CN113156983A - 一种基于状态驱动的航天器地外天体采样操控系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于状态驱动的航天器地外天体采样操控系统,包括:信息调度规划子系统、数据综合子系统和接口控制子系统;所述接口控制子系统通过数据链路与目标航天器采样系统连接,完成对目标航天器采样系统的状态信息获取以及向目标航天器采样系统转发控制指令;信息调度规划子系统负责收集数据综合子系统及接口控制子系统传递的任务执行要求,并按照任务要求分解为目标航天器采样系统可执行的指令控制序列,从而目标航天器采样系统根据该指令控制序列完成相应的动作,同时判断当前动作执行是否满足状态要求,并根据执行结果和状态确定和实施下一步的动作操控。
Description
技术领域
本发明涉及航天器或航天器地面试验操作与控制技术领域,具体涉及一种基于状态驱动的航天器地外天体采样操控系统及方法。
背景技术
地外天体无人采样航天器的采样系统设计和采样操控需要面临的困难主要有以下两个方面,一方面是其所处任务执行的环境预先未知,样品采集系统的设计和采样操控方式也存在较大差异;另一方面是航天器上的采样系统与其采样任务环境之间的结构耦合关系多样复杂,且受到较多的条件约束,对操控的可靠性和效率有较高的要求。
现有的航天器操控系统大多以人工判断和决策为基础,地面操作人员根据航天器的当前状态以判断和决策下一步的任务执行目标和操控步骤,针对复杂的操控任务时需要耗费较大的人工成本。也有部分航天器操控系统设计基于时间或事件驱动的方式控制操作目标航天器完成相应的动作或任务,但以时间或事件为驱动的操控系统,多应用于状态确知的操控场合,并不适应于非结构化环境的地外天体的采样操控。
为了确保航天器地外天体采样系统设计的正确,任务操控可靠高效,地面需要针对特定的采样系统设计开展大量的验证试验,在任务执行前对其样品采集控制策略、特殊状况处理策略以及故障应对策略的操作控制方法进行充分验证。采样任务执行中,采样系统要能够快速给出有效的采集控制策略以及特殊状态的处理策略和应对控制方法,从而支持无人采样任务的顺利实施。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种基于状态驱动的航天器地外天体采样操控系统及方法,为支持并满足地外天体土壤样品采集任务的操控可靠性和效率需求,该操控系统需具备基于状态驱动,任务级指令分解及先验知识的操控序列规划生成的特点,该操控方法能够支持完成采样系统的采样验证试验和在轨采样任务实施。
本发明的技术方案为:一种基于状态驱动的航天器地外天体采样操控系统,包括:信息调度规划子系统、数据综合子系统和接口控制子系统;
所述接口控制子系统通过数据链路与目标航天器采样系统连接,完成对目标航天器采样系统的状态信息获取以及向目标航天器采样系统转发控制指令;信息调度规划子系统负责收集数据综合子系统及接口控制子系统传递的任务执行要求,并按照任务要求分解为目标航天器采样系统可执行的指令控制序列,从而目标航天器采样系统根据该指令控制序列完成相应的动作,同时判断当前动作执行是否满足状态要求,并根据执行结果和状态确定和实施下一步的动作操控。
优选地,所述接口控制子系统包括:延时模拟模块、协议映射服务器、链路切换开关、控制指令上行模块、状态数据采集模块和数据接收及转发服务器;
地面验证采样系统通过线缆与所述延时模拟模块连接并进行数据交互,在轨地外天体采样系统通过数据链路与协议映射服务器连接并进行数据交互,延时模拟模块和协议映射服务器通过链路切换开关与控制指令上行模块和状态数据采集模块连接,控制指令上行模块和状态数据采集模块分别与数据接收及转发服务器单向连接,控制指令上行模块将该操控系统通过数据接收及转发服务器发送的遥控指令数据转化为用于控制目标航天器采样系统的数据流,并转发给目标航天器采样系统,状态数据采集模块用于将目标航天器采样系统的遥测数据码流解析为可用的物理工程遥测数据,同时完成图像解码将图像和视频数据流解析为jpg格式的图像数据,并将这些数据转发给数据接收及转发服务器;其中,数据接收及转发服务器运行了指令转发服务软件、遥测数据分发服务软件和图像发布服务软件,用于向信息调度规划子系统转发工程遥测数据和图像文件数据,同时也向控制指令上行模块转发来自信息调度规划子系统的遥控指令数据。
优选地,所述数据综合子系统包括:经验数据库、控制指令编码库和控制指令生成模块;所述经验数据库和控制指令编码库负责维护系统功能操作序列表、模块化操作序列描述表和原子指令描述表,并提供数据查询和存储服务;控制指令生成模块用于完成原子指令的编辑并向控制指令编码库提交原子指令描述表更改请求。
优选地,所述控制指令编码库以数据表的形式存储原子指令和以多个原子指令组成的模块化操作序列,形成原子指令存储表和模块化操作序列存储表;其中,原子指令存储表包含了原子指令的编号、指令编码、执行约束、预期结果和指令描述信息;模块化操作序列存储表包含了操作序列编号、序列所包含的原子指令数、原子指令编号、操作序列执行约束和预期结果;
所述控制指令生成模块接收信息调度规划子系统的指令获取请求信息,通过请求信息中的执行约束和预期结果检索原子指令存储表或模块化操作序列存储表;若控制指令编码库中有符合指令获取请求信息的原子指令或模块化操作序列,则获取原子指令或模块化操控序列信息并送给信息调度规划子系统;若无满足预期的原子指令或模块化操控序列,控制指令生成模块按照指令获取信息生成新的原子指令编码,并分配编号、执行约束和预期结果,存入控制指令编码库;其中,执行约束和预期结果内容可人工进行编辑和修正,之后提取该指令送给信息调度规划子系统;
所述经验数据库包含了控制指令编码库中已有的原子指令和模块化操作序列的状态描述表,同时还包括历史采样验证试验过程中的被确认正确的系统功能操作序列表,系统功能操作序列表、模块化操作序列描述表和原子指令描述表共同构成三层经验数据库的组织架构,支持将信息调度规划子系统提出的系统功能实现请求分解为原子指令执行序列。
优选地,所述信息调度规划子系统包括:采样动作规划模块和任务调度模块;
所述采样动作规划模块通过与数据综合子系统中经验数据库交互,完成对标准任务描述文件的分解和规划,生成任务控制程序,任务调度模块驱动任务控制程序执行,按照任务控制程序的要求,完成以目标航天器实时状态为驱动的操作控制,使目标航天器的执行动作及最终状态满足任务动作执行要求。
优选地,所述信息调度规划子系统还包括:人机交互模块;所述人机交互模块用于收集地面操作人员输出的任务级指令,地面操作人员在人机交互模块对应的界面上选择采样点,人机交互模块将所选采样点的位置、坡度信息发送给采样动作规划模块;
所述采样动作规划模块服务器通过人机交互模块获取任务级指令,按照指令中所选采样点的位置和坡度信息,对任务级指令进行功能分解生成采样策略表;
所述采样动作规划模块根据采样策略表与经验数据库进行交互搜索对应的系统功能操作序列表,并进一步分解为模块化操作序列直至分解为原子指令执行序列,形成由原子指令构成的任务控制程序;
此处,对该操控系统所使用的知识表达进行定义如下:
p={sp,a,ea,P} (1)
式中,p为该操作系统的操作动作,由sp、a、ea、P四元素组成,sp为执行该操作动作的初始状态集合,a为该操作动作的控制方法集合,ea为该操作动作执行完成后的预期状态集合,P为执行该操作所需时间及相应的成功概率描述;通过该知识表达方法,操作系统对模块化操作序列和原子指令的执行条件、执行方法、预期结果以及历史执行情况进行了描述和组织,在操作系统中进行数据处理、信息索引、数据交换和呈现展示,均以该知识表达为基础进行转换和表达;
则原子指令构成的任务控制程序表示为;
依次检查上述原子指令执行序列的各操作节点pi的初始状态与上一操作节点pi-1执行后的预期状态是否一致,若则继续搜索下一操作节点pi;若采样动作规划模块则在经验数据库中搜索所有满足初始状态的原子指令或模块化操作序列,并按照对应知识表达式中的P元素中的执行时间和成功概率进行排序,采用二叉树搜索并排序,找到成功概率大于设定阈值Θ且执行时间最优的序列<pm,pm+1,......,pm+l>,使之满足且插入该序列形成新原子指令执行序列P=<p1,p2,...,pi-1,pm,pm+1,......,pm+l,pi,......,pi+k>,之后继续从pi操作节点处检查原子指令执行序列,直至原子指令执行序列检查验证完毕,向任务调度管理模块提出任务执行申请;
任务调度管理模块接收到任务执行申请,并获得原子指令执行序列P=<p1,p2,...,pi-1,pi,......,pi+m>,依次按原子指令执行序列以状态驱动的方式执行其中的操作节点;当执行到某一操作节点pi时,检查当前操作节点的初始状态要求与目标航天器的当前状态sc是否满足sp∈sc,若是则执行当前节点要求的动作并监视目标航天器的当前状态sc,在给定时间内且sp+1∈sc时继续执行下一操作节点,若在给定时间内则提示地面操作人员目标航天器状态异常,并向采样动作规划模块提交指令,搜索并规划一个临时操作序列PE=<pE1,pE2,...,pEj>满足且由地面操作人员编辑选择并确认是否执行,执行成功后将该经验序列存入经验数据库中,任务调度管理模块按照临时操作序列PE=<pE1,pE2,...,pEj>执行完成后,继续以状态驱动的方式执行任务序列P=<p1,p2,...,pi-1,pi,......,pi+m>中后续的操作节点,直至任务序列中的操作节点执行完成。
优选地,还包括:数据同步控制模块,所述数据同步控制模块配置有稳定时钟源或可外接GPS时钟,为操控系统提供时统服务,完成状态数据的解析和同步处理,从而完成目标航天器采样系统与该操控系统的时统管理、处理同步目标航天器采样系统的下行数据并按时统节拍进行预测插值。
优选地,所述采样策略表由单个或多个功能模块构成,每个功能模块可在经验数据库中查找到对应的系统功能操作序列表,若经验数据库中无对应的系统功能操作序列表,则人工编辑并通过验证试验将该系统功能操作序列表积累添加到经验数据库。
优选地,还包括:N个与信息调度规划子系统相连的状态处理辅助模块,所述状态处理辅助模块可自定义;其中,N为自然数。
一种基于状态驱动的航天器地外天体采样操控方法,包括以下步骤:
S1:采样动作规划模块收到来自人机交互模块的任务级指令;
S2:采样动作规划模块解析任务级指令中包含的目标采样点的位置和坡度信息;
S3:采样动作规划模块根据目标采样点位置和坡度的定义区间,生成采样策略表;
S4:采样动作规划模块根据采样策略表,查询经验数据库将采样策略表分解为系统功能操作序列表序列;
S5:采样动作规划模块按顺序从系统功能操作序列表的序列中提取当前需要执行的功能操作序列表,并分解为原子指令操控序列提交给任务调度管理模块,从而执行该功能操作序列表中的原子指令操控序列;
S6:任务调度管理模块依次提取原子指令操作序列中的原子指令,检查当前目标航天器采样系统状态是否满足当前准备执行的原子指令的执行约束,满足则跳转至S8,不满足则跳转至S7;
S7:任务调度管理模块向控制指令生成模块发出指令请求信息,控制指令生成模块查询已有或新生成指令提交给任务调度管理模块,任务调度管理模块使用该新生成指令设置操控目标采样系统的状态,使之满足原子指令的执行约束;若满足则跳转至S8,若三次指令请求仍无法使操控目标采样系统满足当前原子指令的执行约束,则跳转至S11;
S8:任务调度管理模块监视到目标航天器采样系统状态满足需要执行原子指令的执行约束后,将当前需要执行的原子指令数据送给接口控制子系统的数据接收及转发服务器,数据接收及转发服务器校验指令数据正确后,转发给控制指令上行模块,通过链路切换开关上行至操控目标采样系统,操控目标采样系统执行指令动作;
S9:将操控目标采样系统的状态数据通过接口控制子系统中的链路切换开关经由状态数据采集模块送给数据接收及转发服务器,数据接收及转发服务器进行工程数据解析和图像解码后送给数据同步控制模块进行数据同步处理和发布;
S10:任务调度管理模块从数据同步控制模块处获取图像或操作目标采样系统的状态数据,判断当前原子指令执行完毕后,返回S6继续下一原子指令的执行,若当前功能操作序列表中的原子指令序列执行完成且状态与预期一致,返回S5;若采样动作规划模块处功能操作序列执行完成,则表示当前任务执行结束;
S11:任务调度管理模块向采样动作规划模块发出序列规划请求,将当前状态和操控目标采样系统的状态送给采样动作规划模块,采样动作规划模块查询经验数据库将序列规划请求分解为新的系统功能操作序列表序列,并跳转至S6继续执行。
有益效果:
本发明提出的采样操控系统及方法,为地外天体无人采样航天器的采样系统在任务执行前的设计研制期间试验和任务执行期间的采样操作控制提供系统支持,解决和满足:1)在非结构复杂地外天体表面环境以及具有刚性任务执行的时间约束下,可高效地支持地外天体无人采样航天器的采样系统完成采样任务;2)降低试验及任务执行过程中人工干预程度和干预环节,降低人工疲劳和失误产生的非预期风险,提高试验和任务执行效率;3)模拟深空环境下的通信时延,使采样验证试验的操控环境能够高度模拟在轨采样的任务状态,使验证试验能够极限覆盖在轨任务状态,提高操控的可靠性。
附图说明
图1为本发明提出的一种操控系统的示意图。
图2为本发明提出的一种操控系统中接口控制子系统的示意图。
图3为本发明提出的一种操控系统中经验数据库的组织框架图。
图4为本发明提出的一种操控系统中任务级指令的输入示意图。
图5为本发明提出的一种操控系统的网络结构拓扑图。
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。
实施例1:
本实施例提供了一种基于状态驱动的航天器地外天体采样操控系统,为支持并满足地外天体土壤样品采集任务的操控可靠性和效率需求,该操控系统需具备基于状态驱动,任务级指令分解及先验知识的操控序列规划生成的特点,能够支持完成采样系统的采样验证试验和在轨采样任务实施。
如图1所示,该操控系统包括:信息调度规划子系统、数据综合子系统、接口控制子系统和N个可自定义的状态处理辅助模块;其中,N为自然数;
其中,数据综合子系统、接口控制子系统和N个可自定义的状态处理辅助模块分别与信息调度规划子系统相连;接口控制子系统通过数据链路与操控目标采样系统(本实施例中为目标航天器采样系统)连接,完成对目标航天器采样系统的状态信息获取以及向目标航天器采样系统转发控制指令;信息调度规划子系统是该操控系统的核心,负责收集数据综合子系统及接口控制子系统传递的任务执行要求,并按照任务要求分解为目标航天器采样系统可执行的指令控制序列,从而目标航天器采样系统根据该指令控制序列完成相应的动作,同时判断当前动作执行是否满足状态要求,并根据执行结果和状态确定和实施下一步的动作操控。
本实施例中,如图2和5所示,接口控制子系统的主要功能是与目标航天器采样系统连接并实现信息交互,完成对目标航天器采样系统的状态信息获取以及向目标航天器采样系统转发控制命令;接口控制子系统包括:延时模拟模块、协议映射服务器、链路切换开关、控制指令上行模块、状态数据采集模块和数据接收及转发服务器;
其中,链路切换开关、延时模拟模块和协议映射服务器的具体设置,主要是为了实现地面验证采样操控模式和在轨地外天体采样操控模式之间的切换,从而使地面验证采样试验与在轨地外天体采样系统采样任务的操控状态保持一致;
接口控制子系统中各部分的连接关系描述如下:
地面验证采样系统通过线缆与延时模拟模块连接并进行数据交互,在轨地外天体采样系统通过数据链路(深空数据链路)与协议映射服务器连接并进行数据交互,延时模拟模块和协议映射服务器通过链路切换开关与控制指令上行模块和状态数据采集模块连接,控制指令上行模块和状态数据采集模块分别与数据接收及转发服务器单向连接,控制指令上行模块将该操控系统通过数据接收及转发服务器发送的遥控指令数据转化为用于控制目标航天器采样系统的数据流,并转发给目标航天器采样系统,状态数据采集模块用于将目标航天器采样系统的遥测数据码流解析为可用的物理工程遥测数据,同时完成图像解码将图像和视频数据流解析为jpg格式的图像数据,并将这些数据转发给数据接收及转发服务器;
其中,当链路切换开关切换至地面验证采样操控模式时,地面验证采样系统接入该操控系统中,由于地面验证采样系统与该操控系统距离较近(一般小于100米),从而两系统之间可通过有线线缆连接;延时模拟模块设置在地面验证采样系统的接入口处,通过接收-延时转发的模式用于模拟地外天体的通信延时状态;
当链路切换开关切换至在轨地外天体采样操控模式时,在轨地外天体采样系统接入该操控系统中,且协议映射服务器设置在在轨地外天体采样系统与该操控系统的接入口处,协议映射服务器运行了协议映射服务软件,并能够接收在轨地外天体采样系统通过数据链路传递的数据或来自控制指令上行模块的上行控制数据,进行双向协议变换使之与地面验证采样试验操控模式的数据协议格式一致;
数据接收及转发服务器运行了指令转发服务软件、遥测数据分发服务软件和图像发布服务软件,用于向信息调度规划子系统转发工程遥测数据和图像文件数据,同时也向控制指令上行模块转发来自信息调度规划子系统的遥控指令数据。
本实施例中,数据综合子系统用于组织和管理原子指令操控序列及先验知识和记录信息,如图5所示,数据综合子系统包括:经验数据库、控制指令编码库和控制指令生成模块;经验数据库和控制指令编码库负责维护系统功能操作序列表、模块化操作序列描述表和原子指令描述表等数据库表单,并提供数据查询和存储服务;控制指令生成模块用于完成原子指令的编辑并向控制指令编码库提交原子指令描述表更改请求;其中,原子指令指可直接被目标航天器采样系统执行的,相较于任务级指令而言,不可再分解的指令单元;
具体地:控制指令编码库以数据表的形式存储原子指令和以多个原子指令组成的模块化操作序列,形成原子指令存储表和模块化操作序列存储表;其中,原子指令存储表包含了原子指令的编号、指令编码、执行约束、预期结果和指令描述信息,原子指令以编号作为索引关键字不能为空;模块化操作序列存储表包含了操作序列编号、序列所包含的原子指令数、原子指令编号、操作序列执行约束和预期结果,操作序列以编号作为索引关键字不能为空;
控制指令生成模块,接收信息调度规划子系统的指令获取请求信息,通过请求信息中的执行约束和预期结果检索原子指令存储表或模块化操作序列存储表;若控制指令编码库中有符合指令获取请求信息的原子指令或模块化操作序列,则获取原子指令或模块化操控序列信息并送给信息调度规划子系统;若无满足预期的原子指令或模块化操控序列,控制指令生成模块按照指令获取信息生成新的原子指令编码,并分配编号、执行约束和预期结果等,存入控制指令编码库,其中执行约束和预期结果内容可人工进行编辑和修正,之后提取该指令送给信息调度规划子系统;
经验数据库包含了控制指令编码库中已有的原子指令和模块化操作序列的状态描述表,同时还包括了历史采样验证试验过程中的被确认正确的系统功能操作序列表,如图3所示,系统功能操作序列表、模块化操作序列描述表和原子指令描述表共同构成三层经验数据库的组织架构,支持将信息调度规划子系统提出的系统功能实现请求分解为原子指令执行序列。
本实施例中,如图5所示,信息调度规划子系统包括:数据同步控制模块、采样动作规划模块、任务调度模块和人机交互模块;
人机交互模块用于收集地面操作人员输出的任务级指令,如图4所示,地面操作人员在人机交互模块对应的界面上选择采样点,人机交互模块将所选采样点的位置、坡度等信息发送给采样动作规划模块;
采样动作规划模块服务器通过人机交互模块获取到任务级指令(一般由地面操作人员输出),按照指令中所选采样点的位置和坡度信息,对任务级指令进行功能分解生成采样策略表;其中,采样策略表由单个或多个功能模块构成,每个功能模块可在经验数据库中查找到对应的系统功能操作序列表,若经验数据库中无对应的系统功能操作序列表,则人工编辑并通过验证试验将该系统功能操作序列表积累添加到经验数据库;
采样动作规划模块根据采样策略表依次与经验数据库进行交互搜索对应的系统功能操作序列表,并进一步分解为模块化操作序列直至分解为原子指令执行序列,形成由原子指令构成的任务控制程序;
此处,对该操控系统所使用的知识表达进行定义如下:
p={sp,a,ea,P} (1)
式中,p定义为该操作系统的操作动作,由sp、a、ea、P四元素组成,sp定义为执行该操作动作的初始状态集合,a定义为该操作动作的控制方法集合,ea定义为该操作动作执行完成后的预期状态集合,P定义为执行该操作所需时间及相应的成功概率描述;通过该知识表达方法,操作系统对模块化操作序列和原子指令的执行条件、执行方法、预期结果以及历史执行情况进行了描述和组织,在操作系统中进行数据处理、信息索引、数据交换和呈现展示,均以该知识表达为基础进行转换和表达;
原子指令构成的任务控制程序(如原子指令执行序列)可表示为;
依次检查上述原子指令执行序列的各操作节点pi的初始状态与上一操作节点pi-1执行后的预期状态是否一致,若一致即则继续搜索下一操作节点pi;若不一致即采样动作规划模块则在经验数据库中搜索所有满足初始状态的原子指令或模块化操作序列,并按照对应知识表达式中的P元素中的执行时间和成功概率进行排序,采用二叉树搜索并排序,找到成功概率大于设定阈值Θ且执行时间最优的序列<pm,pm+1,......,pm+l>,使之满足且插入该序列形成新原子指令执行序列P=<p1,p2,...,pi-1,pm,pm+1,......,pm+l,pi,......,pi+k>,之后继续从pi操作节点处检查原子指令执行序列,直至原子指令执行序列检查验证完毕,向任务调度管理模块提出任务执行申请;
任务调度管理模块接收到任务执行申请,并获得的原子指令执行序列P=<p1,p2,...,pi-1,pi,......,pi+m>,依次按原子指令执行序列以状态驱动的方式执行其中的操作节点;具体是,当执行到某一操作节点pi时,检查当前操作节点的初始状态要求与目标航天器的当前状态sc是否满足sp∈sc,若是则执行当前节点要求的动作并监视目标航天器的当前状态sc,在给定时间内且sp+1∈sc时继续执行下一操作节点,若在给定时间内则提示地面操作人员目标航天器状态异常,并向采样动作规划模块提交指令,搜索并规划一个临时操作序列PE=<pE1,pE2,...,pEj>满足且由地面操作人员编辑选择并确认是否执行,执行成功后将该经验序列存入经验数据库中,任务调度管理模块按照临时操作序列PE=<pE1,pE2,...,pEj>执行完成后,继续以状态驱动的方式执行任务序列P=<p1,p2,...,pi-1,pi,......,pi+m>中后续的操作节点,直至任务序列中的操作节点执行完成;
数据同步控制模块配置有稳定时钟源或可外接GPS时钟,为操控系统提供时统服务,完成状态数据的解析和同步处理,从而完成目标航天器采样系统与该操控系统的时统管理、处理同步目标航天器采样系统的下行数据并按时统节拍进行预测插值;
采样动作规划模块通过与数据综合子系统中经验数据库交互,完成对标准任务描述文件的分解和规划,生成任务控制程序,任务调度模块驱动任务控制程序执行,按照任务控制程序的要求,完成以目标航天器实时状态为驱动的操作控制,使目标航天器的执行动作及最终状态满足任务动作执行要求。
本实施例中,任务调度模块和采样动作规划模块该操作系统的核心。
实施例2:
使用实施例1中的操控系统,该操控系统在支持完成地面验证采样试验或在轨地外天体采样任务时,地面操作人员通过人机界面交互模块向操控系统输入任务级指令,操控系统将按照以下方法进行操控:
S1:采样动作规划模块收到来自人机交互模块的任务级指令;
S2:采样动作规划模块解析任务级指令中包含的目标采样点的位置和坡度信息;
S3:采样动作规划模块根据目标采样点位置和坡度的定义区间,生成采样策略表;
S4:采样动作规划模块根据采样策略表,查询经验数据库将采样策略表分解为系统功能操作序列表序列;
S5:采样动作规划模块按顺序从系统功能操作序列表的序列中提取当前需要执行的功能操作序列表,并分解为原子指令操控序列提交给任务调度管理模块,从而执行该功能操作序列表中的原子指令操控序列;
S6:任务调度管理模块依次提取原子指令操作序列中的原子指令,检查当前目标航天器采样系统状态是否满足当前准备执行的原子指令的执行约束,满足则跳转至S8,不满足则跳转至S7;
S7:任务调度管理模块向控制指令生成模块发出指令请求信息,控制指令生成模块查询已有或新生成指令提交给任务调度管理模块,任务调度管理模块使用该新生成指令设置操控目标采样系统的状态,使之满足原子指令的执行约束;若满足则跳转至S8,若三次指令请求仍无法使操控目标采样系统满足当前原子指令的执行约束,则跳转至S11,任务调度管理模块向采样动作规划模块发出序列规划请求,将当前状态和操控目标采样系统状态送给采样动作规划模块;
S8:任务调度管理模块监视到目标航天器采样系统状态满足需要执行原子指令的执行约束后,将当前需要执行的原子指令数据送给接口控制子系统的数据接收及转发服务器,数据接收及转发服务器校验指令数据正确后,转发给控制指令上行模块,通过链路切换开关上行至操控目标采样系统(在轨地外天体采样系统需要通过协议映射服务器),操控目标采样系统执行指令动作;
S9:将操控目标采样系统的状态数据通过接口控制子系统中的链路切换开关(在轨地外天体采样系统需要通过协议映射服务器)经由状态数据采集模块送给数据接收及转发服务器,数据接收及转发服务器进行工程数据解析和图像解码后送给数据同步控制模块进行数据同步处理和发布;
S10:任务调度管理模块从数据同步控制模块处获取图像或操作目标采样系统的状态数据,判断当前原子指令执行完毕后,返回S6继续下一原子指令的执行,若当前功能操作序列表中的原子指令序列执行完成且状态与预期一致,返回S5,任务调度管理模块从采样动作规划模块处获取下一功能操作序列和原子指令序列;如采样动作规划模块处功能操作序列执行完成,则表示当前任务执行结束;
S11:任务调度管理模块向采样动作规划模块发出序列规划请求,将当前状态和操控目标采样系统的状态送给采样动作规划模块,采样动作规划模块查询经验数据库将序列规划请求分解为新的系统功能操作序列表序列,并跳转至S6继续执行。
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 (10)
1.一种基于状态驱动的航天器地外天体采样操控系统,其特征在于,包括:信息调度规划子系统、数据综合子系统和接口控制子系统;
所述接口控制子系统通过数据链路与目标航天器采样系统连接,完成对目标航天器采样系统的状态信息获取以及向目标航天器采样系统转发控制指令;信息调度规划子系统负责收集数据综合子系统及接口控制子系统传递的任务执行要求,并按照任务要求分解为目标航天器采样系统可执行的指令控制序列,从而目标航天器采样系统根据该指令控制序列完成相应的动作,同时判断当前动作执行是否满足状态要求,并根据执行结果和状态确定和实施下一步的动作操控。
2.如权利要求1所述的基于状态驱动的航天器地外天体采样操控系统,其特征在于,所述接口控制子系统包括:延时模拟模块、协议映射服务器、链路切换开关、控制指令上行模块、状态数据采集模块和数据接收及转发服务器;
地面验证采样系统通过线缆与所述延时模拟模块连接并进行数据交互,在轨地外天体采样系统通过数据链路与协议映射服务器连接并进行数据交互,延时模拟模块和协议映射服务器通过链路切换开关与控制指令上行模块和状态数据采集模块连接,控制指令上行模块和状态数据采集模块分别与数据接收及转发服务器单向连接,控制指令上行模块将该操控系统通过数据接收及转发服务器发送的遥控指令数据转化为用于控制目标航天器采样系统的数据流,并转发给目标航天器采样系统,状态数据采集模块用于将目标航天器采样系统的遥测数据码流解析为可用的物理工程遥测数据,同时完成图像解码将图像和视频数据流解析为jpg格式的图像数据,并将这些数据转发给数据接收及转发服务器;其中,数据接收及转发服务器运行了指令转发服务软件、遥测数据分发服务软件和图像发布服务软件,用于向信息调度规划子系统转发工程遥测数据和图像文件数据,同时也向控制指令上行模块转发来自信息调度规划子系统的遥控指令数据。
3.如权利要求2所述的基于状态驱动的航天器地外天体采样操控系统,其特征在于,所述数据综合子系统包括:经验数据库、控制指令编码库和控制指令生成模块;所述经验数据库和控制指令编码库负责维护系统功能操作序列表、模块化操作序列描述表和原子指令描述表,并提供数据查询和存储服务;控制指令生成模块用于完成原子指令的编辑并向控制指令编码库提交原子指令描述表更改请求。
4.如权利要求3所述的基于状态驱动的航天器地外天体采样操控系统,其特征在于,所述控制指令编码库以数据表的形式存储原子指令和以多个原子指令组成的模块化操作序列,形成原子指令存储表和模块化操作序列存储表;其中,原子指令存储表包含了原子指令的编号、指令编码、执行约束、预期结果和指令描述信息;模块化操作序列存储表包含了操作序列编号、序列所包含的原子指令数、原子指令编号、操作序列执行约束和预期结果;
所述控制指令生成模块接收信息调度规划子系统的指令获取请求信息,通过请求信息中的执行约束和预期结果检索原子指令存储表或模块化操作序列存储表;若控制指令编码库中有符合指令获取请求信息的原子指令或模块化操作序列,则获取原子指令或模块化操控序列信息并送给信息调度规划子系统;若无满足预期的原子指令或模块化操控序列,控制指令生成模块按照指令获取信息生成新的原子指令编码,并分配编号、执行约束和预期结果,存入控制指令编码库;其中,执行约束和预期结果内容可人工进行编辑和修正,之后提取该指令送给信息调度规划子系统;
所述经验数据库包含了控制指令编码库中已有的原子指令和模块化操作序列的状态描述表,同时还包括历史采样验证试验过程中的被确认正确的系统功能操作序列表,系统功能操作序列表、模块化操作序列描述表和原子指令描述表共同构成三层经验数据库的组织架构,支持将信息调度规划子系统提出的系统功能实现请求分解为原子指令执行序列。
5.如权利要求3所述的基于状态驱动的航天器地外天体采样操控系统,其特征在于,所述信息调度规划子系统包括:采样动作规划模块和任务调度模块;
所述采样动作规划模块通过与数据综合子系统中经验数据库交互,完成对标准任务描述文件的分解和规划,生成任务控制程序,任务调度模块驱动任务控制程序执行,按照任务控制程序的要求,完成以目标航天器实时状态为驱动的操作控制,使目标航天器的执行动作及最终状态满足任务动作执行要求。
6.如权利要求5所述的基于状态驱动的航天器地外天体采样操控系统,其特征在于,所述信息调度规划子系统还包括:人机交互模块;所述人机交互模块用于收集地面操作人员输出的任务级指令,地面操作人员在人机交互模块对应的界面上选择采样点,人机交互模块将所选采样点的位置、坡度信息发送给采样动作规划模块;
所述采样动作规划模块服务器通过人机交互模块获取任务级指令,按照指令中所选采样点的位置和坡度信息,对任务级指令进行功能分解生成采样策略表;
所述采样动作规划模块根据采样策略表与经验数据库进行交互搜索对应的系统功能操作序列表,并进一步分解为模块化操作序列直至分解为原子指令执行序列,形成由原子指令构成的任务控制程序;
此处,对该操控系统所使用的知识表达进行定义如下:
p={sp,a,ea,P} (1)
式中,p为该操作系统的操作动作,由sp、a、ea、P四元素组成,sp为执行该操作动作的初始状态集合,a为该操作动作的控制方法集合,ea为该操作动作执行完成后的预期状态集合,P为执行该操作所需时间及相应的成功概率描述;通过该知识表达方法,操作系统对模块化操作序列和原子指令的执行条件、执行方法、预期结果以及历史执行情况进行了描述和组织,在操作系统中进行数据处理、信息索引、数据交换和呈现展示,均以该知识表达为基础进行转换和表达;
则原子指令构成的任务控制程序表示为;
依次检查上述原子指令执行序列的各操作节点pi的初始状态与上一操作节点pi-1执行后的预期状态是否一致,若则继续搜索下一操作节点pi;若采样动作规划模块则在经验数据库中搜索所有满足初始状态的原子指令或模块化操作序列,并按照对应知识表达式中的P元素中的执行时间和成功概率进行排序,采用二叉树搜索并排序,找到成功概率大于设定阈值Θ且执行时间最优的序列<pm,pm+1,......,pm+l>,使之满足且插入该序列形成新原子指令执行序列P=<p1,p2,...,pi-1,pm,pm+1,......,pm+l,pi,......,pi+k>,之后继续从pi操作节点处检查原子指令执行序列,直至原子指令执行序列检查验证完毕,向任务调度管理模块提出任务执行申请;
任务调度管理模块接收到任务执行申请,并获得原子指令执行序列P=<p1,p2,...,pi-1,pi,......,pi+m>,依次按原子指令执行序列以状态驱动的方式执行其中的操作节点;当执行到某一操作节点pi时,检查当前操作节点的初始状态要求与目标航天器的当前状态sc是否满足sp∈sc,若是则执行当前节点要求的动作并监视目标航天器的当前状态sc,在给定时间内且sp+1∈sc时继续执行下一操作节点,若在给定时间内则提示地面操作人员目标航天器状态异常,并向采样动作规划模块提交指令,搜索并规划一个临时操作序列PE=<pE1,pE2,...,pEj>满足且由地面操作人员编辑选择并确认是否执行,执行成功后将该经验序列存入经验数据库中,任务调度管理模块按照临时操作序列PE=<pE1,pE2,...,pEj>执行完成后,继续以状态驱动的方式执行任务序列P=<p1,p2,...,pi-1,pi,......,pi+m>中后续的操作节点,直至任务序列中的操作节点执行完成。
7.如权利要求5所述的基于状态驱动的航天器地外天体采样操控系统,其特征在于,还包括:数据同步控制模块,所述数据同步控制模块配置有稳定时钟源或可外接GPS时钟,为操控系统提供时统服务,完成状态数据的解析和同步处理,从而完成目标航天器采样系统与该操控系统的时统管理、处理同步目标航天器采样系统的下行数据并按时统节拍进行预测插值。
8.如权利要求5所述的基于状态驱动的航天器地外天体采样操控系统,其特征在于,所述采样策略表由单个或多个功能模块构成,每个功能模块可在经验数据库中查找到对应的系统功能操作序列表,若经验数据库中无对应的系统功能操作序列表,则人工编辑并通过验证试验将该系统功能操作序列表积累添加到经验数据库。
9.如权利要求1所述的基于状态驱动的航天器地外天体采样操控系统,其特征在于,还包括:N个与信息调度规划子系统相连的状态处理辅助模块,所述状态处理辅助模块可自定义;其中,N为自然数。
10.一种基于状态驱动的航天器地外天体采样操控方法,其特征在于,它使用如权利要求6所述的操作系统,包括以下步骤:
S1:采样动作规划模块收到来自人机交互模块的任务级指令;
S2:采样动作规划模块解析任务级指令中包含的目标采样点的位置和坡度信息;
S3:采样动作规划模块根据目标采样点位置和坡度的定义区间,生成采样策略表;
S4:采样动作规划模块根据采样策略表,查询经验数据库将采样策略表分解为系统功能操作序列表序列;
S5:采样动作规划模块按顺序从系统功能操作序列表的序列中提取当前需要执行的功能操作序列表,并分解为原子指令操控序列提交给任务调度管理模块,从而执行该功能操作序列表中的原子指令操控序列;
S6:任务调度管理模块依次提取原子指令操作序列中的原子指令,检查当前目标航天器采样系统状态是否满足当前准备执行的原子指令的执行约束,满足则跳转至S8,不满足则跳转至S7;
S7:任务调度管理模块向控制指令生成模块发出指令请求信息,控制指令生成模块查询已有或新生成指令提交给任务调度管理模块,任务调度管理模块使用该新生成指令设置操控目标采样系统的状态,使之满足原子指令的执行约束;若满足则跳转至S8,若三次指令请求仍无法使操控目标采样系统满足当前原子指令的执行约束,则跳转至S11;
S8:任务调度管理模块监视到目标航天器采样系统状态满足需要执行原子指令的执行约束后,将当前需要执行的原子指令数据送给接口控制子系统的数据接收及转发服务器,数据接收及转发服务器校验指令数据正确后,转发给控制指令上行模块,通过链路切换开关上行至操控目标采样系统,操控目标采样系统执行指令动作;
S9:将操控目标采样系统的状态数据通过接口控制子系统中的链路切换开关经由状态数据采集模块送给数据接收及转发服务器,数据接收及转发服务器进行工程数据解析和图像解码后送给数据同步控制模块进行数据同步处理和发布;
S10:任务调度管理模块从数据同步控制模块处获取图像或操作目标采样系统的状态数据,判断当前原子指令执行完毕后,返回S6继续下一原子指令的执行,若当前功能操作序列表中的原子指令序列执行完成且状态与预期一致,返回S5;若采样动作规划模块处功能操作序列执行完成,则表示当前任务执行结束;
S11:任务调度管理模块向采样动作规划模块发出序列规划请求,将当前状态和操控目标采样系统的状态送给采样动作规划模块,采样动作规划模块查询经验数据库将序列规划请求分解为新的系统功能操作序列表序列,并跳转至S6继续执行。
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