敏捷衛星任務規劃問題研究現狀與展望

李志亮，　李小將，　王志恒

(1. 裝備學院 研究生管理大隊, 北京 101416；　2. 裝備學院 航天裝備系, 北京 101416)

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敏捷衛星任務規劃問題研究現狀與展望

李志亮1，李小將2，王志恒1

(1. 裝備學院 研究生管理大隊, 北京 101416；2. 裝備學院 航天裝備系, 北京 101416)

摘要任務規劃是敏捷衛星執行對地觀測任務的有效支撐和重要保證，為深刻理解和準確把握敏捷衛星任務規劃研究中的關鍵問題，對國內外相關研究進行了總結分析，并對下一步研究進行展望。首先闡述了敏捷衛星任務規劃問題的描述要素、分類方法和求解難點，然后從點目標、區域目標、立體成像、長條帶目標4個方面梳理了敏捷衛星任務規劃的研究進展;最后分析了目前研究中存在的成像模式研究較少、規劃模型不完善、評價方法單一等問題，并結合發展需求，提出需要從多種成像模式下的任務規劃、敏捷衛星組網協同和自主任務規劃、高效的求解算法等方面展開進一步研究。

關鍵詞敏捷衛星；任務規劃；工作模式；資源調度；優化算法

Current Status and Prospect of Agile Satellite Mission Planning

LI Zhiliang1，LI Xiaojiang2，WANG Zhiheng1

(1. Department of Graduate Management, Equipment Academy, Beijing 101416, China；2. Department of Space Equipment, Equipment Academy, Beijing 101416, China)

AbstractMission planning is an essential support and important guarantee for an agile satellite to implement earth observation missions. To deeply understand and accurately grasp key issues of agile satellite mission planning, the paper makes conclusive analysis on the relevant researches home and abroad and brings out prospects for further research. First of all, the paper illustrates the description elements, classification method and difficulty in solving process of agile satellite mission planning, and then concludes the research progress of agile satellite mission planning in four respects including point target, regional target, three-dimensional imaging and strip target. In the end, the paper analyzes the issues existing in current research like less imaging mode research projects, incomplete planning model and a single assessment method. Combining with the development needs, the paper proposes that the further research should be conducted in respects like mission planning under multi-mode imaging, agile satellite networking and collaboration and independent mission planning and efficient solving algorithm.

Keywordsagile satellite; mission planning; working mode; resource scheduling; optimization algorithm

敏捷衛星是指有效載荷固定在衛星平臺上，依靠姿態軌道控制系統實現滾動、俯仰和偏航3個軸向機動的衛星[1-2]。相比于傳統對地觀測衛星，敏捷衛星在對地觀測過程中具有前視、正視、后視能力，機動性能更強、觀測時間窗口更長、任務沖突的解決方式更多，而且視軸的變化與成像過程可以同時進行。目前，各航天大國已研制發射了多顆敏捷衛星，如美國的IKONOS-2衛星、WorldView系列衛星,法國的PLEIADES星座等。敏捷衛星在軍事偵察、抗震救災、反恐維穩等應急任務中能夠發揮觀測能力強、時效性高的優勢，具有廣闊的應用前景，是新型衛星發展的重要方向。

敏捷衛星任務規劃是對地觀測應用中的核心問題，研究敏捷衛星任務規劃問題的意義在于，當面臨用戶提出的復雜任務或應急任務時，能夠利用有限的衛星資源更好地完成觀測任務，提高衛星的利用率，同時使多個衛星的負載均衡，避免資源浪費或過度負荷。敏捷衛星任務規劃是一個復雜約束下尋求最優解的問題，國內外學者從敏捷衛星工作模式、姿態機動策略、任務規劃模型及求解算法等方面開展了研究，并取得了一定的成果。本文在分析敏捷衛星任務規劃問題描述、分類和難點的基礎之上，梳理了敏捷衛星任務規劃領域的相關研究成果，并指出需要進一步解決的問題。

1敏捷衛星任務規劃問題分析

1.1問題描述

描述敏捷衛星任務規劃問題的要素一般包括：規劃時間范圍、敏捷衛星資源、觀測任務、地面站資源、約束條件和優化目標等。規劃時間范圍是執行觀測任務的開始和結束時間，敏捷衛星資源描述包括衛星運行軌道、星載遙感器類型和分辨率、姿態機動角度和速度、星上能量和存儲容量等。

約束條件一般包括衛星使用約束和任務需求約束。衛星使用約束條件包括：敏捷衛星對地觀測和數據回傳有時間窗口約束；對不同目標觀測時的姿態調整有最大側擺角度和最快機動速度限制；星上能量和存儲容量限制等。任務需求約束包括：目標的地理位置；觀測的時效性要求；圖像類型和分辨率要求；每個任務的優先級要求；立體成像和長條帶目標成像約束等。優化目標包括:最大化優先級之和、任務完成度、目標覆蓋率，最小化單個衛星工作負荷、能量消耗等。

綜上描述要素和約束條件，敏捷衛星任務規劃的描述是在規定的時間范圍內，根據用戶任務需求(目標位置、分辨率、優先級等)和衛星屬性(軌道參數、機動性能、星上能量和存儲等)，結合地面站屬性(地理位置、時間窗口等)，將有限的敏捷衛星資源分配給多個觀測任務，并確定任務執行時間和動作序列，以最大限度滿足用戶需求。

1.2問題分類

從不同的角度出發，敏捷衛星任務規劃問題可以分為多種：按照衛星資源的多少，分為單星任務規劃和多星任務規劃；按照任務需求類型，分為常規任務規劃和動態任務規劃；按照優化目標類型，分為單優化目標任務規劃和多優化目標任務規劃等。

有的學者基于敏捷衛星的工作模式劃分，敏捷衛星的工作模式決定了敏捷衛星能夠完成的任務類型。國內外學者基于姿態控制對敏捷衛星的工作模式進行了設計，張新偉等[3]設計了4種工作模式：(1) 多點目標成像模式；(2) 同軌多條帶拼接成像模式；(3) 同軌立體成像模式；(4) 動態掃描成像模式。Barschke等[4]學者針對高機動性能的敏捷衛星設計了4種工作模式：多點目標成像、長條帶掃描、大區域觀測、立體成像。與張新偉等學者的設計有所不同，Barschke所考慮的條帶掃描不一定沿軌跡方向。

依據敏捷衛星的工作模式，按照觀測目標類型，敏捷衛星任務規劃分為面向點目標、區域目標、立體成像目標、長條帶目標的任務規劃。

1.3問題難點

1) 用戶需求復雜，資源選擇多樣。由于敏捷衛星靈活的機動性能，用戶提出不同于傳統成像需求的復雜需求，如直拍直傳需求、寬幅區域多條帶拼接需求、立體成像需求等。此外，由于觀測時間窗口的延長和增多，同一個目標可以出現在多顆敏捷衛星的覆蓋范圍內，如何選擇資源以更小的消耗、更短的時間完成任務也是規劃的難點。

2) 觀測任務動作多，時間次序不確定。敏捷衛星執行觀測任務的戰術動作包括對地觀測、姿態機動、數據回傳、對地面站定向、對日定向等，其中，對地觀測和數據回傳的開始時間不確定，而且對于多個目標，觀測次序不確定，對于多種戰術動作，其執行次序也不確定。這些動作執行時間和次序的不確定性增加了規劃的難度。

3) 問題約束條件多，建模復雜度高。問題建模的約束條件包括對地觀測和數據回傳時間窗口約束、觀測角度約束、姿態機動角度和速度約束、能量消耗約束、星上存儲約束等，而且這些約束相互耦合和制約。另外，模型的目標函數不僅包括最大化優先級之和，還有最小化機動次數、能量消耗、資源使用負載等。

4) 組合優化程度高，求解算法設計難。對于一般約束的任務，規劃問題可以抽象為機器調度問題、旅行商問題、指派問題，但隨著任務復雜程度的提高和約束條件的增多，模型變得越來越復雜，最優解的搜索難度增大，求解算法的復雜度成指數增長，這種情況下，設計適應性強、求解效率高、資源占用小的算法成為一個難點。

2敏捷衛星任務規劃研究現狀

根據對地觀測目標類型的不同，下面從面向點目標、區域目標、立體成像和長條帶目標的敏捷衛星任務規劃4個方面進行論述。

2.1面向點目標的敏捷衛星任務規劃

點目標是指半徑小于10 km的圓形區域，一般可由敏捷衛星單次拍攝完成觀測[2]369，點目標特點是分布范圍廣、隨機性強，在局部區域分布密集。目前，針對點目標成像任務規劃的策略主要分為2種：一是將分布范圍廣的點目標作為單獨的元任務進行規劃；二是將分布密集的多個點目標作為聚類任務進行規劃。

2) 針對密集點目標的敏捷衛星任務規劃。針對密集點目標觀測任務，許多學者研究了多點目標任務聚類方法，Cohen[11]研究了星載遙感器對多個點目標的覆蓋問題，該聚類方法僅限于固定觀測角度。徐雪仁等[12]考慮了衛星側視和有效載荷開機時間約束，通過計算得出適合于多個目標的側擺角度，以一次性完成觀測。邱滌珊等[13-14]分析了多點目標任務聚類過程中滾動擺角、俯仰擺角和過渡時間約束，構建了聚類圖模型，設計了基于MMAS的聚類算法，并進一步對多星密集點目標觀測任務進行了研究，提出了改進的蟻群優化求解算法。唐忠興等[15]將同軌多點連續觀測問題轉化為多條帶觀測姿態機動策略問題，提出一種基于時序有向無圈圖的敏捷衛星姿態機動優化算法。

目前，面向點目標的敏捷衛星任務規劃研究中具有代表性的是Lematre、Dilkina、Grasset-Bourdel、邱滌珊等人的相關文獻，他們所建的模型逐漸完善，考慮了很多實際約束條件，提出對密集點目標采用任務聚類的策略進行規劃，不足是目標函數比較單一，在大規模點目標觀測任務下采用改進或混合算法的求解方法效率并不高。

2.2面向區域目標的敏捷衛星任務規劃

區域目標是指范圍在20～100 km的多邊形區域[2]369，一般需要分割成多個條帶進行觀測。區域目標的特點是覆蓋面積大、不規則，目前針對區域目標成像任務規劃的策略主要包括2個層次：首先把區域目標分割為多個條帶，然后把分割后的每一個條帶作為元任務進行規劃。

1) 面向區域目標的任務分解。對區域目標任務分解多采用以下3種方法：

(1) 依據單景分解，Walton[16]將問題轉化為集合覆蓋問題，將區域目標分解為多個單獨場景，得到便于觀測的條帶。Rivett等[17]采用網格化對區域目標分解成單景。

(2) 采用預定義的參考系統分解，如Landsat陸地觀測衛星和SPOT系列衛星。

2) 基于區域目標分解的敏捷衛星任務規劃。在敏捷衛星區域目標任務規劃方面，Verfaillie等[20]在利用固定寬度對區域目標分解的基礎之上建立了數學規劃模型，很多學者的研究都是基于該模型；Cordeau等[21]針對該模型提出基于禁忌搜索的改進算法。在之后的研究中，Habet、Vasquez[22]利用一致性和飽和配置采樣與局部枚舉相結合的系統搜索方法，提高禁忌搜索算法的有效搜索空間，并通過與動態規劃在簡化的敏捷衛星任務規劃問題上的對比，驗證了算法的有效性。Bianchessi等[23]建立了多星、多軌道、多用戶問題模型，提出利用列生成算法得到收益上界的禁忌算法。Tanpattanakul等[24]提出了多用戶需求下敏捷衛星任務規劃的多目標優化模型，提出2個目標函數：最大化收益之和，最小化用戶收益差別，在問題求解上提出一種有偏隨機鍵遺傳算法(Biased Random Key Genetic Algorithm, BRKGA)。在進一步研究中Tanpattanakul通過改變種群迭代次序提出一種基于二進制指標的多目標局部搜索算法(Indicator-Based Multi-Objective Local Search,IBMOLS)，計算結果表明該方法在運算時間上更有優勢。國內方面，章登義[25]針對衛星應急對地觀測強時效性的需求，研究了敏捷衛星同軌多條帶拼接成像任務規劃問題，在計算敏捷衛星測擺角、幅寬和觀測時間的基礎上提出一種動態幅寬分割區域目標的動態分解方法以獲得最小調姿時間。孫凱等[26]針對敏捷衛星對地觀測多條帶拼接需求，將多敏捷衛星聯合對地觀測任務規劃問題分解為任務資源匹配和單星任務處理2個子問題，在單星對多條帶拼接任務處理上采用基于后移滑動策略的任務安排和沖突處理與局部搜索相結合的方法，有效地提高了求解效率。

當前，Verfaillie、Cordeau、Habet、Vasquez等人的研究從固定寬度分解區域目標到動態分解，從多軌覆蓋到同軌多條帶拼接，研究的針對性越來越強。同時也存在一些不足：對區域目標任務分解的研究或面向全球參考系統，提供一種廣泛適用的分解方法，或針對某一種衛星遙感器，擴展性較差，而且忽略了子任務相互關聯對后續規劃的影響；此外，在構造目標函數時往往忽略了任務完成度。

2.3面向同軌立體成像的敏捷衛星任務規劃

同軌立體成像是指敏捷衛星在觀測時間窗口內，對目標從不同角度進行2次或2次以上的觀測以得到立體圖像的成像模式。

國內方面，張永生等[29]分析了IKONOS衛星的同軌立體成像模式，通過改變遙感器指向采集第一幅影像，經過姿態調整，大約100 s后對目標進行第二次觀測。向仍湘[30]借鑒動態規劃調度的思想提出分階段實現敏捷衛星同軌立體成像，即第一階段將立體成像目標作為普通目標安排觀測任務，第二階段將對立體成像目標的第二次觀測任務作為新任務插入已有規劃方案進行重規劃，建立了條件約束滿足問題模型(Conditional Constraint Satisfaction Problem, CCSP)，在問題求解上，使用禁忌搜索算法。

從查閱到的文獻資料來看，面向立體成像的敏捷衛星任務規劃研究并不完善，所建模型往往把同軌立體成像假設為簡單的約束條件，并沒有考慮衛星運行速度、姿態機動角速度、立體觀測角度、基高比等實際約束因素，而且問題求解效率較低。

2.4面向長條帶目標的敏捷衛星任務規劃

長條帶目標是寬度在衛星成像幅寬內的狹長地物目標，一般可由敏捷衛星單次開機完成觀測。長條帶目標的特點是寬度窄,經緯度跨越大。長條帶目標觀測對衛星的姿態機動能力和穩定性能要求很高，國內外學者一般基于敏捷衛星動態掃描工作模式進行研究。

Jaubert等[31]研究了法國Pleiades衛星的動態掃描模式，在該模式下衛星通過姿態補償軌道運動在地表的牽引速度實現對目標的動態成像。Aldinger等[32]研究了敏捷衛星對條帶目標觀測自主任務規劃中的2個關鍵要素，即衛星對目標定向時的姿態和角速度，衛星對2個目標觀測時姿態轉換的可行性，并建立了衛星姿態機動動力學模型，提出帶語義標注的啟發式搜索算法。L?hr等[33]針對敏捷衛星對連續復雜的條帶觀測問題，考慮了衛星軌道運行、姿態機動角度和速度、最大力矩等實際因素，建立了一種動作序列規劃模型，并提出了規劃算法。

國內方面，黃群東等[34]針對條帶目標與星下點軌跡垂直的情況建立了敏捷衛星動態成像數學模型，并對衛星姿態角調整進行了數值仿真，得出了姿態調整策略。潘小彤[35]考慮將密集區域的點目標聚類成不同方向成像條帶，建立了敏捷衛星動態掃描任務規劃模型，將問題分為條帶任務分配和上層任務規劃兩層子問題，分別使用含有條帶分配策略的解算算法和基于啟發式規則的算法進行求解。

長條帶目標是一種特殊的任務需求，目前國內外對長條帶目標任務規劃的研究較少，Jaubert、Aldinger、潘小彤等學者做了很多積極性的研究。不足之處是他們將條帶目標簡化為矩形條帶，忽略了長條帶目標不規則的實際情況。

3存在的問題與展望

從上述的研究成果可以看出，國內外研究機構和人員在理論和應用方面做出了很多研究工作，并取得了很多成果，從敏捷衛星任務規劃問題總體上分析，仍存在一些問題。

3.1存在的問題

1) 現有研究大多忽略了敏捷衛星的多種成像模式。目前的研究大多是圍繞時間窗口延長、成像機會增多展開，忽略了敏捷衛星快速機動和穩定性能帶來的多種成像模式，如同軌多條帶拼接、同軌立體成像、動態掃描等成像模式。目前對多種成像模式下的敏捷衛星任務規劃研究往往把問題簡化成較為理想的模型，忽略了很多實際約束條件。

2) 規劃模型未考慮很多實際約束，目標函數單一。現有的研究大都基于傳統非敏捷衛星任務規劃展開，所建立的模型是對現實的簡化，忽略了星上存儲、能量、衛星姿態機動速度和穩定程度等實際約束條件。在同軌立體成像中，現有研究往往把對目標進行2次觀測作為約束條件進行建模，忽略了立體成像角度、基高比等約束。此外，在構建目標函數時大多采用任務收益最大，沒有考慮任務完成度和衛星負載均衡等問題。

3) 缺少任務規劃方案和求解算法評價的研究。不同學者從不同角度對實際約束條件進行簡化建立了規劃模型，設計了求解算法，在對任務規劃方案評價上多從任務完成度(包括觀測質量、任務完成效益等)、資源利用率(包括衛星資源占用、地面站資源占用等)方面考慮；在算法性能評價上主要比較計算時間和資源消耗程度。這些方法的問題在于采用隨機生成測試算例的方法并不具備通用性，而且個體的測試實驗難以重現，部分學者基于層次分析法建立了可重用和易擴展的綜合評價方法[36]，但是合理統一的評價規范和方法研究仍然很少。

3.2研究展望

隨著衛星技術的發展，敏捷衛星向靈巧化、智能化和組網協同方向發展，敏捷衛星任務規劃的發展趨勢是由面向常規任務趨于面向復雜任務，由單星任務規劃走向多星組網協同任務規劃，由地面集中式任務規劃走向星上自主任務規劃。筆者認為敏捷衛星任務規劃研究應當關注以下幾個方面：

1) 多種成像模式下的敏捷衛星任務規劃研究。基于快速姿態機動能力，敏捷衛星能夠實現多種成像模式，針對新成像模式的敏捷衛星任務規劃模型和算法尚不完善。其中，敏捷衛星動態掃描模式是應用潛力較大的模式，通過建立任意走向的條帶，可以實現對聚類點目標、區域目標的高效觀測，相關的模型和算法有待深入研究。

2) 敏捷衛星組網協同任務規劃研究。隨著對地觀測任務需求的增長，多顆敏捷衛星組網或組成編隊以完成復雜任務逐漸成為應用趨勢，其中，多星組網協同任務規劃問題日益突出，需要解決的問題主要有：多星協同工作方式和協同框架問題，多顆異構衛星的協同規劃問題，多星大規模組網協同規劃建模與優化求解問題。

3) 敏捷衛星自主任務規劃研究。針對突發情況或緊急任務下快速準確獲取目標數據的需求，將部分地面指控中心的集中式任務規劃轉向星上自主任務規劃可以大大提高衛星對目標觀測的時效性，實現近實時的“在線規劃”。對于敏捷衛星而言，星上自主任務規劃更有利于發揮其敏捷機動性能，如何構建敏捷衛星自主任務規劃模型和設計資源占用小的算法需要進一步研究。

4) 高效求解理論和方法研究。優化算法始終是敏捷衛星任務規劃問題求解的關鍵所在，很多研究表明具有一定智能的局部搜索算法在求解上有很好的應用效果，但隨著衛星數量和任務規模的變大，解的空間成指數增大。可以考慮從以下兩方面進行研究：一是通過任務預處理縮小解的搜索空間，如基于任務聚類的敏捷衛星任務規劃；二是研究分布式或并行求解算法，提高問題的求解效率。

4結 束 語

本文論述了敏捷衛星任務規劃領域的國內外研究進展，分析了目前研究存在的問題，對進一步研究的問題進行了展望。隨著對地觀測需求的不斷提升、敏捷衛星技術的不斷進步，以及各種新的優化求解方法的出現和應用，敏捷衛星任務規劃研究將更加復雜，有必要深入探索和研究這些問題，不斷促進敏捷衛星任務規劃的發展。

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(編輯：李江濤)

中圖分類號V19；TP391

文章編號2095-3828(2016)01-0069-07

文獻標志碼A DOI10.3783/j.issn.2095-3828.2016.01.015

作者簡介李志亮(1988-)，男，博士研究生，主要研究方向為航天任務分析與設計。lemonslee@163.com

收稿日期2015-09-30

李小將，男，教授，博士生導師。