一种面向静轨光学遥感卫星星地一体化智能操控系统的制作方法

本发明属于卫星系统设计领域，尤其涉及一种面向静轨光学遥感卫星星地一体化智能操控系统。

背景技术：

地球静止轨道(geo)光学遥感卫星可以作为一类以任务为实时主导的对地观测卫星，具有对全球各重点军事目标地区、各灾害频繁区域的持续覆盖的“随时可达”能力、全天时成像的“随时可见”能力、快速灵活的任务响应能力，非常适合对地球进行长期的连续监视和快速的访问成像。近些年来，随着光学成像载荷技术和卫星姿态控制技术的发展，出现了地球同步轨道高分辨率光学对地成像卫星的概念和相关技术的研究及工程上的研制，目的是充分发挥高轨道驻留时间长的优势，满足多类各方面军民应用需求，因此该类卫星也将是未来光学对地观测卫星技术发展的一个重要领域。

相比与通信卫星或是导航卫星，遥感卫星任务具有间歇性、多样性和不确定性，任务规划规划时间短，用户运控负担极大，目前，我国遥感卫星采用基于静态应用约束和指令模板的运控体制。运控体制简单、可靠，对于单一载荷、工作模式简单、机动能力不强的传统卫星非常有用。然而，随着卫星功能、性能，特别是姿态机动能力的快速提升，卫星成像模式、数据处理模式、天线传输策略越来越复杂，基于静态约束和指令模板的传统运控模式操控难度高、卫星在轨使用效能低。

技术实现要素：

静止轨道光学遥感卫星星地一体化智能操控系统设计目标是实现对卫星成像资源有效利用，由于静止轨道光学成像卫星长期驻留固定区域上空，无测控弧段的限制，可快速响应各类紧急观测任务，具有观测范围大、重访时间短、持续观测时间长等特点，因此，静止轨道光学遥感卫星星地一体化智能操控系统的任务是根据用户提出的成像需求、航天器当前的资源状况、以及设备的使用约束条件等，快速制定各种动作计划并分配资源，将使命级任务分解成指令序列，以最合理及迅速的方式实现对地观测数据的高效优质获取和传输，操控卫星完成各类成像任务，最有效发挥卫星价值。

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种面向静轨光学遥感卫星星地一体化智能操控系统，辅助提升遥感卫星在轨工作时可靠性和对地观测效能，更好的满足用户成像任务需求。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种面向静轨光学遥感卫星星地一体化智能操控系统，包括：任务输入模块、任务解析模块、地面任务规划模块、星上任务规划模块和任务调度模块；其中，所述任务输入模块从用户获取任务信息后输入所述任务解析模块；所述任务解析模块接收任务信息并进行数字化处理形成多个离散的赋值函数和指令块，将多个离散的赋值函数传递给所述地面任务规划模块，将指令块传递给所述星上任务规划模块；所述地面任务规划模块通过智能任务规划算法将多个离散的赋值函数编排成卫星操控指令序列，并将卫星操控指令序列发送到所述任务调度模块；所述星上任务规划模块将地面任务解析模块提供的指令块编排成成像任务指令序列，并将成像任务指令序列发送到所述任务调度模块；所述任务调度模块采用基于时间片的任务指令分发方式将卫星操控指令序列和成像任务指令序列分发到每个控制器。

上述面向静轨光学遥感卫星星地一体化智能操控系统中，获取任务信息包括如下步骤：

添加三维显示控件agiglobecontrol和二维显示控件agimapcontrol，并调用newscenario接口函数来新建场景；

调用iagsatellite接口函数设定卫星和卫星轨道参数；

调用iagsensor接口函数设定卫星有效载荷参数；

调用iagareatarget和iaglinetarget函数获取从用户在可视化界面内点、圈的观测区域信息；

自编写函数获取用户输入的观测任务成像时间、区域位置信息、区域范围和形状、成像谱段、观测次数、观测时长、有效载荷参数、接收地面站位置参数。

上述面向静轨光学遥感卫星星地一体化智能操控系统中，所述指令块为供星上可读的十六进制码字。

上述面向静轨光学遥感卫星星地一体化智能操控系统中，所述智能任务规划算法为分枝定界算法。

上述面向静轨光学遥感卫星星地一体化智能操控系统中，通过智能任务规划算法将多个离散的赋值函数编排成卫星操控指令序列包括如下步骤：将以经纬度表示的观测区域映射到适用于卫星观测的有效视场平面中，形成映射图像；利用有效载荷视场形成的图形去覆盖映射图像，以载荷视场图形为单元进行划分形成覆盖矩阵，再通过几何方法确定覆盖矩阵的每个单元是否需要实现覆盖；根据映射结果构建任务规划模型，确定任务规划目标函数，选择卫星工作模式与任务规划模型相对应；根据卫星载荷成像能力、姿态机动能力、数据传输能力，通过分枝定界树搜索、统计能够覆盖全部映射图像的可行方案，并按照优化指标进行优化；判断是否完成成像观测任务，满足观测覆盖要求和成像次数要求；输出任务工作序列，并形成可供星上读取的卫星操控指令序列。

上述面向静轨光学遥感卫星星地一体化智能操控系统中，所述星上任务规划模块通过指令模板将地面任务解析模块提供的指令块编排成成像任务指令序列。

上述面向静轨光学遥感卫星星地一体化智能操控系统中，所述基于时间片的任务指令分发方式包括：卫星操控指令序列和成像任务指令序列存储于任务调度模块中的任务执行缓存区，任务调度模块周期性检测任务执行缓存区内的卫星操控指令序列和成像任务指令序列的时间标识，通过与任务调度模块的高精度时钟控制源输出的时间相比较，若输出时间大于时间标识，则任务调度模块立即发送卫星操控指令序列或成像任务指令序列。

上述面向静轨光学遥感卫星星地一体化智能操控系统中，所述指令块为一条仅包含用户观测任务必要参数信息的指令块。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明将传统的以文本形式制定的观测任务形式转换成以可视化操控界面的制定形式，任务设定更加方便快捷，任务响应更加迅速，同时系统屏蔽掉卫星完成指定任务所采取的实现细节及控制卫星的底层操作，用户使用更加人性化；

(2)本发明采用星地一体化的智能规划系统设计，可根据不同任务观测特点选择星上任务规划或地面任务规划，任务执行更加灵活、智能化，可满足不同任务应用需求；

(3)本发明采用灵活的指令分发系统设计，任务安排更加方便、智能和人性化。

附图说明

图1是本发明的面向静轨光学遥感卫星星地一体化智能操控系统的框图；

图2是本发明的地面任务规划系统流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明：

图1是本发明的面向静轨光学遥感卫星星地一体化智能操控系统的框图。如图1所示，该面向静轨光学遥感卫星星地一体化智能操控系统包括：任务输入模块1、任务解析模块2、地面任务规划模块3、星上任务规划模块4和任务调度模块5；其中，

任务输入模块1从用户获取任务信息后输入任务解析模块2；

任务解析模块2接收任务信息并进行数字化处理形成多个离散的赋值函数和一条仅包含用户观测任务必要参数信息的指令块，将多个离散的赋值函数传递给地面任务规划模块3，将一条仅包含用户观测任务必要参数信息的指令块传递给星上任务规划模块4；

地面任务规划模块3通过智能任务规划算法将多个离散的赋值函数编排成卫星操控指令序列，并将卫星操控指令序列发送到任务调度模块5；

星上任务规划模块4将地面任务解析模块提供的指令块编排成成像任务指令序列，并将成像任务指令序列发送到任务调度模块5；

任务调度模块5采用基于时间片的任务指令分发方式将卫星操控指令序列和成像任务指令序列分发到每个控制器。具体的，卫星操控指令序列和成像任务指令序列存储于任务调度模块5中的任务执行缓存区，任务调度模块5周期性检测任务执行缓存区内的卫星操控指令序列和成像任务指令序列的时间标识，通过与任务调度模块5的高精度时钟控制源输出的时间相比较，若输出时间大于时间标识，则任务调度模块立即发送卫星操控指令序列或成像任务指令序列。

①具体的，任务输入模块设计

任务规划模块是用户与智能操控系统的接口，主要时提供与任务要求相关的灵活、简洁、友好、操作性强的任务信息输入操作界面，完成用户的成像任务输入。模块采用可视化设计思路，利用c#语言结合stkx技术开发。系统实现方案步骤为：

a)在软件界面中添加三维显示控件agiglobecontrol和二维显示控件agimapcontrol，并调用newscenario接口函数来新建场景；

b)调用iagsatellite接口函数设定卫星和卫星轨道参数；

c)调用iagsensor接口函数设定卫星有效载荷参数；

d)调用iagareatarget和iaglinetarget函数获取从用户在可视化界面内点、圈的观测区域信息；

e)自编写函数获取用户输入的观测任务成像时间、区域位置信息、区域范围和形状、成像谱段、观测次数、观测时长、有效载荷参数、接收地面站位置参数；

②任务解析模块设计

任务解析模块主要功能是将任务输入模块获取的信息进行数字化处理，形成机器可读语言，结合星地一体化的设计思路，通过不同形式将信息传递给地面任务规划模块或星上任务规划模块。传递给地面任务规划模块的为多个离散的赋值函数，对于复杂的信息可以形成.dat的过程数据文件；传递给星上任务规划模块为一条仅包含用户观测任务必要参数信息的指令块，指令块主要是根据指令编写规则和参数转换规则形成的供星上可读的十六进制码字，指令块示例如下所示。

③地面任务规划模块设计

地面任务规划非常适用于对地观测任务复杂、长时间多区域连续观测情况，是一种动态优化的任务编排方式，主要功能是在满足卫星使用约束的条件下，通过智能任务规划算法，将任务解析模块传递的离散的赋值函数参数编排成可供卫星应用的成像指令。

模块内采用分枝定界算法作为智能任务规划算法，通过剪枝策略完成最优规划结果的搜索，最终形成卫星操控指令序列。算法流程图如图2所示：

a)将用户关心的以经纬度表示的观测区域映射到适用于卫星观测的有效视场平面中，形成映射图像；

b)利用有效载荷视场形成的图形去覆盖映射图像，以载荷视场图形为单元进行划分形成覆盖矩阵，再通过几何方法确定覆盖矩阵的每个单元是否需要实现覆盖；

c)根据映射结果构建任务规划模型，确定任务规划目标函数，选择合适的卫星工作模式与之相对应；

d)根据卫星载荷成像能力、姿态机动能力、数据传输能力，通过分枝定界树搜索、统计能够覆盖全部映射图像的可行方案，并按照优化指标进行优化；

e)判断是否完成成像观测任务，满足观测覆盖要求和成像次数要求；

f)输出任务工作序列，并形成可供星上读取的任务指令块，任务指令块是由一系列卫星操控指令组成。

④星上任务规划模块设计

星上任务规划模块主要用于观测简单常规的观测任务、或是应急观测任务，其优势在于星地接口高效简洁，根据地面任务解析模块提供的指令块信息，由星上自主解析完成成像任务，其执行方案如下：

a)考虑到星上计算机处理能力及执行可靠性，星上不采用复杂的任务规划算法，而采用指令模板化实现方式，卫星在发射前，在数管计算机的存储空间内存储了多个指令序列模板，如载荷开机模板、载荷关机模板、载荷成像模板、姿态机动模板、数据传输模板等；

b)考虑到在执行不同成像任务时有相当一部分任务指令序列相似性较强，固对其进行模块化处理，抽象形成公共序列子模板，各模板可对子模板进行调用。该方案可以减少固化在星上的指令数量，降低计算机程序存储器容量需求，以及软件编码和测试压力；

c)指令序列模板或公共序列子模板格式如下：

指令序列模板名称(参数1、参数2、参数3……)

其中参数1、参数2……采用透明传递的方式填写到指令模板中，即直接读取任务解析模块提供的参数格式信息，星上不进行解译和变换；

⑤任务调度模块设计

任务调度模块主要是嵌入到卫星的数管计算机中，主要实现方案为将数管计算机设定为卫星系统的任务核心控制器，各分系统控制器作为任务执行控制器的架构形式，由数管计算机根据指令执行时间协同调动相机、数传、控制分系统完成整个对地观测任务。数管计算机内设置有高精度时钟控制器，采用时间片的任务指令分发方式，为降低指令上注量(每条星时所占字节较多)，保证指令执行的可靠性，指令间采用相对时间间隔的执行方式，即要求地面任务规划模块和星上任务规划模块输出的指令序列串的格式如下：

指令序列开始执行时间t

指令1

时间间隔△t1

指令2

时间间隔△t2

……

指令n

指令单元的校验和(最后一条指令)

指令2执行时间仅根据指令1执行时刻+时间间隔△t1进行计算。

考虑到用户任务安排更加灵活，设计实时或延时指令分发功能，实时指令可实现紧急的观测任务，延时指令可方便用户提前制定观测任务，若指令序列开始执行时间t设置为0，则为实时指令序列，数管计算机立刻执行指令序列；若指令序列开始执行时间t，t大于卫星当前星时，则为延时指令序列，数管计算机将指令序列放入延时指令序列存储区，并定时检测，当卫星星时到达t时，将指令序列调入执行区开始执行序列。

本发明将传统的以文本形式制定的观测任务形式转换成以可视化操控界面的制定形式，任务设定更加方便快捷，任务响应更加迅速，同时系统屏蔽掉卫星完成指定任务所采取的实现细节及控制卫星的底层操作，用户使用更加人性化；本发明采用星地一体化的智能规划系统设计，可根据不同任务观测特点选择星上任务规划或地面任务规划，任务执行更加灵活、智能化，可满足不同任务应用需求；本发明采用灵活的指令分发系统设计，任务安排更加方便、智能和人性化。

以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。