應(yīng)急條件下多星協(xié)同調(diào)度方法研究

畢宇平，祝江漢，朱曉敏

國防科技大學(xué)信息系統(tǒng)工程重點實驗室，湖南 長沙 410073

1 概述

成像衛(wèi)星是利用衛(wèi)星上所載的遙感器對地球表面進(jìn)行探測以獲取圖像情報的人造地球衛(wèi)星。它利用星載可見光相機(jī)、紅外相機(jī)或合成孔徑雷達(dá)等遙感器，從軌道上對目標(biāo)實施偵察、監(jiān)視、跟蹤，以搜集指定目標(biāo)的圖像信息，具有覆蓋范圍廣、運(yùn)行時間長、不受國界和空域限制、無需考慮人員安全等獨(dú)特優(yōu)勢。衛(wèi)星設(shè)備把目標(biāo)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(wèi)星主要分為光學(xué)成像衛(wèi)星和雷達(dá)成像（微波）衛(wèi)星兩大類，光學(xué)成像衛(wèi)星采用可見光、紅外、多光譜相機(jī)成像，而雷達(dá)成像衛(wèi)星采用SAR遙感器進(jìn)行成像。它們各自具有不同的特點，光學(xué)成像衛(wèi)星的優(yōu)點是空間分辨率高，但不能進(jìn)行全天候、全天時工作。雷達(dá)成像衛(wèi)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(wèi)星在軍事偵察、災(zāi)害防治、環(huán)境保護(hù)、城市規(guī)劃以及農(nóng)業(yè)、氣象等許多領(lǐng)域都發(fā)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(wèi)星已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了災(zāi)害防治工作中，但是由于我國衛(wèi)星發(fā)展起步較晚，現(xiàn)有的衛(wèi)星資源數(shù)量和技術(shù)有限，資源衛(wèi)星在應(yīng)急災(zāi)害防治工作的作用尚未得到充分體現(xiàn)。應(yīng)急條件就是指某個局部區(qū)域爆發(fā)戰(zhàn)爭或者出現(xiàn)重大突發(fā)性事件，比如一場突發(fā)的局部戰(zhàn)爭、防恐維穩(wěn)、抗災(zāi)搶險等。在這種應(yīng)急條件下，觀測任務(wù)具有非常大的不確定性、異常的復(fù)雜性和很高的優(yōu)先性，同時應(yīng)急觀測任務(wù)請求類型多樣，比如多傳感器覆蓋觀測、多時相觀測、持續(xù)不間斷觀測、打擊效果評估、偽裝識別等。隨著衛(wèi)星數(shù)量的增加和技術(shù)的改進(jìn)，如何統(tǒng)籌安排衛(wèi)星的使用，以最大限度發(fā)揮其作用，將是一個緊迫的問題。而在這種應(yīng)急條件下，現(xiàn)有成像觀測系統(tǒng)對觀測目標(biāo)表現(xiàn)出觀測能力不足，不能夠滿足用戶應(yīng)急處理的迫切需要。此時，就對衛(wèi)星系統(tǒng)提出了更高的要求：平臺構(gòu)建迅速，獲取信息快，重復(fù)觀測周期短，覆蓋率大。這些功能是現(xiàn)有單顆衛(wèi)星在短期內(nèi)難于做到的，并且臨時發(fā)射衛(wèi)星的成本和時間也是難以忍受的。為了彌補(bǔ)現(xiàn)有成像觀測系統(tǒng)的不足，迅速提高成像觀測系統(tǒng)的觀測能力，根據(jù)應(yīng)急任務(wù)需要，采用多顆不同類型的成像衛(wèi)星進(jìn)行協(xié)同調(diào)度，直接快速有效地滿足應(yīng)急任務(wù)的要求。通過多類型成像衛(wèi)星協(xié)同調(diào)度得到的多類型成像衛(wèi)星任務(wù)執(zhí)行方案將能夠反映衛(wèi)星及地面站資源爭用、任務(wù)取舍等衛(wèi)星系統(tǒng)的實際應(yīng)用特點。對成像衛(wèi)星任務(wù)執(zhí)行方案進(jìn)行仿真并就任務(wù)完成率和資源占用率等指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計，將能夠合理評估衛(wèi)星系統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行能力和資源負(fù)荷水平。通過變換衛(wèi)星系統(tǒng)的配置參數(shù)并反復(fù)進(jìn)行規(guī)劃調(diào)度和仿真，就可以得到對不同的衛(wèi)星系統(tǒng)配置方案滿足具體任務(wù)的能力評估結(jié)果，從而尋求最滿意的衛(wèi)星系統(tǒng)配置方案。

多星協(xié)同調(diào)度是衛(wèi)星、星載遙感器及地面站資源分配和衛(wèi)星觀測調(diào)度方案核心內(nèi)容，它本質(zhì)上是一個優(yōu)化決策過程，對于更好地利用成像衛(wèi)星、星載遙感器及地面站資源，優(yōu)化衛(wèi)星系統(tǒng)整體性能，發(fā)揮它們的最大綜合效益具有至關(guān)重要的作用。本文研究多星協(xié)同調(diào)度的模型及解決問題的方法，為提高衛(wèi)星系統(tǒng)的綜合效益提供理論支持和技術(shù)保障。

2 建立多星協(xié)同調(diào)度分析框架

建立框架是為給衛(wèi)星協(xié)同調(diào)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(xié)同任務(wù)一個總的調(diào)度；部門級主要是一些不同類型的觀測任務(wù)調(diào)度；管控級主要是一些具體的觀測實施者?？梢杂蓤D1清晰的表示出來。

圖1

在應(yīng)急任務(wù)具體調(diào)度到哪類哪顆衛(wèi)星進(jìn)行完成時，多星協(xié)同調(diào)度框架中管控操作級必須向總控中心級和部門類別級進(jìn)行任務(wù)調(diào)度情況信息反饋，彌補(bǔ)調(diào)度過程中的不足，反復(fù)進(jìn)行調(diào)度和反饋，最終達(dá)到調(diào)度效果的最優(yōu)化，只有通過增加反饋才能保持任務(wù)調(diào)度效率的提高，使應(yīng)急任務(wù)能夠在滿足各項要求的前提下完成。

3 多星協(xié)同調(diào)度基本求解框架

圖2

多星協(xié)同調(diào)度本質(zhì)上是一個優(yōu)化決策過程，它能夠更好地利用成像衛(wèi)星和星載遙感器，并且優(yōu)化衛(wèi)星系統(tǒng)整體性能，發(fā)揮它們的最大綜合效益具有至關(guān)重要的作用。本文研究綜合考慮不同類型成像衛(wèi)星協(xié)同調(diào)度機(jī)制和求解方法，為實現(xiàn)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(yīng)用要求提供理論儲備。

多星協(xié)同調(diào)度的總體研究目標(biāo)可以總結(jié)為，面向未來成像觀測體系的發(fā)展要求，以建立全球、全天候、全天時、多譜段、不同分辨率、穩(wěn)定運(yùn)行的成像觀測體系為頂層目標(biāo)，以多類型成像衛(wèi)星協(xié)同為主要規(guī)劃手段進(jìn)行調(diào)度。該問題的求解框架大體可以由圖2所表示出來。

規(guī)劃主要處理的規(guī)劃輸入要素包括多類型成像衛(wèi)星資源和多類型應(yīng)急觀測任務(wù)請求3種。參與調(diào)度的衛(wèi)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(wèi)星；解決的應(yīng)急任務(wù)主要包括排斥任務(wù)、互存任務(wù)、秩序任務(wù)、優(yōu)先任務(wù)和組合任務(wù)等；規(guī)劃的輸出包括兩大類：衛(wèi)星動作和任務(wù)信息；其中衛(wèi)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(shù)傳動作分為接收起止時刻和接收任務(wù)類型等，其中接收任務(wù)類型分為實傳任務(wù)和回放任務(wù)兩種；任務(wù)信息分為兩個部分，衛(wèi)星觀測任務(wù)信息和數(shù)傳接收任務(wù)信息，其中觀測任務(wù)信息指衛(wèi)星每次觀測動作內(nèi)觀測到的任務(wù)信息，數(shù)傳接收任務(wù)信息主要指每個接收時段內(nèi)接收到的相關(guān)任務(wù)信息。

4 多星協(xié)同調(diào)度基本過程

多類型成像衛(wèi)星協(xié)同調(diào)度過程是一個包含了多個步驟的復(fù)雜過程，下面給出多星協(xié)同調(diào)度基本過程，如圖3所示。

圖3

各類型成像衛(wèi)星一般在近地軌道運(yùn)行，它根據(jù)用戶的應(yīng)急任務(wù)需求，對地面目標(biāo)進(jìn)行有選擇性的觀測成像。多類型成像衛(wèi)星協(xié)同調(diào)度過程主要包括：

1）接收用戶成像應(yīng)急任務(wù)信息需求，分析用戶應(yīng)急任務(wù)需求；

2）針對復(fù)雜任務(wù)情況，分解任務(wù)，形成子任務(wù)，能夠供成像衛(wèi)星觀測的無差別的網(wǎng)格靜態(tài)點目標(biāo)；

3）再根據(jù)衛(wèi)星資源和任務(wù)的約束和特點，進(jìn)行多星協(xié)同調(diào)度模型的建立；

4）利用軟件工具，結(jié)合現(xiàn)有在軌成像衛(wèi)星系統(tǒng)，對靜態(tài)點目標(biāo)進(jìn)行覆蓋性和適匹配性分析，形成一系列圖表和報表，如網(wǎng)格點目標(biāo)時間窗口列表等；

5）在報表和圖表的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體觀測能力指標(biāo)，計算在軌成像衛(wèi)星系統(tǒng)的觀測能力；協(xié)同調(diào)度器結(jié)合具體的指標(biāo)，通過問題求解獲取應(yīng)急補(bǔ)網(wǎng)方案，方案中包括多類型成像衛(wèi)星運(yùn)行軌道參數(shù)；

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

7）按照實施方案，迅速機(jī)動靈活地協(xié)同不同類型成像衛(wèi)星對目標(biāo)實施成像觀測；用戶最終獲取所需的觀測數(shù)據(jù)。

由于成像衛(wèi)星的能力是有限的，而用戶提交的任務(wù)需求可能比較多且時效性要求比較高。因此，在成像衛(wèi)星正常工作時，衛(wèi)星地面控制指揮系統(tǒng)必須根據(jù)應(yīng)急任務(wù)請求，再考慮不同類型成像衛(wèi)星的能力，對應(yīng)急任務(wù)和各類型成像衛(wèi)星進(jìn)行整體優(yōu)化調(diào)度，并制定衛(wèi)星的成像計劃，生成星載遙感器控制指令，經(jīng)衛(wèi)星地面測控設(shè)備將指令注入衛(wèi)星，使得衛(wèi)星按照指令依次執(zhí)行各種動作，并完成用戶所提交的各項應(yīng)急任務(wù)。

5 總結(jié)與展望

目前關(guān)于衛(wèi)星任務(wù)調(diào)度的研究大多針對單顆衛(wèi)星、單類型衛(wèi)星和面向簡單觀測任務(wù)請求展開，考慮的衛(wèi)星觀測過程和載荷約束相對簡化，缺乏面向多類型成像衛(wèi)星、應(yīng)急觀測任務(wù)請求、將多類型成像衛(wèi)星觀測與應(yīng)急觀測任務(wù)請求聯(lián)合考慮的方法。

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

論文面向光學(xué)、SAR、紅外等多種類型的中低軌對地成像觀測衛(wèi)星協(xié)同調(diào)度的應(yīng)用需求，以多類型成像觀測衛(wèi)星協(xié)同為手段，以滿足多種類型的應(yīng)急觀測任務(wù)請求為出發(fā)點，在總結(jié)分析國內(nèi)外相關(guān)研究工作的基礎(chǔ)上，對多類型成像觀測衛(wèi)星聯(lián)合任務(wù)規(guī)劃中的若干關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)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(yīng)用，實驗驗證也是初步的，以后需要對上述研究成果進(jìn)行更深入的實驗驗證并應(yīng)用到工程領(lǐng)域。同時，對于迅速發(fā)展的衛(wèi)星技術(shù)，這些工作是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還存在大量需要解決的問題。如何根據(jù)整體空間任務(wù)目標(biāo)需求，從單一的復(fù)雜系統(tǒng)（單顆衛(wèi)星）向復(fù)雜的大系統(tǒng)（多類型衛(wèi)星系統(tǒng)）擴(kuò)展，研究多類型衛(wèi)星系統(tǒng)自主協(xié)同運(yùn)行的理論與方法，用以尋求滿意的總體設(shè)計方案，成為迫切需要解決的重要課題。本文所研究的內(nèi)容正是在這樣一種背景下，就對地觀測任務(wù)，力圖解決分布式衛(wèi)星系統(tǒng)任務(wù)協(xié)作的幾個相關(guān)問題。在本文的工作基礎(chǔ)上，可以考慮從以下幾個方面進(jìn)行更進(jìn)一步的研究：

1）針對靈巧衛(wèi)星的協(xié)同任務(wù)調(diào)度技術(shù)研究；

2）針對多個移動目標(biāo)的多衛(wèi)星協(xié)同任務(wù)規(guī)劃技術(shù)研究；

3）針對衛(wèi)星自主控制任務(wù)規(guī)劃技術(shù)的研究；

4）基于傳感器網(wǎng)絡(luò)理論的衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃算法。

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