敏捷成像衛(wèi)星需求籌劃系統(tǒng)應(yīng)用探析*

祝 佳，陶 峰

（1.中國西南電子技術(shù)研究所，成都　610036；2.西安衛(wèi)星測控中心宇航動力學(xué)國家重點實驗室，西安　710043）

敏捷成像衛(wèi)星需求籌劃系統(tǒng)應(yīng)用探析*

祝 佳**1，陶 峰2

（1.中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036；2.西安衛(wèi)星測控中心宇航動力學(xué)國家重點實驗室，西安710043）

作為一類具有大范圍、快速機動能力的對地觀測衛(wèi)星，敏捷成像衛(wèi)星在提高衛(wèi)星觀測效率的同時，也使得衛(wèi)星需求的籌劃與調(diào)度變得更加的復(fù)雜和困難，給衛(wèi)星需求籌劃技術(shù)帶來了新的挑戰(zhàn)。針對敏捷成像衛(wèi)星的多種特殊工作模式，分析了敏捷成像衛(wèi)星需求籌劃的技術(shù)特點和約束條件，從工程應(yīng)用實際出發(fā)，建立了一套基于復(fù)雜需求分解和動態(tài)規(guī)劃調(diào)整的敏捷衛(wèi)星地面需求籌劃系統(tǒng)，并根據(jù)實際的應(yīng)用需求，給出了相應(yīng)的應(yīng)用實例，最后進一步展望了未來敏捷成像衛(wèi)星需求籌劃的發(fā)展方向。

敏捷成像衛(wèi)星；需求籌劃；對地觀測；應(yīng)用探析

1　引　言

隨著成像衛(wèi)星應(yīng)用需求的不斷提高，成像衛(wèi)星平臺及載荷技術(shù)也在不斷地發(fā)展，高分辨率敏捷成像衛(wèi)星就是根據(jù)未來衛(wèi)星應(yīng)用需求和技術(shù)發(fā)展趨勢而設(shè)計研制的新一代先進衛(wèi)星。

目前，國外已經(jīng)成功研制并發(fā)射了多顆敏捷成像衛(wèi)星，例如歐洲的Pleiades-1A、SPOT-6，美國的GeoEye-1、WorldView-2等，它們都具有大范圍和快速的姿態(tài)機動能力。憑借這些能力，敏捷成像衛(wèi)星可以在短時間內(nèi)獲取大量的遙感數(shù)據(jù)，并在國土測繪、災(zāi)害監(jiān)測、農(nóng)業(yè)資源管理、森林防護等多個領(lǐng)域發(fā)揮了巨大作用［1］。

隨著敏捷成像衛(wèi)星平臺能力的不斷提升，其工作模式和任務(wù)需求也變得更加復(fù)雜多樣，能夠參與的衛(wèi)星應(yīng)用類型也更加靈活多變，這些同時也給敏捷衛(wèi)星的需求籌劃技術(shù)帶來了新的問題和挑戰(zhàn)。

美國宇航局的Globus等人［2］指出對于敏捷成像衛(wèi)星這類對地觀測衛(wèi)星而言，其需求籌劃系統(tǒng)的主要難點在于約束條件的復(fù)雜多樣和巨大的求解搜索空間，建議通過盡量安排高優(yōu)先級的需求來解決問題。歐洲空間局的Lemaitre等人［3］針對敏捷衛(wèi)星需求調(diào)度問題，提出了將籌劃模型簡化為單星單軌道的需求籌劃與任務(wù)調(diào)度問題。Habet等人［4］采用禁忌搜索算法來實現(xiàn)敏捷衛(wèi)星任務(wù)需求的優(yōu)化調(diào)度和沖突消解。國內(nèi)的李玉慶等人［5］提出采用模擬退火算法與遺傳算法相結(jié)合的方式來解決三軸穩(wěn)定衛(wèi)星的點目標任務(wù)籌劃問題，但不適用于復(fù)雜工作模式。陳宇寧等人［6］基于蟻群算法提出了針對敏捷成像衛(wèi)星的優(yōu)化調(diào)度方法，并給出了相應(yīng)的調(diào)度方案，但其籌劃模型只是針對點目標的簡單需求，同樣沒有涉及復(fù)雜的工作模式。向仍湘［7］設(shè)計了一種針對敏捷衛(wèi)星不同需求任務(wù)的籌劃問題求解框架，涉及了區(qū)域目標分解、綜合調(diào)度和立體成像需求等。孫凱等人［8］針對敏捷衛(wèi)星的復(fù)雜任務(wù)需求，采用前瞻啟發(fā)式算法來進行任務(wù)規(guī)劃，有一定的算法效率。郭浩等人［9］從密集任務(wù)聚類的角度出發(fā)，設(shè)計了基于最大最小螞蟻系統(tǒng)的聚類算法，提升了應(yīng)急條件下的需求籌劃能力。雖然針對敏捷衛(wèi)星的需求籌劃調(diào)度問題，國內(nèi)外都已經(jīng)開展了一系列的研究工作［10-11］，但不少研究往往只關(guān)注于算法理論上的改進與計算，忽視了許多在工程實現(xiàn)中會遇到的實際問題，因而有必要從實際工程應(yīng)用需求的角度出發(fā)，研究更為實用的敏捷衛(wèi)星需求籌劃技術(shù)。

本文對敏捷成像衛(wèi)星的需求籌劃系統(tǒng)展開研究，針對其特殊的工作模式和約束條件，分析籌劃模型的特點及關(guān)鍵技術(shù)，給出需求籌劃流程及應(yīng)用示例，以期為相關(guān)領(lǐng)域的研究人員提供參考。

2　敏捷衛(wèi)星需求籌劃特點

之所以被稱為敏捷衛(wèi)星，就是相較于以往的非敏捷衛(wèi)星，這一類衛(wèi)星擁有更為靈活的姿態(tài)機動能力和更大的姿態(tài)機動范圍。表1給出了國外主要敏捷衛(wèi)星的相關(guān)參數(shù)。

表1　國外主要敏捷衛(wèi)星相關(guān)參數(shù)Tab.1 Parameters of foreign main agile satellites

以往的非敏捷類衛(wèi)星最多只有一個方向的自由度，也就是圍繞翻滾軸做垂直于星下點軌跡的橫向側(cè)擺機動，能夠進行觀測的時間窗口較為狹小。而敏捷成像衛(wèi)星擁有3個方向的自由度，衛(wèi)星可以同時圍繞翻滾、俯仰、偏航3個軸進行姿態(tài)機動，也就是說同時具備了在側(cè)擺和俯仰姿態(tài)下的成像觀測能力，如圖1所示。特別是通過調(diào)整觀測時的俯仰角，使得敏捷成像衛(wèi)星可以通過前視、正視、后視等不同的姿態(tài)在一個更為寬廣的時間窗口內(nèi)，自由地對地面目標進行觀測，更為靈活地選擇觀測的起止時間，從而消除以往很多觀測需求之間所存在的觀測時間沖突問題，提供了更強大的觀測能力和更多的觀測自由。

圖1　敏捷衛(wèi)星姿態(tài)機動示意圖Fig.1 Diagram of agile satellite attitude maneuver

圖2給出了一組敏捷成像衛(wèi)星與非敏捷成像衛(wèi)星在觀測方式方面的對比示例。如圖所示，沿星下點軌跡有3個待觀測的任務(wù)需求目標，對于非敏捷衛(wèi)星而言，目標的觀測起止時間是確定的，由于目標2與目標3的觀測起止時間存在重疊，因而這兩個需求是相互沖突的，在籌劃時只能安排其中一個進行觀測；而對于敏捷衛(wèi)星而言，由于具有了俯仰方面的自由度，衛(wèi)星與目標之間的可見時間窗口大大增加，通過在較為寬廣的可見時間窗口內(nèi)合理地調(diào)整安排不同目標的觀測起止時間，可以使得上述的任務(wù)需求沖突得到消解，3個觀測需求就可以在衛(wèi)星的一次過境機會內(nèi)全部安排完成觀測。

圖2　敏捷衛(wèi)星與非敏捷衛(wèi)星觀測方式的對比Fig.2 Comparison of observing way between agile satellite and non-agile satellite

觀測方式的靈活性和觀測機會的延長使得敏捷成像衛(wèi)星有可能完成更多數(shù)量和更多類型的觀測任務(wù)需求。然而，敏捷成像衛(wèi)星在顯著提高觀測效率的同時，其相應(yīng)的需求籌劃和任務(wù)調(diào)度問題也變得更為復(fù)雜。除了與非敏捷衛(wèi)星一樣要選擇觀測需求和觀測時間窗口之外，還需要決定不同觀測需求的次序、觀測需求在其時間窗口內(nèi)的具體起止時間等。而且，前后兩個需求動作之間存在能量和姿態(tài)的轉(zhuǎn)換，使得衛(wèi)星約束條件的表現(xiàn)形式與非敏捷衛(wèi)星相比有著很多的不同。因此，需要通過建設(shè)合理先進的地面需求籌劃系統(tǒng)來發(fā)揮敏捷成像衛(wèi)星的強大對地觀測能力，使其應(yīng)用效益達到最大化。

3　敏捷衛(wèi)星需求籌劃模型

3.1問題描述

敏捷成像衛(wèi)星需求籌劃問題可以這么描述∶用戶對于某顆敏捷成像衛(wèi)星提出了一組觀測需求，每個觀測需求有各自對應(yīng)的工作模式和需求優(yōu)先級，敏捷衛(wèi)星對于每個觀測需求所對應(yīng)的地面目標有一個可見時間窗口，在這個窗口內(nèi)需要安排一個時間段作為需求的開始和結(jié)束時間。

敏捷成像衛(wèi)星需求籌劃與任務(wù)調(diào)度問題是一類典型的資源受限型籌劃調(diào)度問題，因為對于一顆敏捷成像衛(wèi)星而言，其運行軌道、姿態(tài)機動能力、有效載荷能力、數(shù)傳鏈路、星上固存容量以及電源等資源條件都是相對固定的，敏捷衛(wèi)星只能在這些限定資源的基礎(chǔ)上滿足有限的觀測需求。對敏捷成像衛(wèi)星進行需求籌劃的目的就是要在這些有限的資源條件下，實現(xiàn)衛(wèi)星各類任務(wù)需求的優(yōu)化安排，按照特定工作模式及衛(wèi)星平臺自身的各類約束和使用規(guī)則，合理籌劃調(diào)度，讓用戶的需求得到最大程度的滿足，從而使得敏捷成像衛(wèi)星系統(tǒng)的應(yīng)用效能得到充分發(fā)揮。

衛(wèi)星的需求籌劃和調(diào)度問題本身就屬于一類非確定性多項式難（NP-hard）問題，而敏捷成像衛(wèi)星因其更強的對地觀測能力，大幅增加了衛(wèi)星可進行觀測的工作模式，籌劃的可行性方案空間明顯增大，使得需求籌劃問題復(fù)雜性和尋優(yōu)難度大幅提高。這類問題需要在特定目標下尋找最優(yōu)解來實現(xiàn)一定程度上的最優(yōu)化籌劃，解的優(yōu)化程度與計算的復(fù)雜度成正比，為了尋求更加優(yōu)化的籌劃結(jié)果，往往要付出更大計算復(fù)雜度的代價。在衛(wèi)星的實際工程應(yīng)用中，需求籌劃問題往往要同時兼顧籌劃結(jié)果的合理性和籌劃計算的復(fù)雜度。

3.2需求與約束分析

3.2.1復(fù)雜工作模式約束

由于敏捷成像衛(wèi)星具有靈活的姿態(tài)機動能力，因而可以完成一些復(fù)雜工作模式的任務(wù)需求［12］，這些復(fù)雜的工作模式也存在一些相應(yīng)的約束條件［13］。

（1）單軌大范圍多目標成像需求

敏捷衛(wèi)星按照用戶的需求，在衛(wèi)星姿態(tài)機動的可覆蓋范圍內(nèi)對地面的指定目標進行成像觀測，這類目標需求大多為點目標，且空間距離較近，需要發(fā)揮敏捷衛(wèi)星快速機動的能力來完成，單個目標成像時間不宜過長。

（2）區(qū)域目標成像需求

所謂區(qū)域目標，是指衛(wèi)星受其成像幅寬有限的影響，不能在一次成像過程中完全覆蓋的目標需求，需要通過在一次過境時間內(nèi)進行多個條帶區(qū)域的成像，再進行多條帶拼接來完成對整個區(qū)域目標的覆蓋［14］。這類需求受衛(wèi)星姿態(tài)機動能力的影響很大，敏捷衛(wèi)星姿態(tài)機動能力越高，能夠完成的可拼接條帶數(shù)就越多，可以覆蓋的區(qū)域目標范圍就越大。對于一顆確定的敏捷成像衛(wèi)星，其最多的可拼接條帶數(shù)是確定的，可以作為其進行區(qū)域目標成像時的約束條件。

（3）立體成像需求

立體成像需求就是在衛(wèi)星的一次過境時間內(nèi)對同一個目標從不同的角度進行多次的成像觀測，從而可以提取該目標區(qū)域的高程數(shù)據(jù)，獲取目標的立體圖像。這類需求一般根據(jù)立體成像的特點需要成像兩次或三次，即前后2視或前中后3視成像，成像次數(shù)由用戶在提出需求時設(shè)置；除了成像次數(shù)的約束外，根據(jù)立體成像原理，還需要考慮成像基高比的約束?；弑仁侵笖z影基線長度與攝影高度之比，即相鄰兩次觀測曝光瞬間鏡頭中心位置的距離與衛(wèi)星高度的比值?；弑确从车氖乔昂笥跋裨诤较蛏系闹丿B度，基高比越大，重疊越小，立體觀測和高程測量精度越高，立體效應(yīng)就越好。

（4）動態(tài)監(jiān)視需求

所謂動態(tài)監(jiān)視，就是衛(wèi)星在其一次過境時間內(nèi)通過調(diào)整姿態(tài)對同一目標區(qū)域盡可能多地進行成像觀測，以獲取指定目標區(qū)域在一定時間段內(nèi)具有時間分辨率的圖像序列。敏捷成像衛(wèi)星在其一次過境時間內(nèi)可以連續(xù)成像的次數(shù)，受其姿態(tài)機動能力和單次成像時長的影響。一次過境最大可觀測次數(shù)和單次成像的觀測時長均可以作為動態(tài)監(jiān)視需求的約束條件。

3.2.2衛(wèi)星平臺約束

（1）一般一顆敏捷成像衛(wèi)星只搭載一個成像傳載荷，在一個時刻只能對一個地面目標進行觀測。

（2）衛(wèi)星載荷的開關(guān)機約束∶包括單軌道圈次內(nèi)的最大開機次數(shù)、一天內(nèi)的最大開機次數(shù)、一次開機的最短工作時間和最長工作時間。

（3）衛(wèi)星傳感器成像約束∶包括一次開機最大成像次數(shù)、一次成像的最短時間和最長時間、單軌道圈次內(nèi)累計最大成像時間、單日累計最大成像時間。

（4）連續(xù)兩次成像時間間隔約束∶相鄰兩次成像觀測之間存在一個時間間隔，最小時間間隔受衛(wèi)星姿態(tài)機動能力影響，根據(jù)不同敏捷成像衛(wèi)星的姿態(tài)機動角速度，從對前一個目標進行觀測時的姿態(tài)調(diào)整到對后一個目標進行觀測的姿態(tài)需要一個時間，姿態(tài)調(diào)整完后往往還需要一定的載荷穩(wěn)定時間。如果這兩次觀測之間載荷需要先關(guān)機再開機的操作（受開關(guān)機約束的影響）時，受星上載荷電氣特性的影響，載荷關(guān)機后，需要等待一定的時間之后才能再次開機，也就是存在一個開機時間間隔約束［15］。

（5）姿態(tài)機動能力約束∶不同的敏捷成像衛(wèi)星根據(jù)其衛(wèi)星平臺能力，由側(cè)擺角機動范圍、俯仰角機動范圍和成像幅寬，連同其相對固定的軌道參數(shù)共同決定了該顆敏捷衛(wèi)星對于地面目標的可見時間窗口；

（6）存儲器容量約束∶當?shù)孛婺繕伺c地面接收站相對于敏捷衛(wèi)星不能同時可見時，觀測數(shù)據(jù)不能實時傳回地面，需要先存儲在衛(wèi)星的存儲器內(nèi)，等后續(xù)進入地面站的回傳窗口時再將存儲數(shù)據(jù)傳回地面并刪除星上數(shù)據(jù)，這就需要所存儲的觀測數(shù)據(jù)量不能超過星上存儲器的存儲容量。

3.2.3其他約束

（1）成像質(zhì)量約束∶這里所描述的成像質(zhì)量主要體現(xiàn)為成像的分辨率，在傳感器參數(shù)確定的情況下，敏捷衛(wèi)星成像的分辨率主要取決于衛(wèi)星與地面待測目標的距離，以及衛(wèi)星對地面目標進行觀測時的姿態(tài)角度，所以為了保證成像質(zhì)量，需要盡可能地安排小角度姿態(tài)角的觀測。

（2）太陽光照約束∶敏捷成像衛(wèi)星一般為可見光成像衛(wèi)星，因此需要在地面有太陽光照的條件下進行觀測工作，而且對觀測時地面目標的太陽高度角也有一定的約束條件，只有當太陽高度角不低于最小太陽高度角時，所成像的觀測數(shù)據(jù)才是有效的。

（3）地面資源約束∶不僅星上資源是有限的，地面的接收管理資源也是有限的，除了地面站存在一定的回傳時間窗口外，地面站天線的數(shù)傳能力也存在最大值，通常一個地面站天線在某一時刻只能為一顆衛(wèi)星提供數(shù)傳業(yè)務(wù)服務(wù)。

（4）對于區(qū)域目標成像、立體成像和動態(tài)監(jiān)視等特殊工作模式的需求，由于其一個需求內(nèi)包含了兩次以上的成像觀測動作，因此約定這些多個的觀測動作必須在衛(wèi)星一次過境時間內(nèi)都完成才算該需求完成，且這些觀測動作需要連續(xù)完成，中間不能安排其他的觀測需求動作。

（5）特殊成像需求約束∶對于一些特定行業(yè)的用戶而言，基于他們對于衛(wèi)星產(chǎn)品的特殊需求，會對敏捷衛(wèi)星觀測提出一些約束，如指定觀測的俯仰角、指定觀測時間段、觀測次數(shù)和時間間隔等。

3.3籌劃模型及數(shù)學(xué)描述

由上述分析可見，敏捷成像衛(wèi)星需求籌劃問題的約束條件較多且復(fù)雜，觀測的需求種類也包括了點目標、區(qū)域目標、立體成像和動態(tài)監(jiān)視等。根據(jù)這些敏捷衛(wèi)星的需求籌劃特點，我們建立相應(yīng)的需求籌劃模型及數(shù)學(xué)描述［16］。

籌劃模型的輸入是敏捷成像衛(wèi)星s和一組衛(wèi)星任務(wù)需求集合T=｛t1，t2，…，tN｝，其中N為任務(wù)需求的數(shù)量，包含了點目標、區(qū)域目標、立體成像和動態(tài)監(jiān)視等類型的任務(wù)需求?；I劃模型的決策變量集為X=｛x1，x2，…，xN｝，?i∈｛1，2，…，N｝，xi∈｛0，1｝。其中∶xi=1表示任務(wù)需求ti被安排執(zhí)行；xi=0表示任務(wù)需求ti不被安排執(zhí)行。

下面描述籌劃模型的約束條件。

（1）對于需要多次成像的任務(wù)需求，多個觀測動作必須在衛(wèi)星一次過境時間內(nèi)都完成才算該需求完成∶

式中∶xiv=1表示任務(wù)需求ti劃分的觀測動作v被安排執(zhí)行；xiv=0表示觀測動作v沒有被安排執(zhí)行；Ni為任務(wù)需求ti劃分的觀測動作數(shù)量。

（2）一個任務(wù)需求只能被執(zhí)行一次∶

（3）對于目標成像的觀測時間窗口存在以下約束∶

式中∶siv、eiv為任務(wù)需求ti劃分的觀測動作v可見時間窗口的開始、結(jié)束時間；piv、qiv為實際觀測的開始、結(jié)束時間。

（4）同一任務(wù)需求下的各個觀測動作之間的時間間隔存在以下約束∶

式中∶ts為前后兩個觀測動作之間的姿態(tài)轉(zhuǎn)換時間。

（5）前后兩個任務(wù)需求之間的時間間隔存在以下約束∶

式中∶Ei為前一個任務(wù)需求的結(jié)束時間；Si+1為后一個任務(wù)需求的開始時間；Ts為前后兩個任務(wù)需求之間的姿態(tài)轉(zhuǎn)換時間。

衛(wèi)星的軌道參數(shù)和性能參數(shù)是確定的，任務(wù)需求信息包含了需求所需要的工作模式、待測目標坐標信息、需求優(yōu)先級、區(qū)域范圍、單次觀測時長、觀測次數(shù)等，某些特殊需求還可以指定觀測的角度等。

對于敏捷衛(wèi)星需求籌劃問題而言，其籌劃的目標可以有不同的形式，具體取決于用戶的偏好，以最大化滿足需求，最大化發(fā)揮對地觀測數(shù)據(jù)效益為目標。一般的籌劃方案通常是考慮以需求的重要程度作為籌劃調(diào)度目標，通過設(shè)置并調(diào)整需求優(yōu)先級，在不能滿足全部用戶需求的情況下，盡可能多地滿足更重要的觀測需求。

下面給出籌劃模型目標函數(shù)的數(shù)學(xué)描述。

（1）成像收益 最大化任務(wù)需求的優(yōu)先級加權(quán)之和∶

式中∶ωi為任務(wù)需求ti的權(quán)重（優(yōu)先級）。

（2）成像質(zhì)量 最小化觀測動作的平均俯仰角和平均側(cè)擺角之和。

任務(wù)需求ti的平均俯仰角為

式中∶Ni為任務(wù)需求ti劃分的觀測動作數(shù)量；pitchv為觀測動作v的俯仰角。

任務(wù)需求ti的平均側(cè)擺角為

式中∶rollv為觀測動作v的側(cè)擺角。

任務(wù)需求ti沒有被安排執(zhí)行時，

綜上，成像質(zhì)量目標函數(shù)為

（3）需求滿足度 最大化任務(wù)需求被安排執(zhí)行的數(shù)量∶

在敏捷衛(wèi)星需求籌劃模型中，輸入敏捷成像衛(wèi)星s和一組衛(wèi)星任務(wù)需求集合T=｛t1，t2，…，tN｝后，進入敏捷衛(wèi)星需求籌劃調(diào)度流程（詳見第4節(jié)）。通過綜合籌劃調(diào)度，結(jié)合上述各類約束條件，確定各任務(wù)需求的決策變量值及任務(wù)觀測時間等，再采用動態(tài)調(diào)整策略對存在沖突的任務(wù)需求進行消解，動態(tài)調(diào)整時實時計算籌劃模型的目標函數(shù)值，尋求需求調(diào)度的最優(yōu)解，使得調(diào)整后的任務(wù)需求安排最大化滿足用戶需求。完成動態(tài)調(diào)整和沖突消解后，輸出衛(wèi)星任務(wù)需求的安排情況以及安排的觀測開始時間和結(jié)束時間。

4　敏捷衛(wèi)星需求籌劃流程

根據(jù)敏捷成像衛(wèi)星需求籌劃問題的特點，我們將敏捷成像衛(wèi)星需求籌劃問題的求解過程劃分為目標需求分解、綜合籌劃調(diào)度以及動態(tài)調(diào)整與沖突消解三個主要階段，籌劃流程及求解框架如圖3所示。

圖3　敏捷衛(wèi)星需求籌劃流程圖Fig.3 Flow chart of agile satellite requirements planning system

4.1目標需求分解

敏捷成像衛(wèi)星的工作模式中，除了點目標成像需求之外，其余需求類型在籌劃調(diào)度層面都顯得較為復(fù)雜，不利于進行綜合籌劃和調(diào)度，因此需要先進行需求分解的預(yù)處理。目標需求分解就是根據(jù)不同的特殊需求類型，將復(fù)雜工作模式的需求分解簡化成便于統(tǒng)一綜合籌劃調(diào)度的基本觀測需求，即一次成像就能完成的觀測需求。

（1）點目標需求∶一次成像就可以完成觀測，已是最簡化的需求了，直接作為基本觀測需求。

（2）區(qū)域目標成像需求∶由于一次成像只能觀測一個條帶的范圍，因此需要沿著星下點軌跡方向按照敏捷衛(wèi)星的成像幅寬將目標區(qū)域劃分成多個等寬的條帶，每個條帶作為一個基本觀測需求。

（3）立體成像需求∶根據(jù)用戶提出的觀測次數(shù)和觀測角度要求，將立體成像需求分解為連續(xù)的兩個或三個基本觀測需求，特別地，每個基本觀測需求是附加有特殊觀測角度要求的。

（4）動態(tài)監(jiān)視需求∶根據(jù)用戶提出的單次觀測時長和觀測次數(shù)需求，將動態(tài)監(jiān)視需求分解成可見時間窗口內(nèi)的多個連續(xù)的基本觀測需求。

4.2綜合籌劃調(diào)度

通過目標需求分解的預(yù)處理后，所有的任務(wù)需求轉(zhuǎn)換成了一組待分配的基本觀測需求集合，根據(jù)敏捷衛(wèi)星的性能參數(shù)和候選需求類型等情況，設(shè)置需求籌劃的各類約束條件。

按照這些約束條件和需求各自的優(yōu)先級，對候選的基本觀測需求進行需求籌劃和調(diào)度。通過約束條件先對觀測需求進行篩選，提取出滿足基本約束的需求；然后按照時間和優(yōu)先級順序，依次安排可執(zhí)行的需求，初始籌劃調(diào)度時各個基本觀測需求均以較小的觀測姿態(tài)角度來安排觀測時間段，通過比較相鄰兩個基本觀測需求的衛(wèi)星姿態(tài)來計算出兩個需求間所需要的姿態(tài)機動幅度，從而得出姿態(tài)機動時間，用以判斷兩個需求間的時間間隔能否滿足約束條件。

通過需求籌劃與調(diào)度處理，我們得到一組初始的籌劃調(diào)度結(jié)果，包含了可執(zhí)行的需求序列和對應(yīng)的時間段、存在沖突的需求集以及需求被拒絕的理由信息。

4.3動態(tài)調(diào)整與沖突消解

在初始解決方案中，給出了存在沖突的需求集合以及不可執(zhí)行需求被拒絕的理由信息，我們可以根據(jù)實際的情況，面向不同的任務(wù)需求進行動態(tài)調(diào)整和沖突消解，實現(xiàn)需求滿足的最大化，確保任務(wù)的有效執(zhí)行。

由于敏捷衛(wèi)星有較寬的可見時間窗口，具備進行動態(tài)調(diào)整的空間，我們在敏捷衛(wèi)星需求籌劃系統(tǒng)軟件中設(shè)計了一個模塊，基于滑動塊的方式來對沖突需求集進行可視化的動態(tài)調(diào)整，以消除存在的需求沖突。如圖4所示，有一組存在沖突的需求集合，在動態(tài)調(diào)整之前，只安排了需求2作為可執(zhí)行需求，需求1和3由于與需求2沖突，不能被安排執(zhí)行。界面上滑塊代表執(zhí)行該需求所需要的時間范圍，滑塊滑動的窗口代表該需求對應(yīng)的可見時間窗口，我們通過在界面上拖動滑動塊，使得在時間軸上存在重疊的滑動塊分開，并留有一定的時間間隔，然后再進行約束校驗分析，判斷時間間隔能否滿足敏捷衛(wèi)星的姿態(tài)機動時間，從而確認經(jīng)過動態(tài)調(diào)整后，存在沖突的需求是否都能被滿足。圖中的3個沖突需求經(jīng)過動態(tài)調(diào)整后都能執(zhí)行了。

圖4　基于滑動塊的動態(tài)調(diào)整示意圖Fig.4 Diagram of dynamic regulation based on sliding blocks

針對特殊的幾種工作模式，需要對其分解后的多個基本觀測需求籌劃結(jié)果進行統(tǒng)一分析評估，區(qū)域成像需求需要分析其成像條帶對于該目標區(qū)域的覆蓋程度是否能滿足用戶要求，立體成像和動態(tài)監(jiān)視需求需要評估受理通過的可執(zhí)行基本觀測需求數(shù)目是否滿足要求，如不滿足，要么通過調(diào)整滿足整個需求的執(zhí)行，要么整個需求所包含的所有基本觀測需求都不執(zhí)行。

最后經(jīng)過分析調(diào)整后，輸出最終的籌劃解決方案。

5　應(yīng)用實例

敏捷成像衛(wèi)星需求籌劃系統(tǒng)以Microsoft公司的Visual Studio.Net 2008作為開發(fā)環(huán)境，以C#作為開發(fā)語言，系統(tǒng)運行環(huán)境為Windows 7，系統(tǒng)軟件包含了需求預(yù)處理、需求籌劃和動態(tài)調(diào)整3個主要功能模塊。

用戶輸入需求籌劃所用的各類信息，包括需求目標經(jīng)緯度坐標、工作模式、觀測次數(shù)、單次觀測時長等，敏捷衛(wèi)星的軌道參數(shù)、平臺性能參數(shù)、各類約束條件等以配置文件的形式進行存儲，用戶可以根據(jù)需要進行設(shè)置維護。通過預(yù)處理、需求籌劃和動態(tài)調(diào)整，最后輸出可執(zhí)行的需求列表及執(zhí)行觀測的開始結(jié)束時間。

圖5為敏捷衛(wèi)星需求籌劃系統(tǒng)的處理界面示意圖。表2給出了一組待籌劃的需求示例，包含了20個觀測需求，涵蓋了點目標成像、區(qū)域成像、立體成像、動態(tài)監(jiān)視等工作模式。該實例中，采用的敏捷衛(wèi)星相關(guān)參數(shù)和軌道根數(shù)與GeoEye-1衛(wèi)星相同（見表1），衛(wèi)星單次成像時長至少為5 s。由各個需求對應(yīng)地面目標的衛(wèi)星過頂時間可以看出，不少需求之間的時間間隔很短，觀測時間上存在沖突。表3和表4分別給出了在動態(tài)調(diào)整之前和之后的需求安排情況，如果不進行姿態(tài)調(diào)整，僅按照過頂時刻來觀測，這組需求里只能安排完成約一半的需求；而通過敏捷衛(wèi)星需求籌劃系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)整與沖突消解，這組需求全部都能安排執(zhí)行。

圖5　需求籌劃系統(tǒng)界面Fig.5 Interface of requirements planning system

表2　敏捷衛(wèi)星需求籌劃示例Tab.2 Example of agile satellites requirements planning

表3　動態(tài)調(diào)整前的任務(wù)需求安排情況表Tab.3 Requirements arrangement before dynamic adjustment

表4　動態(tài)調(diào)整后的任務(wù)需求安排情況表Tab.4 Requirements arrangement after dynamic adjustment

6　結(jié)束語

敏捷成像衛(wèi)星是一類具有大范圍、快速機動能力的對地觀測衛(wèi)星，它的出現(xiàn)大大增加了地面目標的可觀測機會，使得對地觀測衛(wèi)星的觀測能力和使用效率得到進一步提升。雖然敏捷成像衛(wèi)星具有很強的對地觀測能力，但其觀測能力的充分發(fā)揮和應(yīng)用效益的最大化則取決于合理先進的地面需求籌劃系統(tǒng)。本文基于工程應(yīng)用的實際情況，建立了一套相應(yīng)的需求籌劃系統(tǒng)流程，有效地提高了敏捷衛(wèi)星的需求籌劃效益。未來敏捷衛(wèi)星平臺能力還會進一步提升，其需求籌劃的難度也會越來越大，星上自主籌劃也將會是一個重要的發(fā)展方向，因此我們需要對敏捷成像衛(wèi)星的需求籌劃系統(tǒng)進行更加深入的研究和開發(fā)，真正實現(xiàn)籌劃系統(tǒng)的智能化、綜合化。

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祝 佳（1984—），男，四川樂山人，2012年于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲博士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要從事衛(wèi)星應(yīng)用地面系統(tǒng)技術(shù)研究工作；

ZHU Jia was born in Leshan，Sichuan Province，in 1984.He received the Ph.D.degree from University of Science and Technology of China in 2012.He is now an engineer.His research concerns satellite application technology.

Email∶zhujiaustc@163.com

陶 峰（1966—），男，安徽無為人，高級工程師，主要從事無線電測量技術(shù)與航天測控站總體設(shè)計工作。

TAO Feng was born in Wuwei，Anhui Province，in 1966. He is now a senior engineer.His research concerns radio measurement and overall design of TT&C station.

Application Discussion on Agile Satellite Requirements Planning System

ZHU Jia1，TAO Feng2
（1.Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China；2.State Key Laboratory of Astronautic Dynamic，Xi＇an Satellite Control Center，Xi'an 710043，China）

∶As a class of earth observing satellites with capability of large-scale and rapid attitude maneuver，agile satellites have improved the efficiency of satellite observations.Meanwhile they also make the planning and dispatching of satellite requirements become more complex and difficult and bring a new challenge for satellite requirements planning technology.According to the variety of special work modes of agile satellite，the technical features and constraint condition of agile satellite requirements planning are analyzed.In consideration of the actual situation of engineering applications，an agile satellites ground requirements planning system based on complex requirements decomposition and dynamic planning and adjustment is set up.According to the actual application requirements，an application example of agile satellite requirements planning system is also introduced.Finally，the prospect of future agile satellite requirements planning technology is described.

∶agile satellite；requirements planning；earth observation；application discussion

TN80；TP399

A

1001-893X（2016）05-0508-09

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.05.007

祝佳，陶峰.敏捷成像衛(wèi)星需求籌劃系統(tǒng)應(yīng)用探析［J］.電訊技術(shù)，2015，56（5）∶508-516.［ZHU Jia，TAO Feng.Application discussion on agile satellite requirements planning system［J］.Telecommunication Engineering，2016，56（5）∶508-516.］

2015-12-24；

2016-04-05Received date：2015-12-24；Revised date：2016-04-05

**通訊作者：zhujiaustc@163.comCorresponding author：zhujiaustc@163.com