared with other similar satellites．The design of task selfarrangement can be used as a reference for the design of the other SAR satellites．

GF-3 satellite;task self-arrangement;command templates generated

V474．2

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.06.005

2017-10-20;

2017-11-10

国家重大科技专项工程

张驰,男,工程师,研究方向为航天器总体设计。Email:zhangchizhc0102＠163．com。

(编辑:夏光)