CN105068549B - 一种卫星任务自主连续规划方法 - Google Patents

Abstract

一种卫星任务自主连续规划方法，卫星在某一时刻，根据卫星轨道及目标控制区域集G，计算进入集合G的可执行任务，并将任务按照长期任务、中期任务、短期任务的等级化规划方法，结合卫星的当前状态集合S，判断任务是否可以纳入新的任务集合P’。如果多个任务执行有资源冲突，根据预先制订好的规则进行冲突消解。更新当前任务集合P与集合P’保持一致，提取集合P中到达启动时间的短期任务给实时***执行。最后更新集合G及集合S。本发明解决了卫星不依赖外界控制和信息注入，准确感知自身状态和外部环境，自主地控制卫星来完成各种任务的问题，提高卫星自主工作能力，降低卫星出现致命故障的风险。

Description

一种卫星任务自主连续规划方法

技术领域

本发明提出一种卫星任务自主连续规划方法，特别涉及一种利用卫星自主获得的整星位置、轨道、卫星放电深度、光照状态、资源状态、整星安全状态等信息，进行星上载荷任务自主连续规划，减小地面干预、控制，增强卫星可靠性。

背景技术

目前卫星的在轨任务管理，大部分工作依然需要地面进行控制，这种控制存在着诸多影响卫星在轨运行安全性、可靠性的因素，具体表现在如下几个方面：

1、对地观测卫星多选用太阳同步轨道，其特点是可控弧段短(每次十几分钟)、有效控制间隔时间长(两次过境时间约10个小时)，这样当卫星在境外出现故障后，待地面发现并做出相应处理，通常需要10个多小时，卫星的在轨安全难以得到保证；

2、卫星需要上注的数据量大，每次过境很短时间内，需要上注大量的程控指令和其他控制信息。卫星关键设备一旦发生故障，为保证卫星安全，所有已存储区星上的卫星任务全部清除，无法自主恢复，需要由地面发送大量的指令重新设定任务，难以保证卫星在轨连续稳定运行；

3、随着我国空间事业的发展，空间航天器越来越多，在轨监测的任务越来越重，靠人工实时监测、处理已远远满足不了新形势下的需要。

因此，加强和提高卫星任务在轨自主、连续规划功能，是提高卫星运行可靠性，实现卫星跨越式发展的保障之一。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服以人工干预为主，并且受地面测控资源条件约束的传统卫星工作模式所带来的难题，提供一种卫星任务自主连续规划方法，采用按照整星位置、轨道、卫星放电深度、光照状态、资源状态、整星安全状态等信息，进行星上载荷任务的自主连续规划，卫星状态安全时执行任务，不安全时取消或延时执行卫星任务，解决卫星不依赖外界控制和信息注入，准确感知自身状态和外部环境，自主地控制卫星来完成各种任务的问题，提高卫星在轨的任务自主规划能力，降低卫星出现致命故障的风险。

本发明的技术解决方案：一种卫星任务自主连续规划方法，步骤如下：

(1)卫星沿自身轨道运行，通过上注轨道根数获得星下点轨迹(将星下点轨迹绘制为星下点轨迹图，以下星下点轨迹均为星下点轨迹图，可以利用航天器飞行模拟软件STK获得星下点轨迹)，在某一时刻t₀，卫星对轨迹上从t₀开始，到t₁时刻的点进行均匀采样，得到多个星下点轨迹采样点，根据设定的采样点进入目标控制区域G_i的判断准则，判断这些采样点是否进入目标控制区域G_i，设卫星的目标控制区域G_i为卫星星下点轨迹所在平面的多边形区域(将卫星的星下点轨迹绘制为星下点轨迹图，该多边形区域为星下点轨迹图上的设定多边形区域)，i＝1…n，n为正整数，卫星的目标控制区域集G包括卫星的多个目标控制区域G_i，若卫星轨迹上的采样点进入目标控制区域G_i，且采样点从进入目标控制区域G_i到离开目标控制区域G_i的时间长度大于等于10分钟且小于等于30分钟，则判定该目标控制区域G_i对应的卫星载荷任务满足任务执行的时间长度要求，判定该任务为进入目标控制区域集G的任务；若卫星轨迹上的采样点没有进入目标控制区域G_i或采样点从进入目标控制区域G_i到离开目标控制区域G_i的时间长度小于10分钟或大于30分钟，则判定该目标控制区域G_i对应的卫星载荷任务不满足任务执行的时间长度要求，不将该任务作为进入目标控制区域集G的任务；采样点进入目标控制区域G_i的时刻为该进入目标控制区域集G的任务的启动时刻，采样点离开目标控制区域G_i的时刻为该进入目标控制区域集G的任务的结束时刻，进入目标控制区域集G的任务按启动时刻分为长期任务、中期任务和短期任务；

(2)获取卫星的t₀时刻的状态集合S，包括卫星自主判断的整星安全状态、卫星放电深度、星上公共资源的互斥信号量状态、光照状态；定义整星安全状态为安全时，卫星电源工作正常、姿控分***工作正常、总线通信正常、星务中心计算机工作正常；星上公共资源的互斥信号量状态包括有互斥和无互斥两种状态；光照状态包括有光照和无光照；

(3)如果步骤(1)进入目标控制区域集G的任务是长期任务，则将该任务直接纳入新的任务集合P’，当卫星在轨道上运行，逐渐接近目标控制区域，任务的启动时刻发生变化，逐渐变为中期任务，再由中期任务变为短期任务；

(4)如果步骤(1)进入目标控制区域集G的任务是中期任务，则进行任务规划的任务属性，即要执行该中期任务时需要判定的参数，包括整星安全状态、任务所需放电深度；

若步骤(2)卫星的当前状态集合S中卫星放电深度大于中期任务所需放电深度，且整星安全状态为安全，则将该中期任务纳入新的任务集合P’；

若步骤(2)卫星的当前状态集合S中卫星放电深度小于或等于任务所需放电深度，或者整星安全状态为不安全，则该中期任务不纳入新的任务集合P’；

该中期任务随启动时刻的缩短逐渐变为短期任务；

(5)如果步骤(1)进入当前任务目标集G的任务是短期任务，进行任务规划的任务属性，即要执行该短期任务时需要判定的参数，包括整星安全状态、任务所需放电深度、互斥信号量、光照状态；

若步骤(2)卫星的当前状态集合S中卫星放电深度大于任务所需放电深度，且步骤(2)卫星的当前状态集合S中与该短期任务相关的互斥信号量的状态为无互斥、整星安全状态为安全、光照状态为有光照，则将该短期任务纳入新的任务集合P’；

若步骤(2)卫星的当前状态集合S中卫星放电深度大于任务所需放电深度、整星安全状态为安全、光照状态为有光照，但步骤(2)卫星的当前状态集合S中与该短期任务相关的互斥信号量的状态为有互斥，进行冲突消解，如果冲突能够消解，则将该短期任务纳入新的任务集合P’，如果冲突无法消解，则该短期任务不纳入新的任务集合P’；

若步骤(2)卫星的当前状态集合S中卫星放电深度小于或等于任务所需放电深度，或者整星安全状态为不安全，或者光照状态为无光照，则该短期任务不纳入新的任务集合P’；

(6)如果由步骤(3)、(4)、(5)所得的新的任务集合P’与当前任务集合P不一致，则更新当前任务集合P，使当前任务集合P与由步骤(3)、(4)、(5)所得的新的任务集合P’保持一致；

(7)提取步骤(6)更新后的任务集合P中到达启动时刻的短期任务，送至卫星的执行单元执行；

(8)当卫星控制区域G_i中的任务均执行完毕，将该卫星控制区域G_i从目标控制区域集G中删除；更新步骤(2)当前状态集合S中的互斥信号量状态、卫星的放电深度；

(9)返回步骤(1)，直至卫星的目标控制区域集G为空，完成规划。

所述步骤(1)中t₁-t₀,即采样时间为100分钟，均匀采样的间隔为10秒。

所述步骤(1)中目标控制区域G_i，即载荷工作的覆盖区域，通过采样点的进入和离开来控制卫星已经装载好的该区域对应的载荷任务的执行，该区域采用凸多边形区域表示，预先设定该凸多边形的区域边界，并且能够通过遥控注入数据在轨修改覆盖区域的边界，设定已知凸多边形的区域各顶点的向量为P1、P2、P3、P4和P5，P为卫星星下点轨迹上采样点的向量，则该采样点进入多边行区域的判断准则为：

(P2-P1)×(P-P1)>0； (1)

(P3-P2)×(P-P2)>0； (2)

(P4-P3)×(P-P3)>0； (3)

(P5-P4)×(P-P4)>0； (4)

(P1-P5)×(P-P5)>0； (5)

以上5个公式都满足，则判定卫星进入控制区域G_i；只要有一个公式不满足，则判定卫星离开控制区域，两个矢量的矢乘(×)等于绝对值相乘再乘以矢量间夹角θ的正弦值，0°≤θ≤180°，矢乘后所得矢量的方向符合右手定则。

所述步骤(3)中任务的属性，还包括任务id、任务优先级、启动时刻、对应的目标控制区域；启动时刻由卫星自主计算，采样点进入任务对应的目标控制区域的时刻即为任务的启动时刻；同一目标控制区域G_i对应的多个任务的启动时刻到达时，优先级高的任务先执行。

步骤(1)所述长期任务的启动时刻大于60min，中期任务的启动时刻为21min～60min，短期任务的启动时刻为0～20min。

所述步骤(5)中卫星同时执行多个任务需要使用的公共资源，包括数传设备、固存存储、数传设备，有时会发生资源不足的情况，需要进行冲突消解，进行冲突消解的方法为：

如果多个任务对同一数传设备或载荷的操作指令冲突，即发生一个数传设备或载荷被一个任务打开，打开后数传设备或载荷工作没完成时，又被另一个任务关闭的情况，则调整对同一数传设备或载荷的操作指令，即按照指令的执行时间，将打开指令和关闭指令进行排序，只执行第一个打开指令和最后一个关闭指令，使该数传设备或载荷正常工作，若无法调整，则取消低优先级任务执行；

如果多个任务对同一固存存储的使用时间冲突，优先级低的那个任务缩短执行时间或者取消执行。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)与现有的地面预先注入程控指令和其他控制信息，当执行指令的时间到，星务主机会发出一系列指令来执行任务的设计相比，本发明具有星上任务执行的自主判断功能。卫星动态地根据目标区域调整即将执行的任务，当卫星判断即将有任务被启动，在启动之前首先对卫星的卫星放电深度、光照状态、资源状态、整星安全状态等信息进行分析，判断当前卫星的状态是否满足任务启动条件，如果卫星处于不安全状态或公共资源使用有冲突，则及时取消或调整任务的执行，大大降低了整星的风险。

(2)现有的卫星需要上注大数据量程控指令和其他控制信息，卫星的关键设备一旦发生故障，所有已存储区星上的卫星任务全部清除，无法自主恢复，需要由地面发送大量的指令进行任务恢复。与该模式相比，本发明使用的卫星任务自主连续规划方法，可以预先将目标控制区域集、冲突消解策略、任务启动条件等存储于星上。即使关键设备发生故障，重启后仍然可以重新加载，并实时根据卫星状态自主动态规划新的可执行任务。这些任务的规划考虑了卫星实时的安全状态，不会对卫星造成健康影响，同时保证了卫星任务的连续执行。

(3)本发明一种卫星任务自主连续规划方法，对提高卫星工作效率、自主规划任务能力，增强卫星的可靠性，节约宝贵的地面测控资源有重大的意义。

附图说明

图1为本发明连续任务规划流程图

图2为本发明卫星轨道计算示意图；

图3为本发明等级化的任务规划示意图；

图4为本发明资源冲突示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明作进一步详细地描述：

卫星任务自主连续规划***设置了卫星的“目标控制区域集”、“当前状态集”以及“当前任务集”。“当前任务集”实际上是一种预测，表明如果卫星按照预想来运行，我们所期望执行的一系列任务。卫星应该具有连续修正计划的能力。该***基本的算法如下：

P为“当前任务集”，初始化P为空；

G为“目标控制区域集”，初始化G为空；

S为“当前状态集”，初始化S为空。

假设给出了P和G(S由整星自主得到，G由G₁、G₂……G_n个目标控制区域组成，过境时人工上注进行区域设置)：

a、计算G、S与原任务集合P之间的冲突C(P，G，S)；

b、采用冲突消解策略更新P(在资源限制范围内)；

c提取“当前任务集”中的短期活动任务给实时***来执行；

d更新G，删掉不再需要的目标；

e更新S，获得当前状态；

f返回a。

具体实现流程如图1所示。假设卫星在某一时刻进行任务规划。首先计算进入目标控制区域集G的任务，如果是长期任务，则直接纳入新的任务集合P’；如果是中期任务，根据状态集合S中的整星安全状态、卫星放电深度情况，判断任务取消还是纳入新的任务集合P’；如果是短期任务，根据状态集合S中的整星安全状态、卫星放电深度、光照状态、公共资源的互斥信号量状态情况，判断该任务直接纳入新的任务集合P’还是进行冲突消解。如果需要进行冲突消解，并且冲突通过任务调整可以消解，则将调整后的任务纳入新的任务集合P’，如果无法消解则将本次任务取消。如果P’与当前任务集合P不一致，则更新P与新的任务集合P’保持一致。

对于集合P中的短期任务，当有任务到达启动时间，则将该任务交给卫星的实时***执行。更新卫星的“目标控制区域集”G与“当前状态集”S，在下一次任务规划时，需要根据新的G和S规划“当前任务集”P。

如图1所示，本发明的具体步骤如下：

(1)在图1所示中，假设卫星在某一时刻进行任务规划，首先计算进入目标控制区域集G的任务。目前卫星的任务主要是以感兴趣的区域为目标来驱动任务的执行，因此可以采用区域控制方法来控制卫星的工作，针对不同的目标区域，制定好相应的载荷任务并装载在星上，通过卫星进入不同的目标区域启动不同的载荷任务。卫星通过上注轨道根数可以获得星下点轨迹，软件具有对卫星当前所在星下点经纬度数据的自动判别功能，并且将遥控上行注入数据的载荷工作区域经纬度上下门限值和当前星下点的经纬度值的比较，如果当前星下点经纬度在门限值以内，表明轨迹进入载荷工作的覆盖区域。

计算进入目标控制区域集G中某个目标控制区域G_i的方法：如图2所示，载荷工作的覆盖区域采用凸多边形区域表示，可以预先指定区域边界，并且能够通过遥控注入数据在轨修改覆盖区域的边界。

通过轨道计算卫星是否进入控制区域：以图2中所示多边行为例，假设已知各顶点的向量为P1、P2、P3、P4和P5，P为卫星运动轨道上某点的向量，则该点进入多边行区域的判断准则为：

(P2-P1)×(P-P1)>0； (1)

(P3-P2)×(P-P2)>0； (2)

(P4-P3)×(P-P3)>0； (3)

(P5-P4)×(P-P4)>0； (4)

(P1-P5)×(P-P5)>0； (5)

以上5个公式都满足，则判定卫星进入控制区域G_i；只要有一个公式不满足，则判定卫星离开控制区域，两个矢量的矢乘(×)等于绝对值相乘再乘以矢量间夹角θ的正弦值，0°≤θ≤180°，矢乘后所得矢量的方向符合右手定则。

为了实现任务的连续规划，卫星可以连续地(例如每隔1分钟)进行一次任务规划，对其轨迹上100分钟时间内的各点坐标值进行计算，采样点间隔可以取10秒。如果卫星运行轨迹上的点进入某个控制区域G_i的时间长度满足要求(大于10分钟，小于30分钟)，则认为此次任务的时间长度合适，该任务为进入目标控制区域集G的任务。

实施例1：以图2所示，卫星在t0时刻进行任务规划，发现15分钟后卫星将进入特定区域进行工作，这是一个短期任务，此时分析星上资源、状态是否满足任务启动条件，如果满足，则可以纳入新的任务集合P’。此次任务需要提前开数传预热，因此任务执行前10分钟开数传进行预热，卫星进入目标控制区域的时刻为t1，即为任务的启动时刻，载荷设备开始开机照相。卫星离开目标控制区域的时刻为t2，此时关闭载荷设备，载荷任务结束。整个载荷任务的工作由卫星是否进入目标控制区域来驱动，t1到t2的时间长度为20分钟，满足载荷设备工作时长的要求(载荷设备工作时间太长或太短都不利于设备的正常工作，正常工作时长设置为大于10分钟，小于30分钟)。

如上所述，采用区域控制的方法启动任务，可以实现星上任务的自主规划，对于同一目标控制区域上相同任务的多次执行，任务存储一次即可，而以往执行每次任务都需要上注，与其相比大大减少了任务存储空间；对于卫星出现故障后的任务恢复，也可以由卫星自主执行，减少了人为干预。

(2)根据步骤(1)得到的进入目标控制区域集G的任务，采用等级化规划方法。如图3所示，连续的任务规划采取等级式划分，可以分为长期任务规划、中期任务规划和短期任务规划。假设卫星规划了未来100分钟内的任务活动，对于启动时刻在0～20min的任务可以认为是短期任务，对于启动时刻在21～60min的任务可以认为是中期任务，对于启动时刻大于60min的任务可以认为是长期任务。

对长期任务可以在比较抽象的层次上进行规划，例如可以认为在这一段时间内为热平衡，不考虑加热回路所消耗的能源，也不考虑其他资源情况，只要卫星进入目标控制区域就把此次任务纳入到规划当中。

如果是中期任务，根据状态集合S获得卫星的整星安全状态、卫星放电深度，若卫星放电深度大于任务所需放电深度，且整星安全状态为安全，则将该中期任务纳入新的任务集合P’；若卫星放电深度小于或等于任务所需放电深度，或者整星安全状态为不安全，则该中期任务不纳入新的任务集合P’；

对于短期任务的规划则需要更细节地考虑卫星状态，根据状态集合S获得卫星的整星安全状态、卫星放电深度、公共资源的互斥信号量状态、光照状态等，以确保满足条件的任务可以纳入到规划当中。若卫星放电深度大于任务所需放电深度，与该短期任务相关的互斥信号量的状态为无互斥、整星安全状态为安全、光照状态为有光照，则将该短期任务纳入新的任务集合P’；若卫星放电深度大于任务所需放电深度、整星安全状态为安全、光照状态为有光照，但与该短期任务相关的互斥信号量的状态为有互斥，需要根据预先制订好的规则进行冲突消解，如果冲突能够消解，则将该短期任务纳入新的任务集合P’，如果冲突无法消解，则该短期任务不纳入新的任务集合P’；若卫星放电深度小于或等于任务所需放电深度，或者整星安全状态为不安全，或者光照状态为无光照，则该短期任务不纳入新的任务集合P’。

随着时间的推移，当长期任务变为中期、短期任务时结合越来越详细的参数进行规划会得到更为精确的结果。

实施例2：如图3所示，卫星在某一时刻t0进行任务规划，规划100分钟内的载荷任务。假设一个载荷任务，ID为ZaiHeTask，进入目标控制区域集G，启动时刻为99分钟，此时为长期任务，直接纳入新的任务集合P’。卫星在t0与t1之间每次进行任务规划时，该载荷任务都为长期任务，直接纳入新的任务集合P’，直至到达t1时刻。此时任务规划时，任务的启动时刻变为60分钟，该任务变为中期任务，此时需要结合状态集合S中的整星安全状态、卫星放电深度来进行任务规划，如果整星安全状态为安全，并且卫星放电深度大于任务放电深度，则将任务纳入新的任务集合P’，否则不纳入。卫星在t1与t2之间每次进行任务规划时，该载荷任务都为中期任务，每次都需要结合状态集合S中的整星安全状态、卫星放电深度来进行任务规划，直至到达t2时刻。此时任务规划时，任务的启动时刻变为20分钟，该任务变为短期任务，此时需要结合状态集合S中的整星安全状态、卫星放电深度，互斥信号量状态，光照状态来进行任务规划。如果整星安全状态为安全，并且卫星放电深度大于任务放电深度，有光照，当互斥信号量状态为无互斥，则将任务纳入新的任务集合P’，否则进行任务的冲突消解，若冲突可以消解，则将调整后的任务纳入新的任务集合P’，否则不纳入；如果整星安全状态为不安全，或者卫星放电深度不大于任务放电深度，或者无光照，任务不纳入新的任务集合P’。随着时间的推移，当任务启动时刻变为0，表示卫星进入目标控制区域，载荷任务开始执行。

如上所述，这种等级化任务规划方式可以有效节省计算机资源，提高卫星工作效率。(3)在步骤(2)进行等级化任务规划过程中，对于短期任务的任务规划，如果任务启动条件与整星状态信息有冲突，则根据预先制订好的规则进行冲突消解。如果冲突通过任务调整可以消解，则将调整后的任务纳入新的任务集合P’，如果无法消解则将本次任务取消。

如图4所示，对于冲突消解策略，由于卫星有可能在同一时刻执行多个任务，很有可能会发生资源不足或资源冲突的情况，因此卫星任务规划时，应充分考虑资源的因素，采取冲突消解策略实时、动态地规划新任务。如果两个任务对同一公共资源的操作指令冲突，发生一个设备被一个任务打开，又被另一个任务关闭的情况，则调整两个任务对同一公共资源的操作指令，使设备正常工作。若无法调整，则取消低优先级任务执行。

实施例3：以“数传”这一公共资源为例，如图4所示，任务1在T0时刻开数传，在T2时刻关数传；任务2在T1时刻开数传，在T3时刻关数传。两个任务的执行过程有交叉，并且都使用了“数传”这个资源，存在资源冲突的情况。如果任务规划时不考虑这种资源冲突，两个任务分别执行，对任务2来说，数传虽然在T1时刻被打开，但是在T2时刻又被任务1的指令关掉，因此任务2无法正常执行。如果采取冲突消解策略，任务规划时可以对任务的指令进行调整，不执行任务2的“开数传”指令及任务1的“关数传”指令，就可以保证两个任务的正常执行。

如果两个任务对同一公共资源的使用时间冲突，优先级低的那个任务缩短执行时间或者取消执行。

实施例4：假设卫星根据G和S规划了未来一小时内的P有三个任务M1、M2和M3，这三个任务都使用同一个内存缓冲区。在执行了第一个任务以后，用掉了部分内存缓冲区，卫星的S发生了变化。卫星根据更新后的S发现剩余的内存缓冲区不能满足M2和M3同时使用，发生了冲突，因此重新进行任务规划，实施冲突消解策略。假设M3优先级高于M2优先级，可以缩短M2工作时间减少对缓冲区的用量，或者取消M2，保证M3的执行。

如上所述，任务冲突时采用冲突消解策略，可以最优地使用星上公共资源，并且提高了卫星的可靠性，防止资源过度使用造成卫星不安全。

(4)步骤(3)进行冲突消解后，得到新的任务集合P’。如果P’与当前任务集合P不一致，则更新P与新的任务集合P’保持一致。

(5)对于步骤(4)中得到的当前任务集合P中的短期任务，当有任务到达启动时间，则将该任务交给卫星的实时***执行。由于星上任务自主规划以每分钟为周期迭代，动态实施规划，短期任务在启动时刻前，都经过卫星当前状态集S与任务启动条件的实时比对，以保证满足执行条件。

任务启动条件设计：在本发明中，需要卫星根据卫星放电深度、光照状态、互斥信号量状态、整星安全状态等信息自主判断任务是否纳入新的任务集合P’，或者到达启动时刻的短期任务是否可以执行。表1列出了几种载荷任务规划属性，用以进行条件判断。

表1为任务启动条件表

实施例5：以载荷任务1为例，任务1在变为短期任务进行规划时，读取状态集合S中整星安全状态、卫星放电深度、互斥信号量状态、光照状态，与表1中设定的任务1启动条件进行比对，判断准则如下：

“整星安全状态”＝0x66；

“卫星放电深度”>C1；

“互斥信号量”＝0x66；(互斥信号量为任务1所用公共资源的互斥信号量)

“光照”＝0x66；

如果以上条件均满足，则可以将任务1纳入新的任务集合P’，或者启动任务1执行任务。如果有条件不满足，任务1不可以纳入新的任务集合P’或启动。

卫星状态信息获取方法如下：

整星安全状态：可以通过整星遥测的方式获得当前整星安全状态；整星安全状态为安全时，卫星电源工作正常、姿控分***工作正常、总线通信正常、星务中心计算机工作正常。以上由各分***独立判断，只要有一个不正常，整星安全状态就认为不安全。

卫星放电深度：对有效载荷一个工作周期内执行事件的耗电量进行预测，并建立预测结果和放电深度(Qd)之间的关联关系，则可以预测到当前任务执行所需要的放电深度；当卫星执行完一个任务时，根据执行任务消耗的电量，可以计算出卫星已经用掉的放电深度，以及任务执行后卫星可用的放电深度。执行任务后卫星可用的放电深度减小；当卫星进入光照期，卫星放电深度增加。

互斥信号量：假设“任务1”、“任务2”与“任务3”同时只能有1个任务在执行，则可以通过设置互斥信号量来避免其同时执行。当其中任何一个任务启动，则把“互斥信号量”这个变量置为0x99，本任务执行完后，再把该变量置为0x66，其他任务获得执行权；另外的两个任务执行之前判断“互斥信号量”这个变量值是否为0x66，如果“互斥信号量”这个变量值不是0x66，而是0x99则不启动，即互斥信号量的状态为有互斥；如果“互斥信号量”这个变量值是0x66才允许启动，即互斥信号量的状态为无互斥。

光照：可以通过轨道预报技术计算出卫星进地影、出地影的时间。

如上所述，由于卫星自主判断了整星安全状态、卫星放电深度、卫星公共资源的互斥状态、光照状态，大大提高了卫星的安全性、可靠性。

(6)根据步骤(5)的执行情况，更新目标控制区域集G及状态集合S。在下一次任务规划时，需要根据新的G和S规划“当前任务计划集”P。任务规划直至目标控制区域集G为空时结束，卫星过境时由地面人员重新上注新的目标控制区域集，开始新的任务规划。

卫星在实时工作过程中，由于各种变化，会导致卫星实际的状态与预期不符。需要实时软件进行上述工作步骤的迭代，根据实际的状态、实际的资源、任务的实际开始和结束时间来更新模型。卫星任务自主连续规划***需要在1～10秒的范围内接收卫星的活动及状态的更新并重新规划一次任务，每次这种更新都有可能会因为原任务所需的状态和资源与实际不符而产生冲突。只要有冲突出现，卫星便会重新规划任务，以适应新的状态以及未来一系列任务的规划。

本发明未详细描述的内容属于本领域技术人员公知技术。

Claims (6)

1.一种卫星任务自主连续规划方法，其特征在于步骤如下：

(1)卫星沿自身轨道运行，通过上注轨道根数获得星下点轨迹，在某一时刻t₀，卫星对轨迹上从t₀开始，到t₁时刻的点进行均匀采样，得到多个星下点轨迹采样点，根据设定的采样点进入目标控制区域G_i的判断准则，判断这些采样点是否进入目标控制区域G_i，设卫星的目标控制区域G_i为卫星星下点轨迹所在平面的多边形区域，i＝1…n，n为正整数，卫星的目标控制区域集G包括卫星的多个目标控制区域G_i，若卫星轨迹上的采样点进入目标控制区域G_i，且采样点从进入目标控制区域G_i到离开目标控制区域G_i的时间长度大于等于10分钟且小于等于30分钟，则判定该目标控制区域G_i对应的卫星载荷任务满足任务执行的时间长度要求，判定该任务为进入目标控制区域集G的任务；若卫星轨迹上的采样点没有进入目标控制区域G_i或采样点从进入目标控制区域G_i到离开目标控制区域G_i的时间长度小于10分钟或大于30分钟，则判定该目标控制区域G_i对应的卫星载荷任务不满足任务执行的时间长度要求，不将该任务作为进入目标控制区域集G的任务；采样点进入目标控制区域G_i的时刻为该进入目标控制区域集G的任务的启动时刻，采样点离开目标控制区域G_i的时刻为该进入目标控制区域集G的任务的结束时刻，进入目标控制区域集G的任务按启动时刻分为长期任务、中期任务和短期任务；

(2)获取卫星的t₀时刻的状态集合S，包括卫星自主判断的整星安全状态、卫星放电深度、星上公共资源的互斥信号量状态、光照状态；定义整星安全状态为安全时，卫星电源工作正常、姿控分***工作正常、总线通信正常、星务中心计算机工作正常；星上公共资源的互斥信号量状态包括有互斥和无互斥两种状态；光照状态包括有光照和无光照；

(3)如果步骤(1)进入目标控制区域集G的任务是长期任务，则将该任务直接纳入新的任务集合P’，当卫星在轨道上运行，逐渐接近目标控制区域，任务的启动时刻发生变化，逐渐变为中期任务，再由中期任务变为短期任务；

(4)如果步骤(1)进入目标控制区域集G的任务是中期任务，则进行任务规划的任务属性，即要执行该中期任务时需要判定的参数，包括整星安全状态、任务所需放电深度；

若步骤(2)卫星的当前状态集合S中卫星放电深度大于中期任务所需放电深度，且整星安全状态为安全，则将该中期任务纳入新的任务集合P’；

若步骤(2)卫星的当前状态集合S中卫星放电深度小于或等于任务所需放电深度，或者整星安全状态为不安全，则该中期任务不纳入新的任务集合P’；

该中期任务随启动时刻的缩短逐渐变为短期任务；

(5)如果步骤(1)进入当前任务目标集G的任务是短期任务，进行任务规划的任务属性，即要执行该短期任务时需要判定的参数，包括整星安全状态、任务所需放电深度、互斥信号量、光照状态；

若步骤(2)卫星的当前状态集合S中卫星放电深度大于任务所需放电深度，且步骤(2)卫星的当前状态集合S中与该短期任务相关的互斥信号量的状态为无互斥、整星安全状态为安全、光照状态为有光照，则将该短期任务纳入新的任务集合P’；

若步骤(2)卫星的当前状态集合S中卫星放电深度大于任务所需放电深度、整星安全状态为安全、光照状态为有光照，但步骤(2)卫星的当前状态集合S中与该短期任务相关的互斥信号量的状态为有互斥，进行冲突消解，如果冲突能够消解，则将该短期任务纳入新的任务集合P’，如果冲突无法消解，则该短期任务不纳入新的任务集合P’；

若步骤(2)卫星的当前状态集合S中卫星放电深度小于或等于任务所需放电深度，或者整星安全状态为不安全，或者光照状态为无光照，则该短期任务不纳入新的任务集合P’；

(6)如果由步骤(3)、(4)、(5)所得的新的任务集合P’与当前任务集合P不一致，则更新当前任务集合P，使当前任务集合P与由步骤(3)、(4)、(5)所得的新的任务集合P’保持一致；

(7)提取步骤(6)更新后的任务集合P中到达启动时刻的短期任务，送至卫星的执行单元执行；

(8)当目标控制区域G_i中的任务均执行完毕，将该目标控制区域G_i从目标控制区域集G中删除；更新步骤(2)当前状态集合S中的互斥信号量状态、卫星的放电深度；

(9)返回步骤(1)，直至卫星的目标控制区域集G为空，完成规划。

2.根据权利要求1所述的一种卫星任务自主连续规划方法，其特征在于，所述步骤(1)中t₁-t₀,即采样时间为100分钟，均匀采样的间隔为10秒。

3.根据权利要求1所述的一种卫星任务自主连续规划方法，其特征在于，所述步骤(1)中目标控制区域G_i，即载荷工作的覆盖区域，通过采样点的进入和离开来控制卫星已经装载好的该区域对应的载荷任务的执行，该区域采用凸多边形区域表示，预先设定该凸多边形的区域边界，并且能够通过遥控注入数据在轨修改覆盖区域的边界，设定已知凸多边形的区域各顶点的向量为P1、P2、P3、P4和P5，P”为卫星星下点轨迹上采样点的向量，则该采样点进入多边行区域的判断准则为：

(P2-P1)×(P”-P1)>0； (1)

(P3-P2)×(P”-P2)>0； (2)

(P4-P3)×(P”-P3)>0； (3)

(P5-P4)×(P”-P4)>0； (4)

(P1-P5)×(P”-P5)>0； (5)

以上5个公式都满足，则判定卫星进入目标控制区域G_i；只要有一个公式不满足，则判定卫星离开控制区域，两个矢量的矢乘(×)等于绝对值相乘再乘以矢量间夹角θ的正弦值，0°≤θ≤180°，矢乘后所得矢量的方向符合右手定则。

4.根据权利要求1所述的一种卫星任务自主连续规划方法，其特征在于：所述步骤(3)中任务包括任务id、任务优先级、启动时刻、对应的目标控制区域这些属性，；启动时刻由卫星自主计算，采样点进入任务对应的目标控制区域的时刻即为任务的启动时刻；同一目标控制区域G_i对应的多个任务的启动时刻到达时，优先级高的任务先执行。

5.根据权利要求1所述的一种卫星任务自主连续规划方法，其特征在于：步骤(1)所述长期任务的启动时刻大于60min，中期任务的启动时刻为21min～60min，短期任务的启动时刻为0～20min。

6.根据权利要求4所述的一种卫星任务自主连续规划方法，其特征在于：所述步骤(5)中卫星同时执行多个任务需要使用的公共资源，包括数传设备、固存存储、数传设备，出现资源不足的情况，需要进行冲突消解，进行冲突消解的方法为：

如果多个任务对同一数传设备或载荷的操作指令冲突，即发生一个数传设备或载荷被一个任务打开，打开后数传设备或载荷工作没完成时，又被另一个任务关闭的情况，则调整对同一数传设备或载荷的操作指令，即按照指令的执行时间，将打开指令和关闭指令进行排序，只执行第一个打开指令和最后一个关闭指令，使该数传设备或载荷正常工作，若无法调整，则取消低优先级任务执行；

如果多个任务对同一固存存储的使用时间冲突，优先级低的那个任务缩短执行时间或者取消执行。