謝 平，杜永浩，姚 鋒，譚躍進(jìn)

(1. 中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院，北京 100048；2. 國防科技大學(xué)系統(tǒng)工程學(xué)院，長沙 410073)

0 引 言

21世紀(jì)以來，隨著海洋開發(fā)、減災(zāi)救災(zāi)、環(huán)境保護(hù)和國土資源監(jiān)測等眾多領(lǐng)域?qū)Φ赜^測需求的激增，我國開始大力推進(jìn)高分辨率成像衛(wèi)星的研制工作。為應(yīng)對(duì)我國復(fù)雜的地緣政治環(huán)境及國內(nèi)的突發(fā)事件，有效降低衛(wèi)星響應(yīng)時(shí)間，第一時(shí)間獲取突發(fā)事件的情報(bào)信息，研制性能更為智能化、敏捷化的成像衛(wèi)星成為當(dāng)務(wù)之急。

根據(jù)當(dāng)今衛(wèi)星發(fā)展趨勢，衛(wèi)星自主調(diào)度能力受到各個(gè)衛(wèi)星應(yīng)用大國的高度重視，我國也逐步開展了對(duì)敏捷衛(wèi)星、快速響應(yīng)衛(wèi)星、星間組網(wǎng)、分離模塊群等新型遙感衛(wèi)星技術(shù)的研究工作。其中，新型敏捷自主成像衛(wèi)星涌現(xiàn)出全新的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用模式，擴(kuò)展了成像衛(wèi)星調(diào)度的內(nèi)涵，特別是敏捷衛(wèi)星自主調(diào)度技術(shù)，為衛(wèi)星管控帶來了以下優(yōu)勢。

1)加強(qiáng)了衛(wèi)星應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的快速響應(yīng)能力?，F(xiàn)有的調(diào)度方案通常是地面站對(duì)衛(wèi)星一次性完成一天到數(shù)天的調(diào)度，將方案譯成指控指令后由地面天線上注成像衛(wèi)星；衛(wèi)星在此期間嚴(yán)格依照指令執(zhí)行，無法修改[1]。這種分時(shí)段、分批次調(diào)度的管控模式時(shí)效性較低，不能及時(shí)響應(yīng)突發(fā)事件。若衛(wèi)星具有自主、靈活的任務(wù)調(diào)度和快速響應(yīng)的能力，便可及時(shí)捕捉有利環(huán)境條件、實(shí)現(xiàn)快速重訪，避免重要?jiǎng)討B(tài)情報(bào)信息獲取手段受制于國外衛(wèi)星系統(tǒng)的窘境。

2)提升了衛(wèi)星觀測效率，緩解了數(shù)據(jù)接收與處理壓力。我國在“十三五”期間在軌衛(wèi)星的數(shù)量將超過200顆，地面管控中心數(shù)據(jù)的接收和處理壓力激增。同時(shí)，為避免衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)和姿態(tài)控制誤差的影響，衛(wèi)星通常會(huì)提前開機(jī)成像以保障目標(biāo)覆蓋，從而產(chǎn)生了較多的無效觀測數(shù)據(jù)。而敏捷衛(wèi)星自主調(diào)度能夠根據(jù)實(shí)時(shí)的軌道、姿態(tài)和載荷狀態(tài)信息進(jìn)行成像調(diào)度，精確控制和縮減成像時(shí)間，提升觀測效率，減輕了數(shù)據(jù)壓力。

3)突破了衛(wèi)星測控瓶頸、降低地面管控的復(fù)雜性。傳統(tǒng)地面任務(wù)調(diào)度是基于時(shí)間標(biāo)記的控制指令模式，操作人員需根據(jù)衛(wèi)星操作和載荷使用方法，將任務(wù)方案轉(zhuǎn)化為一系列衛(wèi)星機(jī)動(dòng)的相關(guān)參數(shù)。這種模式對(duì)地面管控要求較高，且需與衛(wèi)星研制單位校對(duì)執(zhí)行指令及參數(shù)，無疑增加了人力成本、降低了管控效率。此外，我國測控網(wǎng)大多只能在國內(nèi)建站，衛(wèi)星測控弧段較短。因此，為應(yīng)對(duì)復(fù)雜空間任務(wù)需求，緩解有限測控窗口對(duì)指令序列上注的制約，具有自制指令轉(zhuǎn)譯與任務(wù)調(diào)度能力的敏捷衛(wèi)星可大大降低測控資源的信息上注壓力。

4)保障了衛(wèi)星可靠性、延長使用壽命，提升復(fù)雜任務(wù)的執(zhí)行能力。隨著衛(wèi)星能力的提升，用戶需求也日趨復(fù)雜化與多樣化。從星上能源優(yōu)化利用的角度看，自主調(diào)度能夠?qū)崟r(shí)制定姿態(tài)調(diào)整、溫度保持等相關(guān)控制策略，從而提高衛(wèi)星運(yùn)行可靠性、延長使用壽命。同時(shí)，衛(wèi)星每一次任務(wù)都伴隨著姿態(tài)機(jī)動(dòng)、相機(jī)開關(guān)等操作，一條指令出錯(cuò)會(huì)影響后續(xù)的任務(wù)執(zhí)行。由于我國衛(wèi)星運(yùn)行有一半以上的時(shí)間在測控弧段以外，故衛(wèi)星的自主管理、運(yùn)行和生存能力能夠保障衛(wèi)星在境外時(shí)對(duì)復(fù)雜任務(wù)的有效執(zhí)行。

綜上，敏捷成像衛(wèi)星自主調(diào)度技術(shù)能夠利用實(shí)時(shí)信息，靈活自主地選擇衛(wèi)星成像時(shí)機(jī)，提高應(yīng)急目標(biāo)的觀測成功率，快速地響應(yīng)突發(fā)事件，對(duì)我國國土安全、資源監(jiān)測、防災(zāi)減災(zāi)等軍事和民用領(lǐng)域具有重要意義。下面，本文將首先闡述敏捷成像衛(wèi)星調(diào)度的內(nèi)涵，隨后分別從自主感知、自主決策和自主協(xié)同三個(gè)方面介紹敏捷衛(wèi)星自主調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)，最后對(duì)敏捷衛(wèi)星自主調(diào)度技術(shù)提出未來發(fā)展建議。

圖1 敏捷成像衛(wèi)星自主調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)Fig.1 Key techniques in autonomous scheduling for agile Earth observation satellites

1 敏捷成像衛(wèi)星調(diào)度的內(nèi)涵

1.1 敏捷成像衛(wèi)星技術(shù)

從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度來講，成像衛(wèi)星具有三個(gè)方向的平動(dòng)自由度和三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，如圖2所示。受衛(wèi)星軌道的約束，衛(wèi)星成像活動(dòng)的開展只能依賴其轉(zhuǎn)動(dòng)自由度方向上的運(yùn)動(dòng)，通常稱為側(cè)擺、俯仰和偏航。傳統(tǒng)的成像衛(wèi)星只具備側(cè)擺方向的成像能力，如圖3 (a)所示，是目前成像衛(wèi)星的主要在軌形式。

傳統(tǒng)成像衛(wèi)星已得到廣泛應(yīng)用，但同時(shí)暴露出單次過境成像形式單一、對(duì)區(qū)域目標(biāo)成像能力有限、資源利用率低、受軌道約束影響較大等問題。傳統(tǒng)衛(wèi)星針對(duì)區(qū)域目標(biāo)的成像策略如圖3 (b)所示，可見，由于傳統(tǒng)衛(wèi)星只能對(duì)軌道正下方的條帶區(qū)域開展成像活動(dòng)，故范圍較大的區(qū)域目標(biāo)必須采用多次過境的方式，帶來了較長的目標(biāo)訪問周期和固存資源不必要的浪費(fèi)。由此，結(jié)合傳統(tǒng)衛(wèi)星的軌道機(jī)動(dòng)能力和成像策略，本文將敏捷成像衛(wèi)星定義為：

圖2 衛(wèi)星六自由度模型Fig.2 Six degrees of freedom model for the satellite

定義1.(敏捷成像衛(wèi)星)在沿軌道飛行過程中，衛(wèi)星平臺(tái)或星上載荷通過側(cè)擺、俯仰和偏航三個(gè)自由度方向的軌道機(jī)動(dòng)開展成像活動(dòng)的一類成像衛(wèi)星。

與傳統(tǒng)衛(wèi)星相比，敏捷衛(wèi)星具有側(cè)擺、俯仰、偏航三個(gè)方向的快速機(jī)動(dòng)能力。對(duì)比圖3(a)與圖3(c)可知，傳統(tǒng)衛(wèi)星只能在目標(biāo)垂直上方才能開展成像活動(dòng)，而敏捷衛(wèi)星可以通過調(diào)整其俯仰與偏航角度，在同一軌道位置提供對(duì)多個(gè)目標(biāo)的成像機(jī)會(huì)。對(duì)比圖3(b)與圖3(d)可知，敏捷衛(wèi)星可以在單次過境中通過多次姿態(tài)調(diào)整實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域目標(biāo)的連續(xù)成像，表現(xiàn)出更強(qiáng)大的任務(wù)執(zhí)行效率和多星協(xié)同的兼容性[2-3]。由此，從決策的角度看，敏捷成像衛(wèi)星的決策優(yōu)勢具體表現(xiàn)為：1) 俯仰、偏航機(jī)動(dòng)能力，為任務(wù)目標(biāo)提供了更多的成像時(shí)間窗口；2) 高俯仰角成像能力，為任務(wù)目標(biāo)提供了更長的成像時(shí)間窗口；3) 質(zhì)量輕、姿態(tài)轉(zhuǎn)換迅速，為調(diào)度過程提供了更多的任務(wù)與約束沖突消解方式；4) 受目標(biāo)位置和軌道約束弱，為多敏捷衛(wèi)星自主協(xié)同成像提供了潛在的發(fā)揮空間。

1.2 敏捷成像衛(wèi)星調(diào)度問題特征

成像衛(wèi)星調(diào)度問題已被證明為NP難問題[4]，而敏捷成像衛(wèi)星的功能與任務(wù)需求甚多，故敏捷成像衛(wèi)星的特征提取與分析是有效求解敏捷成像衛(wèi)星調(diào)度問題的前提。一般來說，敏捷成像衛(wèi)星調(diào)度問題具有收益的多樣性特征和約束的時(shí)間依賴性特性。

1)收益多樣性特征

圖3 敏捷衛(wèi)星與傳統(tǒng)衛(wèi)星成像策略對(duì)比Fig.3 Comparison on the observation strategies between agile satellites and traditional satellites

Tangpattanakul等[7]將多用戶的敏捷衛(wèi)星調(diào)度問題看作多目標(biāo)優(yōu)化問題，包括優(yōu)化方案的整體收益和不同用戶間的收益差值?？梢?，多元化的用戶需求和地面測控中心的工作需要，為敏捷成像衛(wèi)星調(diào)度問題帶來了收益多樣性特性。針對(duì)常規(guī)任務(wù)和有應(yīng)急任務(wù)動(dòng)態(tài)到達(dá)的調(diào)度場景，常見的敏捷成像衛(wèi)星收益特征如表1所示。

表1 敏捷成像衛(wèi)星調(diào)度收益多樣性特征Table 1 Diversified characteristics of revenues in agile observation satellite scheduling

2)約束時(shí)間依賴性特征

敏捷成像衛(wèi)星調(diào)度的問題約束具有很強(qiáng)的時(shí)間依賴性，即主要約束與時(shí)間密不可分，如表2所示。時(shí)間依賴性約束是制約敏捷衛(wèi)星效率發(fā)揮的關(guān)鍵。

表2 敏捷成像衛(wèi)星約束時(shí)間依賴性特征Table 2 Time-dependent characteristics of constraints in agile observation satellite scheduling

在成像活動(dòng)方面，敏捷衛(wèi)星的任何成像活動(dòng)只有在目標(biāo)可見時(shí)間窗范圍內(nèi)執(zhí)行才具有收益。在衛(wèi)星姿態(tài)轉(zhuǎn)換方面，在不同時(shí)刻，由于衛(wèi)星需要調(diào)整的姿態(tài)角度不同導(dǎo)致姿態(tài)機(jī)動(dòng)需求時(shí)間也不同，姿態(tài)機(jī)動(dòng)需求時(shí)間Δt一般可用式(1)表示。

Δt=Δg/v+C

(1)

式中：Δg為相鄰衛(wèi)星任務(wù)的綜合姿態(tài)轉(zhuǎn)角，v為姿態(tài)機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)速，C為衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定時(shí)間[8]。

在固存容量方面，成像衛(wèi)星的存儲(chǔ)上限不僅受限于衛(wèi)星單次服務(wù)時(shí)間，同時(shí)依賴于衛(wèi)星何時(shí)對(duì)固存進(jìn)行格式化擦除。在電量方面，成像衛(wèi)星對(duì)日充能的時(shí)刻與時(shí)間也制約著衛(wèi)星的成像能力[9]。

1.3 敏捷成像衛(wèi)星調(diào)度問題一般化描述

針對(duì)不同應(yīng)用場景，學(xué)者們對(duì)敏捷衛(wèi)星調(diào)度問題開展了不同的問題建模，但在求解過程中充分發(fā)揮敏捷衛(wèi)星俯仰、偏航機(jī)動(dòng)能力，消解時(shí)間、時(shí)序約束的本質(zhì)是相同的。故本文在已有研究的基礎(chǔ)上，給出敏捷成像衛(wèi)星調(diào)度問題的定義和一般化描述：

定義2.(敏捷成像衛(wèi)星調(diào)度問題)在滿足時(shí)序和資源約束的前提下，對(duì)敏捷成像衛(wèi)星的元任務(wù)進(jìn)行選擇、分配與排序，以實(shí)現(xiàn)某項(xiàng)或某幾項(xiàng)任務(wù)收益值最大化的約束滿足優(yōu)化問題。

其中，元任務(wù)是敏捷成像衛(wèi)星調(diào)度問題中的調(diào)度對(duì)象。根據(jù)常見任務(wù)需求，本文將元任務(wù)定義為：

定義3.(元任務(wù)) 通過成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃預(yù)處理技術(shù)，對(duì)用戶和衛(wèi)星管控單位提出的復(fù)雜成像、數(shù)傳及星上狀態(tài)維護(hù)等任務(wù)進(jìn)行分解，而產(chǎn)生的能夠由衛(wèi)星一次性完成的可調(diào)度任務(wù)單元。

表3 敏捷成像衛(wèi)星常見元任務(wù)類型Table 3 Unit task types of agile observation satellite

根據(jù)敏捷成像衛(wèi)星任務(wù)分類的不同，元任務(wù)的主要類型如表3所示。其中，對(duì)日定向任務(wù)指衛(wèi)星太陽能帆板在陽照區(qū)對(duì)太陽定向并充能；固存擦除任務(wù)指部分在軌衛(wèi)星受固存技術(shù)的限制，通過對(duì)星上固存進(jìn)行格式化的方式來存儲(chǔ)新的成像數(shù)據(jù)。

多星多軌敏捷成像衛(wèi)星調(diào)度問題可以描述為：

問題優(yōu)化目標(biāo)如式(2)所示：最大化任務(wù)完成率、最大化任務(wù)全局優(yōu)先級(jí)和最大化任務(wù)全局完成質(zhì)量等。其中，q(ri)表示元任務(wù)ri基于任務(wù)執(zhí)行時(shí)間等實(shí)際情況的任務(wù)質(zhì)量評(píng)估函數(shù)[10]。

表4 多星多軌敏捷成像衛(wèi)星調(diào)度問題主要符號(hào)說明Table 4 Major symbols descriptions in the scheduling for multi agile observation satellites

(2)

(3)

q(ri)≥qi,xijklm=1

(4)

(5)

(6)

hi+li+t(ri,ri′)≤hj,xijklm=xi′j′k′l′m′=1且
sij=si′j′且hi

(7)

?n≤|R|且hi

(8)

?n≤|R|且hi

(9)

約束(3)表示元任務(wù)ri至多只能執(zhí)行一次，即至多在一顆衛(wèi)星的某條軌道的某個(gè)時(shí)間窗內(nèi)執(zhí)行。約束(4)表示任意元任務(wù)的完成質(zhì)量需大于用戶提出的質(zhì)量要求。約束(5)表示任意元任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間需坐落在時(shí)間窗內(nèi)。約束(6)表示任意元任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間需滿足用戶要求。約束(7)表示對(duì)同一顆衛(wèi)星而言，任意兩個(gè)元任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間沒有重疊，且執(zhí)行間隔不少于敏捷衛(wèi)星姿態(tài)或模式轉(zhuǎn)換的最短時(shí)間。其中，t(ri,ri+1)表示根據(jù)兩個(gè)元任務(wù)的衛(wèi)星狀態(tài)而計(jì)算轉(zhuǎn)換時(shí)間的函數(shù)。約束(8)表示對(duì)任意衛(wèi)星j而言，隨著其固存增減，任意時(shí)刻固存量不能超過星載固存上限。約束(9)表示對(duì)任意衛(wèi)星j而言，隨著電能充放，任意時(shí)刻電量消耗不能超過星載電池容量上限。

上述約束構(gòu)建了敏捷成像衛(wèi)星調(diào)度問題的一般化模型。針對(duì)不同的調(diào)度背景，各元任務(wù)間可能還存在著其他復(fù)雜的約束關(guān)系，但由于多星多軌的敏捷衛(wèi)星調(diào)度往往考慮因素眾多，問題規(guī)模較大，決策維度較高，在工程應(yīng)用和科學(xué)研究中，其調(diào)度問題常被一定程度地簡化。例如采取單星多軌、多星單軌、只優(yōu)化任務(wù)序列、成像與數(shù)傳任務(wù)分段式調(diào)度、不考慮固存擦除或?qū)θ斩ㄏ虻鹊暮喕绞絒11]。這些簡化方式對(duì)降低敏捷衛(wèi)星調(diào)度問題維度，提升自主調(diào)度的響應(yīng)速率和魯棒性起到非常重要的作用。

2 敏捷成像衛(wèi)星自主調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)

近年來，利用自主調(diào)度技術(shù)來提高敏捷成像衛(wèi)星等航天器任務(wù)執(zhí)行效能的方式受到了越來越多研究人員的重視。針對(duì)現(xiàn)階段敏捷成像衛(wèi)星主要自主形式與使用目的，本節(jié)重點(diǎn)論述敏捷成像衛(wèi)星自主感知、自主決策和自主協(xié)同等三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 自主感知技術(shù)

自主感知是指敏捷成像衛(wèi)星具備圖像處理、位置監(jiān)測、故障診斷等傳感器載荷，在飛行過程中自主感知目標(biāo)、環(huán)境或自身狀態(tài)變化，進(jìn)行狀態(tài)更新與信息通訊的自主技術(shù)，是敏捷成像衛(wèi)星自主調(diào)度技術(shù)的重要基礎(chǔ)。根據(jù)感知對(duì)象與目標(biāo)不同，目前主要使用的自主感知技術(shù)包括目標(biāo)感知和環(huán)境感知。

2.1.1目標(biāo)感知

目標(biāo)感知是以衛(wèi)星成像任務(wù)目標(biāo)為感知對(duì)象，圍繞提升成像任務(wù)執(zhí)行效率的自主感知技術(shù)。目前比較成功的帶有目標(biāo)感知功能的敏捷衛(wèi)星有Firebird,Pleiades,OptiSAR和EO1等。Firebird是德國宇航局火災(zāi)識(shí)別系統(tǒng)的重要組成部分，該衛(wèi)星能捕獲火災(zāi)位置、火情區(qū)域規(guī)模等火災(zāi)參數(shù)信息，并通過火情發(fā)現(xiàn)等自動(dòng)探測事件來執(zhí)行自主調(diào)度活動(dòng)[12]。

法國宇航局研制的Pleiades敏捷衛(wèi)星裝備了高分辨率光學(xué)相機(jī)、云層覆蓋探測器等自主感知設(shè)備。當(dāng)接收到目標(biāo)變化信息時(shí)，星上系統(tǒng)會(huì)自主調(diào)整任務(wù)，并改變待執(zhí)行任務(wù)的狀態(tài)信息，避免了地面管控與星地鏈路通訊的復(fù)雜流程和傳輸延遲[13]。加拿大OptiSAR星座由來自兩個(gè)軌道的8個(gè)串聯(lián)模塊組成，每個(gè)模塊包含一顆合成孔徑雷達(dá)(SAR)衛(wèi)星和一顆光學(xué)衛(wèi)星。OptiSAR星座的自主感知功能是通過SAR衛(wèi)星和光學(xué)衛(wèi)星協(xié)作實(shí)現(xiàn)，不僅可同時(shí)對(duì)某一目標(biāo)進(jìn)行SAR成像與光學(xué)成像，還可通過SAR衛(wèi)星的云判系統(tǒng)避免光學(xué)衛(wèi)星對(duì)云霧遮擋區(qū)域進(jìn)行無效觀測，從而提高了光學(xué)衛(wèi)星的成像效率[14]。EO1是由NASA研制的敏捷自主成像衛(wèi)星，它能發(fā)現(xiàn)地球表面的火山噴發(fā)、冰層消融、云霧遮擋、地殼運(yùn)動(dòng)等自然科學(xué)事件[15]。

由表5可知，云層是敏捷成像自主衛(wèi)星的主要感知對(duì)象。雖然云層的出現(xiàn)并不如火災(zāi)、地殼運(yùn)動(dòng)事件的緊急性和災(zāi)害性，但云層會(huì)顯著降低光學(xué)衛(wèi)星的成像效果。在云量描述方面，Baek等[16]分析了云量對(duì)衛(wèi)星成像質(zhì)量的影響，通過建立不同規(guī)則來描述云量信息，提出了氣象約束條件下的求解方法?？紫楹５萚17]根據(jù)云層與地面匹配關(guān)系的差異建立了星上自主云頂高度計(jì)算方法。在任務(wù)優(yōu)化方面，Beaume等[18]先通過云霧探測器對(duì)目標(biāo)上空的氣候進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷，再結(jié)合在線調(diào)度方法和敏捷衛(wèi)星的機(jī)動(dòng)能力來選取合適的觀測角度，以降低云霧遮擋對(duì)成像質(zhì)量的影響，并給出敏捷衛(wèi)星的最短姿態(tài)機(jī)動(dòng)路徑。

表5 敏捷成像衛(wèi)星自主感知對(duì)象Table 5 Autonomous perception objects of agile satellites

2.1.2環(huán)境感知

環(huán)境感知是以衛(wèi)星運(yùn)行環(huán)境為感知對(duì)象，以保障衛(wèi)星在軌安全、穩(wěn)定服務(wù)為目標(biāo)的自主感知技術(shù)。其中，衛(wèi)星運(yùn)行環(huán)境包括內(nèi)部環(huán)境和外部環(huán)境，內(nèi)部環(huán)境感知主要體現(xiàn)在衛(wèi)星對(duì)自身故障與資源狀態(tài)的感知，外部環(huán)境感知主要為衛(wèi)星對(duì)障礙物的感知。

在自身故障感知方面，李玉慶等[19]設(shè)計(jì)了一款包含任務(wù)調(diào)度、指令執(zhí)行與監(jiān)控的自主衛(wèi)星調(diào)度系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在發(fā)現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行自主操作。蘇振華等[20]設(shè)計(jì)了一種包括離線自主學(xué)習(xí)和在線故障診斷功能的星上自主故障診斷方法，前者基于歷史數(shù)據(jù)自主學(xué)習(xí)，獲得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型存儲(chǔ)于知識(shí)庫；后者依據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)成像數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線診斷。

在障礙感知方面，目前主要通過Box區(qū)域判定策略和碰撞概率評(píng)估策略實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星對(duì)環(huán)境障礙的感知。Box區(qū)域判定策略以衛(wèi)星為中心，以長方體范圍定義不同程度的碰撞警報(bào)區(qū)，當(dāng)監(jiān)測到障礙物進(jìn)入警報(bào)區(qū)內(nèi)則觸發(fā)衛(wèi)星規(guī)避響應(yīng)[21]。此外，Amico等[22]運(yùn)用相對(duì)偏心率和軌道傾角矢量來描述多星編隊(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，通過令二者平行來保證多星之間安全距離，進(jìn)而開發(fā)了一種被動(dòng)式衛(wèi)星自主避碰系統(tǒng)[23]。

Box區(qū)域判定策略降低了障礙監(jiān)測誤差的影響，安全性高，但預(yù)警虛報(bào)率也較高，易導(dǎo)致衛(wèi)星頻繁機(jī)動(dòng)，降低了燃料利用和任務(wù)執(zhí)行效率。對(duì)此，學(xué)者們引入碰撞概率評(píng)估策略，在Box區(qū)域判定的基礎(chǔ)上通過隨機(jī)分析方法實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙碰撞概率較為準(zhǔn)確的計(jì)算，為衛(wèi)星環(huán)境感知技術(shù)提供了可靠支持[24]。

2.2 自主決策技術(shù)

自主感知功能可以比作敏捷衛(wèi)星的眼睛和耳朵，而自主決策技術(shù)則是敏捷衛(wèi)星的大腦。自主決策是指敏捷衛(wèi)星具備在線計(jì)算與決策能力，在脫離或部分脫離地面管控的環(huán)境中，根據(jù)衛(wèi)星自主感知的結(jié)果和預(yù)期計(jì)劃，智能地對(duì)任務(wù)進(jìn)行決策并執(zhí)行的自主技術(shù)[25-26]。大量學(xué)者立足自主衛(wèi)星動(dòng)態(tài)決策和不確定性決策問題，對(duì)自主決策的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了研究。

2.2.1動(dòng)態(tài)決策

1)基于響應(yīng)的動(dòng)態(tài)決策

自主衛(wèi)星動(dòng)態(tài)響應(yīng)一方面來源于自主感知的結(jié)果。衛(wèi)星在接受到自主感知信息后，會(huì)根據(jù)任務(wù)需求開展不同程度的自主響應(yīng)。以云層感知結(jié)果為例，Beaumet等[18]首先通過云霧探測器來實(shí)時(shí)評(píng)估目標(biāo)上空的氣候條件，計(jì)算出目標(biāo)合適的成像角度，并指導(dǎo)敏捷衛(wèi)星進(jìn)行軌道機(jī)動(dòng)。但由于云量評(píng)估與成像活動(dòng)幾乎同時(shí)進(jìn)行，只能避免低質(zhì)量成像，并不能改善成像效果，是一種被動(dòng)式衛(wèi)星成像優(yōu)化機(jī)制。而OptiSAR[14]采用SAR和光學(xué)衛(wèi)星協(xié)同的方式，通過SAR衛(wèi)星云判功能，為后續(xù)成像衛(wèi)星提供準(zhǔn)確的云層信息和充裕的動(dòng)態(tài)響應(yīng)空間。此外，在動(dòng)態(tài)目標(biāo)成像的過程中，敏捷衛(wèi)星往往需要根據(jù)目標(biāo)形狀和衛(wèi)星軌道參數(shù)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行動(dòng)態(tài)條帶分割。

另一方面，自主衛(wèi)星動(dòng)態(tài)響應(yīng)來源于地面測控中心傳輸?shù)呐R時(shí)任務(wù)需求。例如，Wu等[27]將成像任務(wù)分為普通任務(wù)和緊急任務(wù)，在確保緊急任務(wù)優(yōu)先級(jí)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)任務(wù)總收益的最大化。但基于優(yōu)先級(jí)的決策策略犧牲了低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)收益，在動(dòng)態(tài)事件觸發(fā)頻繁的情況下會(huì)影響決策效果。由此，李志亮等[28]設(shè)計(jì)了響應(yīng)式衛(wèi)星動(dòng)態(tài)決策系統(tǒng)，通過預(yù)調(diào)度策略顯著降低了臨時(shí)任務(wù)對(duì)原有調(diào)度方案的擾動(dòng)。Li等[29]指出大部分決策問題集中關(guān)注約束消解和任務(wù)收益最大化，并以緊急任務(wù)插入引起的全局延誤時(shí)間為優(yōu)化目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了多星自主緊急任務(wù)的有效調(diào)度。

雖然基于響應(yīng)的動(dòng)態(tài)決策機(jī)制已經(jīng)得到諸多應(yīng)用，但也存在著一些局限：(1)觸發(fā)響應(yīng)的形式單一；(2)決策時(shí)間短，以啟發(fā)式或貪婪方法為主，決策能力有限；(3)響應(yīng)過程受自主感知靈敏度的影響；(4)過度頻繁的響應(yīng)造成星上計(jì)算資源浪費(fèi)和決策優(yōu)化效果不佳。由此，學(xué)者們利用在線滾動(dòng)決策機(jī)制很好地求解了敏捷衛(wèi)星自主決策問題，在一定程度上與基于響應(yīng)的動(dòng)態(tài)決策起到優(yōu)劣互補(bǔ)的作用。

2)滾動(dòng)決策

滾動(dòng)決策的方式提供了周期性的決策方案調(diào)整機(jī)會(huì)，同時(shí)也降低了星上一次性決策問題的規(guī)模，在敏捷衛(wèi)星有限的決策能力下表現(xiàn)出良好的適用性。例如，Qiu等[34]提出了一種基于滾動(dòng)時(shí)域的動(dòng)態(tài)決策策略，周期性地觸發(fā)或由事件觸發(fā)對(duì)成像任務(wù)的重新調(diào)度，并對(duì)比了引入不同優(yōu)先級(jí)和啟發(fā)策略的決策效果。針對(duì)觀測需求動(dòng)態(tài)變化的問題，劉嵩等[35]提出了如圖4所示的基于任務(wù)軸的滾動(dòng)決策策略，設(shè)計(jì)了規(guī)劃、決策、執(zhí)行和信息反饋相結(jié)合的自主任務(wù)調(diào)度框架。歐洲多國合作的PLANET多星任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)將任務(wù)分成不同優(yōu)先級(jí)，逐級(jí)利用基于時(shí)間順序的排序算法將任務(wù)分配至各個(gè)衛(wèi)星，并遵循效率性、最優(yōu)性和穩(wěn)定性規(guī)則滾動(dòng)地進(jìn)行重規(guī)劃[36]。

與基于響應(yīng)的決策機(jī)制相比，滾動(dòng)決策能夠?qū)L動(dòng)窗口內(nèi)的任務(wù)進(jìn)行較為充分的迭代優(yōu)化，在滿足動(dòng)態(tài)決策需求的同時(shí)提升了全局優(yōu)化程度。不過，滾動(dòng)決策缺乏對(duì)任務(wù)響應(yīng)的靈敏性，在動(dòng)態(tài)任務(wù)連續(xù)到達(dá)情況下響應(yīng)效果欠佳。由此，針對(duì)敏捷衛(wèi)星自主調(diào)度場景特點(diǎn)，合理選擇動(dòng)態(tài)決策機(jī)制或混合決策框架，有助于提升敏捷衛(wèi)星自主調(diào)度的魯棒性。

圖4 基于滾動(dòng)決策的自主決策示意圖Fig.4 Autonomous decision based on rolling decision

2.2.2不確定性決策

不確定性決策策略主要應(yīng)對(duì)了衛(wèi)星執(zhí)行任務(wù)中的不確定性因素，通過在決策過程中引入預(yù)留機(jī)制和調(diào)整空間，以提升衛(wèi)星應(yīng)對(duì)不確定影響的能力。

成像衛(wèi)星的工作環(huán)境具有很強(qiáng)的不確定性。對(duì)此，Myers[37]設(shè)計(jì)了一種具有生成調(diào)度方案、執(zhí)行方案、檢測方案和修復(fù)方案等功能的連續(xù)任務(wù)決策框架。該框架能根據(jù)環(huán)境信息和任務(wù)需求調(diào)整原有方案，用戶也可通過該框架指導(dǎo)任務(wù)方案生成、修正和監(jiān)控的相關(guān)工作。Chien等[38]指出自主衛(wèi)星必須平衡長期目標(biāo)和短期目標(biāo)，既需要通過提前決策來避免短視的決策，又要有面向突發(fā)事件的及時(shí)響應(yīng)能力。Li等[39]引入模糊數(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來評(píng)估環(huán)境擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響，當(dāng)遇到重要擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)直接響應(yīng)；當(dāng)遇到一般擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)決策時(shí)間進(jìn)行重調(diào)度；若遇到微弱擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)直接忽略影響。

在資源不確定性方面，針對(duì)地面調(diào)度中心對(duì)衛(wèi)星資源消耗預(yù)估的誤差，以及地面上行鏈路限制導(dǎo)致的衛(wèi)星應(yīng)急響應(yīng)慢等問題，Lenzen等[40]以地面中心資源的上下邊界生成衛(wèi)星成像方案，再運(yùn)用星上決策模塊根據(jù)環(huán)境信息對(duì)調(diào)度方案進(jìn)行簡單調(diào)整，有效解決了地面約束推理不精確的問題。針對(duì)同一問題，Maillard[41]考慮到地面中心為保障衛(wèi)星任務(wù)的可靠性而預(yù)留資源的情況，利用敏捷衛(wèi)星的自主決策方法使衛(wèi)星可根據(jù)目標(biāo)優(yōu)先級(jí)自主調(diào)整不同目標(biāo)的時(shí)間余量，提升了衛(wèi)星資源利用率和成像效率。

2.3 自主協(xié)同技術(shù)

自主協(xié)同技術(shù)是指一顆或多顆衛(wèi)星具備星上在線決策能力，利用星間通訊鏈路完成任務(wù)的分配與排序，是敏捷衛(wèi)星自主調(diào)度技術(shù)的群智能表現(xiàn)。Lavallee等[42]對(duì)航天器自主協(xié)同調(diào)度做了綜述研究，指出自主協(xié)同技術(shù)在降低運(yùn)行成本與響應(yīng)時(shí)間、提高效率方面具有重要作用。自主協(xié)同技術(shù)可以分為集中式協(xié)同和分布式協(xié)同，兩者通訊方式如圖5所示。

圖5 敏捷衛(wèi)星自主協(xié)同技術(shù)示意圖Fig.5 Autonomous cooperation technique of agile satellites

2.3.1集中式協(xié)同

集中式自主協(xié)同調(diào)度是綜合考慮各項(xiàng)因素，在全局范圍內(nèi)搜索最優(yōu)解的傳統(tǒng)調(diào)度模式。集中式調(diào)度框架以主星為調(diào)度中心，替代了地面管控中心的調(diào)度功能，在中小規(guī)模的協(xié)同任務(wù)中表現(xiàn)出良好的調(diào)度效率和質(zhì)量，是多星協(xié)同任務(wù)調(diào)度的常用方法。

敏捷衛(wèi)星集中式協(xié)同工作具有一定的種群特性，故群智能優(yōu)化算法在多星協(xié)同調(diào)度問題中具有良好的適用性。例如，Zheng等[43]通過自適應(yīng)遺傳算法分解任務(wù)目標(biāo)以實(shí)現(xiàn)星座的全局任務(wù)調(diào)度。Wu等[44]基于蟻群算法信息素的方式隨機(jī)分配不同觀測任務(wù)至不同的衛(wèi)星以解決多星協(xié)同調(diào)度問題。針對(duì)敏捷衛(wèi)星集中式成像任務(wù)目標(biāo)密集、姿態(tài)控制頻繁、且任務(wù)之間相互影響的問題，邱滌珊等[45]借鑒蟻群系統(tǒng)和最大最小螞蟻系統(tǒng)的思想設(shè)計(jì)尋優(yōu)策略和信息素更新策略，有序執(zhí)行了擁擠的組合成像調(diào)度任務(wù)。

由于多星集中式協(xié)同調(diào)度過程中考慮因素眾多，學(xué)者們常通過分層式或模塊化的管理機(jī)制降低問題規(guī)模。針對(duì)多敏捷衛(wèi)星聯(lián)合調(diào)度問題長時(shí)間窗、多時(shí)間窗的復(fù)雜約束特征，孫凱等[46]將問題分解為任務(wù)資源匹配和單星任務(wù)處理兩個(gè)子問題，通過學(xué)習(xí)型遺傳算法解決任務(wù)資源匹配問題。姚敏等[47]將敏捷衛(wèi)星星務(wù)軟件分解為若干任務(wù)模塊，以任務(wù)流程為單位，利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建任務(wù)流程自主調(diào)度決策系統(tǒng)，有效提升了星務(wù)軟件的自主化和智能化水平。

敏捷衛(wèi)星的自主協(xié)同不僅包括同構(gòu)協(xié)同，在異構(gòu)協(xié)同方面，Qin等[48]針對(duì)異構(gòu)低軌敏捷衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，提出了基于截止日期的資源平衡式任務(wù)分配算法，利用從星的剩余電源電量和搭載的載荷類型選取侯選星。異構(gòu)自主協(xié)同能夠充分發(fā)揮敏捷衛(wèi)星的機(jī)動(dòng)能力和傳統(tǒng)衛(wèi)星的載荷能力，取長補(bǔ)短，更大限度提升星群協(xié)同任務(wù)執(zhí)行能力與效率。

在主星統(tǒng)一調(diào)度和管理下，集中式協(xié)同掌握了全局的任務(wù)狀態(tài)和資源情況，具備獲取全局最優(yōu)的條件，但在實(shí)踐中也表現(xiàn)出以下不足：1) 依賴主星運(yùn)算能力，但敏捷衛(wèi)星的載荷能力有限[49]；2) 受通訊約束與延遲影響；3) 大規(guī)模場景中效果不佳。由此，綜合現(xiàn)代衛(wèi)星高敏捷性和自主性特點(diǎn)的分布式協(xié)同技術(shù)成為了多星自主協(xié)同調(diào)度研究的重要方向。

2.3.2分布式協(xié)同

分布式協(xié)同調(diào)度是相對(duì)集中式調(diào)度而言，通過MAS(Multi-agent system)和自主協(xié)同技術(shù)，分布式完成任務(wù)分配的新興調(diào)度模式。分布式協(xié)同調(diào)度的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：1) 魯棒性，極大減少了對(duì)主星調(diào)度決策水平的依賴；2) 并行性，降低了問題規(guī)模和響應(yīng)層級(jí)，提高了快速服務(wù)能力；3) 實(shí)用性，提升了資源配置的合理性，增強(qiáng)了調(diào)度系統(tǒng)可拓展能力。

Bonnet[50]采用面向方案優(yōu)化的自適應(yīng)多Agent系統(tǒng)解決多目標(biāo)的星座調(diào)度問題，衛(wèi)星間通過本地調(diào)度和多次溝通來達(dá)到一致性意見。郝會(huì)成等[51]針對(duì)衛(wèi)星初始任務(wù)方案中資源失效的情況，基于MAS構(gòu)建了敏捷衛(wèi)星動(dòng)態(tài)任務(wù)重調(diào)度模型。Skobelev等[52]將成像需求視為需求Agent，將衛(wèi)星和地面站視為資源Agent，利用資源局部搜索調(diào)度方案，再通過交互式迭代改進(jìn)優(yōu)化。劉子林等[53]在合同網(wǎng)分配機(jī)制的基礎(chǔ)上提出了遞歸式分配思路，有效避免了分配故障，實(shí)現(xiàn)了任務(wù)協(xié)同成本和執(zhí)行成本的有機(jī)結(jié)合。

為進(jìn)一步降低多星協(xié)同任務(wù)調(diào)度規(guī)模、緩解星上自主決策壓力，分層化的調(diào)度策略也發(fā)揮著重要作用。Mohammed[54]針對(duì)TechSat 21星設(shè)計(jì)了一個(gè)分層調(diào)度機(jī)制，先選取星簇，再由星簇將任務(wù)分配給小衛(wèi)星。韓道軍等[55]搭建了分布式衛(wèi)星編隊(duì)環(huán)境，設(shè)計(jì)了多星任務(wù)調(diào)度算法聯(lián)合使用的單機(jī)方案，解決了計(jì)算資源不足和傳統(tǒng)分布式算法同步性差的問題。張正強(qiáng)[56]將分布式衛(wèi)星系統(tǒng)調(diào)度問題分為星群任務(wù)調(diào)度與單星自主控制兩個(gè)層次，建立了集中-分布式的調(diào)度架構(gòu)，構(gòu)建了包含全局控制層、通信與協(xié)作層、局部規(guī)劃層、監(jiān)控層和執(zhí)行層的混合結(jié)構(gòu)。

雖然分布式協(xié)同具備良好的魯棒性、并行性和執(zhí)行能力，但其難點(diǎn)與不足也較為明顯：1) 沒有考慮問題的所有因素，很難獲得全局最優(yōu)解；2)依賴大量信息交互與計(jì)算的支持；3) 受分布式策略與算法影響顯著；4) 故障診斷與排除的難度大等。

由此，合理分析敏捷衛(wèi)星自主調(diào)度問題特點(diǎn)，選擇合適的或組合使用協(xié)同調(diào)度策略，對(duì)提升復(fù)雜任務(wù)調(diào)度質(zhì)量、效率和穩(wěn)定性起到不可或缺的作用。

3 敏捷成像衛(wèi)星自主調(diào)度的發(fā)展啟示與建議

國內(nèi)外科研人員圍繞敏捷成像衛(wèi)星自主調(diào)度技術(shù)開展了諸多工作，但隨著對(duì)地成像需求不斷提升、敏捷衛(wèi)星技術(shù)不斷發(fā)展，以及各式新型智能優(yōu)化算法的運(yùn)用，敏捷衛(wèi)星自主調(diào)度技術(shù)也迎來了更大的挑戰(zhàn)和更廣闊的發(fā)展空間。結(jié)合敏捷成像衛(wèi)星自主調(diào)度技術(shù)研究現(xiàn)狀，面向未來衛(wèi)星任務(wù)需求，敏捷成像衛(wèi)星自主調(diào)度技術(shù)可以向以下幾個(gè)方向發(fā)展。

1)敏捷成像衛(wèi)星多元化任務(wù)預(yù)處理技術(shù)研究

敏捷衛(wèi)星的軌道機(jī)動(dòng)能力帶來了更多任務(wù)可執(zhí)行時(shí)間窗口，同時(shí)意味著任務(wù)預(yù)處理的多樣性和可選擇性也更強(qiáng)。敏捷衛(wèi)星的任務(wù)調(diào)度是建立在元任務(wù)的基礎(chǔ)上，故任務(wù)預(yù)處理水平將直接影響敏捷衛(wèi)星的調(diào)度能力。現(xiàn)有的預(yù)處理技術(shù)通常只提供一種元任務(wù)分解方案，雖然降低了任務(wù)調(diào)度規(guī)模和求解難度，但也很大程度上限制了調(diào)度技術(shù)所能提升的收益空間。由此，在敏捷成像衛(wèi)星自主水平和決策水平不斷提升的背景下，任務(wù)預(yù)處理技術(shù)應(yīng)向著多元化的發(fā)展，為敏捷衛(wèi)星提供充裕的任務(wù)調(diào)度空間。

2)敏捷成像衛(wèi)星約束的時(shí)間依賴性研究

目前少數(shù)學(xué)者研究了敏捷衛(wèi)星時(shí)間依賴性特征，且局限于時(shí)間窗與姿態(tài)機(jī)動(dòng)約束。但在敏捷成像衛(wèi)星實(shí)際調(diào)度中，特別是成像與數(shù)傳任務(wù)的一體化調(diào)度中，約束時(shí)間依賴性特征更加明顯：例如單次任務(wù)的成像與數(shù)傳時(shí)間受時(shí)序約束，連續(xù)任務(wù)的成像序列和數(shù)傳內(nèi)容受時(shí)序約束，星載存儲(chǔ)容量的格式化時(shí)機(jī)與成像任務(wù)、數(shù)傳任務(wù)受時(shí)序約束等。由此，逐步還原敏捷衛(wèi)星時(shí)間依賴性特征，梳理時(shí)序約束的類型與特點(diǎn)并將其運(yùn)用到敏捷衛(wèi)星調(diào)度模型與算法中也具有重要意義。

3)敏捷成像衛(wèi)星自主調(diào)度智能算法理論研究

智能算法始終是任務(wù)調(diào)度問題求解的關(guān)鍵方法，但敏捷衛(wèi)星現(xiàn)有的自主調(diào)度研究中多為啟發(fā)式算法，很少基于衛(wèi)星應(yīng)用場景的分析來設(shè)計(jì)求解質(zhì)量更高的在線調(diào)度算法。在未來的敏捷成像衛(wèi)星自主調(diào)度研究中，應(yīng)該開展敏捷衛(wèi)星在線式動(dòng)態(tài)調(diào)度與重調(diào)度、分布式與并行算法理論、分層式自主調(diào)度與決策框架、大規(guī)模群智能算法理論等方向的研究。

4)大規(guī)模多星多軌敏捷成像衛(wèi)星調(diào)度研究

多敏捷成像衛(wèi)星自主調(diào)度問題是未來敏捷衛(wèi)星大規(guī)模應(yīng)用中必須要解決的難題，但目前該問題的關(guān)注度并不高。如何對(duì)現(xiàn)有的多種多星調(diào)度算法進(jìn)行整合并使其可以適應(yīng)敏捷自主衛(wèi)星在線調(diào)度的應(yīng)用場景，以及如何利用人工智能等相關(guān)領(lǐng)域的思想進(jìn)一步提高星上決策和調(diào)度等能力，對(duì)求解大規(guī)模敏捷衛(wèi)星調(diào)度研究具有重要的理論與實(shí)踐意義。

4 結(jié)束語

本文闡述了敏捷成像衛(wèi)星調(diào)度問題的特征和一般化描述，分別從自主感知、自主決策和自主協(xié)同三個(gè)方面梳理了國內(nèi)外敏捷成像衛(wèi)星自主調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展，并對(duì)未來敏捷成像衛(wèi)星自主調(diào)度技術(shù)進(jìn)行了展望。隨著敏捷成像衛(wèi)星技術(shù)的不斷發(fā)展，以及民用與軍事領(lǐng)域?qū)Φ爻上袢蝿?wù)需求、多樣性和自主性要求的不斷增加，敏捷成像衛(wèi)星自主調(diào)度研究也日趨復(fù)雜。因此，為適應(yīng)未來衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展趨勢和國家航天戰(zhàn)略發(fā)展需要，有必要深入研究上述問題，不斷促進(jìn)敏捷成像衛(wèi)星自主調(diào)度技術(shù)的發(fā)展。