CN113110308A

CN113110308A - 一种月面采样三位一体飞控协同工作流程优化方法

Info

Publication number: CN113110308A
Application number: CN202110212608.0A
Authority: CN
Inventors: 朱舜杰; 邹乐洋; 白崇延; 赵洋; 陈春亮; 盛瑞卿; 孟占峰; 邢卓异; 彭兢; 张伍; 杜颖; 黄昊
Original assignee: Beijing Institute of Spacecraft System Engineering
Current assignee: Beijing Institute of Spacecraft System Engineering
Priority date: 2021-02-25
Filing date: 2021-02-25
Publication date: 2021-07-13
Anticipated expiration: 2041-02-25
Also published as: CN113110308B

Abstract

本发明公开了一种月面采样三位一体飞控协同工作流程优化方法，将协同工作程序中固定的常规指令编制为指令链，在任务实施过程中，任务支持中心只需要向控制中心申请一次，便可以完成一连串动作，大大减少了系统间的交互；预先建立的指令库，在任务实施过程中，应对现场决策问题时，可以快速的从指令库中选择相应的指令迅速的形成临时指令计划，极大的减少了现场生成指令的数量；采用了指令优化方法，减少了月面采样期间指令上注次数，提高了采样工作效率；综合使用上述优化方法，使得月面采样三位一体飞控协同工作效率大大提高。

Description

一种月面采样三位一体飞控协同工作流程优化方法

技术领域

本发明属于航天器控制技术领域，具体涉及一种月面采样三位一体飞控协同工作流程优化方法。

背景技术

月面采样封装过程的控制具有着陆姿态、月面形貌、月壤特性、机械臂特性、成像效果不确定因素多等特点，我国首次月面无人自动采样返回任务中，采用了月面三位一体飞控协同工作方式。如图1所示，三位一体指的是控制中心(北京中心)、应用中心、任务支持中心协同工作，完成对月面无人自动采样探测器的飞行控制。控制中心负责对探测器的直接控制，并将探测器遥测、数传数据传输给任务支持中心和应用中心。任务支持中心获取月面环境信息，结合采样封装设备当前工作状况和数字仿真以及地面1:1全物理验证结果，分析选择下一步工作策略或者产生临时工作策略。应用中心接收科学探测数据，分析处理后向控制中心发布，探测结果可供各中心分析决策参考。三位一体的协同工作方式能够有力支持在轨任务。

目前，月面三位一体飞控工作在具体的实施过程中，依据一组形式是绝对时的飞行控制操作序列，它描述了整个飞行过程中测控系统资源运行、控制事件的实施时间、执行者，构成了操作飞行任务的有效路径。但是由于月面工作过程中存在诸多不确定因素，任务过程中不可能完全按照期望的标称状态运行，三位一体的月面采样飞控协同工作方式可以保障探测器有效应对各种状况。

月面采样三位一体飞控协同工作的基本流程是：

1)控制中心按照协同工作程序中规定的时间向探测器发送上行指令，到达程序规定的节点时自动停止；

2)按照协同工作程序中规定的节点，任务支持中心进行分析、判断和决策：

如果状态判断结果可以按照既定的计划继续执行，则通过调度系统向控制中心申请发送协同工作程序中的后续指令；

如果状态判断结果需要使用新的临时计划，则向控制中心提交临时计划，控制中心复核完毕后，通过调度系统向控制中心申请发送临时计划中的后续指令。临时计划如果需要实时生成新指令的，还需要完成现场生成指令会签流程。

3)临时计划执行完毕后，任务支持中心进行分析、判断和决策，如果状态判断结果可以返回既定的计划继续执行，则通过调度系统向控制中心申请按照协同工作程序发送后续指令；如果状态判断结果仍需要使用新的临时计划，参照上一条执行；

4)重复上述流程，直至完成任务目标。

从上述工作流程可以看出，引入任务支持中心能够有效的应对各种不确定因素引起的非标称工况，但是在此传统的系统工作方式下存在以下问题：1)系统间交互增多，占用宝贵的月面工作时间；2)处理无法提前确定、需要根据在轨实际情况现场决策实施的过程时工作效率低。月面采样过程复杂，如不采取有效措施，上述问题将导致无法在规定的时间里完成既定的采样任务目标。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种月面采样三位一体飞控协同工作流程优化方法，可以解决现场决策实施过程效率低的问题，同时减少系统间交互、减少上行遥控指令数量。

一种月面采样三位一体飞控协同工作流程优化方法，地面的控制中心、应用中心及任务支持中心对执行月面采样的探测器进行协同控制，所述优化方法包括指令链方法、指令库方法以及指令优化方法；

所述指令链方法具体为：

将机构运动、重要状态设置、关键过程确认或者其它关心的飞控事件设置为地面判断节点；

检查相邻的地面判断节点之间的事件是否满足形成指令链的条件，如果满足，相邻的地面判断节点之间的指令编制为指令链，并明确指令链的使用方法与要求；

由任务支持中心根据需要申请发送相应的指令链，控制中心负责执行指令链中指令；

所述指令库方法具体为：

将探测器执行月面采样任务过程中所有可能用到的指令预先建立指令库；在任务实施过程中，优先从指令库中挑选指令形成临时计划，由任务支持中心根据需要从指令库中选择指令申请发送，控制中心执行指令发送操作；

所述指令优化方法具体为：

将由某一事件触发确定相关指令执行的序列，固化成程控指令，由探测器数管通过检测相关信号执行；

将相对执行时间固定的一串指令序列，固化成指令组，由地面将该条指令组上注到探测器；

将绝对执行时间固定的一串指令序列，通过延时指令上注探测器上，由探测器按时间顺序执行；

将一串无逻辑相关性指令序列，将不同器的不同类别的指令组合起来，一次性上注到探测器的数管计算机中，由数管计算机解析后顺序分发执行。

进一步的，所述形成指令链的条件为：

(a)指令链内部的各条指令按照既定的顺序和时间间隔执行，无需地面干预；

(b)指令链内部的各条指令仅与指令链首条指令执行时机有关，与外部其它指令时序无硬性关联；

(c)没有安全性风险。

较佳的，在建立指令库之前，先根据月面采样过程，分析梳理各环节可能需要现场判断调整的项目，然后结合实际使用过程，针对不同的项目建立指令库，其中，对于能够穷举的调整项目，将所有可能的指令提前生成列入指令库。

较佳的，在建立指令库时，对于参数无法进行穷举的项目，在各参数调整范围内选择特征点以生成指令库。

较佳的，在建立指令库时，对于机械臂位置姿态项目，当需要调整机械臂位置姿态时，一般是同时调整4个变量，采取解耦的方法建立指令库，即：对机械臂X,Y,Z三个运动方向单独生成指令，在使用时通过多条指令组合的方式实现位置调整。

较佳的，所述一次性上注到探测器的数管计算机包括采用多个遥控帧、多个遥控包、多个遥控数据单元形式。

较佳的，针对形成的指令链，进行试验验证，经试验验证后，设计合理可行，无安全性风险的指令链经会签确认后可用于任务实施。

较佳的，针对预先形成的指令库，进行试验验证；经试验验证后，设计合理可行，无安全性风险的指令库经会签确认后可用于任务实施。

本发明具有如下有益效果：

(1)将协同工作程序中固定的常规指令编制为指令链，在任务实施过程中，任务支持中心只需要向控制中心申请一次，便可以完成一连串动作，大大减少了系统间的交互；

(2)由于采用了预先建立的指令库，在任务实施过程中，应对现场决策问题时，可以快速的从指令库中选择相应的指令迅速的形成临时指令计划，极大的减少了现场生成指令的数量；在嫦娥五号月面无人自动采样返回任务实施过程中，由于采用了指令库的方法，使得整个月面工作期间仅有采样点位置相关指令是现场实时生成(必须依据实际落月情况确定，无法事先生成)，其余的所有指令均为事先生成，相机曝光参数调整、机械臂采样、放样、抓罐、放罐位置精调过程都是从指令库中直接选择发送指令完成的，避免了现场实时生成指令浪费的大量时间。

(3)由于采用了指令优化方法，减少了月面采样期间指令上注次数，提高了采样工作效率。特别是在表取采样放样过程中，合理采用了组合指令优化方式，使得指令注入次数减少20％。

(4)综合使用上述优化方法，使得月面采样三位一体飞控协同工作效率大大提高。在嫦娥五号月面无人自动采样返回任务实施中，综合使用了上述方法，最终在实际任务中，仅用时约21个小时就完成了整个月面采样封装任务，顺利取得了约1.7kg月球样品，比原计划时间约26小时大大提前。

附图说明

图1是月面采样三位一体协同工作示意图。

图2是月面无人自动采样探测器数据注入格式。

图3是通信链路传输单元(CLTU)数据格式。

图4是月面无人自动采样探测器遥控传送帧格式。

图5是月面无人自动采样探测器遥控包格式。

图6是月面采样过程从月面地形成像至钻取加电过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明的月面采样三位一体飞控协同工作流程优化方法，主要包括指令链方法、指令库方法和指令优化方法：

1)指令链方法：

将协同工作程序中，除特殊的判断决策节点外固定的常规指令编制为一串按照既定的顺序和时间间隔执行的指令链；在任务实施过程中，任务支持中心通过向控制中心申请发送指令链的方式，执行一串既定动作。其具体步骤为：

(1)将机构运动、重要状态设置、关键过程确认或者其它关心的飞控事件设置为地面判断节点；

(2)检查相邻的地面判断节点之间的事件是否满足形成指令链的条件，即：

(c)没有安全性风险；

(3)确认后，相邻的地面判断节点之间的指令编制为指令链，并明确指令链的使用方法与要求；

(4)针对形成的指令链，进行试验验证。经试验验证后，设计合理可行，无安全性风险的指令链经会签确认后可用于任务实施；

(5)任务实施中，由任务支持中心根据需要申请发送相应的指令链，控制中心负责执行指令链。

2)指令库方法：

针对现场决策实施过程，将所有可能用到的指令，综合采用穷举、遍历、量化、解耦、组合等方式，预先建立指令库；在任务实施过程中，优先从指令库中挑选指令形成临时计划，尽可能的避免现场生成指令。其具体步骤为：

(1)根据月面采样过程，分析梳理各环节可能需要现场判断调整的项目，一般包括相机参数调整、机械臂位置姿态调整、传感器阈值调整、电机控制参数调整等；

(2)结合实际使用过程，针对不同的项目综合采取穷举、遍历、量化、解耦、组合等方式，预先建立指令库：

(a)对于系统工作模式、相机帧频等能够穷举的调整项目，应将所有可能的指令提前生成列入指令库；

(b)对于传感器阈值、电机控制参数等项目，一般参数类型为浮点型而无法进行穷举，这时需要根据实际应用需要在参数调整范围内合理的选择一些特征点以生成指令库。特征点的选择应根据需要调整的参数的特性确定，例如某电机控制参数在一定范围内与控制效果呈线性关系，则可以在这一范围内使用一个固定的步长确定特征点，而在非线性区域则应当适当的调整步长，以达到精确调整的目的；

(c)对于机械臂位置姿态项目，由于机械臂位置有X,Y,Z三个运动方向，再加上机械臂末端角度，一共有4个维度。在实际应用中，当需要调整机械臂位置姿态时，一般是同时调整4个变量，以达到目标状态。但是在设计指令库时，如果选择将四个变量耦合在一起，将产生维度爆炸。即使在很小的运动范围内，也会产生海量的组合，指令库的规模将过于庞大。例如，在10cm×10cm×10cm的区域内，以1mm为步长，仅针对位置调整就将会产生出10⁶条指令，这样规模的指令库的实用性大打折扣。为了避免维度爆炸问题，将采取解耦的方法。在设计指令库时，对X,Y,Z三个运动方向单独生成指令，在使用时通过多条指令组合的方式实现位置调整。采用解耦方法后，上述例子中只产生300条指令，大大降低了指令库的规模。而在实施过程中，只需要分3次分别执行X,Y,Z方向的运动指令即可。

(3)针对预先形成的指令库，进行试验验证。经试验验证后，设计合理可行，无安全性风险的指令库经会签确认后可用于任务实施；

(4)任务实施中，由任务支持中心根据需要从指令库中选择指令申请发送，控制中心复核后执行指令发送操作。

3)指令优化方法：

通常情况下，探测器飞行控制任务主要以单次注入单一指令的方式为主。采用这种传统的指令上行方式，月面采样工作阶段指令注入数量巨大，整个表取采样过程需要超过1000次指令注入。为了提高月面采样任务期间地面遥控上行的效率，减少指令上注次数，需采取指令优化方法。

一般执行月面采样任务的探测器都具备程控指令、指令组、延时指令和以多帧/多包/多块形式形成的组合指令的功能，这些功能可综合用于指令优化。

(1)程控指令

程控指令通过某一事件触发，探测器器上自主执行的特定指令序列。该指令序列可以是一条指令或一段按时间顺序事先安排好的指令串，当某一事件触发后，软件自主执行相关操作。

(2)指令组

指令组是指为实现特定功能将相关的一些指令组成一个整体，组内指令之间有执行时间要求和执行次序要求。指令组由地面站通过上行遥控指令控制执行，也可由数管软件依据设定的条件程控执行。

(3)延时指令

延时指令是指探测器接收到指令后根据相应的时间码延时一段时间执行的指定动作。延时指令适用于按照绝对时间执行的任务。

(4)多帧/多包/多块组合指令

多帧/多包/多块组合指令是指在地面一次遥控上注过程中，根据上行遥控协议的规定，以多个遥控帧、多个遥控包、多个遥控数据单元形式将不同器的不同类别的指令组合起来，一次统一上注到数管计算机上，由数管计算机解析后顺序分发执行。多帧/多包/多块组合指令可以在轨根据实际情况灵活使用。

因此，综合月面采样探测器的技术状态，对月面采样指令优化主要采用以下方法：

(1)将由某一事件触发确定相关指令执行的序列，固化成程控指令，由探测器数管通过检测相关信号执行；

(2)将相对执行时间固定的一串指令序列，固化成指令组，地面仅需上注一条指令，即可启动器上指令组执行；

(3)将绝对执行时间固定的一串指令序列，通过延时指令上注探测器器上，由探测器按时间顺序执行；

(4)将一串无逻辑相关性指令序列，通过多帧、多包、多块等组合方式上注。

其中，第1)、2)项优化一般是固化在数管计算机软件中，需要进行数管软件更改，在项目研制后期或任务实施阶段，实施优化更改的成本较高，3)、4)项优化则利用月面采样探测器提供的现成的功能接口，只需要在飞控实施过程中进行相应的调整即可。

实施例：

本发明的月面采样三位一体飞控协同工作流程优化方法，主要包括：综合运用本发明提出的指令链、指令库和指令优化方法，第一步是采用指令优化方法将减少原有计划中的指令上注次数，得到优化后的工作程序；第二步是在此工作程序的基础上，采用指令链方法，减少工作程序执行过程中的系统间交互；第三步是对于任务实施过程中可能出现的各种工况进行分析，采用指令库方法，尽可能的事先准备完善各类指令。指令库的设计需要保证能够应对所有的标称工况和各类恶劣的极限工况，指令库既要保证边界够宽又要保证足够细的颗粒度。第四步，针对上述步骤产生的设计结果进行试验验证，试验验证过程尽可能逼近实际在轨任务状态，设备、人员、流程等方方面面都瞄准真实状态。第五步，根据试验验证结果及时改进相关设计，通过试验验证正确有效的状态进行固化，作为在轨应用的基础。

实施例1

以我国首次月面自动采样返回任务嫦娥五号为例，本发明的实现步骤如下：

1)指令优化

在嫦娥五号探测器月面表取采样过程中，表取采样放样将重复进行多次直至完成既定的采样量，针对该过程的指令优化最为重要。优化前计划中单次表取采样放样需用时81min，执行地面上行注入66次。由于每次表取采样放样的时间存在一定的不确定性，且数管无法检测当前状态是否满足采样放样条件，因此延时指令或程控指令方式都无法实现对该程序的优化，可通过指令组或多帧/多包/多块组合指令方式进行优化设计。具体优化方案包括：

方案一：

以机械臂或采样器运动为分割点，前后指令分别编排成相应指令组，地面通过上注34次，可完成所有操作。该方案在轨操作减少约50％，但需要数管计算机软件进行相应的程序修改，增加12个指令组。

方案二：

将部分逻辑耦合度不高的指令合并为单帧多包多块的组合指令，减少上注次数。根据优化，地面可通过上注49次，完成表取采样放样操作。该方案是基于已有状态进行的优化，无须修改器上软件产品状态。探测器多帧、多包、多块组合指令的格式详见图2～图5。

图2是月面无人自动采样探测器数据注入格式，探测器数据注入(含间接指令)采用分包遥控方案，数据结构、格式采用分层结构，各层的数据结构及其关系如图2所示。数据注入格式的具体说明如下：

引导序列：长度为至少为384bits同步的1、0交替序列，1为首位发送；

通信链路传输单元(CLTU)数据格式详见图3说明；

空闲序列：是指令帧序列之间的填充序列，长度为8bits整数倍的1、0交替序列；序列长度不小于128bit。

图3是月面无人自动采样探测器通信链路传输单元(CLTU)数据格式，CLTU数据格式的具体说明如下：

起始序列：2-byte，固定为EB90H；

数据区(8n-byte)：若干个数据传送帧(经过随机化处理后的遥控传送帧)，若所有数据传送帧的总长度不满8字节整数倍，则数据区末尾填充AAH至最近的8字节整数倍。通信链路传输单元(CLTU)数据区的最大长度是512字节，并且数据区长度不能为0；

单个通信链路传输单元(CLTU)最多可包含4个遥控传送帧，多个遥控传送帧之间无填充。遥控传送帧格式详见图4说明；

结尾序列：8-byte，固定为C5C5C5C5C5C5C579H；

随机化处理：在地面使用随机序列与数据区进行异或操作。

图4是月面无人自动采样探测器遥控传送帧格式，其中遥控传送帧格式说明如下：

B0-B1：版本号，固定为“00”；

B2：通过标志，“0”表示帧序列检验使能，“1”表示帧序列检验不使能。传送帧序号和虚拟信道相关，即为每一虚拟信道独立安排传送帧序号。默认每一个帧序列从0开始排号，帧序列中当前帧的帧序号要么和帧序列上一帧序列检验使能的帧序号连续，要么是0，否则帧序号错误；

B3：控制命令标志，固定为“0”；

B4-B5：空闲位，无定义；

B6-B15：航天器标识区分轨道器、返回器、上升器。

B16-B21：虚拟信道标识，固定为000100B；

B22-B31：帧长，整个遥控传送帧字节长度减1；

B32-B39：帧序列序号。如果通过标志为“0”，则检验帧序列序号，否则帧序列序号无定义；

传送帧数据区：8n-bit，整数字节，由若干个遥控包组成，遥控包不跨帧使用；

帧差错控制码：16-bit，循环冗余检错码，校验范围是帧主导头及数据域。

图5是月面无人自动采样探测器遥控包格式，其中遥控包格式说明如下：

B0-B2：版本号，固定为“000”；

B3：类型，固定为“1”，表示遥控包；

B4：副导头标志，固定为“0”，表示没有副导头；

B5-B15：应用过程标识(APID)；

B16-B17：包序列标志，具体含义见表1；

表1遥控包B16和B17含义

B18-B31：包名称或序列计数，对于独立包，表示包名称，对于序列表示序列计数。B16-B31由星上APID指定的系统/进程进行判断；

B32-B47：包长，为遥控包数据域长度减1。

图6是月面采样过程从月面地形成像至钻取加电过程示意图。

综上，表取采样放样程序优化结果表2所示，两种优化方案均有效减少地面指令的上注次数，并缩短程序执行时长。

表2表取采样放样指令优化结果

通过对表取采样放样过程开展指令优化设计，可以得出以下结论：

采用增加指令组方式优化，可有效减少地面上注次数、并适当缩短执行时长，但对于新增的指令组均需要通过在轨程序注入方式对数管软件进行修改，改动量较大。

尽管采用多帧/多包/多块组合指令方式，相比增加指令组方式上注指令次数略多，但也能有效减少地面上注的次数、优化流程，且不改变器上产品状态，最终确定为实际在轨应用的方法。

2)指令链方法

在以上优化后的计划基础上，采用本文所述的指令链方法，从计划中梳理出相应的指令链。以下以月面采样工作月面地形成像和钻取加电过程为例，说明指令链的设计方法。

这一段工作过程，主要包括月面地形成像、相机状态恢复、钻取加电设置、钻进取芯和监视相机切换，中间穿插若干状态判断、现场决策以及有效载荷工作环节。这些穿插的环节自然的将计划分割为若干片段，接下来要对每一个片段进行指令链条件检查。首先，该指令链包括10条指令，这些指令均不涉及机构运动等必须地面干预确认的事项，指令链内部各条指令按照规定的顺序和时间间隔指令，满足条件a；其次，该指令链内部各项指令仅关联其首条指令，没有锚定绝对时间或者外部某一时间基准的事项，满足条件b规定的独立性；举例解释为，例如存在某条指令它必须在一个特定的绝对时间点执行，那么它不应被包括到指令链。因为指令链在月面采样实施过程中可以被灵活使用，只要满足使用条件，可以在任何时间启用。又如存在有条指令必须与另一个事件或者指令间隔特定时间执行的，那么相互关联的指令不可以被分割到不同的指令链中；再次，该指令链是安全的，指令链中的任意一条或多条指令没有按照规定的时间执行时，没有安全性危害。完成上述指令链要求检查后，开展指令链的试验验证和会签入库。

3)指令库方法

为了高效完成月面采样任务，在任务实施前预先建立了指令库，其中涉及采样封装分系统和工程参数测量子系统的指令1119条。在上述指令中，表取指令592条，钻取指令400条，密封指令34条，工参指令93条。

表取指令根据指令用途分为4类：包括精调指令142条，机构运动指令16条，软件设置指令395条，设备开关指令39条。其中精调指令库为取消现场指令会签环节，提高指令发送速度，快速完成表取采样精调任务而设置。精调指令覆盖了表取机械臂在机械臂坐标系下X，Y，Z三个轴的独立运动情况。其中X，Y轴运动位置从-0.5m至0.5m，精调指令最小运动距离为2mm；Z轴运动位置从-1.0m至1.0m，精调指令最小运动距离为2mm。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种月面采样三位一体飞控协同工作流程优化方法，地面的控制中心、应用中心及任务支持中心对执行月面采样的探测器进行协同控制，其特征在于，所述优化方法包括指令链方法、指令库方法以及指令优化方法；

所述指令链方法具体为：

所述指令库方法具体为：

所述指令优化方法具体为：

2.如权利要求1所述的一种月面采样三位一体飞控协同工作流程优化方法，其特征在于，所述形成指令链的条件为：

(c)没有安全性风险。

3.如权利要求1所述的一种月面采样三位一体飞控协同工作流程优化方法，其特征在于，在建立指令库之前，先根据月面采样过程，分析梳理各环节可能需要现场判断调整的项目，然后结合实际使用过程，针对不同的项目建立指令库，其中，对于能够穷举的调整项目，将所有可能的指令提前生成列入指令库。

4.如权利要求3所述的一种月面采样三位一体飞控协同工作流程优化方法，其特征在于，在建立指令库时，对于参数无法进行穷举的项目，在各参数调整范围内选择特征点以生成指令库。

5.如权利要求3所述的一种月面采样三位一体飞控协同工作流程优化方法，其特征在于，在建立指令库时，对于机械臂位置姿态项目，当需要调整机械臂位置姿态时，一般是同时调整4个变量，采取解耦的方法建立指令库，即：对机械臂X,Y,Z三个运动方向单独生成指令，在使用时通过多条指令组合的方式实现位置调整。

6.如权利要求1所述的一种月面采样三位一体飞控协同工作流程优化方法，其特征在于，所述一次性上注到探测器的数管计算机包括采用多个遥控帧、多个遥控包、多个遥控数据单元形式。

7.如权利要求1所述的一种月面采样三位一体飞控协同工作流程优化方法，其特征在于，针对形成的指令链，进行试验验证，经试验验证后，设计合理可行，无安全性风险的指令链经会签确认后可用于任务实施。

8.如权利要求1所述的一种月面采样三位一体飞控协同工作流程优化方法，其特征在于，针对预先形成的指令库，进行试验验证；经试验验证后，设计合理可行，无安全性风险的指令库经会签确认后可用于任务实施。