一種衛(wèi)星任務(wù)自主連續(xù)規(guī)劃方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明提出一種衛(wèi)星任務(wù)自主連續(xù)規(guī)劃方法，特別涉及一種利用衛(wèi)星自主獲得的 整星位置、軌道、衛(wèi)星放電深度、光照狀態(tài)、資源狀態(tài)、整星安全狀態(tài)等信息，進(jìn)行星上載荷 任務(wù)自主連續(xù)規(guī)劃，減小地面干預(yù)、控制，增強(qiáng)衛(wèi)星可靠性。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前衛(wèi)星的在軌任務(wù)管理，大部分工作依然需要地面進(jìn)行控制，這種控制存在著 諸多影響衛(wèi)星在軌運(yùn)行安全性、可靠性的因素，具體表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：
[0003] 1、對(duì)地觀測衛(wèi)星多選用太陽同步軌道，其特點(diǎn)是可控弧段短（每次十幾分鐘）、有 效控制間隔時(shí)間長（兩次過境時(shí)間約10個(gè)小時(shí)），這樣當(dāng)衛(wèi)星在境外出現(xiàn)故障后，待地面發(fā) 現(xiàn)并做出相應(yīng)處理，通常需要10個(gè)多小時(shí)，衛(wèi)星的在軌安全難以得到保證；
[0004] 2、衛(wèi)星需要上注的數(shù)據(jù)量大，每次過境很短時(shí)間內(nèi)，需要上注大量的程控指令和 其他控制信息。衛(wèi)星關(guān)鍵設(shè)備一旦發(fā)生故障，為保證衛(wèi)星安全，所有已存儲(chǔ)區(qū)星上的衛(wèi)星任 務(wù)全部清除，無法自主恢復(fù)，需要由地面發(fā)送大量的指令重新設(shè)定任務(wù)，難以保證衛(wèi)星在軌 連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行；
[0005] 3、隨著我國空間事業(yè)的發(fā)展，空間航天器越來越多，在軌監(jiān)測的任務(wù)越來越重，靠 人工實(shí)時(shí)監(jiān)測、處理已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了新形勢下的需要。
[0006] 因此，加強(qiáng)和提高衛(wèi)星任務(wù)在軌自主、連續(xù)規(guī)劃功能，是提高衛(wèi)星運(yùn)行可靠性，實(shí) 現(xiàn)衛(wèi)星跨越式發(fā)展的保障之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題：克服以人工干預(yù)為主，并且受地面測控資源條件約束的 傳統(tǒng)衛(wèi)星工作模式所帶來的難題，提供一種衛(wèi)星任務(wù)自主連續(xù)規(guī)劃方法，采用按照整星位 置、軌道、衛(wèi)星放電深度、光照狀態(tài)、資源狀態(tài)、整星安全狀態(tài)等信息，進(jìn)行星上載荷任務(wù)的 自主連續(xù)規(guī)劃，衛(wèi)星狀態(tài)安全時(shí)執(zhí)行任務(wù)，不安全時(shí)取消或延時(shí)執(zhí)行衛(wèi)星任務(wù)，解決衛(wèi)星不 依賴外界控制和信息注入，準(zhǔn)確感知自身狀態(tài)和外部環(huán)境，自主地控制衛(wèi)星來完成各種任 務(wù)的問題，提高衛(wèi)星在軌的任務(wù)自主規(guī)劃能力，降低衛(wèi)星出現(xiàn)致命故障的風(fēng)險(xiǎn)。
[0008] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案：一種衛(wèi)星任務(wù)自主連續(xù)規(guī)劃方法，步驟如下：
[0009] (1)衛(wèi)星沿自身軌道運(yùn)行，通過上注軌道根數(shù)獲得星下點(diǎn)軌跡（將星下點(diǎn)軌跡繪 制為星下點(diǎn)軌跡圖，以下星下點(diǎn)軌跡均為星下點(diǎn)軌跡圖，可以利用航天器飛行模擬軟件STK 獲得星下點(diǎn)軌跡），在某一時(shí)刻t。，衛(wèi)星對(duì)軌跡上從t。開始，到t :時(shí)刻的點(diǎn)進(jìn)行均勻采樣，得 到多個(gè)星下點(diǎn)軌跡采樣點(diǎn)，根據(jù)設(shè)定的采樣點(diǎn)進(jìn)入目標(biāo)控制區(qū)域G1的判斷準(zhǔn)則，判斷這些 采樣點(diǎn)是否進(jìn)入目標(biāo)控制區(qū)域G 1，設(shè)衛(wèi)星的目標(biāo)控制區(qū)域&為衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡所在平面的 多邊形區(qū)域（將衛(wèi)星的星下點(diǎn)軌跡繪制為星下點(diǎn)軌跡圖，該多邊形區(qū)域?yàn)樾窍曼c(diǎn)軌跡圖上 的設(shè)定多邊形區(qū)域），i = l~n，n為正整數(shù)，衛(wèi)星的目標(biāo)控制區(qū)域集G包括衛(wèi)星的多個(gè)目標(biāo) 控制區(qū)域G1，若衛(wèi)星軌跡上的采樣點(diǎn)進(jìn)入目標(biāo)控制區(qū)域G 1，且采樣點(diǎn)從進(jìn)入目標(biāo)控制區(qū)域 G1到離開目標(biāo)控制區(qū)域G1的時(shí)間長度大于等于10分鐘且小于等于30分鐘，則判定該目標(biāo) 控制區(qū)域&對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星載荷任務(wù)滿足任務(wù)執(zhí)行的時(shí)間長度要求，判定該任務(wù)為進(jìn)入目標(biāo)控 制區(qū)域集G的任務(wù)；若衛(wèi)星軌跡上的采樣點(diǎn)沒有進(jìn)入目標(biāo)控制區(qū)域G 1或采樣點(diǎn)從進(jìn)入目標(biāo) 控制區(qū)域G1到離開目標(biāo)控制區(qū)域G i的時(shí)間長度小于10分鐘或大于30分鐘，則判定該目標(biāo) 控制區(qū)域G1對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星載荷任務(wù)不滿足任務(wù)執(zhí)行的時(shí)間長度要求，不將該任務(wù)作為進(jìn)入目 標(biāo)控制區(qū)域集G的任務(wù)；采樣點(diǎn)進(jìn)入目標(biāo)控制區(qū)域G 1的時(shí)刻為該進(jìn)入目標(biāo)控制區(qū)域集G的 任務(wù)的啟動(dòng)時(shí)刻，采樣點(diǎn)離開目標(biāo)控制區(qū)域G1的時(shí)刻為該進(jìn)入目標(biāo)控制區(qū)域集G的任務(wù)的 結(jié)束時(shí)刻，進(jìn)入目標(biāo)控制區(qū)域集G的任務(wù)按啟動(dòng)時(shí)刻分為長期任務(wù)、中期任務(wù)和短期任務(wù)；
[0010] (2)獲取衛(wèi)星的t。時(shí)刻的狀態(tài)集合S，包括衛(wèi)星自主判斷的整星安全狀態(tài)、衛(wèi)星放 電深度、星上公共資源的互斥信號(hào)量狀態(tài)、光照狀態(tài)；定義整星安全狀態(tài)為安全時(shí)，衛(wèi)星電 源工作正常、姿控分系統(tǒng)工作正常、總線通信正常、星務(wù)中心計(jì)算機(jī)工作正常；星上公共資 源的互斥信號(hào)量狀態(tài)包括有互斥和無互斥兩種狀態(tài)；光照狀態(tài)包括有光照和無光照；
[0011] (3)如果步驟⑴進(jìn)入目標(biāo)控制區(qū)域集G的任務(wù)是長期任務(wù)，則將該任務(wù)直接納 入新的任務(wù)集合P'，當(dāng)衛(wèi)星在軌道上運(yùn)行，逐漸接近目標(biāo)控制區(qū)域，任務(wù)的啟動(dòng)時(shí)刻發(fā)生變 化，逐漸變?yōu)橹衅谌蝿?wù)，再由中期任務(wù)變?yōu)槎唐谌蝿?wù)；
[0012] (4)如果步驟（1)進(jìn)入目標(biāo)控制區(qū)域集G的任務(wù)是中期任務(wù)，則進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃的任 務(wù)屬性，即要執(zhí)行該中期任務(wù)時(shí)需要判定的參數(shù)，包括整星安全狀態(tài)、任務(wù)所需放電深度；
[0013] 若步驟（2)衛(wèi)星的當(dāng)前狀態(tài)集合S中衛(wèi)星放電深度大于中期任務(wù)所需放電深度， 且整星安全狀態(tài)為安全，則將該中期任務(wù)納入新的任務(wù)集合P' ；
[0014] 若步驟（2)衛(wèi)星的當(dāng)前狀態(tài)集合S中衛(wèi)星放電深度小于或等于任務(wù)所需放電深 度，或者整星安全狀態(tài)為不安全，則該中期任務(wù)不納入新的任務(wù)集合P' ；
[0015] 該中期任務(wù)隨啟動(dòng)時(shí)刻的縮短逐漸變?yōu)槎唐谌蝿?wù)；
[0016] (5)如果步驟（1)進(jìn)入當(dāng)前任務(wù)目標(biāo)集G的任務(wù)是短期任務(wù)，進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃的任務(wù) 屬性，即要執(zhí)行該短期任務(wù)時(shí)需要判定的參數(shù)，包括整星安全狀態(tài)、任務(wù)所需放電深度、互 斥信號(hào)量、光照狀態(tài)；
[0017] 若步驟⑵衛(wèi)星的當(dāng)前狀態(tài)集合S中衛(wèi)星放電深度大于任務(wù)所需放電深度，且步 驟（2)衛(wèi)星的當(dāng)前狀態(tài)集合S中與該短期任務(wù)相關(guān)的互斥信號(hào)量的狀態(tài)為無互斥、整星安 全狀態(tài)為安全、光照狀態(tài)為有光照，則將該短期任務(wù)納入新的任務(wù)集合P' ；
[0018] 若步驟（2)衛(wèi)星的當(dāng)前狀態(tài)集合S中衛(wèi)星放電深度大于任務(wù)所需放電深度、整星 安全狀態(tài)為安全、光照狀態(tài)為有光照，但步驟（2)衛(wèi)星的當(dāng)前狀態(tài)集合S中與該短期任務(wù)相 關(guān)的互斥信號(hào)量的狀態(tài)為有互斥，進(jìn)行沖突消解，如果沖突能夠消解，則將該短期任務(wù)納入 新的任務(wù)集合P'，如果沖突無法消解，則該短期任務(wù)不納入新的任務(wù)集合P' ；
[0019] 若步驟（2)衛(wèi)星的當(dāng)前狀態(tài)集合S中衛(wèi)星放電深度小于或等于任務(wù)所需放電深 度，或者整星安全狀態(tài)為不安全，或者光照狀態(tài)為無光照，則該短期任務(wù)不納入新的任務(wù)集 合P' ；
[0020] (6)如果由步驟（3)、（4)、（5)所得的新的任務(wù)集合P'與當(dāng)前任務(wù)集合P不一致， 則更新當(dāng)前任務(wù)集合P，使當(dāng)前任務(wù)集合P與由步驟（3)、（4)、（5)所得的新的任務(wù)集合P' 保持一致；
[0021] (7)提取步驟（6)更新后的任務(wù)集合P中到達(dá)啟動(dòng)時(shí)刻的短期任務(wù)，送至衛(wèi)星的執(zhí) 行單元執(zhí)行；
[0022] (8)當(dāng)衛(wèi)星控制區(qū)域G1中的任務(wù)均執(zhí)行完畢，將該衛(wèi)星控制區(qū)域G i從目標(biāo)控制區(qū) 域集G中刪除；更新步驟（2)當(dāng)前狀態(tài)集合S中的互斥信號(hào)量狀態(tài)、衛(wèi)星的放電深度；
[0023] (9)返回步驟（1)，直至衛(wèi)星的目標(biāo)控制區(qū)域集G為空，完成規(guī)劃。
[0024] 所述步驟⑴中t「t。，即采樣時(shí)間為100分鐘，均勻采樣的間隔為10秒。
[0025] 所述步驟（1)中目標(biāo)控制區(qū)域&，即載荷工作的覆蓋區(qū)域，通過采樣點(diǎn)的進(jìn)入和 離開來控制衛(wèi)星已經(jīng)裝載好的該區(qū)域?qū)?yīng)的載荷任務(wù)的執(zhí)行，該區(qū)域采用凸多邊形區(qū)域表 示，預(yù)先設(shè)定該凸多邊形的區(qū)域邊界，并且能夠通過遙控注入數(shù)據(jù)在軌修改覆蓋區(qū)域的邊 界，設(shè)定已知凸多邊形的區(qū)域各頂點(diǎn)的向量為PU P2、P3、P4和P5, P為衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡上 采樣點(diǎn)的向量，則該采樣點(diǎn)進(jìn)入多邊行區(qū)域的判斷準(zhǔn)則為：
[0026] (P2-P1) X (P-Pl)X) ; (1)
[0027] (P3-P2) X (P-P2) >0 ； (2)
[0028] (P4-P3) X (P-P3) >0 ； (3)
[0029] (P5-P4) X (P-P4) >0 ； (4)
[0030] (P1-P5) X (P-P5)>0 ； (5)
[0031] 以上5個(gè)公式都滿足，則判定衛(wèi)星進(jìn)入控制區(qū)域G1;只要有一個(gè)公式不滿足，則判 定衛(wèi)星離開控制區(qū)域，兩個(gè)矢量的矢乘（X)等于絕對(duì)值相乘再乘以矢量間夾角0的正弦 值，0° < 0 <180°，矢乘后所得矢量的方向符合右手定則。
[0032] 所述步驟（3)中任務(wù)的屬性，還包括任務(wù)id、任務(wù)優(yōu)先級(jí)、啟動(dòng)時(shí)刻、對(duì)應(yīng)的目標(biāo) 控制區(qū)域；啟動(dòng)時(shí)刻由衛(wèi)星自主計(jì)算，采樣點(diǎn)進(jìn)入任務(wù)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)控制區(qū)域的時(shí)刻即為任 務(wù)的啟動(dòng)時(shí)刻；同一目標(biāo)控制區(qū)域G 1對(duì)應(yīng)的多個(gè)任務(wù)的啟動(dòng)時(shí)刻到達(dá)時(shí)，優(yōu)先級(jí)高的任務(wù) 先執(zhí)行。
[0033] 步驟（1)所述長期任務(wù)的啟動(dòng)時(shí)刻大于60min，中期任務(wù)的啟動(dòng)時(shí)刻為21min~ 60min