CN114172801B - 一种科学卫星空间探测天地一体化管控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及天地一体化管控技术领域，尤其涉及一种科学卫星空间探测天地一体化管控方法，基于部署在星上的天基系统和部署在地面的地基系统实现，所述方法包括：基于科学卫星空间探测任务，建立天地一体管控业务模型；基于请求‑服务机制和不同的天地智能化级别，建立天地管控交互协议；基于天地一体管控业务模型，以星上自主管控为主，必要时通过地面控制的管控方式，根据天地管控交互协议，实现天地一体化协同管控。本发明的方法为用户提供基于管控引擎的卫星使用模式，实现天地一体的管控协议，天地协议互连互通，数据上下行和配置匹配一致，完成天地协同交互。
Description
技术领域
本发明涉及天地一体化管控技术领域，尤其涉及一种科学卫星空间探测天地一体化管控方法。
背景技术
信息技术的高速发展，大规模集成电路的广泛应用和软件定义卫星的研制和应用，使得在轨自主管控具备技术基础。天地协同一体化管控是解决科学卫星管控需求的有效途径，是信息技术推动卫星管控技术发展的必然结果。
现有的以地面为主的卫星管控，不能完全满足科学卫星工程的需求。星地信息传输的时间、空间和信息量都存在一定局限，且地面需要更充分、及时的掌握星上状态，需要提高对卫星控制和控制效果反馈的效率。
参考文献[1](“一种智能卫星天地一体化协同管控模式探索”，2018年4月发表在《2018软件定义卫星高峰论坛论文汇编》)虽名称为天地一体化协同管控，但是没有考虑到星上天基自主的管控能力，同时所谓的天地一体化是利用北斗短报文进行星地数据交互的可行性，没有考虑到天基和地基之间的管控交互，提出的“请求服务式”管控概念与本发明不一致，是指利用北斗系统进行星地数据交互，只不过是利用了北斗的通道，没有改变传统的管控模式，且只能依赖于北斗系统，有一定的局限性，且没有真正考虑天地一体。
参考文献[2](“长期在轨卫星的天地一体化运行管理系统框架研究”，2007年12月发表在《飞行器测控学报》第26期第6期，起始页码为1)设计开发的天地一体化运行管理系统，综合采用在轨状态数据分析诊断处理技术和地面基于遥测数据的趋势分析与预测技术，旨在通过预测与诊断来避免故障的发生。提出的一套卫星天地一体化运行管理系统包括在轨自主故障诊断系统，地面健康管理系统，一体化大回路系统。第一，星上自主回路；第二，星上和地面人工智能系统形成的天地智能化系统回路；第三，星上、地面智能系统和地面专家组成的天地人大回路。在执行上效率低，成本高，需要有人在回路，且没有考虑天地间的交互，缺乏天地一体的整体考虑与实施。同时只涉及了部分管控内容，形成的只是一体化的故障诊断体系，来共同完成故障的诊断、验证和恢复功能和航天器的健康管理工作。
参考文献[3](“天基信息系统一体化管控体系研究”，2018年2月发表在《指挥控制与仿真》第40卷第1期，起始页码为15)提出的天基信息系统一体化管控体系的实现方案，是以综合的管控体系实现对信息系统整个业务流程和全部业务领域的管理。对于天基系统而言，就是将各子系统管控机构的职能整合，形成一个能够管理系统内各种异构资源、处理各类复杂任务的综合管控体系。但该文主要是从天基的资源动态调用出发，将天地间的管控所有任务的执行最终转换成对具体资源实体的调用，根据用户任务需求的差异来进行系统结构以及资源的调用，设计提出的是一种“自顶向下”的天基信息系统资源动态调用模式，而没有跟地基的情况紧密结合起来，并不是实现的天地一体的管控模式。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种科学卫星空间探测天地一体化管控方法。
为了实现上述目的，本发明提出了一种科学卫星空间探测天地一体化管控方法，基于部署在星上的天基系统和部署在地面的地基系统实现，所述方法包括：
基于科学卫星空间探测任务，建立天地一体管控业务模型；
基于请求-服务机制和不同的天地智能化级别，建立天地管控交互协议；
基于天地一体管控业务模型，以星上自主管控为主，必要时通过地面控制的管控方式，根据天地管控交互协议，实现天地一体化协同管控。
作为上述方法的一种改进，所述天地一体管控业务模型具体包括：
天基自主管控业务模型，用于在不依赖地面设施系统的情况下，自主进行科学卫星空间探测任务的规划调度和监控；
地基主动管控业务模型，用于当卫星或有效载荷出现无预案或未发生过的异常情况时，由地面运控系统不依赖天基系统进行地基主动管控；和
天地协同管控业务模型，用于在天基自主管控模式和地基主动管控模式中，基于智能化与不同的任务度完成级别与请求-服务式管控，天基系统和地基系统主动协同配合完成管控的各个环节，形成天地协同的管控模式。
作为上述方法的一种改进，所述天基自主管控业务模型具体包括：
按照模型化和数据化设计思想，根据每项业务分别构建业务管理平台和应用功能部分，每项业务管理平台均按照管理信息库加电子数据单的数据描述方式进行设计，所述业务包括指令解析与执行、事件管理、在线监控、资源信息管理、任务规划以及卫星常规所需的数据收发、存储与处理。
作为上述方法的一种改进，所述地基主动管控业务模型具体包括：
按照模型化定义和描述方法思路，分别构建不同业务的处理模块，所述业务包括任务分析模块、规划计划模块、指令生成模块、数据处理与判读模块、任务监视与评估模块、异常处置模块以及卫星有效载荷健康管理模块。
作为上述方法的一种改进，所述天地协同管控业务模型包括上行管控协同模式、下行管控协同模式、地基+天基管控模式和天基+地基管控模式；其中，
所述上行管控协同模式具体包括：依据智能化级别设计思想，由地基系统分别完成任务级、事件级和指令级的数据注入生成，上注到天基系统，由天基系统根据不同级别完成相应的指令解析与执行；
所述下行管控协同模式具体包括：依据天基系统的在线监控或监视结果，由地基系统完成异常处置与指令生成或对地基系统完成的处置结果进行管理；
所述地基+天基管控模式具体包括：针对数据时效性和准确度要求高的天基数据，由地基系统向天基系统发送管控请求，由天基系统对管控请求作出响应，进行管控，并将管控结果通过下行遥测发送至地基系统；
所述天基+地基管控模式具体包括：针对历史数据需要进行大量复杂计算时，由天基系统向地基系统发送管控请求，由地基系统对管控请求作出响应，进行管控，并将管控结果通过上行遥控发送至天基系统。
作为上述方法的一种改进，针对上行遥控和下行遥测分别设计包数据域，其中，
当数据通过上行遥控发送时，包数据域包括：包副导头、遥控应用数据域和包差错控制域；其中，包副导头长度4字节，包括4位PUS版本、4位ACK执行情况标识、8位服务类型、8位服务子类型和1字节遥控指令发送源；
当数据通过下行遥测发送时，包数据域包括：包副导头和源数据；其中，包副导头长度10字节，包括4位PUS版本、4位空闲、8位服务类型、8位子服务类型和7字节时间码。
作为上述方法的一种改进，所述请求-服务机制具体包括：
当天基系统需要地基系统提供管控服务时，由天基系统发送管控请求，由地基系统完成管控请求反馈，并将信息反馈给天基系统；
当地基系统需要天基系统提供管控服务时，由地基系统发送管控请求，由天基系统完成管控请求反馈，并将信息反馈给地基系统。
作为上述方法的一种改进，所述天地数据交互协议依据XFDU协议，PUS协议和/或CCSDS协议的标准进行协议设计，包括任务级协议要求、事件级协议要求、指令级协议要求和请求-服务协议要求。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1、本发明的方法提出天地协同的管控模式，实现不同智能化级别的管控上行控制，地基系统可上注天基可执行的指令级，事件级和任务级注入数据，天基系统可按不同级别解析执行；
2、本发明的方法设计基于PUS(Packet Utilization Standard包应用标准)协议的服务-请求式天地一体化卫星管控模式，为用户提供基于管控引擎的卫星使用模式；
3、本发明的方法实现天地一体的管控协议，天地协议互连互通，数据上下行和配置匹配一致，完成天地协同交互。
附图说明
图1是天基自主管控业务功能部署模型；
图2是地基主动管控业务功能模型；
图3是地基+天基的异常处置管控模型；
图4是地基+天基的上行管控业务模型；
图5是天基+地基的任务规划业务管控模型；
图6是天基+地基的在线监控业务管控模型；
图7是星载数据管理应用层业务标准体系；
图8是地基运控应用层业务标准体系；
图9是请求-服务管控协议数据包结构图；
图10是图9的数据包为遥控数据时副导头的结构图；
图11是天地一体化管控模式下协同工作流程图。
具体实施方式
本发明提出的一种科学卫星空间探测天地一体化管控方法，通过星上自主管控为主、必要时通过地面控制的一体化管控方式，研究形成的天地一体化协同管控系统，是确保科学卫星任务在轨安全、可靠运行的基础。
从天地一体化卫星管控业务模型出发，分析研究科学卫星工程在轨管控的任务信息，分析在轨管控的星地资源，形成一体化卫星管控的业务模型。
研究制定天地一体化卫星管控协议。根据一体化管控业务模型，结合科学卫星在轨管控任务信息，研究制定天地一体化管控协议；
研制天基管控协议引擎。根据一体化管控协议，结合卫星提供的天基运行环境，研发一体化管控协议中的天基管控协议引擎，具备星上自主管控的能力；
研制地基管控协议引擎。根据一体化管控协议，结合地面管控任务、天基管控接口，研发一体化管控协议中的地基管控协议引擎，具备星地一体化管控的能力。
能够解决并实现常规情况下，天基自主管控；在科学机遇事件和异常处置时，地基主动管控；根据任务需要，天基和地基互相请求的天地一体化管控，可通过北斗信道，数传信道，遥测信道实现基于天地管控协议的天地一体化管控。
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
发明的实施例1提出了一种科学卫星空间探测天地一体化管控方法，所述方法包括：
1.为各项管控业务建立天地一体管控模型；
2.建立天基管控协议，地基管控协议和天地数据交互协议(又称天地一体化管控协议)；
3.通过管控业务模型和管控协议，实现天地一体化管控的各项业务；
4.当天基需要地基提供管控服务时，由天基发送管控请求，由地基完成管控请求反馈，并将信息反馈给天基；当地基需要天基提供管控服务时，由地基发送管控请求，由天基完成管控请求反馈，并将信息反馈给地基；
5.天基和地基共同配合实施卫星管控业务。
根据上述方法要求的步骤，进行详细阐述。
1.为各项管控业务建立天地一体管控模型
天基自主管控业务模型：
天基所有业务按照模型化和数据化设计思想构建，每项业务可分为通用的业务管理平台和在此之上的应用功能两部分分别建模，业务管理平台按照管理信息库(MIB)加电子数据单(EDS)的数据描述方式设计。在MIB中统一管理业务所需的各种数据信息，通过EDS的方式对外交换配置信息。这些配置信息可以来自不同的系统，通过输入输出的转换，为业务内部所使用，从而隔离了业务功能的设计，提高了业务的适应性和可重用性。
天基自主管控是指卫星任务在不依赖地面设施系统的情况下，自主进行规划调度和监控。除了卫星常规所需的数据收发、存储、处理之外，管控业务主要可以分为5个部分，即指令解析和执行、事件管理、在线监控、资源信息管理和任务规划。其中指令解析和执行又可以细分为数据注入接收、指令解析、执行、转发和宏指令管理，以及在执行、转发过程的队列管理。这些业务在星载数管中的功能配置见图1。
地基主动管控业务模型
地基主动管控业务模型研究主要是按照模型化定义和描述方法思路构建，针对卫星任务在轨过程中，当卫星或有效载荷出现无预案或未发生过的异常情况下，地面运控系统不依赖天基自主规划、自主监控等能力，进行地基主动管控业务。
针对天地一体化管控特点，从地基主动模式的管控需求出发，进行管控业务概念模型研究，主要包括任务分析、规划计划、指令生成、数据处理与判读、任务监视与评估、异常处置和卫星有效载荷健康管理7部分，如图2所示。
天地协同管控业务模型：
天地协同管控业务模型研究主要是在天基自主管控模式和地基主动管控模式中智能化与任务度完成的级别不同，天基和地基主动协同配合完成管控的各个环节，形成天地协同的管控模式。
上行管控协同模式：依据地基智能化级别设计的不同(任务级/事件级/指令级)，由地基分别完成任务级(任务信息)，事件级(事件表)和指令级的数据注入生成，上注到天基，由天基根据不同级别完成指令解析与执行。
下行管控协同模式：依据天基在线监控实施的层次不同(在线监控/在线监视)，由地基完成异常处置与指令生成或由地基完成天基反馈的处置结果的管理。
天地一体管控业务模型：
天地一体管控业务模型研究主要是在天基自主管控模式中和地基主动管控模式中，地基和天基可不同层级打断天基自主和地基主动的管控模式，形成天基+地基的天地一体管控模式。
地基+天基管控模式：在地基为主的管控模式中，因天基数据时效性和准确度更高，地基向天基发送管控请求，可由天基对管控请求作出响应，进行管控，并将管控结果下行到地基。
天基+地基管控模式：在天基为主的管控模式中，因历史数据积累需要大量的复杂计算时，天基向地基发送管控请求，可由地基对管控请求作出响应，进行管控，并将管控结果上行到天基。
无论地基处于何种管控模式(地基主动管控、天地一体管控)，天基都是在自主管控模式下运行。所不同的是，当地面管控请求上行给天基系统时，天基系统需要作出优先响应。这种优先响应的关系主要体现在两个维度上，一是天基系统保持自主管控运行状态，但需要对地基管控请求作出及时的响应。二是天基系统只维持最低限度的自主运行，而根据地基管控请求不同的指令级别(指令级、计划级和任务级)作出响应。但无论是哪种响应关系，天基系统的架构、业务配置都是一样的，只是执行过程中的配置状态不同而已，体现在不同被管控业务的设计(规范)中。
地基+天基管控模型
在以地基为主的一体管控模式下，基于天基数据时效性和准确度更高，地基向天基发送管控请求，天基对管控请求作出响应，进行管控，并将管控结果下行到地基，主要包括异常处置业务，上行管控业务和下行管控业务这三大类。
异常处置
地基异常处置向天基发起管控请求，请求获得时效性高的和综合性、颗粒度更大的数据，由天基返回请求结果(相应HK数据)到地基，地基数据处理与判读，任务监视与评估，异常处置，指令生成继续完成后续异常处置管控工作。采用协议栈的方式进行描述，具体流程如图3所示。
1)地基数据处理与判读根据天基下行的HK数据进行载荷状态处理与判读，并将载荷状态信息和参数监视信息发至地基任务监视与评估；
2)地基任务监视与评估分析提取载荷状态异常信息；
3)地基异常处置根据载荷状态异常信息与故障预案，为确认异常处置的准确性，向天基在线监控发出管控请求，请求时效性更好，参数综合判断性更高的HK数据；
4)天基在线监控根据管控请求进行处理，通过下行通道提供相应的HK数据到地基；
地基数据处理与判读，任务监视与评估，异常处置，指令生成按照地基主动管控模型，完成后续管控工作
上行管控
地基任务分析和规划计划向天基资源信息管理发起管控请求，由天基资源信息管理完成请求数据下行，并返回请求的状态数据到地基，具体流程如图4所示。
1)地基任务分析和规划计划在进行任务分析和安排时，分别可向天基资源信息管理提出状态数据请求；
2)天基资源信息管理根据请求信息，提供任务分析和任务规划需要的相关业务数据和状态信息，反馈给地基；
3)地基任务分析根据天基下传的最新的数据信息，进行任务分析与规划计划，分别上注和载荷控制计划到天基；
4)天基指令解析与执行对地基上注的任务级(任务信息)和事件级(事件表)数据转化为可执行的指令对象，完成指令解析与执行。
下行管控
天基在线监控只能对指令级的数据注入进行完成情况评估，地基任务监视与评估需要对事件级和任务级的数据注入进行完成情况评估。此种模式下，不用地基与地基发送管控请求，只需天基完成指令级完成情况评估，地基完成事件级和任务级完成情况评估。
天基+地基管控模型
在以天基为主的一体管控模式下，有时会需要大量数据量的计算和分析工作，天基可向地基发送管控请求，可由地基对管控请求作出响应，进行管控，并将管控结果上行到天基，主要包括任务规划业务，在线监控业务这两大类。
任务规划
在天基为主的天基+地基的一体管控模式下，天基任务规划向地基规划计划发起管控请求，由地基完成任务规划，并将规划后的事件表(事件级)上行并反馈到天基，由天基资源信息管理，事件管理和指令解析与执行完成载荷任务处理与执行，具体流程如图5所示。
1)天基资源信息管理向天基任务规划提供需要的信息，包括任务所需的资源状态和可使用性；
2)天基任务规划根据卫星当前的资源状况及其他约束条件，将任务管控需求发送至地基规划计划；
3)地基规划计划通过管控需求和规划模型，将任务信息转化为可执行的事件表(事件级数据注入)；
4)地基规划计划将事件表上行控制和请求结果反馈到天基任务规划；
5)天基任务规划将事件表转化为可执行的指令对象，完成指令解析与执行。
在线监控
天基在线监控业务向地基异常处置发起管控请求，由地基数据处理与判读，任务监视与评估，异常处置和有效载荷健康管理完成管控请求，反馈任务完成情况和处置方案到天基在线监控，具体流程如图6所示。
1)天基在线监控在进行设备级异常分析与处置时，可向地基异常处置发送管控请求；
2)地基健康管理根据地基异常处置发送的管控请求，结合载荷状态信息，进行故障分析与诊断，并将分析结果反馈地基异常处置；
3)地基异常处置生成处置方案和设备级分析结果，地基指令生成根据处置方案生成对应的数据注入，通过上行通道发送到天基；
4)天基根据反馈结果进行后续的指令解析与执行。
2.设计天基管控协议，地基管控协议和天地间数据交互协议
星载数据管理按照遥控和遥测的上下行数据流可以划分为两个部分，一是星载管控部分，二是星载数据组织部分。星载管控部分主要以遥控数据注入为主要手段，实施对星载设备、功能、任务的控制和管理。星载数据组织部分主要以遥测数据处理为主要手段，实施对星上生成的各种数据进行采集、处理、组织和传输。为了实现这两个部分的设计，首先需要规定完整的方案原理设计，统一数据的组织形式，为此需要制定如下原理性规范：
1)星载管控原理
为达到本地化的目的，需要结合已有的实践经验和基础，论述星载数据管理系统管控的原理思路、方法和架构，为指定后续管控规范提供总体指南。
2)数据注入格式
在PUS的请求指令包的建模基础上，结合自身的经验，建立适用于有效载荷的数据注入包、指令包的格式模板。本项对应了PUS各业务的遥控请求包格式定义，是PUS请求包的本地化改造的结果。
3)星载数据组织原理
为达到本地化的目的，需要结合已有的实践经验和基础，论述我们星载数据管理系统的数据采集、处理、组织、传输的原理思路、方法和架构，为指定后续数管规范提供总体指南。
4)遥测格式
在PUS的报告包的建模基础上，结合自身的经验，建立适用于有效载荷的遥测包的格式模板。本项对应了PUS各业务的遥测报告包格式定义。与遥控请求包不同，遥测报告包在本地化改造时，需要兼容PUS遥测报告包的格式和内容，同时还要结合我们已有的遥测数据设计内容。其范围要比遥控请求包的改造要宽泛，适应更广的应用。
本课题集中在管控业务的研究，这部分业务的划分主要有：
1)数据注入的接收SL[02]
解决地面上行的数据注入接收问题，包括接收过程中的拼帧、解帧、解包，在这个过程中保证数据注入接收的顺序、唯一、完整、合法等特性。
2)指令解析和执行SL[03]
指令解析和执行包括4个环节：
第一个环节：对指令包的归属进行判别和分类，包括事件表、宏指令和立即指令。
第二个环节：第一环节识别出的立即指令，以及事件表、宏指令中包含的指令包在执行时释放出的指令包，提交排队，这个过程称之为指令的释放。
第三个环节：指令包在排队队列中可执行时，对指令包编码内容进行判别，并交付对应应用过程。
第四个环节：按照指令包编码内容执行指令，即按照指令包的应用过程识别符进行指令内容的分发，这其中包含了设备指令的分发、参数配置、各项业务指令，以及可扩展的应用过程指令执行能力。
3)事件表SL[04]
解决以时间、位置以及其他可能的条件为执行条件的事件表统一执行机制的通用设计问题。
时间事件表实现宏观任务定时(秒级以上)和微观动作定时(毫秒级、微妙级)，为有效载荷的任务调度和动作精确控制提供单一的通用解决方案。
位置事件表实现根据位置信息的任务调度和动作控制。
其他可能的条件是指非时间、位置条件，可按照需要进行扩展，但运行均纳入统一事件表机制中。
4)宏指令SL[05]
解决序列、大量数据和程序的上注、保存、展开和解析机制的通用设计问题，实现这3种数据组织形式的统一调用，为控制管理数据的积累、修改打下基础，提供初步的自学习能力。同时为以后的星载智能能力提供统一的记忆和执行基础。其中宏程序部分包括对上注可执行程序代码(编译后的)的调用机制。
5)在线监控SL[06]
解决参数监视、功能监视和对应动作执行机制的通用设计问题。对应动作对应了3种宏指令，以及可关联的联合监视状态和动作，同时为后续星载智能能力提供任务监视和复杂监视算法的支持基础。
6)工程参数SL[08]
在PUS的遥测报告包的建模基础上，结合自身的经验，在已有遥测格式模板基础上，解决对工程参数内容可在线编辑和配置的通用设计问题，提供统一的工程参数采集、组织的管理机制。
7)资源信息管理SL[100]
对在线监控业务、工程参数业务提供的数据信息，按照资源对象的物理规律和管控规律进行分析判断，给出资源状态和可用性信息，提供给任务规划业务。
8)任务规划SL[101]
任务规划业务按照输入的任务信息，根据资源信息管理提供的信息，按照规划模型、规划规则进行分析，基于已有的指令库素材进行任务计划规划和编排，生成可执行指令、规划的事件表、需要监控的对象、调用的程序等。
上述10项业务的部署关系图见图2，业务相互之间的关系见表。
表1本地化业务架构图中的数据元素
经过上述分析，需要制定4项原理和8项业务规范，共12项。其标准体系布局见图7。
地基管控业务按照上行控制，下行监视，运控分析可以划分为三个部分，一是上行管控业务部分，二是下行管控业务部分，三是管控决策支持部分。
上行管控业务部分主要以规划计划为主要手段，在地面实施对星载设备、功能、任务的控制和管理。下行管控业务部分主要以HK数据处理监视为主要手段，实施对星上产生传输的各类数据的处理，监视与评估。管控决策支持部分主要以健康管理和异常处置为主要手段，实施对星载设备的运控分析与健康评估。
为实现这三个部分的设计，首先需要对地基管控业务的数据传输实体进行原理设计，统一数据的组织形式，其中数据注入格式和HK数据格式地基不再单独制定，参考天基的原理性规范。为此需要制定如下原理性规范：
1)上行管控业务
需要结合已有的上行管控业务实践经验和基础，论述上行管控业务的原理思路、方法和架构，为制定后续上行管控规范提供总体指南。
2)下行管控业务
需要结合已有的下行管控业务实践经验和基础，论述下行管控业务的原理思路、方法和架构，为制定后续下行管控规范提供总体指南。
3)决策支持业务
需要结合已有的有效载荷健康管理和异常处置的实践经验和基础，论述决策支持业务的原理思路、方法和架构，为制定后续决策支持业务规范提供总体指南。
4)控制计划格式
在PUS的请求指令包和CCSDS遥控帧格式的建模基础上，结合自身的经验，建立适用于事件表的格式模板，本项对应了遥控请求包格式定义，是PUS和CCSDS改造的结果，适应更广的任务级遥控包应用。
5)任务信息格式
在PUS的请求指令包和CCSDS遥控帧格式的建模基础上，结合自身的经验，建立适用于天基任务信息的格式模板，本项对应了遥控请求包格式定义，是PUS和CCSDS改造的结果，适应更广的任务级遥控包应用。
本发明针对地基管控业务的划分主要有：
1)任务分析GOM[01]
任务分析业务根据任务约束与资源信息对任务总体情况进行分析，形成任务信息。
需要基于任务级(任务信息)的地基管控协议和天基管控协议支持，根据天地间数据交互的协议，面向天基和地基的任务信息，进行任务重规划与任务安排。
2)规划计划GOM[02]
任务规划业务根据任务分析业务提供的任务信息，按照规划模型、规划规则进行分析，基于已有的指令码表进行任务规划计划，生成天基可执行的事件级数据注入(事件表)。
需要基于任务级(事件表)的地基管控协议和天基管控协议支持，天基可接收执行地基上注的事件表。
3)指令生成GOM[03]
指令生成业务根据规划计划业务生成的事件表，基于已有的指令码表和天地间数据交互的遥控协议，生成天基可执行的指令级数据注入。
需要基于指令级(数据注入)的地基管控协议和天基管控协议支持，天地间数据交互的指令控制信息。
4)数据处理与判读GOM[04]
数据处理与判读业务根据天基下传的HK数据，结合确定的处理方法和阈值判据，处理生成载荷状态信息和参数监视信息。
需要基于任务级(任务信息)，事件级(事件表)和指令级(数据注入)的处理与判读。
5)任务监视与评估GOM[05]
任务监视与评估业务根据载荷状态信息和参数监视信息，结合阈值判据，指令数据，计划数据，历史HK数据，任务信息，载荷控制计划等信息，进行载荷的异常状态信息进行报警与任务完成情况评估。
需要基于任务级(任务信息)，事件级(事件表)和指令级(数据注入)的任务监视与完成情况评估。
6)异常处置GOM[06]
异常处置业务根据载荷状态异常信息，结合故障预案，异常诊断结果，生成指令级(数据注入)的异常处置方案。
7)健康管理GOM[07]
健康管理业务基于卫星运行过程中产生的HK数据，有效载荷机理和故障预案等静态知识信息，对卫星有效载荷故障诊断和分析预测提供支撑。
需要基于参数级，部件级和设备级的有效载荷故障分析，定义相应的管控协议支持。
上述7项业务的部署关系图见图3，业务相互之间的关系见表2。
表2地基本地化业务模型架构图中的数据元素
经过上述分析，需要制定3项原理和8项业务规范，共12项。其标准体系布局见图8。
请求-服务管控协议设计
依据CCSDS格式包结果定义，设计管控协议。
CCSDS包结构，数据包分为包头和包数据域两部分，其中包头6字节，包数据域长度可变，1-65536字节。如图9所示。
包主导头(6字节)包括：
版本号3位
包类型1位
副导头标识1位
应用过程标识符11位
分组标识2位
序列计数14位
包长2字节
其中针对上行遥控包和下行遥测包的副导头分别进行设计。
针对上行遥控包：结构如图10所示。
·Message typeID：共2字节
其中service type：1字节，0-127表示标准服务类型，128-255表示专用任务服务类型，128：代表指令级管控协议，129：代表事件级管控协议，130：代表需求级管控协议，131：代表请求-服务管控协议；
其中message subtype ID：1字节，0-127表示标准子服务类型，128-255表示专用任务子服务类型；
128代表指令上行，129代表数据下行，130代表其他，131代表数据请求，132代表计算服务请求，133代表需要重新安排任务；
·Source ID：共2字节
定义表示遥控指令包的发送源，用来区分地面，星上其他单元等；
00H：地面，11H：天基(星务)，22H：天基(载荷数管)。
因为本申请实现的天地一体的管控协议包括任务级，事件级和指令级三个层次，使得天地管控实施不用遍历，科学需求-计划-指令等全过程，只需根据任务要求，采取对应的协议进行管控业务实施，大大提高了在轨管控的效率，与传统地基主动和天基自主管控业务比较，可提高30％。
同时天地间可根据突发情况，采用请求-服务的方式进行业务交互，按需处理，避免了不必要的管控操作。
如图11所示，是天地一体化管控模式下的协同工作流程图，描述了天地一体化卫星管控整体架构，在物理实体上分为在地面部署的地基系统和天地一体交互部分和在天基部署的天基系统。
天基部分分为资源管理、任务规划与验证、任务管理与生成、指令管理与执行和星载监控五部分，可自主实施天基自主管控。
地基部分分为任务分析，任务规划与验证，任务管理与指令生成，在线监控，异常管理和健康管理六部分，可实施地基主动管控。
天地协同部分主要描述天地一体交互部分，实现天地协议的互连互通，数据上下行和天地业务数据各项配置匹配的一致性，实现星地同步。
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 (8)
1.一种科学卫星空间探测天地一体化管控方法，基于部署在星上的天基系统和部署在地面的地基系统实现，所述方法包括：
基于科学卫星空间探测任务，建立天地一体管控业务模型；
基于请求-服务机制和不同的天地智能化级别，建立天地管控交互协议；
基于天地一体管控业务模型，以星上自主管控为主，必要时通过地面控制的管控方式，根据天地管控交互协议，实现天地一体化协同管控；
所述天地一体管控业务模型具体包括：
天基自主管控业务模型，用于在不依赖地面设施系统的情况下，自主进行科学卫星空间探测任务的规划调度和在线监控；
地基主动管控业务模型，用于当卫星或有效载荷出现无预案或未发生过的异常情况时，由地面运控系统不依赖天基系统进行地基主动管控；
天地协同管控业务模型，用于在天基自主管控模式和地基主动管控模式中，基于智能化与不同的任务度完成级别和请求-服务式管控，天基系统和地基系统协同配合完成管控的各个环节，形成天地协同的管控模式；和
天地一体管控业务模型，用于在天基自主管控模式和地基主动管控模式中，通过地基和天基不同层级打断天基自主和地基主动的管控模式，形成天基+地基的天地一体管控模式。
2.根据权利要求1所述的科学卫星空间探测天地一体化管控方法，其特征在于，所述天基自主管控业务模型具体包括：
按照模型化和数据化设计思想，根据每项业务分别构建业务管理平台和应用功能部分，每项业务管理平台均按照管理信息库加电子数据单的数据描述方式进行设计，所述业务包括指令解析与执行、事件管理、在线监控、资源信息管理、任务规划以及卫星常规所需的数据收发、存储与处理。
3.根据权利要求1所述的科学卫星空间探测天地一体化管控方法，其特征在于，所述地基主动管控业务模型具体包括：
按照模型化定义和描述方法思路，分别构建不同业务的处理模块，所述业务包括任务分析模块、规划计划模块、指令生成模块、数据处理与判读模块、任务监视与评估模块、异常处置模块以及卫星有效载荷健康管理模块。
4.根据权利要求1所述的科学卫星空间探测天地一体化管控方法，其特征在于，所述天地协同管控业务模型包括上行管控协同模式和下行管控协同模式；其中，
所述上行管控协同模式具体包括：依据智能化级别设计思想，由地基系统分别完成任务级、事件级和指令级的数据注入生成，上注到天基系统，由天基系统根据不同级别完成相应的指令解析与执行；
所述下行管控协同模式具体包括：依据天基系统的在线监控或监视结果，由地基系统完成异常处置与指令生成或对地基系统完成的处置结果进行管理。
5.根据权利要求1所述的科学卫星空间探测天地一体化管控方法，其特征在于，所述天地一体管控业务模型包括地基+天基管控模式和天基+地基管控模式；其中，
所述地基+天基管控模式具体包括：针对数据时效性和准确度要求高的天基数据，由地基系统向天基系统发送管控请求，由天基系统对管控请求作出响应，进行管控，并将管控结果通过下行遥测发送至地基系统；
所述天基+地基管控模式具体包括：针对历史数据需要进行大量复杂计算时，由天基系统向地基系统发送管控请求，由地基系统对管控请求作出响应，进行管控，并将管控结果通过上行遥控发送至天基系统。
6.根据权利要求4所述的科学卫星空间探测天地一体化管控方法，其特征在于，针对上行遥控和下行遥测分别设计包数据域，其中，
当数据通过上行遥控发送时，包数据域包括：包副导头、遥控应用数据域和包差错控制域；其中，包副导头长度4字节，包括4位PUS版本、4位ACK执行情况标识、8位服务类型、8位服务子类型和1字节遥控指令发送源；
当数据通过下行遥测发送时，包数据域包括：包副导头和源数据；其中，包副导头长度10字节，包括4位PUS版本、4位空闲、8位服务类型、8位子服务类型和7字节时间码。
7.根据权利要求1所述的科学卫星空间探测天地一体化管控方法，其特征在于，所述请求-服务机制具体包括：
当天基系统需要地基系统提供管控服务时，由天基系统发送管控请求，由地基系统完成管控请求反馈，并将信息反馈给天基系统；
当地基系统需要天基系统提供管控服务时，由地基系统发送管控请求，由天基系统完成管控请求反馈，并将信息反馈给地基系统。
8.根据权利要求1所述的科学卫星空间探测天地一体化管控方法，其特征在于，所述天地数据交互协议依据XFDU协议，PUS协议和/或CCSDS协议的标准进行协议设计，包括任务级协议要求、事件级协议要求、指令级协议要求和请求-服务协议要求。
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