國(guó)外對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)分析

　　摘要：對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星是從太空獲得信息的主要途徑，業(yè)已成為當(dāng)前及今后航天事業(yè)發(fā)展的重要方向。介紹了國(guó)外主要國(guó)家對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星和衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃的發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)未來(lái)應(yīng)用趨勢(shì)進(jìn)行了分析與展望。
　　關(guān)鍵詞：對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星；衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃；星上自治
　　中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2012）28-6666-03
　　對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星利用衛(wèi)星傳感器獲取地球表面和低層大氣的有關(guān)信息；由于具有覆蓋范圍廣、不受空域國(guó)界限制、不涉及人員安全等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于測(cè)繪、農(nóng)業(yè)、天氣、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等領(lǐng)域，在軍事領(lǐng)域更是得到了廣泛應(yīng)用[1]。
　　本文對(duì)國(guó)外對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的應(yīng)用現(xiàn)狀，以及衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，并分析這些研究的特點(diǎn)，指出的發(fā)展趨勢(shì)。
　　1 國(guó)外對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星應(yīng)用現(xiàn)狀
　　目前關(guān)于對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星分類(lèi)沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，從不同角度有不同劃分準(zhǔn)則。如，依據(jù)傳感器類(lèi)型，可分為可見(jiàn)光、紅外、多光譜、高光譜、超廣譜、SAR、電子等類(lèi)型；依據(jù)使命任務(wù)，可分為成像、測(cè)繪、氣象、導(dǎo)彈預(yù)警和海洋監(jiān)視等種類(lèi)[2]。
　　從KH-1至KH-12，美國(guó)已發(fā)射了6代240多顆光學(xué)成像衛(wèi)星，目前最高分辨率為0.1米。法國(guó)與意大利、西班牙合作研制的第二代Helios-2衛(wèi)星，分辨率達(dá)到0.5米；第三代Helios衛(wèi)星裝載紅外遙感器和SAR，其可見(jiàn)光分辨率達(dá)到0.1米。前蘇聯(lián)的成像偵察衛(wèi)星至今已發(fā)展到了七代，目前的分辨率也達(dá)到了零點(diǎn)幾米。印度2001年10月發(fā)射的 “技術(shù)實(shí)驗(yàn)評(píng)估衛(wèi)星”（TES）分辨率為1米，并計(jì)劃發(fā)射分辨率0.5米的系列偵察衛(wèi)星。以色列的Offeq-3衛(wèi)星分辨率1.8米，德的5顆小型雷達(dá)衛(wèi)星SAR-Lupe，分辨率為0.5米[3-4]。
　　美國(guó)從20世紀(jì)60年代初開(kāi)始發(fā)展電子偵察衛(wèi)星，目前發(fā)展的第五代的低軌衛(wèi)星是“奧林皮亞”（SB-WASS），俄羅斯的電子偵察衛(wèi)星是“處女地”系列，目前也發(fā)展了五代。海洋監(jiān)視衛(wèi)星方面，美國(guó)的“白云”星座和前蘇聯(lián)＼俄羅斯的“EORSAT＼ RORSAT”外，其他國(guó)家的海洋監(jiān)視衛(wèi)星報(bào)道很少[3-5]。
　　對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的經(jīng)歷了多個(gè)發(fā)展階段：六十年代早期階段，衛(wèi)星規(guī)模小，功能單一，重量相對(duì)較低；七十年代中期應(yīng)用階段，隨著大功率火箭的應(yīng)用和需求日增，衛(wèi)星質(zhì)量提高成為現(xiàn)實(shí)，衛(wèi)星技術(shù)也日趨復(fù)雜。針對(duì)七十年代衛(wèi)星存在的投資大、風(fēng)險(xiǎn)高、周期長(zhǎng)等弊端，八十年代末期開(kāi)始出現(xiàn)現(xiàn)代小衛(wèi)星，采用新的設(shè)計(jì)理念，并引入科學(xué)管理方法，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星的低成本、小質(zhì)量、高性能、短研制周期。因其成本低廉、部署靈活、反應(yīng)快捷、應(yīng)用效果好等因素，已成為多數(shù)國(guó)家發(fā)射衛(wèi)星所采用的理念[6-7]。
　　2 衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀
　　衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃主要由操作者根據(jù)數(shù)據(jù)提出方的觀測(cè)需求，根據(jù)衛(wèi)星約束條件，進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，最終確定對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的觀測(cè)動(dòng)作和數(shù)據(jù)傳輸動(dòng)作的行為，因此，某種意義上講，衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃是衛(wèi)星的實(shí)際“大腦”，是決定衛(wèi)星效益發(fā)揮的關(guān)鍵因素。研究任務(wù)規(guī)劃技術(shù)具有非常重要的意義。
　　目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)任務(wù)規(guī)劃的研究應(yīng)用有專(zhuān)用和通用兩種。通用研究主要通過(guò)研發(fā)通用規(guī)劃調(diào)度軟件實(shí)現(xiàn)，具有適應(yīng)范圍廣、配置方便，但存在約束過(guò)于簡(jiǎn)化，不能適應(yīng)復(fù)雜應(yīng)用的不足；專(zhuān)用研究具有計(jì)算效率高，算法靈活多樣，適應(yīng)約束復(fù)雜等特點(diǎn)，但也存在針對(duì)性強(qiáng)，普適性和移植性差的不足。
　　通用規(guī)劃軟件系統(tǒng)主要有美國(guó)Veridian公司的GREAS[8]系統(tǒng)、美國(guó)AGI公司的STK軟件的調(diào)度模塊STK/Scheduler[9]、美國(guó)NASA開(kāi)發(fā)的ASPEN[10]系統(tǒng)等。其中，GREAS系統(tǒng)是用于構(gòu)建衛(wèi)星規(guī)劃和調(diào)度的專(zhuān)業(yè)化、通用性軟件平臺(tái)，該平臺(tái)基于CSP約束滿(mǎn)足問(wèn)題模型研發(fā)，建立資源、事件、活動(dòng)三者的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并基于約束規(guī)劃方法，通過(guò)創(chuàng)建相匹配的對(duì)象、集成ILOG商業(yè)軟件進(jìn)行規(guī)劃調(diào)度。該系統(tǒng)主要用于面向單星的任務(wù)規(guī)劃，對(duì)星座規(guī)劃或多星聯(lián)合規(guī)劃適應(yīng)性差[8]。
　　美國(guó)AGI公司的衛(wèi)星工具包軟件（STK）的調(diào)度模塊STK/Scheduler采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和貪婪算法，在全球很多國(guó)家的衛(wèi)星管理應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用。但是，該系統(tǒng)對(duì)一個(gè)任務(wù)由多個(gè)衛(wèi)星完成的情況解決能力不足，無(wú)法得到很好的應(yīng)用；另外，它也對(duì)帶有數(shù)傳動(dòng)作的規(guī)劃能力也較弱[9]。NASA開(kāi)發(fā)的ASPEN軟件系統(tǒng)采用局部鄰域搜索（Local Search）的算法，結(jié)合約束描述、約束管理、搜索策略、時(shí)態(tài)推理等技術(shù)進(jìn)行規(guī)劃，已成功解決EO-1和SAR成像等衛(wèi)星的規(guī)劃問(wèn)題[10]。
　　3 衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃技術(shù)研究現(xiàn)狀
　　針對(duì)專(zhuān)用衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃的研究中，根據(jù)研究中考慮衛(wèi)星數(shù)目多少和規(guī)劃在星上或者星下實(shí)現(xiàn)的不同，將衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題分為單星離線任務(wù)規(guī)劃、多星離線聯(lián)合任務(wù)規(guī)劃和星上在線自主規(guī)劃。
　　3.1 單星離線任務(wù)規(guī)劃
　　單星離線規(guī)劃是指針對(duì)單顆衛(wèi)星在地面進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃的研究。針對(duì)單星規(guī)劃的研究主要見(jiàn)于早期的規(guī)劃應(yīng)用，以美國(guó)的研究最多，多采用將衛(wèi)星規(guī)劃問(wèn)題映射為研究較為成熟的某一經(jīng)典問(wèn)題，然后基于該問(wèn)題的經(jīng)典求解方法，進(jìn)行適應(yīng)性改造以適應(yīng)新問(wèn)題。如Hall[11]將空間任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題建模為機(jī)器調(diào)度問(wèn)題， Wolfe[12]等將NASA EOS中的單星成像問(wèn)題映射為帶時(shí)間窗約束的打包問(wèn)題等。歐洲的研究中，主要采用將問(wèn)題抽象建立數(shù)學(xué)模型，然后對(duì)模型進(jìn)行精確求解的方式，典型應(yīng)用如，Agnese[13]和Bensana[14]基于約束滿(mǎn)足方法對(duì)SPOT成像調(diào)度問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。
　　3.2 多星離線聯(lián)合任務(wù)規(guī)劃
　　相對(duì)于單星離線規(guī)劃，多星離線任務(wù)規(guī)劃的研究相對(duì)較少，而且多是最近的研究。如美國(guó)NASA的Frank[15]等將多星離線規(guī)劃問(wèn)題描述為約束優(yōu)化問(wèn)題，基于CBI框架和GRASP算法求解。Globus[16]等將多星成像調(diào)度問(wèn)題表示成類(lèi)似于旅行商的排隊(duì)問(wèn)題，基于貪婪算子進(jìn)行可行解生成。意大利的Bianchessi[17]基于整數(shù)規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，分別研究了Pleiades星座和COSMO-SkyMed星座的成像調(diào)度問(wèn)題。德國(guó)的Florio[18]采用具有前看功能的任務(wù)優(yōu)化分配策略解決SAR衛(wèi)星星座任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題。
　　3.3 星上在線自主規(guī)劃
　　與前兩者相比，星上在線自主規(guī)劃的應(yīng)用難度更大，目前只有美國(guó)得到過(guò)探索應(yīng)用，其他國(guó)家尚處于探索階段，應(yīng)用并不廣泛。主要應(yīng)用有美國(guó)Chien[19]等研究的EO-1衛(wèi)星的成像調(diào)度系統(tǒng)ASE軟件，該軟件既可以在地面完成調(diào)度，也可在星上進(jìn)行簡(jiǎn)單的自主規(guī)劃。法國(guó)Damiani[20]也對(duì)星座自主規(guī)劃及星地之間的規(guī)劃?rùn)C(jī)制問(wèn)題進(jìn)行了研究。
　　面向多星的星上自主規(guī)劃可以看作衛(wèi)星傳感器網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題，是未來(lái)衛(wèi)星規(guī)劃的主流趨勢(shì)。美國(guó)Sherwood總結(jié)分析了傳感器網(wǎng)絡(luò)中相關(guān)的重要概念、研究方向和趨勢(shì)[21]。。
　　4 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)
　　4.1 對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星發(fā)展趨勢(shì)
　　未來(lái)的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星發(fā)展趨勢(shì)，總體來(lái)說(shuō)有以下幾個(gè)發(fā)展特點(diǎn)：
　　1） 隨著材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)以及人們對(duì)高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)需求的日益旺盛，衛(wèi)星的發(fā)展趨勢(shì)是空間分辨率、光譜分辨率和輻射分辨率更高，用途更廣[7]。
　　2） 衛(wèi)星的觀測(cè)應(yīng)用更加強(qiáng)多種類(lèi)型資源的協(xié)同配合觀測(cè)，通過(guò)多源數(shù)據(jù)的融合處理應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)綜合效益。
　　3） 體系化、集成化的智能對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星傳感器網(wǎng)絡(luò)。
　　4.2 衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃發(fā)展趨勢(shì)
　　以體系的觀點(diǎn)進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)，建立天地一體衛(wèi)星和地面系統(tǒng)，提高系統(tǒng)快速響應(yīng)能力，加強(qiáng)數(shù)據(jù)的共享應(yīng)用，提供快速、高效、多元、可共享、可比較和可理解的觀測(cè)數(shù)據(jù)，是當(dāng)今國(guó)際對(duì)對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)發(fā)展的共識(shí)[7]。未來(lái)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃的主要發(fā)展趨勢(shì)包括：
　　1） 發(fā)現(xiàn)和預(yù)警一體的規(guī)劃；
　　2） 面向不同類(lèi)型用戶(hù)需求的任務(wù)描述及處理機(jī)制；
　　3） 不同對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)之間的高效協(xié)同；
　　4） 星上自主協(xié)同規(guī)劃等。
　　5 結(jié)束語(yǔ)
　　通過(guò)空間獲取信息、應(yīng)用信息的能力，是增強(qiáng)綜合國(guó)力、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要途徑，業(yè)已成為衡量一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的重要指標(biāo)，更是現(xiàn)代化信息戰(zhàn)爭(zhēng)條件下決定戰(zhàn)爭(zhēng)勝負(fù)的關(guān)鍵因素。衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)作為空間獲取信息的主要途徑，研究其現(xiàn)狀及處理特點(diǎn)對(duì)未來(lái)更好的獲得信息、應(yīng)用信息具有重大的啟發(fā)意義。本文首先對(duì)國(guó)外對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，對(duì)衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃按照單星、多星和星上自主的順序進(jìn)行了現(xiàn)狀總結(jié)，然后分析這些研究的特點(diǎn)，指出了未來(lái)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星和衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃的發(fā)展趨勢(shì)。
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