CN116707611B - 一种火星探测多目标协同控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种火星探测多目标协同控制方法及装置，涉及航天航空控制技术领域。所述方法包括：确定多目标协同控制测控资源配置信息；进行多目标协同控制飞控事件安排；开展多目标协同控制冲突排解迭代；在多目标协同控制冲突排解完成后，根据所述多目标协同控制测控资源配置信息和飞控事件安排，实施器间中继通信多目标协同控制。所述装置执行上述方法。本发明实施例提供的火星探测多目标协同控制方法及装置，能够高效和灵活地实现多目标协同控制。
Description
技术领域
本发明涉及航天航空控制技术领域，具体涉及一种火星探测多目标协同控制方法及装置。
背景技术
深空探测通常是指对月球及以远的地外天体或空间环境进行的探测活动，作为人类探测器开展航天活动的重要领域和空间科学技术创新的重要途径，是当前和未来航天领域的发展重点之一。
火星探测是未来深空探测，特别是行星际探测的主要目标之一。火星是太阳系中与地球最为相似的行星，其赤道平面与公转平面夹角以及自转周期与地球接近，火星上四季交替和每天时长与地球较为相似。
火星轨道器环绕遥感探测和着陆巡视器火面就位探测及巡视勘察是火星探测的两种主要方式。火星探测器包括轨道器(或环绕器，用于完成火星环绕工程目标)、着陆巡视器(包含着陆器和火星车两部分，用于完成火面着陆和巡视探测任务)等不同任务目标，器器分离前为器舱车组合体飞行模式，器器分离后轨道器单独飞行，着陆巡视器进入舱完成进入下降着陆(EDL)任务后，火星车驶离着陆平台，主要基于轨道器提供中继通信服务，开展火面巡视探测工作，需突破解决火星探测多目标(轨道器、着陆器、着陆巡视器)协同控制关键技术问题。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明实施例提供一种火星探测多目标协同控制方法及装置，能够至少部分地解决现有技术中存在的问题。
一方面，本发明提出一种火星探测多目标协同控制方法，包括：
确定多目标协同控制测控资源配置信息；
进行多目标协同控制飞控事件安排；
开展多目标协同控制冲突排解迭代；
在多目标协同控制冲突排解完成后，根据所述多目标协同控制测控资源配置信息和飞控事件安排，实施器间中继通信多目标协同控制。
其中，所述确定多目标协同控制测控资源配置信息，包括：
在火面着陆前的轨道器和着陆巡视器组合体飞行阶段中，按照轨道器单目标配置测控弧段；
在火面着陆后按照轨道器和着陆巡视器双目标配置，随中继通信窗口火星时漂移配置多目标测控弧段。
其中，所述进行多目标协同控制飞控事件安排，包括：
确定与飞控事件类型对应的飞控事件安排实施方式；
确定飞控事件约束条件，并根据所述飞控事件安排实施方式和所述飞控事件约束条件进行飞控事件安排。
其中，所述开展多目标协同控制冲突排解迭代，包括：
若确定出现测控资源配置或飞控事件安排冲突，则根据多目标协同控制冲突类型确定相应的冲突排解策略；
执行各冲突排解策略完成飞控事件安排冲突排解。
其中，所述在多目标协同控制冲突排解完成后，根据所述多目标协同控制测控资源配置信息和飞控事件安排，实施器间中继通信多目标协同控制，包括：
基于中继服务窗口实现着陆巡视器和轨道器的天地测控数传链路协同控制；
基于中继通信窗口实现着陆巡视器和轨道器的器间中继通信链路协同控制；
其中，所述中继服务窗口为轨道器深空站测控跟踪弧段中可用于地面进行着陆巡视器任务规划结果上注的弧段；
所述中继通信窗口为着陆巡视器与轨道器之间的器间物理通信弧段。
其中，所述根据多目标协同控制冲突类型确定相应的冲突排解策略，包括：
若确定出现资源冲突，则进行测控资源优化配置；
若确定未出现资源冲突，则确定是否出现逻辑冲突；
若确定出现逻辑冲突，则进行飞控事件优先级调整；
若确定未出现逻辑冲突，则确定是否出现时间冲突；
若确定出现时间冲突，则进行指令执行时间调整；
若确定未出现时间冲突，则进行飞控事件优先级调整和/或进行测控资源优化配置。
一方面，本发明提出一种火星探测多目标协同控制装置，包括：
确定单元，用于确定多目标协同控制测控资源配置信息；
安排单元，用于进行多目标协同控制飞控事件安排；
排解单元，用于开展多目标协同控制冲突排解迭代；
控制单元，用于在多目标协同控制冲突排解完成后，根据所述多目标协同控制测控资源配置信息和飞控事件安排，实施器间中继通信多目标协同控制。
再一方面，本发明实施例提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如下方法：
确定多目标协同控制测控资源配置信息；
进行多目标协同控制飞控事件安排；
开展多目标协同控制冲突排解迭代；
在多目标协同控制冲突排解完成后，根据所述多目标协同控制测控资源配置信息和飞控事件安排，实施器间中继通信多目标协同控制。
本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，包括：
所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如下方法：
确定多目标协同控制测控资源配置信息；
进行多目标协同控制飞控事件安排；
开展多目标协同控制冲突排解迭代；
在多目标协同控制冲突排解完成后，根据所述多目标协同控制测控资源配置信息和飞控事件安排，实施器间中继通信多目标协同控制。
本发明实施例还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如下方法：
确定多目标协同控制测控资源配置信息；
进行多目标协同控制飞控事件安排；
开展多目标协同控制冲突排解迭代；
在多目标协同控制冲突排解完成后，根据所述多目标协同控制测控资源配置信息和飞控事件安排，实施器间中继通信多目标协同控制。
本发明实施例提供的火星探测多目标协同控制方法及装置，确定多目标协同控制测控资源配置信息；进行多目标协同控制飞控事件安排；开展多目标协同控制冲突排解迭代；在多目标协同控制冲突排解完成后，根据所述多目标协同控制测控资源配置信息和飞控事件安排，实施器间中继通信多目标协同控制，能够高效和灵活地实现多目标协同控制。
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，下面将对实施例或现有技术描述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。在附图中：
图1是本发明一实施例提供的火星探测多目标协同控制方法流程示意图。
图2是本发明实施例火星探测任务典型测控通信链路规划示意图。
图3是本发明实施例火星探测多目标协同控制冲突排解流程示意图。
图4是本发明实施例器间中继通信窗口弧段类型示意图。
图5是本发明一实施例提供的火星探测多目标协同控制装置的结构示意图。
图6为本发明实施例提供的计算机设备实体结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
图1是本发明一实施例提供的火星探测多目标协同控制方法流程示意图，如图1所示，本发明实施例提供的火星探测多目标协同控制方法，包括：
步骤S1：确定多目标协同控制测控资源配置信息。
步骤S2：进行多目标协同控制飞控事件安排。
步骤S3：开展多目标协同控制冲突排解迭代。
步骤S4：在多目标协同控制冲突排解完成后，根据所述多目标协同控制测控资源配置信息和飞控事件安排，实施器间中继通信多目标协同控制。
在上述步骤S1中，装置确定多目标协同控制测控资源配置信息。装置可以是执行该方法的计算机设备等。本申请技术方案中对数据的获取、存储、使用、处理等均符合相关规定。
如图2所示，在确定多目标协同控制测控资源配置信息之前，可以先确定火星探测多目标协同控制需求，图2中的轨道器可以具体为火星轨道器，火星轨道器和着陆巡视器(包含着陆平台和火星车)均存在直接的天地接口，正常情况下地面不直接对着陆巡视器上行，着陆巡视器相关指令及注入通过轨道器总线代传(火面着陆前)或中继前向转发(火面着陆后)实现。在落火初期及应急情况下，存在火星车直接对地测控链路上行需求。
火面着陆前，仅轨道器测控应答机开机工作，着陆巡视器测控应答机不开机，测控目标仅有轨道器，通过轨道器总线代传对着陆巡视器进行上行遥控发令及数据注入，通过轨道器总线代传接收着陆巡视器下行数据。
火面着陆后，轨道器测控应答机开机工作，着陆巡视器火面着陆成功并释放火星车，同时火星车定向天线完成展开，并且测控应答机开机工作，测控目标为轨道器和火星车。该阶段地面需要同时控制轨道器和火星车两个目标，并且由于轨道器需要为火星车提供器间中继通信服务，两目标控制之间具有一定的耦合性。在测控资源配置方面，既要满足轨道器测控、数传需求，也要兼顾火星车直接对地通信下行数据接收和地面直接上行遥控发令需求。特别是器间中继通信过程，两目标测控资源配置和飞控事件安排需要一体化统筹考虑。
通常不同飞控阶段和飞控模式采用不同的测控网跟踪策略，根据需要可采用月计划或周计划模式，分阶段进行测控资源规划。按照不同飞控事件优先级划分，通过合理安排深空站测控资源，确保满足探测器各类飞控事件测控跟踪需求，主要包括上行控制需求(上行连续时长、遥控码速率以及是否需要备份上行弧段)、下行遥测接收需求(遥测接收时长、遥测码速率以及是否需要双站同时接收)、测定轨需求(仅UXB测轨、UXB+VLBI测轨等)以及科学探测数据数传接收需求(数传接收时长、数传码速率以及是否需要双站同时接收)等方面。
发射入轨、火星捕获以及进入下降着陆(EDL)等关键控制前后，测控网采用24小时不间断连续跟踪模式；地火转移飞行过程非轨控等关键控制期间主要采用监视测控模式，探测器状态监视为主，火星探测器地面站测控跟踪需满足一定时长指标要求，非测控弧段最长间隔可以不超过8小时。
所述确定多目标协同控制测控资源配置信息，包括：
在火面着陆前的轨道器和着陆巡视器组合体飞行阶段中，按照轨道器单目标配置测控弧段；具体说明如下：
火面着陆前，火星轨道器和着陆巡视器组合体飞行阶段，地面测控目标为火星轨道器单目标，通过总线代传对着陆巡视器进行上行控制、接收着陆巡视器下行遥测，测控资源分配按照火星轨道器单目标测控实施。
任务执行期间关键控制阶段，主要包括从发射入轨至第一次中途修正完成、从第四次中途修正前至首次火星捕获完成并进入停泊轨道、进入下降着陆(EDL)前一周至火面着陆等重大关键控制前后，深空站均全弧段用于火星轨道器测控跟踪。任务执行期间非关键控制阶段，主要包括地火转移飞行期间非轨控前后弧段，地面测控跟踪以状态监视为主，同时需确保探测器非测控弧段持续时间不超过一定时长指标要求，可以按照前后两个测控弧段间隔最长不超过8小时进行测控跟踪弧段安排。
火星探测任务执行期间，深空站主要采用分时跟踪策略，分时跟踪火星探测器和其它航天器，不具备分时跟踪条件的情况下，长管航天器主要使用18米测控设备进行测控跟踪。深空站需支持不同类型任务(火星探测、月球探测)切换，计划内不同测控任务(均为X频段)之间切换时长不超过指标要求。
VLBI测轨分系统各观测站均参与测定轨工作，VLBI测量信号为探测器(环绕器)X频段载波及DOR信号。每次轨道控制前后采用加密观测，其它时间采用常规观测。VLBI需支持不同观测任务切换，每天可以安排一次观测任务切换，若VLBI当天观测弧段中需切换至其它任务的观测目标，不同任务间切换时长不超过指标要求。统筹考虑地面应用系统所属测站数传接收需求及VLBI测定轨需求，同一测站从VLBI观测切换到数传接收和从数传接收切换到VLBI观测均不超过相应指标要求。
在火面着陆后按照轨道器和着陆巡视器双目标配置，随中继通信窗口火星时漂移配置两目标测控弧段。具体说明如下：
火面着陆后，火星轨道器和着陆巡视器均存在直接的天地接口，地面测控目标为火星轨道器和着陆巡视器双目标，通过直接对地测控链路对火星轨道器、着陆巡视器进行上行控制，并接收火星轨道器、着陆巡视器下行遥测或数传数据，测控资源分配按照火星轨道器、着陆巡视器双目标测控实施。
相比火面着陆前，新增着陆巡视器火星车测控目标，正常情况下着陆巡视器主要通过轨道器中继前向链路转发遥控指令及注入数据进行控制，应急情况下地面具备直接对火星车进行上下行测控的手段。火面巡视探测阶段，火星轨道器需为火星车提供器间中继通信服务，器间近火、远火中继通信窗口随火星时漂移，提出了适应火星时工作节奏、随器间中继通信窗口漂移的双目标测控资源分配方法。
飞控实施过程中，通常至少提前一周计算火星轨道器后续轨道预报，根据火星轨道器飞行轨道及着陆巡视器火面位置，分别计算每个火星日的UHF频段近火中继通信窗口和远火中继通信窗口，两种类型的中继通信窗口单独输出。根据每个中继通信窗口最前沿时刻，确定一一对应的中继服务窗口最后沿时刻，可以在该中继服务窗口结束前完成相应的中继通信窗口UHF中继前向链路转发遥控指令及注入数据的上行发送及内存下卸检查比对，中继服务窗口选取需考虑上行发送时间、器地传输时延和地面状态判读等因素，需要至少预留一次必要的补发及地面状态判读时间余量。
相应地，每周进行一次测控跟踪弧段规划，主要根据器间远火UHF中继通信弧段、器间近火UHF中继通信弧段、着陆巡视器X频段低增益上行窗口、着陆巡视器X频段定向天线对地通信弧段分布(每个地球日往后漂移约40分钟)，合理安排测控跟踪弧段，重点需要预留每日器间远火UHF中继通信前轨道器有效遥控弧段(用于着陆巡视器远火UHF中继上行)、每日器间远火UHF中继通信后轨道器测控跟踪弧段(用于着陆巡视器远火UHF通信短帧数据下传，可根据需要采用对地数传或直接在测控模式下点播下传)以及每日器间近火UHF中继通信前火星轨道器有效遥控弧段(用于着陆巡视器近火UHF中继上行)、每日器间近火UHF中继通信后轨道器测控跟踪弧段(用于着陆巡视器近火UHF中继通信长帧数据对地数传)。
在上述步骤S2中，装置进行多目标协同控制飞控事件安排。为不同飞控事件合理安排测控资源，用以支持飞控事件实施。建立飞控事件需求与测控资源之间的关联关系，以及各飞控事件之间的资源冲突关系，完成飞控事件约束冲突排解，明确飞控事件的资源满足情况、具体资源配置和时间安排，生成飞控事件计划。根据需要进行测控资源冲突排解及飞控事件动态调整，依据飞控事件的不同优先级，按照由高到低依次安排的策略实施，完成各优先级飞控事件的规划迭代。
飞控实施过程中，将飞控事件进一步分解为具体指令序列，并且根据轨道预报在测控站跟踪弧段时间轴上合理安排指令序列，从而达到控制探测器在预定时刻完成相应动作的目的。在计划工作模式下，飞控事件安排主要通过编排标称计划实施，根据航天器飞行轨道也即标称轨道对应的测控条件，按照标称轨道对应的飞行圈次或时间顺序在测控区间上合理安排飞行程序指令，将飞行程序转换为能够被计算机读取和操作的标称计划，再通过计划软件读取轨道预报生成实战计划，从而达到控制航天器及测控系统执行特定动作的目的。
所述进行多目标协同控制飞控事件安排，包括：
确定与飞控事件类型对应的飞控事件安排实施方式；具体说明如下：
飞控事件主要包括以下几种类型：
1)上行控制事件：包括遥控指令、注入数据、延时指令、延时转发指令、遥控指令链、用于指令发送时间修正的特征事件等。
2)测控网事件：包括测控设备使用申请发送、引导数据发送、开/关上行载波以及VLBI观测事件等与测控网相关的控制事件。
3)中心内部事件：包括软件进程启动及结束、内部通信信道开关、测站引导数据发送等中心内部控制事件。
飞控事件安排实施方式可以如下：
1)指令安排与飞行程序规定的指令之间时序保持一致。在保证发令顺序及约束关系不变的前提下，计划中的发令时间与飞行程序安排的时间相比，可以提前或推后一定时间，但不改变指令之间时序关系。
2)遥控指令可以安排在有效遥控区间内。根据飞行程序中遥控指令相对进出站的位置，需将遥控指令执行时间安排在根据几何可见计算的深空站进站10°～出站10°之间，地面指令发出时间需考虑器地传输时延。有遮蔽的测控站，要考虑避开遮蔽弧段。
3)关键指令的安排与它相关的特征点时刻(比如器箭分离点、变轨开/关机点、大气进入点等)保持飞行程序要求的相对时间关系。
4)为避免不同约束条件带来的冲突，在安排时序相近的指令时，使用同样的约束条件，安排在同一个测控站(船)跟踪弧段内。
5)遥控指令(链)之间发令时间不重叠，即相邻两条遥控指令(链)，后一条遥控指令(链)的发令开始时间在前一条遥控指令(链)的发令结束时间之后。如果出现指令(链)重叠，计划软件需报警。
6)在设计着陆巡视器的指令标称计划时，通过轨道器代传的着陆巡视器遥控指令和注入数据，可以加上代传标识，利用轨道器约束条件与轨道器计划统一设计。
7)火面工作段，需统筹考虑火星轨道器和火星车直接上行遥控发令安排，鉴于同一深空站对不同目标上行发令需要加载不同设备参数进行测控目标切换。
确定飞控事件约束条件，并根据所述飞控事件安排实施方式和所述飞控事件约束条件进行飞控事件安排。具体说明如下：
飞控事件安排需要依赖于具体的约束条件，主要用于描述特定飞控事件控制目标、开始执行时刻及持续时间、执行测站及码速率等信息。火星探测飞控事件安排主要约束类型包括时间约束、测站约束、轨道约束、能源约束、安全约束、中继通信约束、天体遮挡约束、资源约束以及逻辑约束等方面。
1)发生时间约束
时间约束是火星探测飞控事件安排的约束之一。该类约束主要用于安排特定任务时间附近发生、每天特定时刻发生以及火星时某特定时刻发生的飞控事件。通过时间约束描述方式，可以给出飞控事件最早开始执行时刻、最晚开始执行时刻及其持续时间等信息。根据飞控事件安排具体需求，可以使用绝对时间(比如YYYY-MM-DDTHH:MM:SS.SSS)、相对时间(比如器箭分离时刻或火面着陆时刻后1小时)和火星时(比如火星时上午9时)。
下面简要介绍火星时约束。着陆巡视器火面工作最主要约束是能源，能源生成情况和火星地方时相关，相关工作模式开始、结束时刻通常使用火星地方时描述，记为落火第XX个火星日火星当地HH时MM分；工作模式的时长使用标准时间描述：包括小时(h)，分钟(min)，秒(s)。任务实施过程中，根据火星表面着陆的历元时刻(北京时)和着陆位置，计算与该北京时对应的火星时预报(火星日、时、分、秒)，通常使用火星当地真太阳时。
2)测站跟踪约束
测站约束也是火星探测飞控事件安排约束之一。该类约束主要用于安排特定测站跟踪弧段内发生的飞控事件及测控任务要求，比如测站A进站10度时刻开始发送上行载波、测站A和测站B共视弧段开始后30分钟开始进行姿态机动控制、测站C出站前1小时发送遥控终端关门指令。
另外，火星探测器上行遥控和下行遥测均具有多档码速率，飞控事件安排需要明确具体采用的码速率信息，比如测站A进站后下行遥测首先使用高码速率档位(跟踪约3小时后下行遥测切换为低码速率档位)、上行遥控首先使用高码速率档位(跟踪约3小时后下行遥测切换为低码速率档位)；测站B进站后下行遥测直接使用低码速率档位、上行遥控发令直接使用低码速率档位等。
3)轨道姿态约束
轨道约束主要用于安排特定轨道及姿态约束条件下的飞控事件，比如测控跟踪安排及VLBI观测频度需要充分考虑探测器测定轨精度指标要求；探测器每次根据使用发动机不同需要满足一定的轨道姿态要求；高分相机着陆区成像探测需要探测器过着陆区上空并且整器平台侧摆角度不超过一定指标要求，停泊轨道维持控制时机和高分成像圈次安排具有一定的耦合性；部分科学载荷开机探测要求器火距离及器下点太阳高度角满足一定要求；器间中继通信要求着陆巡视器与轨道器之间的距离以及着陆巡视器看轨道器方向仰角满足一定要求，并且需要定期进行中继轨道维持确保轨道器过着陆区上空。
4)能源平衡约束
能源约束主要用于安排与整器能源平衡相关的飞控事件。火星探测器中继轨道段存在长火影(火星遮挡太阳)圈次导致放电深度较大，主要采用多圈能量平衡的策略，在预留一定放电深度安全余量的前提下，需要定期关闭行放进行充电，每日行放开关总时长不超过一定指标要求。天上行放开关安排对地面测控跟踪具有潜在影响，每日测控跟踪弧段总时长不超过行放开机总时长，行放关闭期间原则上不安排测控跟踪，并且尽可能安排在后半夜。
5)中继通信约束
中继通信约束主要用于安排轨道器与着陆巡视器之间中继通信相关的飞控事件，比如中继通信前后的姿态机动、UHF频段或X频段测控数传设备开关机等，通过采用相同的器间中继通信时间基准，实现着陆巡视器与轨道器之间器间通信指令安排层面的协同配合。
6)逻辑关联约束
逻辑关联约束主要用于安排存在逻辑约束关系的飞控事件。比如飞控事件B在飞控事件A结束后1小时内开始实施；探测器某些动作需要在整器充满电后方可实施；某些软件进程需要接收到运载起飞(记为T0)或器箭分离(记为TF)信号后方可自动触发启动；信道开关和测站跟踪引导数据发送事件必须在测站跟踪开始事件前间隔固定时间执行。
此外，为有效提高计划设计的模块化、便利性、复用性，通常使用自定义特征点描述具有逻辑关联约束的飞控事件。自定义特征点可使用已有约束类型构造。根据用途不同，自定义特征点可分为通用自定义特征点和专用自定义特征点。通用自定义特征点可在多个表格里使用，专用自定义特征点仅限于在当前定义该特征点的表格中使用。每一个自定义特征点的名称和代码必须互异，格式转换时如有重复定义的特征点需给出报错信息。
在上述步骤S3中，装置开展多目标协同控制冲突排解迭代，包括：
若确定出现测控资源配置或飞控事件安排冲突，则根据多目标协同控制冲突类型确定相应的冲突排解策略；
迭代执行各冲突排解策略完成飞控事件安排冲突排解。
所述根据多目标协同控制冲突类型确定相应的冲突排解策略，包括：
若确定出现资源冲突，则进行测控资源优化配置；
若确定未出现资源冲突，则确定是否出现逻辑冲突；
若确定出现逻辑冲突，则进行飞控事件优先级调整；
若确定未出现逻辑冲突，则确定是否出现时间冲突；
若确定出现时间冲突，则进行指令执行时间调整；
若确定未出现时间冲突，则进行飞控事件优先级调整和/或进行测控资源优化配置。
如图3所示，飞控事件安排冲突主要可以划分为资源冲突、逻辑冲突、时间冲突等不同类型。飞控事件安排冲突排解可以包括：按照飞控事件优先级排序，优先级较高的飞控事件优先安排。
资源冲突主要是指不同任务在相同时间存在使用同一测控站的需求，或者同一任务不同测控目标在相同时间存在使用同一测控站的需求，比如火星探测器某关键控制当日9时至12时需要使用某深空站，某中继星当日轨道维持也需要使用该深空站，此种情况下需调整火星探测器关键控制执行时机或某中继星轨道维持控制点火时刻。
又比如火星轨道器和着陆巡视器在当日6时均存在使用某深空站上行遥控发令的需求，但同一测控站在同一时间仅能够对一个目标上行，若此时处于双站共视弧段可以使用两个不同测站对两个目标分别上行，若此时处于单站测控弧段，则需要调整火星轨道器或着陆巡视器上行控制事件执行时机。
逻辑冲突主要是指飞控事件执行优先级或时序逻辑不符合预期，比如探测器某项动作应该安排在调姿到位后执行，实际实施过程中出现指令安排与调姿控制参数计算结果不一致的问题，需要重新计算调姿控制参数或者调整指令安排；又比如探测器某项关键控制应该安排在整器充满电的工况下实施，实际实施过程中出现指令安排在出火影后整器尚未满电工况下执行的情况，需要调整指令执行时间。
时间冲突主要是指同一任务不同测控目标对应飞控事件指令执行时间交叠或同一测控目标不同飞控时间指令执行时间交叠。比如，在探测器组合体飞行阶段着陆巡视器自检期间，通过轨道器转发的着陆巡视器自检指令与轨道器自身指令执行时间有交叠，则计划软件会报指令冲突；或者，轨道器载荷科学探测指令与每日例行上行信道测试指令执行时间有交叠，则计划软件也会报指令冲突，上述情况下均需要调整相应指令安排进行冲突排解。
在上述步骤S4中，装置在多目标协同控制冲突排解完成后，根据所述多目标协同控制测控资源配置信息和飞控事件安排，实施器间中继通信多目标协同控制。所述在多目标协同控制冲突排解完成后，根据所述多目标协同控制测控资源配置信息和飞控事件安排，实施器间中继通信多目标协同控制，包括：
基于中继服务窗口实现着陆巡视器和轨道器的天地测控数传链路协同控制；
基于中继通信窗口实现着陆巡视器和轨道器的器间中继通信链路协同控制；
其中，所述中继服务窗口为轨道器深空站测控跟踪弧段中可用于地面进行着陆巡视器任务规划结果上注的弧段；
所述中继通信窗口为着陆巡视器与轨道器之间的器间物理通信弧段。
如图4所示，火星轨道器能够比受能源和质量限制的火面着陆巡视器提供更高的数据传输速率，因此火面着陆巡视器通常主要依赖于轨道器中继代传实现与地面站之间的数据传输。火面工作段两目标协同控制主要包括测控跟踪弧段协同(下行通常设置为双目标同时接收状态、上行通常分时工作)、中继通信弧段类型(主要包括近火UHF、远火UHF、远火X、近火X等)协同、中继通信飞控事件安排协同(轨道器测控通信模式调整、建立中继通信姿态、器间中继通信前返向链路建立与撤销、中继前向转发火星车遥控指令及注入数据、中继返向链路回放火星车数据等)、中继通信数据量协同(根据器间中继通信数据量确定轨道器测控信道点播或对地数传持续时长)。
为避免概念混淆，下面给出“中继服务窗口”和“中继通信窗口”具体定义。简单来讲，器间中继通信前向链路协同(地面通过火星轨道器中继代传向着陆巡视器发送指令)主要分为两个环节：“中继服务窗口”是用于解决地面到轨道器之间第一环节的传输问题，“中继通信窗口”是用于解决轨道器到着陆巡视器之间第二环节的传输问题；相应地，器间中继通信返向链路协同(地面通过火星轨道器中继代传接收着陆巡视器下行数据)主要分为两个环节：基于中继通信窗口通过器间中继返向链路发送至轨道器，基于中继服务窗口通过轨道器下行测控或数传链路转发至地面。
对于基于中继服务窗口实现着陆巡视器和轨道器的天地测控数传链路协同控制，具体说明如下：
由于着陆巡视器主要通过火星轨道器中继转发上行发令，需要在轨道器测控弧段中预留着陆巡视器代传发令上行弧段。定义火星轨道器深空站测控跟踪弧段中可用于地面进行着陆巡视器任务规划结果上注的弧段为“中继服务窗口”。
根据器间中继通信工作原理和上述定义可知，中继通信窗口不需要在轨道器测控跟踪弧段内，但是中继服务窗口需要在轨道器深空站有效测控跟踪弧段内。其中，中继服务窗口不包含轨道器平台控制弧段和深空站载波切换弧段。
飞控实施过程中，通过“中继服务窗口”文件方式实现着陆巡视器与火星轨道器之间的协同。中继服务窗口均使用标准XML接口文件生成，主要包含中继服务窗口类型、窗口序号、生成时间、是否独占、窗口开始时间、窗口结束时间、轨道器上行测站、轨道器上行码速率等要素，如表1所示：
表1
对于基于中继通信窗口实现着陆巡视器和轨道器的器间中继通信链路协同控制，具体说明如下：
定义着陆巡视器与火星轨道器之间的器间物理通信弧段(考虑着陆巡视器看火星轨道器几何仰角和器车距离等因素)为“中继通信窗口”。中继通信窗口具体内容及格式包括使用标准XML接口文件生成，主要包含中继通信窗口类型、窗口序号、生成时间、窗口属性、确定方式、工作模式、前返向链路码速率、中继通信窗口开始时间、中继通信窗口结束时间等要素，如表2所示：
表2
本发明实施例提供的火星探测多目标协同控制方法具有如下有益效果：
(1)方法新颖、功能强大。本发明提出的火星探测多目标协同控制方法首次应用于解决火星探测器飞行控制问题，相比以往近地航天器及月球探测器控制方法存在本质区别，已在飞行控制过程中得到成功应用。
(2)科学有效、易于扩展。本发明提出的火星探测多目标协同控制方法来源于火星探测工程实践，可以扩展至解决火星以远深空探测器飞行控制问题。
本发明实施例提供的火星探测多目标协同控制方法，确定多目标协同控制测控资源配置信息；进行多目标协同控制飞控事件安排；开展多目标协同控制冲突排解迭代；在多目标协同控制冲突排解完成后，根据所述多目标协同控制测控资源配置信息和飞控事件安排，实施器间中继通信多目标协同控制，能够高效和灵活地实现多目标协同控制。
进一步地，所述确定多目标协同控制测控资源配置信息，包括：
在火面着陆前的轨道器和着陆巡视器组合体飞行阶段中，按照轨道器单目标配置测控弧段；可参照上述实施例说明，不再赘述。
在火面着陆后按照轨道器和着陆巡视器双目标配置，随中继通信窗口火星时漂移配置两目标测控弧段。可参照上述实施例说明，不再赘述。
进一步地，所述进行多目标协同控制飞控事件安排，包括：
确定与飞控事件类型对应的飞控事件安排实施方式；可参照上述实施例说明，不再赘述。
确定飞控事件约束条件，并根据所述飞控事件安排实施方式和所述飞控事件约束条件进行飞控事件安排。可参照上述实施例说明，不再赘述。
进一步地，所述开展多目标协同控制冲突排解迭代，包括：
若确定出现测控资源配置或飞控事件安排冲突，则根据多目标协同控制冲突类型确定相应的冲突排解策略；可参照上述实施例说明，不再赘述。
执行各冲突排解策略完成飞控事件安排冲突排解。可参照上述实施例说明，不再赘述。
进一步地，所述在多目标协同控制冲突排解完成后，根据所述多目标协同控制测控资源配置信息和飞控事件安排，实施器间中继通信多目标协同控制，包括：
基于中继服务窗口实现着陆巡视器和轨道器的天地测控数传链路协同控制；可参照上述实施例说明，不再赘述。
基于中继通信窗口实现着陆巡视器和轨道器的器间中继通信链路协同控制；可参照上述实施例说明，不再赘述。
其中，所述中继服务窗口为轨道器深空站测控跟踪弧段中可用于地面进行着陆巡视器任务规划结果上注的弧段；可参照上述实施例说明，不再赘述。
所述中继通信窗口为着陆巡视器与轨道器之间的器间物理通信弧段。可参照上述实施例说明，不再赘述。
进一步地，所述根据多目标协同控制冲突类型确定相应的冲突排解策略，包括：
若确定出现资源冲突，则进行测控资源优化配置；可参照上述实施例说明，不再赘述。
若确定未出现资源冲突，则确定是否出现逻辑冲突；可参照上述实施例说明，不再赘述。
若确定出现逻辑冲突，则进行飞控事件优先级调整；可参照上述实施例说明，不再赘述。
若确定未出现逻辑冲突，则确定是否出现时间冲突；可参照上述实施例说明，不再赘述。
若确定出现时间冲突，则进行指令执行时间调整；可参照上述实施例说明，不再赘述。
若确定未出现时间冲突，则进行飞控事件优先级调整和/或进行测控资源优化配置。可参照上述实施例说明，不再赘述。
图5是本发明一实施例提供的火星探测多目标协同控制装置的结构示意图，如图5所示，本发明实施例提供的火星探测多目标协同控制装置，包括确定单元501、安排单元502、排解单元503和控制单元504，其中：
确定单元501用于确定多目标协同控制测控资源配置信息；安排单元502用于进行多目标协同控制飞控事件安排；排解单元503用于开展多目标协同控制冲突排解迭代；控制单元504用于在多目标协同控制冲突排解完成后，根据所述多目标协同控制测控资源配置信息和飞控事件安排，实施器间中继通信多目标协同控制。
具体的，装置中的确定单元501用于确定多目标协同控制测控资源配置信息；安排单元502用于进行多目标协同控制飞控事件安排；排解单元503用于开展多目标协同控制冲突排解迭代；控制单元504用于在多目标协同控制冲突排解完成后，根据所述多目标协同控制测控资源配置信息和飞控事件安排，实施器间中继通信多目标协同控制。
本发明实施例提供的火星探测多目标协同控制装置，确定多目标协同控制测控资源配置信息；进行多目标协同控制飞控事件安排；开展多目标协同控制冲突排解迭代；在多目标协同控制冲突排解完成后，根据所述多目标协同控制测控资源配置信息和飞控事件安排，实施器间中继通信多目标协同控制，能够高效和灵活地实现多目标协同控制。
本发明实施例提供火星探测多目标协同控制装置的实施例具体可以用于执行上述各方法实施例的处理流程，其功能在此不再赘述，可以参照上述方法实施例的详细描述。
图6为本发明实施例提供的计算机设备实体结构示意图，如图6所示，所述计算机设备包括：存储器601、处理器602及存储在存储器601上并可在处理器602上运行的计算机程序，所述处理器602执行所述计算机程序时实现如下方法：
确定多目标协同控制测控资源配置信息；
进行多目标协同控制飞控事件安排；
开展多目标协同控制冲突排解迭代；
在多目标协同控制冲突排解完成后，根据所述多目标协同控制测控资源配置信息和飞控事件安排，实施器间中继通信多目标协同控制。
本实施例公开一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如下方法：
确定多目标协同控制测控资源配置信息；
进行多目标协同控制飞控事件安排；
开展多目标协同控制冲突排解迭代；
在多目标协同控制冲突排解完成后，根据所述多目标协同控制测控资源配置信息和飞控事件安排，实施器间中继通信多目标协同控制。
本实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如下方法：
确定多目标协同控制测控资源配置信息；
进行多目标协同控制飞控事件安排；
开展多目标协同控制冲突排解迭代；
在多目标协同控制冲突排解完成后，根据所述多目标协同控制测控资源配置信息和飞控事件安排，实施器间中继通信多目标协同控制。
与现有技术中的技术方案相比，本发明实施例提供的火星探测多目标协同控制方法，确定多目标协同控制测控资源配置信息；进行多目标协同控制飞控事件安排；开展多目标协同控制冲突排解迭代；在多目标协同控制冲突排解完成后，根据所述多目标协同控制测控资源配置信息和飞控事件安排，实施器间中继通信多目标协同控制，能够高效和灵活地实现多目标协同控制。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一个具体实施例”、“一些实施例”、“例如”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种火星探测多目标协同控制方法，其特征在于，包括：
确定多目标协同控制测控资源配置信息；
进行多目标协同控制飞控事件安排；
开展多目标协同控制冲突排解迭代；
在多目标协同控制冲突排解完成后，根据所述多目标协同控制测控资源配置信息和飞控事件安排，实施器间中继通信多目标协同控制；
所述开展多目标协同控制冲突排解迭代，包括：
若确定出现测控资源配置或飞控事件安排冲突，则根据多目标协同控制冲突类型确定相应的冲突排解策略；
迭代执行各冲突排解策略完成测控资源配置和飞控事件安排冲突排解；
所述根据多目标协同控制冲突类型确定相应的冲突排解策略，包括：
若确定出现资源冲突，则进行测控资源优化配置；
若确定未出现资源冲突，则确定是否出现逻辑冲突；
若确定出现逻辑冲突，则进行飞控事件优先级调整；
若确定未出现逻辑冲突，则确定是否出现时间冲突；
若确定出现时间冲突，则进行指令执行时间调整；
若确定未出现时间冲突，则进行飞控事件优先级调整和/或进行测控资源优化配置。
2.根据权利要求1所述的火星探测多目标协同控制方法，其特征在于，所述确定多目标协同控制测控资源配置信息，包括：
在火面着陆前的轨道器和着陆巡视器组合体飞行阶段中，按照轨道器单目标配置测控弧段；
在火面着陆后按照轨道器和着陆巡视器双目标配置，随中继通信窗口火星时漂移配置两目标测控弧段。
3.根据权利要求1所述的火星探测多目标协同控制方法，其特征在于，所述进行多目标协同控制飞控事件安排，包括：
确定与飞控事件类型对应的飞控事件安排实施方式；
确定飞控事件约束条件，并根据所述飞控事件安排实施方式和所述飞控事件约束条件进行飞控事件安排。
4.根据权利要求1所述的火星探测多目标协同控制方法，其特征在于，所述在多目标协同控制冲突排解完成后，根据所述多目标协同控制测控资源配置信息和飞控事件安排，实施器间中继通信多目标协同控制，包括：
基于中继服务窗口实现着陆巡视器和轨道器的天地测控数传链路协同控制；
基于中继通信窗口实现着陆巡视器和轨道器的器间中继通信链路协同控制；
其中，所述中继服务窗口为轨道器深空站测控跟踪弧段中可用于地面进行着陆巡视器任务规划结果上注的弧段；
所述中继通信窗口为着陆巡视器与轨道器之间的器间物理通信弧段。
5.一种火星探测多目标协同控制装置，其特征在于，包括：
确定单元，用于确定多目标协同控制测控资源配置信息；
安排单元，用于进行多目标协同控制飞控事件安排；
排解单元，用于开展多目标协同控制冲突排解迭代；
控制单元，用于在多目标协同控制冲突排解完成后，根据所述多目标协同控制测控资源配置信息和飞控事件安排，实施器间中继通信多目标协同控制；
所述排解单元具体用于：
若确定出现测控资源配置或飞控事件安排冲突，则根据多目标协同控制冲突类型确定相应的冲突排解策略；
迭代执行各冲突排解策略完成测控资源配置和飞控事件安排冲突排解；
所述排解单元还具体用于：
若确定出现资源冲突，则进行测控资源优化配置；
若确定未出现资源冲突，则确定是否出现逻辑冲突；
若确定出现逻辑冲突，则进行飞控事件优先级调整；
若确定未出现逻辑冲突，则确定是否出现时间冲突；
若确定出现时间冲突，则进行指令执行时间调整；
若确定未出现时间冲突，则进行飞控事件优先级调整和/或进行测控资源优化配置。
6.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至4任一所述方法。
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至4任一所述方法。
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|---|---|
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