CN115339656A - 一种面向多卫星应用的运行控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向多卫星应用的运行控制系统，涉及卫星管理领域，包括：服务引擎层；所述服务引擎层包括任务计划管理子系统和卫星模板插件引擎；所述卫星模板插件引擎用于为各类型卫星提供任务计划模板，每种类型的卫星对应一种任务计划模板；所述任务计划管理子系统用于根据设定需求、星地资源和当前服务卫星对应的任务计划模板生成无冲突的任务计划；所述星地资源包括卫星资源和地面资源。本发明适用于多种类型卫星的运行控制，提高了运行控制效率。

Description

一种面向多卫星应用的运行控制系统

技术领域

本发明涉及卫星管理技术领域，特别是涉及一种面向多卫星应用的运行控制系统。

背景技术

卫星运行控制系统，因各自业务定位属性、管理模式和系统复杂性不尽相同，使整体格局呈现了碎片化的状态。卫星运行控制系统在各自的专属领域(比如按业务领域分类的通信类、导航类、气象类、环境减灾类、科学实验类、国防类等，按轨道高度的高轨、中轨、低轨及深空探测等，按轨道形状及参照体系分类的极轨卫星、静止卫星等)，由于历史原因，都呈现了自有特色，美国NOAANESSDIS下属的卫星与产品运行办公室统一管理着所有极轨与静止环境卫星、国防气象卫星与相关产品的运行分发，而美国NASA、欧洲EUMETSAT、法国CNES也都有自己的卫星及业务运行控制管理体系，其采用的运控管理系统也都不尽相同，同样，中国国内卫星运控系统领域的格局，总体上呈现相似的特征。

目前，存在卫星运行控制系统中控制流程分散、扩展性不足的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种面向多卫星应用的运行控制系统，适用于多种类型卫星的运行控制，提高了运行控制效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种面向多卫星应用的运行控制系统，包括：服务引擎层；所述服务引擎层包括任务计划管理子系统和卫星模板插件引擎；

所述卫星模板插件引擎用于为各类型卫星提供任务计划模板，每种类型的卫星对应一种任务计划模板；

所述任务计划管理子系统用于根据设定需求、星地资源和当前服务卫星对应的任务计划模板对地面资源和当前服务卫星的卫星资源之间进行业务流程管理；所述星地资源包括卫星资源和地面资源。

可选地，所述服务引擎层包括调度管理子系统，所述调度管理子系统包括主服务器和代理服务节点结合的网络计算处理分布式架构，所述网络计算处理分布式架构用于对地面资源和当前服务卫星的卫星资源之间进行的业务进行多任务分布式处理。

可选地，所述服务引擎层包括可视化引擎，所述可视化引擎用于对卫星的运行状态进行三维动态可视化显示。

可选地，所述任务计划管理子系统包括观测需求管理模块、星地资源管理模块、轨道预报模块、任务统筹规划模块和测控指令管理模块；

所述观测需求管理模块用于对预设观测需求和应急观测需求进行授权管理生成计划观测需求；

所述星地资源管理模块用于对星地资源数据库进行管理，所述星地资源数据库中星地资源包括卫星星标、轨道信息、卫星载荷信息和地面测站地理位置；

所述轨道预报模块用于根据卫星的轨道信息和观测信息进行卫星当前位置、运行轨迹、扫描区域和过顶时间进行预报；

所述任务统筹规划模块用于根据所述计划观测需求、所述星地资源和所述轨道预报模块输出的预报信息生成观测时间计划表；

所述测控指令管理模块用于根据所述计划观测需求和所述观测时间计划表生成测控指令，并将所述观测时间计划表发送到所述调度管理子系统，将所述测控指令发送至消息通信平台子系统。

可选地，所述调度管理子系统包括流程编辑模块、流程调度模块和流程监控模块；

所述流程编辑模块用于根据业务流程进行各业务对应的各个任务进行任务流程创建和编辑，生成XML格式的作业流程模板文件；

所述流程调度模块用于解析所述作业流程模板文件获得解析后任务，执行解析后的任务；

所述流程监控模块用于对任务执行状态进行采集、存储和显示。

可选地，还包括资源支撑层，所述资源支撑层用于获取星地资源和为所述运行控制系统运行提供硬件环境。

可选地，所述服务引擎层包括消息通信平台子系统和数据文件传输子系统；

所述消息通信平台子系统用于所述服务引擎层与所述资源支撑层之间的消息传输；所述消息通信平台子系统包括消息中间件平台；所述消息中间件平台包括RabbitMQ、Kafka和RocketMQ；

所述数据文件传输子系统用于所述服务引擎层与所述资源支撑层之间批量文件传输。

可选地，还包括应用层，所述应用层与所述服务引擎层连接，所述应用层包括卫星运行状态展示模块和地面站运行状态展示模块；

所述卫星运行状态展示模块用于显示预设范围内卫星的在轨运行状态和星下点轨迹；所述在轨运行状态和所述星下点轨迹根据星地资源数据库中数据生成；

所述地面站运行状态展示模块用于对各地面站接收数据状况进行展示。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明为各类型卫星提供任务计划模板，根据设定需求、星地资源和当前服务卫星对应的任务计划模板对地面资源和当前服务卫星的卫星资源之间进行业务流程管理，适用于多种类型卫星的运行控制，实现了多类卫星的集中运行控制，提高了控制效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种面向多卫星应用的运行控制系统结构示意图一；

图2为本发明一种面向多卫星应用的运行控制系统结构示意图二。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种面向多卫星应用的运行控制系统，适用于多种类型卫星的运行控制，提高了运行控制效率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

运行控制系统作为星地(卫星与地面)之间互联互通、高效协同和安全运行的指挥中枢平台，上联多种在轨卫星和仪器载荷，下衔地面接收站、数据处理系统及产品生成分发系统等业务系统，通过任务计划有序编排、作业流程协同调度、数据信息高效传输、各相关内外部应用系统之间依规集成，辅以全流程全要素的可视化监控，共同构建起星地互通、有序运转、高效可靠的卫星业务数据处理闭环管理及服务流程。

一种面向多卫星应用的运行控制系统采用服务型架构，基于组件技术与分层设计策略，产品设计充分考虑运控系统复杂的运行关联环境，便于动态适应卫星应用工程用户组织资源与业务需求的动态变化。

本发明从业务体系上，基于业务领域模型驱动，涵盖卫星运控领域核心业务流程，运行控制平台系统将着眼于以下运控系统的关键业务域：业务核心域、基础支撑域和管理监控域。其中业务流程域，从业务流程视角出发，重点解决卫星载荷收发相关的时间表计划及数据获取分发、产品相关作业任务的流程编排与分布式调度资源协同等运控领域的高频核心业务需求；基础支撑域，从技术能力视角出发，作为核心业务的横向支撑，提供系统内、系统间高效通信、系统解耦及弹性扩展的基础能力，数据文件传输工具作为产品分发等利器，与气象卫星领域基于海量数据消息及文件等的基础资源环境相契合；管理监控域，则从全面管理视角触发，通过3维可视化引擎及动态交互，提供运控管理人员系统运行的管理视图与视角，通过进一步拓展，便于统筹规划与掌控系统全流程闭环管理。

如图1-2所示，从技术架构上本发明一种面向多卫星应用的运行控制系统包括：服务引擎层101、资源支撑层103和应用层102(应用方案层)。

服务引擎层101包含了本发明运行控制系统的核心组件中枢，包括核心服务和基础服务。核心服务包括任务计划管理子系统、调度管理子系统、可视化引擎、卫星模板插件引擎。基础服务包括消息通信平台子系统和数据文件传输子系统。

核心服务部分主要是和星地连接及业务流程管理相关，通过任务计划管理及调度管理来实现与卫星资源及地面站资源相关的计划安排，并进行基于业务流程安排及数据智能感知的自动化分布式处理。

所述卫星模板插件引擎用于根据各类轨道的卫星特征特点，为各类型卫星提供任务计划模板，每种类型的卫星对应一类任务计划模板，从而实现多种卫星的灵活有效支持。

所述任务计划管理子系统用于根据设定需求(用户观测需求)、星地资源和当前服务卫星对应的任务计划模板生成无冲突的任务计划，具体包括：根据用户观测需求、可用的地面测站天线资源、卫星载荷资源及卫星观测区域时限与现有任务计划之间的自动化匹配情况，对有潜在冲突或者无法满足的用户需求情况的任务计划进行必要的人工干预调整，形成无冲突的任务计划，供后续调度系统依次进行具体的任务作业安排。

任务计划管理子系统中所述的用户观测需求主要包括卫星载荷类型、观测时间和观测区域等，所述的星地资源信息主要包括卫星星历轨道参数、观测模式、载荷信息、地面测站位置及天线接收中心频率及极化方式、可用信道等配置资源信息。所述调度管理子系统包括主服务器和代理服务节点(Master/Agent)结合的网络计算处理分布式架构，所述网络计算处理分布式架构用于将任务派发到不同的代理服务节点，对地面资源和当前服务卫星的卫星资源之间进行的业务进行多任务分布式处理。

所述可视化引擎用于对卫星的运行状态进行三维动态可视化显示。卫星的运行状态包括太空飞行轨迹(卫星轨道)、星下点位置及扫描带宽的可视化图示。

基础服务为底层通信平台和数据文件传输工具，支持与应用方案层和资源支撑层103等关联生态系统数据文件及信息流交互及引擎内部分系统的高效连接，同时系统通过消息中间件进行解耦与支持系统弹性扩展的能力。

所述消息通信平台子系统用于所述服务引擎层101与所述资源支撑层103之间的消息传输。消息通信平台子系统包括消息中间件平台，消息中间件平台采用开放技术架构，基于业界领先成熟稳定的开源生态，支持Kafka、RabbitMQ和RocketMQ体系架构的集成，提供基于进程间、系统间的点对点数据传输、点对多的数据传输、多对点的消息与数据传输功能，支持数据消息的发布与订阅、数据多节点分发、工作量负载均衡等海量同步及异步数据通信工作模式，具备常见开发语言的SDK(Software DevelopmentKit，软件开发工具包)接口和API(Application Program Interface，应用程序接口)，并能够对平台集群状态和消息传输队列进行监控；消息通信API/SDK则提供了对运控业务中常见的通信调用接口进行统一应用接口调用封装，屏蔽消息中间件平台的复杂性，便于发挥底层通信平台优势特性的同时，提供开发使用上的便捷性。

所述数据文件传输子系统用于所述服务引擎层101与所述资源支撑层103之间批量文件传输。

数据文件传输子系统包括传输配置功能、传输监控管理和传输执行控制。针对航天卫星遥感领域广泛使用的海量文件交换传输批处理，系统基于广泛应用及稳定可靠的ftp协议，通过并行传输及基于灵活多样的可配置规则，支持多源、多目标的可靠、稳定及高效文件传输，作为消息通信平台的丰富扩展及补充。传输配置功能，包括提供图形化的方案参数配置界面(图形化交互界面)，实现多站卫星数据传输方案的灵活配置，支持常用配置方案的保存，有效提升配置切换效率；传输控制功能可进行基于数据文件驱动及匹配规则的自动化智能化传输，传输执行引擎可以支持数据文件名称、大小、位置、优先级及资源使用情况等各种信息参数的配置，并支持多文件传输的优先级队列，保证高时效性的数据优先传输等；传输监控管理功能则通过图形可视化界面，对数据传输计划、数据传输状态及资源利用情况进行动态实时的监控与检索，从而为卫星运控领域应对海量数据资料分发汇集的业务挑战提供稳定可靠简单高效的技术工具。

所述任务计划管理子系统包括观测需求管理模块、星地资源管理模块、轨道预报模块、任务统筹规划模块和测控指令管理模块。

所述观测需求管理模块用于对预设观测需求和应急观测需求进行授权管理生成计划观测需求。观测需求管理模块实现增删查改的基本功能及观测需求跟踪反馈，便于进一步根据星地资源进行任务的统筹规划安排。

预设观测需求为常规观测需求。

常规观测需求是指按照预先安排好的观测计划进行观测的需求。(通常24小时-一周前都已安排好)。应急观测需求是指突发或临时性的需求(观测前1-2小时)，需要对常规观测计划进行统筹规划调整，形成无冲突的观测计划。

星地资源管理模块对可管理的各类特性的卫星-飞行器及地面数据接收站点及测站进行管理，形成参数化的星地资源数据库。

所述星地资源管理模块用于对星地资源数据库进行管理，所述星地资源数据库中星地资源包括卫星星标、轨道信息、卫星载荷信息、地面测站地理位置和地面测站天线信息。

所述轨道预报模块用于根据卫星的轨道信息和观测信息进行卫星当前位置、运行轨迹、扫描区域和过顶时间进行预报。轨道预报模块输出的预报信息作为任务统筹规划的重要资源。

所述任务统筹规划模块用于根据所述计划观测需求、所述星地资源和所述轨道预报模块输出的预报信息，采用时空匹配算法，识别潜在的任务计划冲突，冲突结果经过人工判识干预，通过设置优先级队列等方式，生成基于业务规则的观测时间计划表。

所述测控指令管理模块用于根据所述计划观测需求和所述观测时间计划表生成测控指令，并将所述观测时间计划表发送到所述调度管理子系统，将所述测控指令通过消息通信平台子系统，发送至外部专业测控系统。

所述测控指令的作用是，将观测需求的执行任务计划如某个时间段、利用某种载荷仪器进行某个区域的观测等)，转换为可以操控卫星载荷的上注指令，并经由专业测控系统来进行星地传输，发送给在轨卫星的星上系统来完成，这些指令通常要求时效性和可靠性。

所述调度管理子系统包括流程编辑模块、流程调度模块和流程监控模块。

所述流程编辑模块通过业务规则和数据流流处理的时序，按照各个任务作业的串行或并行等先后顺序，进行整个作业流程的创建、编辑和修改，通过可视化的配置界面，创建与编辑作业模板，通过拖拽交互，对作业流程中的多个任务节点进行图形化的执行先后次序编排，并能够对各节点的执行命令、参数传入、资源申请和分布式运算节点等进行灵活配置，根据业务流程，对各业务对应的各个任务进行任务流程创建和编辑，生成XML格式的作业流程模板文件，供流程调度模块进一步解析，从而结合具体业务场景实例化运行，确保各个任务作业能够有序高效进行。

所述流程调度模块用于解析所述作业流程模板文件获得解析后任务，执行解析后的任务。流程调度模块支持基于业务规则驱动的例行业务流程及基于数据感知驱动的动态业务流程，从而实现基于业务需求和业务场景的自动化智能化任务作业调度处理，包括实时业务作业流程、定时业务作业流程及批处理业务作业流程，具体操作执行时，流程调度引擎会解析流程编辑所形成的作业流程模板XML文件，基于运行控制系统运行环境、作业调度策略的相关配置等信息，根据所需处理的卫星数据时序、仪器参数等动态信息生成运行实例，运行实例会启动具体的作业执行程序脚本或命令，并关联相关的输入输出数据，通过主服务器+代理节点(Master/Agent)的分布式网络计算架构设计，支持多个作业的网络分布式调度与本地调度，即通过网络计算资源接口或者本地系统接口进行作业执行，并实时跟踪作业运行状态，根据作业流程规则中的前后约束关系，判定下一组可执行的作业，提交执行及跟踪作业流的执行状态。

所述流程监控模块用于对业务流程和任务执行状态进行采集、存储和显示，当出现严重错误时进行报警，提示管理人员进行终止、重处理等多种维护功能。

资源支撑层103主要是本发明运行控制系统所依赖的各种软硬件环境支撑，通过通信平台与工具，与地面其它各应用系统资源及卫星载荷管理测控系统进行信息和数据双向交换，并提供异构操作系统及多种类数据库的支撑；应用方案层则基于服务引擎层101和资源支撑层103，通过集成运控监控管理子系统建立运控体系的完整视图，并支持进一步定制化扩展及多场景灵活应用。

所述资源支撑层103用于获取星地资源和为所述运行控制系统运行提供软硬件环境。

所述应用层102与所述服务引擎层101连接，所述应用层102包括集成运控监控管理子系统，集成运控监控管理子系统包括卫星运行状态展示模块、地面站运行状态展示模块、地面站运行状态展示模块、支撑资源运行状态展示模块和监控配置管理。

集成运控监控管理子系统通过多层次可视化服务化整合，能够对运行控制过程核心对象要素、业务流程的一体化全流程闭环监控与配置管理，从而形成对业务运控过程的可视化展示与智能化问题感知。

所述卫星运行状态展示模块用于显示预设范围内卫星的在轨运行状态、星下点轨迹和未来轨道模拟运行(未来设定时间时轨道模拟运行)；所述在轨运行状态和所述星下点轨迹根据星地资源数据库中数据以及运行时间点或者时间段，通过SGP轨道模型算法计算得到。根据系统定义的数据文件与应用接口标准，通过消息通信平台子系统及数据文件传输子系统，集成运控监控管理子系统接收集成来自地面站系统、各应用系统及计算网络存储等支撑资源的状态信息，并进行集成展示。

所述地面站运行状态展示模块用于对各地面站数据接收处理情况进行集成展示。地面站接收数据状况包括接收链路状态和数据接收计划完成率等。

地面应用系统运行状态展示模块则通过服务接口获取数据预处理、产品生成到产品服务的运行健康状态。

支撑资源运行状态展示模块则通过服务访问接口获取并展示集群计算、存储等资源的利用效率等关键参数，这些运行状态通过不同颜色状态标识，智能化集成感知运控系统的全链条健康状态。

监控配置管理则对展示内容、可扩展插件服务接口以及警示内容、方式等进行个性化配置与展示。

本发明运行控制平台从系统设计及协作流程上，各子系统与服务引擎组件既可以作为子系统单独运行，也支持封装为服务组件通过RestfulAPI等进行调用，而且各自的技术栈与功能相对自洽。采用这种松散耦合的技术体系，可以基于业务流程业务场景，进行灵活组合定制，并能够根据业界领先技术进行局部迭代更新，既可以单独部署，也可以组合集成，从而更好地满足各类定制化需求及云环境部署支撑等敏捷化需求。

本发明的技术效果如下：

1、多星管理一体化：在考虑卫星仪器差异特性的基础上，通过星座系列模板化方案，提供包括静止卫星、极轨卫星乃至深空航天探测在内的多轨道、多型号、多系列卫星/航天器材的任务规划、轨道报/运行时间表和站点资源等关键运控资源要素的管理。

2、任务流程可视化：通过图形化可视化的调度管理组件，对从数据收发到产品处理在内的运控领域关键业务流程，进行基于业务规则、时序安排及优先级等的任务筹划及数据流转处理，使得作业流程设计、任务编排管理、分布式资源调度协同、工作流执行状况跟踪监控、任务重处理等显得更直观、更便捷。

3、调度协同智能化：平台调度引擎能够基于业务流程模板与数据特征的分析匹配，实现运控任务作业系列的自动化流式处理与资源协同，从而有效支持基于业务规则与数据感知的业务智能化处理流程。

4、通讯传输平台化：基于气象卫星应用实践及相关领域业务需求深入理解，场景驱动，引入并验证IT行业领先并在国际气象卫星数据处理领域及海量电商数据处理等关键业务在线处理系统中得到应用的通信消息中间件平台RabbitMQ、Kafka和RocketMQ等，通过核心业务所需的场景设计，基于原生平台+个性化API的双轮支撑，能够有效支撑系统改造升级及云原生应用适配等，以便更好地利用技术快速发展带来的红利；而数据文件传输平台则提供了灵活易用高效稳定的卫星运行控制领域的针对性方案。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种面向多卫星应用的运行控制系统，其特征在于，包括：服务引擎层；所述服务引擎层包括任务计划管理子系统和卫星模板插件引擎；

所述卫星模板插件引擎用于为各类型卫星提供任务计划模板，每种类型的卫星对应一种任务计划模板；

所述任务计划管理子系统用于根据设定需求、星地资源和当前服务卫星对应的任务计划模板生成无冲突的任务计划；所述星地资源包括卫星资源和地面资源；所述任务计划模板用于预置卫星接收天线类型。

2.根据权利要求1所述的面向多卫星应用的运行控制系统，其特征在于，所述服务引擎层包括调度管理子系统，所述调度管理子系统包括主服务器和代理服务节点结合的网络计算处理分布式架构，所述网络计算处理分布式架构用于对地面资源和当前服务卫星的卫星资源之间进行的业务进行多任务分布式处理。

3.根据权利要求1所述的面向多卫星应用的运行控制系统，其特征在于，所述服务引擎层包括可视化引擎，所述可视化引擎用于对卫星的运行状态进行三维动态可视化显示。

4.根据权利要求2所述的面向多卫星应用的运行控制系统，其特征在于，所述任务计划管理子系统包括观测需求管理模块、星地资源管理模块、轨道预报模块、任务统筹规划模块和测控指令管理模块；

所述观测需求管理模块用于对预设观测需求和应急观测需求进行授权管理生成计划观测需求；

所述星地资源管理模块用于对星地资源数据库进行管理，所述星地资源数据库中星地资源包括卫星星标、轨道信息、卫星载荷信息和地面测站地理位置；

所述轨道预报模块用于根据卫星的轨道信息和观测信息进行卫星当前位置、运行轨迹、扫描区域和过顶时间进行预报；

所述任务统筹规划模块用于根据所述计划观测需求、所述星地资源和所述轨道预报模块输出的预报信息生成观测时间计划表；

所述测控指令管理模块用于根据所述计划观测需求和所述观测时间计划表生成测控指令，并将所述观测时间计划表发送到所述调度管理子系统，将所述测控指令发送至消息通信平台子系统。

5.根据权利要求2所述的面向多卫星应用的运行控制系统，其特征在于，所述调度管理子系统包括流程编辑模块、流程调度模块和流程监控模块；

所述流程编辑模块用于根据业务流程进行各业务对应的各个任务进行任务流程创建和编辑，生成XML格式的作业流程模板文件；

所述流程调度模块用于解析所述作业流程模板文件获得解析后任务，执行解析后的任务；

所述流程监控模块用于对任务执行状态进行采集、存储和显示。

6.根据权利要求1所述的面向多卫星应用的运行控制系统，其特征在于，还包括资源支撑层，所述资源支撑层用于获取星地资源和为所述运行控制系统运行提供硬件环境。

7.根据权利要求6所述的面向多卫星应用的运行控制系统，其特征在于，所述服务引擎层包括消息通信平台子系统和数据文件传输子系统；

所述消息通信平台子系统用于所述服务引擎层与所述资源支撑层之间的消息传输；所述消息通信平台子系统包括消息中间件平台；所述消息中间件平台包括RabbitMQ、Kafka和RocketMQ；

所述数据文件传输子系统用于所述服务引擎层与所述资源支撑层之间批量文件传输。

8.根据权利要求4所述的面向多卫星应用的运行控制系统，其特征在于，还包括应用层，所述应用层与所述服务引擎层连接，所述应用层包括卫星运行状态展示模块和地面站运行状态展示模块；

所述卫星运行状态展示模块用于显示预设范围内卫星的在轨运行状态和星下点轨迹；所述在轨运行状态和所述星下点轨迹根据星地资源数据库中数据生成；

所述地面站运行状态展示模块用于对各地面站接收数据状况进行展示。

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