面向动态环境的成像卫星自主任务规划方法的研究

面向动态环境的成像卫星自主任务规划

方法的研究

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卫星任务规划是对地观测卫星任务管控平台的重要组成部分，是影响卫星使用效能的主要因素之一，其作用主要是解决成像卫星任务管理过程中的资源利用和任务冲突问题，优化卫星的使用效益。

传统卫星观测活动中，卫星的在轨活动都是由地面站事先做好计划方案，然后经由合适的上行链路上传至卫星离线执行的，这种方式要求有足够的星地通信时间以及相对稳定的运行环境，由于星地交互频繁，这种方式的运行成本较高。

随着各种复杂的观测活动的日益开展和深入，高度依赖地面站控制的方式己经越来越不适应未来航天任务的需要，在对地观测活动中，对地观测卫星可以和地面通信的时间大约只占在轨时间的5%-10%。在动态环境下(例如观测区域上空出现云层、卫星故障、观测任务不定时上注、取消己安排任务及任务属性变化等)，地基任务规划与资源调度系统没有足够的时间对卫星进行规划方案调整，导致观测任务无法完成，

出现大量无用产品，造成观测资源浪费。比如，在2008年汉川地震救援和雪灾救援等非作战军事行动中，我国的对地观测卫星系统虽然发挥了重要作用，但缺乏自主性、灵活性，导致快速响应能力的欠缺，不能及时捕捉有利气象条件和实现快速重访，致使有关灾情的信息获取手段更多的受制于国外卫星系统。因此，有必要改进传统的卫星的控制方式，研究星载的自主规划系统，使卫星能够根据实时的任务信息、卫星状态信息、外部环境及其他条件，自主的进行决策，控制卫星完成各种任务。

卫星自主任务规划是指卫星能够实时的接收地面站上传的任务，并根据当前卫星的状态和任务的环境制定出合理的计划，最后将任务转换为指令控制卫星活动。与传统的卫星任务规划相比，卫星自主任务规划各个动作之间具有较强的逻辑关系，在规划求解的时候，这种逻辑性可以用来指导搜索的方向，大大节省整个规划问题的求解时间。卫星自主任务规划能够快速处理突发事件、提升观测效率，降低地面管控复杂性。其具体的过程如图1,

本文在单星模式下，结合预案、前瞻及动态调整或重规划三个方面提出了面向动态环境的成像卫星自主任务规划方法，并结合卫星实际数据验证该方法的

性育旨。

1)预案在卫星自主任务规划中可以作为一个宏观调控的工具，即在任务规划开始时由地面站提供初步的规划方案。

2)鉴于自主任务规划的复杂性，在求解方法中设计了前瞻过程，并提出“锁定时间段”。在任务规划过程中，将前瞻时间步长内前t时间段作为“锁定时间”，该时间段内的规划方案不受新加入任务的影响，在这t时间段之后再根据新加入任务进行任务规划。如图2，算法将第一个前瞻步长T时间内任务安排好，即完成了一次规划。下一次规划开始前，在上一前瞻步长的“锁定时间”后选取时间段T作为新的前瞻步长，并且从新的前瞻步长的起始时间开始选定时间段t作为新的“锁定时间”。在有/无预案情况下，具体前瞻过程如图3-4。

3)使用动态调整或重规划对任务序列进行优化。算法中，动态调整包括增加新加入的任务、删除原方案中的任务以及局部搜索。算法同时设置了“阂值”用于判断是否进行重规划。在下一次规划时动态任务的比例高于某个阈值，或者经过动态调整后卫星完成任务数目低于某个阂值时，安排重规划。

卫星自主任务规划求解算法基本流程如图5，基

本步骤如下，

步骤1:选定前瞻时间步长为T，前瞻1个时间步长，并更新前瞻时间步长内的任务信息;

步骤2:对前瞻步长内的任务安排观测。在安排观测序列过程中，本文设计了多种排序规则，以提高解的多样性。同时，考虑时间约束，并且充分利用存在冲突的时间窗;

步骤3:判断前瞻步长内是否有待安排任务，如果不存在，则执行原有方案中“锁定时间段”之内的任务，并返回步骤1。如果存在，转入步骤4;

步骤4:判断新加入的任务中包含的应急任务是否满足重规划阂值，如果满足，转到步骤7。如果不满足，则转入步骤5;

步骤5:动态调整，将新加入的任务安排至当前前瞻步长内的规划方案中。调整时，前瞻步长的“锁定时间”内任务不变，在该“锁定时间”之后即新的前瞻步长内进行任务的插入、删除或者邻域搜索等过程;

步骤6:判断当前前瞻步长内的任务完成率是否满足重规划阈值，如果满足，则该时间段内任务进行重规划。如果不满足，说明动态调整之后的任务序列为有效序列，不需要进行重规划，转到步骤8;

步骤7:重新安排当前前瞻步长内的观测;

步骤8:安排任务回传。根据不同的回传策略，得到综合回传序列，当前时间窗未安排的任务保留到后面的回传时间窗进行安排;

步骤9:对当前的规划结果进行评价;

步骤10:判断是否满足终止条件，如果满足，则输出最优序列。

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