一种快速响应型小卫星的自主任务规划设计与应用

浦江一号卫星是由上海航天技术研究院研制的一颗快速响应型小卫星,于2015年9月成功发射,卫星质量347 kg,运行在高度481 km的太阳同步轨道。为高效、高精度识别定位地面大范围广泛而随机分布的电磁辐射目标,浦江一号卫星提出了基于单星电磁信号监测载荷与光学成像载荷综合应用的在轨自主任务规划方案。在轨应用表明:该设计解决了电磁信号监测与光学成像高效协同难题,实现了星上自主任务规划时间快于0.10 s,引导指向精度优于0.10°,单次任务连续引导目标数量多于10个,为后续多手段遥感卫星的综合应用及在轨自主任务规划设计提供借鉴。     

高分多模卫星星地任务管理方案设计与验证

高分多模卫星工作模式复杂,工作模式组合变化多,卫星单轨和1天内可执行任务数量大幅增加。为了解决这些问题,在工程上实现卫星灵活、高效的工作过程精准执行,在操作上实现地面段任务管理的简洁、易用,在应用效能上实现卫星能力的充分发挥与卫星安全性的兼顾,参考国内外遥感卫星技术发展,提出"目标、需求、元任务、动作、指令"的5层次星地任务管理架构,明确了以"元任务"作为星地任务接口,并实现算法开发、地面验证和在轨应用。高分多模卫星星地任务管理方案大幅降低了地面任务管理人员对卫星操作的复杂程度,提高了任务上注效率、执行效率和组合使用灵活性,使得卫星的应用潜能得到完全发挥。     

一种低轨遥感卫星自主轨道控制方法

针对低轨遥感卫星轨道控制操作繁琐、执行效率较低、影响载荷任务编排等缺点,提出一种无需地面站支持的自主轨道控制方法。利用在轨实时计算得到的轨道偏差作为触发条件,在偏差超出阈值时,卫星根据轨道外推结果、剩余燃料质量、发动机推力等参数自主计算轨控时间,并在不与载荷任务冲突的前提下,实施发动机点火,实现卫星轨道误差的在轨自主补偿。经高分七号卫星(GF-7)验证,能够有效降低卫星的地面运控成本,大幅提升卫星的自主管理、自主运行能力,可为我国后续低轨遥感卫星设计提供参考。     

遥感卫星应用系统的一种多任务并行调度方法

任务调度是遥感卫星地面应用系统管理控制的一个重要功能。为了解决系统生产任务量大,并行调度多等难点,文章提出了基于任务优先级生产策略、面向遥感卫星地面应用的一种多任务并行调度方法,并针对任务特点设计了一套新的线程池运行机制用于多线程的管理。该方法提高了任务调度效率和系统资源利用率,并行执行的任务数量大,系统资源消耗低,任务执行的延迟率减小,解决了遥感卫星地面应用系统时效性低的问题。     

在轨实时引导多星成像任务规划方法研究

针对遥感卫星在轨自主任务规划的强时效需求和依赖地面系统的现状,通过分析卫星的轨道特性和多载荷工作配合的方式,提出了一种面向在轨实时引导成像的多星自主任务规划方法。文章首先根据成像的要求,将卫星载荷对目标的可见性,统一转化为"时间-姿态"信息,在保留有效信息的前提下对轨道递推模型合理简化,设计了卫星成像的无冲突任务序列生成方法,并为优化成像收益设计了临机调整策略。仿真结果表明:面向在轨实时引导成像的多星自主任务规划方法能实现将多目标向多星系统的分配,增加临机调整策略后,可实时地通过用高收益目标替代低收益目标的方式提高整个规划方案的成像收益,所提出的方法有效,研究结果可为多星在轨自主任务规划技术研究提供参考。     

基于视场角的遥感卫星成像多边形区域目标动态分解方法

考虑遥感卫星成像任务规划时对多边形区域目标的分解问题,提出了一种基于卫星视场角的区域目标动态分解方法。首先根据卫星的轨道特性,计算卫星对区域目标的可见时间窗口;在可见时间窗口内,计算卫星对区域目标的最大、最小有效观测角度;再以卫星的视场角为角度偏移量,同时考虑幅宽的动态变化,将区域目标分解成相互平行且幅宽不等的条带。仿真结果表明:文章提出的区域目标动态分解方法,能够将区域目标有效分解,与传统的区域目标分解方法相比,可明显提高遥感卫星对区域目标的观测效率。研究结果可为遥感卫星自主任务规划技术研究提供参考。     

高分三号卫星自主健康管理系统设计与实现

在分析遥感卫星自主健康管理需求和目标的基础上,对自主健康管理进行分级,提出高分三号(GF-3)卫星自主健康管理系统架构,设计可重配置的遥测在轨实时监测与量化管理系统,实现了标准化遥测监视表设计、可量化故障事件包设计、可量化统计事件包设计、故障和统计事件包自主生成条件、曲线比对功能等共性关键技术。GF-3卫星在轨运行结果表明:卫星能够在非地面干预的情况下自主对整星健康状态进行实时监测,并在故障发生时实施自主诊断、隔离和恢复,最大限度地保证卫星安全,有效提高卫星在轨自主运行的可靠性。     

遥感卫星在轨故障统计与分析

对遥感卫星1988年—2014年的在轨故障数据进行分类研究发现:控制、载荷、测控和数传是遥感卫星在轨故障发生比例最高的4个分系统;故障主要发生于在轨第1年;环境、设计和器件类故障为主要的在轨故障类型;大多数故障可以通过在轨自主诊断、地面操作等方式及时予以解决, 对遥感卫星完成任务的固有能力影响较小;各分系统的在轨故障特点各不相同。文章最后针对故障原因, 提出了增加遥感卫星的地面试验与测试、加强抗辐射加固设计和开展基于在轨故障规律的分系统技术状态控制等对策, 以降低卫星的在轨故障率, 保证卫星在轨可靠、安全运行。     

高性能遥感卫星地面预处理系统中的任务管理与调度技术研究

任务调度和管理是遥感卫星数据地面预处理系统设计中的核心技术.如何对于新型的基于并行机群平台的遥感卫星数据预处理系统进行有效的任务管理和调度,将对系统的可用性、可扩展性以及性能等产生很深的影响.文章讨论一种成功应用于通用高性能卫星地面预处理系统(GHIPS)中的、基于机群平台的任务管理与调度技术.并用于指导为高性能遥感数据处理平台提供一种通用的任务管理与调度解决方案.     

北京三号A/B卫星星地一体协同任务规划设计及实现

自主任务规划技术能够充分发挥卫星在轨使用效能,提高卫星紧急任务响应能力,大幅减少对地面测控的依赖,支持多星自主协同配合执行任务。北京三号A/B卫星具备完全星上自主规划能力,包括星上自主任务规划、地面规划及星地协同规划等多种任务模式,同时具备任务数据校验、保存、恢复、删除、插入应急任务等功能。地面规划系统根据需求进行任务筛选、核对和规划,确保任务满足要求;星上利用专用处理器实现规划运算、指令编排和任务保存与执行。星地一体协同任务规划设计实现了地面和星上规划的一致性,既保证了任务的准确性和灵活性,又减少了卫星对地面测控的需求。     

面向时序InSAR的卫星任务规划框架设计

随着国内自主雷达卫星和差分干涉合成孔径雷达技术(D-InSAR)及衍生的时序InSAR技术的发展,以时间序列上重复观测为主的长周期形变监测的应用与日俱增。对遥感卫星地面任务规划系统来说,规划和管理大量有时序关联的重复任务,从而最大限度地满足观测要求,是提升以形变监测为使命的雷达卫星运控效率的关键。在综合考虑雷达差分干涉任务序列性、一致性、周期性特征的基础上,设计了一种面向雷达卫星时序InSAR类型任务的规划框架,旨在规划序列任务时,考虑序列整体特性,进行序列任务组间的冲突检测。基于此方法,对现有的地面任务规划系统进行了优化升级,验证了框架的有效性。结果证明:该方法可快速、自动进行序列任务冲突消解,可为长周期序列任务的规划和管理提供设计参考。     

遥感卫星在轨可用性约束条件分析及对策

从任务注入、设备控制、信息获取、数据传输、能源平衡五个维度,分析了制约遥感卫星在轨可用性的瓶颈因素;提出新一代遥感卫星运控策略,采用"宏指令"取代"指令模板",提升卫星操控性;采用"动态规划"取代"静态规划",提升星载资源在轨使用效率;采用"自主指令序列优化"取代"被动执行预设指令",提升成像获取和数据传输任务的执行效率。某领域遥感卫星在轨测试和地面仿真表明,与传统运控模式相比,任务注入效率提升了约5倍,操作接口复杂度降低了约94%,并显著提升了星载能源、存储资源、对地数据传输资源的使用效率。     

高分多模卫星自主健康管理系统设计与验证

在分析现有遥感卫星自主健康管理系统不足的基础上,提出了高分多模卫星(GFDM-1)自主健康管理系统设计架构,给出了关键设计内容,提出了故障判决条件优化设计及操控接口与事件报告规范化的设计思路。卫星在轨运行结果表明:高分多模卫星能自主对整星健康状态进行实时监测;并在故障发生时,实施自主诊断、隔离和恢复,最大限度地保证卫星安全;能有效监测并报告,短期可自恢复异常;提高了卫星在轨自主运行的可靠性及地面运行管理的效率。     

国外遥感卫星应用产业发展现状及趋势

介绍了国外遥感卫星发展及其产业链情况。通过对国外遥感卫星地面接收站网、定标场、数据中心、数据处理与服务、网络共享和卫星应用等不同产业链环节的分析,总结了国外遥感卫星产业模式及其发展趋势。并结合中国当前卫星应用现状,给出了国内遥感卫星应用产业发展的建议。     

高轨遥感卫星持续跟踪多个动目标的任务规划方法

对多个动目标持续跟踪成像是高轨遥感卫星的重要任务之一。为此,文章提出了高轨遥感卫星对多个动目标持续跟踪的任务规划方法。以卫星姿态机动次数和姿态机动角最小为优化目标,以卫星对动目标持续跟踪的起始、终端状态、服务次数约束及时间分配的限制为约束,建立高轨遥感卫星姿态机动对多个动目标的调度模型。在此基础上,采用遗传算法生成高轨遥感卫星在每个任务周期对多个动目标调度的任务序列,结合九宫格跟踪算法完成对多个动目标的持续跟踪。仿真结果表明：任务规划方法可以成功对1个高速动目标及多个中低速动目标进行跟踪监视,具有很好的适应性。     

亚洲一流的遥感卫星地面应用系统

阐述了一种亚洲一流的遥感卫星地面应用系统的组成和工作原理，给出了地面应用系统中的卫星跟踪与接收地面站、图像预处理、图像应用处理和管理控制与支持４个分系统的主要任务、功能、技术性能和设备组成，介绍了工程建设中解决的关键技术。     

高分三号卫星自主任务规划设计与在轨验证

对高分三号(GF-3)卫星的工作模式以及地面操作指令形式进行介绍,在此基础上设计了自主任务规划,提出单次记录、单天线单站边记边放、单天线双站边记边放等9种自主任务规划编排指令模板。自主任务规划设计在GF-3卫星常规执行任务中的应用结果表明:设计合理、操作便捷,能有效地提高GF-3卫星的好用易用性,可为后续SAR卫星设计提供参考。     

遥感卫星智能操控技术发展研究

随着遥感卫星信息获取能力的快速提升,传统卫星操控模式已无法满足用户快速、准确、灵活的遥感数据获取和信息产品生产需求,亟需发展智能操控技术来降低卫星操控难度和复杂度,有效提升卫星的应用效能。文章论述了遥感卫星智能操控技术的发展现状,分析了智能星地操控的关键技术,提出基于"智能卫星+一体化地面系统+智能操控平台"架构的天地一体化智能星地操控模式,从任务指控、任务进程监控、任务结果处理与多维度呈现、在轨维护以及在轨健康监测与处置等5个维度优化星地操控接口和操控流程,改善人机交互效果,可为遥感卫星操控模式设计和系统实现提供参考。     

遥感卫星高精度高稳定度控制技术

对遥感卫星高精度高稳定度控制技术进行了综述。给出了国内外高稳定度多挠性遥感卫星控制、快速机动控制、高精度姿态确定、自主智能控制等典型应用,以及未来发展趋势。分析了挠性多体卫星结构-控制一体化设计、卫星在轨试验和高精度姿态确定等关键技术。讨论了挠性多体卫星动力学建模仿真及地面试验验证,H∞控制、自适应滤波前馈等卫星姿态控制方法研究与应用,卫星结构模态与无干扰力矩在轨辨识,以及基于陀螺、星敏感器及其误差、卫星动力学模型、在轨热变形标定等高精度姿态确定技术。     

星地协同光学遥感影像目标识别技术验证研究

为了提高光学遥感卫星信息处理的时效性,文章提出了星地协同光学遥感影像在轨目标智能识别技术框架。将基于遥感大数据的深度学习、神经网络模型训练等数据量大、运算量大、计算复杂、要求较高的处理任务部署在地面服务器,将深度学习训练得到的模型进行压缩并上注至卫星,卫星在轨利用轻量化模型对影像进行推理计算,最后把目标识别结果下传至用户。为了对所提出的技术框架进行验证,在高性能服务器和嵌入式开发板上进行了验证试验,利用YOLO-v5算法和DIOR遥感数据集进行了测试,结果表明:在模拟星载计算环境下,处理100km~2范围1m分辨率遥感影像耗时17.74s,平均精确度(Mean Average Precision,mAP)为87.2%。文章提出的星地协同智能目标识别技术框架实时性和精度上能够满足应用需求,具备一定的可行性,可以进一步开展在轨验证试验。