1、遥感卫星在轨测试任务管控方法 刘晓丽 张恒 王京京 中国电子科技集团公司第五十四研究所 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; 作者简介：刘晓丽, 女, (1976) , 毕业于通信测控技术研究所信号与信息处理专业, 硕士, 高级工程
2、师。主要研究方向:智能信息处理、航天任务管控。作者简介：张恒, 男, (1986) , 工程师。主要研究方向:航天任务管控。作者简介：王京京, 女, (1982) , 硕士, 高级工程师。主要研究方向:航天任务管理。收稿日期：2017-09-27基金：国家部委基金资助项目Management and Control Techniques for Remote Sensing Satellite On-orbit Test MissionLIU Xiaoli ZHANG Heng WANG Jingjing The 54th Research Institute of CETC; Abstrac
3、t： Considering the special requirement of satellite on-orbit test mission, through the analysis of the problems faced during on-orbit test for satellite, the necessity of satellite on-orbit test mission management and control is presented.The special system abilities of satellite on-orbit test missi
4、on generating, on-orbit test project management and so on are designed.The process of conventional mission management and control is improved for on-orbit test mission through improving each process node to support special requirement of onorbit test mission management and control.By several solutio
5、ns, on-orbit test projects can be performed smoothly, and the period during satellite on-orbit test is shortened.Keyword： on-orbit test; satellite mission management and control; remote sensing satellite ground system; Received： 2017-09-270 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
6、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
7、, 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
8、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
9、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
10、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
11、, 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 36 个月, 有时会有多颗卫星同时进
12、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
13、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 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
14、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
15、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 t min或最长观测时长 t max, 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
16、束规定的 2 次可观测任务之间的最小间隔时间 t n (t n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 T, 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, T n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 t n、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
17、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, T n为第 n 次观测任务起始时刻, T n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 t n、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,
18、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 T 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t, 再推半个观测时长 T, 作为观测
19、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, T o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。2.3 在轨测试任务生成流程基于卫星轨道推演进行在轨测试任务计算分析16, 分析任务执行可行性, 包括卫星对任务覆盖可行性、数据接收可行性等, 辅助值班人员生成各类在轨测试任务, 可以加载不同的卫星在轨测试任务模型, 根据卫星有效载荷使用约束与在轨测试任务模式自动生成在轨测试需要的单个任务或连续任务序列;针对在轨测试任务特殊要求, 进行特殊处理, 根据在轨测试需求进行特殊工作模式要求与控制参数设置。在轨测试
20、任务生成流程如图 2 所示。图 2 卫星在轨测试任务生成流程 下载原图主要包括以下内容:(1) 加载星地资源信息与卫星在轨测试任务模型;(2) 卫星轨道计算与可视化显示:计算卫星轨道预报数据、卫星覆盖范围、预报地面站可接收弧段, 在二维、三维地图上可视化显示卫星运行轨迹与地面站接收范围;(3) 基于目标位置信息的单个测试任务生成:支持多种测试任务位置信息获取方式, 直接输入位置信息、目标库选取或依据地图上卫星覆盖范围位置点选获取目标位置信息, 计算任务可执行时间, 并可设置任务的工作模式与控制要求等, 生成测试任务;(4) 基于卫星执行任务时间与姿态的单个测试任务生成:根据输入的任务执行时间与
21、执行姿态, 进行卫星指向计算, 获取目标位置, 设置任务的工作模式与控制要求等, 生成测试任务;(5) 基于特定测试项目要求与任务模式 (如卫星单圈工作次数测试任务、动作间隔时间测试任务、连续姿态切换测试任务、连续变参数任务、边界值测试任务和满负荷测试任务等) 生成连续测试任务或组合测试任务序列, 具体在轨测试任务生成方法参见 2.2 节;(6) 虚拟测试任务生成:针对只需安排单个载荷动作无需安排星上成套载荷动作配合的特殊测试项目, 如数传误码率测试、数传单载波测试、星上存储数据下传测试和固存满负荷测试等, 只开观测类载荷或只开数传类载荷等, 根据特殊测试项目要求生成虚拟任务, 在任务属性中标
22、识测试类型, 在后续处理时根据测试类型标识进行特殊处理, 由于该任务并非实际执行的任务, 只是为了方便驱动任务管控流程特意添加的任务, 因此称为虚拟任务;(7) 测试任务执行可行性分析:对生成的测试任务进行覆盖情况、接收情况和载荷约束满足情况等综合分析;(8) 测试任务与测试项目保存入库:将生成的测试任务保存入库, 根据测试要求, 将生成的一个或多个测试任务打包生成一个测试项目, 记录测试项目基本信息, 保存入库。3 任务管控流程支持在轨测试设计3.1 常规任务管控流程在轨测试能力改造在常规任务管控流程基础上, 增加多个流程切入点, 针对在轨测试项目特殊要求进行相应的特殊处理, 如设置特殊的工
23、作模式与载荷控制参数。在流程中的各个环节如任务规划、计划编制和指令编制等环节, 增加相应的在轨测试特殊处理支持能力。在轨测试任务管控流程如图 3 所示。图 3 在轨测试任务管控流程 下载原图3.2 任务规划环节在轨测试能力设计任务规划环节增加在轨测试期间使用模式与相应的规则。在该模式下, 卫星任务规划算法和使用约束处理功能将不会筛除掉不符合常规的特殊任务, 并进行特殊处理, 如光学成像卫星夜间开机成像的暗电平测试任务, 常规任务在夜间与太阳高度角较小时, 是不能安排成像的, 而在轨测试期间, 可以安排执行。对于虚拟测试任务的虚拟动作, 可不考虑星上载荷约束, 对于同一固存载荷数据需要多次回放的
24、情况, 或平台数据回放等, 可增加安排多次接收资源。3.3 计划编制环节在轨测试能力设计计划编制环节增加在轨测试特殊任务处理流程。针对不同的测试任务设置不同的载荷控制参数, 并提供人机交互调整手段, 设置测试任务特殊参数, 对虚拟测试任务, 进行特殊处理, 自动增加或修改特殊的载荷动作, 并根据测试项目特点调整各类计划数据。3.4 指令编制环节在轨测试能力设计指令编制环节针对测试项目要求与相应的指令模板, 生成针对测试项目的指令数据块, 提供手工指令编制功能与自动指令编制结果人机交互修改功能, 针对在轨测试项目要求修改设置特定指令参数。增加特殊测试任务载荷指令约束检验功能, 保证特殊测试任务的
25、正确性和卫星使用的安全性。4 应用实例根据上述方法, 在实际工程项目中研制了测试任务生成软件, 并对地面任务管控系统的主流程软件进行在轨测试任务支持能力改造。改造后的系统成功支持了 3 颗卫星的在轨测试任务管控。主要数据归纳如表 1 所示。表 1 各卫星在轨测试任务数量汇总 下载原表 从表 1 可看出, 目前共支持了 405 个在轨测试任务的自动生成与指令上注卫星执行, 占整个在轨测试期间上注任务数的 10%, 其他测试任务由外部发起。在整个过程中, 只有在任务生成的起始界面需要人机交互进行少量的测试模式与参数的配置操作, 其他过程中无需人工干预, 均可按照预先定义的在轨测试任务模型、卫星载荷
26、约束与预定义的测试任务生成与处理方法、规则进行自动处理。原先一个在轨测试任务全程人工干预, 大约耗时 30 min, 对于复杂的边界值或组合测试任务, 需要不断调整, 耗时更长。采用支持在轨测试任务的新系统后, 每个在轨测试任务大约耗时 1 min, 缩减了在轨测试值班时间, 并提高了在轨测试任务生成的准确性和在轨测试期间任务管控系统值班效率。改造后可对卫星在轨测试期间的所有测试项目与相关的测试任务进行管理, 可统计和查询卫星模式测试情况。包括以下内容:(1) 卫星在轨测试任务模型维护:对基础的卫星在轨测试任务模型进行维护, 结合各卫星资源信息, 对不同卫星的在轨测试任务模型进行维护。(2)
27、测试项目基本信息管理:在测试任务生成时, 可以将一个或多个测试任务打包生成一个测试项目, 记录测试项目基本信息, 可在此对测试项目基本信息进行补充, 查询统计测试项目基本信息。(3) 测试项目执行情况闭环管理:测试项目生成后, 根据任务控制流程中对测试项目的计划安排情况进行状态标识, 根据数据接收情况反馈与数据处理情况反馈, 进行测试项目执行状态标识与闭环, 可对测试项目执行情况进行查询, 统计某一类测试项目的完成情况, 不同工作模式的测试情况。5 结束语通过在轨测试能力支持设计, 使卫星地面任务管控系统能自主生成在轨测试任务, 驱动在轨测试流程, 快速遍历卫星各项测试指标, 提高在轨测试效率
28、与测试项目有效性。通过常规流程适应性改造, 在轨测试专项功能增加与在流程各环节增加在轨测试支持能力等多种解决措施, 不但可大大减轻值班人员工作压力, 而且可以大大缩短在轨测试周期, 提前让卫星交付运行, 提早发挥卫星的使用效益。同时, 在轨测试能力也可用于支持地面任务管控系统上线运行前的各类测试工作17, 通过生成各类测试任务, 辅助生成测试用例数据, 测试系统对卫星工作模式使用与载荷使用约束检验的正确性, 提高卫星载荷操控的安全性。参考文献1陈建国, 王宏兵, 胡彩波.卫星导航星座在轨测试系统总体技术研究J.无线电工程, 2009, 39 (3) :30-32. 2李莘, 谢军.通信导航定位
29、卫星有效载荷的在轨测试技术C中国电子学会第 7 届学术年论文集, 2001:237-242. 3张学庆, 马万权, 高朝晖, 等.卫星管理控制体系结构研究J.无线电工程, 2006, 36 (5) :36-61. 4王士成.卫星运行控制系统混合模式架构研究J.无线电工程, 2013, 43 (3) :1-3. 5王跃.导航卫星有效载荷地面测试技术研究C第 6 届中国卫星导航学术年会论文集, 2015. 6叶晖.基于 CCSDS 的高速遥感卫星数据传输系统地面自动化测试系统设计D.上海:上海交通大学, 2008. 7黄小虎.卫星测试系统研究与应用D.上海:上海交通大学, 2007. 8陈正超, 张兵, 罗文斐, 等.北京 1 号小卫星遥感器性能在轨测试J.遥感学报, 2008, 12 (3) :468-476. 9李献球.导航卫星有效载荷在轨测试系统设计研究J.无线电工程, 2014, 44 (12) :39-42. 10高朝晖, 张琦, 陈金勇, 等.支持插件扩展的卫星任务管控平台研究J.无线电工程, 2015, 45 (3) :41-44.
