北斗二代卫星导航系统星地一体化运行管控系统架构研究

CSNC2010 第一届中国卫星导航学术年会 北京 1 — 1 — 北斗二代卫星导航系统星地一体化运行管控系统架构研究 李菊芳 龙运军 陈英武 姚锋 (国防科学技术大学信息系统与管理学院，湖南长沙，410073) 摘 要:卫星导航系统星地一体化运行控制系统就是通过对导航卫星系统进行实时监测、管理和控制，统筹协调空间 平台、地面管控资源，实现整个导航卫星系统的自主控制，保障系统的稳定运行。本文参照 GPS 和 Galileo 卫星导航 系统运行管控技术，运用系统分析、系统建模等技术对卫星导航系统运行管控系统构建提出合理设想，对卫星导航系 统星地一体化运行管控系统的系统组成、总体运作流程、子系统功能及其运作流程等进行初步的探讨、分析、设计， 构建运行管控系统的基本架构；最后对运行管控系统研发过程中所涉及的关键技术进行初步分析。本文形成了北斗二 代卫星导航系统星地一体化运行管控系统的初步系统架构，为运行管控系统的研制和实现提供技术支持。 关键词：北斗二代卫星导航系统； 运行管控； 系统设计 The Integrated Spacecraft & Ground Operation Management and Control System Framework for COMPASS LI Jufang ,CHEN Yingwu ,LONG Yunjun ,YAO Feng (School of Information System and Management，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China) Abstract: The purpose of spacecraft and ground operation management and control system is to realize the anto-control of the satelite navigation system by cooperating all the spacecraft and ground resources through real time surveillance,management and control on the system, so that the navigation system can run smoothly. Because of the similarity between COMPASS and foreign navigation systems on the navigation techniques, such as GPS and Galileo,this paper designed the operation management and control system framework for COMPASS by consulting these two system.Fistly, this paper designed the system architecture, system operation flow and subsystem operation flow of the operation management and control system. Secondly, the key technologies of devoloping the system are analized. We hope that the work of this paper can do some contribution to the devolopement of COMPASS. Key words: COMPASS; Operation Managemet and Control; System design 卫星导航技术与互联网、移动通信是当今发展最快的三大信息产业，已经成为当今世界国家综 合实力和科学技术水平发展的主要标志之一[1]，是发达国家国防与经济的重要组成部分。独立的卫星 导航定位系统是建设强大国防、维护国家安全的重要手段，具有重要的战略意义，而且能够带来显 著的经济效益。因此，我国必须建立自己的卫星导航定位系统。目前，北斗一代已经建成，并且在 国民经济各部门中得到应用。与国外的卫星导航定位系统相比，它有自己的优势，但仍然存在明显 的缺陷，需要得到不断改进，最终实现全球范围内的无源三维导航定位功能。基于此，我国目前正 在加紧研制开发具有独立控制权的、全球导航的、高精度三维导航定位的北斗二代卫星导航系统。 1 卫星导航系统星地一体化运行管控系统概述 北斗二代卫星导航系统（后面简称卫星导航系统）的导航原理和系统构成与 GPS、GLONASS、 GALILEO 卫星导航系统相类似[2]，系统主要由空间段导航卫星、地面段运行控制系统和接收机组成。 地面运行控制系统通常包括 1~2 个主控站、若干个测控站、注入站和感应站。主控站是整个系统的 北斗二代卫星导航系统星地一体化运行管控系统架构研究 2 — 2 — 控制中心，主要负责完成对全系统运行进行管理控制。主控站通过测控站对卫星导航系统星座的轨 道、姿态以及星上载荷状况进行监控；收集监测站发来的各种测量数据，完成卫星星历、星上钟差、 电离层和对流层校正参量等各种参数的计算，并将计算结果按照导航电文格式编排好后发往注入站 实施对导航卫星的上行注入[3]。 北斗二代卫星导航系统星地一体化管理与控制就是以地面主控站为核心，联合星上自主控制系 统，以星地链路和星间链路为纽带，实现对地面资源、星座资源、以及链路资源的统一协调控制， 形成一系列自主控制回路（如图 1 所示），保证整个卫星导航系统自主、稳定运行。 图 1 北斗二代卫星导航系统星地一体化管理与控制示意图 2 卫星导航系统星地一体化管控系统总体设计 北斗二代卫星导航系统星地一体化管理与控制系统（后面简称星地一体化运行管控系统）是一 个软硬件相结合的系统，需要控制的设备数量大、类型多，接口各有不同，数据处理量大，而且整 个系统的实时性和可靠性要求非常高。 卫星导航系统星地一体化管控系统负责控制真个北斗二代导航系统的运行，根据北斗导航系统 的组成、功能及其特点，运行系统分析、软件工程等技术方法，建立星地一体化管控系统。该系统 由星座及载荷状况监控子系统、地面资源管理与控制子系统、测控链路管理与控制子系统、导航任 务管理与控制子系统、短报文通信管理子系统和星上自主控制与管理子系统组成。这六个子系统之 间的相互关系如图 2所示。各个子系统的功能如下： （1）星座及载荷状况监控子系统主要负责监控导航系统星座状况。 （2）地面资源管理与控制子系统主要负责对地面资源状况进行监控和生成地面资源使用计划。 （3）测控链路管理与控制子系统负责生成导航卫星与地面测控站的链接计划，保证导航卫星与 地面站通信有序、稳定的执行。该子系统是我们研究的重点。 （4）导航任务管理与控制子系统负责对北斗二代卫星导航系统的完好性数据检测和发布进行管 CSNC2010 第一届中国卫星导航学术年会 北京 3 — 3 — 理和控制。 （5）短报文通信管理子系统主要负责采集短报文通信信息，并迅速生成短报文信息的转发策略。 （6）星上自主控制与管理子系统属于导航卫星星上软件模块，负责对星上载荷进行管理控制、 生成向地面控制设备下传数据、处理地面设备上传数据等。由于该模块属于卫星系统，我们对该子 系统不做阐述。 图 2 星地一体化管控系统模块关系图 3 卫星导航系统星地一体化管控系统子系统设计 本节将对星座及载荷状况监控子系统、地面资源管理与控制子系统、测控链路管理与控制子系 统、导航任务管理与控制子系统、短报文通信管理子系统进行简单的设计。 3.1 星座及载荷状况监控子系统 星座及载荷状况监控子系统隶属于地面主控站，是星地一体化管控系统的地面控制部分。该子 系统利用卫星导航系统的测控信息，对星座平台及载荷的状况进行监控，判断卫星平台及其载荷的 状况，对存在或潜在故障进行排除。其主要工作流程如图 3 所示。 3.2 地面资源管理与控制子系统 地面资源管理与控制子系统主要功能有： （1）负责对地面资源状况进行监控。利用卫星导航系统的数据分发网络，实时接收卫星导航系 统所有地面资源的状态信息，对资源使用状况、资源健康状况监控，及时的发现、处理地面资源潜 北斗二代卫星导航系统星地一体化运行管控系统架构研究 4 — 4 — 在或已经存在的故障，提出处理 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。地面资源状况监控流程如图 4 所示。 图 3 星座及载荷状况监控子系统流程图 图 4 地面资源状况监控流程 （2）负责生成地面资源使用计划。卫星导航系统星座测控任务、导航任务管理等最终需要通过 地面资源来实现。地面资源管理与控制子系统对测控链路管理与控制子系统生成测控计划、导航任 务管理与控制子系统生成的导航任务计划中的资源使用请求，以及一些其他的临时资源使用请求进 行处理，结合地面资源使用中长期计划，根据资源状况、资源使用约束等信息，生成详细的资源使 用计划。其流程如图 5 所示。 图 5 地面资源使用计划生成流程 3.3 测控链路管理与控制子系统 卫星测控通过测控设备对卫星飞行轨道、姿态及星上分系统工作状态进行跟踪、测量、监视和 控制，保障卫星按照预先设计好的状态飞行和工作，以完成卫星规定任务的行为及过程。卫星测控 的本质是卫星和测控设备之间的通信，是卫星和地面联系的纽带。与所有存在卫星和地面设备（简 CSNC2010 第一届中国卫星导航学术年会 北京 5 — 5 — 称星站）信息交换的活动一样，卫星测控能够进行必须满足三个必要的条件[4]：（1）必须存在星站可 见窗口，即卫星和测控站必须能够有效可见；（2）测控设备必须具备完成测控的能力；（3）测控设 备与被服务卫星具有相配的技术参数，如必须处于同一个频段等。 图 6 测控计划生成流程 测控链路管理与控制子系统就是来解决北斗二代卫星导航系统的测控调度问题，为系统提供有 效的测控计划，即在什么时段用哪个地面站对哪颗卫星进行测控。图 6 展示了测控链路管理与控制 子系统的基本工作流程。 3.4 导航任务管理与控制子系统 导航系统为了保证导航信号的精确可靠、保证用户安全，必须实时的进行完好性数据检测和发 布，即实时监测导航信号的准确度，当发现某一区域内的导航信号超出一定的准确度时及时的提醒 用户当前的导航信息不可靠，并且同时生成新的导航信号上传给导航卫星。 导航任务管理与控制子系统负责对北斗二代卫星导航系统的完好性数据检测和发布进行管理和 控制。主要功能有：（1）对感应传回的导航数据进行处理计算，判断导航信号完好性；（2）如果导 航信号精度超出要求精度范围，则发出完好性信息，生成新的导航数据；（3）迅速生成完好性信息 和导航数据的上传方案，即使用哪个上传站将完好性信息和导航信号上传给指定的导航卫星。系统 的基本工作流程如图 7 所示。 感应站监测到 的导航数据 数 据 传 输 网 络 导航 数据 处理 分发 完整性 信息处理 上传策 略生成 更新的导 航信号、 完整性信 息 导航任务 上传站 完整性检 查算法 导航信号 更新算法 星座信息 上传站信 息 图 7 卫星导航系统完好性数据检测与发布流程 北斗二代卫星导航系统星地一体化运行管控系统架构研究 6 — 6 — 3.5 短报文通信管理子系统 短报文通信是北斗二代卫星导航系统的特色所在，使得北斗二代导航系统具有 GPS、GALILEO、 GLONASS 等导航系统不具备的通信功能。 图 8 短报文通信管理子系统基本流程 短报文通信管理子系统主要负责采集短报文通信信息，并迅速生成短报文信息的转发策略。其 基本流程如图 8所示。 4 关键技术 4.1 系统资源统一描述规范 卫星导航系统星地一体化管控系统中涉及到的资源种类繁多、数量庞大，资源自身能力约束、 资源之间的使用约束相当复杂，在整个系统中有条不紊的描述各种资源及其资源之间的关系是系统 构建的基础，所以必须建立一套统一、有效的资源描述规范。 4.2 系统通信接口设计 卫星导航系统星地一体化管控系统中所涉及的硬件资源庞杂，设备类型多，接口各有不同，而 且整个系统的实时性和可靠性要求非常高，整个系统不可能在一台机器上运转，必须采取分布式的 系统结构。系统的通信接口不仅包括了系统与各种外部硬件设备的接口，还包括了各分布的分系统 之间的接口和系统内部的接口，系统的接口必须按照统一标准才能保证数据处理、传输、存储的一 致性。 4.3 测控链路调度模型 卫星导航系统星座测控是一个典型的多星多测控站的测控问题，与一般卫星的测控问题相比较 具有以下特点[5]： （1）测控任务多，测控调度问题复杂。正常运转的系统具有 35 颗卫星和 4 个地面测控站，如 果考虑失效卫星替换，在轨运行的导航卫星数量可能最多达到 50颗以上。卫星数量多，测控任务量 大，导致导航卫星测控调度问题比一般的卫星测控问题更复杂。 （2）测控方案的鲁棒性要求。要求生成的测控调度方案具有较强的鲁棒性，即方案要易于调整。 这是由于在导航卫星星座管控过程中，除了常规测控任务之外通常还有许多应急测控任务，为了保 障应急任务的顺利实施同时有不对常规测控任务产生太大的干扰，要求测控调度方案的鲁棒性。 （3）每个测控链接都需要安排备份连接[6]。这是为了保证测控方案在某一测控站出现故障时仍 能够完成测控任务，从而保证整个导航卫星系统的稳定运行。 CSNC2010 第一届中国卫星导航学术年会 北京 7 — 7 — （4）测控方案的稳定性要求。这里要求每颗卫星前后两次测控的间隔时间具有一定稳定性，这 也是为了保证整个导航系统运行的稳定性。 （5）长中短规划相结合的测控计划[7]。长期规划在大致 1 到 6 个月移动时间窗内起作用，长期 规划所包括的活动允许彼此之间有潜在冲突；中期规划在 2 周范围起作用，将长期规划精化为一个 无冲突的中期规划。短期规划在一周的移动时间窗口内起作用，涵盖所有站的连接计划生成。 对北斗二代卫星导航系统测控链路管理与控制问题进行研究，首先要建立三阶段的调度框架， 将长、中、短期规划有效的结合起来，在此基础上重点针对各短期调度建立测控链路调度模型。模 型的建立需要满足如下的要求：一方面模型能够反映卫星导航系统测控链路调度的工程实际要求及 约束要求，另一方面还应该具有较好的模块性、独立性、直观性和可维护性；同时对选用的建模工 具和建模方法也有一定的要求。 因此根据卫星导航系统的特点，拟将卫星导航系统的测控链路调度模型的建立分成三个部分： 资源的建模，任务的建模以及调度过程的建模，最终形成测控调度的 CSP 求解模型。具体思路如下： 首先分析卫星导航系统测控系统的组成及特点 ，在此基础上建立主要测控对象的模型；其次针 对卫星导航系统常用的测控需求进行抽象，建立测控需求和任务的标准化模型；然后结合卫星导航 系统测控的实际情况和问题本身对测控调度过程中涉及的主要约束类型进行分析；接着结合卫星测 控过程测控调度过程进行描述和建模；最后在上述研究的基础上，通过决策变量、约束条件和目标 函数的确定等步骤，建立测控调度问题的 CSP 模型。主要过程如图 9 所示。 图 9 测控资源调度模型研究方案 4.4 航天测控资源调度算法 卫星系统测控链路的调度是一类 NP问题，在测控资源和卫星数量较少的情况下，系统冲突较小， 建立一般的描述模型，由调度人员基于经验知识或一些启发式规则采用人工调度安排测控链路调度 计划是可行的。但是，卫星导航系统正常运转时共有 4 个地面站和 35颗卫星，测控任务数量庞大， 可能的调度方案数目迅速增加，人工方式便不再可行。为了合理地利用测控资源，提高利用率，同 时保证卫星测控任务的完成，需要科学合理地进行测控链路调度，研究测控链路调度方案自动生成 的策略和算法，在考虑系统约束和性能要求的前提下，迅速的生成可用或优化的调度方案，保证卫 星导航系统测控任务有条不紊的执行。 实现这一目标的重要手段是利用启发式算法和智能算法，其中智能算法虽然存在内在的并行搜 北斗二代卫星导航系统星地一体化运行管控系统架构研究 8 — 8 — 索能力，能提高搜索效率。但算法设计较复杂，且有些算法使用时要求较高，如遗传算法存在局部 最优、早熟等现象；蚁群算法在动态规划、随机规划和多目标规划求解等与多星测控调度有关的方 面应用不足；免疫算法能够处理的问题规模有限，算法的收敛性和稳定性都比较差，且功能不强， 结果容易失真，智能度也较低，改进起来较困难等。另外，智能优化算法的时间一般较长，而卫星 导航系统要求在较短时间快速生成有效的测控链路调度方案。因此本研究拟主要采用启发式算法进 行测控资源的分配和任务的调度。调度算法的研究是本研究的一项关键技术，其设计成功与否将直 接关系到研究的应用价值。 结合航天测控系统的特点和研究目的，本研究拟采用了基于综合优先度的启发式测控调度算法， 通过综合考虑影响测控资源分配的各项因素，加权得到衡量每个测控任务调度优先程度的综合优先 度，然后基于综合优先度确定任务的调度顺序。在本研究中测控任务综合优先度的确定考虑了测控 需求满足情况、卫星及需求的优先级、可用资源数目、冲突数目等众多约束和影响因素，其主要思 想如图 10所示。 图 10 启发式算法的基本思想 5 结束语 我国的北斗二代卫星导航系统正处于论证研发阶段，所以本文参照 GPS、Galileo 两大卫星导航 系统的运行管控技术与理论，对北斗二代卫星导航系统的运行管控系统提出了一系列设想。本文构 建了北斗二代卫星导航系统星地一体化管控系统的基本框架，并对系统实现过程的一些关键技术进 行了分析。本文的研究为期待能够为我国卫星导航系统的运行管控提供技术支持，促进我国卫星导 航技术的发展。 参 考 文 献 [1] 唐金元, 于潞, 王思臣. 北斗卫星导航定位系统应用现状分析 [J]. 全球定位系统, 2008, (2): 26-30. [2] 维基百科. 北斗二代卫星导航系统. http:www.vikipedia.com. [3] 陈秀万, 方裕. 伽利略导航卫星系统 [M]. 北京: 北京大学出版社, 2005. [4] 郝岩. 航天测控网 [M]. 北京: 国防工业出版社, 2004. [5] F Moreira, S Hall, T Franco. Galileo Detail Design Document:Contact SchedulingProcess Specification [R]. 2006. [6] C. Stöcker, M. Baguhl, M. Boele, R. Lumb. Operational Concepts in Galileo Ground Asset Management [C].SpaceOps2008. 2008. [7] S. Toribio, M. Merri, A. Birtwhistle. Galileo: Mission Planning [C].SpaceOps2004. 2004.