空間望遠鏡觀測規劃系統發展綜述

蒲奕錚 張柏楠 張永（北京空間飛行器總體設計部）

1 引言

近一個世紀以來，有關宇宙學的觀測和理論都得到了快速發展，人類對宇宙起源演化、物質組成及其相互作用機理都有了更深入的認識。與此同時，科學研究對天文觀測手段也提出了更高的要求，用于進行觀測的望遠鏡也隨之不斷發展。空間望遠鏡運行在宇宙空間中，不受地球自轉、大氣透過率和穩定性等地面外部因素的影響，擁有比地基望遠鏡更長的觀測窗口、更寬的觀測頻譜和更高的觀測精度。基于以上背景，為了支撐天文學的發展，獲取更多的科學成果，建造空間望遠鏡進行天文觀測是必然的發展方向。然而，空間望遠鏡造價高昂，建造及維護成本極高，為了保證望遠鏡在生命周期內能夠取得足夠多的觀測成果，需要對其觀測任務進行合理的規劃，盡可能提高其觀測效率。

國際上空間望遠鏡的建設起步較早，出于提高觀測效率和保障望遠鏡運行的目的，天文觀測領域高度重視任務規劃研究，各種任務規劃軟件在各型號望遠鏡上得到了實踐驗證，并在型號間的繼承過程中得到了迭代優化。以美國國家航空航天局（NASA）為代表，其在研制哈勃空間望遠鏡（HST）的同時開展了“科學規劃交互知識系統”（Spike）的研究工作，并將Spike系統泛用化后沿用在了斯皮策空間望遠鏡（SST）、遠紫外光譜探測器衛星（FUSE）、錢德拉X射線望遠鏡（CXO）、斯巴魯望遠鏡（Subaru）、詹姆斯·韋布空間望遠鏡（JWST）等一系列地基或空間天文觀測設施的任務規劃系統中。由于各個空間望遠鏡的科學目標以及攜帶的儀器設施并不相同，它們進行任務規劃時面臨的困難與采用的方法也并不一致。但望遠鏡觀測規劃問題也存在很大的共性，在解決這些規劃問題時，一般將其建模為約束滿足問題進行求解，并通過長期規劃和短期規劃相結合的方式構建完整的規劃流程。

本文對國外三個典型的空間望遠鏡觀測規劃系統進行了詳細調研，并就它們規劃系統的方法設計，系統架構以及規劃算法進行了介紹，能夠為我國空間望遠鏡觀測規劃系統的設計提供參考。

2 空間望遠鏡觀測規劃問題

空間望遠鏡觀測規劃系統任務是考慮望遠鏡運行的具體情況，結合科學任務的需求，為觀測任務確定具體執行時間，保證可觀測時間得到充分利用。空間望遠鏡運行在宇宙空間中，受到運行軌道所在的宇宙空間條件、衛星平臺能力等各種不同約束，導致其規劃問題是一個復雜約束條件下的多目標優化問題。問題難點主要體現在以下方面：

1）根據望遠鏡的運行軌道不同，規劃時考慮約束條件不同。運行在近地軌道的望遠鏡需要考慮地球遮擋、地氣雜散光以及南大西洋異常區等約束；運行在拉格朗日L2點或其他軌道的望遠鏡不需要考慮這些問題，但需要根據其設計需要考慮動量卸載、熱控平衡等其他約束。

2）在傳統的規劃問題中，約束條件一般用構建懲罰函數、生成不等式判斷條件等方法來進行處理。但空間望遠鏡觀測過程中受到的約束條件復雜，且需要調用仿真模塊對望遠鏡軌道、姿態進行計算，無法通過單一方式進行簡單處理，必須對約束進行完整建模判斷。

3）望遠鏡的觀測規劃受到其科學目標的約束。如巡天觀測強調對天區的覆蓋；超新星觀測強調對突發任務的調度；部分觀測任務需要重復進行，且不同任務之間存在先后順序的約束。這些科學目標會對規劃系統提出額外的需求。

4）在進行任務規劃時需要考慮平臺的具體性能，不同望遠鏡的科學目標、攜帶的觀測載荷、平臺的構型布局不同，其觀測規劃系統也需要針對望遠鏡自身的特點進行有針對性的設計。

5）觀測任務數量極大，例如HST每年需要進行10000~30000次觀測。這導致空間望遠鏡的觀測規劃問題是多項式復雜度困難問題（NP-Hard Problem），隨著目標數量增大而變得極為復雜，難以用傳統規劃方法解決，且難以找到全局最優解。

6）規劃周期長，空間望遠鏡的壽命一般為數年，HST甚至已經運行了32年。規劃系統需要統籌安排整個規劃周期內的觀測任務，保障望遠鏡全生命周期內的觀測效率。

3 國外空間望遠鏡觀測規劃技術發展情況

美國在空間望遠鏡的研制發射以及巡天研究方面一直處于領先地位，NASA于1986年發射了第一顆天文紅外衛星IRAS并成功進行了首次天基巡天觀測，之后又發射了“宇宙背景探測者”（COBE）衛星、HST、廣域紅外巡天探測器（WISE）、斯皮策空間望遠鏡等多顆天文衛星及空間望遠鏡。歐洲航天局（ESA）也已經發射過赫歇爾空間望遠鏡（Herschel）、蓋亞空間望遠鏡（Gaia）等進行天文觀測。為了對空間望遠鏡的觀測任務進行合理的規劃，提高觀測效率，達成科學目標，國際上對于空間望遠鏡觀測任務的規劃方法有較為深入的研究，各種任務規劃軟件在各型號望遠鏡上得到了實踐驗證，并在型號間的繼承過程中得到了迭代優化。下面將對具有代表性的HST、JWST和歐幾里得空間望遠鏡（Euclid）的規劃系統進行介紹。

HST在軌照片

哈勃空間望遠鏡

HST是美國于1990年發射的大口徑空間望遠鏡。HST主鏡直徑2.5m，搭載了用于光學觀測、紫外波段觀測的多種觀測儀器[1]。HST作為人類歷史至今為止工作時間最長的空間望遠鏡，在32年的服役歷史中拍攝了海量的照片，為天文學發展提供了寶貴的數據。HST觀測規劃系統的開發以及優化過程也為空間望遠鏡的觀測規劃系統發展提供了有價值的經驗。

（1）HST規劃問題特點

為了讓昂貴的HST得到充分利用，NASA從科學界收集了很多觀測提案作為待選任務，其待觀測任務數量遠超實際觀測能力。因此對觀測序列進行規劃，保證可觀測時間得到充分利用進而完成科學研究目標，對HST來講至關重要。但觀測任務的龐大數量以及觀測過程中存在的眾多約束條件決定了HST的觀測序列優化是一個非常困難的工程問題。

在整個觀測過程中，對HST產生最多限制的便是其在近地軌道運行時的眾多約束條件。在規劃時首先需要確定在觀測過程中HST受到的各種外部和內部約束條件。NASA將HST受到的約束條件分為如下幾類[2]：①絕對約束，包括日月規避角、南大西洋異常區等軌道觀測條件限制。②相對約束，包括觀測任務的先后順序、相同窗口內執行的分組約束、最小化姿態機動次數的集中觀測約束。③資源約束，包括數據容量約束、通信窗口約束、能源約束。在綜合考慮全部的約束條件后，就可以給出觀測任務在時間軸上的可觀測窗口[3]。HST觀測規劃的目標即是為觀測任務在可行的觀測窗口中找到最佳窗口，同時使在軌可觀測時間內完成的觀測任務總數達到最大。

（2）HST觀測規劃方法

在進行觀測規劃時，NASA對科學家提出的科學觀測提案進行篩選并對格式進行處理,將這些觀測提案轉化為望遠鏡觀測指向、相對和絕對約束等信息，發送給規劃系統[4]。具體規劃方法分為長期規劃和短期規劃兩個部分。

HST觀測規劃系統流程

為了滿足HST對大量受到復雜約束的任務進行編排的需求，NASA研發了Spike系統用于HST觀測序列的長期規劃。Spike系統最初采用了神經網絡算法，將各種約束條件整合進入代價函數，最終通過對神經網絡的訓練使得觀測序列整體的代價函數達到最小[5]。雖然神經網絡算法之后被啟發式算法替代，但其對大規模數據進行處理的思想被沿用在了后續的算法中。Spike通過啟發式算法將一年內的觀測任務按照時間窗口劃分到以周為單位的任務組中，從而完成了長期規劃。Spike系統集成的Spike工具包提供了約束滿足問題的對象類和優化函數的接口，沿用在了JWST、甚大望遠鏡（VLT）、Saburu等其他航天器上，用于解決它們的各種規劃問題[6-7]。

Spike系統的規劃結果作為輸入提供給短期規劃系統——“科學規劃與調度系統”（SPSS），其功能是在長期規劃的基礎上進行短期規劃，將每個任務安排到具體的時間窗口上。除了觀測任務的執行外，SPSS系統將望遠鏡在軌執行的軌道維持、數傳通信等飛行任務納入了考慮范圍。SPSS建立了包括動力學部分在內的望遠鏡詳細模型，在此基礎上采用貪婪算法作為調度策略，并基于評價算法對任務的執行難易度、科學價值、觀測效率和其他因素進行評價，將每一個任務安排到局部最優的時間窗口上[8]。

詹姆斯·韋布空間望遠鏡

JWST是NASA設計的6.5m口徑大型望遠鏡，經多次推遲后最終于2021年12月25日發射。JWST采用先進的分塊可展開式主鏡，搭載了4種紅外探測儀器，將在HST的基礎上開展進一步的宇宙觀測，探尋宇宙大爆炸早期形成的物體，研究星系演化的方式并觀測銀河系外行星系統[9]。

JWST總裝完成后測試照片

（1）JWST規劃問題特點

JWST的運行軌道位于日地拉格朗日L2點，觀測環境與近地軌道大為不同：JWST不再受到地球遮擋和南大西洋異常區的影響，且更容易定位導星，相對于近地軌道的HST等望遠鏡擁有更大的觀測窗口和更好的觀測條件。JWST巨大的遮光罩能夠阻擋來自太陽、地球和月亮等天體的光線，為觀測儀器提供良好的觀測環境[10]。

因為拉格朗日L2點的軌道為JWST帶來了長時間、不間斷的觀測窗口，因此，它的長期觀測規劃與有明確開始、結束時間的時間驅動的地面以及地球軌道望遠鏡不同，采用的是“基于任務驅動”（Event Driven Operations）的規劃。每一項觀測任務的描述文件中將包含最早開始時間、最晚開始時間和最晚結束時間，只要觀測任務能夠在規定的時間窗口中完成即可。但JWST也有必須在時序上進行安排的任務，如軌道維持以及太陽光壓的動量卸載。這些任務將嚴格按照需要執行的時間點來進行安排[11]。

（2）JWST觀測規劃方法

雖然在規劃時沒有采用時間驅動的規劃方式，但與HST相同，JWST也采用了長短期結合的觀測序列規劃方式，并沿用了為HST開發的Spike系統作為規劃引擎。

JWST觀測規劃系統架構

JWST長期規劃（LRP）的任務是考慮一年內的任務池，并優化整個觀測序列，在確定每個觀測任務的觀測窗口的基礎上將其平滑地分配到整個周期中。LRP將導星可獲取數量作為重要優化指標，并會將指向相近的任務分在同一組內，以最小化組內任務之間的姿態機動角度。長期規劃需要隨著觀測實際執行結果、運行中出現的異常來對規劃結果進行實時更新[12]。

JWST的短期規劃方法與HST也較為相似，對幾周長度的觀測任務組進行規劃，并將規劃結果加入到短期規劃（STS）基線中,STS基線將包含未來2~3周內的詳細觀測規劃。短期規劃的主要任務是最大化觀測效率，主要優化目標包括最小化觀測之間的姿態機動次數、減少動量卸載次數、最小化觀測時間線上的空白時間。JWST將觀測任務規劃描述為多目標優化問題[11],通過基于差分進化方法的第三代廣義差分進化算法（GDE3）進行解決[13]。GDE3引入了了第二代非支配排序遺傳算法（NSGA-Ⅱ）中非支配排序的概念，能夠較好地完成對多目標優化問題的進化計算。

歐幾里得空間望遠鏡

Euclid空間望遠鏡是ESA目前在建的1.2m口徑寬視場空間望遠鏡，軌道運行在日地拉格朗日L2點[14]。Euclid主要的科學任務為研究有關暗能量和暗物質的基本問題，被設計優化以用于觀測弱引力透鏡效應和進行星系分類兩種天文學任務，計劃在6年內對15000平方度的天區進行廣域巡天觀測，并對40平方度的天區進行深度巡天[15]。為了對Euclid的觀測任務進行合理的安排規劃，ESA開發了Euclid 巡天系統（ESS）[16]。

Euclid空間望遠鏡

（1）Euclid規劃問題特點

Euclid的觀測任務同樣受到約束條件的限制，如軌道限制、太陽方位角限制、大角度姿態機動次數限制等。以上這些會對Euclid的觀測任務產生影響的約束條件由任務控制中心收集整理，并合理分配到任務執行的各個環節進行處理[17]。

由于巡天觀測是Euclid的主要任務，其任務規劃面臨的最大難點是保證在有限的時間內完成對海量天區的觀測覆蓋。這導致Euclid的規劃流程與其他望遠鏡存在較大的差別，Euclid巡天工作組通過建立“巡天參考定義”（RSD）來對6年任務周期內的巡天任務進行統籌規劃。由于Euclid位于日地拉格朗日L2點，各天區的觀測窗口長度較長，可觀測時間較為集中，因此，RSD在規劃時會在滿足約束條件的前提下將相鄰的天區分在同一組，在一段時間內對一片相鄰天區進行集中觀測以提高觀測效率。RSD最終給出了計劃內的15000平方度的廣域巡天和40平方度深度巡天的任務規劃結果[18]。

由于Euclid任務的特殊性與巡天優化的復雜性，在開發具體的巡天任務規劃系統時較難完整沿用其他望遠鏡的觀測規劃系統，只能繼承這些系統的部分組件。ESA針對Euclid的任務特點，開發了ECTile系統來完成RSD的構建工作。

（2）Euclid觀測規劃方法

ECTile將觀測任務規劃分為兩個階段。第一階段，ECTile將首先對預計能取得極大科學成果的天區進行觀測，之后再將剩余的時間用于對廣天區的巡天觀測。第一階段觀測目標的共同特點是目標的觀測價值較高，在給定時間內可觀測窗口短，觀測方位甚至觀測指向固定，大部分為深場觀測。在完成對高價值目標的編排后，第二階段將進行“廣域巡天”（EWS）規劃，Euclid的大部分工作時間將用于進行EWS觀測。

ECTile第二階段規劃流程

為了保證規劃結果能夠覆蓋全部待觀測天區，Euclid對天區進行切分，從最大到最小劃分為有價值區域、天區資源、天區塊。通過逐層劃分將大面積天區拆分為小塊天區，并在每個天區塊內執行具體的任務規劃。有價值區域指全部待觀測天區的集合，天區資源指在給定的巡天時間窗口內能夠進行觀測的連續天區，天區塊則是在其基礎上進一步劃分出的更小區塊，作為規劃的基本單元。

ECTile采用“傳播算 法”(Diffusion Algorithm)進行每個天區塊內的觀測序列規劃。完成了每個天區塊內的觀測規劃后，ECTile將不同的天區塊按照先后順序連接起來，在每個巡天觀測窗口內將可觀測時間填滿，并按照緯度從高到低依次完成對各天區的觀測，最終完成對全部區域的巡天覆蓋。

4 結束語

空間望遠鏡的觀測任務規劃系統能夠合理安排望遠鏡任務的具體執行時間，保障望遠鏡順利在軌運行，從而達成其科學探測目標，具有極高的工程應用價值。通過對望遠鏡觀測規劃系統發展歷程的研究，可以得出以下結論：

從設計思路來看，各型號望遠鏡均通過長期規劃與短期規劃分工的方式構建了規劃系統。長期規劃考慮部分約束條件進行全局優化，保證科學目標能夠順利完成；短期規劃結合詳細約束條件確定任務在時間線上的具體執行時間，保證規劃結果能夠順利在軌執行。同時，望遠鏡的規劃系統之間具有繼承性，如HST的Spike系統沿用在了JWST等一系列后續型號中。

從設計約束來看，不同望遠鏡的科學目標、運行軌道所處的空間環境、搭載的科學載荷不同，需要對其約束條件進行完整識別和具體分析，從而有針對性地進行規劃系統的設計，并保證規劃結果滿足約束條件。

從規劃算法來看，各望遠鏡在前人研究的基礎上針對自身任務型號特點設計了相應的規劃算法。如HST針對約束復雜、任務數量大的特點采用啟發式算法結合貪婪算法進行規劃；JWST針對觀測窗口長、優化指標多的特點采用了任務為導向的多目標優化算法；Euclid針對巡天觀測覆蓋面積大的特點對天區進行逐層劃分，并在小塊天區內使用了前瞻算法。

在我國研制空間望遠鏡的同時，也需要進行其配套的觀測規劃系統的開發工作。需要針對望遠鏡的科學需求、運行軌道、平臺能力等影響因素設計合理的規劃系統，從而保障望遠鏡在軌安全運行，順利達成科學目標。