随遇接入卫星应急任务响应技术研究

李金亮，狄 慧，叶小舟，王再明

(上海卫星工程研究所，上海 200240)

·技术前沿·

随遇接入卫星应急任务响应技术研究

李金亮，狄 慧，叶小舟，王再明

(上海卫星工程研究所，上海 200240)

面对在轨卫星当前对突发事件、灾难应急等突发性、短暂性的使用需求，传统空间系统应用存在任务规划提前制定、难以临时变更的缺点，卫星系统无法快速对该类突发事件进行资源保障。因此迫切需要构建高效、即时的空间任务执行体系。研究了随遇接入卫星应急任务响应技术，该技术可统筹任务执行过程中涉及的各条链路及各类资源，全面改善任务执行即时性。

系统设计；随遇接入；任务调度；在轨数据管理

0 引言

对地观测卫星利用星载传感器获取地球表面信息，可以广泛应用在土地资源普查、城市规划、环境保护等多个领域。当越来越多的抗灾救援任务愈加依赖卫星系统时，出现了一些新的需求，主要包括以下几个方面：1)反恐维稳，快速加强对某重点区域的情报收集分析；2)热点区域应对，对周边海域舰船的突发事件针对性地应对；3)灾害救援，对突发的重大自然灾害进行救援及评估工作。这些新的卫星应用需求与传统的卫星使用方式相比具有极强的突发、短暂等特性，因此卫星在轨任务的反应速度逐渐成为衡量空间系统性能的重要指标之一[1]。

卫星任务响应过程是一个多环节构成系统链路，本文以随遇接入技术为基础，通过在整个系统链路的多个环节提出新的技术方法，经在轨卫星实际工程化应用，首次成功实现对地面目标的快速任务执行能力，有效地提升了现有卫星装备对应急任务响应的时效性。

1 卫星应急任务响应技术研究现状

目前我国在卫星应急任务响应研究方面已有很多进展，如在快速响应载荷设计思路方面，提出自主运行技术[2]，载荷设备自行进行自身状态监测、设备校验以及自测试，自主运行星上管理软件，简化地面终端用户操作。在卫星任务调度方面，提出在线任务调度方法[3]，将传统周期式人为的任务调度方式替换为在线任务调度算法，通过实时计算的方式判决新任务的到达时间和执行时长，从而保证任务尽可能早完成。同时对于用户星中继终端的使用也有相关研究提出影随测控的概念[4]，即通过在Ks/S模式下与中继星进行Ka频率数传时，同时进行S频段测控，称之为影随测控，使得用户星进行中继数传时都有机会与中继卫星建立测控链路，大大提高用户星测控快速响应能力。

现有的卫星快速响应技术研究，主要通过星上载荷自主运行、程控任务合理调度以及通过中继终端的使用增加测控接入能力等方面提升在轨任务执行的效率或时效性。但基于当前的工程可实现性及在轨任务执行环境的复杂性，完全依靠星上资源保证的全自主任务运行与调度，在可靠性、故障诊断、异常处理等方面仍需进一步研究突破。

在中继终端的使用上，可考虑通过将现有的中继影随测控使用方法进一步升级为随遇接入，即用户星中继终端通过自主指向中继卫星，随时随地具备等待接入中继星的能力。

传统卫星获取数据的过程一般包括观测请求提交、任务规划、上注卫星任务指令、观测目标进行数据采集、下传数据接收、数据传输、数据处理和发布等动作[5]，如图1所示。

图1 传统卫星常规应用方式

本文通过充分分析传统卫星常规应用方式薄弱环节，在现有的任务快速响应研究基础上，对与及时性密切相关的指令上注、星上处理、数据下传等几个环节提出新的设计思路，兼顾工程可实现性，系统性地提出基于随遇接入的卫星应急任务响应技术。

2 卫星应急任务响应设计总体思路

为实现平时完成在轨常规例行任务、关键时期应急任务执行兼顾的在轨卫星应用，卫星的设计理念从旧有的“地面人工主动操控、卫星在轨被动执行”转换到“以星为本，星地协同”的新思路上。

为快速有效地获取对地观测数据、提升应急观测水平，需要以缩短观测数据获取时间为主要目标，综合考虑观测任务的观测类型要求、观测质量要求等因素，选择卫星平台进行观测，统筹规划观测过程中涉及的各类资源，制定“从用户始至用户终”的全链路对地观测数据获取方案。

随着应急任务响应技术的发展，卫星设计并实现了多手段协同配合的系统化任务应用快速执行技术，特别针对在轨应急突发任务，从自主跟踪灵活建链、程控任务即时调度、星载数据融合处理、关键数据优先下传等方面开展重点设计。以“上注—执行—下传”的全链路构建了可供快速执行技术实现的基础。该技术思路如图2所示。

图2 在轨卫星应急任务响应技术总体思路

采用以上各项设计，应急响应模式下卫星从发现目标到发送至用户时延可在分钟级别完成。对各用户支援的时效性大幅提升，提高了航天卫星系统的信息化支援能力。

3 应急任务响应技术具体设计

应急任务响应技术具体实现如图3所示，虚框为针对应急任务专门提出的四项技术，由图3可知，增加的技术实现并不影响原有卫星常规任务执行流程，仅在突发任务出现时进入该支线，提升应急任务响应的时效性。

图3 在轨应急任务执行流程设计

1)面向对象的程控任务即时调度设计

遵循卫星对应急任务快速执行的总体设计思想，数管分系统在卫星程控作业的设计上采用面向对象的现代软件设计方式替代了传统的面向流程方法。一方面，顶层设计上对卫星任务进行抽象，所有的程控作业抽象成面向在轨工作模式的任务对象，将任务数据与任务动作完整封装为一个整体，在轨运行时不同分系统任务对象进行有机融合从而构成一个完整的卫星工作流程。另一方面，底层设计上在对象融合时执行颗粒化设计，通过在系统底层进行单元分解，将其转化为带时间戳的最简指令颗粒，以执行时间为界采用分级式颗粒管道对多个分系统的所有指令颗粒排序，以此构建了程控作业灵活变更的基础。

在程控作业的具体设计上，将其分为固定时序关系作业和定时指令作业两种。固定时序关系作业是指一个作业中内部的指令间的相互时序关系固定，其时序关系由数管软件描述。在一项作业中指出作业起始时间、作业的模式、相关参数、作业的持续时间。固定时序关系作业表可通过在轨编程进行修改。卫星在轨长期运行时大量使用的是固定时序关系作业表。定时指令作业中包含指令执行时间和指令码。地面试验、在轨故障处理或者当载荷的程控时序发生较大调整时可以使用定时指令作业进行卫星控制。

固定时序关系作业表的遥控上注数据量小，但是时序关系固定；定时指令作业遥控上注数据量大，但是时序关系可灵活调整。

数管系统内的程控固定作业分为数传作业、遥测作业、载荷作业，3种作业放在一个包含一定数量作业项的作业表中。用每个0.5s节拍的时刻与作业表中的时刻进行比对。当前时间大于作业起始时间时，根据作业表内容，激活载荷作业、数传作业、遥测传输作业。每张作业表中的作业项的排列不必按时间从小到大。查表时，每次从表头查到表尾。

针对作业各种临时变更需求和场景，开展了针对性设计，在确保系统工作安全可靠前提下，提供用户临时增加、删除、修改未执行的作业项和临时停止、修改已执行但未执行完的作业项的授权，最大限度地提供作业操作的灵活性，在轨程控任务解析及执行的流程如图4所示。

图4 卫星程控任务解析及执行流程

2)测控随遇接入设计及应急任务执行

一定时间内可供星地之间建立上行链路的窗口数量是在轨卫星达成应急执行能力的前提约束。通过装载中继终端，采用测控随遇接入技术，可具备全球实时对地支援能力。

通过采用中继终端，具备了境外测控、数传中继能力，延长了可测控弧段和可传数弧段。设计了中继测控单收工作模式，在卫星每次经过赤道时，中继终端自动开机建立前向遥控接收链路。若存在应急突发任务需求，可随时申请中继弧段，具备全天的随遇接入能力，随时上注应急事件作业任务。

对于低轨卫星，根据其选择的轨道高度，在一个回归周期内，每天均可保证一定次数的测控可接入弧段。为确保与高轨中继星测控接入的自主建链时间充裕，可选择将测控接入区域设置为赤道上空，区域主要分布于地球赤道上空。

实际工程应用时需考虑在轨卫星任务上注耗时需求及能源平衡情况，应对默认建链时间增加时间范围的约束。对于少部分特定任务需要大量数据上注情况，星上建链时间应设计为可供自定义，提供可扩展性。

3)星载数据快速处理技术

通过将星载多传感器数据进行融合，提前在星上进行数据初步处理，减小地面各大系统间进行海量数据传输及处理的时间，对提高卫星系统信息支援的速度很有必要。星载数据高速处理主要通过高速云判、高速海面目标检测、高速陆地典型目标检测等方法完成。

对于云判，传统方式通过利用图像4个特征完成，精度较高但该算法有着较高的计算复杂度。考虑星载资源及处理时间有限，云判作为图像预处理，需要尽量压缩处理时间，因此在特征选用上要充分考虑DSP的

计算特性，设计计算量比较小的图像特征。设计上应从以下方面提高检测精度和减少处理时间：①设计合适DSP计算的图像特征；②在保证精度的情况下尽可能减少图像特征的个数；③在局部特征判别的情况下，再利用全局信息以提高检测精度。

对于海面目标检测，虚警率和检测率在很多情况下是一对互相制约的指标，在需要的情况下，可以通过修改星载软件参数来提高目标的检测率，从而达到相应指标要求。

对于陆地典型目标检测，在目前遥感图像目标自动检测的研究上，还很难达到对陆地任何目标的高精度自动检测，初步考虑采用的策略是利用获取图像和星上数据库存储图像的自动配准来实现陆地特定区域的目标检测，其原理是：首先在星上存储特定区域的光学图像，并对图像中关注的目标进行人工标定，明确该基准图像上每个固定目标的类型和经纬度，当星上载荷获取该地区的图像时，通过该图像和基准图像的自动配准，再利用基准图像上的标注信息就可以解析出该图像上目标类型和经纬度。在处理时间上，根据时间要求采用不同的特征描述字，一旦配准成功就可以获取100%的目标检测率。

4)可检索的数据文件管理体系及传序重构技术

为实现应急任务执行技术的最后一个环节，可在数据文件的存储和下传上分别采用可检索的数据文件管理体系及传序重构技术，实现了针对应急突发事件任务的快速检索及优先下传，降低了对数据传输窗口宽度的敏感性，可在不具备全盘回放的短接收弧段下提供突发性事件的数据支持。

考虑采用基于SDRAM星载存储器分文件读写设计方法，通过在存储器控制软件中记录每次文件写入地址的方式建立存储器文件索引，便于优先下传选择。同时多次写操作的文件地址保证连续，可以在数据异常时，实现全地址的大循环回放。根据文件地址存储方式可设置最大记录数量，如采用4bits记录文件索引则可最大支持16个文件，文件的划分方式是通过存储器的写停指令划分，每次存储器停止写操作时即生成一个文件，如果在生成15个文件后仍进行多次的写停操作，就可将剩余数据均放入最后一个文件中。

卫星已采集数据进行下传时，用户可根据前时的应急在轨任务需求对已有数据文件进行权重赋值， 通过地面上注下传数据文件序列指令的方式对某数据文件进行优先下传。卫星依文件权重从逻辑层面对下传顺序进行重构，综合考虑下传窗口资源确保应急数据的及时、有效下传。具有存储空间利用率高、突发任务适应性好、兼容顺序下传等优点。文件传序重构示意如图5所示。

图5 文件传序重构流程图

4 结束语

目前，空间应急任务响应技术得到了世界各军事强国的普遍重视，其技术在军事领域首先得到了初步应用，目前正在民用领域逐渐推广，鉴于其所蕴藏的巨大空间潜在优势，可以预见该技术在空间探索、空间开发和空间应用等方面必将发挥越来越重要的应用效益。本文针对空间应急任务响应需求提出了随遇接入卫星应急任务响应技术，满足了未来卫星应急任务快速执行的需求，希望能对提升空间系统任务执行能力研究提供一种有益的思路。■

[1] 祝周鹏. 面向任务的卫星平台载荷配置与应急规划技术[D].长沙：国防科学技术大学，2013.

[2] 黄欣.快速响应卫星载荷体系化建设思路[J].电讯技术，2014,54(10)：1321-1325.

[3] 刘晓东.面向突发事件的遥感卫星动态管控模式[C]∥第十四届全国遥感遥测遥控学术年会论文集，2014.

[4] 张国云.用户星中继终端在轨应用策略[J].飞行器测控学报，2015,34(6):522-527.

[5] 李军. 空天资源对地观测协同任务规划方法[D].长沙：国防科学技术大学，2013.

Random access satellite emergency task response technology

Li Jinliang, Di Hui, Ye Xiaozhou, Wang Zaiming

(Shanghai Institute of Satellite Engieering，Shanghai 200240，China)

For the short-term demand for emergencies of on-orbital satellite, the traditional space system has disadvantages that the mission planning is developed in advance and the planning is difficult to temporarily change. The satellite is difficult to quickly carry out resource protection for such events. So there is an urgent need to build efficient, real-time space task execution system. The random access satellite emergency task response technology is studied. This technology can coordinate the various links and various types of resources in the implementation of the task, and can improve the timeliness of task response comprehensively.

system design；random access；task scheduling；onboard data system

2017-03-10；2017-05-17修回。

李金亮(1981-)，男，高工，主要从事卫星总体、载荷综合应用等领域的研究工作。

TN97；V474.2

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