CN111301719A - 一种适用于火星探测飞行控制任务的自主规划与执行方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于火星探测飞行控制任务的自主规划与执行方法，首先设置任务作业表，对地面上注的作业表中的任务按时间和优先级自主排序，星载计算机按排序完成后的作业表顺序执行。然后设置三种紧急任务，按优先级从高到低分别为：1、能源保卫任务，2、姿态保卫任务，3、通讯保卫任务。星载计算机系统自主出判读紧急任务条件满足后，自主生成紧急任务的任务时间、任务类型、任务具体内容，写入紧急任务队列。当紧急任务需要执行时，只可打断任务作业表中二级、三级任务，并按预设逻辑清除任务作业表。

Description

一种适用于火星探测飞行控制任务的自主规划与执行方法

技术领域

本发明涉及一种适用于火星探测飞行控制任务的自主规划与执行方法，属于火星探测的星载计算机系统应用技术。

背景技术

我国将于2020年发射火星探测器，随着探测器飞往火星，器地距离增加，测控链路不能保证全过程不间断，而且在某些特定阶段(类如临日、日临等)，测通链路中断时间将长达30于日，因此要求火星探测器具备很强的自主执行任务的能力。同时，火星探测过程中任务类型复杂多样，有些任务(例如制动捕获等)只有一次机会，不容有失，因此要求火星探测器还要具备很强的自主管理任务的能力，在故障情况下要按照优先级自主调整任务的执行顺序，必要时还需自主产生、规划、执行任务。

目前卫星领域的任务一般由地面规划完毕后上注至在轨卫星，星上只需按照地面上注的任务时间、任务类型、任务具体内容执行即可。在卫星轨发生故障时，将清除所有任务，保证卫星安全进入安全模式。此方法主要依靠地面干预，自主性低，抗风险能力差。因此有必要发明一种适用于火星探测飞行控制任务的自主规划与执行方法。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种适用于火星探测飞行控制任务的自主规划与执行方法解决了火星探测任务通讯链路风险高，地面无法及时处理器上故障，需要具备很强的自主管理任务的能的问题。

本发明的技术方案是：

一种适用于火星探测飞行控制任务的自主规划与执行方法，包括步骤如下：

1)将星载计算机每个控制周期需要执行的任务划分为五类子任务，所述五类子任务按执行顺序，依次为：数据采集子任务、数据计算子任务、控制输出子任务、表决信息输出子任务、启动表决子任务；所述数据采集子任务需要三台星载计算机在同一时刻开始运行；

2)将属于控制输出子任务的所有任务进行自主排序，获得完成排序的任务作业表；

按任务优先级由高至低依次为：关键轨道机动任务、非关键轨道机动任务和姿态机动任务；其中关键轨道机动任务作为一级任务，非关键轨道机动任务作为二级任务，姿态机动任务作为三级任务；

所述关键轨道机动包括：制动捕获轨道机动和升轨轨道机动；其余轨道机动作为非关键轨道机动；

3)设置三种紧急任务

所述三种紧急任务按优先级从高到低依次为：能源保卫任务、姿态保卫任务和通讯保卫任务；

4)在执行控制输出子任务时，控制火星探测器上的星载计算机按步骤2)所述完成排序的任务作业表顺序执行各项任务；并在执行控制输出子任务时，判断是否需要执行紧急任务，若需要紧急任务需要执行，则进入步骤5)；否则按任务作业表中的排序依次执行各项任务；

5)判断当前是否有正在执行的任务并根据当前正在执行任务的优先级，执行紧急任务，执行完紧急任务后根据剩余任务的任务优先级清除任务作业表中部分任务，然后在控制火星探测器上的星载计算机按步骤2)所述完成排序的任务作业表，顺序执行各项剩余任务。

步骤5)所述执行紧急任务的方法，具体如下：

51)判定当前是否有正在执行的任务，若没有正在执行的任务，则进入步骤52)，反之则进入步骤53)；

52)直接执行紧急任务，紧急任务执行完毕后，进步步骤54)；

53)根据当前正在执行任务的优先级，判定是否打断当前正在执行的任务，若当前正在执行的任务为一级任务则需要等待一级任务完成后再执行紧急任务，其余则打断当前正在执行的任务，直接执行紧急任务，紧急任务执行完毕后，不需要恢复被打断的任务，进入步骤54)；

54)根据剩余任务的任务优先级清除任务作业表中部分任务，再从按步骤2)所述完成排序的任务作业表中搜寻首个满足时间条件的任务，由首个满足时间条件的任务开始按任务排序依次执行各项剩余任务；

步骤54)所述根据剩余任务的任务优先级清除任务作业表中部分任务的方法，具体为：

若执行的紧急任务为能源保卫任务时，清除任务作业表剩余任务中所有的二级任务和三级任务；

若执行的紧急任务为姿态保卫任务执行时，清除任务作业表剩余任务中所有的三级任务；

若执行的紧急任务为通讯保卫任务执行时，清除任务作业表剩余任务中所有的三级任务。

步骤1)所述划分五类子任务的方法，具体为：

将采集火星探测器上安装的敏感器原始数据的任务，划分为数据采集子任务；所述敏感器包括：加速度计、陀螺仪、星敏感器、模拟太阳角计；

将根据敏感器原始数据，解算火星探测器的加速度、角速度、姿态信息的任务，划分为数据计算子任务；

将根据火星探测器的加速度、角速度、姿态信息计算出动量轮转速、喷气脉宽的控制信息，并将控制信息发送给动量轮、推进系统执行的任务，划分为控制输出子任务；

将从火星探测器星载计算机内存中选取若干关键信息，作为表决信息，并将这些表决信息发送给表决器的任务，划分为表决信息输出子任务；

将向表决器发送启动表决的任务，划分为启动表决子任务。

所述能源保卫任务，具体为：

控制星载计算机对火星探测器上除了陀螺组合、飞轮组合和推进系统以外的所有单机设备进行断电操作；

使用模拟太阳角计和陀螺组合作为姿态敏感器，同时使用飞轮组合和推进系统作为执行机构，将火星探测器的俯仰、偏航姿态控制到对日姿态，使火星探测器的太阳翼能够对日充电；

所述飞轮组合包括多个反作用轮；所述陀螺组合包括多个陀螺仪。

所述姿态保卫任务，具体为：

火星探测器上的单机设备均不进行断电操作；

先使用陀螺组合作为姿态敏感器，同时使用推进系统作为执行机构，控制火星探测器的姿态，使火星探测器的滚动、俯仰和偏航姿态均稳定维持在某一空间惯性定向指向，再使用模拟太阳角计和陀螺组合作为姿态敏感器，同时使用推进系统作为执行机构，将火星探测器的俯仰和偏航姿态控制到对日姿态；所述陀螺组合包括多个陀螺仪。

所述通讯保卫任务，具体为：

先使用陀螺组合作为姿态敏感器，同时使用推进系统作为执行机构，控制火星探测器的姿态，使滚动、俯仰和偏航姿态均稳定维持在某一空间惯性定向指向，使火星探测器的太阳翼对日充电且火星探测器的通讯天线指向地球。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

本发明对火星探测器的所有任务进行分类，分为地面设置的作业任务和软件自行设计的紧急任务，紧急任务可打断部分作业任务，解决了火星探测任务通讯链路风险高，地面无法及时处理器上故障，需要具备很强的自主管理任务的能的问题。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的描述。

第一步：设置任务作业表，对地面上注的作业表中的任务按时间和优先级自主排序。首先按优先级排序，关键轨道机动任务优先级最高，为一级任务；非关键轨道机动任务优先级次高，为二级任务，姿态机动任务优先级最低，为三级任务，优先级高的任务先执行。同一优先级中，再按时间排序，时间在前的任务优先执行。任务作业表排序完成后，除地面上注修正外，星载计算机不对任务顺序自主调整，直接按顺序执行。任务作业表中的某一任务执行过程中，任务作业表中的其他任务打断。

第二步：设置三种紧急任务，按优先级从高到低分别为：1、能源保卫任务，2、姿态保卫任务，3、通讯保卫任务。星载计算机系统自主出判读紧急任务条件满足后，自主生成紧急任务的任务时间、任务类型、任务具体内容，写入紧急任务队列。星载计算机按顺序依次执行。紧急任务中，若优先级高的任务发生在优先级低的任务之后，自主将优先级高的任务插入任务队列前执行。高级别紧急任务执行完毕后，若紧急任务队列中的后续任务条件已不满足，则自主清除相关任务。

第三步：当紧急任务需要执行时，只可打断任务作业表中二级、三级任务，并按以下逻辑清除任务作业表。

1、能源保卫任务执行后，清除所有二级、三级任务；

2、姿态保卫任务执行后，清除所有三级任务；

3、通讯保卫任务执行后，清除所有三级任务。

火星探测飞行控制任务的自主规划与执行方法如图1所示。

本发明一种适用于火星探测飞行控制任务的自主规划与执行方法，包括步骤如下：

1)将星载计算机每个控制周期需要执行的任务划分为五类子任务，所述五类子任务按执行顺序，依次为：数据采集子任务、数据计算子任务、控制输出子任务、表决信息输出子任务、启动表决子任务；所述数据采集子任务需要三台星载计算机在同一时刻开始运行；所述数据计算子任务、控制输出子任务、表决信息输出子任务不要求三台星载计算机在同一时刻开始运行。

2)将属于控制输出子任务的所有任务进行自主排序，获得完成排序的任务作业表；

按任务优先级由高至低依次为：关键轨道机动任务、非关键轨道机动任务和姿态机动任务；其中关键轨道机动任务作为一级任务，非关键轨道机动任务作为二级任务，姿态机动任务作为三级任务；

所述关键轨道机动包括：制动捕获轨道机动和升轨轨道机动；其余轨道机动作为非关键轨道机动；

3)设置三种紧急任务

所述三种紧急任务按优先级从高到低依次为：能源保卫任务、姿态保卫任务和通讯保卫任务；

4)在执行控制输出子任务时，控制火星探测器上的星载计算机按步骤2)所述完成排序的任务作业表顺序执行各项任务；并在执行控制输出子任务时，判断是否需要执行紧急任务，若需要紧急任务需要执行，则进入步骤5)打断当前任务，执行紧急任务；否则按任务作业表中的排序依次执行各项任务；

5)根据上级输入，执行对应的紧急任务

首先，控制星载计算机自主生成紧急任务的任务时间、任务类型和任务具体内容，并写入任务作业表。

判断当前是否有正在执行的任务并根据当前正在执行任务的优先级，执行紧急任务，执行完紧急任务后根据剩余任务的任务优先级清除任务作业表中部分任务，然后在控制火星探测器上的星载计算机按步骤2)所述完成排序的任务作业表，顺序执行各项剩余任务。

步骤5)所述执行紧急任务的方法，具体如下：

51)判定当前是否有正在执行的任务，若没有正在执行的任务，则进入步骤52)，反之则进入步骤53)；

52)直接执行紧急任务，紧急任务执行完毕后，进步步骤54)；

53)根据当前正在执行任务的优先级，判定是否打断当前正在执行的任务，若当前正在执行的任务为一级任务则需要等待一级任务完成后再执行紧急任务，其余则打断当前正在执行的任务，直接执行紧急任务，紧急任务执行完毕后，不需要恢复被打断的任务，进入步骤54)；

54)根据剩余任务的任务优先级清除任务作业表中部分任务，再从按步骤2)所述完成排序的任务作业表中搜寻首个满足时间条件的任务，由首个满足时间条件的任务开始按任务排序依次执行各项剩余任务；

步骤54)所述根据剩余任务的任务优先级清除任务作业表中部分任务的方法，具体为：

若执行的紧急任务为能源保卫任务时，清除任务作业表剩余任务中所有的二级任务和三级任务；

若执行的紧急任务为姿态保卫任务执行时，清除任务作业表剩余任务中所有的三级任务；

若执行的紧急任务为通讯保卫任务执行时，清除任务作业表剩余任务中所有的三级任务。

步骤1)所述划分五类子任务的方法，具体为：

将采集火星探测器上安装的敏感器原始数据的任务，划分为数据采集子任务；所述敏感器包括：加速度计、陀螺仪、星敏感器、模拟太阳角计；

将根据敏感器原始数据，解算火星探测器的加速度、角速度、姿态信息的任务，划分为数据计算子任务；

将根据火星探测器的加速度、角速度、姿态信息计算出动量轮转速、喷气脉宽的控制信息，并将控制信息发送给动量轮、推进系统执行的任务，划分为控制输出子任务；

将从火星探测器星载计算机内存中选取若干关键信息，作为表决信息，并将这些表决信息发送给表决器的任务，划分为表决信息输出子任务；

将向表决器发送启动表决的任务，划分为启动表决子任务。

所述能源保卫任务，具体为：

控制星载计算机对火星探测器上除了陀螺组合、飞轮组合和推进系统以外的所有单机设备进行断电操作，节省整星能源；

使用无源设备模拟太阳角计和陀螺组合作为姿态敏感器，同时使用飞轮组合和推进系统作为执行机构，将火星探测器的俯仰、偏航姿态控制到对日姿态，使火星探测器的太阳翼能够对日充电；

所述飞轮组合包括多个反作用轮；所述陀螺组合包括多个陀螺仪。

所述姿态保卫任务，具体为：

火星探测器上的单机设备均不进行断电操作；

先使用陀螺组合作为姿态敏感器，同时使用推进系统作为执行机构，控制火星探测器的姿态，使火星探测器的滚动、俯仰和偏航姿态均稳定维持在某一空间惯性定向指向，再使用模拟太阳角计和陀螺组合作为姿态敏感器，同时使用推进系统作为执行机构，将火星探测器的俯仰和偏航姿态控制到对日姿态；所述陀螺组合包括多个陀螺仪。

所述通讯保卫任务，具体为：

先使用陀螺组合作为姿态敏感器，同时使用推进系统作为执行机构，控制火星探测器的姿态，使滚动、俯仰和偏航姿态均稳定维持在某一空间惯性定向指向，使火星探测器的太阳翼对日充电且火星探测器的通讯天线指向地球。该指向方向既可以保证太阳翼对日充电且通讯天线指向地球。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种适用于火星探测飞行控制任务的自主规划与执行方法，其特征在于，包括步骤如下：

1)将星载计算机每个控制周期需要执行的任务划分为五类子任务，所述五类子任务按执行顺序，依次为：数据采集子任务、数据计算子任务、控制输出子任务、表决信息输出子任务、启动表决子任务；所述数据采集子任务需要三台星载计算机在同一时刻开始运行；

2)将属于控制输出子任务的所有任务进行自主排序，获得完成排序的任务作业表；

按任务优先级由高至低依次为：关键轨道机动任务、非关键轨道机动任务和姿态机动任务；其中关键轨道机动任务作为一级任务，非关键轨道机动任务作为二级任务，姿态机动任务作为三级任务；

所述关键轨道机动包括：制动捕获轨道机动和升轨轨道机动；其余轨道机动作为非关键轨道机动；

3)设置三种紧急任务

所述三种紧急任务按优先级从高到低依次为：能源保卫任务、姿态保卫任务和通讯保卫任务；

4)在执行控制输出子任务时，控制火星探测器上的星载计算机按步骤2)所述完成排序的任务作业表顺序执行各项任务；并在执行控制输出子任务时，判断是否需要执行紧急任务，若需要紧急任务需要执行，则进入步骤5)；否则按任务作业表中的排序依次执行各项任务；

5)判断当前是否有正在执行的任务并根据当前正在执行任务的优先级，执行紧急任务，执行完紧急任务后根据剩余任务的任务优先级清除任务作业表中部分任务，然后在控制火星探测器上的星载计算机按步骤2)所述完成排序的任务作业表，顺序执行各项剩余任务。

2.根据权利要求1所述的一种适用于火星探测飞行控制任务的自主规划与执行方法，其特征在于，步骤5)所述执行紧急任务的方法，具体如下：

51)判定当前是否有正在执行的任务，若没有正在执行的任务，则进入步骤52)，反之则进入步骤53)；

52)直接执行紧急任务，紧急任务执行完毕后，进步步骤54)；

53)根据当前正在执行任务的优先级，判定是否打断当前正在执行的任务，若当前正在执行的任务为一级任务则需要等待一级任务完成后再执行紧急任务，其余则打断当前正在执行的任务，直接执行紧急任务，紧急任务执行完毕后，不需要恢复被打断的任务，进入步骤54)；

54)根据剩余任务的任务优先级清除任务作业表中部分任务，再从按步骤2)所述完成排序的任务作业表中搜寻首个满足时间条件的任务，由首个满足时间条件的任务开始按任务排序依次执行各项剩余任务；

步骤54)所述根据剩余任务的任务优先级清除任务作业表中部分任务的方法，具体为：

若执行的紧急任务为能源保卫任务时，清除任务作业表剩余任务中所有的二级任务和三级任务；

若执行的紧急任务为姿态保卫任务执行时，清除任务作业表剩余任务中所有的三级任务；

若执行的紧急任务为通讯保卫任务执行时，清除任务作业表剩余任务中所有的三级任务。

3.根据权利要求1所述的一种适用于火星探测飞行控制任务的自主规划与执行方法，其特征在于，步骤1)所述划分五类子任务的方法，具体为：

将采集火星探测器上安装的敏感器原始数据的任务，划分为数据采集子任务；所述敏感器包括：加速度计、陀螺仪、星敏感器、模拟太阳角计；

将根据敏感器原始数据，解算火星探测器的加速度、角速度、姿态信息的任务，划分为数据计算子任务；

将根据火星探测器的加速度、角速度、姿态信息计算出动量轮转速、喷气脉宽的控制信息，并将控制信息发送给动量轮、推进系统执行的任务，划分为控制输出子任务；

将从火星探测器星载计算机内存中选取若干关键信息，作为表决信息，并将这些表决信息发送给表决器的任务，划分为表决信息输出子任务；

将向表决器发送启动表决的任务，划分为启动表决子任务。

4.根据权利要求1～3任意之一所述的一种适用于火星探测飞行控制任务的自主规划与执行方法，其特征在于，所述能源保卫任务，具体为：

控制星载计算机对火星探测器上除了陀螺组合、飞轮组合和推进系统以外的所有单机设备进行断电操作；

使用模拟太阳角计和陀螺组合作为姿态敏感器，同时使用飞轮组合和推进系统作为执行机构，将火星探测器的俯仰、偏航姿态控制到对日姿态，使火星探测器的太阳翼能够对日充电；

所述飞轮组合包括多个反作用轮；所述陀螺组合包括多个陀螺仪。

5.根据权利要求1～3任意之一所述的一种适用于火星探测飞行控制任务的自主规划与执行方法，其特征在于，所述姿态保卫任务，具体为：

火星探测器上的单机设备均不进行断电操作；

先使用陀螺组合作为姿态敏感器，同时使用推进系统作为执行机构，控制火星探测器的姿态，使火星探测器的滚动、俯仰和偏航姿态均稳定维持在某一空间惯性定向指向，再使用模拟太阳角计和陀螺组合作为姿态敏感器，同时使用推进系统作为执行机构，将火星探测器的俯仰和偏航姿态控制到对日姿态；所述陀螺组合包括多个陀螺仪。

6.根据权利要求1～3任意之一所述的一种适用于火星探测飞行控制任务的自主规划与执行方法，其特征在于，所述通讯保卫任务，具体为：

先使用陀螺组合作为姿态敏感器，同时使用推进系统作为执行机构，控制火星探测器的姿态，使滚动、俯仰和偏航姿态均稳定维持在某一空间惯性定向指向，使火星探测器的太阳翼对日充电且火星探测器的通讯天线指向地球。

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