CN107031867B - 一种实施空间任务自主规划的可配置综合电子系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实施空间任务自主规划的可配置综合电子系统，包括配电模块、遥控管理模块、数据管理模块、火工品管理模块、热控管理模块、动力控制管理模块、传感器管理模块、驱动控制管理模块以及飞行任务自主规划单元，飞行任务自主规划单元接收各个模块的输入信息，对飞行器自身状态及任务需求作出评估，实现任务自主规划，通过指令输出完成任务实施。本发明实现了空间飞行器在无地面站干预下任务自主规划，有效提高了飞行器的自主性和自生存能力。同时飞行任务自主规划单元根据飞行器当前的任务需求，通过配电模块动态控制其他功能模块的离线/在线状态，实现飞行器上综合电子系统动态快速配置，有效提高了系统的可裁剪性和多任务模式的适应能力。

Description

一种实施空间任务自主规划的可配置综合电子系统

技术领域

本发明涉及航天飞行器数据管理系统领域，特别是涉及一种实施空间任务自主规划的可快速配置综合电子系统架构。

背景技术

综合电子系统是空间飞行器重要分系统之一，为飞行器提供任务规划、时序管理、数据管理、配电管理、遥控指令管理等功能，是整个飞行器的中枢系统。传统综合电子系统根据总体任务需求，确定分系统功能及组成，落实单机技术要求及指标，通常由中央处理计算机、远端接口单元等设备组成，不同任务背景的综合电子系统架构、组成等均存在较大差异。

当前综合电子系统运行飞行器管理软件，接收地面测控站上行指令进行任务规划，无法实现无地面站干预下的飞行任务自主规划。且一种架构和组成形式的综合电子系统主要面对一种固定模式的任务，无法自动适应多种形式的任务需求，当任务模式发生变化时，需对综合电子系统方案进行重新设计，无法实现系统的快速重构配置。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种实施空间任务自主规划的可配置综合电子系统，实现了无地面站干预下的飞行任务自主规划，同时能够根据任务模式进行快速重构配置，有效提高了飞行器的自主性、自生存能力以及多任务模式的适应能力。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：一种实施空间任务自主规划的可配置综合电子系统，包括配电模块、遥控管理模块、数据管理模块、火工品管理模块、热控管理模块、动力控制管理模块、传感器管理模块、驱动控制管理模块以及飞行任务自主规划单元；

飞行任务自主规划单元根据飞行时序进行任务自主规划，根据任务自主规划情况向配电模块输出配电控制指令、向遥控管理模块输出遥控指令包、向热控管理模块输出热控指令、向动力控制管理模块输出动力控制指令、向驱动控制管理模块输出驱动指令；

配电模块接收飞行任务自主规划单元输出的配电控制指令，实现飞行器上各设备和模块的加断电控制，完成综合电子系统模式切换，达到综合电子系统面向不同任务需求的快速配置；

遥控管理模块接收并解析飞行任务自主规划单元输出的遥控指令包，将传感器起停指令和采集模式切换指令输出给传感器管理模块，将数据存储起停指令和数据管理模式切换指令输出给数据管理模块，将电路接通指令输出给火工品管理模块；

传感器管理模块接收遥控管理模块输出的传感器起停指令和采集模式切换指令，根据采集模式切换指令接通对应通道的传感器，根据传感器起停指令对所选传感器采集的环境信息进行编帧，将编帧后的数据反馈给飞行任务自主规划单元；

数据管理模块根据遥控管理模块输出的数据管理模式切换指令确定数据管理模块的工作方式，根据遥控管理模块输出的数据存储起停指令和数据管理模块的工作方式对飞行器上其他设备输入的资源和状态数据进行存储或读取，将读取的数据进行组包、组帧和动态调度，输出给飞行任务自主规划单元，所述数据管理模块的工作方式包括只存模式、只读模式或边存边读模式；

火工品管理模块根据遥控管理模块输出的电路接通指令闭合火工品供电母线，根据飞行任务自主规划单元输出的起爆指令，实施火工品可靠起爆；

驱动控制管理模块根据飞行任务自主规划单元输出的驱动指令，驱动伺服机构工作；

动力控制管理模块根据飞行任务自主规划单元输出的动力控制指令，按照预先规定的时序驱动动力系统阀门通断，实现动力系统控制；

热控管理模块根据飞行任务自主规划单元输出的热控指令，实现温度采集，并根据所采集的温度控制加热器以及热控流体阀门通断。

飞行任务自主规划单元包括自主决策及运控核心单元、空间环境感知及管理单元、器上资源评估及管理单元、状态感知及管理单元、飞行时序管理单元；

空间环境感知及管理单元根据传感器管理模块输入的数据，获取当前飞行器所处的轨道参数、周边飞行器状态以及空间辐照信息，根据当前任务需求对获取的环境信息进行优先级编排后输出至自主决策及运控管理核心单元；

器上资源评估及管理单元根据数据管理模块实时输出的数据，获取飞行器上能源、动力以及数据存储空间的资源利用信息，输出至自主决策及运控管理核心单元；

状态感知及管理单元根据数据管理模块实时输出的数据，获取飞行器上各设备以及模块的状态信息，输出至自主决策及运控管理核心单元；

自主决策及运控管理核心单元根据环境信息、飞行器自身的资源利用信息和状态信息，进行任务自主规划，完成飞行时序规定的任务。

所述自主决策及运控管理核心单元进行任务自主规划的实现方法为：

(3.1)自主决策及运控管理核心单元根据环境信息、飞行器自身的资源利用信息和状态信息，确定当前飞行时序规定任务的可行性，如果可行，根据当前飞行时序规定的任务，向对应模块发送指令，完成任务自主规划；如果不可行，进入步骤(3.2)；

(3.2)确定飞行器当前的故障模式，根据预先存储的故障对策，向对应模块发送指令，进行故障隔离和处理，执行完故障对策后，返回步骤(3.1)。

所述预先存储的故障对策包括飞行器能源不足时的对策、飞行器动力不足时的对策、设备主备机切换对策、位置姿态调整对策以及空间威胁躲避对策。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明以飞行任务自主规划单元为核心，基于遥控管理模块、配电模块、火工品管理模块、数据管理模块等功能模块，构成面向任务自主规划的综合电子系统架构，飞行任务自主规划单元接收各个模块的输入信息，对飞行器自身状态及任务需求作出评估，通过指令输出实现任务实施。通过飞行任务自主规划单元，实现了空间飞行器在无地面站干预下任务自主规划和控制，有效提高了飞行器的自主性和自生存能力。

(2)飞行任务自主规划单元根据飞行器当前的任务需求，通过配电模块动态控制遥控管理模块、火工品管理模块、数据管理模块等功能模块的离线/在线状态，实现飞行器上综合电子系统动态快速配置，有效提高了系统的可裁剪性和多任务模式的适应能力。

附图说明

图1为本发明综合电子系统组成框图；

图2为飞行任务自主规划单元组成框图；

图3为飞行时序示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

本发明提出了实施空间任务自主规划的可配置综合电子系统，通过预先写入不同故障模式下的应对策略，实现无地面站干预下的飞行任务自主规划。同时本发明满足功能模块化、面向任务的可快速配置等特殊需求，达到在紧急情况下快速响应目标的目的。

如图1所示，本发明提出的综合电子系统架构包括配电模块、遥控管理模块、数据管理模块、火工品管理模块、热控管理模块、动力控制管理模块、传感器管理模块、驱动控制管理模块以及飞行任务自主规划单元。

飞行任务自主规划单元根据飞行时序以及当前飞行器资源和状态进行任务自主规划，向配电模块输出配电控制指令以及向遥控管理模块输出遥控指令包，并根据任务自主规划情况向热控管理模块输出热控指令、向动力控制管理模块输出动力控制指令或向驱动控制管理模块输出驱动指令。遥控指令包包括传感器起停指令、采集模式切换指令、数据存储起停指令、数据管理模式切换指令以及电路接通指令。

配电模块根据配电控制指令，为飞行器上各设备和模块进行加断电，将飞行任务自主规划单元自主规划的任务涉及的模块进行加电，不涉及的模块进行断电，完成综合电子系统模式切换，达到综合电子系统面向不同任务需求的快速配置。

遥控管理模块采用遥测传输差错控制协议，包括FPGA电路和OC指令电路，FPGA电路对遥控指令包进行采集，并通过内部集成的译码电路对遥控指令包进行解析，将解析得到的传感器起停指令和采集模式切换指令通过OC指令电路以OC指令形式输出给传感器管理模块，将解析得到的数据存储起停指令和数据管理模式切换指令通过OC指令电路以OC指令形式输出给数据管理模块，将解析得到的电路接通指令通过OC指令电路以OC指令形式输出给火工品管理模块。

传感器管理模块实现物理量到电量的转换，包括OC指令接收电路、传感器控制单元和多个传感器通道，每个传感器通道用于采集振动、过载、冲击、温度或压力。OC指令接收电路用于接收遥控管理模块输出的传感器起停指令和采集模式切换指令，经过转换后输出给传感控制单元。传感器控制单元根据采集模式切换指令接通对应通道的传感器，根据传感器起停指令对所选传感器采集的环境信息(位置和姿态、周边飞行器状态以及空间辐照信息、力、热等)进行编帧，将编帧后的数据反馈给飞行任务自主规划单元。

数据管理模块包括OC指令接收电路和数据读写控制单元，OC指令接收电路用于接收遥控管理模块输出的数据存储起停指令和数据管理模式切换指令，经过转换后输出给数据读写控制单元。数据读写控制单元根据数据管理模式切换指令确定数据管理模块的工作方式，数据管理模块的工作方式包括只存模式、只读模式或边存边读模式，并根据遥控管理模块输出的数据存储起停指令对飞行器上其他设备输入的资源和状态数据进行读写操作，具体实现方式如下：

当当前数据管理模块的工作方式为只存模式时，对飞行器上其他设备输入的资源和状态数据进行采集存储；

当当前数据管理模块的工作方式为只读模式时，对之前存储的飞行器上其他设备的资源和状态数据进行读取；

当当前数据管理模块的工作方式为边存边读模式时，对飞行器上其他设备输入的资源和状态数据进行边采集存储边读取。

然后数据读写控制单元将读取的数据进行组包和组帧，按照优先级顺序依次访问各个数据采集通道，若当前通道传输周期已到则安排该通道数据采集及传输，输出给飞行任务自主规划单元。

火工品管理模块根据遥控管理模块输出的电路接通指令闭合火工品供电母线，根据飞行任务自主规划单元输出的起爆指令，实施火工品可靠起爆。火工品管理模块只有在接收到遥控管理模块和飞行任务自主规划单元输出的双重指令后才起爆，确保了综合电子系统的安全性和可靠性。

驱动控制管理模块根据飞行任务自主规划单元输出的驱动指令，驱动伺服机构工作。动力控制管理模块根据飞行任务自主规划单元输出的动力控制指令，按照预先规定的时序驱动动力系统阀门通断，实现动力系统控制。热控管理模块根据飞行任务自主规划单元输出的热控指令，实现温度采集，并根据所采集的温度控制加热器以及热控流体阀门通断。

如图2所示，飞行任务自主规划单元包括自主决策及运控核心单元、空间环境感知及管理单元、器上资源评估及管理单元、状态感知及管理单元、飞行时序管理单元。空间环境感知及管理单元根据传感器管理模块输入的数据，获取当前飞行器所处的轨道参数(位置和姿态)、周边飞行器状态以及空间辐照信息，根据当前任务需求对获取的环境信息进行优先级编排后输出至自主决策及运控管理核心单元。器上资源评估及管理单元根据数据管理模块实时输出的数据，获取飞行器上能源、动力以及数据存储空间的资源利用信息，输出至自主决策及运控管理核心单元。状态感知及管理单元根据数据管理模块实时输出的数据，获取飞行器上各设备以及模块的状态信息，输出至自主决策及运控管理核心单元。自主决策及运控管理核心单元预先存储了一系列故障对策，包括飞行器能源不足时的对策、飞行器动力不足时的对策、设备主备机切换对策、位置姿态调整对策以及空间威胁躲避对策。飞行器能源不足时的对策一般为飞行器姿态调整或延长太阳能帆板光照时间达到能源平衡。飞行器动力不足时的对策一般是采用飞行器姿态调整或者改变飞行轨迹达到动力能源平衡。设备主备机切换对策：当同一台设备的主机或者备机发生故障时，可以采用切换至备机或者主机的应对策略。空间威胁躲避对策一般采用空间变轨策略。

自主决策及运控管理核心单元根据飞行时序规定的任务以及环境信息、飞行器自身的资源利用信息和状态信息，进行任务自主规划，具体内容如下：

确定当前飞行时序规定任务的可行性，如果可行，根据当前飞行时序规定的任务，向对应模块发送指令，完成当前飞行时序规定的任务；如果不可行，确定飞行器当前的故障模式，根据预先存储的故障对策，向对应模块发送指令，进行故障隔离和处理，执行完故障对策后，重复上述过程，直到当前飞行时序规定的任务可行，完成该任务为止。

实施例：

如图3所示是某飞行器的飞行时序轴，时序轴上的事件包括器箭分离，太阳能帆板展开，飞行器姿态调整，对地观测和对地数传，以第1000s为例，飞行器要求实施对地观测，飞行任务自主规划单元判断当前器上时间是否已经达到第1000s，若时间已到，且根据空间环境感知及管理单元、器上资源评估及管理单元、状态感知及管理单元输入信息判断当前飞行时序规定任务的可行，则通过飞行任务自主规划单元向配电模块发送配电指令，控制与对地数传相关的模块和设备上电，通过遥控管理模块向数据管理模块、传感器管理模块发送遥控指令，切换至对地观测模式，待所有模块均已切换到对地观测模式后，由飞行任务自主规划单元控制全飞行器启动对地观测。

以第2000s为例，时序要求进行对地数传，飞行任务自主规划单元首先判断时间是否已经到达2000s，若时间已到，则飞行任务自主规划单元再判断空间环境感知及管理单元、器上资源评估及管理单元、状态感知及管理单元输入信息，若此时根据器上资源评估及管理单元的输入参数判断目前实施对地数传会发生能源不足情况，则飞行任务自主规划单元根据预先存储的飞行器能源不足时的故障应对策略，通过延长飞行器太阳帆板光照时长的方式达到能源满足状态，由飞行任务自主规划单元向配电模块发送配电指令，通过配电模块为遥控管理模块、数据管理模块以及动力控制管理模块加电，同时为其他模块(火工品管理模块、热控管理模块、传感器管理模块、驱动控制管理模块)断电。向动力控制管理模块发送动力控制指令，使飞行器调整姿态，使天线对准地球。通过遥控管理模块对外发送遥控指令包，控制数据管理模块处于只读或边存边读的工作方式，获取飞行器上的资源数据并输出给飞行任务自主规划单元。经过一段延时，当飞行任务自主规划单元判断能源足够时，则按照正常时序实施对地数传任务。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种实施空间任务自主规划的可配置综合电子系统，其特征在于：包括配电模块、遥控管理模块、数据管理模块、火工品管理模块、热控管理模块、动力控制管理模块、传感器管理模块、驱动控制管理模块以及飞行任务自主规划单元；

飞行任务自主规划单元根据飞行时序进行任务自主规划，根据任务自主规划情况向配电模块输出配电控制指令、向遥控管理模块输出遥控指令包、向热控管理模块输出热控指令、向动力控制管理模块输出动力控制指令、向驱动控制管理模块输出驱动指令；

配电模块接收飞行任务自主规划单元输出的配电控制指令，实现飞行器上各设备和模块的加断电控制，完成综合电子系统模式切换，达到综合电子系统面向不同任务需求的快速配置；

遥控管理模块接收并解析飞行任务自主规划单元输出的遥控指令包，将传感器起停指令和采集模式切换指令输出给传感器管理模块，将数据存储起停指令和数据管理模式切换指令输出给数据管理模块，将电路接通指令输出给火工品管理模块；

传感器管理模块接收遥控管理模块输出的传感器起停指令和采集模式切换指令，根据采集模式切换指令接通对应通道的传感器，根据传感器起停指令对所选传感器采集的环境信息进行编帧，将编帧后的数据反馈给飞行任务自主规划单元；

数据管理模块根据遥控管理模块输出的数据管理模式切换指令确定数据管理模块的工作方式，根据遥控管理模块输出的数据存储起停指令和数据管理模块的工作方式对飞行器上其他设备输入的资源和状态数据进行存储或读取，将读取的数据进行组包、组帧和动态调度，输出给飞行任务自主规划单元，所述数据管理模块的工作方式包括只存模式、只读模式或边存边读模式；

火工品管理模块首先根据遥控管理模块输出的电路接通指令闭合火工品供电母线，然后根据飞行任务自主规划单元输出的起爆指令，实施火工品可靠起爆；

驱动控制管理模块根据飞行任务自主规划单元输出的驱动指令，驱动伺服机构工作；

动力控制管理模块根据飞行任务自主规划单元输出的动力控制指令，按照预先规定的时序驱动动力系统阀门通断，实现动力系统控制；

热控管理模块根据飞行任务自主规划单元输出的热控指令，实现温度采集，并根据所采集的温度控制加热器以及热控流体阀门通断。

2.根据权利要求1所述的一种实施空间任务自主规划的可配置综合电子系统，其特征在于：飞行任务自主规划单元包括自主决策及运控核心单元、空间环境感知及管理单元、器上资源评估及管理单元、状态感知及管理单元、飞行时序管理单元；

空间环境感知及管理单元根据传感器管理模块输入的数据，获取当前飞行器所处的轨道参数、周边飞行器状态以及空间辐照信息，根据当前任务需求对获取的环境信息进行优先级编排后输出至自主决策及运控管理核心单元；

器上资源评估及管理单元根据数据管理模块实时输出的数据，获取飞行器上能源、动力以及数据存储空间的资源利用信息，输出至自主决策及运控管理核心单元；

状态感知及管理单元根据数据管理模块实时输出的数据，获取飞行器上各设备以及模块的状态信息，输出至自主决策及运控管理核心单元；

自主决策及运控管理核心单元根据环境信息、飞行器自身的资源利用信息和状态信息，进行任务自主规划，完成飞行时序规定的任务。

3.根据权利要求2所述的一种实施空间任务自主规划的可配置综合电子系统，其特征在于：所述自主决策及运控管理核心单元进行任务自主规划的实现方法为：

(3.1)自主决策及运控管理核心单元根据环境信息、飞行器自身的资源利用信息和状态信息，确定当前飞行时序规定任务的可行性，如果可行，根据当前飞行时序规定的任务，向对应模块发送指令，完成任务自主规划；如果不可行，进入步骤(3.2)；

(3.2)确定飞行器当前的故障模式，根据预先存储的故障对策，向对应模块发送指令，进行故障隔离和处理，执行完故障对策后，返回步骤(3.1)。

4.根据权利要求3所述的一种实施空间任务自主规划的可配置综合电子系统，其特征在于：所述预先存储的故障对策包括飞行器能源不足时的对策、飞行器动力不足时的对策、设备主备机切换对策、位置姿态调整对策以及空间威胁躲避对策。