一种火星车探测任务高效自主运行方法与流程

1.本发明涉及航天器技术领域，具体涉及一种火星车探测任务高效自主运行方法。


背景技术：

2.中国于2020年7月23日发射了集“绕、落、巡”一体的天问一号火星探测器，探测器中携带了火星车进行火星表面巡视探测。2021年5月15日，着陆巡视器成功完成edl过程控制和着陆后程控，在着陆后自主建立生存状态。2021年5月22日，火星车成功驶离着陆平台，开始火面科学探测。
3.火星车通过地面系统上注任务指令数据控制其在火星表面开展探测任务。由于火星距地球较远，火星车直接对地通信能力较弱，指令上注时延迟可达22分钟，码速率低至32bps，无法上注大量的指令数据进行实时控制。因此需要火星车在执行火面探测任务时具备高度自主能力，以简化火星车控制方式，提高地面控制火星车实施探测任务的效率。
4.相比深空探测领域的月球车，由于测控对地面全天可见，且距离近，上行延迟仅1s，码速率可达2000bps，地面可进行实时遥控，因此没有类似火星车的探测任务高效自主运行能力需求。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种火星车探测任务高效自主运行方法，用于地面运控系统对火星车探测任务进行控制。本发明实现了面向火星车任务特性的运控接口，屏蔽了地面对火星车设备一级的操作，有效简化地面用户指令编排工作的复杂程度，大幅减少上注的数据量，提高指令编排工作的可靠性，为实现火星车在火面进行高效探测提供技术保证。
6.为达到上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：
7.步骤(1)将火星车典型探测任务对应指令序列形成参数化指令模板；火星车典型探测任务模式包括火星车太阳翼运动、全局感知、科学探测、x频段对地通信以及x频段对环绕器通信。
8.步骤(2)形成火星车太阳翼运动、全局感知、科学探测、x频段对地通信以及x频段对环绕器通信的任务调度模型，包括执行前置条件判断、内部参数计算方法，以及参数化指令模板组合调用方法。
9.将参数化指令模板以及任务调度模型存储于火星车数管计算机中。
10.步骤(3)地面用户人员按照实际任务需求确定完成指令序列所需关键任务参数，并按照约定的任务数据接口形式将关键任务参数发送至火星车数据管理计算机。
11.步骤(4)火星车数据管理计算机收到步骤(3)中的关键任务参数后，根据其中的探测任务模式参数对任务执行前置条件进行判断，若满足前置条件则开始规划机构机动路径，选择对应调度模型调用相关参数化指令模板，并填入机构运动目标、任务时长以及相关载荷参数，自主生成完整的任务指令序列。
12.进一步地，步骤(1)中火星车典型探测任务对应指令序列形成参数化指令模板。
13.参数化指令模板内容包括指令代号、指令名称、指令执行间隔、模板输入参数以及指令码生成规则，将其存储于火星车数管计算机。
14.针对每一种火车典型探测任务均构建一个参数化指令模板。
15.进一步地，步骤(2)具体包括如下步骤：
16.将步骤(1)中的参数化指令模板进行编排组合以完成完整的火面探测任务，包括太阳翼运动、全局感知、科学探测、x频段对地通信以及x频段对环绕器通信模式，提取各项探测任务关键参数，作为器地运控接口。
17.将任务参数与参数化指令模板的映射关系，内部运行参数的计算方法，以及指令模板和指令的组合调用关系存储于火星车数管计算机，用于器上自主生成完整指令序列。
18.进一步地，步骤(4)中，火星车数据管理计算机收到步骤(3)中的关键任务参数后，根据其中的探测任务模式参数对任务执行前置条件进行判断，若满足前置条件则开始规划机构机动路径，具体为：
19.前置条件即环境条件，前置条件的检查内容包括时间合法性、机构安全性以及环境安全性。
20.其中时间合法性包括各探测任务模式的执行时刻的合法性。
21.机构安全性包括太阳翼运动模式下火星车偏航方向满足要求，全局感知模式下桅杆偏航轴位置未超出限位，科学探测模式下桅杆偏航轴位置未超出限位、x频段对地通信以及x频段对环绕器通信模式下定向天线俯仰、滚动轴位置未超出限位。
22.环境安全性包括太阳翼运动模式下太阳翼温度满足要求，全局感知模式下桅杆温度满足要求，科学探测模式下桅杆温度满足要求、x频段对地通信以及x频段对环绕器通信模式下定向天线温度满足要求。
23.进一步地，步骤(4)中若满足前置条件则开始规划机构机动路径，选择对应调度模型调用相关参数化指令模板，并填入机构运动目标、任务时长以及相关载荷参数，自主生成完整的任务指令序列，具体步骤如下：
24.a)根据成像任务类型参数选择对应任务调度模型。
25.b)根据任务调度模型以及任务信息，确定调用的参数化指令模板和指令组合，形成针对当次任务的指令序列框架。
26.c)将可直接映射至模板的任务参数，直接填入b)所得的指令序列框架。
27.d)对于(4)中任务时间信息、成像次数、步进角度信息进一步解析，通过任务调度模型中内部参数计算方法，计算得到相关内部参数填入b)中的指令序列框架，形成完整的指令序列。
28.e)火星车数管计算机将完整的指令序列按照时间间隔进行分发并由各分系统执行，完成探测任务。
29.有益效果：
30.(1)本发明提出了一种火星车探测任务高效自主运行方法，弥补了深空探测领域在低上行码速率、高延迟测控链路下实施探测任务控制方法的空白。
31.(2)本发明提供的一种你火星车探测任务高效自主运行方法，考虑到飞行控制阶段，地面仅需要上注少量关键任务参数，对于火星车典型探测任务，上行数据量可降低至传
统控制方式的10％以下，简化了地面用户指令编排工作的复杂程度，减少了上注的数据量，提高了指令编排工作的可靠性，为实现火星车在低码速率上行条件下开展高效探测活动提供了技术保证。
附图说明
32.图1为火星车火面探测任务模式；
33.图2为火星车火面探测任务高效实施控制方法。
具体实施方式
34.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
35.本发明提供了一种火星车探测任务高效自主运行方法，具体流程参见附图2，将火星车各探测模式的典型控制指令序列形成参数化指令模板，用于结合任务参数生成控制火星车设备动作的指令序列，该指令序列可完成设备的开机、关机或某种特定工作模式动作。指令模板内容包括指令代号、名称、指令执行间隔、模板输入参数以及指令码生成规则，将其存储于火星车数管计算机。表1为用于太阳翼机构加电的指令模板，根据实际需求，可建立数个至数十个指令模板，用于描述火星车各分系统设备的基本功能。
36.表1太阳翼机构加电参数化指令模板
[0037][0038]
(2)根据火星车典型探测工作模式，将(1)中的指令模板进行编排组合以完成完整的火面探测任务，包括太阳翼运动、全局感知、科学探测、x频段对地通信以及x频段对环绕器通信模式，见附图1；针对上述模式，提取各项探测任务关键参数，作为器地运控接口，参见表2；将任务参数与参数化指令模板的映射关系，内部运行参数的计算方法，以及指令模板和指令的组合调用关系存储于火星车数管计算机，用于器上自主生成完整指令序列，见表3、表4、表5、表6。
[0039]
表2火星车探测模式任务关键参数
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表3太阳翼运动任务规划模型
[0042][0043]
表4全局感知任务规划模型(m次成像)
[0044]
[0045][0046]
表5科学探测任务规划模型
[0047][0048]
表6 x频段对地/环绕器通信任务规划模型
[0049]
[0050][0051]
(3)地面用户人员按照实际任务需求确定对应探测模式关键任务参数，并按照约定的任务接口形式将上述信息发送至火星车数据管理计算机，接口参数见表2。
[0052]
(4)数据管理计算机收到探测任务参数后，首先进行任务执行环境条件检查，用于确保任务执行合理性和安全性。若不满足执行环境条件，则不进行后续动作，任务不执行。探测模式下任务执行条件见表7。
[0053]
表7火星车探测模式任务执行条件
[0054][0055]
(5)任务执行环境条件满足情况下，数据管理计算机完成下列动作。
[0056]
a)根据成像任务类型参数选择对应调度模型；
[0057]
b)根据任务调度模型以及任务信息，确定调用的指令模板和指令组合，形成针对当次任务的指令序列框架。
[0058]
c)将可直接映射至模板的任务参数，如相机参数、载荷参数、测控参数，填入b)中的指令序列框架。
[0059]
d)对于步骤(4)中任务时间信息、成像次数、步进角度信息进一步解析，通过调度模型中内部参数计算方法，计算得到相关内部参数，包括：
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对于全局感知任务，第m次成像对应机动侧摆角计算模型为：
[0061]
xm＝x1 (m-1)
×
δ
[0062]
对于x频段对地/环绕器通信任务，根据当前时刻、地球或环绕器轨道实时计算定向天线指向；
[0063]
上述参数计算完毕后填入b)中的指令序列框架，形成完整的指令序列。
[0064]
e)火星车数管计算机将任务指令序列按照时间间隔进行分发并由各分系统执行，完成探测任务。
[0065]
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。