CN113706054A - 一种基于事件的低轨卫星测控任务规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于星间链路的低轨卫星测控任务规划方法，分析测控任务，确定测控事件类别，并对每类测控事件根据任务属性划分优先级，然后分析星间链路、测控窗口与测控分***等测控资源，最后根据测控事件约束条件与测控资源信息，对完成测控任务的测控事件集的执行时序进行编排，并根据事件优先级进行冲突消解。该方法的优势是根据任务需求自动编排测控事件的调度顺序，提高了卫星管理的自动化程度，同时有利于避免人工操作导致的人为失误；引入测控事件优先级，基于优先级进行测控事件约束冲突消解，提高了测控事件调度的成功率。

Description

一种基于事件的低轨卫星测控任务规划方法

技术领域

本发明涉及一种航天器测控任务规划方法，属于航天器在轨管理自动化领域。

背景技术

随着星间链路技术的发展与空间任务功能的扩展，低轨卫星通过兴建链路可以构成编队模式或星座模式，从而将复杂的***通过一定的空间分解，将其功能分散到多个相对简单的***中，然后将多个相对简单的***按一定的规律“虚拟”出一个庞大复杂、功能强大的***。不同于传统的低轨卫星***，星间链路的出现使得低轨卫星间可以共享信息，满足一定的构型要求，从而共同协作完成特定的任务。对于地面测控***来说，低轨卫星之间支持星间链路可能增加轨道构型的测控要求，支持星间链路的低轨卫星长期管理，相对于常规低轨卫星的管理任务，遥控操作任务的复杂度更高，对测控事件进行编排时需要考虑的制约因素更多。目前卫星长期管理针对单星管理设计的测控任务规划方法及自动化流程，对支持星间链路协作的卫星群体的多星测控依靠人工调度各功能子***完成。问题主要存在于测控任务规划环节，如何合理地编排测控管理事件并按照长期管理需求调度事件执行顺序提高管理效率，是低轨编队卫星管理需要解决的关键问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种支持星间链路的低轨卫星测控任务规划方法，分析测控任务，将测控任务解析为测控事件集，并对每类测控事件根据任务属性划分优先级，然后分析星间链路、测控窗口与测控分***等测控条件，最后根据测控事件约束条件进行编排确定事件执行时序，完成测控任务规划，提高卫星管理的效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：

步骤1：测控任务解析，将测控任务分解为测控事件集；

步骤2：测控事件约束分析，分析测控任务要求、测控资源、测控限制条件，并将其转换为测控事件的约束；

步骤3：根据测控事件约束编排测控窗口；

步骤4：根据测控事件优先级对测控窗口事件进行冲突消解；

所述步骤1具体包括如下步骤：(1)：获取待管理的卫星信息S＝{s₁,s₂,…,s_m},其中S表示待管理卫星集合，卫星数量一共为m颗，s_i(1≤i≤m)为任意一颗卫星的标识；

(2)：获取待管理卫星之间的星间链路信息，建立星间链路矩阵C＝{s_ij}(1≤i≤m，1≤j≤m)，s_ij表示卫星s_i至卫星s_j是否存在支持测控的星间链路

i＝j时s_ij＝0，而s_ji表示卫星s_j至卫星s_i是否存在支持测控的星间链路；

(3)：获取测控事件集E＝{e₁，e₂，...，e_k}，其中k为测控事件的数量，E_i{1≤i≤k}为任意一个测控事件的标识；

(4)任一个测控事件e_i对应的约束集用P＝{p₁，p₂，...，p_t}表示，其中p_i{1≤i≤t}为测控事件执行的约束条件，包括执行事件的优先级、周期T、起始时间st、终止时间et、前提事件名称E_i{1≤i≤k}，测控事件的优先级信息用R＝{r₁，r₂，...，r_l}表示，其中l为优先级的数量，r_i{1≤i≤l}为任意一类优先级的标识；

所述步骤2具体包括如下步骤：(1)：获取卫星s_i{1≤i≤m}的测控窗口信息，卫星s_i(1≤i≤t)的测控窗口用w＝{w₁，w₂，...，w_n}表示，其中w为测控窗口标识，w_i(1≤i≤n)为测控窗口的约束参数，包括测控站名称station、测控开始时间sttc、测控结束时间ettc。

(3)获取卫星s_i{1≤i≤m}的测控事件集合ESi＝{ES₁，ES₂，...，ES_q}，其中q为s_i星测控任务涉及的测控事件数量；

(4)建立卫星s_i{1≤i≤m}测控事件的关联链表，采用前向关联关系表示，即一个关联事件用<前提事件名称，事件名称>表示，如果为独立事件则前提事件名称设置为空或与事件集无交集的其它特殊名称统一标识；

所述步骤3：根据测控窗口、测控事件约束、测控事件关联链表进行测控事件的自动编排；

所述步骤4：根据测控事件优先级进行冲突消解，调整测控事件编排顺序。

上述技术方案中，所述步骤1将测控任务分解为测控事件集，通过各个测控事件的调度执行完成测控任务。

上述技术方案中，所述测控任务的分解是分析测控任务，确定完成测控任务涉及的测控事件集。

上述技术方案中，所述测控事件集对应于执行任务的地面测控***的子***或功能单元。

上述技术方案中，所述测控事件集随着卫星测控任务需求的改变，可以对测控事件进行添加、删除与更新操作以适应新的测控任务需求。

上述技术方案中，所述步骤3测控事件的约束包括但不限于事件名称、前提事件名称、执行事件的周期或者执行事件的频率、执行事件的时间信息：包括起始时间、终止时间、最晚时间或执行时长间接表示、支持星间链路信息。

上述技术方案中，所述的步骤3中测控事件的自动编排包括下述步骤：

步骤1：读取星间链路矩阵，为适应部分测控事件不支持星间链路的实际应用情况，星间链路关系可转换支持星间链路测控事件的一项约束，根据星间链路矩阵更新卫星s_i(1≤i≤m)测控事件约束，存在星间链路时将该星支持星间链路的测控事件约束项：支持星间链路信息更新为建立星间链路的卫星标识集；

步骤2：对于卫星s_i(1≤i≤m)，根据其测控事件集中各个测控事件的时间约束分配测控周期日的测控窗口，支持星间链路的测控事件的测控窗口为s_i(1≤i≤m)的测控窗口与建立星间链路的卫星集的测控窗口的并集；

步骤3：根据测控事件前提事件约束的终止时间确定测控事件可用的测控窗口。上述技术方案中，所述的步骤4中根据事件优先级，编排测控窗口内测控事件的执行顺序的步骤包括如下步骤：

步骤1：对于卫星s_i(1≤i≤m)，获取任一个测控窗口w_i(1≤i≤n)的测控事件集，根据测控事件的优先级确定测控事件的执行顺序；

步骤2：根据测控事件执行顺序与测控窗口的时间信息，包括测控窗口的起始时间与终止时间，确定每个测控事件的执行时间信息，包括测控事件的起始时间与终止时间；

步骤3：检测测控事件执行时间信息的完整性，如果测控事件的开始时间、终止时间任意一个为无效值，则测控事件的起始时间与终止时间的初值为无效值，则存在执行时间冲突事件，表明测控资源欠缺，申请增加测控跟踪窗口，并根据新的测控窗口集合重新开始测控任务规划。

本发明的有益效果是：克服了现有测控任务规划仅支持单星独立测控，不支持星间链路测控的缺点，基于测控事件，通过测控任务分解与测控资源信息，对完成测控任务的测控事件集进行编排，并根据事件优先级进行冲突消解。基于事件的测控任务规划方法根据任务需求自动编排测控事件的调度执行顺序，提高了卫星管理的效率，而且有利于避免人工参与导致的操作失误；同时引入测控事件优先级，基于优先级进行测控事件约束冲突消解，提高了测控事件调度的成功率。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明应用案例的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不限于下述实施例。本发明提供了一种基于事件的低轨卫星测控任务规划方法，将测控任务分解为测控事件集，通过将测控任务需求与测控限制条件解析为测控事件的约束信息，再根据测控事件约束对测控事件进行编排与冲突消解，提高了在轨卫星管理效率，有利于规避人工参与带来的操作失误问题。

如图1所示，本发明具体包括如下步骤：

第一步：测控任务解析，将测控任务分解为测控事件集；

第二步：测控事件约束分析，分析测控任务要求、测控资源、测控限制条件，并将其转换为测控事件的约束。

第三步：根据测控事件约束编排测控窗口。

第四步：根据测控事件优先级对测控窗口事件进行冲突消解。

如上所述的第一步具体包括如下步骤：

步骤1.1：获取待管理的卫星信息S＝{s₁,s₂,…,s_m},其中S表示待管理卫星集合，卫星数量一共为m颗，s_i(1≤i≤m)为任意一颗卫星的标识。

步骤1.2：获取待管理卫星之间的星间链路信息，建立星间链路矩阵C＝{s_ij}(1≤i≤m，1≤j≤m)，s_ij表示卫星s_i至卫星s_j是否存在支持测控的星间链路

i＝j时s_ij＝0，而s_ji表示卫星s_j至卫星s_i是否存在支持测控的星间链路，因此，s_ij与s_ji表示不同的星间链路关系。

步骤1.3：获取测控事件集E＝{e₁，e₂，...，e_k}，其中k为测控事件的数量，E_i{1≤i≤k}为任意一个测控事件的标识。任一个测控事件e_i对应的约束集用P＝{p₁，p₂，...，p_t}表示，其中p_i{1≤i≤t}为测控事件执行的约束条件，包括执行事件的优先级、周期T、起始时间st、终止时间et、前提事件名称E_i{1≤i≤k}。测控事件的优先级信息用R＝{r₁，r₂，...，r_l}表示，其中l为优先级的数量，r_i{1≤i≤l}为任意一类优先级的标识。

如上所述的第二步具体包括如下步骤：

步骤2.1：获取卫星s_i{1≤i≤m}的测控窗口信息，卫星s_i(1≤i≤t)的测控窗口用w＝{w₁，w₂，...w_n}表示，其中w为测控窗口标识，w_i(1≤i≤n)为测控窗口的约束参数，主要包括测控站名称station、测控开始时间sttc、测控结束时间ettc。步骤2.2：获取卫星s_i{1≤i≤m}的测控事件集合ESi{ES₁，ES₂，...，ES_q}，其中q为s_i星测控任务涉及的测控事件数量。

步骤2.3：建立卫星s_i{1≤i≤m}测控事件的关联链表，采用前向关联关系表示，即一个关联事件用<前提事件名称，事件名称>表示，如果为独立事件则前提事件名称设置为空或与事件集无交集的其它特殊名称统一标识。

如上所述的第三步具体包括如下步骤：

步骤3.1：读取星间链路矩阵，为适应部分测控事件不支持星间链路的实际应用情况，星间链路关系可转换支持星间链路测控事件的一项约束，根据星间链路矩阵更新卫星s_i(1≤i≤m)测控事件约束，存在星间链路时将该星支持星间链路的测控事件约束项：支持星间链路信息更新为建立星间链路的卫星标识集。

步骤3.2：对于卫星s_i(1≤i≤m)，根据其测控事件集中各个测控事件的时间约束分配测控周期日的测控窗口，支持星间链路的测控事件的测控窗口为s_i(1≤i≤m)的测控窗口与建立星间链路的卫星集的测控窗口的并集。

步骤3.3：根据测控事件前提事件约束的终止时间确定测控事件可用的测控窗口。如上所述的第四步具体包括如下步骤：

步骤4.1：对于卫星s_i(1≤i≤m)，获取任一个测控窗口w_i(1≤i≤n)的测控事件集，根据测控事件的优先级确定测控事件的执行顺序。

步骤4.2：根据测控事件执行顺序与测控窗口的时间信息(测控窗口的起始时间与终止时间)确定每个测控事件的执行时间信息(测控事件的起始时间与终止时间)。

步骤4.3：检测测控事件执行时间信息的完整性，如果测控事件的开始时间、终止时间任意一个为无效值(测控事件的起始时间与终止时间的初值为无效值)，则存在执行时间冲突事件，表明测控资源欠缺，申请增加测控跟踪窗口，并根据新的测控跟踪窗口集合重新开始测控任务规划。

参照图2，本发明应用案例分为四个主要步骤：

1)测控任务解析，将测控任务分解为测控事件集。如图2所示第一步，包括s₁,s₂,s₃三颗待管理卫星，s₂至s₁、s₃至s₁存在星间链路，事件集包括四个事件：e₁、e₂、e₃、e₄，其中事件e₁的优先级为3级，执行周期8表示每天执行，执行时间为0：00至23：59，无关联测控事件，支持星间链路测控，同样地，e₂、e₃、e₄也是每天执行，其中，e₂不支持星间链路测控。

2)测控事件约束分析，分析测控任务要求、测控资源、测控限制条件，并将其转换为测控事件的约束。卫星s1的测控窗口为w-s1＝{[8:00,9:00],[11:00,12:00],[15:00,16:00],[18:00,19:00]},卫星s2的测控窗口w-s2＝{[15:00,16:00],[18:00,19:00]}，卫星s3的测控窗口w-s3＝{[15:00,16:00],[18:00,19:00]}。卫星s₁、s₂、s₃的测控事件为e₁、e₂、e₃、e₄，根据e₂是e₃的前提事件建立测控事件关联链表。

3)根据测控事件约束编排测控窗口。将支持星间链路测控事件的最后一项约束更新为S1，获取卫星s₁、s₂、s₃的测控窗口信息为{[8:00,9:00],[11:00,12:00],[15:00,16:00],[18:00,19:00]}，测控事件e₁、e₂、e₃、e₄可用的测控窗口为{[8:00,9:00],[11:00,12:00],[15:00,16:00],[18:00,19:00]}。

4)根据测控事件优先级对测控窗口事件进行冲突消解。测控事件的执行顺序为e2、e3、e1、e4，事件e2可用的窗口为{[8:00,9:00],[11:00,12:00],[15:00,16:00],[18:00,19:00]}，事件e3可用的窗口为{[8:00,9:00]，[11:00,12:00]}，事件e1可用的窗口为{[8:00,9:00],[11:00,12:00],[15:00,16:00],[18:00,19:00]}，事件e4可用的窗口为{[15:00,16:00],[18:00,19:00]}。进行冲突消解后事件e2的测控窗口为[8:00,9:00]，事件e3的测控窗口为[11:00,12:00]，事件e1的测控窗口为[15:00,16:00]，事件e4的测控窗口为[18:00,19:00]。

综上所述，本发明提供了一种基于事件的低轨卫星测控任务规划方法，将测控任务分解为测控事件集，通过将测控任务需求与测控限制条件解析为测控事件的约束信息，再根据测控事件约束对测控事件进行编排与冲突消解，提高了在轨卫星管理效率，有利于规避人工参与带来的操作失误问题。

Claims (8)

1.一种基于事件的低轨卫星测控任务规划方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1：测控任务解析，将测控任务分解为测控事件集；

步骤2：测控事件约束分析，分析测控任务要求、测控资源、测控限制条件，并将其转换为测控事件的约束；

步骤3：根据测控事件约束编排测控窗口；

步骤4：根据测控事件优先级对测控窗口事件进行冲突消解；

所述步骤1具体包括如下步骤：(1)：获取待管理的卫星信息S＝{s₁,s₂,…,s_m},其中S表示待管理卫星集合，卫星数量一共为m颗，s_i(1≤i≤m)为任意一颗卫星的标识；

(2)：获取待管理卫星之间的星间链路信息，建立星间链路矩阵C＝{s_ij}(1≤i≤m,1≤j≤m)，s_ij表示卫星s_i至卫星s_j是否存在支持测控的星间链路

i＝j时s_ij＝0，而s_ji表示卫星s_j至卫星s_i是否存在支持测控的星间链路；

(3)：获取测控事件集E＝{e₁,e₂,…,e_k}，其中k为测控事件的数量，E_i{1≤i≤k}为任意一个测控事件的标识；

(4)任一个测控事件e_i对应的约束集用P＝{p₁,p₂,…,p_t}表示，其中p_i{1≤i≤t}为测控事件执行的约束条件，包括执行事件的优先级、周期T、起始时间st、终止时间et、前提事件名称E_i{1≤i≤k}，测控事件的优先级信息用R＝{r₁,r₂,…,r_l}表示，其中l为优先级的数量，r_i{1≤i≤l}为任意一类优先级的标识；

所述步骤2具体包括如下步骤：(1)：获取卫星s_i{1≤i≤m}的测控窗口信息，卫星s_i(1≤i≤t)的测控窗口用w＝{w₁,w₂,…,w_n}表示，其中w为测控窗口标识，w_i(1≤i≤n)为测控窗口的约束参数，包括测控站名称station、测控开始时间sttc、测控结束时间ettc。

(3)获取卫星s_i{1≤i≤m}的测控事件集合ESi＝{ES₁,ES₂,…,ES_q}，其中q为s_i星测控任务涉及的测控事件数量；

(4)建立卫星s_i{1≤i≤m}测控事件的关联链表，采用前向关联关系表示，即一个关联事件用<前提事件名称，事件名称>表示，如果为独立事件则前提事件名称设置为空或与事件集无交集的其它特殊名称统一标识；

所述步骤3：根据测控窗口、测控事件约束、测控事件关联链表进行测控事件的自动编排；

所述步骤4：根据测控事件优先级进行冲突消解，调整测控事件编排顺序。

2.根据权利要求1所述的基于事件的低轨卫星测控任务规划方法，其特征在于，所述步骤1将测控任务分解为测控事件集，通过各个测控事件的调度执行完成测控任务。

3.根据权利要求2所述的基于事件的低轨卫星测控任务规划方法，其特征在于，所述测控任务的分解是分析测控任务，确定完成测控任务涉及的测控事件集。

4.根据权利要求3所述的基于事件的低轨卫星测控任务规划方法，其特征在于，所述测控事件集对应于执行任务的地面测控***的子***或功能单元。

5.根据权利要求3所述的基于事件的低轨卫星测控任务规划方法，其特征在于，所述测控事件集随着卫星测控任务需求的改变，可以对测控事件进行添加、删除与更新操作以适应新的测控任务需求。

6.根据权利要求1所述的基于事件的低轨卫星测控任务规划方法，其特征在于，所述步骤3测控事件的约束包括但不限于事件名称、前提事件名称、执行事件的周期或者执行事件的频率、执行事件的时间信息：包括起始时间、终止时间、最晚时间或执行时长间接表示、支持星间链路信息。

7.根据权利要求1所述的基于事件的低轨卫星测控任务规划方法，其特征在于：所述的步骤3中测控事件的自动编排包括下述步骤：

步骤1：读取星间链路矩阵，为适应部分测控事件不支持星间链路的实际应用情况，星间链路关系可转换支持星间链路测控事件的一项约束，根据星间链路矩阵更新卫星s_i(1≤i≤m)测控事件约束，存在星间链路时将该星支持星间链路的测控事件约束项：支持星间链路信息更新为建立星间链路的卫星标识集；

步骤2：对于卫星s_i(1≤i≤m)，根据其测控事件集中各个测控事件的时间约束分配测控周期日的测控窗口，支持星间链路的测控事件的测控窗口为s_i(1≤i≤m)的测控窗口与建立星间链路的卫星集的测控窗口的并集；

步骤3：根据测控事件前提事件约束的终止时间确定测控事件可用的测控窗口。

8.根据权利要求1所述的基于事件的低轨卫星测控任务规划方法，其特征在于：所述的步骤4中根据事件优先级，编排测控窗口内测控事件的执行顺序的步骤包括如下步骤：

步骤1：对于卫星s_i(1≤i≤m)，获取任一个测控窗口w_i(1≤i≤n)的测控事件集，根据测控事件的优先级确定测控事件的执行顺序；

步骤2：根据测控事件执行顺序与测控窗口的时间信息，包括测控窗口的起始时间与终止时间，确定每个测控事件的执行时间信息，包括测控事件的起始时间与终止时间；

步骤3：检测测控事件执行时间信息的完整性，如果测控事件的开始时间、终止时间任意一个为无效值，则测控事件的起始时间与终止时间的初值为无效值，则存在执行时间冲突事件，表明测控资源欠缺，申请增加测控跟踪窗口，并根据新的测控窗口集合重新开始测控任务规划。

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