應(yīng)用簡(jiǎn)單時(shí)間網(wǎng)絡(luò)的遙感衛(wèi)星工作模式設(shè)計(jì)方法

任放 杜朝 陳曦 潘莉

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

遙感衛(wèi)星工作模式設(shè)計(jì)是遙感衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。一般來說，遙感衛(wèi)星有效載荷任務(wù)的完成包括成像和數(shù)據(jù)傳輸兩項(xiàng)。在進(jìn)行成像和數(shù)據(jù)傳輸過程中，遙感衛(wèi)星典型工作狀態(tài)為：①成像記錄模式。衛(wèi)星飛經(jīng)感興趣目標(biāo)區(qū)域范圍內(nèi)，在處于正常飛行姿態(tài)或側(cè)視飛行姿態(tài)并穩(wěn)定一段時(shí)間后，有效載荷開機(jī)并對(duì)地成像，星上數(shù)據(jù)處理及傳輸系統(tǒng)對(duì)有效載荷觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理、格式編排后，將處理結(jié)果送到星載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)，等待衛(wèi)星飛經(jīng)地球站可視范圍內(nèi)時(shí)擇機(jī)傳輸。②成像實(shí)傳模式。衛(wèi)星飛經(jīng)地球站可視范圍內(nèi)(5°仰角以上為可見)，在處于正常飛行姿態(tài)或側(cè)視飛行(衛(wèi)星繞機(jī)動(dòng)軸擺動(dòng)一定角度)姿態(tài)并穩(wěn)定一段時(shí)間后，有效載荷開機(jī)并對(duì)地成像，星上數(shù)據(jù)處理及傳輸系統(tǒng)對(duì)有效載荷觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理、格式編排、信道編碼、調(diào)制、放大、濾波后，將處理結(jié)果經(jīng)數(shù)傳天線發(fā)送至地球站。③數(shù)據(jù)回放模式。衛(wèi)星飛經(jīng)地球站可視范圍內(nèi)，處于正常飛行姿態(tài)時(shí)，星載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)回放，數(shù)據(jù)經(jīng)信道編碼等處理后送至數(shù)傳射頻通道進(jìn)行調(diào)制、放大、濾波，最后由數(shù)傳天線發(fā)送至地球站[1]。

傳統(tǒng)的遙感衛(wèi)星工作模式設(shè)計(jì)大多采用人工手動(dòng)設(shè)計(jì)方式，主要是通過對(duì)衛(wèi)星用戶的需求進(jìn)行分析，并結(jié)合衛(wèi)星設(shè)計(jì)狀態(tài)，明確衛(wèi)星在軌運(yùn)行階段主要工作狀態(tài)及設(shè)備間協(xié)調(diào)工作的方式。在衛(wèi)星系統(tǒng)較簡(jiǎn)單、有效載荷使用較單一的情況下，工作模式設(shè)計(jì)結(jié)果一般在幾十種。隨著任務(wù)復(fù)雜度、有效載荷應(yīng)用的靈活程度提升，在軌所需的工作模式數(shù)量增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯，已經(jīng)達(dá)到了上百種。因此，人工手動(dòng)設(shè)計(jì)方法無法高效、準(zhǔn)確完成衛(wèi)星工作模式設(shè)計(jì)工作。簡(jiǎn)單時(shí)間網(wǎng)絡(luò)(STN)是一種應(yīng)用廣泛的時(shí)間表示模型，具有表達(dá)能力強(qiáng)、計(jì)算方便等優(yōu)點(diǎn)，便于時(shí)間管理，已被廣泛應(yīng)用于規(guī)劃與調(diào)度領(lǐng)域[2]。國內(nèi)方面，文獻(xiàn)[3]中研究了STN表達(dá)時(shí)間沖突、資源沖突的方法，并提出沖突檢測(cè)與消解方案；文獻(xiàn)[4]中將STN應(yīng)用于作戰(zhàn)流程資源沖突的檢測(cè)和消解；文獻(xiàn)[5]中提出利用STN方法解決敏捷衛(wèi)星調(diào)度的時(shí)間約束推理方法。國外也開展了很多基于STN方法的業(yè)務(wù)流程和規(guī)劃時(shí)間研究[6]。文獻(xiàn)[7]中提出STN中約束之間的動(dòng)態(tài)平衡方法；文獻(xiàn)[8]中提出STN從全局考慮以代價(jià)最小的方式解決沖突，其特點(diǎn)是通過沖突檢測(cè)確保計(jì)劃在相關(guān)時(shí)序約束下順利完成。上述文獻(xiàn)的研究成果表明，STN方法可有效用于解決時(shí)間沖突問題，但現(xiàn)有研究成果未針對(duì)衛(wèi)星內(nèi)多系統(tǒng)之間協(xié)同工作場(chǎng)景下的時(shí)間沖突給出解決方案。

本文提出一種應(yīng)用STN進(jìn)行遙感衛(wèi)星工作模式時(shí)序設(shè)計(jì)的方法。對(duì)衛(wèi)星工作模式進(jìn)行動(dòng)作分解，利用STN圖形表示不同約束條件，并通過檢測(cè)是否存在時(shí)序沖突以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。高分七號(hào)衛(wèi)星的應(yīng)用結(jié)果表明：本文方法適用于復(fù)雜遙感衛(wèi)星的工作模式設(shè)計(jì)，可應(yīng)用于同類型遙感衛(wèi)星工作模式設(shè)計(jì)中。

1 應(yīng)用STN的工作模式設(shè)計(jì)方法

1.1 STN相關(guān)概念

在利用圖形表達(dá)時(shí)間網(wǎng)絡(luò)之前，更直觀的方法是利用不等式組進(jìn)行第一步約束的建立。簡(jiǎn)單時(shí)間問題(STP)是一個(gè)特殊的約束滿足問題，它可表示為一個(gè)二元組其中，變量集X={X1,X2,…,Xn}代表事件的發(fā)生時(shí)刻(n為有約束關(guān)系的事件數(shù)量)，約束集C由一組形如an≤Xi≤bn或an≤Xj-Xi≤bn的約束不等式構(gòu)成(i，j為有約束關(guān)系的事件編號(hào)，在本文中即為任務(wù)編號(hào))，代表事件之間的時(shí)間約束關(guān)系。STP的求解是尋找一組能滿足所有約束的值X={X1=a1,X2=a2,…,Xn=an}。當(dāng)STP存在解時(shí)，稱其是一致的，反之，稱其為不一致。

可見，求解STP的本質(zhì)就是求解一組形如an≤Xj-Xi≤bn的約束不等式。這種二元約束不等式比較特殊，其系數(shù)有一個(gè)為1，另一個(gè)為-1，稱為差分約束。一般把差分約束不等式轉(zhuǎn)化為圖的形式，利用圖算法來判斷其一致性和求解。具體轉(zhuǎn)化方法為：將時(shí)間變量X={X1,X2,…,Xn}表示為圖中的點(diǎn)，將約束an≤Xj-Xi≤bn表示為一條弧Xj→Xi，其權(quán)重用區(qū)間[an，bn]標(biāo)記。這樣，STP就轉(zhuǎn)化為一個(gè)特殊的加權(quán)有向圖STN。

如圖1所示，進(jìn)一步把a(bǔ)n≤Xj-Xi≤bn轉(zhuǎn)化為Xj-Xi≤bn和Xi-Xj≤-an兩個(gè)不等式，分別用兩條弧Xj→Xi和Xi→Xj表示，前者權(quán)重為bn，后者權(quán)重為-an，得到一個(gè)一般的加權(quán)有向圖，稱為STN的距離圖(Gd)。STP，STN，Gd之間的轉(zhuǎn)換如圖1所示，三者之間的關(guān)系實(shí)質(zhì)上是等價(jià)的[2]。

圖1 STP，STN，Gd之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系Fig.1 Transformation relationship among STP, STN and Gd

遙感衛(wèi)星具有載荷多、并行工作需求多樣化等特點(diǎn)，衛(wèi)星各分系統(tǒng)、單機(jī)、部件按照一定資源約束、時(shí)間約束協(xié)調(diào)工作的結(jié)果，即組成遙感衛(wèi)星的工作模式設(shè)計(jì)。利用STN，可將遙感衛(wèi)星工作模式設(shè)計(jì)問題抽象為簡(jiǎn)單時(shí)間問題，求解得到設(shè)計(jì)結(jié)果。

1.2 工作模式動(dòng)作分解

在不同工作模式下，參與工作的星上設(shè)備或裝置是不同的。驅(qū)動(dòng)星上設(shè)備工作或停止工作的過程定義為一個(gè)“動(dòng)作”，這樣一次工作模式可分解為多個(gè)不同動(dòng)作的集合。表1給出了通用遙感衛(wèi)星不同工作模式所包含的動(dòng)作。在每個(gè)工作模式下，各種動(dòng)作之間都有特定時(shí)序約束。該約束一般包括動(dòng)作本身需要持續(xù)的時(shí)間和相對(duì)基準(zhǔn)動(dòng)作的時(shí)間兩個(gè)方面。遙感衛(wèi)星通常對(duì)于設(shè)備啟動(dòng)、姿態(tài)機(jī)動(dòng)、天線預(yù)置等動(dòng)作要提出持續(xù)時(shí)間的要求；對(duì)于有先后時(shí)序要求的不同動(dòng)作，如順序開機(jī)、單向數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋枰岢鱿鄬?duì)基準(zhǔn)動(dòng)作的時(shí)間約束。表2給出了不同工作模式下各動(dòng)作時(shí)序約束的典型值。

表1 不同工作模式包含動(dòng)作列Table 1 Actions contained in different working modes

表2 不同動(dòng)作時(shí)序約束Table 2 Timing constrains of different actions

1.3 應(yīng)用STN的時(shí)間表示和推理

下面介紹依據(jù)任務(wù)時(shí)間約束關(guān)系建立STN的方法。首先，根據(jù)不同工作模式，用時(shí)間點(diǎn)變量或區(qū)間變量表示任務(wù)中的動(dòng)作，用箭線表示時(shí)序關(guān)系，得到定性約束網(wǎng)絡(luò)。其次，根據(jù)具體約束把時(shí)間區(qū)間變量轉(zhuǎn)化為時(shí)間點(diǎn)變量，并把定性約束轉(zhuǎn)化為定量約束，為后續(xù)時(shí)間約束一致性檢驗(yàn)與沖突處理等工作提供前提模型。常見的定量約束及其STN表示如表3所示。

表3 STN圖形表示示例Table 3 STN graphic examples

1.4 時(shí)序設(shè)計(jì)中時(shí)間沖突處理

STN時(shí)間網(wǎng)絡(luò)模型是一種用于描述任務(wù)之間時(shí)序關(guān)系的加權(quán)有向圖，具有表達(dá)能力強(qiáng)、計(jì)算方便和便于時(shí)間管理等優(yōu)點(diǎn)[2]。應(yīng)用STN時(shí)態(tài)表示模型和基于Gd的時(shí)態(tài)推理方法，提出時(shí)間沖突檢測(cè)方法。Gd有向邊的權(quán)值可正可負(fù)，可以很好地表示STN的時(shí)間約束關(guān)系，進(jìn)行負(fù)環(huán)檢測(cè)。每個(gè)STN都對(duì)應(yīng)一個(gè)Gd，對(duì)STN的時(shí)間沖突檢測(cè)實(shí)際上轉(zhuǎn)化為Gd來研究。Floyd-Washall算法[9]可用于計(jì)算Gd中任意兩點(diǎn)間的時(shí)間最短路徑，得出最短路徑矩陣。依據(jù)最短路徑算法的性質(zhì)，如果對(duì)角線出現(xiàn)負(fù)數(shù)，說明有負(fù)環(huán)存在，判定方案有時(shí)間沖突；否則，進(jìn)一步優(yōu)化方案。最后，利用最短路徑矩陣計(jì)算Mij(任務(wù)i和任務(wù)j時(shí)間約束范圍)，以此優(yōu)化任務(wù)時(shí)間方案[10]。

遙感衛(wèi)星工作模式時(shí)序沖突檢測(cè)方法描述如下。

(1)建立遙感衛(wèi)星工作任務(wù)時(shí)序關(guān)系的STN,對(duì)衛(wèi)星任務(wù)計(jì)劃進(jìn)行建模。

(2)轉(zhuǎn)化STN對(duì)應(yīng)的Gd，利用Floyd-Washall算法計(jì)算最短路徑矩陣，若對(duì)角線出現(xiàn)負(fù)數(shù)，轉(zhuǎn)入步驟(3)；否則轉(zhuǎn)入步驟(4)。

(3)搜索沖突路徑節(jié)點(diǎn)并輸出。

(4)計(jì)算Mij，按照任務(wù)要求的開始時(shí)刻和執(zhí)行任務(wù)允許的時(shí)間范圍，優(yōu)化時(shí)間方案。

最短路徑是圖論研究中的一個(gè)經(jīng)典算法問題，一般來說，就是從給定的網(wǎng)絡(luò)中找出任意兩點(diǎn)之間距離最短的一條路徑。Floyd-Washall算法是計(jì)算任意兩點(diǎn)間最短路徑的較好算法[9]，主要計(jì)算最短路徑矩陣和前驅(qū)矩陣這兩個(gè)參數(shù)。其中，最短路徑矩陣可以用來表示圖上任意兩個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的最短路徑，前驅(qū)矩陣可以表示最短路徑的全部節(jié)點(diǎn)的時(shí)序關(guān)系。Floyd-Washall算法可求得每對(duì)頂點(diǎn)之間的最短路徑，其中權(quán)可為負(fù)值。Floyd-Washall算法的描述見圖2。

注：n表示任務(wù)數(shù)量；i表示起點(diǎn)任務(wù)；j表示終點(diǎn)任務(wù)；k表示中間某任務(wù)；dist表示任務(wù)時(shí)間節(jié)點(diǎn)間路徑距離。

2 高分七號(hào)衛(wèi)星應(yīng)用實(shí)例

2.1 工作模式STN圖形建立

依據(jù)表2動(dòng)作時(shí)序約束，本節(jié)將以記錄模式為例建立高分七號(hào)衛(wèi)星的STN圖形，如圖3所示。記錄模式下對(duì)應(yīng)的Gd如圖4所示。圖中1，2，3等號(hào)碼代表的是表1和表2中的動(dòng)作編號(hào)。

圖3 記錄模式的STN圖形Fig.3 STN graphic of recording mode

圖4 記錄模式的GdFig.4 Gd of recording mode

2.2 沖突檢測(cè)和分析

對(duì)于記錄模式下的Gd，可以得出任意兩點(diǎn)的最短距離矩陣，如表4和表5所示，可得記錄起始過程和記錄結(jié)束過程動(dòng)作間有向邊的取值范圍，如表6和表7所示。

表4 記錄起始過程Gd的最短路徑Table 4 Shortest Gd path of record starting process

表5 記錄結(jié)束過程Gd的最短路徑Table 5 Shortest Gd path of record ending process

表6 記錄起始過程動(dòng)作間有向邊的取值范圍Table 6 Value range of directed edge between actions of record starting process

表7 記錄結(jié)束過程動(dòng)作間有向邊的取值范圍Table 7 Value range of directed edge between actions of record ending process

例如圖5記錄起始、結(jié)束的路徑中共存在9個(gè)閉環(huán)，均由2個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，經(jīng)計(jì)算權(quán)值相加均大于或等于0，因此不存在負(fù)環(huán)，表明上述路徑不存在沖突。可見，本文方法將高分七號(hào)衛(wèi)星各工作模式中多項(xiàng)動(dòng)作的時(shí)序設(shè)計(jì)工作由原有的人工手動(dòng)設(shè)計(jì)，升級(jí)為通過STN來表示動(dòng)作之間的時(shí)間約束并驗(yàn)證求解的過程。相比原有傳統(tǒng)遙感衛(wèi)星的設(shè)計(jì)方法，本文方法更適用于解決復(fù)雜衛(wèi)星系統(tǒng)的情況，可由算法保證設(shè)計(jì)結(jié)果中不存在時(shí)間沖突，且設(shè)計(jì)結(jié)果為該約束條件下的最優(yōu)解決方案。

3 結(jié)束語

本文提出了一種應(yīng)用STN的遙感衛(wèi)星工作模式設(shè)計(jì)方法，提出典型工作模式及其STN圖形的表示形式，以及應(yīng)用STN時(shí)態(tài)表示模型的時(shí)態(tài)推理方法，得出了時(shí)間沖突檢測(cè)、任務(wù)起始時(shí)刻和執(zhí)行時(shí)間間隔的可行解。高分七號(hào)衛(wèi)星的實(shí)用結(jié)果表明：本文方法能夠應(yīng)用STN圖形實(shí)現(xiàn)遙感衛(wèi)星工作模式時(shí)序設(shè)計(jì)和檢測(cè)時(shí)序沖突，可有效輔助遙感衛(wèi)星總體工作模式時(shí)序設(shè)計(jì)，對(duì)遙感衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)工作具有一定的參考價(jià)值。