高分多模衛星自主任務管理地面驗證系統設計

凌瓊 董天舒 王闊 張田青 王躍

(1 中國空間技術研究院遙感衛星總體部，北京 100094)(2 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

具備自主任務管理能力的衛星，可以簡化星地操作，使得用戶對衛星的操作真正面向任務，無需關心衛星內部的信息以及工作原理等[1]；提高衛星使用效率，由星上完成對用戶任務的排序以及優化處理，在統一的規則下對衛星的成像、數據回放進行操作控制，優化分系統間協作的流程，提高衛星資源應用效率[2-3]。同時，敏捷衛星可以利用自身的機動性，在短時間內迅速改變星體固連相機對地指向，大大地提高了對地觀測的效率和靈活度，使衛星具備不同類型成像任務的完成能力。如中型敏捷遙感衛星公用平臺以敏捷成像能力特別是拼幅成像、多角度成像和非沿跡成像為主要能力特征，能夠在最大姿態角和姿態機動速度的限制范圍內實施靈活的對地觀測，從而實現對觀測目標的快速響應和多模式成像功能。

高分多模衛星作為中型敏捷遙感衛星公用平臺的首發星，采用了元任務作為星地任務接口，用戶只需指定相機成像或數傳回放的目標與工作時段，衛星綜合電子即可按規則自行解析任務并對下一任務圈任務進行篩選與規劃。進入下一任務圈之前，綜合電子通過總線向控制分系統發送本次任務對姿態機動的要求，并按照任務間隔自主生成本圈任務指令序列。到達自主任務預約時間點后，控制分系統配合進行姿態機動路徑規劃與到時刻自主機動，載荷分系統按照指令進行開關機操作與在軌成像/回放。綜上所述，新一代的敏捷機動自主任務管理的遙感衛星具有高度的任務自主規劃與執行能力[4]，但新技術新設計的應用也給地面驗證系統帶來了新的難題。本文以高分多模衛星為例，對該衛星地面驗證系統設計與應用取得的成果進行說明。

1 測試系統設計與實現

相比于傳統衛星，具備任務自主能力的敏捷遙感衛星具有任務模式多樣化、自主能力強、任務信息流復雜的特點，測試必須針對該類衛星的特點進行設計，對現有地面測試系統進行能力升級才能達到測試驗證目的。第一，為了對衛星任務能力進行充分考察和驗證，尋找到衛星在軌工作能力包絡，指導在軌應用時能在盡量優化滿足用戶目標需求與衛星系統工作能力之間找到平衡，一套完整的在軌任務仿真系統勢在必行。同時為了保證衛星對用戶友好，該套系統應考慮面向在軌任務的元任務信息獲取必須盡量簡化，支持將任務需求轉化為可執行的一系列元任務，適應無相關技術背景的用戶無門檻使用。第二，衛星高度的任務自主能力說明整星眾多智能單元之間數據流復雜且數據交互十分頻繁；可以說，對于該類衛星測試，總線數據流分析是驗證重點之一[5-6]。如何在地面驗證階段對星上復雜信息流進行完整分析與判讀，必須有相應的專業軟件進行支持，這是自主任務管理衛星所面臨的共同難題。第三，關于姿態自主規劃與敏捷機動能力如何驗證問題，經過分析，可分解成兩個驗證目標：驗證載荷工作時姿態指向精度是否滿足要求，即判讀姿態機動軌跡是否準確、滿足指向精度要求；驗證姿態機動速度、成像過程中姿態穩定度、攝影點(相機光軸矢量在地表投影點)移動速度等技術指標是否符合衛星任務要求；通過上述兩項指標的判讀，可以綜合評估控制姿態機動完成情況，以及對成像任務完成質量的影響。第四，相對傳統遙感衛星，新一代的敏捷機動自主任務管理的遙感衛星工作模式、工作過程都非常復雜[7]，應考慮能否通過一種實時直觀再現衛星工作過程，不僅支持地面測試及時發現與預期工作過程的差異，便于快速、準確發現設計中的缺陷與錯誤，同時可以通過直觀可視化手段對外展示衛星的強大敏捷機動能力和快速工作模式，為衛星研制方爭取更多資源。

只有解決了這4個問題，地面測試驗證工作才能落到實處。這不僅決定了衛星功能性能地面驗證的充分性，也為用戶在軌使用這樣一顆任務高度自主的敏捷機動衛星提供了友好操作接口；提升用戶好用易用性滿意度，這同樣是未來遙感衛星業務能力的重要體現。

針對上述4個難題，高分多模衛星研制團隊研發了4套軟件進行解決，分別為衛星任務仿真系統軟件、總線數據流自主解析軟件、敏捷機動姿態品質評估軟件以及工作模式測試驗證與演示系統軟件。該4套軟件很好地解決了用戶面臨的如何將任務目標分解到可執行元任務的問題以及該任務執行效果的困惑、復雜總線數據流如何解析驗證、敏捷機動姿態品質是否滿足成像需求如何驗證、整星多系統聯合復雜工作流程如何直觀展示等難題，下文針對上述各軟件進行詳細說明。這4套軟件的使用場景見圖1。

1.1 衛星任務仿真軟件

用戶通過元任務告知高分多模衛星在軌成像/回放任務信息，綜合電子解析任務信息后，按照任務模板自主生成一系列指令/任務發給星上載荷智能單元、姿軌控智能單元，居中協調實現星上各分系統相關設備的開關、工作狀態設置、姿態敏捷機動這些復雜動作。高分多模衛星實現了點目標成像、條帶推掃、主動成像、多角度成像等整星工作模式，任務自主能力以及姿態敏捷機動成像功能較之以前遙感衛星均有了顯著提升。星上任務設計的復雜性與工作模式的多樣化，對整星功能性能地面驗證工作提出了挑戰。比如，怎樣進行整星在軌工作任務設計，怎樣在地面充分驗證衛星的工作能力，怎樣解決星地元任務接口問題，讓整星變得好用易用。

針對這些問題，設計并研發了一套衛星任務仿真軟件，軟件信息流如圖2所示。該軟件支持用戶在地圖上鼠標點擊選取任務目標，軟件后臺實現對任務目標區域的掃描與計算，自主切分成數個條帶并生成對應成像元任務，提供整星接口；同時軟件自主計算得到整個任務時段衛星的姿態曲線以及攝影點掃描軌跡，提供整星測試數據比對依據。取某連續5個主動條帶工況部分仿真結果如圖3(a)～(c)所示，全部仿真數據實際上涵蓋成像條帶中心點經緯度、機動成像期間衛星姿態、不同相機的積分時間、固存剩余容量與消耗、電源電量存儲與消耗狀況等，為地面測試驗證工作提供了大量可比對數據。

圖3 某連續5個主動條帶工況部分仿真結果示意Fig.3 Parts of simulation results of a succession task of 5 active imaging stripes

該套軟件的研發與成功應用，不僅方便測試使用，并使用戶使用接口問題前移至地面研制階段解決，使衛星交付即可用；通過建立精確的衛星數學模型和姿態機動算法，可計算得到衛星任務執行過程中姿態軌跡、成像軌跡、電能、數據存儲空間、相機積分時間等參數的定量分析報告，進行了各類空間任務衛星完成能力評估，同時指導了整星全階段總裝、測試與試驗(AIT)模飛工況設計，對衛星工作模式進行了地面充分驗證，充分回答了衛星在軌工作好不好用、易不易用的問題。

1.2 總線信息流自主解析軟件

高分多模衛星任務信息流復雜，遠程終端(RT)包括中心控制單元、數傳綜合管理單元在內共10個，總線上姿態及定軌數據、軌道圈預報信息、本圈成像及回放子任務、載荷工作指令等各類信息交互頻繁，一起協調組合成了自主任務總線信息流(見圖4)。尤其在自主任務管理功能空載驗證前期以及當發現故障的時候，必須對總線數據流展開詳盡的分析，確保信息時序、信息內容完成正確，符合設計要求。

圖4 高分多模自主任務信息流示意Fig.4 Information flow of mission automomy system

總線數據量大且更新頻率高，數據分析工作必須依靠軟件工具進行，否則將極大延誤測試進程。從遙感公用平臺到衛星正樣，高分多模數管分系統團隊一直堅持自主研發，在對總線數據分析工具進行改進，并且加入了大量測試中常用的諸如遙控指令/序列制作反演、遙測參數反演分析等基礎操作功能，形成了《電子信息系統數據分析工具箱》軟件并在后續進行了持續版本更新。其中關于總線數據分析功能，面對測試中心不同類型的總線監視器開放了數據格式轉換接口，使得該工具具有很強通用性，適合推廣使用。

1.3 姿態品質評估軟件

隨著衛星敏捷機動能力的大幅增強，為了保障對地載荷工作時星體穩定性以及對地姿態指向精確性，提高載荷探測數據質量，總體對機動姿態品質也提出了苛刻的指標?？偠灾笜丝煞譃閮煞N類型：①為了能在有限時間內完成更多更靈活的對地成像任務，提出了姿態機動敏捷度指標，對衛星姿態機動速度和最大機動角度進行約束；②為了保障成像質量，提出了姿態穩定度指標，對姿態機動執行過程的精確性提出要求。

不同的敏捷機動衛星設計的具體工作模式會有差異[8]；同時，不同工作模式下，提出的姿態約束指標也會有差別。但敏捷機動衛星的姿態機動目的都是相同的，即在更短時間完成更多的姿態機動，在成像時段內達到更高的姿態穩定度，獲取更多的高質量的載荷數據。如高分多模衛星支持每軌(6000 秒/軌)最多可成像35次，衛星機動成像能力較之傳統對地觀測衛星實現了階躍式升級；同時，由于姿態機動路徑是衛星根據任務時刻和目標點，結合當前軌道位置自主規劃獲得，因此每一次成像不僅要判讀姿態機動速度指標、姿態穩定度指標是否符合要求，并且要驗證衛星是否正確指向目標點成像，指向精度幾何，這同樣是姿態敏捷機動功能考察驗證的重點。

針對驗證需求，提出并實現了一種敏捷衛星的姿態機動品質評估方法[6]，以Matlab軟件為計算平臺，建立衛星姿軌算法模型，并引入地表高程數據提高算法精度，計算得到衛星相機成像點經緯度，以實現成像過程中姿態指向精度評估；通過計算地表攝影點運動速度、相機積分時間變化等，以實現對成像質量進行評估；通過自動識別各類機動過程并計算提取相關姿態數據，實現對姿態機動速度指標和成像過程姿態穩定度指標進行評估。分析算法計算精度，確認相機成像點經緯度算法精度誤差在十米量級，相較于衛星成像時百米級指向誤差，算法誤差可以忽略。圖5、圖6為姿態品質軟件在多模衛星研制過程中的應用示例，取某主動條帶成像工況、某被動拼幅成像工況分別進行分析示意。

圖5 主動成像工況完成質量評估結果示意Fig.5 Analysis result of an active imaging process

圖6 被動成像工況完成質量評估結果示意Fig.6 Analysis result of a passive imaging process quality

該軟件首次在姿態指標判讀中引入并實現了相機成像攝影點軌跡計算。傳統判讀僅判讀目標機動角度與實際執行角度是否一致，這樣做實際上判讀的是控制分系統的執行誤差，而無法確認目標規劃角是否精確。該軟件直接引入相機成像攝影點軌跡與地面任務目標軌跡進行比對，實現了星上姿態規劃誤差及姿態執行誤差同時進行評估；首次實現對姿態曲線的自動化判讀。由于控制分系統的特殊性，姿態指標的判讀方法和流程因型號而異，判讀過程繁瑣，因此傳統對姿態曲線的判讀需要依靠測試人員手動完成，判讀效率低下。通過提煉不同型號指標提取邏輯并支持用戶自定義修改，姿態品質評估軟件能夠實現姿態機動時間指標、姿態機動穩定度指標的自動化判讀，極大提高了分析效率和覆蓋率；最后，測試團隊提出并實現了使用攝影點地表移動速度、地心角速度、相機積分時間作為衡量姿態機動控制質量的衍生指標。對于成像而言，圖像內容受到指向精度影響，而圖片質量是由姿態控制平滑度、穩定度控制。星體姿態機動平滑度、穩定度又能間接反映姿態控制穩定度，直觀可理解為相機攝影點在地表運動是否勻速，從而評估出姿態機動過程對于相機成像質量的影響。

1.4 衛星工作模式與測試任務演示系統

高分多模衛星具有多種工作模式，且采用了基于元任務的自主任務管理系統，相對于以往接收指令序列的衛星，自主能力更強。為了向用戶直觀展示衛星的工作過程、強大的敏捷機動能力，以及方便地面測試快速在線判斷任務完成情況是否正常，研發了一套高分多模衛星工作模式演示系統來解決上述問題。該測試驗證與演示系統是針對高分多模衛星多種敏捷工作模式和基于自主任務管理的工作方式，通過三維和二維虛擬場景，設計了一套直觀展示衛星工作過程和工作效能的演示軟件系統。

根據功能要求，高分多模衛星工作模式測試驗證與演示系統設計5大模塊，即場景基礎模塊、數據驅動模塊、遙測顯示模塊、工作模式測試驗證模塊和應用擴展模塊，軟件架構如圖7所示。場景基礎模塊的功能主要是支撐二、三維場景展示，包括場景渲染、軌道設定、地面站設定、衛星姿態設定、任務規劃區域、成像區域、數據傳輸任務等功能。數據驅動模塊的功能主要是數據驅動功能，包括測試廣播數據、仿真目標文件等。遙測顯示模塊的功能主要是視圖功能，其中視圖包含數據圖表展示。工作模式測試驗證模塊的功能主要是支撐二、三維場景展示和視圖功能，二、三維場景展示包括數傳天線轉動角度和仿真規劃的角度對比、外推軌道和實時軌道數據對比、成像區域與規劃區域進行實時比對功能；視圖功能則包括姿態規劃曲線與實際運行曲線對比。應用擴展模塊的功能主要是展示窗口布局切換、數據接口重配置、地圖應用程序接口、衛星分離過程展示、視頻錄制圖片抓拍等功能。

圖 7 演示系統軟件架構示意圖Fig.7 Satellite demonstration software frame

高分多模衛星測試驗證與演示系統研制過程中，采用高分多模衛星整星初樣測試的真實遙測數據與軌道數據進行開發與聯調，實現了高分多模衛星基于自主任務管理的三維和二維虛擬場景顯示，應用效果良好(見圖8)，可以推廣到其他遙感衛星應用。

圖 8 衛星機動成像過程演示截圖Fig.8 Screenshot of the satellite maneuvering and imaging process

2 創新性分析

本文設計的面向自主任務管理敏捷遙感衛星的地面驗證系統，技術創新主要有以下幾點。

(1)針對具備任務自主規劃與執行能力的衛星，地面驗證系統必須在地面盡量多地模擬衛星在軌各種任務工況的能力，摸清衛星任務能力邊界，以形成對衛星在軌使用的條件約束，這樣既最大化衛星的使用效率，又能保障衛星安全。任務仿真軟件實現了上述目的，它不僅可以精確仿真目標衛星的各類成像任務和回放任務的執行過程，為地面驗證提供完整的工況設計輸入與輸出判讀，同時為保證衛星在軌“易用”，提供了從地圖目標選擇—衛星任務生成的一鍵式功能。該軟件開拓了整星測試設計的新領域，為同類衛星的自主任務能力驗證提供了通用化解決方案。

(2)針對高度智能化的自主任務衛星，頻繁的信息交互、復雜的信息流向、種類眾多的信息類型是該類衛星總線的工作特點。在地面驗證時，必須要回答總線信息流是否符合設計、信息內容是否正確完整的問題。而總線數據本身數據量大，如何從海量數據中迅速提取想要的數據，并以直觀易理解的方式呈現出來，這是地面測試必須面對的問題?？偩€信息流自主解析工具解決了該問題，它從不同需求角度出發，支持用戶自定義分析需求模板，進行總線信息流自主解析以及數據反衍，很好地解決了總線數據分析難題，將測試人員的判讀工作前置到了設計層，保證了后期整星系統級聯試的效率和安全。

(3)針對具備姿態自主規劃敏捷機動能力的衛星，傳統的對姿態角、姿態角速度數值的簡單判讀已遠不能滿足要求，而是需要對星體姿態機動軌跡的正確性、機動速度和穩定度指標進行判讀，從而綜合評判成像任務完成質量。姿態品質評估軟件解決了這一難題，它通過計算相機在地表的成像掃描點軌跡與目標軌跡偏差，獲得成像任務指向精度評估；使用姿態角速度變化率、攝影點地表移動速度、相機積分時間變化等作為間接指標，獲得機動過程成像質量的評估；通過支持用戶定制需求，支持不同衛星姿態機動曲線的自動化判讀。該軟件有效提高了地面驗證系統對于衛星姿態自主規劃敏捷機動過程的分析深度和分析效率。

(4)對于具備任務自主能力的敏捷機動遙感衛星，衛星任務能力的升級，對衛星在軌使用和任務監視提出了更高的判讀需求，這對于使用者而言顯得不友好。衛星工作模式和測試任務演示系統解決了這一難題，通過關聯相關遙測參數，從衛星的三維演示模型可迅速獲得衛星健康狀態和各關鍵設備的工作參數；通過建立地球-衛星-中繼星的三維空間模型，用戶可直觀看到衛星執行任務時的工作狀態，實現了實時在線判讀。該軟件改變了只能依賴遙測數據進行抽象分析的傳統判讀模式，實現了三維直觀判讀，降低了衛星復雜工作狀態的判讀門檻，并為衛星的在軌使用提供了良好的觀測和展示平臺。

3 結束語

隨著對地遙感衛星業務水平不斷提升，遙感衛星在任務自主管理以及姿態敏捷機動成像能力方面實現了大幅度提升，這對衛星地面驗證系統也提出了更高需求。高分多模衛星是一顆具備高度任務自主能力的新型敏捷機動遙感衛星，基于高分多模衛星地面驗證系統的設計與研制成果，本文從星地任務接口設計與驗證、星上數據流驗證、衛星任務完成度驗證等三方面全方位介紹了高分多模衛星研制團隊如何解決地面驗證與應用難題，覆蓋了地面任務與衛星的接口設計與驗證、星上自主任務管理功能驗證設計、姿態自主規劃與機動能力驗證設計、整星空間任務完成度三維仿真驗證等4大地面測試研制成果，為其他新型敏捷機動自主任務遙感衛星的測試提供了較好的型號驗證參考模板與應用基礎。