遙感衛星智能操控技術發展研究

劉曉敏 孫進 張帥 李晗

(北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

隨著遙感衛星數量的快速增長和遙感信息獲取 能力的不斷提升,傳統衛星操控模式開始顯現出其對衛星應用效能的制約。同時,用戶對遙感衛星的要求越來越高,既要求遙感信息獲取的準確性和時效性,同時也要求有良好的交互體驗。這就對遙感衛星的操控能力提出了更高的要求,因此,必須通過發展衛星智能操控技術來降低衛星操控難度和復雜度,以提高操控便捷性和信息處理效率,有效提升衛星的應用效能。

遙感衛星的智能操控涉及到多領域多學科技術,包括智能信息處理、智能故障診斷以及智能人機交互等,具有問題條件復雜和目標需求多樣的特點。國內外相關領域研究者針對智能操控技術開展了大量研究,涉及到遙感衛星操控多個關鍵環節,如衛星自主任務規劃、多星任務協同、星載數據處理以及地面智能操控等各個方面。目前,國外發達國家已實現了自主任務規劃、星座規劃以及在軌數據處理能力星載驗證,而國內遙感衛星主要還是靠上注指令進行操控,數據處理仍以地面為主,智能化操控研究相對滯后,尚需深入研究。

本文首先論述遙感衛星操控技術的國內外發展現狀,并對智能星地操控中涉及到的關鍵技術進行分析。在此基礎上,結合遙感衛星操控當前存在的問題和未來應用需求,提出了天地一體化智能操控模式設計構想,為我國遙感衛星智能操控模式設計和系統實現提供參考。

1 遙感衛星智能操控技術的發展現狀

1.1 國外發展現狀

自20世紀90年代以來,世界各主要航天機構在智能衛星和衛星智能操控方面開展了大量研究,利用人工智能技術,在衛星智能規劃與決策、自主運行及管理等方面全面提升衛星操控的智能化和衛星使用效能[1]。

NASA 于2003年研制了自主科學航天器試驗系統(Autonomous Spacecraft Experiment,ASE)[2],在地球觀測1 號(EO-1)和技術衛星-21(TechSat-21)[3]中對遙感圖像在線判讀,觀測任務自主規劃完成了在軌驗證,能夠在線完成遙感圖像識別處理,并根據觀測的事件對任務進行重規劃,從而在下一個觀測周期中自動瞄準感興趣的觀測目標。2009年,美國發射的戰術星-3(TacSat-3)衛星,除了提供先期戰場信息準備和“戰斗－毀傷－評估”信息外,同時支持目標探測和自動識別及自主定位。衛星能夠搜集和處理圖像并通過已建立的通用數據鏈路和戰場超高頻裝置下傳資料文件、信息位置或完整的圖像,具有一定智能性[4]。

在地面操控方面,2000年美國噴氣推進實驗室(JPL)人工智能團隊開發的地面自動規劃與調度系統(Automated Planning/Scheduling Environment,ASPEN)[5],采用自主計劃/調度技術,通過自動生成一組命令序列將用戶(例如科學家)提出的高級任務目標自動轉換為航天器系統能夠識別的可執行命令,可以顯著降低運營成本并增加航天器的自主性。同時,ASPEN 建立了更加簡潔的“地面－航天器”任務接口,一方面大幅減少了航天器地面操作人員的工作量,另一方面也使用戶(例如科學家)可以直接操作航天器。2010年,美國Orbit Logic公司開發了面向多星協同任務的聯合任務規劃系統(Collection Planning&Analysis Workstation,CPAW),采用了一系列仿真模型來預測環境信息、航天器子系統、任務目標的變化情況,可以根據任務需求直接生成用于衛星操控的指令序列,已成功用于對多個衛星生產商的多型衛星的任務規劃問題。另外,2012年美國國防先進研究計劃局(DARPA)啟動了“太空使能的軍事作戰效能”(Space Enabled Effects for Military Engagements,SEEME)項目,允許用戶通過手持終端提交偵察請求,系統在獲取需求后即可對目標區域進行成像并將數據“實傳”到用戶終端,該項目除了要求衛星具有較強的星地鏈路外對衛星的自主性、智能性也提出了很高的要求,尤其是衛星的自主規劃能力和多星協同能力。

在ESA2009 年的星載自主計劃系統(Project for On-Board Autonomy,PROBA)中,衛星可根據面向目標的觀測請求(如一個觀測請求包括目標位置和觀測持續時間),將觀測請求轉變為一個活動調度、資源管理決策和衛星指向的命令[6]。法國航天局(CNES)2010年開發的自主通用體系結構演示驗證試驗平臺(Autonomy Generic Architecture-Test and Application,AGATA)[7],致力于發展航天器在規劃、監督和診斷等方面的星上自主能力,在其昂宿星(Pleiades)衛星上開展了相關試驗,并設計了融合啟發式規則和隨機迭代功能的“貪心”搜索算法,解決衛星星座任務規劃問題[8]。德國航空航天中心(DLR)2014年進行的星載自主任務規劃試驗(Verification of Autonomous Mission Planning Onboard a Spacecraft,VAMOS)包括星上和地面組件兩大部分,地面組件通過整理不同用戶的需求和預測的資源與環境狀態,給出全局任務規劃方案,并將其上注衛星。星上根據觀測反饋結果與環境、資源的變化情況,可實時調整星上實際資源使用情況,以保證星上重規劃方案的可行性。意大利航天局(ASI)2013年也提出了復雜開放結構空間任務執行系統(Comprehensive Open-architecture Space Mission Operations System,COSMOS)[9],進行多衛星組成的星座任務規劃,以及監測與控制任務,通過可重構設計,該系統可快速適應新的衛星結構并重新組合。

韓國航空航天研究所(KARI)2006 年開發了一套衛星智能運行管理系統(OMS)[10]。該系統提供了一個操控平臺,任務計劃人員可以向任務管理系統上的飛行運行經理請求任務指揮批準,也可以使用運行文檔管理功能讓實時操作員報告異常事件,系統已在多用途衛星(KOMPSAT-2、-3和-5)上進行了應用驗證。日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)2014年提出了一種遙感衛星自動運行系統[11],并以小型科學衛星瑞美號的地面站為試驗臺,對自動運行系統進行了驗證。具備包括數據鏈路自動操作、衛星遠程操作等能力,遠程操作系統可在移動設備中實現,例如平板電腦或智能手機以及個人電腦。

從上述發展概況可以看出,國外航天機構在衛星智能操控方面開展了全面的研究,取得了大量成果,涵蓋單星自主任務規劃、星上環境自主感知與任務動態規劃、多星協同規劃、星載智能實時處理、航天器終端操控等應用方向,并在多衛星系統進行了在軌驗證,已逐步形成了型號應用能力。系統研制方面,主要通過星地一體聯合任務規劃形式來發揮地面資源豐富、星上實時性強的優勢,另外,單星自主任務規劃系統與多星協同任務規劃系統并行開展、互為支撐;體系研究方面,國外自主任務規劃技術與自主感知、自主決策、自主故障診斷等航天器自主技術協同發展,正逐步形成從自主感知、自主決策、自主規劃到自主執行的航天器自主體系架構;地面操控方面,則致力于建立簡潔的“地面－航天器”任務接口,一方面大幅減少了航天器地面操作人員的工作量,并發展智能終端操控,提升用戶操控和信息獲取的便捷性。

1.2 國內發展現狀

目前,我國遙感衛星任務管理模式還是基于“天地大回路”的傳統地面管控方式,大多通過“任務規劃＋指令生成和上注”的模式實現在軌控制[12],遙感數據處理也以地面為主。用戶任務操作采用“需求－籌劃－管控－衛星－處理－用戶”的閉環鏈路,流程冗余,任務反應能力弱,無法充分發揮衛星應用效能,且星地操控復雜度高。為此,國內相關領域研究人員在遙感衛星操控智能化方向開展了相關研究,包括操控模式、智能衛星系統、地面運控系統與處理平臺等幾個方面。

在操控模式方面,2016年北京空間飛行器總體設計部田志新提出了基于智能星載電子系統的天地一體化運控方案[13],在星載電子系統自主指令生成、成像參數計算、任務規劃優化、敏捷姿態規劃的支持下,實現了從靜態任務規劃到動態任務規劃轉變,從專用操控模式向通用操控模式轉變,從星地開環管理向星地閉環管理轉變。2019年北京空間飛行器總體設計部劉云鶴等提出了基于“人在回路”的靜軌遙感衛星智能操控方案[14],采用面向任務和用戶操控的總體架構,通過最優任務規劃、指令自主生成、參數智能匹配、星載信息處理、星地信息交互等多項星地一體化設計,提升衛星操控的靈活性。通過引入“人機接口”控制衛星任務執行的進程并引入判斷與創新,使衛星用戶能夠便捷的監控衛星任務執行的全進程,再根據衛星反饋后的圖像信息作為輸入更快的重建目標任務。

在智能遙感衛星系統研制方面,2017年我國首顆商業遙感衛星吉林一號發射入軌,具有一定的星上圖像處理能力,并實現了機動路徑的自主規劃[15]。2019年發射了我國第一顆軟件定義衛星天智一號,可在軌完成衛星所獲的大部分數據處理,如智能目標檢測識別、智能云判讀、基于強化學習的智能姿態控制等,并根據需要下傳地面[16];同時,衛星為開放型系統,所有人都可以為衛星開發軟件,并可根據一定流程將開發的軟件或是地面訓練好的神經網絡模型上注衛星,以提高衛星在軌實時處理能力或開展在軌實驗。對于衛星的實時狀態,所有人都可以通過手機利用APP訪問查詢,并指揮衛星在軌實時執行“在軌自拍”等空間任務。另外,國內主要航天科研機構和高校圍繞智能遙感衛星系統也組織了許多相關項目研究,如微小衛星智能網絡、地球觀測智慧系統等。

在地面系統平臺方面,2016 年國防科學技術大學陳英武等提出了一種敏捷成像衛星自主運控系統[17],成像衛星配備有星載重規劃分系統和實時任務的接收器,實時任務的接收器用于成像衛星與用戶、成像衛星與地面支持系統進行實時短報文信息交互,星載重規劃分系統主要實現系統中所有觀測任務的在線任務規劃功能,可自主生成任務規劃方案并結合衛星指令模板生成衛星指令。劉繼東等創建了基于數字地球的“空天大數據承載與智能服務平臺”[18],將空天大數據、云計算與人工智能技術深入融合,提高了遙感數據處理能力和智能化水平。

從國內研究概況可以看出,當前國內遙感衛星領域的智能化研究還處于初步階段,工程實踐應用尚不足。操控模式方面,目前研究僅關注遙感衛星的在軌操控環節,未涉及信息處理、在軌診斷等關鍵問題,也未從整體上對智能操控總體架構進行設計研究,尚不能支持全面的自動化操控;系統研制方面,自主任務規劃系統和星載智能處理能力僅有少量初步驗證,處于地面系統使用向星載驗證的過渡階段,尚無成熟應用經驗;地面系統方面,任務處理平臺和終端操控智能化研究匱乏,尚未形成通用便捷的衛星操控平臺,且對智能人機交互研究不多,智能化程度不足,無法支撐面向終端用戶的航天器智能操控應用。

2 智能星地操控關鍵技術分析

從上述發展現狀可以看出,目前國內外相關機構在智能星地操控方面的研究焦點主要集中在衛星自主任務規劃、多星任務協同、星載智能處理以及地面智能操控與信息處理等幾個方面。

1)衛星自主任務規劃

傳統的衛星任務規劃由地面依據預設條件制定任務方案,但這種模式依賴于穩定的運行環境和充裕的星地通信時間,伴隨著高昂的星地溝通成本。自主任務規劃可大大降低對地面管控的依賴,減少復雜功能衛星任務上注數據量,顯著縮短從任務提出至航天器執行的過程、提高突發事件的自主響應能力、提升復雜任務的自主執行能力、更好的發揮航天器應用效能,是實現遙感衛星智能操控的首要關鍵技術。

衛星自主任務規劃所面臨的最大問題是星上計算和存儲資源受限,當前主要研究資源約束下的自主任務規劃問題建模與優化求解問題。目前,國外衛星自主任務規劃技術已經在多領域具備了工程化應用能力,但國內研究尚處于地面系統使用向星載驗證的過渡階段,需將自主任務規劃技術與人工智能發展緊密結合,研究智能規劃算法。另外,目前現有研究主要集中于模型和算法領域,并沒有具體給出完整的基于實際衛星情景的建模流程和驗證,也缺乏系統的流程和框架的設計,尚需進一步系統性的深入研究。

2)多星任務協同

隨著航天活動日益開展深入,用戶對觀測任務實時性、觀測空間延展性、觀測對象動態性等方面提出了更嚴苛和復雜的要求,受衛星所處軌道、星載遙感器資源特征、觀測目標物理特征等影響,單一衛星難以滿足日趨復雜的觀測需求,而多星自主任務規劃具有更強大的觀測能力和優勢。

相對于單星情況,多星的任務規劃由于目標數目和種類的豐富、衛星數目和載荷種類的豐富,問題建模的復雜度和問題求解的計算規模都有了巨大的增長。這也致使在星載計算機有限的計算能力下,所有基于遍歷搜索得到全局最優解的方法在星上都難以被采用。目前,國外已經在多個領域開展了多星自主任務規劃技術的星載驗證[19],但國內關于多星自主任務規劃的研究較為匱乏,且沒有明確衛星體系之中各個衛星的角色和完整的基于資源特征和時間窗特征的任務分配機制,使得多顆衛星難以實現高效和快速的任務分配,需進一步深入研究。

3)星載智能實時處理

隨著遙感數據量的迅猛增長以及用戶對信息獲取時效性和有效性要求的提高,必須利用星載智能實時處理技術縮短系統反應時間、突破數傳瓶頸,并提高載荷利用率。遙感信息星載智能處理通過在星上完成無效數據剔除、感興趣區域提取、關鍵目標檢測等,可以生產出具有更高附加值的產品,盡量減少回傳的數據量,又能夠極大地提高應用的時效性。

隨著人工智能技術的發展,尤其是深度學習等優秀算法的涌現,星載智能處理方法已發生重大改變。目前主要的方法是借鑒注意力機制[20]在人類視覺系統中的選擇性感知特點,結合自底向上的視覺顯著性引導及自頂向下的顯著區域解釋,進行大視場遙感目標檢測,需要關注的是如何進行星載計算資源的合理分配,以實現實時遙感與信息處理的并行進行。

4)地面智能操控

遙感衛星地面操控涉及用戶操控衛星的操控接口和操控界面,直接影響用戶對衛星的智能操控體驗,主要包括任務運控、遙感信息處理以及健康監測與故障診斷三部分。

任務運控是結合現有衛星系統資源,面向待執行任務提出的符合各種限制條件的最大化衛星系統資源效益的任務執行序列,涉及從用戶提出需求,到衛星指令和地面接收計劃的生成全過程。目前,以ESA 和NASA 為代表的衛星地面運控系統,其特點是體系結構標準化,信息互通、應用互操作,具有統一的組織來協調處理系統的標準規范制定和研制管理[21]。而國內的衛星運控系統觀測任務調度與執行彼此獨立運行,在業務層面由協商討論、手工計劃等手段實現各部門的協同數據獲取。因此,基于微服務的分布式、可擴展的地面運控系統已經成為發展趨勢,系統對于新增衛星的兼容性更好,擴展性更強,開發成本更加低廉。對于任務操作,國內遙感衛星多采用基于指令模板或宏指令的運控體制,用戶編制指令和操控難度和復雜度高。因此,構建面向用戶的好用易用的智能運控系統,以提升操作便捷性和用戶體驗,逐步受到相關領域研究者的關注。

地面遙感信息處理主要是負責接收衛星遙感數據,進行圖像預處理和圖像應用處理,生成不同等級和不同類型的圖像產品,并對衛星遙感圖像進行判讀、解釋和評估等。隨著在軌遙感衛星數量的快速增加,遙感圖像的數據量也呈幾何級數增長,同時受衛星振動、電磁干擾等的影響遙感圖像質量也難以保證,基于圖像特征提取、輻射/幾何校正等傳統預處理手段已經不能滿足要求。因此,可研究結合衛星運動參數特性,采用全連接神經網絡對振動和干擾點進行估計,改善圖像質量,同時采用深度學習理論對遙感圖像進行電磁干擾和圖像畸變檢測,進一步提高圖像復原的魯棒性和準確性[22]。對于特定目標檢測,傳統的檢測方法包括基于形狀先驗特征的目標檢測、梯度直方圖、支持向量機等,在用于復雜背景、動態環境下的遙感目標檢測時效果并不理想,而基于深度學習的方法由于采用深度神經網絡可以提取多層次特征,其特征表達能力強,適合于遙感圖像目標檢測。進一步的,還可以融合視覺注意力機制,選擇感興趣區域進行詳細分析,提升目標檢測精度,降低時間和空間復雜度。另外,由于現有的遙感圖像處理工具大多針對不同研究人員進行算法研究進行設計,不利于進行圖像處理流程可視化及處理結果的現場展示和交互,需基于人工智能和人機交互技術,進一步實現任務結果的多維度呈現和用戶便捷的交互體驗。

在健康監測與故障診斷環節,遙感衛星由于遙測數據量大、判讀復雜度高,難以滿足用戶對于衛星健康狀態感知、故障診斷的直觀性和快速性要求,且應急故障響應和處置能力不足。因此,需進一步深入研究健康監測與故障診斷技術,基于衛星自主健康評估技術,通過星地聯合對衛星運行狀態和故障進行智能化處理,提升衛星健康管理可視化、降低衛星健康狀態感知復雜度,實現智能化衛星故障處置響應。

3 天地一體化智能操控模式設計構想

3.1 天地一體化智能星地操控總體框架

結合國內外遙感衛星智能星地操控研究現狀及未來我國遙感衛星應用需求,為提升用戶操作的便捷性和智能化,采用天地一體化的設計思路,構建“智能衛星＋一體化地面系統＋智能操控平臺”的總體架構,通過高、中、低軌衛星多星協同、單星智能、星地聯合處理以及星地操控各環節的天地一體化設計和協調應用,形成遙感衛星智能化操控新模式?？傮w框架如圖1所示。

圖1 天地一體化智能星地操控總體框架Fig.1 Overall architecture of the space-ground-integration and intelligent satellite-ground manipulation

在體系方面,從快捷任務指控、任務信息獲取、智能健康監測等各環節全面優化星地操控設計。一方面,衛星自主任務規劃技術與星載實時處理、自主故障診斷等協同發展,從而串聯起遙感衛星自主感知、自主決策、自主故障診斷等自主技術,形成從自主感知、自主決策、自主規劃到自主執行的自主體系架構,提升航天器智能自主能力;另一方面,地面系統充分利用人工智能和人機交互技術,構建一體化地面系統和智能操控平臺,提升操控便捷性和用戶體驗,實現終端快捷任務指控、任務結果智能處理與多維呈現,以及智能健康監測與故障處置等。

在智能算法方面,將人工智能技術與自主任務規劃技術、遙感圖像在軌處理技術、故障診斷技術緊密結合,深入研究單星及多星智能規劃算法、智能實時處理及故障診斷算法,提升星、地智能化處理水平。

3.2 天地一體化智能星地操控接口和操控流程

基于天地一體化智能操控總體框架,根據遙感衛星星地操控業務內容,將星地操控劃分為:任務指控、任務進程監控、任務結果處理與多維度呈現、在軌維護、在軌健康監測與處置等5個維度,通過5個維度的天地一體化設計,全面優化星地操控接口和操控流程,并改善人機交互效果,提升衛星的好用易用性。具體操控接口和流程如圖2所示。

圖2 天地一體化智能星地操控接口和流程Fig.2 Interface and process of the space-ground-integration and intelligent satellite-ground manipulation

1)智能化任務指控接口和流程

為提升遙感衛星任務指控效率和便捷性,采用多模態[23]任務指令輸入方式,實現任務參數高效注入,并結合地面系統任務統籌和衛星自主任務規劃,實現“一鍵式”任務上注,并自動完成任務合法性檢驗,滿足用戶高效、可靠、快捷的任務指控要求。

用戶通過操控平臺完成多模態任務指令輸入,任務指令輸入形式可包括參數、文本、語音、可視化地圖界面等多種模態,目標類型可包含點目標、線目標、區域目標或多個目標等。地面系統接收操控平臺模態檢測與信息識別處理后的統一格式數據幀,完成多用戶多任務智能調度、任務規劃和任務數據生成,并將任務數據上注給衛星,實現用戶只需要輸入目標地理位置信息和成像時間等簡單參數即可完成任務指控。地面上注的指令數據包括兩類:一類是地面任務規劃后的指令數據,由衛星接收指令直接執行完成任務操控;另一類是任務指令數據,由衛星自主完成任務分解、自主任務規劃、在軌指令序列生成和自主任務操控。具體任務指控過程如圖3所示。

圖3 智能化任務指控過程Fig.3 Process of the intelligent task command and control

2)任務進程智能監控接口和流程

通過星地聯合對衛星工作狀態的智能化處理,實現衛星執行任務的全局動態監控和單個任務進程的實時監控,以滿足用戶對任務執行過程的實時監控需求。

智能衛星下發衛星任務相關信息,對于衛星已規劃待執行任務,可基于衛星在線任務規劃結果獲取遙感任務計劃,包括規劃路徑、預計執行時段、衛星姿態等信息;對于正執行任務,可獲取任務規劃路徑、實時衛星姿態、實時視頻圖像數據、跟蹤目標位置及特征信息、可疑目標的告警等信息。當有應急任務插入時,衛星可生成相應的事件報告,供地面分析處理。

地面系統接收任務信息,完成任務狀態遙測處理,包括遙測數據融合與分析、事件報告處理及數據可視化等,并完成任務綜合狀態統計與分析。最后,通過各操控平臺實現相關任務的進程監控及狀態直觀呈現,包括衛星相關工作模式、任務執行進程、數據傳輸與回放進程等。

3)任務結果處理與多維度呈現接口和流程

任務結果通過智能衛星完成星上數據智能處理及分發,地面系統對衛星處理結果和原始圖像數據進行進一步的智能化處理,實現任務結果的多維度交互式呈現,滿足用戶對整體態勢全方位的直觀感知需求和時效性獲取要求。

地面系統接收星上智能處理結果和原始圖像數據兩類任務結果數據,在完成精細圖像處理、目標檢測與識別等處理后,將兩類任務結果數據采用圖像增強、實時視頻顯示、三維重建及場景融合等技術手段完成面向用戶的任務結果多維度直觀呈現,實現用戶對遙感目標態勢全方位的直觀信息感知。用戶收到任務結果后,根據實際任務需求還可通過“一鍵式”操作將自動跟蹤、目標詳查等指令發送給任務指控環節,通過任務指控將跟蹤、星間協同等任務發送至衛星,或將信息數據分發至各地面用戶終端。具體功能模塊設計和工作過程如圖4所示。

圖4 任務結果處理與多維度呈現過程Fig.4 Process of task result processing and multidimensional presentation

4)智能化在軌維護接口和流程

受限于衛星計算資源和能耗,衛星在軌自主維護一般只針對實時性要求高、對任務完成質量起決定作用的部分參數進行,大量的目標庫、參數庫、算法庫及相關參數優化均需要通過地面系統實現,然后再通過地面上注的方式傳輸給衛星。因此,需建立衛星在軌和地面的聯合智能處理機制,即星上進行高層次信息融合,地面基于人工智能技術進行海量數據的機器學習過程,建立完善星地知識庫、模型庫、信息源資源庫等,將在軌和地面的信息進行可控信息量的交互,從而形成星上和地面處理的有機整體,支持衛星在軌動態能力提升。

智能衛星設置目標庫、任務庫、歷史任務規劃結果庫、算法庫以及目標檢測識別模型庫等,地面系統基于深度學習框架,與衛星同步建立各知識庫和模型框架,并通過歷史任務數據進行樣本訓練和模型優化。用戶可通過操控平臺查看星上當前各知識庫、算法庫以及模型庫的參數信息,根據遙感任務需求和衛星在軌維護要求,可通過“一鍵式”操作由地面系統自主完成各知識庫、算法庫的數據組包、正確性及安全性驗證和自動上注,實現星上各知識庫和算法庫的“一鍵式”管理、升級和維護。

5)在軌健康監測與處置接口和流程

結合智能衛星自主健康管理技術及地面健康管控,通過星地聯合對衛星運行狀態和故障進行智能化處理,提升衛星健康管理可視化、降低衛星健康狀態感知復雜度,實現智能化衛星故障處置響應。地面系統實時獲取衛星遙測數據進行復雜遙測解析、處理和衛星實時健康監測,通過數據融合、數據簡化和可視化處理等手段,實現衛星健康狀態的直觀呈現,降低用戶對衛星健康狀態感知的復雜度,并完成衛星健康狀態診斷。

當衛星發生異常事件時,地面處理可通過兩種途徑:一種是地面通過復雜遙測數據分析進行故障識別;另一種是衛星自主將故障數據包(或緊急故障代碼)發送至地面。地面系統根據地面復雜遙測分析結果或衛星下傳的故障數據包,與已建立的故障診斷模型和診斷知識庫進行模式匹配,自動獲得故障信息及應急處理建議,用戶只需通過“一鍵式”操作即可將故障處置指令數據包上注至衛星,實現衛星智能化的快速故障處置響應。具體工作過程如圖5所示。

圖5 在軌健康監測與處置過程Fig.5 Process of on-orbit health monitoring and disposal

3.3 與現有操控模式對比分析

將該模式與目前國內遙感衛星操控模式進行對比,見表1?？梢钥闯?該模式可實現遙感衛星各操控環節的“一鍵式”智能星地交互,有效提升衛星好用易用性,實現用戶對衛星的便捷操控和智能交互。

表1 與現有操控模式對比分析Table 1 Comparison with existing manipulating mode

4 結束語

本文針對當前遙感衛星智能化操控需求,綜合研究了國內外遙感衛星操控技術研究現狀及存在的問題,基于“天地一體化”設計思路構建了“智能衛星＋一體化地面系統＋智能操控平臺”的3層總體架構、智能操控流程及模塊間接口,并對智能化任務指控、任務進程智能監控、任務結果處理與多維度呈現、智能化在軌維護、在軌健康監測與處置等關鍵環節進行了分析。通過與現有操控模式的定性比較,結果顯示該模式可以有效提升衛星的好用易用性,實現用戶對衛星的便捷操控和智能交互。下一步將根據所提出的設計模式,進行“天地一體化”操控系統的詳細設計與實現,以完成遙感衛星各操控環節的“一鍵式”星地交互。