彭德云，鄒雪梅，李亮

（北京航天飛行控制中心，北京 100094）

引 言

為解決在月球背面實(shí)施科學(xué)探測任務(wù)時(shí)，月球表面探測器與地球無法通信的問題，需要在月球軌道附近部署中繼衛(wèi)星，以提供地面測控網(wǎng)與月面探測器之間的中繼通信支持[1]。圍繞地月L2點(diǎn)的Halo軌道是適合部署中繼衛(wèi)星的理想地點(diǎn)[1-2]。實(shí)施“嫦娥4號(hào)”月球背面探測任務(wù)的航天器包括中繼衛(wèi)星（簡稱中繼星）、著陸器、月面巡視器和環(huán)月探測衛(wèi)星[1,3-6]。中繼星和著陸器/巡視器組合體（簡稱著巡組合體）分2次發(fā)射。2018年5月21日，西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用“長征4號(hào)”丙運(yùn)載火箭，成功將探月工程“嫦娥4號(hào)”任務(wù)的“鵲橋”中繼星發(fā)射升空，并于2018年12月8日，在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用“長征3號(hào)”乙運(yùn)載火箭成功發(fā)射“嫦娥4號(hào)”探測器。

著巡組合體在月球背面著陸后，通過中繼星向地球發(fā)送遙測數(shù)傳數(shù)據(jù)、接收測控網(wǎng)發(fā)送的著巡控制指令。中繼星與著巡之間、著陸器和巡視器之間協(xié)同控制多，整個(gè)飛行過程切換狀態(tài)比較復(fù)雜。測控中心需要在月面定點(diǎn)著陸[7]的軌道約束、器地與器星通信時(shí)間窗口約束、中繼天線跟蹤指向約束、月面光照與熱控約束等多重組合約束條件下，完成月球背面動(dòng)力下降過程、巡視器駛離著陸器和月面巡視探測遙操作等一系列過程控制。在地面測控資源有限的前提下，完成月球背面探測任務(wù)多個(gè)航天器，以及以往探月工程在軌航天器的聯(lián)合控制和測控網(wǎng)資源分配。

本文從月球背面探測任務(wù)需求出發(fā)，設(shè)計(jì)了多目標(biāo)協(xié)同飛行控制模式，重點(diǎn)解決了測控計(jì)劃與上行發(fā)令的協(xié)同控制和測控資源調(diào)度問題，并將其成功應(yīng)用于“鵲橋”中繼星和“嫦娥4號(hào)”探測器的測控任務(wù)。

1 月球背面探測任務(wù)測控資源組成

1.1 探測器基本組成和飛行過程

月球背面探測任務(wù)由月球中繼星、著陸器、月面巡視器和環(huán)月探測衛(wèi)星等多個(gè)航天器聯(lián)合開展科學(xué)探測工作。中繼星經(jīng)過發(fā)射段、地月轉(zhuǎn)移段、月球到L2轉(zhuǎn)移段、L2點(diǎn)捕獲段和使命軌道段5個(gè)飛行階段，最終在圍繞地月L2點(diǎn)的Halo軌道上運(yùn)行；環(huán)月探測衛(wèi)星經(jīng)過地月轉(zhuǎn)移段、近月制動(dòng)段，最終運(yùn)行在環(huán)月軌道上。

著陸器攜帶月面巡視器經(jīng)過上升段、地月轉(zhuǎn)移段、環(huán)月段和動(dòng)力下降段4個(gè)飛行階段，最終在月球表面實(shí)現(xiàn)軟著陸，月面巡視器駛離著陸器，兩器并行開展月面探測活動(dòng)。中繼星的飛行過程如圖1所示，著陸器和月面巡視器飛行及月面工作過程如圖2所示。

圖1 月球中繼星飛行過程示意圖Fig.1 Flight trajectories of relay satellite

圖2 著陸器和月面巡視器飛行及月面工作過程示意圖Fig.2 Flight trajectories and lunar surface workflow of lunar lander and rover combination

在上述過程中，環(huán)月軌道和月球正面同時(shí)還需要測控的目標(biāo)包括:2013年發(fā)射的“嫦娥3號(hào)”著陸器、2014年發(fā)射的再入返回飛行任務(wù)服務(wù)艙、2018年隨同中繼星發(fā)射的“龍江”衛(wèi)星。在深空測控資源有限的情況下，多個(gè)測控目標(biāo)飛行控制和測控資源分配需采用多目標(biāo)協(xié)同控制模式統(tǒng)一安排。

中繼星測控設(shè)備包括:對(duì)地測控?cái)?shù)傳設(shè)備和中繼通信設(shè)備；著陸器和巡視器的測控?cái)?shù)傳設(shè)備包括對(duì)地測控、中繼通信設(shè)備和月面器間通信設(shè)備；環(huán)月衛(wèi)星測控?cái)?shù)傳模塊包括對(duì)地測控和數(shù)傳設(shè)備。著陸巡視組合體在奔月過程中，采用對(duì)地測控設(shè)備直接與地面測控網(wǎng)進(jìn)行通信。月球背面科學(xué)探測階段，著陸器和巡視器無法直接與地面測站進(jìn)行通信，需與運(yùn)行在地月L2點(diǎn)Halo軌道上的中繼星進(jìn)行中繼通信，通過中繼星進(jìn)行控制和科學(xué)數(shù)據(jù)回傳。

月球背面探測任務(wù)的測控計(jì)劃的控制目標(biāo)包括:著陸器、月面巡視器、中繼星和環(huán)月衛(wèi)星。與“嫦娥3號(hào)”任務(wù)等以往月球正面的科學(xué)探測控制任務(wù)[8]相比，“嫦娥4號(hào)”月球背面探測任務(wù)控制目標(biāo)多、飛行階段多，并增加了器星間代傳上行指令和遙測數(shù)傳數(shù)據(jù)的協(xié)同控制要求，需要解決多目標(biāo)天地協(xié)同控制中協(xié)同控制關(guān)系描述、多目標(biāo)測控資源分配、協(xié)同飛行控制計(jì)劃和上行控制的聯(lián)合設(shè)計(jì)等相關(guān)問題。

1.2 測控網(wǎng)組成

月球背面探測任務(wù)采用UXB（Unified X-band System）＋干涉測量＋USB（Unified S-band）的測控體制，即利用我國現(xiàn)有的X頻段深空站測控設(shè)備和S頻段航天測控網(wǎng)，并輔以干涉測量設(shè)備，完成對(duì)中繼星、著陸器、月面巡視器和環(huán)月衛(wèi)星的聯(lián)合測控任務(wù)[9]。

地面測控設(shè)備與探測器和環(huán)月衛(wèi)星上測控?cái)?shù)傳設(shè)備相互配合，共同完成探測器和環(huán)月衛(wèi)星各飛行段的測控、遙測和遙控及數(shù)據(jù)接收等任務(wù)。地面測控和數(shù)據(jù)接收設(shè)備與各航天器之間的測控關(guān)系如圖3所示。

圖3 月球背面探測任務(wù)測控關(guān)系Fig.3 Tracking and telecommunication relationship between lunar farside exploring probes

測控過程中，地面測控站對(duì)中繼星進(jìn)行上下行測控和數(shù)傳接收任務(wù)；著陸器著陸前，地面測控網(wǎng)對(duì)著巡組合體進(jìn)行上下行測控；著陸器著陸后，測控系統(tǒng)通過中繼前向和返向鏈路對(duì)著陸器、巡視器進(jìn)行控制；地面測控網(wǎng)采用對(duì)地測控?cái)?shù)傳鏈路對(duì)環(huán)月衛(wèi)星進(jìn)行上下行測控和數(shù)傳數(shù)據(jù)接收。

2 協(xié)同控制中的關(guān)聯(lián)目標(biāo)描述方法

月球背面探測過程中，著陸器和巡視器需要通過中繼星進(jìn)行代傳控制，著陸器和巡視器之間存在代傳和數(shù)傳鏈路，中繼星需要在提供中繼通信服務(wù)時(shí)配合完成相關(guān)設(shè)備狀態(tài)設(shè)定。著巡組合體環(huán)月飛行過程，則存在地面測控和中繼通信兩類控制鏈路，分別依據(jù)地面測控時(shí)間窗口和中繼可視窗口確定各自可用時(shí)段。上述過程的工程實(shí)施需要解決多目標(biāo)協(xié)同控制事件描述以及對(duì)應(yīng)多目標(biāo)控制指令生成之間的映射問題。其核心是需要依據(jù)各個(gè)飛行控制事件需求，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)航天器的控制及其代傳上下行數(shù)據(jù)航天器之間關(guān)聯(lián)控制。為支持多個(gè)目標(biāo)之間的協(xié)同配合關(guān)系描述，本文提出了區(qū)分控制目標(biāo)和上行路由的協(xié)同控制關(guān)聯(lián)目標(biāo)描述方法。

2.1 控制目標(biāo)

控制目標(biāo)是指遙控指令和注入數(shù)據(jù)最終到達(dá)的目標(biāo)航天器。根據(jù)月球背面探測任務(wù)的數(shù)據(jù)上下行和通道特點(diǎn)，月球背面探測任務(wù)的測控計(jì)劃的控制目標(biāo)包括著陸器、月面巡視器、中繼星、環(huán)月衛(wèi)星。

2.2 上行路由

1）上行路由概念

在不同的組合體模式、單器工作和中繼通信模式下，指令需要經(jīng)由特定航天器（中繼星、著陸器等）的上行信道發(fā)送，所經(jīng)由的航天器稱為上行路由。

月球背面探測任務(wù)的上行路由分別為著陸器、中繼星、環(huán)月衛(wèi)星路由。著陸器采用地面站發(fā)令時(shí)，上行路由為著陸器自身，采用中繼前向發(fā)令時(shí)，上行路由為中繼星；月面巡視器由著陸器代傳指令，處理為著陸器指令；月面巡視器通過中繼前向發(fā)令時(shí)，上行路由為中繼星。

2）上行路由確定原則

上行路由根據(jù)飛行器組合狀態(tài)和飛行姿態(tài)確定。不同控制目標(biāo)按各自飛行階段控制需求確定其上行路由，再依據(jù)上行路由分配測站資源，具體如表1所示。

3）控制目標(biāo)和上行路由的運(yùn)用

飛行控制事件描述時(shí)，采用“控制目標(biāo)”屬性值明確事件發(fā)生的主體。該事件對(duì)應(yīng)的指令代碼、注入數(shù)據(jù)、遙測的數(shù)據(jù)生成和發(fā)送均通過“控制目標(biāo)”屬性實(shí)現(xiàn)與該目標(biāo)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集的自動(dòng)關(guān)聯(lián)。

飛行控制事件的“上行路由”屬性明確航天器之間的上下行代傳關(guān)系。該事件對(duì)應(yīng)代傳數(shù)據(jù)的協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)封包/解包處理通過“上行路由”屬性實(shí)現(xiàn)與代傳目標(biāo)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集的自動(dòng)關(guān)聯(lián)。

表1 各控制目標(biāo)各階段的上行路由Table 1 Uplink router object of each control object in different stages

飛行控制事件通過上行路由的測控網(wǎng)配置實(shí)現(xiàn)飛控事件與地面測控網(wǎng)的協(xié)同操作。上行路由的測控資源配置內(nèi)容為不同時(shí)段的可選測站集合及測站操作需求。任務(wù)規(guī)劃軟件依據(jù)測控資源分配規(guī)則集和上述測控資源配置，實(shí)現(xiàn)對(duì)測控站資源的統(tǒng)一分配。

3 上行路由測控網(wǎng)資源配置原則

3.1 上行路由的測站選用原則

月球背面探測任務(wù)測控計(jì)劃按測控資源配置和規(guī)則集，實(shí)施上行路由選取、測站選取和點(diǎn)頻選取。實(shí)施流程按照“上行路由確定-＞測站集并選站-＞點(diǎn)頻確定”3個(gè)步驟實(shí)施，具體如下:

1）根據(jù)各目標(biāo)的不同任務(wù)階段分別確定上行路由。

2）根據(jù)上行路由和測站分配關(guān)系確定上行測站，上行控制測站選取流程為:先確定測站集、再選測站。

3）根據(jù)上行路由和測站之間天線指向的角度關(guān)系確定上下行測控點(diǎn)頻。

3.2 上行測站確定原則

月球背面探測任務(wù)中，單個(gè)測控目標(biāo)同一時(shí)刻一般只能有一個(gè)測站對(duì)其加調(diào)一個(gè)點(diǎn)頻的載波進(jìn)行上行控制。當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上的測站共視時(shí)，需要對(duì)實(shí)施上行控制的測站進(jìn)行選取。上行控制測站選取原則為:先確定測站集、再選測站的兩步原則，具體如下:

1）確定測站集，各上行路由目標(biāo)的測站集根據(jù)上下行需求確定，根據(jù)不同階段的上行路由目標(biāo)數(shù)量、測站跟蹤數(shù)據(jù)、測定軌精度需求，確定不同階段各個(gè)上行路由目標(biāo)的跟蹤測站集合。

2）測站選用，按照測站優(yōu)先級(jí)從高到低、先進(jìn)先用、交疊切換的順序選用，探月工程任務(wù)的深空測控網(wǎng)考慮同時(shí)支持多任務(wù)、重要控制過程可靠備份的原則，存在同一時(shí)段有多個(gè)測站同時(shí)具備跟蹤能力的情形。為高效利用測控資源和月面工作時(shí)段，需要進(jìn)行測控資源的接力跟蹤處理。

根據(jù)前述上行控制測站的選用原則，確定前一上行控制站與后一上行控制站的交接班時(shí)刻Talt；交接班時(shí)刻Talt表示前一上行控制站完成關(guān)上行載波時(shí)刻，同時(shí)也為后一上行控制站開始開上行載波時(shí)刻。上行控制測站按照確定的交接班時(shí)刻，確定各自的有效遙控區(qū)間（即上行控制開始時(shí)刻至上行控制結(jié)束時(shí)刻）。

根據(jù)測站預(yù)報(bào)構(gòu)造各個(gè)測站的單站有效控制弧段，假定:測站A弧段的進(jìn)單站遙控時(shí)刻為TIC1，出單站遙控時(shí)刻為TOC1，捕獲時(shí)長為△TCAP1，去捕時(shí)長為△TCLOSE1；測站B弧段的進(jìn)單站遙控時(shí)刻為TIC2，出單站遙控時(shí)刻為TOC2，捕獲時(shí)長為△TCAP2，去捕時(shí)長為△TCLOSE2。計(jì)算前站A去捕完成時(shí)刻T1=TOC1+△TCLOSE1，后站B捕獲開始時(shí)刻T2=TIC2-△TCAP2。若滿足下列關(guān)系，認(rèn)為測站A和測站B有效遙控區(qū)間搭接:T1>T2，如圖4所示，否則，認(rèn)為測站A和測站B不搭接。

圖4 有效控制弧段搭接判斷準(zhǔn)則Fig.4 Overlapping judgement criterion of valid uplink tracking arcs

對(duì)判定搭接的測站之間需上行控制權(quán)的交接處理。如圖5所示，假定測站A、測站B的交接班時(shí)間Talt為Talt=T1，對(duì)兩站的上行控制開始時(shí)刻、上行控制時(shí)刻處理如下:

1）測站A的進(jìn)單站遙控時(shí)刻為TIC1、出單站遙控時(shí)刻為TOC1不變，其有效遙控區(qū)間仍為[TIC1，TOC1]。

2）測站B的出單站遙控時(shí)刻TOC2不變，修改對(duì)應(yīng)測站B弧段的進(jìn)單站遙控時(shí)刻為TIC2′=T1+△TCAP2。測站B對(duì)應(yīng)弧段的有效遙控區(qū)間為[TIC2′,TOC2]。

3.3 測站上行點(diǎn)頻和前向確定原則

3.3.1 測站上行點(diǎn)頻確定原則

測控目標(biāo)的上行路由和上行測站確定后，依據(jù)探測器天線對(duì)地指向判斷選取的原則選取測站上行點(diǎn)頻。假定月球探測器對(duì)稱指向的兩路測控天線分別對(duì)應(yīng)測控f1和f2兩個(gè)點(diǎn)頻。如圖6（a）所示，定義f1點(diǎn)頻的對(duì)應(yīng)天線軸與星站連線夾角為β角，則:

1）航天器的β≤90°時(shí)，采用f1點(diǎn)頻；

2）航天器的β＞90°時(shí)，采用f2點(diǎn)頻。

3.3.2 中繼星前向點(diǎn)頻確定原則

著陸器、月面巡視器與地面通過中繼鏈路進(jìn)行通信時(shí)，依據(jù)探測器天線對(duì)中繼星指向有利的原則確定前向點(diǎn)頻。假定探測器對(duì)稱指向的兩路測控天線分別對(duì)應(yīng)測控f1和f2兩個(gè)點(diǎn)頻。如圖6（b）所示，定義探測器f1點(diǎn)頻的對(duì)應(yīng)天線軸與器星連線夾角為γ角，則:

1）航天器的γ≤90°時(shí)，采用f1點(diǎn)頻前向通信；

2）航天器的γ＞90°時(shí)，采用f2點(diǎn)頻前向通信。

圖5 搭接測站的控制權(quán)交接處理Fig.5 Uplink control transfer between overlapped stations

圖6 β角與γ角示意圖Fig.6 Flowchart of β angle and γ angle

4 月球中繼測控資源分配方法

基于中繼星前向鏈路在星上處理時(shí)段分配上的獨(dú)占性，著陸器和月面巡視器須分時(shí)進(jìn)行前向控制?？紤]中繼星測控上行通道的唯一性，正常情況下中繼星、著陸器、月面巡視器均需通過中繼星分時(shí)上行。需要對(duì)月球中繼測控資源進(jìn)行統(tǒng)一分配。本文設(shè)計(jì)了基于中繼時(shí)間窗口的資源申請(qǐng)及分配方法。

1）基本概念定義

（1）中繼可用窗口

中繼星地面測控可見窗口扣除平臺(tái)維護(hù)時(shí)段（中繼星進(jìn)出站設(shè)置等操作）的可用時(shí)段，形成“中繼可用窗口”。使用中繼可用窗口的各個(gè)用戶的控制事件，其上行路由屬性為中繼星，對(duì)應(yīng)“上行測站”為中繼星的上行測站。

（2）中繼使用需求

中繼星、著陸器和巡視器各自工作時(shí)，占用中繼通信的可用時(shí)段，各用戶明確各自的中繼使用需求，主要包括:事件工作內(nèi)容、事件時(shí)長、事件開始時(shí)刻、事件優(yōu)先級(jí)、時(shí)間敏感性等。中繼使用需求的優(yōu)先級(jí)事前按類型確定，必要時(shí)可調(diào)整。劃分為高、中、低等多級(jí)優(yōu)先級(jí)。

（3）中繼使用窗口

中繼窗口規(guī)劃軟件根據(jù)中繼星跟蹤弧段和中繼星平臺(tái)維護(hù)時(shí)段，計(jì)算中繼星可用窗口；接收處理著陸器、中繼星和月面巡視器工作中繼使用需求，為其分配各自的“中繼使用窗口”，中繼星、著陸器、月面巡視器在分配給各自的中繼使用窗口內(nèi)工作。

2）中繼使用窗口分配策略

（1）獲得當(dāng)前中繼可用窗口及中繼星、著陸器、月面巡視器使用需求。

（2）按優(yōu)先級(jí)分配當(dāng)前中繼可用窗口。

（3）同優(yōu)先級(jí)需求下，優(yōu)先安排時(shí)間敏感事件和時(shí)間需求小的使用需求。

（4）按時(shí)間最大利用原則盡可能多地分配窗口直至可用窗口使用完畢或無法繼續(xù)分配。

（5）分別輸出已滿足、未完全滿足和未滿足的使用需求，已滿足和未完全滿足的使用需求形成中繼使用窗口。

（6）發(fā)布中繼使用窗口、拒絕使用需求清單。

3）中繼使用窗口的分配流程

結(jié)合月面工作段月夜和月晝的每月交替工作特點(diǎn)，月球背面探測任務(wù)的中繼使用窗口按照一個(gè)自然月為一個(gè)分配周期。一個(gè)周期的分配劃分為兩個(gè)階段實(shí)施。按月晝工作開始時(shí)刻為T結(jié)算，在此之前的分配流程如下:

（1）第1階段:中繼使用窗口預(yù)分配階段（T-14天～T-7天）:①T-14天，按當(dāng)時(shí)軌道預(yù)報(bào)發(fā)布中繼可用窗口；②T-12天，各用戶提交中繼使用需求；③T-11天，匯總使用需求，發(fā)布中繼使用窗口預(yù)分配版；④T-7天前，各用戶交互反饋分配調(diào)整意見。

（2）第2階段:中繼使用窗口正式分配階段（T-7天～T-1天）:①T-7天，按當(dāng)前軌道預(yù)報(bào)更新發(fā)布中繼可用窗口；②T-5天，各用戶提交調(diào)整的中繼使用需求；③T-3天，匯總使用需求，發(fā)布中繼使用窗口建議版；④T-2天前，各用戶交互反饋分配調(diào)整意見并微調(diào)；⑤T-1天，發(fā)布中繼使用窗口正式版。

中繼使用窗口文件發(fā)布后，作為后續(xù)各用戶一個(gè)月晝內(nèi)開展規(guī)劃與上行控制的工作依據(jù)。

5 多目標(biāo)協(xié)同控制規(guī)劃模式

月球背面探測任務(wù)的多目標(biāo)協(xié)同控制規(guī)劃依據(jù)飛行/月面工作階段的工作特性，分別采用標(biāo)稱計(jì)劃工作模式和遙操作規(guī)劃工作模式兩種規(guī)劃工作模式。

以著巡組合體落月時(shí)刻劃分，落月前為著巡組合體按預(yù)定軌道運(yùn)行的系列軌道控制及在軌試驗(yàn)，執(zhí)行時(shí)刻基于軌道和姿態(tài)相關(guān)約束求解，結(jié)果相對(duì)確定，采用標(biāo)稱計(jì)劃模式實(shí)施；落月后，著陸器和巡視器在地面控制下完成分離控制，該過程為中繼星、著陸器和巡視器3個(gè)目標(biāo)的耦合控制，控制時(shí)序確定，但執(zhí)行時(shí)刻依賴于已執(zhí)行過程所耗時(shí)長動(dòng)態(tài)變化，采用標(biāo)稱計(jì)劃模式實(shí)施；分離之后的著陸器和巡視器相互拍照過程，以及巡視器月面探測過程，均與月面非結(jié)構(gòu)化環(huán)境高度相關(guān)，需要依據(jù)獲取的月面地形感知圖像進(jìn)行動(dòng)態(tài)規(guī)劃，采用遙操作規(guī)劃工作模式實(shí)施。

5.1 標(biāo)稱計(jì)劃工作模式

標(biāo)稱計(jì)劃模式主要適用于飛行控制過程相對(duì)穩(wěn)定的階段。在月球背面探測任務(wù)中，適用時(shí)段主要包括著巡組合體地月轉(zhuǎn)移、環(huán)月飛行、動(dòng)力下降和兩器分離過程控制等飛行階段及月面工作過程。

圖7 計(jì)劃工作模式執(zhí)行流程Fig.7 Execution processes of scheduling work pattern

這種工作模式下，測控中心依據(jù)飛行程序、理論軌道，匯集飛控相關(guān)需求，按飛行時(shí)序編排各個(gè)控制目標(biāo)飛行事件對(duì)應(yīng)的測控計(jì)劃。任務(wù)中依據(jù)實(shí)測軌道及對(duì)應(yīng)的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、控制參數(shù)生成各類運(yùn)行計(jì)劃，各系統(tǒng)按測控中心生成的測控計(jì)劃協(xié)同完成任務(wù)的飛控工作。計(jì)劃工作模式的示意圖如圖7所示。

圖8 多目標(biāo)計(jì)劃聯(lián)合編排及各目標(biāo)計(jì)劃調(diào)度運(yùn)行過程Fig.8 Multiple-object joint nominal planning processes and separate dispatch and execution processes based on different categories and different objects

各目標(biāo)的測控計(jì)劃在設(shè)計(jì)階段為多目標(biāo)聯(lián)合設(shè)計(jì)，各個(gè)控制目標(biāo)的控制事件均需明確控制目標(biāo)和上行路由目標(biāo)。在生成驗(yàn)證階段為多目標(biāo)計(jì)劃和單目標(biāo)分類計(jì)劃同時(shí)輸出，計(jì)劃生成時(shí)對(duì)指令計(jì)劃中的上行路由和測控調(diào)度計(jì)劃中的上行路由進(jìn)行一致性比對(duì)。在運(yùn)行實(shí)施階段為各單目標(biāo)計(jì)劃分別運(yùn)行，控制目標(biāo)、上行路由及上行測站等屬性傳遞給遙控處理軟件，進(jìn)行指令格式封裝和上行測站選用；軟件調(diào)度平臺(tái)依據(jù)各目標(biāo)調(diào)度計(jì)劃實(shí)施軟件進(jìn)程調(diào)度運(yùn)行；測控站依據(jù)測控站調(diào)度計(jì)劃實(shí)施跟蹤操作。多目標(biāo)和單目標(biāo)計(jì)劃的設(shè)計(jì)、生成及運(yùn)行過程如圖8所示。

5.2 遙操作規(guī)劃工作模式

遙操作規(guī)劃模式適用于非結(jié)構(gòu)化月面環(huán)境感知結(jié)果驅(qū)動(dòng)的巡視探測任務(wù)規(guī)劃。巡視器駛離著陸器之后的飛控過程主要包括:兩器相互拍照、著陸器科學(xué)探測控制、巡視器巡視探測、兩器休眠喚醒控制和中繼星平臺(tái)維護(hù)控制。其中，巡視器巡視探測采用遙操作規(guī)劃方式實(shí)現(xiàn)探測行為規(guī)劃及其指令序列自動(dòng)生成。

遙操作規(guī)劃模式下，由月面巡視遙操作系統(tǒng)完成月面巡視探測過程的地形建立、視覺定位、任務(wù)規(guī)劃、路徑規(guī)劃、活動(dòng)機(jī)構(gòu)規(guī)劃、規(guī)劃驗(yàn)證、可視化操控和操控指令生成等功能。

月面巡視遙操作規(guī)劃分為任務(wù)整體規(guī)劃、探測周期規(guī)劃和導(dǎo)航單元規(guī)劃共3個(gè)層次的規(guī)劃。在導(dǎo)航單元規(guī)劃時(shí)，通過中繼使用窗口獲取上行路由和上行測站信息。通過各規(guī)劃層之間的配合工作，最終生成指令序列，控制月面巡視器完成各項(xiàng)月面工作。遙操作規(guī)劃主要工作流程如圖9所示。

5.3 多目標(biāo)協(xié)同上行控制模式設(shè)計(jì)

著陸器、月面巡視器在月面通過中繼前向和返向鏈路進(jìn)行上行指令接收和返向數(shù)據(jù)發(fā)送。在中繼前向代傳模式下，各航天器目標(biāo)的代傳指令、注入數(shù)據(jù)、指令鏈，與各器自傳指令在標(biāo)稱計(jì)劃中統(tǒng)一編排，生成多目標(biāo)實(shí)施計(jì)劃。遙控發(fā)令時(shí)，通過多目標(biāo)協(xié)同計(jì)劃中規(guī)劃事件的控制目標(biāo)和上行路由屬性，區(qū)分自傳指令和代傳指令。根據(jù)自傳和代傳各自處理流程，實(shí)現(xiàn)遙控指令和注入數(shù)據(jù)的自動(dòng)生成、指令碼按時(shí)或按約束條件自動(dòng)發(fā)往對(duì)應(yīng)測站，最終透明上行到指定航天器。

圖9 遙操作規(guī)劃工作模式執(zhí)行流程Fig.9 Execution processes of teleoperation planning work pattern

圖10 多目標(biāo)上行控制數(shù)據(jù)生成流程Fig.10 Multiple-object upload command data generation processes

整個(gè)過程中的關(guān)鍵步驟是中繼前向代傳著陸器和巡視器指令時(shí)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)注入數(shù)據(jù)自動(dòng)生成和指令自動(dòng)發(fā)送。著陸器和月面巡視器遙控指令序列的指令發(fā)送前需經(jīng)過自身組幀處理和代傳組幀處理兩級(jí)組幀處理，即著陸器、月面巡視器的遙控指令先分別經(jīng)著陸器協(xié)議格式、月面巡視器協(xié)議格式進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)組幀處理，再經(jīng)中繼星協(xié)議格式處理，然后通過中繼星目標(biāo)的發(fā)令測站向中繼星發(fā)送。具體實(shí)現(xiàn)流程如圖10所示。

6 “嫦娥4號(hào)”任務(wù)應(yīng)用

月球背面探測任務(wù)多目標(biāo)協(xié)同控制模式已成功應(yīng)用于“嫦娥4號(hào)”任務(wù)飛行控制軟件系統(tǒng)和測控網(wǎng)資源調(diào)度系統(tǒng)?！版隙?號(hào)”任務(wù)實(shí)施過程中，以往探月任務(wù)的航天器和本次任務(wù)多個(gè)目標(biāo)同在月球表面或繞月軌道附近，測控弧段基本一致。為保證多個(gè)任務(wù)目標(biāo)控制過程協(xié)調(diào)一致性，需進(jìn)行深空探測任務(wù)控制事件及資源的統(tǒng)一規(guī)劃。任務(wù)準(zhǔn)備和實(shí)施過程中，按各任務(wù)目標(biāo)的控制需求優(yōu)先級(jí)進(jìn)行控制事件及資源的預(yù)規(guī)劃和重規(guī)劃。

在“嫦娥4號(hào)”任務(wù)內(nèi)部，在月球背面著陸前按服務(wù)對(duì)象（著巡）控制優(yōu)先、服務(wù)提供方（中繼星）控制時(shí)機(jī)相對(duì)靈活的原則進(jìn)行控制事件及測控資源的預(yù)規(guī)劃。2018年5月21日，“鵲橋”中繼星、“龍江1號(hào)”和“龍江2號(hào)”衛(wèi)星共3個(gè)航天器進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道，測控中心應(yīng)用該控制模式實(shí)施了3個(gè)目標(biāo)的上行控制指令發(fā)送和測控網(wǎng)資源分配調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了中繼星在Halo軌道和“龍江2號(hào)”衛(wèi)星在環(huán)月軌道長期安全在軌運(yùn)行。在兼顧“嫦娥3號(hào)”月面著陸器月面工作、探月工程三期再入返回試驗(yàn)任務(wù)服務(wù)艙和“嫦娥4號(hào)”任務(wù)中繼星、“龍江2號(hào)”衛(wèi)星飛行控制的同時(shí)，2018年12月8日至12日，應(yīng)用該控制模式相繼實(shí)現(xiàn)了“嫦娥4號(hào)”探測器發(fā)射入軌段、地月轉(zhuǎn)移段、近月制動(dòng)控制；之后在環(huán)月軌道實(shí)施了著陸器與中繼星的兩個(gè)目標(biāo)協(xié)同控制的前返向鏈路測試。

7 結(jié) 論

本文根據(jù)月球背面探測任務(wù)需求設(shè)計(jì)了多目標(biāo)協(xié)同控制模式，重點(diǎn)解決了多目標(biāo)天地協(xié)同規(guī)劃和上行控制等技術(shù)難題，主要設(shè)計(jì)內(nèi)容已在“嫦娥4號(hào)”任務(wù)中得到工程應(yīng)用。“嫦娥4號(hào)”任務(wù)成功應(yīng)用表明，所作設(shè)計(jì)是合理可行的。該協(xié)同控制模式可推廣應(yīng)用于后續(xù)的月球探測和火星探測等多目標(biāo)復(fù)雜協(xié)同控制任務(wù)。