星座多目標成像自主任務規劃技術研究

楊立峰，陳 祥，郭海波，馬 晨，陶震宇

(1.上海衛星工程研究所，上海 201109；2.中國人民解放軍32035部隊，陜西 西安 710000)

0 引言

傳統基于地面的衛星應用方式由于無法全球部署地面站、抗毀性差和信息鏈路冗長等缺點，已無法適應新需求[1]。未來天基系統必須具備星上目標實時預處理并可結合衛星姿態和軌道，自主遵循任務實施的各項約束條件，合理調配星座內資源，從而完成多區域、多目標的自主觀測任務。

在衛星自主任務規劃研究領域，國內外學者進行了一系列的研究。Bonnet[2]研究了僅在地球兩極上空進行通信的三星任務規劃問題。Van der Horst[3]采用基于市場機制的多Agent法，有效進行了天基資源對多目標的任務分配。Araguz等[4]將整體規劃分解為若干局部規劃問題并集成于同一框架內進行尋優。何永明等[5]設計了一種面向新型成像衛星的自主任務規劃系統，并論證了該系統框架的可行性與優化效率。羅棕等[6]將多星觀測任務規劃問題的求解過程分解為任務可調度性預測、任務分配和優化調整，有效減少啟發式算法的搜索計算量，在較短的時間內獲取收益較高的可行解。目前公開文獻在進行任務規劃研究中考慮的因素均較為理想，并且考慮的系統基礎能力需求全面性存在不足。

本文對天基多目標實時成像自主任務規劃進行系統性分析，提出完成自主規劃的星座需要具備的基礎能力，并設計了一種多星協同自主任務規劃系統架構，針對該架構中的核心模塊——多星協同任務規劃模塊進行方案設計，最終通過半物理仿真驗證了本文提出的多星協同自主任務規劃方法的有效性。

1 多目標成像自主任務規劃基礎能力需求

為保證多目標觀測任務實時、有效，并充分、合理利用星座內各節點衛星資源，多區域、同時段內多目標成像自主任務規劃實現的前提是天基探測網絡必須具備以下6項基本能力。

1.1 單星快速星上目標檢測能力

為保證目標觀測任務提供給地面系統的信息時效性，保證滿足用戶需求，星座內單星必須具備星上快速實時目標檢測能力，按任務對象不同，需在海面、沙漠、草原、城市和宇宙冷空間等不同下墊面背景下實現對所需目標的準確提取和分辨，為后續任務規劃奠定先決基礎[7]。

1.2 星上目標實時預處理能力

在單星星上成功檢測出目標后，需立即對目標進行星上預處理，快速獲得目標的基本信息，且在星上完成目標的自主定位，初步確定目標在特定坐標系下(如相機坐標系等)的視線信息[8]，為后續任務規劃提供輸入條件。

1.3 目標自主唯一編號能力

對于多區域、多目標成像觀測任務，由于目標眾多，且目標可能出現于多顆星探測范圍內，為避免對目標重復編目和探測，必須對目標進行唯一性編號，從而避免影響后續星座內資源配置的合理性和正確性，導致浪費有限的天基資源，重復規劃對相同目標的探測時序，導致無法完成對多目標的探測任務規劃[9]。

1.4 自主、智能目標優先級確定能力

在目標數量超出星座的任務數量上限時，對目標的觀測必須有所取舍，這需要衛星星座內具備對目標的準確可靠的優先級評估能力[10]，在多區域、多目標并舉時，可按照事先確定的任務優先級進行星上自主優先級匹配，先完成對高優先級目標的探測，在星座內資源調度情況允許時，擴展時序對低優先級目標進行空閑時段探測，資源不允許時將舍棄部分低優先級目標。

1.5 星座內任意節點實時通信能力

多區域、多目標同時探測的天基自主規劃任務是一個系統性任務，要求星座內各節點均需獲得當前所有區域內的目標情況，以及星座內其余所有節點星的探測任務情況，以便進行系統級的任務規劃，避免出現同一時間不同目標同時調度一顆星導致的資源沖突問題。

1.6 星間自主目標交接能力

在多區域、多目標任務規劃中，不可避免地會出現同一個目標跨越2顆星視場的工況；此外，由于衛星自身高速運動，其可視范圍同樣處于變化狀態導致單星無法實現對目標全探測周期的觀測，這就要求衛星間具備自主目標交接能力，從而實現對目標過程的完整探測[11]。

2 多星協同自主任務規劃系統架構

多星協同自主任務規劃系統架構如圖1所示。

圖1 多星協同任務規劃系統架構Fig.1 Architecture of multi-satellite cooperative task planning

在圖1中，多星協同任務規劃模塊是核心模塊，承擔星上任務信息流的接收、處理、生成和分發等任務，并將最終生成的任務指令進行全網發布和執行。

系統工作流程如下：

① 單星探測目標，并進行星上快速檢測，同時進行預處理生成視線信息、目標屬性信息等。

② 通過星間全網通實時鏈路將目標信息廣播至星座內其余節點星。

③ 節點星接收星座內廣播的目標信息后，根據自身軌道、姿態和載荷可用性(是否處于陽光規避期)等信息，自主判斷其對目標的可探測關系，判定自身節點可用后，激活多星融合模塊對目標進行多星信息融合處理，獲得目標的立體定位的位置和速度信息，同時進行目標運動狀態預估[12]。

④ 節點星根據目標屬性信息、目標位置和速度信息對目標進行編號和優先級確定，并保證所有節點星判定的目標信息一致，否則將導致任務規劃出現紊亂，任務失敗。

⑤ 多星任務規劃模塊根據所有目標的屬性、運動信息、優先級以及外推的軌跡信息，進行任務規劃，制定每顆星的工作計劃，各節點星的目標規劃信息需保持一致，否則將引起資源調度沖突導致任務失敗。

作為核心模塊的多星協同任務規劃模塊，其核心功能如圖2所示。

圖2 多星協同任務規劃模塊核心功能Fig.2 Core function of multi-satellite cooperative task planning

3 多星協同任務規劃模塊方案

3.1 多星協同任務規劃模塊需求分析

當觀測資源有限時，解決多目標問題有3種技術途徑[13-14]：① 觀測資源分配，解決多星任務分配問題，確保每顆星的觀測資源得到充分均衡利用；② 觀測資源復用，在多星任務分配的基礎上，解決單星對多目標輪詢觀測的問題，獲取有限觀測條件下盡可能多的目標軌跡和特性信息；③ 高優先級目標選取，在觀測資源有限的情況下，通過對軌跡和特性信息的識別，放棄部分低優先級目標，從而保證對高優先級目標的跟蹤識別。

由于任務的實時性要求，星上完成目標初始分配后，多星目標交接、多目標輪詢和優先隊列排序都在星上完成，依賴于較強的星上自主任務規劃能力。其中，多星任務分配的技術瓶頸在于星上任務解算能力和星間數據傳輸的實時性[15]，衛星需掌握全星座的實時狀態和任務執行情況，并根據多目標實時位置進行動態任務分配和任務交接。

多目標輪詢的技術瓶頸在于目標快速穩定探測及快速融合收斂能力，需具備在軌跡收斂基礎上對多目標運動軌跡進行短時速度擬合外推的能力[16]，以確保輪詢回歸后重新捕獲目標。

優先隊列排序的技術瓶頸在于多源數據融合的目標特性識別能力，包括目標運動軌跡特性和輻射特性，以快速評估目標優先度，需要目標特性數據庫及相關識別算法支持[17]。

3.2 多星協同任務規劃輸入要素

① 目標信息表

目標信息表為其余節點星輸入/本星自主發現的目標信息，記錄了目標的編號、目標位置、目標速度和目標優先級等目標信息，是任務規劃的主要外部輸入。目標信息表可與任務指令同時或非同時輸入衛星任務規劃及管控模塊進行存儲，當存在任務指令時，觸發任務規劃執行。

② 衛星星歷表

衛星星歷數據采用軌道六根數的形式進行保存及傳輸。星座中每顆組網衛星的星歷數據由星上GNSS自主解算或者地面上注，并在空閑時間通過實時星間鏈路向全網廣播。星上存儲器可存儲所有組網衛星的星歷數據，供任務管理器隨時調用。根據星歷數據和軌道遞推模型，對每顆組網衛星進行軌道預報，獲取衛星任意時刻位置和速度信息[18]。

③ 衛星健康表

根據星座每日下傳遙測數據，地面判斷衛星的健康狀態，識別平臺和載荷的工作能力是否受損，確保衛星節點的有效性。地面定期向全網通報發生故障的衛星節點，在任務規劃中進行剔除。

④ 衛星能源表

眾所周知，科學研究不能沒有抽象。上述經典作家對時代劃分的四種思路，就是尺度不同的四種抽象。而只要細心比較就會發現，與前三種劃分思路相比，“五形態”說是最合理最適度的抽象。

衛星具備自主能源狀態監控能力，當星上剩余能源低于設定閾值時更新，星上發出能源危機報告，任務規劃模塊向全網廣播當前能源危機狀態，此時衛星能源狀態為不可用；當能源補充完畢時，廣播發布當前能源正常狀態，能源狀態轉為可用。

⑤ 任務占用表

任務占用表包含2個部分：第一部分是當前星座中所有需跟蹤的目標觀測任務編號；第二部分記錄了星座中每顆衛星對各個目標的當前跟蹤觀測執行情況。

每顆衛星獲取任務調度指令并開始執行任務后，由任務規劃模塊根據執行任務內容代號生成任務執行情況狀態參數，并通過廣播鏈路實時向星座發布，各星接收并更新自身任務占用表。

3.3 多星協同任務規劃方案

在單目標時，首先將包含立體定位信息的引導指令發送給星座內所有節點，引導所有可視衛星對目標進行探測，由對目標可見的雙/多星進行立體探測并融合定位在結束跟蹤前進行目標交接分配，由引導星將目標外推信息發送給被引導星，被引導星收到引導信息后進行目標捕獲跟蹤，星上交接完成后繼續實施立體跟蹤探測。如此往復，直至任務結束。自主任務規劃需要考慮星座覆蓋、鏈路拓撲、載荷配置、星上處理以及星務管理等方面的約束。

在多目標時，星座收到立體定位引導信息后，首先對目標優先度進行評估和排序，然后引導分配目標可視星進行探測。在觀測資源不足時，星座在目標分配的同時，實施多目標輪詢規劃，由融合收斂的衛星輪流對重要目標分時跟蹤探測。在立體探測雙星結束跟蹤前，同樣需要實施星上交接規劃，由引導星將目標外推信息發送給被引導星，被引導星收到引導信息后進行目標捕獲跟蹤，星上交接完成后繼續實施立體跟蹤探測，如此往復直至結束。

4 多星協同任務規劃驗證方案

地面采用半物理仿真對星上多星協同任務規劃方案進行驗證。半物理仿真驗證系統包括自主任務規劃管控單元、自主任務規劃管控監視終端和多星多目標場景加載單元、場景實時顯示終端等。

利用實時內核驅動的工控機模擬星座中某一顆衛星，上位機模擬星座中的其他星，場景設計及三維場景顯示也在上位機中模擬，上位機和工控機間通過網絡通信進行信息交互，工控機根據收到的引導信息、本星任務執行情況或輪詢請求執行目標分配、交接規劃或輪詢規劃，并將結果通過網絡反饋給上位機，二者的功能界面分割如圖3所示。其內部信息交互流程如圖4所示。

圖3 半物理仿真系統功能界面Fig.3 Functional interface of semi-physical simulation

圖4 半物理仿真系統交互流程Fig.4 Interaction flow of semi-physical simulation

5 半物理仿真結果

以天基空間目標監視為案例進行仿真，考慮5個空間碎片目標，目標飛行高度568 km，5個目標分布于5個圓軌道面，相鄰升交點赤經相差20°，相鄰目標相位差30°。

星座為代號28/4/1的Walker星座，軌道高度為1 600 km，傾角為55°。衛星裝載大視場捕獲可見相機和高分辨率可見相機，通過大視場捕獲相機進行亮點捕獲發現目標，調度用高分辨相機進行高分成像，后進行多星目標立體定位。

經計算，28星星座可自主完成對5個目標的跟蹤，并滿足雙星跟蹤條件，規劃過程如圖5所示。

圖5 空間多目標自主任務規劃過程截圖Fig.5 Screenshot of space multi-objective autonomous task planning process

經分析，任務規劃算法流程中主要耗時計算環節為目標和衛星的軌道預報遞推計算時間。采用SM750芯片(主頻@266 MHz)進行動力學遞推計算(采用無奇點根數軌道預報遞推模型[19])，單次計算耗時平均為86 μs，星上協同任務管理及發布時效性優于0.5 s。

6 結束語

本文提出完成自主規劃的星座需要具備的基礎能力，并設計了一種多星協同自主任務規劃系統架構，半物理仿真結果表明系統框架和任務規劃模塊正確有效。

在仿真過程中發現，計算量主要集中于目標定位、軌跡遞推以及衛星姿軌計算環節，在工程應用時需要進一步結合星上硬件條件，進行算法優化，使規劃盡可能接近實時；此外，星間鏈路信息傳輸速率也會影響規劃執行的實時性，在星座鏈路方案設計時需重點關注信息傳輸時效性。

本文提出的任務規劃方案在每顆星均進行計算，一定程度上將占用星上資源，后續改進方向可考慮基于目標可視星作為星群，星群之一為動態主星方案，可進一步節省星上資源。