孫海權(quán)，馬萬權(quán)，陳金勇，胡笑旋，靳 鵬，王超超，張海龍

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 管理學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

隨著衛(wèi)星技術(shù)的飛速發(fā)展，在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。同時，應(yīng)用部門對衛(wèi)星觀測任務(wù)的需求也日趨復(fù)雜、多樣，出現(xiàn)了諸如應(yīng)急救援、熱點區(qū)域監(jiān)視和災(zāi)后評估等典型衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)[1]。對于這類任務(wù)目前通常對衛(wèi)星資源以組網(wǎng)方式進(jìn)行調(diào)度觀測，雖然這些類型組合成像覆蓋范圍較大且重訪周期較短，但是衛(wèi)星組網(wǎng)的設(shè)計是一個十分復(fù)雜的問題，受到許多因素的極大影響，而對于其中的一些影響因素人們的研究還不多[2]。衛(wèi)星組網(wǎng)設(shè)計方法僅僅考慮了地理覆蓋性能，組網(wǎng)設(shè)計者經(jīng)常會給予不同的重視程度，因此，同樣的任務(wù)需求給予不同的設(shè)計單位或廠商，經(jīng)常會得到差異巨大的衛(wèi)星組網(wǎng)設(shè)計[3]；衛(wèi)星組網(wǎng)的方式只是一個衛(wèi)星中心單獨調(diào)度控制一系列衛(wèi)星，僅限于本衛(wèi)星中心多星任務(wù)規(guī)劃[4]，另外衛(wèi)星組網(wǎng)需要較長時間的計劃、發(fā)射、運(yùn)行和維護(hù)，花費(fèi)大量的財力和人力成本，目前大部分衛(wèi)星組網(wǎng)尚在研究計劃階段，仍無法滿足實際需求。這種背景下，一種采取有目的的對地觀測聯(lián)合行動的技術(shù)——虛擬星座成為了必然趨勢。目前，對于虛擬星座的研究很少，針對不同觀測目標(biāo)，CEOS首先提議發(fā)展了陸地表面成像(Land Surface Imaging，LSI)、海面地形(Ocean Surface Topography，OST)、大氣成分(Atmospheric Composition，AC)和降水(Precipitation Constellation，PC) 4個示范虛擬星座，在2008年9月的戰(zhàn)略實施小組會議(SIT-22)上又通過了海洋水色輻射測量(Ocean Color Radiometry，OCR)和海面風(fēng)矢量(Ocean Surface Vector Wind，OSVW)2個新的星座，每個星座的研究都由一個或多個來自相關(guān)對地觀測領(lǐng)域、具有實施經(jīng)驗的空間機(jī)構(gòu)領(lǐng)導(dǎo)，并擁有一支愿意通過CEOS開展合作的其他空間機(jī)構(gòu)組成的參與團(tuán)隊[5]。Dibarboure與Lambin利用一個簡單的概率模型描述了海洋表面地形虛擬星座的狀態(tài)，以及由于SARAL/AltiKa延遲發(fā)射對海洋表面地形虛擬星座的影響，在CEOS組織的協(xié)調(diào)下，利用已有的CryoSat-2和HY-2A衛(wèi)星增加海洋表面地形虛擬星座的魯棒性[6]。仇大海等從商業(yè)衛(wèi)星資源優(yōu)勢、衛(wèi)星參數(shù)差異和傳感器特征差異3個方面分析了構(gòu)建虛擬星座的可行性，給出了虛擬衛(wèi)星的構(gòu)建步驟，首先要對衛(wèi)星及其傳感器的特點進(jìn)行分析，選擇所需時相的數(shù)據(jù)源進(jìn)行試驗，剔除冗余的衛(wèi)星和波段，然后選擇符合工作要求的衛(wèi)星和波段，從而實現(xiàn)虛擬星座的構(gòu)建，最后以LANDSAT-7衛(wèi)星和SPOT5衛(wèi)星為試驗對象，驗證了構(gòu)建虛擬星座的可操作性[7]。先前的研究并沒有設(shè)計虛擬星座資源組合的方法，本文提出了一種虛擬星座資源組合關(guān)鍵技術(shù)，可針對特定任務(wù)對現(xiàn)有衛(wèi)星進(jìn)行資源組合，使用雙邊匹配方法對任務(wù)進(jìn)行資源分配，形成衛(wèi)星資源聯(lián)盟，極大地提高了衛(wèi)星資源的調(diào)度效率和利用率。

1 虛擬星座規(guī)劃流程分析

虛擬星座是指由分屬于不同衛(wèi)星中心、多種不同性質(zhì)和類型的衛(wèi)星、有效載荷等共同組成的一個相互配合、功能互補(bǔ)、資源共享的協(xié)同對地觀測系統(tǒng)，滿足多種復(fù)雜任務(wù)請求，通過面向服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)接口提供原始的和處理后的數(shù)據(jù)，以及相關(guān)元數(shù)據(jù)[5，8]。虛擬星座為充分利用星地資源提供了一種高效的解決方案，是遙感信息應(yīng)用的新興關(guān)鍵技術(shù)之一[9]。虛擬星座統(tǒng)籌任務(wù)規(guī)劃是指通過建立虛擬星座任務(wù)規(guī)劃合作機(jī)制，進(jìn)行一體化的系統(tǒng)體系架構(gòu)和流程設(shè)計，使得各分布式任務(wù)管控系統(tǒng)以一種協(xié)同的方式，將一系列載荷特性相關(guān)的、覆蓋范圍動態(tài)重疊的、分屬1個或多個機(jī)構(gòu)的對地觀測衛(wèi)星集成在一起，發(fā)揮多星多傳感器虛擬星座觀測的優(yōu)勢，實現(xiàn)面向觀測要素的協(xié)同觀測，以滿足綜合對地觀測需求。

在虛擬星座的規(guī)劃過程中，首先由用戶提出觀測任務(wù)請求，虛擬星座根據(jù)觀測任務(wù)請求信息進(jìn)行任務(wù)分解形成任務(wù)；其次依據(jù)任務(wù)信息、參與規(guī)劃衛(wèi)星信息、數(shù)傳資源信息進(jìn)行任務(wù)與資源雙邊匹配形成觀測任務(wù)的衛(wèi)星資源聯(lián)盟和預(yù)分配方案；再者虛擬星座通過比較分析形成分配方案，分發(fā)給參與規(guī)劃的衛(wèi)星中心；衛(wèi)星中心依據(jù)觀測任務(wù)預(yù)分配方案和當(dāng)前衛(wèi)星資源能力進(jìn)行衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃，確定衛(wèi)星觀測與數(shù)據(jù)傳輸動作；然后依據(jù)任務(wù)規(guī)劃的結(jié)果生成載荷控制指令，并經(jīng)由地面測控設(shè)備將載荷指令發(fā)送至對地觀測衛(wèi)星；對地觀測衛(wèi)星執(zhí)行相應(yīng)指令進(jìn)行觀測與數(shù)據(jù)傳輸，將獲得的觀測數(shù)據(jù)發(fā)送給地面接收設(shè)備，最后虛擬星座對各中心傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶，詳細(xì)流程如圖1所示。

圖1 虛擬星座任務(wù)規(guī)劃過程示意

2 衛(wèi)星資源聯(lián)盟

在對衛(wèi)星應(yīng)用過程中，用戶的需求千差萬別，通過分析不同衛(wèi)星中心的太陽同步軌道衛(wèi)星及其載荷的有關(guān)屬性和約束，主要約束有衛(wèi)星軌道約束、遙感器觀測約束、數(shù)據(jù)存儲約束、衛(wèi)星及載荷能耗和類型約束、數(shù)據(jù)及指令傳輸約束以及觀測任務(wù)約束等，建立衛(wèi)星資源聯(lián)盟[10-11]。

衛(wèi)星資源聯(lián)盟定義：衛(wèi)星資源聯(lián)盟是資源組織的一種形式，是具有非層次、分布式、相互獨立和成像能力互補(bǔ)協(xié)同完成復(fù)雜對地觀測任務(wù)，且分別屬于不同衛(wèi)星中心的衛(wèi)星資源集合。不同類型的衛(wèi)星借助虛擬星座衛(wèi)星資源聯(lián)盟，可以完成個體衛(wèi)星中心所不能完成的觀測任務(wù)[12]。

由于任務(wù)及任務(wù)環(huán)境的動態(tài)不確定性，因此面向各種任務(wù)的衛(wèi)星資源聯(lián)盟也是不斷變化的[13]。從功能上看，衛(wèi)星資源聯(lián)盟能夠完成特定的對地觀測任務(wù)[14]。而從組織形式上看，衛(wèi)星資源聯(lián)盟中的衛(wèi)星分屬于不同衛(wèi)星中心，由相應(yīng)的衛(wèi)星中心對資源進(jìn)行管控。當(dāng)有任務(wù)需要同時處理時，虛擬星座通過與衛(wèi)星中心協(xié)商，選擇相應(yīng)的衛(wèi)星動態(tài)地組成衛(wèi)星資源聯(lián)盟以完成對地觀測任務(wù)。因此，資源池中的動態(tài)衛(wèi)星資源聯(lián)盟和當(dāng)前的任務(wù)是一一對應(yīng)關(guān)系，衛(wèi)星資源聯(lián)盟數(shù)目等于任務(wù)數(shù)，如圖2所示。采用集合的形式來表示衛(wèi)星資源、任務(wù)以及衛(wèi)星資源聯(lián)盟間的相互關(guān)系，其中S表示衛(wèi)星資源集合，而S1、S2、…、Sn表示衛(wèi)星資源聯(lián)盟，其中Si表示第i個任務(wù)對應(yīng)的衛(wèi)星資源聯(lián)盟。從資源優(yōu)化利用的角度，允許同一衛(wèi)星屬于多個衛(wèi)星資源聯(lián)盟，使得最大化地利用衛(wèi)星能力成為可能，由此可知衛(wèi)星資源聯(lián)盟對應(yīng)的衛(wèi)星子集間可能存在交集。

圖2 衛(wèi)星資源聯(lián)盟關(guān)系示意

3 面向觀測任務(wù)的衛(wèi)星資源聯(lián)盟形成問題模型

衛(wèi)星資源聯(lián)盟是根據(jù)任務(wù)需求和資源能力通過雙邊匹配機(jī)制為達(dá)到一定目標(biāo)所形成的資源集合，在匹配過程中如果某資源因沖突而不能滿足與其配對的任務(wù)需要，可繼而調(diào)用其他候選資源。

3.1 問題描述

建立面向觀測任務(wù)的資源池組織優(yōu)化問題模型，依據(jù)任務(wù)需求和各資源的具體完成任務(wù)能力，在保證資源能夠完成任務(wù)的前提下，在資源全集中為每個任務(wù)確定最合適的資源子集，形成完成該任務(wù)對應(yīng)的衛(wèi)星資源聯(lián)盟。

基于衛(wèi)星資源聯(lián)盟的資源動態(tài)組織問題詳細(xì)描述為：對于觀測任務(wù)，由于單顆衛(wèi)星不能完成任務(wù)，需要多顆衛(wèi)星協(xié)同工作才能滿足任務(wù)要求。不失一般性，考慮對象為多個并行的觀測任務(wù)，為了完成這些任務(wù)，必須為每個任務(wù)確定完成任務(wù)的資源集合，該集合中的衛(wèi)星就構(gòu)成該任務(wù)對應(yīng)的衛(wèi)星資源聯(lián)盟。從優(yōu)化角度看，為了高效利用資源，確定的每個任務(wù)對應(yīng)的衛(wèi)星資源聯(lián)盟中的衛(wèi)星個數(shù)規(guī)模不能太大；另一方面，衛(wèi)星資源聯(lián)盟中衛(wèi)星個數(shù)也不能太少，還必須滿足任務(wù)的要求，即能夠滿足該任務(wù)要求的各種約束和實現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)。

3.2 約束條件

每個任務(wù)對應(yīng)的衛(wèi)星資源聯(lián)盟必須有足夠的能力完成該任務(wù)，滿足傳感器類型和成像分辨率要求。在滿足約束的基礎(chǔ)上，要實現(xiàn)以下優(yōu)化目標(biāo)：① 盡可能多地完成任務(wù)，實現(xiàn)任務(wù)效能的最大化；② 執(zhí)行任務(wù)的總代價最小?；谝陨厦枋?，對問題要素的符號表示說明如下：

觀測任務(wù)集合：設(shè)有NT個需要執(zhí)行的任務(wù)，用集合T={T1，T2，...，TNT}表示。

任務(wù)能力需求：?Tk∈T均有一定的能力需求

1≤k≤NT，1≤j≤NA。

任務(wù)收益：任務(wù)Tk完成可獲得相應(yīng)的收益P(Tk)。

面向觀測任務(wù)的衛(wèi)星資源聯(lián)盟：面向任務(wù)Tk的衛(wèi)星資源聯(lián)盟是衛(wèi)星集合S的一個子集合Grpk?S，該衛(wèi)星集合對應(yīng)一個能力向量：

式中，AbilityGrpk是衛(wèi)星集合Grpk中所有衛(wèi)星能力向量之和：

對其中每個分量都有：

一般意義來說，Grpk為衛(wèi)星資源集合的非空子集，Grpk=?表示面向該任務(wù)的衛(wèi)星資源聯(lián)盟為?。

3.3 約束條件表達(dá)式

完成觀測任務(wù)的衛(wèi)星能力約束，根據(jù)衛(wèi)星搭載的傳感器性能和觀測任務(wù)需求，衛(wèi)星資源聯(lián)盟Grpk能夠?qū)θ蝿?wù)Tk進(jìn)行觀測的必要條件為：

AbilityGrpk≥RequestTk。

任務(wù)效能的定義及基本假設(shè)：為了更好地進(jìn)行任務(wù)池與資源池的任務(wù)-資源的匹配，需要建立相應(yīng)的評價方法對任務(wù)-衛(wèi)星資源匹配的效果進(jìn)行衡量。本文采用任務(wù)效能來綜合反映衛(wèi)星資源完成任務(wù)的質(zhì)量、付出的代價和獲得的收益[15]。

任務(wù)效能定義：由完成該任務(wù)的衛(wèi)星資源收益、任務(wù)的價值以及衛(wèi)星資源執(zhí)行該任務(wù)的能力共同決定。

任務(wù)價值一般可以按照一定的原則預(yù)先設(shè)定，并在規(guī)劃過程中可以根據(jù)環(huán)境的變化進(jìn)行動態(tài)調(diào)整[16]。衛(wèi)星執(zhí)行任務(wù)的能力由其本身性能及攜帶的有效載荷共同決定，常?；谝酝臄?shù)據(jù)統(tǒng)計通過相應(yīng)的概率進(jìn)行描述。

任務(wù)效能是指衛(wèi)星資源聯(lián)盟Grpk執(zhí)行任務(wù)Tk的效能V(Grpk)可以表示為：

V(Grpk)=P(Tk)-F(Grpk)-C(Grpk)，

(1)

式中，P(Tk)為完成任務(wù)獲得的預(yù)期收益；F(Grpk)為Grpk內(nèi)所有衛(wèi)星因能力重疊形成的損失成本；C(Grpk)為Grpk內(nèi)衛(wèi)星相互協(xié)作完成任務(wù)Tk過程中的額外開銷，主要指通信開銷。因為具有不同的量綱，所以需要先分別對其進(jìn)行歸一化處理，統(tǒng)一到相同的量綱后再進(jìn)行計算。

聯(lián)盟結(jié)構(gòu)定義：聯(lián)盟結(jié)構(gòu)是指面向NT個任務(wù)的NT個資源子集構(gòu)成的集合：

GS={(Grp1，T1)，(Grp2，T2)，...，(GrpNT，TNT)}，

稱之為一個面向任務(wù)的聯(lián)盟結(jié)構(gòu)。

由上述定義可知，一個聯(lián)盟結(jié)構(gòu)對應(yīng)了一個資源組織優(yōu)化方案，即資源組織優(yōu)化問題的解，它由多個面向任務(wù)的衛(wèi)星資源聯(lián)盟組成。其中的聯(lián)盟滿足下列條件：

Grp1∪Grp2∪...∪GrpNT≤S，

(2)

|Grp1|+|Grp2|+...+|GrpNT|≥|S|，

(3)

式(2)、式(3)表明，允許同一衛(wèi)星加入多個衛(wèi)星資源聯(lián)盟，參與執(zhí)行多個任務(wù)。從最優(yōu)化系統(tǒng)資源使用的角度，這樣做雖然合理，但增加了資源優(yōu)化問題求解的難度。進(jìn)而定義整個系統(tǒng)的收益為：

(4)

該問題的數(shù)學(xué)模型表示如下：

(5)

(6)

AbilityGrpk≥RequestTk，k=1，2，...，NT，

(7)

4 實驗結(jié)果與分析

為了對上述虛擬星座資源組合方法的有效性和結(jié)果進(jìn)行分析，本文在VisualStudio中進(jìn)行了仿真實驗。假設(shè)有衛(wèi)星資源12顆及其衛(wèi)星屬性，如表1所示，任務(wù)4個及其任務(wù)需求，如表2所示。

表1 衛(wèi)星及其屬性表

衛(wèi)星類型軌道高度/km傾角/(°)分辨率/m波段/μm衛(wèi)星1紅外77898.5200.50～12.50衛(wèi)星2紅外70196.460.53～1.530衛(wèi)星3紅外83293.7100.51～2.610衛(wèi)星4紅外64997.988.50～12.50衛(wèi)星5SAR56897.6180.52～2.400衛(wèi)星6SAR64598.020.45～6.890衛(wèi)星7SAR63197.910.51～0.900衛(wèi)星8多光譜69593.81.50.44～0.890衛(wèi)星9多光譜68198.110.45～0.900衛(wèi)星10多光譜50597.420.45～1.410衛(wèi)星11多光譜50094.460.45～0.890衛(wèi)星12多光譜78998.850.40～12.50

表2 任務(wù)及其需求表

任務(wù)緯度/(°)經(jīng)度/(°)衛(wèi)星類型分辨率/m波段/μm任務(wù)122.1113.5多光譜30.56任務(wù)222.0113.3紅外201.01任務(wù)321.7112.6多光譜或紅外101.31任務(wù)422.3112.5多光譜或SAR70.93

依據(jù)上述的虛擬星座資源組合的方法，可對衛(wèi)星的能力和任務(wù)的需求進(jìn)行匹配，以形成滿足任務(wù)需求的資源聯(lián)盟如表3所示，本實驗優(yōu)化得出了4個任務(wù)各自的資源聯(lián)盟，形成任務(wù)規(guī)劃的預(yù)分配方案，并且通過分析可知該方法將無用的衛(wèi)星4、衛(wèi)星5、衛(wèi)星7和衛(wèi)星11剔除在衛(wèi)星資源聯(lián)盟之外，提高了衛(wèi)星和任務(wù)的時間窗計算效率，也能夠改善后續(xù)衛(wèi)星資源的調(diào)度效率和利用率。

表3 虛擬星座資源組合結(jié)果表

資源聯(lián)盟任務(wù)衛(wèi)星Grp1任務(wù)1衛(wèi)星8、衛(wèi)星9、衛(wèi)星10Grp2任務(wù)2衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3Grp3任務(wù)3衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星10、衛(wèi)星12Grp4任務(wù)4衛(wèi)星6、衛(wèi)星10、衛(wèi)星12

5 結(jié)束語

針對虛擬星座的構(gòu)建問題進(jìn)行研究，提出了虛擬星座的資源管理方法，用于靈活管理衛(wèi)星資源、快速進(jìn)行資源分配。從衛(wèi)星資源聯(lián)盟的角度對衛(wèi)星資源進(jìn)行組合分類，在任務(wù)規(guī)劃前首先建立特定任務(wù)的衛(wèi)星資源聯(lián)盟，利用任務(wù)和衛(wèi)星資源雙邊匹配機(jī)制對可用的衛(wèi)星資源盡可能少地進(jìn)行整合以滿足任務(wù)的觀測需求，生成規(guī)劃的預(yù)方案，并且經(jīng)過實驗驗證該技術(shù)能夠得到滿足任務(wù)需求的優(yōu)化方案，減少了衛(wèi)星的使用數(shù)量，提高了衛(wèi)星利用率。

下一步研究將開展2個方面的工作，首先進(jìn)一步完善虛擬星座資源組合模型，對用戶及時性需求和目標(biāo)不固定性加以考慮；其次對聯(lián)盟中衛(wèi)星資源的調(diào)度算法進(jìn)行研究，以實現(xiàn)后續(xù)衛(wèi)星和任務(wù)的精確匹配。

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