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遥感卫星在轨测试任务管控方法探讨
论文作者:童鞋论文网  论文来源:www.txlunwenw.com  发布时间:2018/1/2 8:45:19  

摘    要:针对在轨测试任务特殊要求, 通过分析当前卫星在轨测试期间面临的问题, 提出了地面任务控制系统在轨测试能力支持必要性, 设计了在轨测试任务生成、在轨测试项目管理等卫星在轨测试专项能力, 对现有常规任务管控流程进行改进, 在流程各环节灵活适应在轨测试任务特殊控制要求, 通过多种解决措施, 使在轨测试项目能够顺利有效执行, 缩短在轨测试周期。

关键词:在轨测试; 卫星任务管控; 遥感卫星地面系统;

0 引言

一颗卫星需要经过研制、发射、在轨测试之后才能交付用户投入运营, 发挥效益。卫星有效载荷在轨测试是卫星入轨后, 最终用户使用前的各项性能测试, 因此在轨测试项目应全面,从用户的角度对卫星使用要求与技术指标最大程度地进行性能考核。同时, 测试方法应确保卫星在轨的安全[1]。卫星的在轨测试分为平台测试和有效载荷测试2大部分。平台测试主要测试卫星平台的位置控制、姿态控制能力, 其测试结果直接影响卫星在轨道上所处的位置以及控制卫星姿态的精度等。而有效载荷测试则是要进行考核与卫星实际用途相关的技术指标测试[2], 进行卫星各项功能与技术指标的详细测试考核, 验证卫星的实际能力是否符合其使用要求。对于平台测试一般用户不太关注, 用户主要关注有效载荷测试部分。而有效载荷的在轨测试, 一般要结合卫星实际使用场景的测试任务执行, 这时需要地面的任务管控系统进行相应的测试任务规划与指令编制, 上注卫星执行, 地面站接收遥感数据与遥测数据后进行数据处理、分析与评估。卫星在轨测试期间, 除了执行正常任务的动作以外, 还要执行一些特殊动作或任务,不能只按照任务管控系统常规任务流程进行任务管控[3-4], 特殊的在轨测试项目, 经常需要手工进行许多设置, 不能自动化完成, 另一方面, 手工设置无形中增加了不安全因素。因此, 在目前卫星发射频度很高、数量激增的情况下, 卫星在轨测试阶段如何根据在轨测试计划及测试任务要求, 在保证卫星使用安全的前提下,配合完成卫星在轨测试任务安排, 是地面任务管控系统急需考虑的问题。

目前, 对各类卫星的地面测试方法与在轨测试方法研究较多, 但大多研制专门的测试系统在卫星发射前在地面进行自动化测试[5-7]。有关卫星在轨测试的方法一般涉及对卫星平台与星上各分系统的测试方法[8], 有些卫星研制专门的在轨测试系统实施在轨测试任务[9], 但这些系统不能按照用户的实际使用场景进行在轨测试。如何在执行常规任务的地面任务管控系统中实施在轨测试任务管控, 上注卫星执行在轨测试任务,相关文献均没有研究。另一方面, 现有的遥感卫星地面任务管控系统中也没有考虑到在轨测试特殊任务的实施方法, 没有研制相应的在轨测试系统针对性地实施在轨测试[10-11]。本文主要侧重于在用户实际使用场景下, 研究与星上有效载荷使用模式相关的在轨测试任务管控能力和效率提升的方法。

1 卫星在轨测试任务管控现状分析

1.1 在轨测试任务生成困难

日常对地观测卫星在轨运行任务一般是由数据应用部门提交卫星观测需求, 任务管控系统统一汇总进行任务规划, 编制遥控指令上注卫星执行。在轨测试期间, 卫星尚未交付使用, 还不能提供数据服务, 因此, 一般无外部任务需求。

卫星任务的插入需要依据各种载荷使用约束进行冲突分析, 而各类卫星的载荷使用约束差别很大[12]。比如, 卫星使用约束边界值的测试数据要求任务的执行开始时刻、结束时刻、工作模式和卫星平台姿态要求比较精确, 而单圈的载荷动作次数、单圈卫星载荷工作时长约束、星上能源约束等对一段时间范围的卫星任务有较高要求, 单一靠人工插入的任务经常不能满足卫星的使用约束, 需要不断调整, 费时费力, 有时会错过指令上注时机。随着不同类型不同型号系列卫星的发射, 在轨的卫星数量增多, 对于操控异常复杂的卫星, 如多载荷卫星, 组合工作模式很多, 在轨测试项目更多, 在卫星多、任务繁重的情况下, 在轨测试对值班人员的压力很大,再依赖人工去挑选在轨测试任务已不能满足在轨测试需求, 因此迫切需要自动化的在轨测试任务生成工具, 经任务分析筹划辅助生成各类在轨测试任务, 纳入常规系统流程, 驱动在轨测试流程。

1.2 在轨测试任务操作复杂

任务管控系统软件都是按照常规任务流程开发的, 有些特殊的在轨测试项目,即使已生成任务, 也无法按正常的任务控制流程执行, 经常需要手工进行许多特殊操作。有些在轨测试项目只需要执行对地观测动作, 不需要进行数据下传, 有些在轨测试项目只需要进行数据下传, 不需要安排对地观测动作, 还有一些在轨测试项目与正常的任务要求不同, 按照正常的任务控制流程会在处理过程中由于不满足要求被筛除, 无法安排执行。如单载波测试、误码率测试和固存数据多次下传等测试任务, 需要根据特殊要求手工修改载荷动作与参数, 以及单独安排接收任务, 或者人工添加载荷控制指令等, 增加了在轨测试期间的工作复杂度和载荷指令复核的工作量。

卫星在轨测试一般时间长达3~6个月, 有时会有多颗卫星同时进行在轨测试, 更增加了在轨测试值班工作量与复杂度, 考虑到在轨测试任务生成复杂与任务控制流程的特殊性, 有必要在常规任务控制流程基础上, 针对性研制相应的在轨测试任务支持功能, 灵活设置在轨测试任务控制流程,实现在轨测试任务顺利有效执行, 减少研制人员在轨测试保障时间, 降低在轨测试期间值班人员压力。

2 在轨测试任务管控专项能力设计

2.1 卫星在轨测试任务模型

根据不同卫星工作模式, 抽象在轨测试任务模型, 依据具体型号卫星使用说明与在轨测试项目要求细化模型。模型中包括卫星的工作模式、载荷控制参数、载荷工作时间与动作间隔时间、数据传输特点与模式、姿态切换能力、可支持的在轨测试项目、在轨测试项目类型、载荷动作组合、工作模式与控制参数等信息。根据基本模型与各卫星具体特点, 组合派生出各卫星专用的在轨测试任务模型[13]。依据该模型能快速遍历卫星的在轨测试各项工作模式和使用约束, 支持在轨测试任务生成、任务规划与指令生成等过程。卫星在轨测试任务模型的一部分如图1所示, 实际工程中具体的模型要复杂很多。

图1 卫星在轨测试任务模型

图1 卫星在轨测试任务模型   下载原图

2.2 在轨测试任务生成方法

结合卫星在轨测试任务模型与卫星使用约束[14], 基于在轨测试任务生成方法,生成在轨测试任务。不同在轨测试任务模型有配套的在轨测试任务生成方法, 与载荷动作逻辑和卫星使用约束有关系。

在轨测试任务之间的逻辑关系主要是指卫星载荷动作之间的相互约束, 以及一个在轨测试项目涉及的多个任务之间的执行顺序, 主要是由执行的因果关系等形成的在轨测试任务之间的约束关系[15]。在轨测试任务之间的逻辑关系一般为时间关系, 典型的关系包括:单观测任务、连续多次观测任务时间关系以及观测与数传配合时间关系等, 其中连续多次观测又可分为:单圈连续多次观测任务、连续多次观测固存满负荷任务与连续多次观测数传满负荷任务等。

以下对基本的组合测试任务进行分析研究, 提出各自的在轨测试任务生成与处理方法, 将复杂的测试项目 (组合测试任务) 分成若干子测试任务。一般先确定各测试任务的时间关系, 再计算各测试任务观测时间与观测姿态指向的地面位置, 然后补充各测试任务的相关属性, 最终生成在轨测试任务。

2.2.1 单次观测任务

主要为观测时长临界值测试任务, 包括最短观测时长测试任务与最长观测时长测试任务, 由用户指定测试类型与第1次观测开始时间T, 依据卫星使用约束规定的最短观测时长Δtmin或最长观测时长Δtmax,自动生成相应的单次临界值观测任务。

最小临界值时间关系为:

最大临界值时间关系为:

式中, T为观测任务结束时刻。

按照不侧摆或用户指定的侧摆角度, 计算观测时段中心时刻指向的地面点位置, 生成观测任务。

2.2.2 单圈连续多次观测任务

主要为多次观测测试任务, 由用户指定第1次观测开始时间T与观测次数N, 依据卫星使用约束规定的2次可观测任务之间的最小间隔时间Δtn (Δtn与前后观测任务之间的姿态机动角度有关系) 、单圈最大可观测次数与姿态切换次数等, 基于一次观测默认时长ΔT, 自动生成相应的多次观测任务。多次观测任务之间的时间关系为:

式中, Tn为第n次观测任务起始时刻, 其结束时刻为:

计算各观测任务在侧摆时指向的地面位置点, 生成观测任务序列。

2.2.3 连续多次观测固存满负荷测试任务

主要为多次观测记录测试任务, 由用户指定第1次观测开始时间T与观测次数N, 依据卫星使用约束规定的2次可观测任务之间的最小间隔时间Δtn、单圈最大可观测次数与姿态切换次数等, 随机设置观测间隔时间, 自动生成相应的多次观测任务,并迭代调整观测时长与观测次数, 计算相应的固存占用容量, 直到达到固存最大容量C。

设R为记录数据率, Tn为第n次观测任务起始时刻, Tn为结束时刻, 则

计算各观测任务在侧摆时指向的地面位置点, 生成观测任务序列。

2.2.4 连续多次观测数传满负荷任务

主要为多次观测记录测试任务, 由用户指定第1次观测开始时间T与观测次数N, 依据卫星使用约束规定的2次可观测任务之间的最小间隔时间Δtn、单圈最大可观测次数与姿态切换次数等, 随机设置观测间隔时间, 自动生成相应的多次观测任务,并迭代调整观测时长与观测次数, 计算相应的回放时间, 直到达到一次数传最长时间T。

设P为数据录放比, 则

计算各观测任务在侧摆时指向的地面位置点, 生成观测任务序列。

2.2.5 一次实传观测任务

计算可用的数据接收时段, 由用户选择要进行实传的时段,并指定观测侧摆角, 在该时段中间位置Tr, 向前向后扩展, 按照实传默认观测时长ΔT生成一次观测任务。

实传与观测时间关系为:

式中, T为观测任务起始时刻, 其结束时刻为:

2.2.6 观测与数传间隔测试任务

计算可用的数据接收时段, 由用户选择要进行回放的时段,并指定观测侧摆角, 依据观测与数传间隔时间约束, 在回放开始时间Tr, 前推观测与数传间隔时间Δt, 再推半个观测时长ΔT, 作为观测时段中心时刻, 计算卫星侧摆指向地面位置点, 生成一次观测任务。

观测与回放时间关系为:

式中, To为观测任务中心时刻, 其结束时刻为:

计算观测任务在侧摆时指向的地面位置点, 生成观测任务。

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