基于任务目标的航天器自主控制技术研究.doc

基于任务目标的航天器自主控制技术研究摘要：传统的航天器控制方式是基于指令的， 这种方式受测控影响大、执行灵活性差、自主性低， 已经无法适用于深空探测、实时对地观测等新型的空 间应用因此，文章提出基于任务目标的航天器控制 方式，对该方式的控制流程进行分析，给出任务目标 的具体定义并研究了任务目标与控制指令之间的转换 方法，从而实现基于任务目标的自主控制关键词：任务目标；控制指令；工作模式 1概述从1957年人类发射第一颗人造卫星以来，空间技 术取得了突飞猛进的发展，航天器的类型也在不断增 加，如通信卫星、气象卫星、导航卫星、深空探测器 等［1］航天器的功能随着种类不同而存在差异，但无 论何种类型的航天器，都是一个包含多种分系统、由 多台设备组成的复杂集合体，其功能的实现依赖于各 组件之间的协同运作，因此需要正确的控制传统的航天器控制方式是基于指令的，地面人员 综合考虑航天器任务需求和各种约束条件，制定相应 的控制指令序列，并在航天器处于测控范围时上传[2],航天器接收指令后根据指令内容在指定时刻执行 相应的动作，然后返回遥测信息，完成对航天器的控 制控制指令上传和遥测信息返回要求地面与航天器 进行频繁地交互，因此对测控资源的依赖较为严重； 控制指令的执行时刻是固定的，当遇到突发情况时无 法自动调整，灵活性较差，不能满足实时对地观测等 高动态特性应用的要求；此外，这种控制方式以地面 为主导，航天器缺乏自主性，已经无法适用于深空探 测等外部环境不确定、对自主性要求很高的应用场合。

为了满足新型空间应用的要求，需要对传统的航 天器控制方式进行改进，因此，文章提出基于任务目 标的航天器自主控制技术，把航天器的控制方式从指 令级别上升到任务级别，航天器接收任务信息后在轨 自动生成所需的控制指令，实现自主控制2基于任务目标的航天器控制方式传统的基于指令的控制方式是一个典型的规划、 执行和感知的循环过程地面人员通过遥测信息来预 测航天器当前状态，并结合任务安排进行综合规划， 生成完整的控制指令序列，完成规划过程；地面中心 上传控制指令至航天器，航天器接收指令后分发给相 应的设备，完成执行过程；控制指令执行完毕以后， 由测量设备采集各设备的状态并通过遥测信息返回地面，用于后续任务的规划，完成感知过程在这种控 制方式中，规划过程是在地面进行的，执行过程和感 知过程是在航天器上完成的为了减少对测控资源的依赖，增加指令执行的灵 活性和航天器的自主性，与基于指令的控制方式相比， 基于任务目标的控制方式把规划过程转移到了航天器 上，如图1所示航天器接收任务目标，该任务目标 可能来自地面中心，也可能由航天器上的智能任务模 块根据外部事件自主产生；规划过程采用一定的规则 和算法，把任务目标转换为完成任务所需的指令序列; 感知过程采集执行过程中的状态信息，并反馈给规划 过程进行动态调整。

基于任务目标的航天器控制方式有以下三个优占.(1) 注入效率高为了实现对航天器的控制，地 面中心只需要上传任务目标，控制指令的生成由航天 器自主完成，相比于指令序列的上传，注入效率明显 提高［3］2) 受测控影响小规划过程位于航天器上，规 划所需的状态信息和控制所需的指令序列均在航天器 内部传递，减少了与地面中心的交互，在特殊情况下， 任务目标可以由航天器自主产生，此时，航天器甚至可以在无地面干预的条件下保持较长时间的正常运 行，降低了对测控的依赖3)动态响应特性强规划过程可以实时获取航 天器各设备的状态信息，当指令执行出现偏差或遇到 突发事件时，规划过程可以迅速实施重规划，根据外 部条件动态调整之前的指令序列，指令执行的灵活性 很强，极大地提高了航天器的自主能力3基于任务目标的航天器控制实现为了实现基于任务目标的控制，需要解决两个基 本问题：任务目标的定义、任务目标和控制指令的转 换方法3.1任务目标的定义航天器由多个分系统构成，如热控分系统、姿轨 控分系统、通信分系统等，各分系统又包含一系列设 备，如通信分系统包括天线、功率放大器、调制解调 器等，因此，设备是航天器实现具体功能的原子单位， 对航天器的控制本质上是对各设备的控制，航天器任 务目标的完成依赖于各设备基本功能的实现。

设备在不同的时间段可能处于不同的状态，分别 表示不同的工作模式，如功率放大器包括关机模式、 开机模式等设备执行控制指令后状态发生变化，工 作模式也随之改变，把最常见的工作模式称为默认工作模式，表示设备不接收指令时所处的状态，如关机 模式为功率放大器的默认工作模式在航天器控制过 程中，发送指令使设备从默认工作模式转移到完成任 务所需的工作模式，任务完成后再恢复到默认工作模 式，因此，可以用工作模式来定义任务目标，如下所/J、O任务目标:某一时间区间内设备所处的工作模式 根据定义，任务目标可以用三元组来表述，记作Goal： Mode，其中，设备表示任务目标的执行对象， 时间区间表示任务目标的执行时段，工作模式表示任 务目标的状态要求3.2任务目标与控制指令的转换在基于任务目标的控制模式下，航天器各设备最终执行的仍然是控制指令，因此，本节对任务目标和 控制指令的转换方法展开研究以一个简单的对地成 像系统为例，设定该系统包括成像仪、温控器和旋转 机构三台设备，其中，成像仪用于对地观测，温控器 对成像仪的温度进行控制以防止其受损，旋转机构根 据观测目标的方位把成像仪旋转到合适角度进行观 测在该成像系统中，设定以下三条约束条件：（1） 温控器在成像仪开机3分钟前关闭，防止成像仪温度过高造成损害。

2）温控器在成像仪关机5分钟后开 启，防止成像仪温度过低造成损害3）成像仪在旋 转机构停止旋转2分钟后可以拍照，防止旋转机构抖 动引起成像质量下降 成像系统中各设备的控制指令如表1所示假设旋转机构在TO时刻开始向成像区域旋转，在T1时刻旋转到位，成像仪拍照过程持续一分钟，根据设备动作之间的约束条件（若无约束条件，设定 相邻两个动作间的间隔为一分钟），制定合适的指令序 列来控制对地观测任务在TO时刻旋转机构开始旋转，在T0+1时刻温控 器关机，根据约束条件1，在T0+4时刻成像仪开机； 在T1时刻旋转机构停止旋转，根据约束条件3，在 T1+2时刻成像仪开始拍照；在T1+3时刻成像仪停止 拍照，在T1+4时刻成像仪关机，根据约束条件2,在 T1+9时刻温控器开机具体的控制指令序列如表2所/J、O上述过程是典型的基于指令的控制方式，为了实 现基于任务目标的控制，需要把指令转换为任务目标， 因此，采用时间线来表示控制指令的执行过程，如图 2所示2中，各设备在指定时刻执行相应的控制指令，从而引起设备状态的变化以旋转机构为例，在TO 时刻前，旋转机构处于“静止”状态；从TO时刻执 行“开始旋转”指令后，至T1时刻执行“停止旋转” 指令前，旋转机构处于“旋转”状态；在T1时刻后， 旋转机构恢复“静止”状态。

其余设备的状态随着指 令执行而变化的过程类似，此处不再赘述根据上述分析，指令执行时间线可以转换为相应 的状态转移时间线，如图3所示图3中，相邻时刻之间的设备状态是确定的，因 此工作模式也随之确定以温控器为例，在T0+1时 刻前，温控器处于“开机”状态，工作模式为“开机” 模式；在T0+1时刻至T1+9时刻，温控器处于“关机” 状态，工作模式为“关机”模式；在T1+9时刻以后， 温控器恢复“开机”状态，工作模式也恢复为“开机” 模式其余设备的工作模式类似，此处不再赘述在任意时间区间内，各设备的工作模式是明确的， 根据任务目标的定义，此时任务目标也是明确的，因 此，状态转移时间线可以转换为任务目标时间线，如 图4所示，其中R-0和R-INF分别表示相对0时刻和 相对无穷时刻，无具体意义图4中，任意相邻时刻之间的工作模式均可以视 作任务目标以成像仪为例，在T1+2时刻至T1+3时 刻处于“成像”模式，该任务目标可以表示为通过指令、状态和工作模式之间的关系，图2所示的基于指令的控制方式逐步转换为图4所示的基于 任务目标的控制方式反之，给定任务目标，规划过 程通过任务目标之间的相互传递，使各设备从默认工 作模式转移到指定工作模式，任务完成后再恢复为默 认工作模式，转移过程中引起工作模式变化的所有指 令即为最终的控制指令序列，从而完成任务目标向控 制指令的转换，实现基于任务目标的控制。

4结束语文章分析了基于任务目标的航天器控制流程，在 此基础上对任务目标的定义、任务目标和控制指令之 间的转换方法进行论述，建立起基于任务目标控制的 一般性概念与基于指令的控制方式相比，基于任务 目标的控制方式具有灵活性强、自主性高等优点，在 未来的空间探索中存在很大的应用潜力，值得进一步 深入研宄参考文献[1] 徐福祥.卫星工程概论[M].第2版.北京：中国宇 航出版社，2004.[2] 王丹，徐进，陈丹.基于自主规划的载人航天器 飞行程序设计[J].航天器工程,2015，24 (1)： 50-55.[3] 田志新，崔晓婷，郑国成，等.基于有向图模型 的卫星任务指令生成算法[J].航天器工程，2014, 23 （6）： 54-60.。