航天器自主运行软件开发框架和自主规划调度的研究

论文摘要

随着在轨航天器数量的迅速增加和功能的不断增强,航天器应用软件开发的工作量和地面站点日常维护管理航天器的工作量都迅速增大。一方面,如何降低航天器应用软件开发成本,提高软件复用率成为人们关注的重点;另一方面,提高航天器在轨自主运行能力,减少对地面站点的依赖,从而减少地面维护人员,降低运行维护费用也成为急需解决的问题。针对这两个问题,本文在深入研究现有航天器应用软件开发框架的基础上,以欧空局姿轨控子系统软件开发框架AOCS为基础,对其进行改进和扩展,提出了一种航天器自主运行开发框架SASF(Spacecraft Autonomy Software Framework)。SASF框架针对航天器应用软件开发领域通用的问题使用设计模式、接口和构件等技术提供了框架和一组构件,对航天器规划调度、健康管理等自主运行方面的需求也提供了支持。SASF框架分为系统基础部分和自主运行部分,其中系统基础部分为航天器应用软件开发提供各种基础支持,自主运行部分为航天器自主规划调度和自主健康管理提供支持。本文给出了SASF框架的架构和各组成部分的核心设计思想,并详细描述了自主规划调度部分相关的概念、需求和设计。此外,SASF框架对欧空局提出的PUS(Packet Utilization Standard)标准进行支持,提供了对PUS遥控遥测数据包具有解析、生成和执行功能的构件。本文还按照PUS标准中自定义服务的方法,定义了一种任务调度服务。SASF框架针对成像侦察卫星的成像任务给出了具体的任务调度构件。相对于传统的航天控制软件设计方法而言,本文所采用的基于构件的航天器应用软件自主运行开发框架提高了航天器应用软件开发的效率、复用性和重构性。在航天器任务规划调度方面,相对于传统的地面调度方法,本文给出了一个星上自主规划调度的框架。本文在最后还给出了一个使用SASF框架进行星上自主规划调度开发的示例,以此来验证SASF框架的可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 研究思路
• 1.3 本文主要工作
• 1.4 论文结构
• 2 第二章 课题背景
• 2.1 引言
• 2.2 航天器自主运行技术
• 2.2.1 自主规划调度
• 2.2.2 自主健康管理
• 2.2.3 有效载荷数据自主处理
• 2.3 框架和构件技术
• 2.3.1 构件
• 2.3.2 框架
• 2.4 框架和构件技术在航天控制软件中的应用
• 2.4.1 AOCS软件框架
• 2.4.2 OBS软件框架
• 2.4.3 OBOSS软件框架
• 2.4.4 SDM卫星数据模型
• 2.5 航天器规划调度问题
• 2.5.1 规划调度问题概述
• 2.5.2 航天器的任务和指令
• 2.5.3 成像卫星规划调度
• 3 第三章 航天器自主运行开发框架SASF
• 3.1 框架概述
• 3.1.1 框架的组成
• 3.1.2 对实时性的支持
• 3.2 AOCS框架相关模块的分析
• 3.2.1 系统管理模块
• 3.2.2 事件管理模块
• 3.2.3 设备管理模块
• 3.2.4 遥控管理模块
• 3.2.5 遥测管理模块
• 3.2.6 模式管理模块
• 3.3 自主规划调度部分
• 3.3.1 指令调度模块
• 3.3.2 任务调度模块
• 3.3.3 航天器模型模块
• 3.4 自主健康管理部分
• 3.4.1 故障检测模块
• 3.4.2 故障恢复模块
• 3.5 SASF对PUS的支持
• 3.5.1 PUS介绍
• 3.5.2 PUS数据包与PUS服务
• 3.5.3 SASF中PUS的使用
• 3.6 框架基础部分应用实例
• 3.6.1 问题描述
• 3.6.2 系统设计
• 3.6.3 运行
• 3.7 框架的特点
• 4 第四章 自主规划调度部分的分析与设计
• 4.1 概述
• 4.2 指令调度服务
• 4.2.1 指令调度相关概念
• 4.2.2 指令调度功能需求
• 4.2.3 指令调度服务的设计
• 4.3 任务调度服务
• 4.3.1 任务调度相关概念
• 4.3.2 任务调度功能需求
• 4.3.3 任务调度服务的设计
• 4.4 航天器模型
• 4.4.1 模型服务构件
• 4.4.2 信息处理服务接口
• 4.4.3 模型管理构件
• 5 第五章 SASF框架在成像卫星任务自主调度方面的应用
• 5.1 成像卫星有效负载任务抽象
• 5.2 成像子系统模型
• 5.3 成像卫星成像任务调度构件组
• 5.3.1 成像任务调度调整构件
• 5.3.2 成像任务解析构件
• 5.3.3 成像任务分解构件
• 5.4 成像卫星任务自主调度实例
• 6 第六章 结束语
• 6.1 主要工作及创新点
• 6.2 进一步工作
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果