基于卫星地面站天线状态预测的任务再规划_张媛媛.pdf

第 卷第期 年月 ，气象科技 基于卫星地面站天线状态预测的任务再规划张媛媛贾树泽郎宏山马友田思维（中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室国家卫星气象中心（国家空间天气监测预警中心），许健民气象卫星创新中心，北京，）摘要集成运行控制系统（，）是极轨气象卫星地面应用系统的重要系统之一，其主要作用之一是规划多卫星地面站接收任务，确保全球资料的完整获取。当卫星地面站某个天线出现异常或不可用时，若仍按原有的任务规划进行数据接收，将直接造成全球资料的不完整，因此需要研究卫星地面站天线状态的预测和相应的任务再规划技术，从而及时发现和处理卫星地面站的天线异常、降低连续多轨数据接收失败风险，最终达到提高极轨气象卫星数据接收成功率的目的。文章设计了基于统计分析的卫星地面站天线状态预测方法，并研究了对后续系统运行改变最小、易实现和结果可复核的任务再规划方法。关键词极轨气象卫星；集成运行控制系统；卫星地面站；天线状态预测；任务再规划中图分类号：文献标识码：气象科技作者简介：张媛媛，女，年生，博士，高工，主要研究方向为极轨气象卫星运行技术，：收稿日期：年月 日；定稿日期：年月日引言集成运行控制系统（，）是极轨气象卫星地面应用系统的重要组成部分，该系统根据在轨卫星的运行轨道与状态、各卫星地面站（文中简称地面站）的位置及数据接收资源状况，规划全系统各地面站在轨卫星遥感数据未来几天的接收任务，接收任务精细规划到每个地面站的接收天线。数据质量的好坏严重影响着数据的应用，针对自动站和地面站等数据质量检测和控制已进行了大量的研究 ，但均未研究地面站天线异常时如何提高原始数据的质量。为保证天线异常时后续数据的质量，需对天线后续状态进行预测并基于预测结果进行任务再规划。任务 再 规 划 也 是 一 种 任 务 规 划 问 题。美 国 等人设计了随机启发式搜索和系统回溯搜索相结合的混合算法，用于解决深空网络与地面设施中期（周至个月）和长期（超过个月）的通信任务计划制定问题。印度 等研究了遗传算法对可见性冲突的优化解决方法，用于解决 测控任务规划问题。韩国 等研究了遗传算法，用于解决多星多站成像任务调度优化问题。国防科学技术大学的李云峰等研究了卫星地面站数传调度问题，明确定义了卫星数传需求、卫星数传任务和可用时间窗口等基本概念，建立了卫星数传调度约束满足优化模型 。西安电子科技大学的冯阳研究了遗传算法和模拟退火，用于解决对地观测任务的规划问题。中国电子科技集团公司第五十四研究所申请了 一种基于模拟退火算法的对地观测卫星任务规划方法、一种基于统计学习的 卫 星 数 据 接 收 资 源 预 规 划 方 法两 项 专利 ，公开了使用模拟退火算法和基于统计学习的规划方法。中国科学院遥感与数字地球研究所和中国电子科技集团公司第五十四研究所联合申请了 卫星接收任务分配方法 一项专利，公开了采用分治法和遗传算法实现任务分配的方法。综上，国内外针对不同的需求对任务规划问题已展开了大量的研究，但采用的算法具有随机搜索的特点，虽然可以解决相应的规划问题，但不能保证针对同一规划问题多次的求解结果是相同的，同时也有一些文献从地面接收系统角度研究天线异常检测问题 ，随着自动化和智能分析技术应用越来越广泛 ，研究系统如何自动进行天线异常预测和基于预测结果进行任务再规划时如何保证接收任务变化最小，且再规划结果唯一，对提高业务系统的异常自动化处理能力、保证系统运行稳定性和规划结果的可复核性具有重要意义。接收任务规划针对地面站天线的任务规划又可称为接收任务规划，是指规划出各地面站使用哪个天线在哪个时间段接收哪颗卫星的数据，因此规划结果包括卫星、轨道号、所用天线、天线开始接收数据时间和结束接收数据时间等信息。该功能已在 中实现，其详细工作流程如图所示：每日定时获取最新的卫星轨道根数；每日定时使用最新的轨道根数外推计算未来相应时间点的轨道信息；利用轨道外推结果、数据接收方案配置和数传需求分析生成每颗卫星的接收时间表（后面简称单星时间表）；根据单星时间表按站生成各地面站对所有卫星的接收时间表（后面简称地面站时间表）；根据地面站时间表和地面站可用天线配置信息生成地面站接收计划；经过正确性校验后由 按约定时间发送给各地面站，若校验不通过则立即告警，技术人员根据告警信息进行异常处理并手动再次执行该流程，直至校验通过。图接收任务规划流程其中卫星数据接收方案配置是根据卫星下传数据的参数设置进行配置的，不考虑地面站的接收资源情况，只包括卫星数据接收地面站信息、卫星数据下传约束条件 等配置，数传需求分析则是根据卫星观测数据量和数传速率分析所需的数传时间。生成地面站接收计划时，要考虑地面站的接收资源情况，由于接收资源除天线外，其他设备均有主备两套，因此地面站的接收资源配置即为地面站可用天线配置。地面站可用天线配置主要配置哪些天线可用，不考虑天线的实际状态。地面站可用天线配置是由人工进行预先设置的，并在接收任务规划时使用的，由于接收任务规划每日定时执行一次，无法应对两次接收任务规划期间某个天线突然异常的情况，会造成接收任务仍由异常天线执行，最终导致数据无法正常接收。为了解决这个问题，文章研究了天线状态预测与任务再规划技术，用于及时预测最新的天线状态，并对无法正常执行的接收任务再次进行规划。天线状态预测为了及时获取和预测天线状态，文章设计了个文件（天线状态文件和天线状态后验文件），利用这个文件结合相应的预测方法来实现天线状态预测，并根据预测结果更新地面站天线状态配置。地面站天线状态信息获取位于各地面站的地面接收系统向 发送最新的天线状态文件，文件名和文件内容设计如下，检测到新的天线状态文件后，获取最新的地面站天线状态信息并进行天线状态预测和地面站天线状态配置更新操作。天线状态文件名为：天线状态文件的内容：，其中，为地面站名的缩写，如表所示。为各地面站的天线编号，格式为，其中取值范围为，天线总套数。分别对应状态文件更新时间（）的年月日时分秒。为下传数据的卫星名称，如表所示。表示天线状态，如表所示，由气象科技第 卷天线状态文件可得到地面站每个天线的最新状态和可以接收的卫星数据。表地面站名缩写序号站名缩写地面站中文名备注 北京站 广州站 乌鲁木齐站 佳木斯站 喀什站基律纳站简称为北极站 南极 站简称为南极站表卫星名称序号卫星名称卫星系列 、中国风云三号气象卫星 中国二氧化碳观测卫星 、国外极轨卫星表天线状态序号天线状态备注 天线正常 天线异常不可用 地面站天线状态分析为了预测下一轨数据接收时的天线状态，根据最新收到的两轨数据接收情况来分析最新的天线状态，生成最新的天线状态后验文件，并依此状态作为下一轨天线状态的预测结果，文件名为 ，文件内容同天线状态文件，生成天线状态后验文件步骤如下：步骤：轨道数据质量检测。在最新一轨数据全部到达 后，分析最新的两轨数据是否接收正常。系统中已经设计了质量文件，该文件中包含接收到的一轨数据的质量信息，通过分析误码率和丢包率判断该天线状态是否正常。若至少有一轨数据正常，直接结束此次预测，不生成新的天线状态后验文件，若连续两轨数据异常，则进入步骤。步骤：天线状态预测。每条轨道数据接收完毕，系统自动将全部接收设备轨道过境期间的状态信息以日志文件的形式通过设备状态文件推送模块传输到 ，设备状态文件包括数据记录的世界时日期时间信息（精确到毫秒）、天线运行的俯仰角度、天线运行方位角度等信息，根据该文件通过分析天线运行的俯仰角度、方位角度的变化来获取天线状态，如果天线状态正常，直接结束此次预测，不生成新的天线状态后验文件，若异常，则认为天线状态为异常，且认为下一轨天线状态也为异常，生成新的天线状态后验文件，将相应天线状态标为异常。天线状态预测流程和方法天线状态预测是为了为后续接收任务进行科学合理的规划，尽量避免使用异常天线造成连续多轨数据接收失败。当检测到有新的天线状态文件或天线状态后验文件时，则按以下步骤进行天线状态预测：步骤：比对最新的天线状态文件和天线状态后验文件的内容，若内容一致，则完成此次预测，根据天线状态后验文件内容更新地面站天线状态配置信息，其中天线状态配置信息的初始值为所有天线均正常。若结果不一致，则进入步骤。步骤：若天线状态文件的生成时间晚于天线状态后验文件的生成时间，即天线状态文件内容更新，以天线状态文件为准，完成此次预测，更新地面站天线状态配置信息；否则，进入步骤。步骤：引入预测准确率，计算方法如下：（，），（），（）其中，（，）表示 地面站第个天线第次预测时的预测准确率。为地面站名的缩写，选值见表。表示第次预测时预测准确的累计次数。当天线预测次数达到 （）次时，预测准确率使用统计值。当（，）时，表示天线状态后验文件更准确，以最新的天线状态后验文件为依据，否则以最新的天线状态文件为依据更新地面站天线状态配置信息。接收任务再规划接收任务再规划与接收任务规划不同，接收任务再规划是在已有的接收任务规划基础上，仅针对异常天 线 上 的 后 续 接 收任 务 进 行 接 收 天 线 的 再分配。接收任务再规划原则当地面站天线状态配置信息发生变化，表现为第期张媛媛等：基于卫星地面站天线状态预测的任务再规划某个天线发生异常时，此时需要对地面站任务再规划。接收任务规划是对所有地面站所有卫星的接收任务进行统一规划，为天线任务的加载预留了充足的时间。当检测到某个地面站的某个天线发生异常时，如果按原有的任务规划方法对地面站后续所有接收任务进行重新规划，需要取消所有天线后续的加载任务后再加载新的任务，考虑到多个天线接收任务时间不同，取消任务和加载新任务的时机选择太过繁冗复杂。为了降低新任务加载的复杂度，任务再规划时应尽量减少原有任务规划的变化，仅规划异常天线的接收任务，且采用“先占优先”的原则，即新的要规划的接收任务在目标天线接收任务集中存在冲突轨道，即使已有轨道接收任务优先级低，新的要规划的接收任务也要采用避让的原则，选择其它天线。这不仅可降低任务加载的工作量和复杂度，而且再规划的任务可看作是新增加的临时接收任务，与系统临时接收任务的加载、接收流程完全相同，简化了系统的接口设计。图轨道冲突原理示意（和分别表示轨道的开始和结束接收时间，）轨道冲突检测轨道冲突定义：当同一天线在某一时间段需要同时接收或准备接收颗及以上卫星数据时，即称发生了轨道冲突。如图所示，（，）表示轨道的开始接收时间；（，）表示轨道的结束接收时间。某一天线的接收任务中轨道与轨道的接收时间有重叠，意味着在，时间段内该天线需要同时接收两颗卫星的数据，即发生轨道冲突，轨道与轨道虽然接收时间没有重叠，但考虑到天线最短复位时间，当轨道的开始接收时间与轨道的结束接收时间差小于天线最短复位时间时，意味着在 ，时间段内该天线在接收轨道数据时，还要为接收轨道数据做轨道复位准备，这时轨道与轨道也发生了轨道冲突。因为正常天线上已有的任务是不存在轨道冲突的，所以对要进行任务再规划的轨道而言，轨道冲突检测分析方法为：当该轨道分配到目标天线上时，其开始接收时间减去天线最短复位时间与上一条轨道的结束接收时间有交集或其结束接收时间加上天线最短复位时间与下一条轨道的开始接收时间有交集时，说明该轨道与其它轨道发生了轨道冲突。基于冲突消除的任务再规划文章采用改进的插入排序法将接收任务重新分配到一个已有任务规划的天线上去。该插入排序法要考虑冲突消除问题，具体方法如下：取出异常天线上已规划的任务信息，该任务已按时间顺序进行排序；按时间先后顺序取出时间最早的要进行再规划的任务作为新任务；卫星可用天线优先级配置表内容如表所示，根据该表找到新任务所对应的天线优先级；根据可用天线优先级配置找到优先级最高的天线；取出该天线的任务信息，作为已排序的任务序列；根据新任务的开始时间从已排序的任务序列中从后往前扫描；如果新任务的开始时间早于该任务（已排序）的开始时间，将新任务移到前一位置；重复直到找到已排序的任务的开始时间早于新任务的开始时间的位置；将新任务与前一位置和后一位置的任务进行轨道冲突检测分析，若不存在轨道冲突，则将新任务插入到位置，否则找出下一优先级的天线，重复直到找到可