資源一號02D衛(wèi)星信息系統(tǒng)總體設(shè)計

雷勇 王文平 張宏宇 范大亮 王建

(中國空間技術(shù)研究院遙感衛(wèi)星總體部，北京 100094)

資源一號02D衛(wèi)星(又稱為5米光學(xué)業(yè)務(wù)衛(wèi)星)是一顆三軸穩(wěn)定對地觀測光學(xué)遙感衛(wèi)星，主推高光譜分辨率，定位于中等分辨率、大幅寬觀測和定量化遙感任務(wù)，向用戶提供豐富的地物光譜信息。衛(wèi)星信息系統(tǒng)承擔(dān)了衛(wèi)星遙測遙控、星務(wù)管理、定位定軌、衛(wèi)星時間發(fā)布與維持、重要數(shù)據(jù)存儲與恢復(fù)、星務(wù)數(shù)據(jù)存儲與回放、自主健康管理、自主任務(wù)管理、載荷數(shù)據(jù)處理、存儲與傳輸、衛(wèi)星狀態(tài)管理與系統(tǒng)維護(hù)等功能，其功能涉及數(shù)管、測控、數(shù)傳、固存、姿軌控等分系統(tǒng)。根據(jù)用戶在圖像質(zhì)量、操控便利性以及在軌運(yùn)行穩(wěn)定性等方面的要求，信息系統(tǒng)在采用成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)在信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、信息流、好用易用以及健壯性等方面開展了針對性的設(shè)計。

資源一號02D衛(wèi)星信息系統(tǒng)星地測控采用脈沖編碼調(diào)制(PCM)[1]遙控體制和高級在軌系統(tǒng)(AOS)遙測體制[2-3]，采用2×450 Mbit/s碼速率的星地載荷數(shù)據(jù)傳輸通道、雙圓極化復(fù)用的數(shù)傳體制，星上配置了2種速率等級的信息網(wǎng)絡(luò)，分別用于星務(wù)數(shù)據(jù)、載荷數(shù)據(jù)的傳輸，星上重要數(shù)據(jù)保存與恢復(fù)采用多地存儲、多優(yōu)先級恢復(fù)、斷電不丟失、數(shù)據(jù)校驗(yàn)等保護(hù)策略，星載自主任務(wù)管理采用面向用戶任務(wù)的操控接口，將經(jīng)過抽象的各分系統(tǒng)操控子序列，在規(guī)則庫和解析模型的約束下實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星系統(tǒng)級快記慢放、回放、記錄、定標(biāo)以及單雙天線和多站接力等任務(wù)模式，此外還通過信息流優(yōu)化、自主監(jiān)控、關(guān)鍵軟件在軌重構(gòu)等手段，有效提升了信息系統(tǒng)的健壯性。

本文首先介紹了信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、功能體系結(jié)構(gòu)設(shè)計，重點(diǎn)對資源一號02D衛(wèi)星的信息流設(shè)計、好用易用設(shè)計以及健壯性設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)描述，此外還介紹了測試驗(yàn)證以及在軌應(yīng)用情況，并提出了發(fā)展建議。

1 信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

1.1 功能體系結(jié)構(gòu)

信息系統(tǒng)主要完成星地測控通信與定軌定位、星務(wù)管理、衛(wèi)星自主管理以及載荷數(shù)據(jù)處理傳輸?shù)龋畔⑾到y(tǒng)功能體系結(jié)構(gòu)如圖1所示[4]。測控通信功能分布于測控分系統(tǒng)，以測控應(yīng)答機(jī)和導(dǎo)航接收機(jī)為核心設(shè)備完成星地測控通信、定位定軌、積分時間計算以及時間基準(zhǔn)發(fā)布等功能。星務(wù)管理功能分布于數(shù)管分系統(tǒng)，以中央處理單元為核心，承擔(dān)著整星綜合管理控制、1553B通信網(wǎng)絡(luò)管理，整星遙測/遙控信息處理與調(diào)度、衛(wèi)星時間維護(hù)與發(fā)布等功能。自主管理功能是衛(wèi)星好用易用以及在軌穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，包括自主任務(wù)管理和自主健康管理兩部分[5]，衛(wèi)星自主管理采用分層分布式體系結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)級管理由中央處理單元承擔(dān)，各分系統(tǒng)負(fù)責(zé)各分系統(tǒng)級自主管理任務(wù)。載荷數(shù)據(jù)處理傳輸分布于數(shù)傳分系統(tǒng)，主要完成對載荷數(shù)據(jù)的壓縮、AOS格式編排、信道編碼與調(diào)制、存儲與回放、天線跟蹤控制以及對地傳輸?shù)裙δ堋?/p>

圖1 信息系統(tǒng)功能體系Fig.1 Information system function architecture

1.2 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)資源一號02D衛(wèi)星各類型信息的數(shù)據(jù)量、傳輸頻率、延遲等需求，信息系統(tǒng)構(gòu)建了兩種不同速率的分布式信息網(wǎng)絡(luò)[6-7]。低速信息網(wǎng)絡(luò)以1553B總線作為媒介，主要用于傳輸星載設(shè)備之間的遙測遙控信息、注入數(shù)據(jù)以及設(shè)備/部件測量輸出數(shù)據(jù)、系統(tǒng)控制信息等，是星務(wù)信息、系統(tǒng)綜合控制信息、遙控遙測信息傳輸、交換的主干網(wǎng)絡(luò)。高速信息網(wǎng)絡(luò)以LVDS、TLK2711總線作為媒介，LVDS總線用于數(shù)據(jù)存儲與處理單元和數(shù)傳分系統(tǒng)間以及數(shù)傳分系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳遞，TLK2711總線用于可見近紅外相機(jī)、高光譜相機(jī)與數(shù)傳分系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳遞。衛(wèi)星信息網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系Fig.2 Information system net architecture

2 信息系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 信息流設(shè)計

2.1.1 星務(wù)信息流設(shè)計

星務(wù)信息流以數(shù)管分系統(tǒng)中央處理單元為控制和調(diào)度的中心，通過1553B總線網(wǎng)絡(luò)完成與各分系統(tǒng)終端之間的信息調(diào)度與共享。星務(wù)信息流包括星務(wù)數(shù)據(jù)存儲信息流、時間流、天線控制數(shù)據(jù)流、輔助數(shù)據(jù)流、上行遙控流以及下行遙測流等，不同類別信息流所涉及的終端、信息傳輸途徑以及傳輸內(nèi)容等均有所不同。下面以星務(wù)數(shù)據(jù)存儲與分發(fā)流和重要數(shù)據(jù)流為例說明資源一號02D衛(wèi)星的信息流設(shè)計。

1)星務(wù)數(shù)據(jù)存儲與分發(fā)流

中央處理單元是整星星務(wù)數(shù)據(jù)處理與調(diào)度的中心，但存在存儲空間小以及復(fù)位后存儲數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險，因此資源一號02D衛(wèi)星配置了數(shù)據(jù)存儲與處理單元(DRP)用于存儲和分發(fā)整星全時星務(wù)數(shù)據(jù)，提供多種靈活的查詢功能，并可從測控和數(shù)傳通道進(jìn)行回放，信息流設(shè)計如圖3所示。

圖3 星務(wù)數(shù)據(jù)存儲流圖Fig.3 Housekeeping data storage flow

DRP從中央處理單元接收整星全時星務(wù)數(shù)據(jù)，按源包和時間順序存儲，DRP對其內(nèi)部存儲數(shù)據(jù)提供RS編碼保護(hù)，測控通道回放模式下提供了4種源包檢索方式，數(shù)傳通道回放模式下提供了2種回放方式，如圖4所示。測控通道回放主要用于快速查詢指定時間段內(nèi)的指定數(shù)據(jù)源包以及在整星能源緊張、數(shù)傳通道使用受限的情況下緊急回放指定數(shù)據(jù)。數(shù)傳通道回放主要用于快速高效回放全部存儲數(shù)據(jù)，是在軌應(yīng)用的主要模式。此外為了快速獲取整軌圖像對應(yīng)的輔助數(shù)據(jù)，在每次成像結(jié)束前使用回溯回放模式將DRP中存儲的當(dāng)前圈次整軌圖像輔助數(shù)據(jù)與圖像數(shù)據(jù)一起下傳至地面或存儲至載荷數(shù)據(jù)固態(tài)存儲器，該設(shè)計有效提升了圖像數(shù)據(jù)的處理效率和輔助數(shù)據(jù)的處理精度。

圖4 DRP數(shù)據(jù)回放檢索模式說明Fig.4 Data playback and query mode of DRP

2)重要數(shù)據(jù)流

為確保衛(wèi)星的關(guān)鍵狀態(tài)在衛(wèi)星出現(xiàn)異常復(fù)位、重啟時及時恢復(fù)到異常前的狀態(tài)，需要將衛(wèi)星姿軌控、系統(tǒng)配置、能源等關(guān)鍵參數(shù)作為重要數(shù)據(jù)在多個計算機(jī)或存儲設(shè)備中進(jìn)行可靠保存，同時需要設(shè)計可靠的保存和恢復(fù)策略，確保重要數(shù)據(jù)可被及時、正確保存，在需要時能可靠、正確恢復(fù)，重要數(shù)據(jù)流設(shè)計如圖5所示。

圖5 重要數(shù)據(jù)流圖Fig.5 Important data flow

2.1.2 載荷信息流設(shè)計

衛(wèi)星配置了兩臺光學(xué)載荷，分別為可見近紅外相機(jī)和高光譜相機(jī)，載荷對地數(shù)傳通道碼速率為2×450 Mbits/s。載荷信息流處理過程包括載荷數(shù)據(jù)壓縮、AOS格式編排、存儲/回放、信道編碼與調(diào)制以及對地傳輸。數(shù)據(jù)處理器是載荷系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)傳、記錄、回放、邊記邊放、服務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)饶Ｊ角袚Q和數(shù)據(jù)流調(diào)度的中心，載荷信息流設(shè)計如圖6所示。

圖6 衛(wèi)星載荷數(shù)據(jù)流圖Fig.6 Payload data flow

2.2 自主任務(wù)管理設(shè)計

2.2.1 任務(wù)管理體系結(jié)構(gòu)

衛(wèi)星用戶越來越重視在軌好用易用性，為了方便用戶使用、提升衛(wèi)星使用效率，資源一號02D衛(wèi)星在易用性方面采用了面向用戶的自主任務(wù)管理方案，向用戶提供了靈活高效的操控接口，屏蔽了衛(wèi)星內(nèi)部設(shè)計，用戶只需要注入任務(wù)所需的參數(shù)衛(wèi)星即可完成任務(wù)解析和執(zhí)行，大大提升了衛(wèi)星操控性和使用效率[8]。衛(wèi)星自主任務(wù)管理設(shè)計需要考慮用戶使用要求、大系統(tǒng)配置狀態(tài)、衛(wèi)星系統(tǒng)指標(biāo)與能力邊界、各分系統(tǒng)功能性能、使用時序等約束規(guī)則。自主任務(wù)管理采用分層、分布式的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計，共分為四個層次，頂層為用戶接口層，第二層為衛(wèi)星系統(tǒng)任務(wù)層，第三層為子任務(wù)層，最低層為執(zhí)行層，如圖7所示。

頂層為用戶接口層，是星上自主任務(wù)管理系統(tǒng)與衛(wèi)星用戶操控的接口，是星上自主任務(wù)管理系統(tǒng)的輸入，接口內(nèi)容包括與衛(wèi)星任務(wù)直接相關(guān)的模式、成像參數(shù)、數(shù)據(jù)傳輸要求、成像時間等。

第二層為衛(wèi)星系統(tǒng)任務(wù)層，該層主要完成對用戶任務(wù)的合法性、安全性檢查和任務(wù)解析，根據(jù)用戶要求以及系統(tǒng)配置庫將用戶任務(wù)解析并生成子任務(wù)序列發(fā)送至子任務(wù)層，衛(wèi)星系統(tǒng)任務(wù)層由數(shù)管分系統(tǒng)中央處理單元完成。

第三層為子任務(wù)層，該層主要由各分系統(tǒng)控制單元完成對子任務(wù)的解析和執(zhí)行，并確保子任務(wù)執(zhí)行的安全，對于不具備子任務(wù)執(zhí)行能力的分系統(tǒng)，由中央處理單元完成對子任務(wù)的執(zhí)行。

最低層為執(zhí)行層，即根據(jù)子任務(wù)層要求，將子任務(wù)分解出的單條指令按照特定時序動作，本層由各個任務(wù)相關(guān)的設(shè)備執(zhí)行。

2.2.2 子任務(wù)設(shè)計

依據(jù)衛(wèi)星系統(tǒng)模式、各分系統(tǒng)工作模式、操控序列以及時序要求，從便于系統(tǒng)級調(diào)用、復(fù)用和操控簡便等角度考慮，經(jīng)綜合優(yōu)化后形成了6類共35種子任務(wù)序列，圖7中子任務(wù)層對應(yīng)的所有子任務(wù)序列如表1所示。各子任務(wù)序列內(nèi)規(guī)定了操作指令、時序以及執(zhí)行條件等。

表1 子任務(wù)序列Table 1 Sub-mission command sequences

2.2.3 任務(wù)模式設(shè)計

根據(jù)衛(wèi)星系統(tǒng)配置以及用戶使用要求，并考慮衛(wèi)星使用效率，針對成像實(shí)傳、快記慢放、記錄、回放、服務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)瘸Ｒ?guī)使用需求，設(shè)計了11種具體應(yīng)用模式，如表2所示。用戶使用時，無需關(guān)心具體載荷或部件開關(guān)機(jī)的指令序列及時序等信息，僅需上注每次任務(wù)相關(guān)的地面站選擇、天線選擇、工作模式、固存使用信息、載荷成像參數(shù)以及回放信息、姿態(tài)機(jī)動信息等內(nèi)容，顯著地改善了用戶使用體驗(yàn)，同時提升了衛(wèi)星使用效能。

表2 衛(wèi)星應(yīng)用模式Table 2 Satellite operation modes

2.3 自主健康管理設(shè)計

自主健康管理主要負(fù)責(zé)衛(wèi)星健康狀態(tài)的監(jiān)視、診斷、處置和恢復(fù)，是衛(wèi)星在軌穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。系統(tǒng)級健康管理任務(wù)由中央處理單元承擔(dān)，主要完成健康信息采集、調(diào)度、綜合各分系統(tǒng)健康信息，并發(fā)布系統(tǒng)健康狀態(tài)或診斷、處置信息等。中央處理單元還負(fù)責(zé)按照特定的數(shù)據(jù)調(diào)度策略向地面控制中心報告衛(wèi)星健康狀態(tài)，確保地面可及時、全面、準(zhǔn)確的了解衛(wèi)星健康狀態(tài)[9]。衛(wèi)星配置了數(shù)據(jù)存儲與處理單元用于存儲衛(wèi)星全時原始遙測數(shù)據(jù)、各分系統(tǒng)生成的健康數(shù)據(jù)、系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)、故障診斷信息庫、系統(tǒng)配置狀態(tài)等，需要時地面可進(jìn)行靈活查詢和回放，獲取關(guān)心的健康數(shù)據(jù)。

衛(wèi)星除在部件、單機(jī)、分系統(tǒng)級采取了相應(yīng)的健康管理措施外，也設(shè)計了若干系統(tǒng)級健康管理策略，如表3所示。系統(tǒng)級健康管理策略主要包括：系統(tǒng)監(jiān)控類策略、載荷任務(wù)安全策略、能源安全策略、安全模式策略、系統(tǒng)狀態(tài)恢復(fù)策略、系統(tǒng)重配置策略等[10]。

表3 系統(tǒng)級健康管理策略Table 3 System health management strategy

3 測試驗(yàn)證與在軌應(yīng)用

在衛(wèi)星研制過程中，針對信息系統(tǒng)開展了軟件、單機(jī)、分系統(tǒng)、分系統(tǒng)間聯(lián)試以及衛(wèi)星系統(tǒng)級等測試驗(yàn)證工作。除進(jìn)行了常規(guī)的功能性能測試外，還專題開展了成像鏈路測試、重要數(shù)據(jù)保存與恢復(fù)測試、時統(tǒng)性能測試、自主任務(wù)管理測試、自主健康管理測試等項目。研制過程測試驗(yàn)證矩陣如表4所示。

表4 信息系統(tǒng)相關(guān)測試驗(yàn)證矩陣Table 4 Information system test matrix

資源一號02D衛(wèi)星于2019年9月在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，目前在軌已完成了信息系統(tǒng)各項功能性能的測試和驗(yàn)證，經(jīng)飛行測試驗(yàn)證以及定期對全時遙測數(shù)據(jù)下傳及健康評估表明，信息系統(tǒng)功能完備、性能符合任務(wù)要求。衛(wèi)星入軌已來，執(zhí)行用戶任務(wù)連續(xù)，自主健康管理各項設(shè)計措施運(yùn)行有效；自主任務(wù)管理給用戶操控、使用衛(wèi)星帶來了極大的便利，在任務(wù)接收與執(zhí)行、載荷數(shù)據(jù)多站接力傳輸、整軌輔助數(shù)據(jù)獲取以及載荷工作模式切換等方面的性能與靈活性大幅提升，用戶體驗(yàn)良好。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的資源一號02D衛(wèi)星信息系統(tǒng)具有技術(shù)狀態(tài)成熟、體系結(jié)構(gòu)開放、自主管理能力完備以及好用易用等特點(diǎn)。隨著星載電子技術(shù)和軟件技術(shù)的不斷進(jìn)步，信息系統(tǒng)的水平將直接決定衛(wèi)星的使用效能和向用戶提供服務(wù)的能力，尤其是星上自主任務(wù)規(guī)劃和自主健康管理更是直接關(guān)系到衛(wèi)星的好用易用以及在軌運(yùn)行的健壯性和穩(wěn)定性，因此不斷提升衛(wèi)星的自主任務(wù)規(guī)劃和自主健康管理能力是未來的重點(diǎn)研究和發(fā)展方向。此外，隨著衛(wèi)星種類數(shù)量的增多、載荷數(shù)據(jù)量的不斷增大、用戶對獲取衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的時效性要求不斷提高，研究星上實(shí)時數(shù)據(jù)處理、星間、星地多渠道信息分發(fā)與互聯(lián)互通也將是未來的發(fā)展與研究熱點(diǎn)。