卫星在轨任务管理技术研究

长期以来,国产卫星在轨任务管理工作一般由卫星方、运控方、测控方协同完成。随着卫星数量和种类的增多,卫星方在协同运控方、测控方进行有效载荷任务管理、卫星健康管理和异常处理等基础上,越来越需要在卫星的最大效能、新功能、新用途、多星协同等在轨应用上创新,扩展卫星方的在轨任务管理工作内涵。文章总结多颗卫星在轨多年来的管理经验,梳理了卫星方在轨管理主要任务场景,挖掘提升卫星在轨的应用价值,归纳提出了“再完善、再开发、再利用、再设计”的卫星在轨“四再”管理工作,提供了多星重构组网等真实应用实例,阐述了拓展新用途等提升卫星应用效能和卫星技术水平的策略,并提出了增加天基对月成像功能等几点建议,可为后续卫星在轨管理提供参考。

敏捷成像卫星“逐级择优”在轨任务实时规划

为实现对航班失联、自然灾害等突发事件的快速响应与有效观测,针对面向热点区域内多个目标的敏捷成像卫星在轨任务实时规划问题,设计了一种基于目标等级的逐级择优在轨任务实时规划算法,用以快速形成最优成像序列。首先,将热点区域内的多个地面目标按重要程度划分为多个等级,在分析目标位置与卫星性能之间约束条件的基础上,将任务规划问题转化为以成像收益为目标的优化问题。然后,针对该优化问题,在同等级目标中按"先到先得"的方法进行筛选,在当前级最优成像序列的基础上,进行下一级目标的筛选与插入,逐级实现成像收益的最大化。最后,对18个地面目标进行为期500s的规划仿真。结果表明,算法能够在1s内给出对应最大收益的对地成像序列。同遗传算法相比,所提算法解算更快,结果更为稳定,满足工程应用的快速性与高收益要求。

在轨任务规划的新型开发方法

作为未来航天器智能化的发展方向,在轨任务规划的实现是一项涉及多个领域知识的复杂软件工程问题,需要与之匹配的先进开发方法。本文基于动态语言和嵌入式操作系统,提出了一种在轨任务规划的开发方法;从需求出发,调研了一组适用于在轨任务规划应用的开源基础库,涉及航天器任务规划、地理信息数据库、地图投影、坐标变换、几何拓扑关系求解、线性规划等多个方面;将这些领域的典型开源库作为中间件移植到高性能星载计算机和嵌入式操作系统上,并进行了功能测试。本文的工作能给后续在轨任务规划系统的设计和实现提供启发和帮助。

面向即时响应的卫星在轨分布式协商智能任务规划

低轨遥感星座任务规划是一个复杂的多目标优化问题,目前基于深度强化学习的卫星任务规划研究存在试验数据星座规模小、优化目标单一、任务重复安排或模型适应性差等问题.针对上述问题,提出CON_DQN(Contract network and Deep Q Network)算法,采用主从星在轨分布式协商机制,从星基于规划决策,主星基于深度强化学习算法决策,从任务优先级、资源代价和负载均衡等方面进行多目标优化,实现面向即时响应的卫星在轨分布式协商智能任务规划.针对用户需求高频动态到达重点观测区域的场景,进行百星级星座不同规模任务集的仿真实验,结果表明本文所提算法的响应速度较快且能达到较高的任务收益.

轨道机动空间飞行器对地观测在轨任务规划

面向地面紧急观测需求,针对轨道机动空间飞行器,开展在轨任务规划问题研究。构建轨道机动空间飞行器对地面多个目标区域进行观测的在轨任务规划应用场景,对空间飞行器对地目标观测的约束条件进行分析与建模,基于约束模型及兰伯特变轨提出两种在轨任务规划算法,验证了所提算法具备快速准确性以及合理可行性。相关研究成果可为空间飞行器在轨任务规划提供参考。

网络卫星在轨分布式协同任务调度方法

针对网络条件下卫星执行多目标观测任务的自主调度问题,本文设计了一种"Sandwich"空间信息网络体系架构,通过网络传输延时仿真分析,其传输时延为毫秒级别,略优于传统中继方式,该网络传输效能适合多任务需求下实施在轨分布式协同计算;在此基础上,提出了一种分布式断链重连算法,可突破单星计算资源限制,提高在轨计算能力。仿真结果表明:相比单星计算,可有效缩短任务调度约一半时间;利用树莓派和无线网络搭建了分布式调度演示系统,完成了该算法的工程实现。该方法可满足组网状态下面向多任务的各类对地观测、天基探测类卫星的空间在轨自主任务规划调度需求,为空间信息网络的进一步研究和应用奠定技术基础。

共面圆轨道航天器在轨服务任务规划

为了降低"一对多"在轨服务的成本,以共面圆轨道卫星群为研究对象,开展了在轨服务任务规划问题的研究。首先,对"一对多"在轨服务任务场景进行了分析,建立了任务规划数学模型,将其简化为包含内层Lambert问题、外层最优时间分配问题的双层优化模型。然后,给出了任务规划求解方法及流程,提出采用工程图解法的思想求解内层多圈Lambert问题,采用遗传算法求解外层最优时间分配问题。最后,以三个目标航天器为例,针对限制和不限制在轨服务任务完成总时间这两种情况,采用上述方法进行求解,计算结果验证了方法的有效性。

一种面向卫星在轨自主任务规划的快速精准轨道预报方法

卫星在轨自主任务规划需要高精度的轨道预报数据,计算待观测目标的可成像时间窗口、成像姿态需求,结合其他约束条件来完成任务规划过程。针对卫星星上计算资源有限的情况,为了减少轨道预报过程的资源消耗、满足自主任务规划的需求,提出一种在长周期的轨道预报中预报精度高、资源消耗少的轨道预报方法。基于两行根数(two-line element,TLE)及简化普适摄动模型,以多条轨道数据作为输入,迭代计算生成TLE,完成轨道预报,并计算轨道预报误差和模拟观测目标的成像参数初值误差,进行定量评价。实验结果表明,所提方法仅需少量输入数据即可完成72 h的轨道预报,预报精度优于4 km,平均耗时12.76 s,在长周期的轨道预报中预报精度高、运行速度快;使用轨道预报数据计算模拟观测目标的开始成像时间误差优于0.2 s,三轴方向上的成像姿态初值误差均优于0.03°,小于智能遥感卫星珞珈三号01星相机成像过程姿态指向精度指标。所提方法预报精度高,需求的时空资源少,对于星上在轨自主任务规划具有重要意义。

面向智能应用的轻小型Ku波段SAR卫星

面向“天基互联网+”信息服务和全天时全天候遥感成像应用需求,在继承和发展现代微小卫星的设计理念的基础上,研制国内首颗轻小化Ku波段SAR卫星。SAR载荷通过载荷舱与平台进行机械连接,二者独立研制与集成。SAR载荷采用“轻型抛物面天线+高功率行波管发射机”方案,雷达波束控制通过卫星机动侧摆实现,采用脉冲体制,工作在Ku波段。卫星除了微波成像功能,兼具星间通信,在轨任务规划、路由和数据处理能力。卫星发射入轨后,在轨运行良好,成像性能稳定,已在应急处理、灾害救援方面发挥了巨大作用。卫星具备低成本、集成化、智能化、网络化等特点,可为未来建成具有开放互连、自适应组网接入、低功耗小型化的微小卫星星座系统提供解决方案。

智能对地观测卫星初步设计与关键技术分析

自主性和智能化是未来对地观测卫星发展的必然趋势,因为随着遥感卫星资源的增加,传统的对地观测卫星已经不能满足遥感应用中日益增长的高时效性、精确获取以及多样化的需求。结合对地观测的实际需求和目前的技术发展现状,提出了智能对地观测卫星载荷的初步设计,对其所具备的能力、工作原理以及其中的关键技术问题进行了阐述,提出了智能对地观测卫星载荷的发展建议。

一种空间碎片清除方案与可视化仿真试验

本文针对空间碎片现状及空间碎片主动清除技术,分析并提出了一种空间碎片清除方案,阐述了总体方案设计、碎片清除流程、捕获方案等;基于三维可视化技术,完成了空间碎片清除可视化仿真软设计;开展了仿真验证试验,动态展示了空间碎片清除任务可视化仿真流程。试验结果表明,基于空间碎片清除方案可有效完成碎片捕获,该方案为空间碎片清除方案可行性验证提供了可视化服务和验证支撑,对未来空间碎片主动清除及其他在轨空间任务具有重要意义。