CN113033982A - 一种对卫星的规划任务进行能源约束检查的方法 - Google Patents

一种对卫星的规划任务进行能源约束检查的方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种在整个卫星运行期内对规划任务进行能源约束检查的方法。本申请的方法利用能源数据库记录卫星整个运行周期的能源数据，可准确获取能源初始值，在能源约束检查不通过时根据任务优先级进行任务调整，并引入了真实的遥测数据对能源数据进行校正消除计算误差，可实现在卫星整个运行周期内准确地进行能源能约束检查。

Description

一种对卫星的规划任务进行能源约束检查的方法
技术领域
本申请涉及卫星任务仿真技术领域，具体涉及一种对卫星的规划任务进行能源约束检查的方法，应用于需要任务规划的对地观测卫星，在整个卫星运行期内对规划任务进行能源约束检查。
背景技术
对地观测卫星携带可见光、电子侦察、合成孔径雷达等星载传感器，获取地面目标的图像和信号等信息，并将这些信息传回地面站分析使用。由于卫星成本高昂，卫星资源显得尤为宝贵，为充分利用星地资源，最大限度地发挥卫星效能，有必要对卫星进行任务规划以最大化利用卫星资源。在任务规划过程中，由于星地资源有限，任务规划需要考虑很多约束，例如卫星姿态约束、载荷工作能力约束以及卫星能源约束等。在过去，卫星的姿态机动能力和星上载荷工作能力限制了单轨的任务执行数量，卫星的能源对任务的约束不成为卫星任务实现能力的主要限制，在进行卫星任务规划时不考虑能源约束，或者只是简单考虑载荷工作期间的能源消耗。随着卫星姿态机动能力和载荷性能的提升，卫星大幅提升了其工作水平，但同时也增加了卫星的能源消耗，有必要对卫星能源预期使用情况进行估计，防止卫星在执行任务时出现能源不足的状况，导致卫星故障及任务无法顺利完成。
目前，针对卫星进行能源约束的研究较少，Trevor Bihl等人提出了卫星能源系统的建模方法和分析工具(Bihl T，Heidenreich J，Allen D，et al.SPECTTRA：A SpacePower System Modeling and Simulation Tool[C]//International Energy ConversionEngineering Conference.2013)。崔文聪等人提出了近地卫星电源系统能量的仿真分析方法(崔文聪，林宝军，吕从民.近地卫星电源系统能量的仿真分析[J].计算机仿真，2005，22(8)：35-36)。李小飞等人提出倾斜轨道能源平衡优化方法(李小飞，乔明，陈琦.倾斜轨道卫星能量平衡优化分析方法[J].航天器工程，2014，23(4)：52-56)，上述方法能够实现卫星的能源消耗计算用于指导卫星电源系统设计，但不是针对卫星规划任务进行能源约束检查。乔亦实等人在中国发明专利申请“一种遥感卫星能源平衡约束分析系统及方法”(申请号：201610609295.1)中披露可针对姿态机动的遥感卫星实施规划任务能源约束检查。张勇等人在中国发明专利申请“一种提高卫星能源使用效率的短期有效载荷工作规划方法”(申请号：2016108333288.X)中披露可针对卫星运行中的每一个轨道圈中的短期有效载荷进行能源约束。
但是，现有的能源平衡计算方法和能源约束系统能够对单次规划任务或单轨道规划任务进行能源约束计算，但是无法在卫星整个运行周期内对多次卫星规划任务进行准确的能源约束检查。这些系统实际运用中规划任务能源约束检查时面临三方面问题：一是每次进行能源约束计算时需要人为给定初始能源值，而规划任务时往往不知道任务开始时的能源情况，特别是规划未来的任务时，无法知道未来时刻的能源初始值；二是由于建模的简化及卫星功耗变化，计算结果与实际结果出现偏差，不进行校正会导致误差积累，从而影响最后的计算结果；三是若规划的任务不能满足能源约束条件，只给出不通过的结果，未提供规划任务调整建议，不利于后期对任务进行快速调整，导致整个任务规划周期过长。
为此，本领域迫切需要开发一种在整个卫星运行期内对规划任务进行能源约束检查的针对卫星规划任务的能源约束系统及方法。
发明内容
本申请之目的在于提供一种在整个卫星运行期内对规划任务进行能源约束检查的针对卫星规划任务的能源约束系统，从而解决上述现有技术中的技术问题。本申请克服了已有能源约束计算方法中能源数据不连续导致初始值不准确、能源约束不通过时未给出调整建议导致任务不能快速调整以及计算误差未被校正导致计算结果不准确的缺点，提出了一种以能源数据库为中心的能源约束检查系统。该系统利用能源数据库记录卫星整个运行周期的能源数据，可准确获取能源初始值，在能源约束检查不通过时根据任务优先级进行任务调整，并引入了真实的遥测数据对能源数据进行校正消除计算误差，可实现在卫星整个运行周期内准确地进行能源能约束检查。
本申请之目的还在于提供一种利用如上所述的针对卫星规划任务的能源约束系统对卫星进行能源约束的方法。
为了实现上述目的，本申请提供下述技术方案。
在第一方面中，本申请提供一种针对卫星规划任务的能源约束系统，所述系统包括能源数据库、任务期能源约束计算模块、任务调整模块、非任务期能源计算模块和遥测校正模块；
其中所述能源数据库构造成记录卫星整个运行周期的能源数据，所述能源数据包括星上时间，卫星工作模式，卫星能源值；
其中所述任务期能源约束计算模块构造成判断卫星的工作模式和充放电状态，再结合卫星在不同工作模式下的能源功耗，计算卫星在一段时间内的能源消耗情况，且判断规划任务是否满足卫星能源约束；
其中所述任务调整模块构造成当任务能源约束不能通过时，对规划任务进行调整，直到规划任务满足能源约束；
其中所述非任务期能源计算模块实现非任务期的能源计算，并将计算得到的非任务期能源数据上注到能源数据库；
其中所述遥测校正模块构造成监测卫星的能源遥测数据，从能源遥测数据中计算出卫星在某时间点的能源值，并与能源约束系统中该时间点的能源数据进行比对，二者不一致时将系统中能源数据校正为遥测计算数据，并对系统中校正点后的数据都实施校正；以及
其中所述任务期能源约束计算模块、任务调整模块、非任务期能源计算模块和遥测校正模块都能与所述能源数据库进行数据交互。
在第一方面的一种实施方式中，所述针对卫星规划任务的能源约束系统还包括数据库维护模块，所述数据库维护模块构造成对所述任务期能源约束计算模块、任务调整模块、非任务期能源计算模块和遥测校正模块中的任一种产生的数据进行维护。
在第一方面的另一种实施方式中，所述任务期能源约束计算模块判断卫星的工作模式和充放电状态时包括使所述针对卫星规划任务的能源约束系统首先获取规划的任务时间表、卫星进出地影时间的轨道信息表，结合卫星的姿态调整策略，判断卫星的工作模式和充放电状态。
在第一方面的另一种实施方式中，所述任务调整模块对规划任务进行调整时包括查询卫星规划任务不满足能源约束时间点前的任务，根据任务优先级从低到高删除任务或者缩短任务时间，一直到调整后的任务能够满足能源约束，待任务调整和能源约束计算完毕后，输出能源约束结果和任务调整建议。
在第一方面的另一种实施方式中，所述非任务期能源计算模块的进行计算时只考虑卫星轨道信息和姿态调整策略。
在第一方面的另一种实施方式中，所述数据维护模块对数据的维护包括下述操作中的一种或几种：重合数据的合并、多余数据的删除、或能源数据更新。
在第二方面中，本申请提供一种利用如第一方面所述的针对卫星规划任务的能源约束系统对卫星进行能源约束的方法，所述方法包括下述步骤：
(1)在任务期内，所述针对卫星规划任务的能源约束系统调用所述任务期能源约束计算模块，判断卫星的规划任务满足能源约束或者卫星的规划任务不满足能源约束，如果规划任务满足能源约束，则实施步骤(2)，如果规划任务不满足能源约束，则实施步骤(3)；
(2)所述任务期能源约束计算模块继续计算下一时间点的能源数据，并再次实施步骤(1)，直到计算结束或者卫星的规划任务不满足能源约束；
(3)所述针对卫星规划任务的能源约束系统调用所述任务调整模块，使得规划任务满足能源约束；
其中，在非任务期间，所述针对卫星规划任务的能源约束系统调用所述非任务期能源计算模块来计算卫星的能源数据并将所得能源数据上注到所述能源数据库。
在第二方面的一种实施方式中，本申请提供一种利用如第一方面所述的针对卫星规划任务的能源约束系统对卫星进行能源约束的方法，所述方法包括下述步骤：
(1)在任务期内，所述针对卫星规划任务的能源约束系统调用所述任务期能源约束计算模块，判断卫星的规划任务满足能源约束或者卫星的规划任务不满足能源约束，如果规划任务满足能源约束，则实施步骤(2)，如果规划任务不满足能源约束，则实施步骤(3)；
(2)所述任务期能源约束计算模块继续计算下一时间点的能源数据，并再次实施步骤(1)，直到计算结束或者卫星的规划任务不满足能源约束；
(3)所述针对卫星规划任务的能源约束系统调用所述任务调整模块，使得规划任务满足能源约束；
其中，在非任务期间，所述针对卫星规划任务的能源约束系统调用所述非任务期能源计算模块来计算卫星的能源数据并将所得能源数据上注到所述能源数据库；以及
其中在对卫星进行能源约束的任意时间点，所述针对卫星规划任务的能源约束系统调用所述数据库维护模块来对所述任务期能源约束计算模块、任务调整模块、非任务期能源计算模块和遥测校正模块中的任一种产生的数据进行维护。
在第二方面的另一种实施方式中，还包括在对卫星进行能源约束的任意时间点，调用所述遥测校正模块，利用卫星遥测数据对能源数据库中的能源数据进行校正。
在第二方面的另一种实施方式中，所述任务调整模块对规划任务进行调整时包括查询卫星规划任务不满足能源约束时间点前的任务，根据任务优先级从低到高删除任务或者缩短任务时间，一直到调整后的任务能够满足能源约束，待任务调整和能源约束计算完毕后，输出能源约束结果和任务调整建议。
与现有技术相比，本申请的有益效果在于本申请的针对卫星规划任务的能源约束系统利用能源数据库记录卫星整个运行周期的能源数据，可准确获取能源初始值，在能源约束检查不通过时根据任务优先级进行任务调整，并引入了真实的遥测数据对能源数据进行校正消除计算误差，可实现在卫星整个运行周期内准确地进行能源能约束检查。
附图说明
图1是本申请的针对卫星规划任务的能源约束系统原理图。
图2是本申请的任务调整模块进行任务调整的示意图。
图3是本申请的非任务期能源计算模块的计算流程图。
图4是本申请的遥测校正模块进行遥测校正的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图以及本申请的实施例，对本申请的技术方案进行清楚和完整的描述。
在第一方面中，本申请提出一种针对卫星规划任务的能源约束系统，该系统以能源数据库为中心，由任务期能源约束计算、任务调整、非任务期能源计算、遥测校正和数据库维护五个模块组成。其中，任务期能源约束计算模块为现有的能源约束系统，其余四模块为本申请提出的方法。通过上述五模块可实现能源数据库对卫星整个运行周期的能源消耗情况进行计算和准确记录，最终达到对规划任务进行能源约束的目的。
任务期能源约束计算与现有的能源约束分析方法类似，系统首先获取规划的任务时间表、卫星进出地影时间的轨道信息表，结合卫星的姿态调整策略，判断卫星的工作模式和充放电状态，再结合卫星在不同工作模式下的能源功耗，可以计算卫星在一段时间内的能源消耗情况，判断规划任务是否满足卫星能源约束。
任务调整模块是本申请提出的方法。当任务能源约束不能通过时，系统利用任务调整模块对规划任务进行调整。具体实施方法为，查询能源约束不通过时间点前的任务，根据任务优先级从低到高删除或者缩短任务时间，一直到调整后的任务能够满足能源约束。待任务调整和能源约束计算完毕后，输出能源约束结果和任务调整建议。
非任务期能源计算是本申请提出的方法。该模块实现非任务期的能源计算，保证能源数据库中能源数据时间上的连续性，使得在任务期进行能源约束时，可以从能源数据库中准确获取能源初始值。其计算方式与任务期能源计算类似，但是只考虑卫星轨道信息和姿态调整策略。
遥测校正模块是本申请提出的方法。系统监测卫星的能源遥测数据，从能源遥测数据中计算出卫星在某时间点的能源值，并与能源约束系统中该时间点的能源数据进行比对，二者不一致时将系统中能源数据校正为遥测计算数据，并对系统中校正点后的数据都实施校正。
数据库维护模块是本申请提出的方法。该模块实现对上述四模块产生的数据进行维护，包括重合数据的合并、多余数据的删除、能源数据更新等操作。
参考图1，图1是本申请的系统原理图。该系统以能源数据库为中心，任务期能源约束计算、任务调整、遥测校正和非任务期能源计算模块都与能源数据库产生数据交互，这些数据都接受能源数据库维护模块的管理，实施数据的保留、删除、更新、丢弃等操作。
在该系统中，任务期能源约束计算模块在任务期由任务规划系统启动调用。当收到任务规划系统的调用后，能源约束系统从规划任务表中读取任务开始时间和结束时间，并从能源数据库中获取初始时间的能源值，以此作为计算初始值。再根据输入的规划任务表和轨道信息表，结合卫星姿态调整策略，综合得到卫星的工作模式，判断卫星充放电情况，最后结合各个工作模式下的功耗表，计算卫星的能源变化直到计算结束。
接下来参考图2，图2表示本申请中任务调整示意图，任务调整模块在任务不满足能源约束时由任务期能源约束计算模块调用。在T5时刻，计算的能源值低于能源阈值，模型会计算到T6时刻，并得到在该时刻模型的能源值V1，用该值可以计算为满足T6时刻能源值大于能源阈值，需要缩短的任务时间。由于T1时刻能源值满，则之前的任务不再调整，模型只对T1-T6之间的任务进行调整。如本文所述使用，术语“能源值满”意指卫星电池电源充满。模型首先逐次检索最低优先级的任务，若满足能源约束，退出调整功能，否则对该优先级或者次低优先级任务继续调整。所述调整包括缩短任务时间或者删除任务。任务调整完毕后，将能源数据库中原来有变化的能源数据进行更新。待计算完毕，输出调整任务的代号，任务规划系统以此进行任务调整。图2显示了调整T4-T6之间任务后的能源值变化。
图3表示本申请中非任务期能源计算流程图。在非任务期间模型定时自动计算，只考虑卫星轨道信息和姿态调整策略。模型首先从能源数据库中获取最晚的时间点作为计算开始时间，从能源数据库中获取该时间的能源值作为计算初始值，再从轨道信息表中读取卫星该时间点后的轨道信息，参考卫星姿态调整策略进行能源计算，并将结果上注能源数据库。
图4显示了本申请的遥测校正示意图。系统引入了卫星遥测对能源数据库中的能源值进行校正。卫星剩余电量与电流、内阻和温度有关，电池内部复杂的电化学反应导致电池剩余电量估计方法复杂、估计结果不准确，难以用卫星遥测量对能源剩余量进行估计。
然而，可以用卫星方阵电流、负载电流以及充放电电流判断卫星电源是否充满。在模型中，获取卫星的能源遥测量，当判断电源充满时，将能源数据库中对应时间点的能源值校正为满。校正时不必对校正时间点后的能源重新进行能源计算，只需根据校正时间点的能源值变化进行相应的线性平移，直到能源值满的下一时间点。模型检测到T1时刻的能源为满，则会对能源数据库中的T1时刻后的能源值进行校正。T1-T2期间能源充电状态，则能源一直为满，T2时刻卫星能源增加了H1，则对后续能源值增加H1一直到能源满。在T4时刻能源值增加H2，由于增加量H2＜H1，则后续能源值增加H2一直到能源满。T6时刻校正前的能源为满，则后续能源无需校正。
系统在能源数据库中建立三个数据表对能源数据库进行维护：任务期数据表、非任务期数据表、能源数据表。任务期的能源计算结果上注在任务期数据表内，任务调整功能会对该数据表中数据进行删除和更新，待计算完毕后，若任务表通过表示任务会最终上注，将该次计算数据拷贝至能源数据表，能源数据表中相同时间内数据将会被覆盖，并对该次任务后续数据进行校正，否则不进行数据拷贝。非任务期计算时，模型查询能源数据表和非任务期数据表，获取最晚时间作为计算起始时间，以读取相应的轨道信息表进行计算，计算完毕后，查询能源数据表最晚时间和其对应能源值，将非任务期数据表中晚于该时间点的数据校正后拷贝至能源数据表。能源数据表存储星上能源值，记录星上能源消耗情况。提供任务期能源约束计算初始值，接收遥测数据校正。
在第二方面中，本申请提供一种利用如第一方面所述的针对卫星规划任务的能源约束系统对卫星进行能源约束的方法，所述方法包括下述步骤：
(1)在任务期内，所述针对卫星规划任务的能源约束系统调用所述任务期能源约束计算模块，判断卫星的规划任务满足能源约束或者卫星的规划任务不满足能源约束，如果规划任务满足能源约束，则实施步骤(2)，如果规划任务不满足能源约束，则实施步骤(3)；
(2)所述任务期能源约束计算模块继续计算下一时间点的能源数据，并再次实施步骤(1)，直到计算结束或者卫星的规划任务不满足能源约束；
(3)所述针对卫星规划任务的能源约束系统调用所述任务调整模块，使得规划任务满足能源约束；
其中，在非任务期间，所述针对卫星规划任务的能源约束系统调用所述非任务期能源计算模块来计算卫星的能源数据并将所得能源数据上注到所述能源数据库。
在一种具体实施方式中，在对卫星进行能源约束的任意时间点，所述针对卫星规划任务的能源约束系统调用所述数据库维护模块来对所述任务期能源约束计算模块、任务调整模块、非任务期能源计算模块和遥测校正模块中的任一种产生的数据进行维护。
在另一种具体实施方式中，还包括在对卫星进行能源约束的任意时间点，调用所述遥测校正模块，利用卫星遥测数据对能源数据库中的能源数据进行校正。
在另一种具体实施方式中，所述任务调整模块对规划任务进行调整时包括查询卫星规划任务不满足能源约束时间点前的任务，根据任务优先级从低到高删除任务或者缩短任务时间，一直到调整后的任务能够满足能源约束，待任务调整和能源约束计算完毕后，输出能源约束结果和任务调整建议。
上述对实施例的描述是为了便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本申请。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必付出创造性的劳动。因此，本申请不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本申请披露的内容，在不脱离本申请范围和精神的情况下做出的改进和修改都本申请的范围之内。

Claims (9)

1.一种对卫星的规划任务进行能源约束检查的方法，其特征在于包括下列步骤：
设置能源约束检查系统于卫星上，其中所述能源约束检查系统包括能源数据库、任务期能源约束计算模块、任务调整模块、非任务期能源计算模块和遥测校正模块；
由能源数据库记录卫星在整个运行周期的能源数据；
由任务期能源约束计算模块判断卫星的工作模式和充放电状态，再结合卫星在不同工作模式下的能源功耗，计算卫星在一段时间内的能源消耗情况，并且判断规划任务是否满足卫星能源约束；
由任务调整模块在任务能源约束不能通过时对规划任务进行调整，直到规划任务满足能源约束；
由非任务期能源计算模块在非任务期进行能源计算，并且将计算得到的非任务期能源数据上注到能源数据库；以及
由遥测校正模块监测卫星的能源遥测数据，并且利用卫星遥测数据对能源数据库中的能源数据进行校正，包括当电源充满时将能源数据库中对应时间点的能源值校正为满；校正时不对校正时间点后的能源重新进行能源计算，只根据校正时间点的能源值变化进行相应的线性平移，直到能源值满的下一时间点。
2.如权利要求1所述的对卫星的规划任务进行能源约束检查的方法，其特征在于，所述系统能源约束检查系统还包括数据库维护模块，其中由数据库维护模块对任务期能源约束计算模块、任务调整模块、非任务期能源计算模块和遥测校正模块中的任一种产生的数据进行维护。
3.如权利要求1或权利要求2所述的对卫星的规划任务进行能源约束检查的方法，其特征在于，所述系统能源约束检查系统还包括：任务期能源约束计算模块、任务调整模块、非任务期能源计算模块和遥测校正模块被配置为可以与能源数据库进行数据交互。
4.如权利要求1或权利要求2所述的对卫星的规划任务进行能源约束检查的方法，其特征在于所述能源数据包括星上时间，卫星工作模式和卫星能源值。
5.如权利要求1或权利要求2所述的对卫星的规划任务进行能源约束检查的方法，其特征在于，由任务期能源约束计算模块检查卫星的工作模式和充放电状态包括下列步骤：
由能源约束检查系统首先获取规划的任务时间表、卫星进出地影时间的轨道信息表；以及
由任务期能源约束计算模块结合规划的任务时间表、卫星进出地影时间的轨道信息表和卫星的姿态调整策略进行分析，以判断卫星的工作模式和充放电状态。
6.如权利要求1或权利要求2所述的对卫星的规划任务进行能源约束检查的方法，其特征在于，由任务调整模块在任务能源约束不能通过时对规划任务进行调整，直到规划任务满足能源约束包括下列步骤：
由任务调整模块查询卫星规划任务不满足能源约束时间点前的任务；
由任务调整模块根据任务优先级从低到高删除任务或者缩短任务时间，直到调整后的任务能够满足能源约束；以及
由任务调整模块在任务调整和能源约束计算完毕后，输出能源约束结果和任务调整建议。
7.如权利要求1或权利要求2所述的对卫星的规划任务进行能源约束检查的方法，其特征在于，由非任务期能源计算模块在非任务期进行能源计算包括：所述能源计算只考虑卫星轨道信息和姿态调整策略。
8.如权利要求2所述的对卫星的规划任务进行能源约束检查的方法，其特征在于，所述由数据维护模块对数据进行的维护包括下述操作中的一种或几种：重合数据的合并、多余数据的删除、或能源数据更新。
9.如权利要求1或权利要求2所述的对卫星的规划任务进行能源约束检查的方法，其特征在于，该方法还包括下列步骤：
(1)在任务期内，由任务期能源约束计算模块判断卫星的规划任务满足能源约束或者卫星的规划任务不满足能源约束，如果规划任务满足能源约束，则实施步骤(2)，如果规划任务不满足能源约束，则实施步骤(3)；
(2)由任务期能源约束计算模块继续计算下一时间点的能源数据，并再次实施步骤(1)，直到计算结束或者卫星的规划任务不满足能源约束；以及
(3)由任务调整模块在任务能源约束不能通过时对规划任务进行调整，直到规划任务满足能源约束。
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