CN112235029A - 一种大规模低轨卫星星座运控系统自动化运行管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大规模低轨卫星星座运控系统自动化运行管理方法，涉及自动化控制领域。本发明从卫星地面运控系统各类功能入手，分析卫星运控管理中各类事件的动态生成，结合运行管理事件，研究适应卫星复杂任务操作的实时决策与任务驱动机制。同时，从顶层设计综合考虑大规模星座与多任务并行下的冲突消解；构建了卫星运行管理专家系统，实现星地资源状态监控信息的自动识别与分析，通过当前状态与历史数据结合推理，提供关键参数变化趋势的预测手段；针对星地资源运行期间可能出现的故障，构建分级统筹的故障知识库和推理工具，能够在第一时间对异常进行分析判断，当系统提示告警后能够进行故障定位并给出可行预案，为排故提供高效服务。

Description

一种大规模低轨卫星星座运控系统自动化运行管理方法

技术领域

本发明涉及自动化控制领域，特别是针对大规模低轨互联网星座高效稳定自动运行需求，设计的运控系统自动化运行管理方法，其设计思路可应用于卫星地面运行管理中心的指挥管理系统，同时该方法亦可应用于地面站网运控管理领域。

背景技术

随着我国商业航天事业的发展与各类低轨卫星星座工程的陆续启动，即将入轨的卫星数量与星座规模与现有卫星系统相比大幅提升，对于地面运维管控设备资源、人力资源带来巨大的挑战，卫星在轨管理与运行控制的开销也十分巨大，目前的在轨卫星管理模式已无法适应商业时代的管理需求。

1)卫星运控管理自动化水平较低

目前卫星运控系统自动化运行管理的工作已经起步，能够根据预定计划，基于时间对时间校正、工况处理等简单管理工作实现自动化操作。但对于具有复杂逻辑相关性的工作，如应急调整、干扰规避等事件，仍然需要人工干预。同时，对于常规的任务规划工作，尽管可以提前规划安排，但由于资源的稀缺性，存在多业务冲突的情况，依然处于人工介入的处理状态。此外，商业化运营的低轨卫星星座系统需要高度自动化的运维管控以降低运营成本和提高运行效率。基于以上几点，迫切需求一种高度自动化的卫星运行管理技术。

2)故障诊断处置严重依赖人工判定

相较于监视与管理已经具备初级的自动化水平，对故障的预警与诊断目前仍处于人工判定阶段，往往是故障发生一段时间才得到判定，不能在第一时间进行处置。延迟的故障处置，轻则造成系统部件损伤，影响工作效能，严重时则会错过处置时机，产生灾难性后果。因此未来的低轨卫星星座运控系统需要实现自动化的故障诊断和处置。

发明内容

本发明的目的是针对上述目前卫星运行管理的不足之处，依据低轨卫星星座运控系统的功能特点和长期高效稳定运行的需求，提出一种面向大规模低轨卫星星座运控系统的高度自动化运行管理方法，对系统在常态下的自动化智能化全流程稳定运行进行设计，在保证系统能够正常完成各项业务的前提下，尽量提高系统运行效率，合理分配人机工作，实现系统在有限人工干预条件下的高效自动运行，达到“有人值守、无人操作”的自动化运行管理设计目标。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到：

大规模低轨卫星星座运控系统自动化运行设计的总体思路是利用云计算平台和大数据平台，基于微服务的软件架构，采用数据驱动与周期滚动计划驱动相结合的方式，根据策略自动启动软件业务服务的调用和业务服务的执行。根据常态化的卫星运行管理需求，制定任务规划、载荷管控、地面站管控、信息组织与管理等业务服务计划，并在数据到达后自动调度业务运行。可在统一的业务运行流程下，通过提高计划的优先级，以保证应急业务的优先处理；对于需要人工干预的业务，能够让操作员通过计划明确了解当前已完成工作及待完成工作，在保障系统运行效率的同时，保证系统业务运行的完整性。

在任务规划方面，系统基于周期滚动方式，自动在固定的时间周期(1～7天，可配置)进行业务需求统筹、星地资源任务规划和计划制定，采用统筹规划算法，综合考虑资源状态、天气情况和干扰规避等多类因素，自动生成未来一段时间的卫星载荷工作计划与地面站跟踪计划。必要时辅以人工干预方式，支持规划算法和规划结果的人工调整与确认，提高星地任务规划效率，保障需求的最大满足以及系统资源效能的充分发挥，同时确保星地资源工作计划的可靠性。

在载荷管控方面，系统根据规划生成的卫星载荷工作计划，完成遥控指令及注入数据的自动生成、自主比对并自动发送给测控站上注卫星；实时接收卫星遥测数据，自动完成遥测数据的处理解析，在此基础上完成卫星载荷状态的监视管理。指令生成、比对与发送等关键环节具备人工干预接口，必要时可以进行人工确认和配置修改。

在地面站管控方面，系统根据规划生成的地面站跟踪计划，自动完成各地面站天线设备工作计划的制定与分发，将设备工作计划、轨道数据和配置参数等信息自动下达各地面站，实时采集各地面站上报的设备状态和计划执行情况，自动完成地面站设备状态的远程监视、远程操控、远程管理。计划下发、参数配置和远程操控等关键环节具备人工干预接口，必要时可以进行人工确认和配置修改。

在故障处置方面，系统基于数据驱动的方式，实时采集星地资源上报的设备状态信息，出现设备故障时，系统基于专家系统自动完成故障定位与异常告警，并根据预定的策略对故障进行自动处置。故障异常处置具备人工干预接口，必要时支持操作员进行人工调整与异常处置。

在态势显示方面，系统实时接收卫星遥测数据，反演形成星座卫星平台及载荷的运行状态，实时接收地面站上报的运行状态，自主完成基于二三维显示平台的星地运行全景态势生成与综合呈现。

在数据与信息管理方面，采用基于策略方式，自动完成各类数据的编目存档、迁移备份和维护管理；自动完成各类信息的备份和优化；自动完成各类信息的统计报表生成及显示；自动生成各类数据及信息维护报告。

因此本发明技术方案为：一种大规模低轨卫星星座运控系统自动化运行管理方法，其中卫星星座运控系统包括：处理终端、后台服务器、存储管理器；自动化运行方法包括：任务规划方法、载荷管控方法、地面站管控方法、信息组织与管理方法；

其中任务规划方法为：

步骤1.1：操作人员通过处理终端对系统运行参数和规划算法进行配置，存储管理器存储运行参数和规划算法；

步骤1.2：存储管理器还存储有地面站天线能力、卫星载荷能力、各卫星轨道数据，并且存储管理器定期从外部系统获取气象预报信息；

步骤1.3：后台服务器定期启动任务规划算法，根据各卫星轨道数据计算出星座内各卫星对各地面站的过站时间窗口；

步骤1.4：后台服务器根据星座内各卫星对各地面站的过站时间窗口、气象预报信息，采用规划算法计算出星座组网规划；

步骤1.5：后台服务器根据星座组网规划和地面站天线能力、卫星载荷能力计算出各卫星载荷工作计划和地面站跟踪计划；

步骤1.6：将步骤1.5得到的各卫星载荷工作计划和地面站跟踪计划由处理终端进行显示，并由存储管理器进行存储，操作员通过处理终端对显示的各卫星载荷工作计划和地面站跟踪计划进行默认或修改；

载荷管控方法为：

步骤2.1：后台服务器实时监听载荷工作计划，如果监听到新生成的载荷工作计划，并行计算出各卫星遥控指令序列，并通过处理终端进行显示，操作员通过处理终端对显示的各卫星遥控指令序列进行默认或修改；

步骤2.2：对各卫星遥控指令序列进行整编，通过存储管理器对整编后的遥控指令进行存储，然后发送给外部测控系统，并通过处理终端对发送状态进行显示；

地面站管控方法为：

步骤3.1：后台服务器实时监听地面站跟踪计划，如果监听到新生成的地面站跟踪计划，并行计算出各地面站天线分配数据，并通过处理终端进行显示，操作员通过处理终端对显示的各地面站天线分配数据进行默认或修改；

步骤3.2：对各地面站天线分配数据进行整编，通过存储管理器对整编后的各地面站天线分配数据进行存储，然后分发给对应的地面站，并通过处理终端对发送状态进行显示；

信息组织与管理方法为：

步骤4.1：后台服务器实时监听外部系统发送的卫星遥测数据、地面站上报的设备工作状态数据；

步骤4.2：当监听到外部系统发送的卫星遥测数据时，首先采用存储管理器对获得的卫星遥测数据进行存储，然后后台服务器通过并行的方式处理各卫星实时遥测数据；当监听到外部系统发送的地面站上报的地面站工作状态数据时，首先采用存储管理器对获得的地面站工作状态数据进行存储，然后后台服务器通过并行的方式处理各地面站实时运行状态；

步骤4.3：后台服务器监视处理后的各卫星实时遥测数据并查找异常处理结果，当找到异常处理结果时发出异常警告，并由处理终端进行显示，由存储管理器进行存储；后台服务器监视处理后的各地面站实时运行状态数据并查找异常处理结果，当找到异常处理结果时发出异常警告，并由处理终端进行显示，由存储管理器进行存储；

步骤4.4：根据后台服务器对卫星实时遥测数据和各地面站实时运行状态数据的监视结果生成系统运行综合态势，并通过处理终端显示；

故障诊断方法为：

步骤5.1：后台服务器实时监听从外部系统发送的星地资源运行数据，当监听到有新的星地资源运行数据时，通过存储管理器进行存储；

步骤5.2：后台服务器对存储的星地资源运行数据进行处理，实时监测处理后的星地资源运行数据中携带的表明星地资源运行是否出现故障的数据，若发现，依据设定的方法自动处置；

步骤5.3：处理终端显示出现星地资源运行出现故障的位置，操作员通过处理终端默认后台服务器的自动处理方法或手动处理故障；

健康状态评估为：

步骤6.1：后台服务器对存储管理器存储的星地资源运行数据进行处理，对各卫星各地面站进行健康评估，并通过处理终端显示，操作员通过处理终端默认操作员通过处理终端默认后台服务器的自动处理方法或自行处理故障或手动管理各卫星和各地面站的运行状态；

步骤6.2：后台服务器根据各卫星各地面站进行健康评估结果，对各卫星或各地面站中的一个或多个设备生成远程标校测试需求，并向对应的卫星或地面站发起标校测试任务；

步骤6.3：对应的卫星或地面站标校测试完成后，接收从相应的卫星或地面站发来的标校测试反馈，由存储管理器进行存储；

步骤6.4：后台服务器根据标校测试反馈生产标校测试报告，由处理终端显示。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

1)提升了运控系统的自动化运行管理水平

目前卫星运控系统具备根据预定计划，基于时间对部分简单管理工作实现自动化操作。但对于具有复杂逻辑相关性的工作，以及存在业务冲突的工作，仍然依赖人工完成。采用本方法研究的卫星地面运控系统，提升了运控系统的自动化运行管理水平。从卫星地面运控系统各类功能入手，分析卫星运控管理中各类事件的动态生成，结合运行管理事件，研究适应卫星复杂任务操作的实时决策与任务驱动机制。同时，从顶层设计综合考虑大规模星座与多任务并行下的冲突消解，提升了大规模星座部署下的地面运控系统自动化管理水平。

2)提升了地面运控系统对星地资源故障的处置能力

目前的星地资源管理中，对故障的诊断处置目前仍处于人工判定阶段，不能在第一时间第一现场及时进行处置。采用本方法研究的卫星地面运控系统，构建了卫星运行管理专家系统，实现星地资源状态监控信息的自动识别与分析，通过当前状态与历史数据结合推理，提供关键参数变化趋势的预测手段，基于专家系统实现星地资源故障诊断定位，针对星地资源运行期间可能出现的故障，构建分级统筹的故障知识库和推理工具，能够在第一时间对异常进行分析判断，当系统提示告警后能够进行故障定位并给出可行预案，为排故提供高效服务。

附图说明

图1是基于周期滚动方式的自动规划与资源管理流程图。

图2是实时故障诊断与健康状态评估自动化运行流程图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。

卫星星座运控系统涉及的运行管理场景包括基于周期滚动方式的自动规划与资源管理场景和实时故障诊断与健康状态评估场景，下面对这两种场景分别作详细说明。

参阅图1。根据本发明，常态下卫星星座运控系统基于周期滚动的方式全流程自动运行，操作人员仅需事前完成系统的运行参数和策略配置，系统依策略自动运行。系统在重要的关键环节具备人工干预接口，必要时操作员可以进行人工确认或干预调整。具体的自动运行过程如下：操作人员进行系统运行参数和策略的配置，系统存储相关配置参数和策略，后续系统基于该策略自动运行；系统后台服务定期启动任务规划业务服务，采用多计算服务并行处理的模式，完成星座内各卫星对各地面站的过站时间窗口计算，存储管理提供轨道数据、地面站站址等支撑数据；后台服务结合可见窗口、卫星载荷能力、地面站天线能力、地面站周期气象信息及各类约束条件，调用任务规划算法，自动完成星地任务的计算，生成卫星载荷工作计划和地面站跟踪计划；存储管理提供规划算法、约束条件等数据支撑，完成各类工作计划的存储；前端处理终端自动刷新显示生成的各类计划列表，提供人工干预的界面；后台服务监听到新生成的载荷工作计划时，自动启动遥控指令生成服务，采用多业务服务并发的模式，完成各卫星载荷的遥控指令和上注数据生成，并定时发送给外部的测控系统；存储管理完成遥控指令序列的存储；前端处理终端自动刷新显示生成的遥控指令列表和指令发送状态，提供人工干预界面；后台服务监听到新生成的地面站跟踪计划时，自动启动地面站参数配置服务，采用多业务服务并发的模式，完成各地面站的参数配置和计划序列生成，并定时分发给全网各地面站系统；存储管理完成各站计划序列的存储；前端处理终端自动刷新显示生成的各站计划列表和计划分发状态，提供人工干预界面；系统通过数据采集服务监听外部系统发送的卫星遥测数据、地面站上报的设备工作状态数据等，基于数据驱动的方式自动实现星地资源状态监视及综合态势生成；星地资源状态数据到达后，系统存储管理自动完成各类状态数据的编目与存储；后台服务实时监听存储的各类状态数据更新情况，根据状态数据更新情况自动完成载荷和地面站等资源状态的监视管理，并完成综合态势的生成；前端处理终端采用多屏显示模式，实现全网星地资源状态、任务状态及综合态势的一体化呈现和状态更新显示。

参阅图2。根据本发明，系统在设备状态监视的基础上，基于各类状态数据自动完成星地资源的实时故障诊断与健康状态评估。后台服务实时监听存储的各类状态数据更新情况，根据状态数据更新情况自动读取最新的星地资源状态数据，完成数据的预处理、清洗、关联和特征提取；后台服务基于监测点数据和判决规则，自动完成星地资源的实时故障监测，当判断星地资源发生故障时，自动在前端处理终端以弹窗、报警声等多种形式发出故障告警提醒；前端处理终端在自动告警的同时，提供人机交互界面，支持操作员进行人工干预与故障处置；后台服务可按照事先设计的故障处置策略自动完成故障处置，保证故障后系统的正常运行；后台服务基于大数据平台和星地资源健康模型，定期自动对星地资源的任务能力及健康状态进行评估；前端处理终端对评估结果进行显示和提醒，提供人机交互界面，支持操作员进行查看和处置；后台服务根据设备运行状态和健康评估结果，基于策略自动生成远程标校测试需求，规划相关设备停机运行要求，自动发起远程标校和测试任务；后台服务实时监听设备反馈的标校测试结果，自动完成标校测试结果的接收、存储和管理，自动生成标校测试报告，提供人机交互接口，供操作员查阅。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (1)

1.一种大规模低轨卫星星座运控系统自动化运行管理方法，其中卫星星座运控系统包括：处理终端、后台服务器、存储管理器；自动化运行方法包括：任务规划方法、载荷管控方法、地面站管控方法、信息组织与管理方法；

其中任务规划方法为：

步骤1.1：操作人员通过处理终端对系统运行参数和规划算法进行配置，存储管理器存储运行参数和规划算法；

步骤1.2：存储管理器还存储有地面站天线能力、卫星载荷能力、各卫星轨道数据，并且存储管理器定期从外部系统获取气象预报信息；

步骤1.3：后台服务器定期启动任务规划算法，根据各卫星轨道数据计算出星座内各卫星对各地面站的过站时间窗口；

步骤1.4：后台服务器根据星座内各卫星对各地面站的过站时间窗口、气象预报信息，采用规划算法计算出星座组网规划；

步骤1.5：后台服务器根据星座组网规划和地面站天线能力、卫星载荷能力计算出各卫星载荷工作计划和地面站跟踪计划；

步骤1.6：将步骤1.5得到的各卫星载荷工作计划和地面站跟踪计划由处理终端进行显示，并由存储管理器进行存储，操作员通过处理终端对显示的各卫星载荷工作计划和地面站跟踪计划进行默认或修改；

载荷管控方法为：

步骤2.1：后台服务器实时监听载荷工作计划，如果监听到新生成的载荷工作计划，并行计算出各卫星遥控指令序列，并通过处理终端进行显示，操作员通过处理终端对显示的各卫星遥控指令序列进行默认或修改；

步骤2.2：对各卫星遥控指令序列进行整编，通过存储管理器对整编后的遥控指令进行存储，然后发送给外部测控系统，并通过处理终端对发送状态进行显示；

地面站管控方法为：

步骤3.1：后台服务器实时监听地面站跟踪计划，如果监听到新生成的地面站跟踪计划，并行计算出各地面站天线分配数据，并通过处理终端进行显示，操作员通过处理终端对显示的各地面站天线分配数据进行默认或修改；

步骤3.2：对各地面站天线分配数据进行整编，通过存储管理器对整编后的各地面站天线分配数据进行存储，然后分发给对应的地面站，并通过处理终端对发送状态进行显示；

信息组织与管理方法为：

步骤4.1：后台服务器实时监听外部系统发送的卫星遥测数据、地面站上报的设备工作状态数据；

步骤4.2：当监听到外部系统发送的卫星遥测数据时，首先采用存储管理器对获得的卫星遥测数据进行存储，然后后台服务器通过并行的方式处理各卫星实时遥测数据；当监听到外部系统发送的地面站上报的地面站工作状态数据时，首先采用存储管理器对获得的地面站工作状态数据进行存储，然后后台服务器通过并行的方式处理各地面站实时运行状态；

步骤4.3：后台服务器监视处理后的各卫星实时遥测数据并查找异常处理结果，当找到异常处理结果时发出异常警告，并由处理终端进行显示，由存储管理器进行存储；后台服务器监视处理后的各地面站实时运行状态数据并查找异常处理结果，当找到异常处理结果时发出异常警告，并由处理终端进行显示，由存储管理器进行存储；

步骤4.4：根据后台服务器对卫星实时遥测数据和各地面站实时运行状态数据的监视结果生成系统运行综合态势，并通过处理终端显示；

故障诊断方法为：

步骤5.1：后台服务器实时监听从外部系统发送的星地资源运行数据，当监听到有新的星地资源运行数据时，通过存储管理器进行存储；

步骤5.2：后台服务器对存储的星地资源运行数据进行处理，实时监测处理后的星地资源运行数据中携带的表明星地资源运行是否出现故障的数据，若发现，依据设定的方法自动处置；

步骤5.3：处理终端显示出现星地资源运行出现故障的位置，操作员通过处理终端默认后台服务器的自动处理方法或手动处理故障；

健康状态评估为：

步骤6.1：后台服务器对存储管理器存储的星地资源运行数据进行处理，对各卫星各地面站进行健康评估，并通过处理终端显示，操作员通过处理终端默认操作员通过处理终端默认后台服务器的自动处理方法或自行处理故障或手动管理各卫星和各地面站的运行状态；

步骤6.2：后台服务器根据各卫星各地面站进行健康评估结果，对各卫星或各地面站中的一个或多个设备生成远程标校测试需求，并向对应的卫星或地面站发起标校测试任务；

步骤6.3：对应的卫星或地面站标校测试完成后，接收从相应的卫星或地面站发来的标校测试反馈，由存储管理器进行存储；

步骤6.4：后台服务器根据标校测试反馈生产标校测试报告，由处理终端显示。

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