CN113791602A - 一种面向深空探测应用的高效载荷探测控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于空间探测技术领域，涉及一种面向深空探测应用的高效载荷探测控制方法，所述方法包括：根据预先注入的工作模式表进行自主运行管理，控制深空探测器上的多个有效载荷协同工作，完成不同科学探测任务；采用基于预设规则的监控措施和基于映像的故障恢复方法对深空探测器上的有效载荷进行自主状态管理，控制有效载荷在无人干预的情况下完成科学探测任务。本发明在我国首次火星探测任务中得到应用，解决了通信能力受限情况下的多载荷协同探测难题，提高了载荷探测自主化程度。

Description

一种面向深空探测应用的高效载荷探测控制方法

技术领域

本发明属于空间探测技术领域，涉及一种面向深空探测应用的高效载荷探测控制方法。

背景技术

深空探测是当前各国航天机构的研究热点，随着科学目标不断复杂化，需要更多先进的载荷和复杂的科学探测流程，这对载荷电子学及整个有效载荷系统的控制和管理提出了更高要求。深空探测器与地球轨道探测器有诸多不同。有效载荷的质量、体积、能源、数据量有严格约束。深空探测器与地面的通信间隔长，通信能力有限，要求有效载荷能够长时间没有监控状态下自主运行和进行科学探测，具有在轨故障自主定位、诊断和修复能力。

深空探测器配置的有效载荷包括多种类型，工作模式差异大，需考虑在资源约束条件下，减少与地面的交互，提高有效载荷探测效率。一是要实现轻小型化，低功耗，提高有效数据比重，降低数据冗余。二是要具备一定的自主任务执行能力，减少对地面控制的依赖，高效地完成科学探测任务。三是要具有健康管理能力，对出现异常的设备，采取修复或隔离措施。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，针对上述需求，以深空探测任务，尤其是行星巡视探测任务为背景，提出了一种面向深空探测应用的高效载荷探测控制方法，能够在资源紧张条件下自主控制有效载荷进行高效科学探测，解决了通信能力受限情况下的多载荷协同探测难题。

为了实现上述目的，本发明提出了一种面向深空探测应用的高效载荷探测控制方法，所述方法包括：

根据预先注入的工作模式表进行自主运行管理，控制深空探测器上的多个有效载荷协同工作，完成不同科学探测任务；

采用基于预设规则的监控措施和基于映像的故障恢复方法对深空探测器上的有效载荷进行自主状态管理，控制有效载荷在无人干预的情况下完成科学探测任务。

作为上述方法的一种改进，所述工作模式表，用于定义深空探测器上的一个或多个载荷基于相对时间的探测动作序列，所述探测动作序列完成一项或多项科学探测任务；工作模式表的数量为多个，具有不同的优先级；每个工作模式表包括若干条载荷指令序列，不同工作模式表的载荷指令序列的条数相等或不等。

作为上述方法的一种改进，所述载荷指令序列包括执行动作指令和等待指令，其中，

所述执行动作指令包括：1字节的载荷编号、1字节的命令类型和2字节的命令参数；

所述等待指令包括：1字节的等待标识和3字节的等待时间，等待时间用于表示前一条指令与下一条指令之间需要间隔的时间，以100ms为单位。

作为上述方法的一种改进，所述工作模式表存储在非易失存储器中，每个工作模式表存储三份，并对存储器采取检错纠错措施；使用时，从非易失存储器中读取工作模式表，校验正确后，放入计算机内存的模式表运行区，并在内存中存储三份，采取三取二冗余设计。

作为上述方法的一种改进，所述根据预先注入的工作模式表进行自主运行管理，控制深空探测器上的多个有效载荷协同工作，完成不同科学探测任务；具体包括：

从非易失存储器中读取工作模式表，校验正确后，放入计算机内存的模式表运行区；

根据工作模式表的优先级不同，先执行高优先级的工作模式表，待高优先级的工作模式表执行完毕后，再执行低优先级的工作模式表，相同优先级的工作模式表同时执行；

从工作模式表的头部开始依次读取载荷指令序列并解析，当载荷指令序列为动作指令时，根据获取的命令类型和命令参数，控制载荷编号对应的载荷设备进行相应动作；当载荷指令序列为等待指令时，根据获取的等待时间，设置读取下一条载荷指令序列的间隔时间；

当科学探测任务不变时，重复调用之前的工作模式表。

作为上述方法的一种改进，所述工作模式表的执行由启动指令触发，执行完毕自行停止或收到停止指令停止执行；停止后，当再接收到启动指令时，从工作模式表的头部开始重新执行，还支持在一个工作模式表执行过程中启动另一个工作模式表。

作为上述方法的一种改进，所述方法还包括通过数据注入指令修改工作模式表；具体包括：

修改在内存中运行的模式表区内容，包括对每个工作模式表单独修改，对所有工作模式表统一修改，和/或修改工作模式表中的单个指令；

当需要存储修改后的工作模式表时，将修改后的工作模式表存储到非易失存储器中。

作为上述方法的一种改进，所述采用基于预设规则的监控措施和基于映像的故障恢复方法对深空探测器上的有效载荷进行自主状态管理；具体包括：

按照尽可能接近故障点的原则设置监测点来监控载荷设备状态，当某个载荷设备出现故障，启动基于映像的故障恢复方法，同时自动禁止该监测点的监控；通过注入指令实现监控使能或监控禁止，通过注入指令修改监控阈值；

所述基于映像的故障恢复方法，具体包括：将各载荷设备的指令划分为状态设置类指令和动作执行类指令，在计算机内存中设置一块区域用于记录载荷设备的状态设置指令，形成该载荷设备的工作状态参数映像，工作状态参数映像根据最新的状态设置指令进行更新；当载荷设备出现故障时，将映像中的工作状态参数发送给该载荷设备，实现载荷设备工作状态的恢复，并通过事件码将故障状态向上位机进行快速报告。

作为上述方法的一种改进，所述事件码，用于表示发生的故障，包括1字节的故障类型和1字节的具体故障原因。

一种面向深空探测应用的高效载荷探测控制子系统，部署在深空探测器的载荷数管系统中，所述子系统包括：自主运行管理模块和自主状态管理模块；其中，

所述自主运行管理模块，用于根据预先注入的工作模式表进行自主运行管理，控制深空探测器上的多个有效载荷协同工作，完成不同科学探测任务；

所述自主状态管理模块，用于采用基于预设规则的监控措施和基于映像的故障恢复方法对深空探测器上的有效载荷进行自主状态管理，控制有效载荷在无人干预的情况下完成科学探测任务。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1、地面控制人员仅需指定探测目标和探测模式，大量的控制指令由探测器载荷数管调用工作模式表指令库完成，极大减小了探测器与地面的交互操作；

2、能够自主对载荷的工作状态进行监控和故障恢复，可以及时发现故障并恢复载荷的工作流程，增加载荷探测机会，增强载荷系统可靠性。

附图说明

图1是本发明面向深空探测应用的高效载荷探测控制方法的原理框图；

图2是本发明的工作模式表构成示意图；

图3是本发明基于工作模式表的科学探测流程。

具体实施方式

本发明所采用的技术方案如下：采用工作模式表进行自主运行管理，控制有效载荷协同工作，完成不同科学探测任务；采用基于预设规则的监控措施和基于映像的故障恢复方法进行自主状态管理，控制有效载荷在无人干预的情况下完成科学探测任务。

一种高效载荷探测控制方法，其工作原理如图1所示，详细的实现过程包括：

(1)采用工作模式表进行自主运行管理，通过运行工作模式表完成不同科学探测任务。

所述工作模式表是由指令和等待时间组成的一组高级指令，工作模式表可定义一个载荷或多个载荷的探测动作，这些探测动作组合起来完成一项或多项科学探测任务。地面规划好探测任务后，探测器的载荷数管软件调用工作模式表完成相应探测任务。

所述工作模式表由探测器的载荷数管软件进行管理，软件将工作模式表解析为多个低级指令来执行。软件自主执行工作模式表中指令，并等待指定的等待时间后再执行下一条指令。工作模式表中指令执行时刻是相对时间的，如果科学探测计划不变，可重复调用之前的工作模式表。软件支持多个工作模式表(模式表0，模式表1……模式表X)，每个工作模式表可容纳M条指令(M大小可不同)。

所述工作模式表设置为不同优先级，其中工作模式表0为高优先级，工作模式表1～N为低优先级，低优先级的工作模式表在高优先级的工作模式表运行完毕后才能执行，同一优先级的工作模式表可同时执行。每个工作模式表中可以包含多个载荷的指令，也可以只包含单个载荷的指令。

所述工作模式表由立即指令或延时指令启动和停止。停止后，再接收到启动指令时，从工作模式表的头部重新开始运行。也可以在一个工作模式表执行过程中启动另一个工作模式表。

优选地，针对深空探测对地通信能力弱和延迟大的特点，所述工作模式表要尽可能短，各条指令格式一致，长度相同。

优选地，所述工作模式表中指令，由4字节组成，字节1为载荷编号，字节2为命令类型，字节3为命令参数高字节，字节4为命令参数低字节。

所述工作模式表存储在非易失存储器中，每个工作模式表单独占用K个单元数据空间，每个工作模式表存储三份，采取三取二冗余设计。对非易失存储器采用多种保护措施，包括使用汉明码、RS编译码对存储数据进行保护。载荷数管上电时，从非易失存储器中读取模式表，校验正确后，放入计算机内存的模式表运行区。工作模式表在内存中也存储三份，采取三取二冗余设计。系统复位时，首先校验内存中工作模式表运行区是否有效，若无效则从非易失存储器中读取该工作模式表，若有效则不必再从非易失存储器中读取。

所述工作模式表可通过数据注入指令修改，首先修改在内存中运行的模式表区内容。可以每个工作模式表单独修改，可以所有工作模式表一起修改，也可以修改工作模式表中的单个指令。需要将修改后的工作模式表存储时，则存储到非易失存储器中。

(2)采用基于预设规则的监控措施和基于映像的故障恢复方法进行自主状态管理。软件按照预设规则设置监测点来监控载荷设备状态，发现故障后，按照预设规则进行故障处理。软件在内存中保存载荷工作参数的映像，故障发生后，根据这些映像恢复载荷的工作状态。通过事件码将故障状态向上位机进行快速报告，以便下传地面。

所述监测点要尽可能接近故障点，即在软件的最底层监测并执行动作。对于所有监控，启动一次异常处理之后，自动禁止监控。各项监控可通过注入指令使能、禁止。监控阈值可通过注入指令修改。

所述基于映像的故障恢复方法，是指软件将各载荷的指令划分为状态设置类指令和动作执行类指令，在计算机内存中设置一块区域用来记录载荷的状态设置指令，形成该载荷的工作状态参数映像，工作状态参数的映像根据最新的指令进行更新。当需要恢复载荷工作状态时，将映像中的工作状态参数发送给载荷，恢复其原有工作状态。

所述事件码，是定义的一组编码，用来表示发生的故障。事件码只有2字节组成，字节1为故障类型，字节2为具体故障原因。通过2字节的事件码，可以在遥测资源受限时，及时获取载荷的故障状态。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

实施例1

本发明的实施例1提出了一种面向深空探测应用的高效载荷探测控制方法，基于工作模式表进行自主运行管理，基于预设规则和映像的故障监测、恢复方法进行自主状态管理，完成有效载荷高效探测任务的工作原理如图1所示。

载荷探测由载荷数管进行控制，载荷数管软件自主地控制载荷完成一次在轨探测。软件通过运行工作模式表的形式，来实现每一种探测任务的工作流程管理。工作模式表以配置数据块的形式固化在存储单元中。

载荷数管的软件支持10个工作模式表(模式表0，模式表1……模式表9)，每个工作模式表的容量为128条指令。将工作模式表设置为两种优先级，其中模式表0为高优先级，模式表1～9为低优先级，同一优先级的模式表可同时执行。

每张工作模式表是由载荷指令序列组成，指令总体上分为两种：执行动作指令和等待指令，如图2所示。执行动作指令由载荷编号(1字节)、命令类型(1字节)和命令参数(2字节)组成。等待指令由等待标识0xFF+等待时间(3字节)组成，等待时间指的是前一条指令与下一条指令之间需要间隔的时间，以100ms为单位。每张模式表可以包含单个载荷的动作序列，也可以同时包含多个载荷的动作序列。

对工作模式表的控制作为一个单独的软件任务，100ms调度一次。模式表任务每次调度最多执行工作模式表中的一条动作。

工作模式表存储在NAND FLASH中的载荷工作模式表存储区，每个模式表单独占用FLASH中的1块数据空间(约为2MB)，每个模式表存储三份。FLASH存储器采用多种保护措施，包括使用(12，8)汉明码进行存储器使用信息保护，使用RS(256，252)编译码对存储数据进行保护。系统上电时，从FLASH中读取模式表，放入SRAM模式表运行区。模式表在SRAM中也存储三份，采取三取二冗余设计。系统复位时，首先校验SRAM模式表运行区是否有效，若无效则从FLASH中读取该模式表，若有效则不必再从FLASH中读取。

可通过数据注入指令修改在SRAM运行的模式表区内容。可以每个模式表单独注入，可以整个模式表一起修改，也可以修改模式表中的单个动作。需要将更新的模式表存储时，则存储到FLASH中。

使用工作模式表完成不同科学探测任务的示例如下：

工作模式表1完成科学探测任务1，科学探测任务1由载荷设备1完成，工作模式表内容包括载荷设备1加电、模式设置、参数配置、模式切换、载荷设备1断电等。

工作模式表2完成科学探测任务2，科学探测任务2由载荷设备2和载荷设备3完成，工作模式表内容包括载荷设备2加电、模式设置、参数配置、模式切换、载荷设备2断电，载荷设备3加电、模式设置、参数配置、模式切换、载荷设备3断电等。

进行科学探测时，如图3所示，按照载荷数管加电、启动工作模式表i、启动工作模式表j、启动模式表m、启动模式表n、数据传输至平台数管、载荷数管断电的流程，可以完成一个或多个科学探测任务。

预设规则的监控措施示例如下：

监测点1：各载荷开机温度；规则：执行载荷加电指令时，判断载荷温度是否达到允许开机温度；采取的动作：满足条件则开机，否则不开机。

监测点2：工作电流；规则：根据载荷工作模式判断整机工作电流；采取的动作：连续3次超出阈值，则给处于加电状态的载荷断电。

监测点3：载荷工作模式设置；规则：判断工作模式与注入指令是否一致，如果不一致，则再次注入“工作模式”指令，并判断返回的工作状态；采取的动作：若连续3次指令均无法改变当前工作模式，则给该载荷断电，间隔3s后再次上电，并恢复其工作状态。

事件码定义示例如下：

事件码由2字节组成，高字节为错误类型，低字节为具体的错误原因。

故障类型1：通信错误，故障原因：标识错误，校验和错误等；

故障类型2：运行错误，故障原因：软件任务挂起，FLASH操作超时，EDAC错误，中断错误等；

故障类型3：数据注入错误，故障原因：长度错误、校验错误、应用过程标识符错误、首包错误、中间包错误、尾包错误等。

故障类型4：工作模式表错误，故障原因：注入的模式表包长度错误、编号错误、内部校验和错误、从FLASH读取的模式表校验错误、系统复位时校验用户保留区中的模式表校验错误等。

故障类型5：在线监控错误，故障原因：工作状态异常，电流异常，温控异常，机构运动异常等。

在具备前述控制方法后，典型使用情况为：地面应用系统科学家将规划好的下一火星日科学探测任务(即载荷工作模式表)上传至火星探测器平台，平台数管将载荷工作模式表转发给载荷数管。当日探测时，载荷数管根据载荷工作模式表自主控制各载荷进行科学探测，并存储科学数据。在探测工作结束后，将科学数据发送至平台数管存储，平台数管在通信弧段将数据下行地面。如果可以使用已存储的工作模式表完成科学探测任务，则不需上传工作模式表，直接调用已存储的工作模式表即可。

实施例2

本发明的实施例2提出了一种面向深空探测应用的高效载荷探测控制子系统，部署在深空探测器的载荷数管系统中，该子系统包括：自主运行管理模块和自主状态管理模块；模块的具体处理过程同实施例1的方法，其中，

所述自主运行管理模块，用于根据预先注入的工作模式表进行自主运行管理，控制深空探测器上的多个有效载荷协同工作，完成不同科学探测任务；

所述自主状态管理模块，用于采用基于预设规则的监控措施和基于映像的故障恢复方法对深空探测器上的有效载荷进行自主状态管理，控制有效载荷在无人干预的情况下完成科学探测任务。

本发明的高效载荷探测控制方法在我国首次火星探测任务中进行了应用，用于对火星车有效载荷的科学探测进行控制。应用结果表明，该控制方法具备较强的自主控制载荷进行科学探测的能力，能够适应深空探测通信延迟大，无实时测控的特点，提高载荷探测自主化程度。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种面向深空探测应用的高效载荷探测控制方法，所述方法包括：

根据预先注入的工作模式表进行自主运行管理，控制深空探测器上的多个有效载荷协同工作，完成不同科学探测任务；

采用基于预设规则的监控措施和基于映像的故障恢复方法对深空探测器上的有效载荷进行自主状态管理，控制有效载荷在无人干预的情况下完成科学探测任务。

2.根据权利要求1所述的面向深空探测应用的高效载荷探测控制方法，其特征在于，所述工作模式表，用于定义深空探测器上的一个或多个载荷基于相对时间的探测动作序列，所述探测动作序列完成一项或多项科学探测任务；工作模式表的数量为多个，具有不同的优先级；每个工作模式表包括若干条载荷指令序列，不同工作模式表的载荷指令序列的条数相等或不等。

3.根据权利要求2所述的面向深空探测应用的高效载荷探测控制方法，其特征在于，所述载荷指令序列包括执行动作指令和等待指令，其中，

所述执行动作指令包括：1字节的载荷编号、1字节的命令类型和2字节的命令参数；

所述等待指令包括：1字节的等待标识和3字节的等待时间，等待时间用于表示前一条指令与下一条指令之间需要间隔的时间，以100ms为单位。

4.根据权利要求3所述的面向深空探测应用的高效载荷探测控制方法，其特征在于，所述工作模式表存储在非易失存储器中，每个工作模式表存储三份，并对存储器采取检错纠错措施；使用时，从非易失存储器中读取工作模式表，校验正确后，放入计算机内存的模式表运行区，并在内存中存储三份，采取三取二冗余设计。

5.根据权利要求4所述的面向深空探测应用的高效载荷探测控制方法，其特征在于，所述根据预先注入的工作模式表进行自主运行管理，控制深空探测器上的多个有效载荷协同工作，完成不同科学探测任务；具体包括：

从非易失存储器中读取工作模式表，校验正确后，放入计算机内存的模式表运行区；

根据工作模式表的优先级不同，先执行高优先级的工作模式表，待高优先级的工作模式表执行完毕后，再执行低优先级的工作模式表，相同优先级的工作模式表同时执行；

从工作模式表的头部开始依次读取载荷指令序列并解析，当载荷指令序列为动作指令时，根据获取的命令类型和命令参数，控制载荷编号对应的载荷设备进行相应动作；当载荷指令序列为等待指令时，根据获取的等待时间，设置读取下一条载荷指令序列的间隔时间；

当科学探测任务不变时，重复调用之前的工作模式表。

6.根据权利要求5所述的面向深空探测应用的高效载荷探测控制方法，其特征在于，所述工作模式表的执行由启动指令触发，执行完毕自行停止或收到停止指令停止执行；停止后，当再接收到启动指令时，从工作模式表的头部开始重新执行，还支持在一个工作模式表执行过程中启动另一个工作模式表。

7.根据权利要求6所述的面向深空探测应用的高效载荷探测控制方法，其特征在于，所述方法还包括通过数据注入指令修改工作模式表；具体包括：

修改在内存中运行的模式表区内容，包括对每个工作模式表单独修改，对所有工作模式表统一修改，和/或修改工作模式表中的单个指令；

当需要存储修改后的工作模式表时，将修改后的工作模式表存储到非易失存储器中。

8.根据权利要求1所述的面向深空探测应用的高效载荷探测控制方法，其特征在于，所述采用基于预设规则的监控措施和基于映像的故障恢复方法对深空探测器上的有效载荷进行自主状态管理；具体包括：

按照尽可能接近故障点的原则设置监测点来监控载荷设备状态，当某个载荷设备出现故障，启动基于映像的故障恢复方法，同时自动禁止该监测点的监控；通过注入指令实现监控使能或监控禁止，通过注入指令修改监控阈值；

所述基于映像的故障恢复方法，具体包括：将各载荷设备的指令划分为状态设置类指令和动作执行类指令，在计算机内存中设置一块区域用于记录载荷设备的状态设置指令，形成该载荷设备的工作状态参数映像，工作状态参数映像根据最新的状态设置指令进行更新；当载荷设备出现故障时，将映像中的工作状态参数发送给该载荷设备，实现载荷设备工作状态的恢复，并通过事件码将故障状态向上位机进行快速报告。

9.根据权利要求8所述的面向深空探测应用的高效载荷探测控制方法，其特征在于，所述事件码，用于表示发生的故障，包括1字节的故障类型和1字节的具体故障原因。

10.一种面向深空探测应用的高效载荷探测控制子系统，部署在深空探测器的载荷数管系统中，其特征在于，所述子系统包括：自主运行管理模块和自主状态管理模块；其中，

所述自主运行管理模块，用于根据预先注入的工作模式表进行自主运行管理，控制深空探测器上的多个有效载荷协同工作，完成不同科学探测任务；

所述自主状态管理模块，用于采用基于预设规则的监控措施和基于映像的故障恢复方法对深空探测器上的有效载荷进行自主状态管理，控制有效载荷在无人干预的情况下完成科学探测任务。

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