高分多模卫星自主任务管理地面验证系统设计

凌琼 董天舒 王阔 张田青 王跃

(1 中国空间技术研究院遥感卫星总体部，北京 100094)(2 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

具备自主任务管理能力的卫星，可以简化星地操作，使得用户对卫星的操作真正面向任务，无需关心卫星内部的信息以及工作原理等[1]；提高卫星使用效率，由星上完成对用户任务的排序以及优化处理，在统一的规则下对卫星的成像、数据回放进行操作控制，优化分系统间协作的流程，提高卫星资源应用效率[2-3]。同时，敏捷卫星可以利用自身的机动性，在短时间内迅速改变星体固连相机对地指向，大大地提高了对地观测的效率和灵活度，使卫星具备不同类型成像任务的完成能力。如中型敏捷遥感卫星公用平台以敏捷成像能力特别是拼幅成像、多角度成像和非沿迹成像为主要能力特征，能够在最大姿态角和姿态机动速度的限制范围内实施灵活的对地观测，从而实现对观测目标的快速响应和多模式成像功能。

高分多模卫星作为中型敏捷遥感卫星公用平台的首发星，采用了元任务作为星地任务接口，用户只需指定相机成像或数传回放的目标与工作时段，卫星综合电子即可按规则自行解析任务并对下一任务圈任务进行筛选与规划。进入下一任务圈之前，综合电子通过总线向控制分系统发送本次任务对姿态机动的要求，并按照任务间隔自主生成本圈任务指令序列。到达自主任务预约时间点后，控制分系统配合进行姿态机动路径规划与到时刻自主机动，载荷分系统按照指令进行开关机操作与在轨成像/回放。综上所述，新一代的敏捷机动自主任务管理的遥感卫星具有高度的任务自主规划与执行能力[4]，但新技术新设计的应用也给地面验证系统带来了新的难题。本文以高分多模卫星为例，对该卫星地面验证系统设计与应用取得的成果进行说明。

1 测试系统设计与实现

相比于传统卫星，具备任务自主能力的敏捷遥感卫星具有任务模式多样化、自主能力强、任务信息流复杂的特点，测试必须针对该类卫星的特点进行设计，对现有地面测试系统进行能力升级才能达到测试验证目的。第一，为了对卫星任务能力进行充分考察和验证，寻找到卫星在轨工作能力包络，指导在轨应用时能在尽量优化满足用户目标需求与卫星系统工作能力之间找到平衡，一套完整的在轨任务仿真系统势在必行。同时为了保证卫星对用户友好，该套系统应考虑面向在轨任务的元任务信息获取必须尽量简化，支持将任务需求转化为可执行的一系列元任务，适应无相关技术背景的用户无门槛使用。第二，卫星高度的任务自主能力说明整星众多智能单元之间数据流复杂且数据交互十分频繁；可以说，对于该类卫星测试，总线数据流分析是验证重点之一[5-6]。如何在地面验证阶段对星上复杂信息流进行完整分析与判读，必须有相应的专业软件进行支持，这是自主任务管理卫星所面临的共同难题。第三，关于姿态自主规划与敏捷机动能力如何验证问题，经过分析，可分解成两个验证目标：验证载荷工作时姿态指向精度是否满足要求，即判读姿态机动轨迹是否准确、满足指向精度要求；验证姿态机动速度、成像过程中姿态稳定度、摄影点(相机光轴矢量在地表投影点)移动速度等技术指标是否符合卫星任务要求；通过上述两项指标的判读，可以综合评估控制姿态机动完成情况，以及对成像任务完成质量的影响。第四，相对传统遥感卫星，新一代的敏捷机动自主任务管理的遥感卫星工作模式、工作过程都非常复杂[7]，应考虑能否通过一种实时直观再现卫星工作过程，不仅支持地面测试及时发现与预期工作过程的差异，便于快速、准确发现设计中的缺陷与错误，同时可以通过直观可视化手段对外展示卫星的强大敏捷机动能力和快速工作模式，为卫星研制方争取更多资源。

只有解决了这4个问题，地面测试验证工作才能落到实处。这不仅决定了卫星功能性能地面验证的充分性，也为用户在轨使用这样一颗任务高度自主的敏捷机动卫星提供了友好操作接口；提升用户好用易用性满意度，这同样是未来遥感卫星业务能力的重要体现。

针对上述4个难题，高分多模卫星研制团队研发了4套软件进行解决，分别为卫星任务仿真系统软件、总线数据流自主解析软件、敏捷机动姿态品质评估软件以及工作模式测试验证与演示系统软件。该4套软件很好地解决了用户面临的如何将任务目标分解到可执行元任务的问题以及该任务执行效果的困惑、复杂总线数据流如何解析验证、敏捷机动姿态品质是否满足成像需求如何验证、整星多系统联合复杂工作流程如何直观展示等难题，下文针对上述各软件进行详细说明。这4套软件的使用场景见图1。

1.1 卫星任务仿真软件

用户通过元任务告知高分多模卫星在轨成像/回放任务信息，综合电子解析任务信息后，按照任务模板自主生成一系列指令/任务发给星上载荷智能单元、姿轨控智能单元，居中协调实现星上各分系统相关设备的开关、工作状态设置、姿态敏捷机动这些复杂动作。高分多模卫星实现了点目标成像、条带推扫、主动成像、多角度成像等整星工作模式，任务自主能力以及姿态敏捷机动成像功能较之以前遥感卫星均有了显著提升。星上任务设计的复杂性与工作模式的多样化，对整星功能性能地面验证工作提出了挑战。比如，怎样进行整星在轨工作任务设计，怎样在地面充分验证卫星的工作能力，怎样解决星地元任务接口问题，让整星变得好用易用。

针对这些问题，设计并研发了一套卫星任务仿真软件，软件信息流如图2所示。该软件支持用户在地图上鼠标点击选取任务目标，软件后台实现对任务目标区域的扫描与计算，自主切分成数个条带并生成对应成像元任务，提供整星接口；同时软件自主计算得到整个任务时段卫星的姿态曲线以及摄影点扫描轨迹，提供整星测试数据比对依据。取某连续5个主动条带工况部分仿真结果如图3(a)～(c)所示，全部仿真数据实际上涵盖成像条带中心点经纬度、机动成像期间卫星姿态、不同相机的积分时间、固存剩余容量与消耗、电源电量存储与消耗状况等，为地面测试验证工作提供了大量可比对数据。

图3 某连续5个主动条带工况部分仿真结果示意Fig.3 Parts of simulation results of a succession task of 5 active imaging stripes

该套软件的研发与成功应用，不仅方便测试使用，并使用户使用接口问题前移至地面研制阶段解决，使卫星交付即可用；通过建立精确的卫星数学模型和姿态机动算法，可计算得到卫星任务执行过程中姿态轨迹、成像轨迹、电能、数据存储空间、相机积分时间等参数的定量分析报告，进行了各类空间任务卫星完成能力评估，同时指导了整星全阶段总装、测试与试验(AIT)模飞工况设计，对卫星工作模式进行了地面充分验证，充分回答了卫星在轨工作好不好用、易不易用的问题。

1.2 总线信息流自主解析软件

高分多模卫星任务信息流复杂，远程终端(RT)包括中心控制单元、数传综合管理单元在内共10个，总线上姿态及定轨数据、轨道圈预报信息、本圈成像及回放子任务、载荷工作指令等各类信息交互频繁，一起协调组合成了自主任务总线信息流(见图4)。尤其在自主任务管理功能空载验证前期以及当发现故障的时候，必须对总线数据流展开详尽的分析，确保信息时序、信息内容完成正确，符合设计要求。

图4 高分多模自主任务信息流示意Fig.4 Information flow of mission automomy system

总线数据量大且更新频率高，数据分析工作必须依靠软件工具进行，否则将极大延误测试进程。从遥感公用平台到卫星正样，高分多模数管分系统团队一直坚持自主研发，在对总线数据分析工具进行改进，并且加入了大量测试中常用的诸如遥控指令/序列制作反演、遥测参数反演分析等基础操作功能，形成了《电子信息系统数据分析工具箱》软件并在后续进行了持续版本更新。其中关于总线数据分析功能，面对测试中心不同类型的总线监视器开放了数据格式转换接口，使得该工具具有很强通用性，适合推广使用。

1.3 姿态品质评估软件

随着卫星敏捷机动能力的大幅增强，为了保障对地载荷工作时星体稳定性以及对地姿态指向精确性，提高载荷探测数据质量，总体对机动姿态品质也提出了苛刻的指标。总而言之，指标可分为两种类型：①为了能在有限时间内完成更多更灵活的对地成像任务，提出了姿态机动敏捷度指标，对卫星姿态机动速度和最大机动角度进行约束；②为了保障成像质量，提出了姿态稳定度指标，对姿态机动执行过程的精确性提出要求。

不同的敏捷机动卫星设计的具体工作模式会有差异[8]；同时，不同工作模式下，提出的姿态约束指标也会有差别。但敏捷机动卫星的姿态机动目的都是相同的，即在更短时间完成更多的姿态机动，在成像时段内达到更高的姿态稳定度，获取更多的高质量的载荷数据。如高分多模卫星支持每轨(6000 秒/轨)最多可成像35次，卫星机动成像能力较之传统对地观测卫星实现了阶跃式升级；同时，由于姿态机动路径是卫星根据任务时刻和目标点，结合当前轨道位置自主规划获得，因此每一次成像不仅要判读姿态机动速度指标、姿态稳定度指标是否符合要求，并且要验证卫星是否正确指向目标点成像，指向精度几何，这同样是姿态敏捷机动功能考察验证的重点。

针对验证需求，提出并实现了一种敏捷卫星的姿态机动品质评估方法[6]，以Matlab软件为计算平台，建立卫星姿轨算法模型，并引入地表高程数据提高算法精度，计算得到卫星相机成像点经纬度，以实现成像过程中姿态指向精度评估；通过计算地表摄影点运动速度、相机积分时间变化等，以实现对成像质量进行评估；通过自动识别各类机动过程并计算提取相关姿态数据，实现对姿态机动速度指标和成像过程姿态稳定度指标进行评估。分析算法计算精度，确认相机成像点经纬度算法精度误差在十米量级，相较于卫星成像时百米级指向误差，算法误差可以忽略。图5、图6为姿态品质软件在多模卫星研制过程中的应用示例，取某主动条带成像工况、某被动拼幅成像工况分别进行分析示意。

图5 主动成像工况完成质量评估结果示意Fig.5 Analysis result of an active imaging process

图6 被动成像工况完成质量评估结果示意Fig.6 Analysis result of a passive imaging process quality

该软件首次在姿态指标判读中引入并实现了相机成像摄影点轨迹计算。传统判读仅判读目标机动角度与实际执行角度是否一致，这样做实际上判读的是控制分系统的执行误差，而无法确认目标规划角是否精确。该软件直接引入相机成像摄影点轨迹与地面任务目标轨迹进行比对，实现了星上姿态规划误差及姿态执行误差同时进行评估；首次实现对姿态曲线的自动化判读。由于控制分系统的特殊性，姿态指标的判读方法和流程因型号而异，判读过程繁琐，因此传统对姿态曲线的判读需要依靠测试人员手动完成，判读效率低下。通过提炼不同型号指标提取逻辑并支持用户自定义修改，姿态品质评估软件能够实现姿态机动时间指标、姿态机动稳定度指标的自动化判读，极大提高了分析效率和覆盖率；最后，测试团队提出并实现了使用摄影点地表移动速度、地心角速度、相机积分时间作为衡量姿态机动控制质量的衍生指标。对于成像而言，图像内容受到指向精度影响，而图片质量是由姿态控制平滑度、稳定度控制。星体姿态机动平滑度、稳定度又能间接反映姿态控制稳定度，直观可理解为相机摄影点在地表运动是否匀速，从而评估出姿态机动过程对于相机成像质量的影响。

1.4 卫星工作模式与测试任务演示系统

高分多模卫星具有多种工作模式，且采用了基于元任务的自主任务管理系统，相对于以往接收指令序列的卫星，自主能力更强。为了向用户直观展示卫星的工作过程、强大的敏捷机动能力，以及方便地面测试快速在线判断任务完成情况是否正常，研发了一套高分多模卫星工作模式演示系统来解决上述问题。该测试验证与演示系统是针对高分多模卫星多种敏捷工作模式和基于自主任务管理的工作方式，通过三维和二维虚拟场景，设计了一套直观展示卫星工作过程和工作效能的演示软件系统。

根据功能要求，高分多模卫星工作模式测试验证与演示系统设计5大模块，即场景基础模块、数据驱动模块、遥测显示模块、工作模式测试验证模块和应用扩展模块，软件架构如图7所示。场景基础模块的功能主要是支撑二、三维场景展示，包括场景渲染、轨道设定、地面站设定、卫星姿态设定、任务规划区域、成像区域、数据传输任务等功能。数据驱动模块的功能主要是数据驱动功能，包括测试广播数据、仿真目标文件等。遥测显示模块的功能主要是视图功能，其中视图包含数据图表展示。工作模式测试验证模块的功能主要是支撑二、三维场景展示和视图功能，二、三维场景展示包括数传天线转动角度和仿真规划的角度对比、外推轨道和实时轨道数据对比、成像区域与规划区域进行实时比对功能；视图功能则包括姿态规划曲线与实际运行曲线对比。应用扩展模块的功能主要是展示窗口布局切换、数据接口重配置、地图应用程序接口、卫星分离过程展示、视频录制图片抓拍等功能。

图 7 演示系统软件架构示意图Fig.7 Satellite demonstration software frame

高分多模卫星测试验证与演示系统研制过程中，采用高分多模卫星整星初样测试的真实遥测数据与轨道数据进行开发与联调，实现了高分多模卫星基于自主任务管理的三维和二维虚拟场景显示，应用效果良好(见图8)，可以推广到其他遥感卫星应用。

图 8 卫星机动成像过程演示截图Fig.8 Screenshot of the satellite maneuvering and imaging process

2 创新性分析

本文设计的面向自主任务管理敏捷遥感卫星的地面验证系统，技术创新主要有以下几点。

(1)针对具备任务自主规划与执行能力的卫星，地面验证系统必须在地面尽量多地模拟卫星在轨各种任务工况的能力，摸清卫星任务能力边界，以形成对卫星在轨使用的条件约束，这样既最大化卫星的使用效率，又能保障卫星安全。任务仿真软件实现了上述目的，它不仅可以精确仿真目标卫星的各类成像任务和回放任务的执行过程，为地面验证提供完整的工况设计输入与输出判读，同时为保证卫星在轨“易用”，提供了从地图目标选择—卫星任务生成的一键式功能。该软件开拓了整星测试设计的新领域，为同类卫星的自主任务能力验证提供了通用化解决方案。

(2)针对高度智能化的自主任务卫星，频繁的信息交互、复杂的信息流向、种类众多的信息类型是该类卫星总线的工作特点。在地面验证时，必须要回答总线信息流是否符合设计、信息内容是否正确完整的问题。而总线数据本身数据量大，如何从海量数据中迅速提取想要的数据，并以直观易理解的方式呈现出来，这是地面测试必须面对的问题。总线信息流自主解析工具解决了该问题，它从不同需求角度出发，支持用户自定义分析需求模板，进行总线信息流自主解析以及数据反衍，很好地解决了总线数据分析难题，将测试人员的判读工作前置到了设计层，保证了后期整星系统级联试的效率和安全。

(3)针对具备姿态自主规划敏捷机动能力的卫星，传统的对姿态角、姿态角速度数值的简单判读已远不能满足要求，而是需要对星体姿态机动轨迹的正确性、机动速度和稳定度指标进行判读，从而综合评判成像任务完成质量。姿态品质评估软件解决了这一难题，它通过计算相机在地表的成像扫描点轨迹与目标轨迹偏差，获得成像任务指向精度评估；使用姿态角速度变化率、摄影点地表移动速度、相机积分时间变化等作为间接指标，获得机动过程成像质量的评估；通过支持用户定制需求，支持不同卫星姿态机动曲线的自动化判读。该软件有效提高了地面验证系统对于卫星姿态自主规划敏捷机动过程的分析深度和分析效率。

(4)对于具备任务自主能力的敏捷机动遥感卫星，卫星任务能力的升级，对卫星在轨使用和任务监视提出了更高的判读需求，这对于使用者而言显得不友好。卫星工作模式和测试任务演示系统解决了这一难题，通过关联相关遥测参数，从卫星的三维演示模型可迅速获得卫星健康状态和各关键设备的工作参数；通过建立地球-卫星-中继星的三维空间模型，用户可直观看到卫星执行任务时的工作状态，实现了实时在线判读。该软件改变了只能依赖遥测数据进行抽象分析的传统判读模式，实现了三维直观判读，降低了卫星复杂工作状态的判读门槛，并为卫星的在轨使用提供了良好的观测和展示平台。

3 结束语

随着对地遥感卫星业务水平不断提升，遥感卫星在任务自主管理以及姿态敏捷机动成像能力方面实现了大幅度提升，这对卫星地面验证系统也提出了更高需求。高分多模卫星是一颗具备高度任务自主能力的新型敏捷机动遥感卫星，基于高分多模卫星地面验证系统的设计与研制成果，本文从星地任务接口设计与验证、星上数据流验证、卫星任务完成度验证等三方面全方位介绍了高分多模卫星研制团队如何解决地面验证与应用难题，覆盖了地面任务与卫星的接口设计与验证、星上自主任务管理功能验证设计、姿态自主规划与机动能力验证设计、整星空间任务完成度三维仿真验证等4大地面测试研制成果，为其他新型敏捷机动自主任务遥感卫星的测试提供了较好的型号验证参考模板与应用基础。