應急條件下多星協同調度方法研究

畢宇平，祝江漢，朱曉敏

國防科技大學信息系統工程重點實驗室，湖南 長沙 410073

1 概述

成像衛星是利用衛星上所載的遙感器對地球表面進行探測以獲取圖像情報的人造地球衛星。它利用星載可見光相機、紅外相機或合成孔徑雷達等遙感器，從軌道上對目標實施偵察、監視、跟蹤，以搜集指定目標的圖像信息，具有覆蓋范圍廣、運行時間長、不受國界和空域限制、無需考慮人員安全等獨特優勢。衛星設備把目標的圖像信息記錄在膠片或磁記錄器上，然后通過返回式艙送回地面，或用無線電傳輸方式實時或延時傳回到地面接收站[1]。成像衛星主要分為光學成像衛星和雷達成像（微波）衛星兩大類，光學成像衛星采用可見光、紅外、多光譜相機成像，而雷達成像衛星采用SAR遙感器進行成像。它們各自具有不同的特點，光學成像衛星的優點是空間分辨率高，但不能進行全天候、全天時工作。雷達成像衛星不受白天、黑夜及云霧的影響，而且具有一定的穿透能力。目前，成像衛星在軍事偵察、災害防治、環境保護、城市規劃以及農業、氣象等許多領域都發揮了重要作用，同時也得到了世界各國的高度重視[2-6]。

目前，成像衛星已經廣泛應用到了災害防治工作中，但是由于我國衛星發展起步較晚，現有的衛星資源數量和技術有限，資源衛星在應急災害防治工作的作用尚未得到充分體現。應急條件就是指某個局部區域爆發戰爭或者出現重大突發性事件，比如一場突發的局部戰爭、防恐維穩、抗災搶險等。在這種應急條件下，觀測任務具有非常大的不確定性、異常的復雜性和很高的優先性，同時應急觀測任務請求類型多樣，比如多傳感器覆蓋觀測、多時相觀測、持續不間斷觀測、打擊效果評估、偽裝識別等。隨著衛星數量的增加和技術的改進，如何統籌安排衛星的使用，以最大限度發揮其作用，將是一個緊迫的問題。而在這種應急條件下，現有成像觀測系統對觀測目標表現出觀測能力不足，不能夠滿足用戶應急處理的迫切需要。此時，就對衛星系統提出了更高的要求：平臺構建迅速，獲取信息快，重復觀測周期短，覆蓋率大。這些功能是現有單顆衛星在短期內難于做到的，并且臨時發射衛星的成本和時間也是難以忍受的。為了彌補現有成像觀測系統的不足，迅速提高成像觀測系統的觀測能力，根據應急任務需要，采用多顆不同類型的成像衛星進行協同調度，直接快速有效地滿足應急任務的要求。通過多類型成像衛星協同調度得到的多類型成像衛星任務執行方案將能夠反映衛星及地面站資源爭用、任務取舍等衛星系統的實際應用特點。對成像衛星任務執行方案進行仿真并就任務完成率和資源占用率等指標進行統計，將能夠合理評估衛星系統的任務執行能力和資源負荷水平。通過變換衛星系統的配置參數并反復進行規劃調度和仿真，就可以得到對不同的衛星系統配置方案滿足具體任務的能力評估結果，從而尋求最滿意的衛星系統配置方案。

多星協同調度是衛星、星載遙感器及地面站資源分配和衛星觀測調度方案核心內容，它本質上是一個優化決策過程，對于更好地利用成像衛星、星載遙感器及地面站資源，優化衛星系統整體性能，發揮它們的最大綜合效益具有至關重要的作用。本文研究多星協同調度的模型及解決問題的方法，為提高衛星系統的綜合效益提供理論支持和技術保障。

2 建立多星協同調度分析框架

建立框架是為給衛星協同調度提供一個大體的研究輪廓，明確了研究的邊界范圍。本文的框架主要包括三個級別：總控中心級、部門類別級和管控操作級。總控級主要是多星協同任務一個總的調度；部門級主要是一些不同類型的觀測任務調度；管控級主要是一些具體的觀測實施者。可以由圖1清晰的表示出來。

圖1

在應急任務具體調度到哪類哪顆衛星進行完成時，多星協同調度框架中管控操作級必須向總控中心級和部門類別級進行任務調度情況信息反饋，彌補調度過程中的不足，反復進行調度和反饋，最終達到調度效果的最優化，只有通過增加反饋才能保持任務調度效率的提高，使應急任務能夠在滿足各項要求的前提下完成。

3 多星協同調度基本求解框架

圖2

多星協同調度本質上是一個優化決策過程，它能夠更好地利用成像衛星和星載遙感器，并且優化衛星系統整體性能，發揮它們的最大綜合效益具有至關重要的作用。本文研究綜合考慮不同類型成像衛星協同調度機制和求解方法，為實現全球、全天候、全天時、多譜段、不同分辨率、不同頻率的對地觀測體系等的應用要求提供理論儲備。

多星協同調度的總體研究目標可以總結為，面向未來成像觀測體系的發展要求，以建立全球、全天候、全天時、多譜段、不同分辨率、穩定運行的成像觀測體系為頂層目標，以多類型成像衛星協同為主要規劃手段進行調度。該問題的求解框架大體可以由圖2所表示出來。

規劃主要處理的規劃輸入要素包括多類型成像衛星資源和多類型應急觀測任務請求3種。參與調度的衛星資源種類主要有4種類型，包括可見光、紅外、多光譜和SAR成像衛星；解決的應急任務主要包括排斥任務、互存任務、秩序任務、優先任務和組合任務等；規劃的輸出包括兩大類：衛星動作和任務信息；其中衛星動作分為動作起止時刻、動作模式和動作類型等幾種，動作類型又分為觀測動作、實傳動作和回放動作等；數傳動作分為接收起止時刻和接收任務類型等，其中接收任務類型分為實傳任務和回放任務兩種；任務信息分為兩個部分，衛星觀測任務信息和數傳接收任務信息，其中觀測任務信息指衛星每次觀測動作內觀測到的任務信息，數傳接收任務信息主要指每個接收時段內接收到的相關任務信息。

4 多星協同調度基本過程

多類型成像衛星協同調度過程是一個包含了多個步驟的復雜過程，下面給出多星協同調度基本過程，如圖3所示。

圖3

各類型成像衛星一般在近地軌道運行，它根據用戶的應急任務需求，對地面目標進行有選擇性的觀測成像。多類型成像衛星協同調度過程主要包括：

1）接收用戶成像應急任務信息需求，分析用戶應急任務需求；

2）針對復雜任務情況，分解任務，形成子任務，能夠供成像衛星觀測的無差別的網格靜態點目標；

3）再根據衛星資源和任務的約束和特點，進行多星協同調度模型的建立；

4）利用軟件工具，結合現有在軌成像衛星系統，對靜態點目標進行覆蓋性和適匹配性分析，形成一系列圖表和報表，如網格點目標時間窗口列表等；

5）在報表和圖表的基礎上，結合具體觀測能力指標，計算在軌成像衛星系統的觀測能力；協同調度器結合具體的指標，通過問題求解獲取應急補網方案，方案中包括多類型成像衛星運行軌道參數；

6）借助仿真工具、專家的豐富經驗以及評估方法對協同調度方案進行評估，通過不斷的修正方案，最后得到協同調度實施方案；

7）按照實施方案，迅速機動靈活地協同不同類型成像衛星對目標實施成像觀測；用戶最終獲取所需的觀測數據。

由于成像衛星的能力是有限的，而用戶提交的任務需求可能比較多且時效性要求比較高。因此，在成像衛星正常工作時，衛星地面控制指揮系統必須根據應急任務請求，再考慮不同類型成像衛星的能力，對應急任務和各類型成像衛星進行整體優化調度，并制定衛星的成像計劃，生成星載遙感器控制指令，經衛星地面測控設備將指令注入衛星，使得衛星按照指令依次執行各種動作，并完成用戶所提交的各項應急任務。

5 總結與展望

目前關于衛星任務調度的研究大多針對單顆衛星、單類型衛星和面向簡單觀測任務請求展開，考慮的衛星觀測過程和載荷約束相對簡化，缺乏面向多類型成像衛星、應急觀測任務請求、將多類型成像衛星觀測與應急觀測任務請求聯合考慮的方法。

本文通過對多類型成像衛星任務調度的分析，針對不同的應急應用需求，為了成像衛星能夠快速、準確和靈活地完成各項應急任務，提出了多星協同調度分析框架，明確了多星協同調度基本過程，研究了多星協同調度基本求解框架，迅速地為決策者提供最有效地完成應急任務的請求，其意義在于為下一步有效組織協調天地一體化的航天資源以支持多種類并發的應急行動，快速、準確、靈活、可靠地直接支持作戰單元，全方位滿足作戰應用需求打下堅實基礎。

論文面向光學、SAR、紅外等多種類型的中低軌對地成像觀測衛星協同調度的應用需求，以多類型成像觀測衛星協同為手段，以滿足多種類型的應急觀測任務請求為出發點，在總結分析國內外相關研究工作的基礎上，對多類型成像觀測衛星聯合任務規劃中的若干關鍵技術進行了系統深入的研究，取得了一定的研究成果；這些研究還未得到實際應用，實驗驗證也是初步的，以后需要對上述研究成果進行更深入的實驗驗證并應用到工程領域。同時，對于迅速發展的衛星技術，這些工作是遠遠不夠的，還存在大量需要解決的問題。如何根據整體空間任務目標需求，從單一的復雜系統（單顆衛星）向復雜的大系統（多類型衛星系統）擴展，研究多類型衛星系統自主協同運行的理論與方法，用以尋求滿意的總體設計方案，成為迫切需要解決的重要課題。本文所研究的內容正是在這樣一種背景下，就對地觀測任務，力圖解決分布式衛星系統任務協作的幾個相關問題。在本文的工作基礎上，可以考慮從以下幾個方面進行更進一步的研究：

1）針對靈巧衛星的協同任務調度技術研究；

2）針對多個移動目標的多衛星協同任務規劃技術研究；

3）針對衛星自主控制任務規劃技術的研究；

4）基于傳感器網絡理論的衛星任務規劃算法。

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