一种用于飞行控制的自主任务规划地面验证体系及方法

摘要

一种用于飞行控制的自主任务规划地面验证体系及方法，属于航天器飞行控制领域。其中，自主任务规划地面验证体系包括遥测数据接收与解析系统、目标任务接收与处理系统、自主任务规划智能计算系统、执行指令和注入文件序列输出系统、自主任务规划验证系统、指令上行系统。通过自主任务规划地面验证体系及方法的应用，有效提高飞控支持的智能化水平，提升任务实施的自主性。

说明书

技术领域

本发明涉及用于飞行控制的自主任务规划地面验证体系及方法，属于航天器飞行控制领域。

背景技术

传统飞行控制模式下，所有任务均由地面人工根据各种约束条件和目标值进行规划，由地面人员实现编排后生成空间站指令序列发送至空间站执行。

考虑到长期在轨型号的任务特点和运行需求，在型号设计中考虑了长期运营的成本，设计了一定的自主控制元素，具备一定的自主控制能力。但是由于飞行任务输入的机动性、外界信息的不完整，大部分任务执行仍需要地面干预和支持，由地面飞控人员根据各种约束条件和目标值进行人工规划，在地面控制下实施，长期地面运营成本高昂。对于天地协同要求高的复杂任务，对地面飞控人员反应能力也提出了较高要求，面对紧急任务地面准备工作较多，处置周期较长。

另外，根据飞控模式的自主任务规划能力，如果直接在轨应用，势必存在一定的风险。任何算法的执行都需要切实有效的地面验证，才能真正在轨部署和运行。对于研究热度很高的航天器健康管理等类似智能技术，理论研究深厚，但是还没有真正付诸于工程实践。如果真正要将健康管理加入到工程应用中，务必需要经过长期的地面和在轨验证。因此，相较于软件算法层的验证，目前更为需要的是搭建一个地面验证体系，基于此试验体系，进行多领域的自主任务规划及验证。

发明内容

本发明的技术解决问题是：为了克服现有技术的不足，在地面飞行控制体系架构和试验条件的基础上，提出了一种用于飞行控制的自主任务规划地面验证体系及方法，将飞行任务的任务规划、计划生成和执行指令上行过程转交给自主任务规划地面验证体系完成，可以有效提高地面飞控支持的智能化水平，提升任务实施的自主性。

本发明的技术解决方案是：

一种用于飞行控制的自主任务规划地面验证体系，包括遥测数据接收与解析系统、目标任务接收与处理系统、自主任务规划智能计算系统、执行指令和注入文件序列输出系统、自主任务规划验证系统、指令上行系统；其中，

遥测数据接收与解析系统用于接收和解析在轨航天器下行的遥测数据；

目标任务接收与处理系统用于接收目标任务，并处理为指定格式的目标口令；

自主任务规划智能计算系统接收遥测数据接收与解析系统输出的遥测数据、目标任务接收与处理系统输出的目标口令，进行任务分析与计算，得出控制策略，解析为任务作业序列并输出；自主任务规划智能计算系统接收自主任务规划验证系统反馈的验证数据，判断此次任务规划是否满足任务目标，将满足任务目标的任务作业序列进行标记并再次输出；

执行指令和注入文件序列输出系统接收自主任务规划智能计算系统输出的任务作业序列，将未标记的任务作业序列逐一输出至自主任务规划验证系统；将已标记的任务作业序列进行判断，符合指定要求的任务作业序列逐一输出至指令上行系统；

自主任务规划验证系统接收执行指令和注入文件序列输出系统输出的任务作业序列，进行仿真验证，并向自主任务规划智能计算系统反馈验证数据。

指令上行系统用于将接收到的任务作业序列上行至在轨航天器。

优选的，自主任务规划智能计算系统包括控制策略智能计算模块和执行序列编排模块；其中，

控制策略智能计算模块包括控制策略生成单元、验证结果判断单元；

控制策略生成单元接收遥测数据接收与解析系统输出的遥测数据、目标任务接收与处理系统输出的目标口令，进行任务分析与计算，得出控制策略；

验证结果判断单元接收自主任务规划验证系统输出的验证数据，根据验证数据中验证后的航天器状态参数，判断是否满足任务目标；若满足任务目标，则认定本次规划的控制策略有效，将验证数据中的任务作业序列做标记后输出；

执行序列编排模块接收控制策略生成单元的控制策略，解析为任务作业序列。

优选的，执行序列编排模块接收控制策略，若控制策略为空，则表明在轨航天器的状态已满足任务目标，无需再次控制，本次规划验证结束；若控制策略不为空，则对控制策略进行解析处理，生成可执行的遥控指令和注入文件，并编排执行顺序，输出任务作业序列。

优选的，执行指令和注入文件序列输出系统接收执行序列编排模块输出的未标记任务作业序列，将此任务作业序列逐一输出至自主任务规划验证系统；执行指令和注入文件序列输出系统接收验证结果判断单元输出的已标记任务作业序列，根据任务作业序列内容进行判断，若是用来控制在轨航天器的任务作业序列，则将此任务作业序列逐一输出至指令上行系统。

优选的，自主任务规划验证系统包括指令序列接收模块，仿真验证模块和存储记录模块；

指令序列接收模块用于接收执行指令和注入文件序列输出系统输出的任务作业序列；

仿真验证模块用于读取任务作业序列进行仿真完成验证，并将任务作业序列及验证结果反馈给验证结果判断单元；

存储记录模块用于记录验证过程、部署执行过程中所需要的数据。

优选的，还包括实物验证系统，接收执行指令和注入文件序列输出系统输出的任务作业序列，基于实物仿真模型进行验证，验证结果由人工判断，根据执行后的航天器状态参数判断是否满足任务要求，确定本次规划的控制策略是否有效。

优选的，目标任务接收与处理系统包括人机交互模块和任务处理模块；

人机交互模块用于接收目标任务和相关约束，目标任务和相关约束的数据内容包括“任务类型”“指标要求”“约束条件”；

任务处理模块将接收到的目标任务进行处理，以xml、txt或excel格式输出给自主任务规划智能计算系统。

优选的，还包括可扩展系统，用于实现对未来航天智能技术的试验验证或航天器健康管理自主生成预警；可扩展系统接收遥测数据接收与解析系统的遥测数据，进行数据分析和预测，自主生成目标任务和约束，将目标任务和约束传送至目标任务接收与处理系统。

一种用于飞行控制的自主任务规划地面验证方法，包括：

1)接收和解析航天器在轨下行遥测数据，以当前飞行状态构建自主任务规划初始状态；

2)根据任务目标、约束和当前飞行器状态，计算得出控制策略；

3)根据控制策略，对策略内容不为空的控制策略进行推理、联系、判断或决策，解析处理为可执行的遥控指令和注入文件，并编排执行顺序，输出任务作业序列；反之，则结束本次规划验证；

4)基于遥测数据及任务作业序列，进行仿真校验，并输出验证数据；

5)根据验证数据中的执行后飞行器状态参数，判断是否满足任务目标，确定本次规划的控制策略是否有效；若满足任务目标，则认定本次规划的控制策略有效；若不满足任务目标，则返回步骤2重新进行规划验证；

6)根据任务目标类型，将需要对在轨航天器进行控制的、已验证控制策略有效的任务作业序列上行传输至在轨航天器。

优选的，在步骤4中，基于遥测数据及任务作业序列，还能够进行实物仿真验证，验证结果由人工判断，若满足任务目标，则认定本次规划的控制策略有效，执行步骤6；若不满足任务目标，则返回步骤2重新进行规划验证。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1)本发明在地面飞控架构中创造性地引入了自主任务规划计算与验证，将自主完成任务规划、计划生成和结果验证，可大力支撑地面飞控工作，有效提高地面飞控支持的效率，提升任务实施的自主性，节省地面运营成本和人力成本；

2)本发明可以面向数学仿真和实物系统进行控制策略的验证，灵活应对不同任务的工作模式，以适应不同的验证阶段和部署运行阶段的不同使用需求；

3)本发明可提供丰富的软件生态环境，有效支撑自主运行等关键技术和预研项目的验证，为推动航天器自主在轨任务规划的各项核心技术走向工程实用奠定基础。

附图说明

图1为本发明一种航天器飞行控制系统示意图；

图2为本发明实施例生成的目标口令示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明作进一步详细地描述：

如图1所示，本发明提出的一种用于飞行控制的自主任务规划地面验证体系，包括遥测数据接收与解析系统、目标任务接收与处理系统、自主任务规划智能计算系统、执行指令和注入文件序列输出系统、自主任务规划验证系统、实物验证系统、指令上行系统、可扩展系统。

遥测数据接收与解析系统具备与遥测遥控通信接口能力，用于接收和解析在轨航天器下行的遥测数据。该系统属于飞控体系常规系统，本发明可选择直接应用型号飞控架构中的遥测数据接收与解析系统。

目标任务接收与处理系统用于接收目标任务，并处理为指定格式，传递给自主任务规划智能计算系统。此系统包括人机交互单元和任务处理单元，人机交互单元用于接收目标任务和约束条件，一般以“任务类型”、“指标要求”、“约束条件”等形式对目标任务进行输入或在已有选项中选择，任务处理单元将接收到的目标任务进行处理，并可用xml、txt、excel等格式输出给自主任务规划智能计算系统。

自主任务规划智能计算系统根据目标任务接收与处理系统给出的任务目标和约束条件、遥测数据接收与解析系统给出的遥测数据，计算得出控制策略，针对计算得出的控制策略进行处理，最终描述为航天器可执行的、由遥控指令和注入文件组成的任务作业序列。

自主任务规划智能计算系统包括控制策略智能计算模块和执行序列编排模块。控制策略智能计算单元包括控制策略生成单元、验证结果判断单元。其中，控制策略生成单元接收遥测数据接收与解析系统输出的遥测数据、目标任务接收与处理系统输出的目标口令，进行任务分析与计算，得出控制策略；验证结果判断单元接收自主任务规划验证系统输出的验证数据，根据验证数据中验证后的航天器状态参数，判断是否满足任务目标；若满足任务目标，则认定本次规划的控制策略有效，将验证数据中的任务作业序列做标记后输出。

执行序列编排模块接收控制策略生成单元输出的控制策略，若控制策略为空，则表明在轨航天器的状态已满足任务目标，无需再次控制，本次验证任务结束；若控制策略不为空，则对控制策略进行推理、联系、判断或决策，解析处理为可执行的遥控指令和注入文件，并编排执行顺序，输出任务作业序列。

执行指令和注入文件序列输出系统接收执行序列编排模块输出的未标记任务作业序列，将此任务作业序列逐一输出至验证系统；执行指令和注入文件序列输出系统接收验证结果判断单元输出的已标记任务作业序列，根据任务作业序列内容进行判断，若是用来控制在轨航天器的任务作业序列，则将此任务作业序列逐一输出至指令上行系统。

对任务作业序列的试验验证，可以应用自主任务规划验证系统进行数字仿真验证，也可向实物验证系统进行输出，完成系统级实物校验。

自主任务规划验证系统接收执行指令和注入文件序列输出系统输出的任务作业序列，进行仿真验证，记录验证过程、部署执行过程中的所需要的数据，向自主任务规划智能计算系统反馈验证数据。此系统包括指令序列接收模块，仿真验证模块和存储记录模块，指令序列接收模块用于接收执行指令和注入文件序列输出系统输出的指令序列，仿真验证模块用于读取指令并进行控制策略的仿真验证，并将验证结果反馈给自主任务规划智能计算系统的验证结果判断单元，存储记录模块用于记录验证结果和过程数据。当任务处于算法和软件的研发试验阶段，可数字仿真和实物系统验证相结合，应用实物验证系统对任务作业序列进行辅助验证；当任务处于投入地面飞控的部署运行阶段，或地面飞控不具备实物系统验证条件时，可独立应用自主任务规划验证系统进行仿真验证。

实物验证系统可接收执行指令和注入文件序列输出系统输出的任务作业序列，进行实物级验证。该系统属于飞控体系可配备的元素，本发明的体系可按照型号需求应用型号飞控架构中的实物验证系统。经实物级验证后，可由地面飞控人员根据执行后的飞行器状态参数判断是否满足任务要求，来确定本次规划的控制策略是否有效。

指令上行系统用于将验证后的任务作业序列上行传输至在轨航天器，该系统属于飞控体系常规元素，本发明的体系可选择直接应用型号飞控架构中的指令上行系统。

可扩展系统用于扩展增加未来航天智能技术验证等功能，可结合健康管理自主生成预警，可进行智能自主技术的试验验证，给出后续执行策略建议。可扩展系统接收遥测数据接收与解析系统的遥测数据，根据当前的飞行器状态参数，进行数据分析和预测，给出预警信息或后续执行策略建议，自主生成目标任务，将目标任务传输给目标任务接收与处理系统，由自主任务规划智能计算系统计算得出控制策略，输出任务作业序列，再经执行指令和注入文件序列输出系统将此任务作业序列逐一输出至自主任务规划验证系统进行验证，验证数据再反馈至自主任务规划智能计算系统，判断是否满足任务目标。

一种用于飞行控制的自主任务规划地面验证方法，包括：

1)接收和解析航天器在轨下行遥测数据，以当前飞行状态构建自主任务规划初始状态；

2)根据任务目标、约束和当前飞行器状态，计算得出控制策略；

3)根据控制策略，对策略内容不为空的控制策略进行推理、联系、判断或决策，解析处理为可执行的遥控指令和注入文件，并编排执行顺序，输出任务作业序列；反之，则结束本次规划验证；

4)基于遥测数据及任务作业序列，进行仿真校验，并输出验证数据；

5)根据验证数据中的执行后飞行器状态参数，判断是否满足任务目标，确定本次规划的控制策略是否有效；若满足任务目标，则认定本次规划的控制策略有效；若不满足任务目标，则返回步骤2重新进行规划验证；

6)根据任务目标类型，若是需要对在轨航天器进行控制的任务，则将已验证控制策略有效的任务作业序列上行传输至在轨航天器。若是对未来航天智能技术验证的任务、健康管理自主生成预警等任务，则无需上行传输。

在步骤4中，基于遥测数据及任务作业序列，还能够进行实物仿真验证，验证结果由人工判断，若满足任务目标，则认定本次规划的控制策略有效，执行步骤6；若不满足任务目标，则返回步骤2重新进行规划验证。

以下通过具体实施方式对本发明进行详细说明：

以地面飞行控制中需反复执行的轨道维持工况为例，介绍本发明的自主任务规划地面验证方法。

1)接收和解析航天器在轨下行遥测数据，确定当前航天器的轨道信息、姿态信息、当前工作模式、帆板状态信息等相关状态，构建自主任务规划的初始状态。

2)输入目标任务和约束条件：

目标任务：维持轨道高度为393±10km，偏心率e<1E-3；

约束条件：选择在阳照区执行轨控；

轨道维持后恢复轨道维持前的飞行模式；

对该任务进行处理，输出txt格式如图2所示：

(1)任务类型：轨道维持；

(2)指标要求：针对任务类型“轨道维持”，进行子选项设置：

(3)约束条件：

制定控制策略：根据任务目标和约束条件，结合飞行器当前状态信息，确定飞行器轨道参数是否满足要求，是否需要进行轨控；通过分析确认轨道参数不满足指标要求，需要轨控，则进一步计算确定轨控方式，如时间关机或速度增量关机，确定轨道变化形式，如升轨、降轨、圆化等，并考虑阳照区、飞行模式恢复这两个约束条件，自主确定轨控时刻与喷气时长，得出执行轨控开始时刻船时T0，以及轨控发动机开机时间T1和关机时间T2；记录飞行器当前飞行模式，确定转入轨控模式和恢复原飞行模式的方式；记录飞行器帆板当前工作模式，确定转入和转出轨控模式时需要对帆板进行的操作。

3)根据控制策略，分析形成该任务需执行的指令序列，包括指令序列包含帆板水平归零、转轨控模式、轨控发动机开机、轨控发动机关机、退出轨控模式、帆板捕获，并将计算得出的轨控时刻与喷气时长转换生成为轨控发动机开关机时间令，同时统筹规划需要在轨控完成后根据原飞行模式设计指令，进行最终的状态恢复。最后将决策形成的遥控指令和时间令解析处理为可执行的遥控指令和注入文件，并编排执行顺序，输出任务作业序列，如表1所示。

表1本实施例生成的任务作业序列

4)以当前飞行状态为初始状态，逐一输入自主生成的任务作业序列，对已生产的执行指令序列和注入数据进行仿真验证，序列执行完毕后，计算收集执行后的轨道数据、姿态数据、飞行模式等信息，完成控制策略的仿真级校验。

5)根据验证后的飞行器轨道参数确认轨道维持效果和飞行状态恢复情况，确认已满足轨道维持要求的高度要求，且飞行状态恢复正常，认定此次自主任务规划有效。

6)将验证无误的任务作业序列上行至在轨航天器。

在引入自主任务规划地面验证后，可有效验证自主规划轨道维持任务的功能，并可将地面飞控人员从重复性的规划工作中解放出来，提高轨道维持任务的执行效率。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。