CN105717940B - 中继卫星自主任务规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种中继卫星自主任务规划方法，包括：(1)自主指令管理，包括对自主指令和遥控指令等由星载计算机发出的指令进行调度管理分配等工作，(2)自主平台控制，包括对平台的自主导航、自主位保等控制，(3)自主FDIR(Failure Detection Isolation and Recovery)处理，包括根据故障检测条件检测出故障，并对故障进行隔离恢复处理，(4)自主中继任务规划，包括卫星接收到插入中继任务后，根据当前卫星任务执行情况进行插入任务规划，并制定相关的任务执行序列，(5)自主任务调度，对中继任务、FDIR任务以及自主平台控制任务、自主指令管理任务进行综合管理调度，划分好执行时间片及相关任务需求。
Description
技术领域
本发明属于航天器中继卫星领域，涉及一种对中继卫星的自主任务进行规划调度方法，适用于中继卫星任务设计、任务调度等应用。
背景技术
中继卫星是一种通信卫星，通常用于无法直接获取卫星数据的卫星，通过中继卫星对数据进行中继转发，保证数据能正常有效传回地面。目前对于中继卫星设计，均是通过地面遥控形式实现对中继任务进行调度，不支持自主任务规划。当中继卫星定点位置位于国土上空时并且任务数量较少时，可以通过地面人员和遥控指令形式实现中继任务规划和卫星控制，当中继卫星形成中继网络，并且任务数量增多后，仅靠人员数量的增加是无法满足日益增长的任务需求。若通过中继卫星自主任务规划技术，则可以有效实现对中继卫星相关任务进行自主规划，自主生成指令序列，自主调度中继任务，从而减轻地面运控人员的负担，避免在多任务高强度的状态下对中继任务调度的不及时和不准确。
特别是境外中继卫星定点位置不在国土上空，因此在进行测控时会受地理条件和测控站限制，无法实时进行测控。从而对境外中继卫星提出更高的要求，要求其在境外时可以自主生存，在境内时能够下行相关参数，判定卫星状态，同时在境外时也能有效执行中继任务。
目前自主任务规划技术中的细分技术如自主平台控制技术中自主能源控制和自主热控控制已在航天领域实现，相关自主指令管理目前在航天领域未见使用，当前指令均采用遥控或时标形式执行不涉及自主指令管理功能。对于自主FDIR(Failure DetectionIsolation and Recovery)功能，目前卫星上采用较少，大部分具备故障检测与切换功能，不能完全实现自主FDIR。对于自主中继任务规划及任务规划调度功能，目前卫星上尚未使用。对于中继卫星的自主任务规划技术，没有完整的在卫星领域进行实现和功能应用，没有突出自主任务规划技术的优越性。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种中继卫星自主任务规划技术，利用自主管理技术，可以有效实现中继卫星自主任务规划及自主生存，保证中继任务的有效性和准确性。
本发明的技术解决方案是：中继卫星自主任务规划方法，步骤如下：
(1)中继卫星进行自主平台控制，生成自主平台控制指令序列：自主平台控制包括自主位置保持指令序列、自主热控管理序列以及自主能源管理序列；自主位置保持指令序列是根据当前星上递推轨道以及轨道控制精度要求，自主生成位保策略及执行指令序列，进行自主位置保持管理；自主热控管理序列是指根据当前各加热器状态以及当前设备工作温度要求，自主生成各加热器开关指令进行自主热控功能执行；自主能源管理序列是指根据当前蓄电池状态以及太阳翼工作状态，自主对蓄电池工作状态进行模式转换和工作情况设计进行自主能源管理；
(2)中继卫星进行自主FDIR(Failure Detection Isolation and Recovery,故障检测隔离和恢复)生成FDIR恢复指令序列：根据当前星上设备工作状态及故障情况，自主执行故障切换策略，根据不同状态执行主动切换或故障切换，保证卫星安全，生成FDIR恢复指令序列；
(3)中继任务调度生成调度指令序列：对当前卫星执行的中继任务以及后续任务进行优先级和时间序列调度，生成调度指令序列，保证中继任务有序执行；
(4)自主指令管理：对步骤(1)～(3)生成的指令序列，根据当前指令队列状态以及生成的自主指令序列，通过优先级设置及序列执行时间进行自主指令管理；
(5)任务调度：对步骤(1)～(4)进行综合调度，优先处理影响卫星安全的任务，必要时可以停止中继任务以保卫星安全，在能保证卫星安全的前提下进行部分中继任务执行。
所述步骤(1)～(3)中的指令序列由以下四部分组成，包括自主指令优先等级标识、自主指令执行时间标识、自主指令校验和、指令内容；自主指令优先等级标识，根据正常任务需求，自主位保指令序列优先级最高定义为1级，优先保证轨道位置，然后是自主能源管理指令序列定义为2级，其次是自主热控管理序列定义为3级，最后是中继任务调度序列定义为4级，4个优先等级可以根据中继任务需求进行临时调整，如在紧急情况下可以根据轨道位置情况暂停位保序列，优先执行中继任务需求；自主指令执行时间标识，是指令执行时间，生成指令序列后需指定指令执行时间，在规定的时间内执行该序列，如果时间超限某一时间后取消该指令序列；自主指令校验和是对指令内容的正确性进行验证，在自主指令执行前需对指令进行校验后再发出，避免输出错误指令序列；指令内容由自主指令队列构成。
所述步骤(2)中，根据当前星上设备工作状态及故障情况，自主执行故障切换策略，根据不同状态执行主动切换或故障切换，保证卫星安全，生成FDIR恢复指令序列的具体过程为：对卫星上每个部件进行状态标识，划分为当班、健康和加电三种状态，同时设置报警标识，当部件发生故障后触发系统报警，进而根据报警标识产生恢复序列，当序列恢复完成后设置部件的状态，如从设备A切换为设备B，恢复序列就是设备A关机，设置设备A不当班、不健康和不加电，设备B开机，设置B当班、健康和加电，同时设置结束标识，表示自主FDIR处理结束。
所述步骤(3)中，对当前卫星执行的中继任务以及后续任务进行优先级和时间序列调度过程：对上传的当前卫星执行的指令序列进行分类，将每个任务划分为三大块，即任务目标轨道、任务执行开始时间、任务结束时间以及任务标号；分类完成后，根据任务执行时间进行任务选择，同时下传任务标号表时当前执行的任务，同时根据任务目标轨道设置中继天线的转动角度和跟踪模式，进行中继天线跟踪，天线跟踪完成后，对目标数据进行传输，当执行到任务结束时间时，结束当前任务，将退出当前中继任务模式，同时检测下一个任务开始时间，转而进行下一个任务的执行。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明方法能有效实现中继卫星自主平台控制，通过对当前热控状态可以自主实现热控管理，以及自主能源管理，通过对当前位置的计算以及相关参数判断，自主生成自主位保序列，保证卫星位置定点满足要求。
(2)本发明方法能通过对当前设备状态的健康检查，可以有效实现设备故障切换及故障状态管理，保证卫星安全。
附图说明
图1为本发明方法的流程图。
具体实施方式
如图1所示，为本发明中继卫星自主任务规划方法的数据流图，步骤如下：
(1)自主平台控制步骤，自主平台控制包括自主位置保持指令序列、自主热控管理序列以及自主能源管理序列；自主位置保持：在卫星发射后，通过地面测量卫星轨道信息，将卫星当前轨道信息发送至卫星，卫星根据轨道和星上时间进行递推，其中每隔一定周期后对卫星上的轨道信息进行校正，这个周期称之为校正周期，其与卫星时间基准的准确度和轨道递推精度有关。在确认可以进行位置保持后，进行自主位置保持指令序列生成发送到自主指令管理。自主热控管理：根据加热器设定的开关阈值对星上加热器状态进行自主控制，生成自主加热器通断的指令序列，并将序列发送至自主指令管理。自主能源管理：卫星根据当前太阳翼输出电流状态对星上蓄电池工作模式及相关设备切换进行自主切换控制，生成自主能源管理指令序列，并将序列发送至自主指令管理队列中。
(2)自主FDIR处理步骤，卫星上每台单机设定当班、健康和加电三种状态以及报警状态判断标准，卫星根据当前各分系统的遥测参数进行报警状态判断标准进行比对，当满足报警条件时，立报警标志，FDIR检测恢复模块检测当前是否存在报警，发现报警后立即执行恢复程序，查看设备健康状态，根据恢复策略生成恢复策略指令序列，发送到自主指令管理。如发现设备A产生电压异常报警，此时FDIR恢复策略需将设备A切换为设备B，恢复序列就是设备A关机，设置设备A不当班、不健康和不加电，设备B开机，设置B当班、健康和加电，同时设置FDIR处理结束标识，表示自主FDIR处理结束。
(3)自主中继任务规划，地面通过星间链路或地面站发送上行中继任务指令，由于任务的众多性和周期性，地面站上行的指令可能存在同一个任务执行多次或者一次上行多个任务。当地面发送指令序列后，中继任务规划任务将当前未执行的中继任务与地面上行的中继任务进行重新规划，上行中继任务指令根据权利要求1中所述划分任务目标轨道、任务执行开始时间、任务结束时间以及任务标号，将指令队列调整后将指令队列按权利要求1中所述自主指令管理序列格式要求发送到自主指令管理。中继任务执行时根据任务执行开始时间和任务结束时间对当前中继任务进行调整，即根据当前任务状态调整天线指向，进入相应的天线指向模式，继而进行任务跟踪同时下传当前执行任务的任务标号以表明当前执行的任务号。中继任务跟踪模式可划分以下几种，分别为程序跟踪模式、扫描搜索模式、自动跟踪模式、回扫模式以及星地控制模式。程序跟踪模式：根据中继星、用户轨道运动规律以及中继星姿态，地面站或星上预先制定控制天线跟踪用户的程序，上行注入到中继星控制计算机内，计算机按照这个程序发送程控指令，驱动天线跟踪用户。一般由天线控制模块自动启动，也可以由地面站遥控启动。扫描搜索模式：在回扫等待到预定捕获用户的时刻，如果用户没有出现在中继星天线的敏感范围内，中继星天线控制模块自动使天线以螺旋线自内向外扫描，接着又由外向内扫描，并叠加上跟随在轨用户的运动。当接收到的用户天线的强度信号(或称“和信号”)达到捕获门限电平(捕获阈值)时，停止扫描，根据星上注入标志，转入以角误差子系统输出的方位、仰角指向偏差电压作为反馈信号的自动牵引捕获过程或转入程序跟踪模式。自动跟踪模式：角误差子系统输出天线指向与用户方向之间方位、仰角的偏差电平。用这两个方向的偏差电平作为负反馈量，自动控制天线运动，最终达到自动跟踪用户的目的。回扫模式：中继星星载计算机根据地面站遥控命令和上行注入的参数使天线由当前位置快速转动到指令规定的位置。一般用于捕获跟踪用户之前。回扫结束后，天线停止运动。星地控制：星地控制指地面站发送遥控指令控制天线驱动机构转动，即地面站向计算机分别注入驱动仰角、方位角指令内容，然后计算机可以同时控制两轴转动。中继任务上行时根据任务情况分别在指令内容中注明相应任务进入的跟踪模式。如跟踪任务注入指令内容格式如下所示
上表给出了注入指令的普通格式，“任务编号”是指当前上行中继任务的编号，表征任务指令的顺序号；“任务天线选择标志”，这个标志表示当前任务使用的是东天线还是西天线，如果都不选，卫星自主中继任务规划模块将根据用户星轨道进行自主选择；“用户星轨迹自主计算标志”，即表时是否采用星上自主计算的用户星轨道，如果不采用自主计算的轨道则需地面注入用户星的轨道。允许转自动跟踪标志，是指星上跟踪到是否转自动跟踪，如果不允许则星上转入程序跟踪模式，如果转入自动跟踪则卫星根据自主计算的偏差进行跟踪。“跟踪用户星编号”，是指中继卫星所跟踪用户星的编号，用于表征当前中继卫星是否跟踪用户与地面期望一致。“任务切换时刻”，是指中继卫星任务结束时刻，地面发送上行任务指令后，中继任务调度模块根据当前卫星轨道位置和用户轨道位置会计算出该任务开始执行时间，而任务切换时刻则是该任务的结束时间，即地面要求中继卫星在任务切换时刻结束当前任务，如果任务切换时刻超前于卫星计算的开始执行时间，则表示该任务不能正常执行，直接放弃该任务，同时下传任务执行失败的标志，表时注入任务切换时刻不正确。“跟踪周期数”，是指用户星再次进入跟踪范围时，是否还需要进行跟踪，如果跟踪周期数为0，则表示只跟踪一次，如果大于0，则表示用户星进入跟踪范围后，中继卫星需要再次进行跟踪，跟踪次数多少根据注入跟踪周期数决定。其中上行注入用户星轨道参数格式如下所示
上表给出了用户星轨道参数格式，可以提前注入多种用户星轨道供中继任务调度使用。“轨道编号”表示当前用户星轨道的编号与跟踪任务包中的“跟踪用户星编号”对应；“X轴位置”“Y轴位置”“Z轴位置”“X轴速度”“Y轴速度”“Z轴速度”分别表示的是用户星轨道在惯性坐标系下的位置与速度分量；“历元”是指当前用户星轨道位置和速度对应的时刻；“轨道计算时长”表示当前用户星轨道递推的时间长度，即当前的用户星轨道只需要递推该时间长度即可满足任务跟踪需求。
(4)自主指令管理，是对中继卫星自主平台控制指令序列、自主FDIR恢复指令序列以及自主中继任务调度指令序列进行管理，各指令序列均按权利要求1中指令组成部分组成，送入自主指令管理。自主指令管理划分为两种状态，一种是常规状态，一种是紧急状态。常规状态下所有指令序列进入自主指令管理后，首先根据校验和对指令进行校验，通过后再根据指令优先级对指令进行优先级排序，同时根据指令执行时间进行队列调整。最高优先级的排第一队列，里面的指令序列根据执行时间再进行排序。紧急状态下，由权利要求1中任务调度可插入紧急指令，指令管理在接收到紧急指令后，优行执行紧急指令，并对之前的指令队列进行调整。指令执行前根据指令执行时间与当前卫星时间进行比较，当指令执行时间超过当前卫星时间一个限定时间后，中止当前执行序列立即转入下一个优先级队列中的指令序列进行执行。
(5)任务调度是综合管理调度，当卫星出现重大安全问题时，自主FDIR发送整星级故障恢复策略，此时会影响整星其他分系统工作时，如太阳翼输出电流急剧下降，电池能力供应不足时，自主FDIR发送整星级报警，要求卫星转入安全模式，如果此时正在执行其他自主指令序列时，任务调度会发送紧急转入安全模式的指令序列，自主指令管理在收到任务调度的指令后立即进入紧急状态，根据任务调度发送的指令序列进行执行，同时中止所有其他自主指令序列，等卫星恢复稳定后再根据卫星当前状态进行自主指令执行。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (3)
1.中继卫星自主任务规划方法，其特征在于步骤如下：
(1)中继卫星进行自主平台控制，生成自主平台控制指令序列：自主平台控制包括自主位置保持指令序列、自主热控管理序列以及自主能源管理序列；自主位置保持指令序列是根据当前星上递推轨道以及轨道控制精度要求，自主生成位保策略及执行指令序列，进行自主位置保持管理；自主热控管理序列是指根据当前各加热器状态以及当前设备工作温度要求，自主生成各加热器开关指令进行自主热控功能执行；自主能源管理序列是指根据当前蓄电池状态以及太阳翼工作状态，自主对蓄电池工作状态进行模式转换和工作情况设计进行自主能源管理；
(2)中继卫星进行自主FDIR(Failure Detection Isolation and Recovery,故障检测隔离和恢复)生成FDIR恢复指令序列：根据当前星上设备工作状态及故障情况，自主执行故障切换策略，根据不同状态执行主动切换或故障切换，保证卫星安全，生成FDIR恢复指令序列；
(3)中继任务调度生成调度指令序列：对当前卫星执行的中继任务以及后续任务进行优先级和时间序列调度，生成调度指令序列，保证中继任务有序执行；
(4)自主指令管理：对步骤(1)～(3)生成的指令序列，根据当前指令队列状态以及生成的自主指令序列，通过优先级设置及序列执行时间进行自主指令管理；
(5)任务调度：对步骤(1)～(4)进行综合调度，优先处理影响卫星安全的任务，必要时可以停止中继任务以保卫星安全，在能保证卫星安全的前提下进行部分中继任务执行；
其中，所述步骤(2)中，根据当前星上设备工作状态及故障情况，自主执行故障切换策略，根据不同状态执行主动切换或故障切换，保证卫星安全，生成FDIR恢复指令序列的具体过程为；对卫星上每个部件进行状态标识，划分为当班、健康和加电三种状态，同时设置报警标识，当部件发生故障后触发系统报警，进而根据报警标识产生恢复序列，当序列恢复完成后设置部件的状态，如从设备A切换为设备B，恢复序列就是设备A关机，设置设备A不当班、不健康和不加电，设备B开机，设置B当班、健康和加电，同时设置结束标识，表示自主FDIR处理结束。
2.根据权利要求1所述的中继卫星自主任务规划方法，其特征在于：所述步骤(1)～(3)中的指令序列由以下四部分组成，包括自主指令优先等级标识、自主指令执行时间标识、自主指令校验和、指令内容；自主指令优先等级标识，根据正常任务需求，自主位保指令序列优先级最高定义为1级，优先保证轨道位置，然后是自主能源管理指令序列定义为2级，其次是自主热控管理序列定义为3级，最后是中继任务调度序列定义为4级，4个优先等级可以根据中继任务需求进行临时调整，如在紧急情况下可以根据轨道位置情况暂停位保序列，优先执行中继任务需求；自主指令执行时间标识，是指令执行时间，生成指令序列后需指定指令执行时间，在规定的时间内执行该序列，如果时间超限某一时间后取消该指令序列；自主指令校验和是对指令内容的正确性进行验证，在自主指令执行前需对指令进行校验后再发出，避免输出错误指令序列；指令内容由自主指令队列构成。
3.根据权利要求1所述的中继卫星自主任务规划方法，其特征在于：所述步骤(3)中，对当前卫星执行的中继任务以及后续任务进行优先级和时间序列调度过程：对上传的当前卫星执行的指令序列进行分类，将每个任务划分为三大块，即任务目标轨道、任务执行开始时间、任务结束时间以及任务标号；分类完成后，根据任务执行时间进行任务选择，同时下传任务标号表时当前执行的任务，同时根据任务目标轨道设置中继天线的转动角度和跟踪模式，进行中继天线跟踪，天线跟踪完成后，对目标数据进行传输，当执行到任务结束时间时，结束当前任务，将退出当前中继任务模式，同时检测下一个任务开始时间，转而进行下一个任务的执行。
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| 中继卫星任务调度方法研究;崔子祥;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》;20100615(第6期);第2章第10-17页 |
| 卫星运行中的自主控制技术;代树武 等;《空间科学学报》;20020430;第22卷(第2期);第148-152页 |
| 航天器自主运行技术的进展;代树武 等;《宇航学报》;20030131;第24卷(第1期);第17-21页 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105717940A (zh) | 2016-06-29 |
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Legal Events
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