一种基于单星工作模式的卫星在轨管理态势模型的建立方法

摘要

本发明提供了一种基于单星工作模式的卫星管理态势模型建立的方法，该方法包括以下步骤：1)在轨卫星管理态势工作模式的表示；2)在轨卫星管理模式的要素表示；3)在轨卫星管理态势模式的确立；4)卫星管理态势模型的建立。本发明通过在轨卫星管理了模式的建立，卫星态势属性集合的建立、卫星态势管理模型设计三个步骤，实现卫星管理态势模型的建立。

权利要求

1.一种基于单星工作模式的卫星管理态势模型建立的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

1)在轨卫星管理态势工作模式的表示；

所述步骤1)的具体步骤为：在卫星管理态势模式的建立过程中，必须建立态势特征与态势识别的对应关系：设管理态势模式集合为M＝{G,F,D}，其元素为在轨卫星管理中可能出现的全部态势分类，在轨卫星管理态势要素分为三个层次进行描述：第一个层次是从卫星设计方面来描述分为小卫星和大卫星，用集合D表示；第二个层次是对卫星功能的描述分为导航、对地观测和通信用集合F表示；第三个层次是对卫星轨道的描述分为高轨和低轨两种用集合G表示；其中G＝{高轨，低轨}F＝{导航，遥感，通信}，D＝{大卫星，小卫星}；

2)在轨卫星管理模式的要素表示；

根据步骤1)得到的在轨卫星管理态势模式，建立各种管理模式下的要素；管理态势模式要素的表示，建立某一时刻t下的模式要素如下：S(t)＝{P1(t),P2(t),...,Pn(t)}，其中，Pi(t)(i＝1,2,...,n)表示某一个时刻的要素集合：Pi＝{健康状态、故障诊断、数传门开/关、精轨注入、业务数据注入，地月影管理、点火时刻、点火时长、推进剂使用情况}，卫星管理态势模式要素是在卫星管理中所需要和关心的影响在轨管理安全的要素；

3)在轨卫星管理态势模式的确立；

所述步骤3)的具体步骤为：根据步骤2)中对在轨卫星管理态势模式的表示，用集合T{X,Y,Z}表征卫星管理态势的全部特性集合；在轨卫星管理态势模式的确立过程就是态势特征集合和态势模式集合的一种一一对应的函数关系：f:T→M

4)卫星管理态势模型的建立；

所述步骤4)的具体步骤为：在轨卫星管理态势模型的建立需要以事件为牵引，这里的事件是指轨道机动任务或直接指令的执行；根据步骤3)确立的卫星管理态势模式，以上述事件为牵引，确立在轨卫星管理态势。

2.根据权利要求1所述的基于单星工作模式的卫星管理态势模型建立的方法，其特征在于：所述步骤2)中，根据步骤1)组合形成的在轨卫星管理态势模式具有静态特性和动态特性两种属性；其中静态特性包括轨道类型、姿态稳定度、平台健康状态、载荷开关机状态；

动态特性包括任务完成情况、资源占用率、时效性。

3.根据权利要求2所述的基于单星工作模式的卫星管理态势模型建立的方法，其特征在于：所述步骤2)中，在轨卫星管理态势模式要素集合分属于各个管理态势模式下的静态特性和动态特性，其中，静态特性由通用态势要素和特殊态势要素两部分组成，通用态势模式要素是指在轨管理中需要做的经常性的工作，每天都需要完成的，包括卫星设计的轨道高度、形状、倾角、星下点轨迹、健康状态、故障诊断情况，数传门开/关，业务数据注入，特殊态势要素是指那些发生频次相对较低，在某种特定时间需要完成的，某种特定时间是指地月影管理、整星校时；动态要素是指由非计划内事件驱动的卫星管理态势，包括轨道机动情况：点火时刻、点火时长和推进剂使用情况，碰撞规避，备份启用；动态特性包括的要素有任务开始时间、结束时间、任务时延。

4.根据权利要求3所述的基于单星工作模式的卫星管理态势模型建立的方法，其特征在于：所述步骤4)中确立在轨卫星管理态势是首先以某时刻发生某事件为前提，考察卫星管理态势模式静态特性，接着分析随时间推移引起的态势静态特性的变化，最后得到事件发生后最终的在轨卫星管理态势。

说明书

一种基于单星工作模式的卫星在轨管理态势模型的建立方法

技术领域

[0001] 本发明属于航天测量与控制领域，具体涉及一种基于单星工作模式的卫星在轨管理态势模型的建立方法。

背景技术

[0002] 我国在轨卫星数量增加，以及未来大规模星座以及大数量卫星的出现为在轨卫星管理提出了新的挑战。依靠人工数据审核或半自动的数据加工审核系统已经无法满足对大数量卫星的管理需要。

[0003] 目前各在轨卫星管理单位主要依靠自动化调度软件、数据加工平台和监视软件、故障诊断软件等自研软件对卫星进行管理，花费较多的人工和精力，随着卫星数量的增加需要通过增加人员和设备的方式进行管理。即使这样也会出现工作任务繁重，影响管理质量和效益的情况。因此，急需在管理方式方法上进行重新的整合、合理的规划。

发明内容

[0004] 为克服现有管理方式的不足，本发明提供了一种基于单星工作模式的卫星管理态势模型建立的方法，通过在轨卫星管理了模式的建立，卫星态势属性集合的建立、卫星态势管理模型设计三个步骤，实现卫星管理态势模型的建立。

[0005] 本发明的技术解决方案是：本发明为一种基于单星工作模式的卫星管理态势模型建立的方法，其特殊之处在于：该方法包括以下步骤：

[0006] 1)在轨卫星管理态势工作模式的表示；

[0007] 2)在轨卫星管理模式的要素表示；

[0008] 3)在轨卫星管理态势模式的确立；

[0009] 4)卫星管理态势模型的建立。

[0010] 进一步的，步骤1)的具体步骤为：在卫星管理态势模式的建立过程中，必须建立态势特征与态势识别的对应关系：设管理态势模式集合为M＝{G,F,D}，其元素为在轨卫星管理中可能出现的全部态势分类，在轨卫星管理态势要素分为三个层次进行描述：第一个层次是从卫星设计方面来描述分为小卫星和大卫星，用集合D表示；第二个层次是对卫星功能的描述分为导航、对地观测和通信用集合F表示；第三个层次是对对卫星轨道的描述分为高轨和低轨两种用集合G表示；其中G＝{高轨，低轨}F＝{导航，遥感，通信}，D＝{大卫星，小卫星}。

[0011] 进一步的，步骤2)的具体步骤为：根据步骤1)得到的在轨卫星管理态势模式，建立各种管理模式下的要素。管理态势模式要素的表示，建立某一时刻t下的模式要素如下：S(t)＝{P1(t),P2(t),...,Pn(t)}，其中，Pi(t)(i＝1,2,...,n)表示某一个时刻的要素集合：Pi＝{健康状态、故障诊断、数传门开/关、精轨注入、业务数据注入，地月影管理、点火时刻、点火时长、推进剂使用情况}，卫星管理态势模式要素是在卫星管理中所需要和关心的影响在轨管理安全的要素。

[0012] 进一步的，步骤2)中，根据步骤1)组合形成的在轨卫星管理态势模式具有静态特性和动态特性两种属性；其中静态特性包括轨道类型、姿态稳定度、平台健康状态、载荷开关机状态；动态特性包括任务完成情况、资源占用率、时效性。

[0013] 进一步的，步骤2)中，在轨卫星管理态势模式要素集合分属于各个管理态势模式下的静态特性和动态特性，其中，静态特性由通用态势要素和特殊态势要素两部分组成，通用态势模式要素是指在轨管理中需要做的经常性的工作，每天都需要完成的，包括卫星设计的轨道高度、形状、倾角、星下点轨迹、健康状态、故障诊断情况，数传门开/关，业务数据注入，特殊态势要素是指那些发生频次相对较低，在某种特定时间需要完成的如地月影管理、整星校时等；动态要素是指由事件(非计划内)驱动的卫星管理态势，包括轨道机动(点火时刻、点火时长和推进剂使用情况)，碰撞规避，备份启用等；动态特性包括的要素有任务开始时间、结束时间、任务时延。

[0014] 进一步的，步骤3)的具体步骤为：根据步骤2)中对在轨卫星管理态势模式的表示，用集合T{X,Y,Z}表征卫星管理态势的全部特性集合；在轨卫星管理态势模式的确立过程就是态势特征集合和态势模式集合的一种一一对应的函数关系：

[0015] f:T→M

[0016] 通过这种方式，可以达到对在轨卫星管理态势模式认知的目的。

[0017] 进一步的，步骤4)的具体步骤为：在轨卫星管理态势模型的建立需要以事件为牵引，这里的事件是指轨道机动任务或直接指令的执行等；根据步骤3)确立的卫星管理态势模式，以上述事件为牵引，确立在轨卫星管理态势。

[0018] 进一步的，步骤4)中确立在轨卫星管理态势是首先以某时刻发生某事件为前提，考察卫星管理态势模式静态特性，接着分析随时间推移引起的态势静态特性的变化，最后得到事件发生后最终的在轨卫星管理态势。

[0019] 本发明提供的基于单星工作模式的卫星管理态势模型建立的方法，区别于传统的高、低轨管理模式，从卫星功能(应用)的角度出发，将其分为各个不同的功能如导航、地对观测以及通信等并融合高低轨卫星的轨道特点，分离出一种新的在轨卫星的管理模式。其包括在轨卫星管理模式的建立方法、在轨卫星管理态势的属性集建立方法以及在轨卫星管理态势的模型设计三个方面的内容。同时建立卫星管理态势的属性集，并且在全集的基础上，每种分离出的管理子集有其特殊的属性集合，特殊属性是由卫星设计、卫星应用和卫星轨道三个方面所包含的属性集合的并或与而组成的。卫星态势管理模型的建立以管理事件或任务事件为牵引，并由卫星在轨管理工作模式和卫星在轨管理态势静态要素两部分组成，其中卫星在轨管理工作模式是满足卫星设计、卫星功能和卫星轨道三个类别中每个类别中的一个元素组成的集合；卫星在轨管理态势静态特性要素是由通用要素和特殊要素组成的集合。当事件发生时，卫星在轨管理的态势工作模式不会变化，因此，由态势工作模式可以获得卫星在轨管理态势的静态特性要素，而动态特性要素需要从事件总获得。因此，本发明的有益效果是：本发明针对在轨卫星管理模式无法满足未来大数量卫星管理的需求，提出了卫星管理态势的概念，并针对目前在轨卫星的管理模式特性，提出了一种基于单星工作模式的卫星在轨管理态势模型的建立方法，该方法在对在轨卫星现存的管理模式层次分析的基础上，考虑到各层管理模式下卫星管理态势模式的特性，以及两种特性下的要素组成，并以事件为牵引，实现在轨卫星管理态势模型的建立，为大数量卫星管理的高效、有序提供了技术保障。

附图说明

[0020] 图1为本发明的方法框架图；

[0021] 图2为本发明的在轨卫星管理态势要素示意图；

[0022] 图3为本发明的卫星管理态势工作模式的表示示意图；

[0023] 图4为本发明的在轨卫星管理态势模式示意图；

[0024] 图5为本发明的在轨卫星管理态势模式建立流程图。

具体实施方式

[0025] 本发明提供基于单星工作模式的卫星管理态势模型建立的方法，具体实施例的方法步骤如下：

[0026] 1)在轨卫星管理态势工作模式的表示；

[0027] 在卫星管理态势模式的建立过程中，必须建立态势特征与态势识别的对应关系：设管理态势模式集合为M＝{G,F,D}，其元素为在轨卫星管理中可能出现的全部态势分类，在轨卫星管理态势要素分为三个层次进行描述：第一个层次是从卫星设计方面来描述分为小卫星和大卫星，用集合D表示；第二个层次是对卫星功能的描述分为导航、对地观测和通信用集合F表示；第三个层次是对对卫星轨道的描述分为高轨和低轨两种用集合G表示；其中G＝{高轨，低轨}F＝{导航，遥感，通信}，D＝{大卫星，小卫星}。

[0028] 2)在轨卫星管理模式的要素表示；

[0029] 步骤2)的具体步骤为：根据步骤1)得到的在轨卫星管理态势模式，建立各种管理模式下的要素。管理态势模式要素的表示，建立某一时刻t下的模式要素如下：S(t)＝{P1(t),P2(t),...,Pn(t)}，其中，Pi(t)(i＝1,2,...,n)表示某一个时刻的要素集合：Pi＝{健康状态、故障诊断、数传门开/关、精轨注入、业务数据注入，地月影管理、点火时刻、点火时长、推进剂使用情况}，卫星管理态势模式要素是在卫星管理中所需要和关心的影响在轨管理安全的要素。

[0030] 根据步骤1)组合形成的在轨卫星管理态势模式具有静态特性和动态特性两种属性；其中静态特性包括轨道类型、姿态稳定度、平台健康状态、载荷开关机状态；动态特性包括任务完成情况、资源占用率、时效性。

[0031] 在轨卫星管理态势模式要素集合分属于各个管理态势模式下的静态特性和动态特性，其中，静态特性由通用态势要素和特殊态势要素两部分组成，通用态势模式要素是指在轨管理中需要做的经常性的工作，每天都需要完成的，包括卫星设计的轨道高度、形状、倾角、星下点轨迹、健康状态、故障诊断情况，数传门开/关，业务数据注入，特殊态势要素是指那些发生频次相对较低，在某种特定时间需要完成的如地月影管理、整星校时等；动态要素是指由事件(非计划内)驱动的卫星管理态势，包括轨道机动(点火时刻、点火时长和推进剂使用情况)，碰撞规避，备份启用等；动态特性包括的要素有任务开始时间、结束时间、任务时延。

[0032] 3)在轨卫星管理态势模式的确立；

[0033] 根据步骤2)中对在轨卫星管理态势模式的表示，用集合T{X,Y,Z}表征卫星管理态势的全部特性集合；在轨卫星管理态势模式的确立过程就是态势特征集合和态势模式集合的一种一一对应的函数关系：

[0034] f:T→M

[0035] 通过这种方式，可以达到对在轨卫星管理态势模式认知的目的。

[0036] 4)卫星管理态势模型的建立；

[0037] 在轨卫星管理态势模型的建立需要以事件为牵引，这里的事件是指轨道机动任务或直接指令的执行等；根据步骤3)确立的卫星管理态势模式，以上述事件为牵引，确立在轨卫星管理态势。

[0038] 确立在轨卫星管理态势是首先以某时刻发生某事件为前提，考察卫星管理态势模式静态特性，接着分析随时间推移引起的态势静态特性的变化，最后得到事件发生后最终的在轨卫星管理态势。

[0039] 下面结合附图和具体实施例，对本发明的总体方案作进一步的详细说明：

[0040] 参照图1，本发明的方法流程如下：

[0041] 首先进行步骤1‑1)在轨卫星管理态势模式的表示，该步骤划分在轨卫星管理态势模式为三个层次，从卫星设计、卫星功能、卫星轨道三个层次进行卫星管理态势模式的分析并用集合进行表示。

[0042] 其次进行步骤1‑2)在轨卫星管理态势模式的要素表示，该步骤在分析在轨卫星管理态势模式特性的基础上，分解出两种特性的组成元素。

[0043] 然后进行步骤1‑3)在轨卫星管理态势模式的确立，该步骤通过卫星的管理态势特征集合和态势模式的对应关系的匹配，确立卫星的管理态势模式。

[0044] 最后进行步骤1‑4)在轨卫星管理态势模型的建立，模型的建立需要在任务事件的驱动下进行，首先确认事件的性质，对其进行拆分到可以简单的指令或可加工的数据块的形式，通过遥控指令和遥控数据上注的形式对卫星进行管理，依次类推，每颗卫星都可以利用上述步骤进行卫星管理，从而形成在轨卫星管理态势模型。

[0045] 参照图2，首先从卫星管理态势要素在轨管理期间是否由外部事件发生引起变化方面上将其分为静态特性和动态特性两种，静态特性的组成要素有每种卫星管理态势模式中卫星都具有的通用要素，和它们各自区别于其他的特殊要素两部分组成，这些要素是卫星管理中的最小属性或叫做不可再分属性。

[0046] 参照图3，在轨卫星管理态势模式是由在轨卫星管理工作模式与卫星管理态势要素中静态特性组成的。为清晰的描述在轨卫星管理态势模式，将在轨卫星管理态势工作模式从卫星设计要求、卫星功能、卫星轨道类型三个层次进行划分。在轨卫星中的每颗卫星在每个层次中都可以找到与之对应的一个工作模式，三个层次中三种不同特征的组合就形成了该卫星管理态势中的特有的工作属性加上卫星管理态势中的静态特性构成了该卫星管理态势模式。它不会因为卫星的在轨运行和控制事件而发生变化，因此，是该卫星区别与其他类型卫星的特有管理态势模式。

[0047] 参照图4，卫星的管理态势是在轨卫星管理态势动态特性与卫星管理态势模式联合构成的，以事件为牵引，在卫星管理态势静态特性的基础上，完成其动态特性的构造，进而完成在轨卫星管理态势的建立。

[0048] 参照图5，本发明的卫星管理态势建立的流程如下。

[0049] 首先进行步骤5‑1)初始化卫星态势要素，以及外部事件信息等；然后进行步骤5‑2)确定卫星管理态势特殊要素；接着进行步骤5‑3)明确卫星的工作模式，然后再进行步骤
5‑4)判断有无外部事件影响现在的卫星管理态势，如果有进行步骤5‑5)产生卫星管理的动态特性集合，接着进行步骤5‑6)形成卫星管理态势；如果没有直接进行步骤5‑6)。到此形成了一颗卫星的管理态势，接着进行步骤5‑7)判断是否还有卫星需要形成在轨卫星管理态势，如果有进行步骤5‑1)，否则回到5‑6)。

[0050] 本发明内容及上述实施例中未具体叙述的技术内容同现有技术。

[0051] 以上，仅为本发明公开的具体实施方式，但本发明公开的保护范围并不局限于此，本发明公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。