甘 嵐,龔勝平
(清華大學(xué)航天航空學(xué)院,北京 100084)
對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星在環(huán)境、氣象、災(zāi)害監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域長(zhǎng)期發(fā)揮著重要作用。為了完成空間任務(wù),常常由多顆衛(wèi)星組成一個(gè)空間系統(tǒng),即衛(wèi)星星座[1]。在覆蓋全球的對(duì)地觀測(cè)任務(wù)中,多顆對(duì)地觀測(cè)星協(xié)同的方式能夠大大縮短觀測(cè)重訪時(shí)間;同時(shí)若能充分利用衛(wèi)星的軌道能力,星座的觀測(cè)能力將得到更大提高。隨著技術(shù)不斷發(fā)展,越來(lái)越多具備更強(qiáng)的軌道機(jī)動(dòng)能力的新型衛(wèi)星投入使用,研究其組成的機(jī)動(dòng)衛(wèi)星星座的對(duì)地觀測(cè)任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題,成為越來(lái)越迫切的需求。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者在航天器對(duì)地觀測(cè)及任務(wù)規(guī)劃方面進(jìn)行了廣泛研究。文獻(xiàn)[2]中提出的方法能夠?qū)δ繕?biāo)可見(jiàn)性進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的計(jì)算。文獻(xiàn)[3]根據(jù)星下點(diǎn)軌跡與區(qū)域目標(biāo)的位置關(guān)系,提出了一種區(qū)域目標(biāo)的條帶劃分方法。文獻(xiàn)[4]對(duì)深空探測(cè)航天器的任務(wù)規(guī)劃方法進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[5]對(duì)航天器自主任務(wù)規(guī)劃修復(fù)方法進(jìn)行了分類闡述。衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題已被證明為NP-hard問(wèn)題[6]?;谠搯?wèn)題,文獻(xiàn)[7]等對(duì)三類主要的規(guī)劃算法進(jìn)行了比較:確定性算法由于本身限制,雖然能解決小規(guī)模問(wèn)題,但是在多星任務(wù)規(guī)劃等大規(guī)模問(wèn)題上,啟發(fā)式算法和智能搜索算法更加有效。文獻(xiàn)[8]提出了一種基于指示的啟發(fā)式算法(IBMOLS),然而其僅適用于單星任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題,任務(wù)規(guī)模較小。隨著對(duì)地成像任務(wù)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)復(fù)雜成像任務(wù)規(guī)劃算法進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[9]研究了可見(jiàn)光和SAR衛(wèi)星的聯(lián)合任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題,將其歸約為車輛裝卸問(wèn)題,并提出了一種啟發(fā)式搜索任務(wù)規(guī)劃算法(HADPPEC)。文獻(xiàn)[10]針對(duì)多星對(duì)區(qū)域目標(biāo)的觀測(cè)任務(wù)(SAP問(wèn)題),將任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題建模為集合覆蓋問(wèn)題,并利用啟發(fā)式算法進(jìn)行求解。文獻(xiàn)[11]對(duì)點(diǎn)目標(biāo)的成像任務(wù)規(guī)劃進(jìn)行了研究,對(duì)比了模擬退火算法、爬山法和遺傳算法的特點(diǎn)。文獻(xiàn)[12]將單個(gè)空間任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題轉(zhuǎn)化為多個(gè)子問(wèn)題,利用單機(jī)調(diào)度模型,通過(guò)求解這些子問(wèn)題完成衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃。文獻(xiàn)[13]提出了一種混合遺傳算法,通過(guò)在模擬退火算法的基礎(chǔ)上與遺傳算法進(jìn)行結(jié)合,相對(duì)于單純的模擬退火算法結(jié)果更優(yōu)。文獻(xiàn)[14]針對(duì)遺傳算法只能進(jìn)行全局優(yōu)化的特點(diǎn),在種群規(guī)模發(fā)生改變時(shí)適當(dāng)?shù)厍袚Q為局部?jī)?yōu)化,從而提出了一種新的改進(jìn)遺傳算法。文獻(xiàn)[15]在移動(dòng)目標(biāo)成像偵測(cè)任務(wù)中使用了另一種改進(jìn)遺傳算法。
現(xiàn)有研究主要針對(duì)單星或多星協(xié)同任務(wù),討論了不同的啟發(fā)式算法和智能搜索算法的優(yōu)勢(shì),但是缺少考慮衛(wèi)星進(jìn)行變軌的情況。本文針對(duì)機(jī)動(dòng)衛(wèi)星星座對(duì)多區(qū)域目標(biāo)的成像任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題,首先給出相關(guān)約束及優(yōu)化指標(biāo);然后,提出單星單目標(biāo)觀測(cè)方法,給出目標(biāo)可見(jiàn)性及衛(wèi)星變軌策略;接著,通過(guò)條帶劃分將區(qū)域目標(biāo)觀測(cè)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為點(diǎn)目標(biāo)觀測(cè)問(wèn)題,建立優(yōu)化問(wèn)題模型并給出條帶觀測(cè)策略,利用遺傳算法優(yōu)化星座對(duì)多區(qū)域目標(biāo)的觀測(cè)總面積;最后,通過(guò)仿真算例驗(yàn)證算法的可行性和優(yōu)化效果。
本文針對(duì)特定的星座構(gòu)型及成像條件,相關(guān)約束包括:
1)衛(wèi)星星座由n顆太陽(yáng)同步圓軌道衛(wèi)星組成,共有m個(gè)隨機(jī)分布的區(qū)域目標(biāo);
2)僅考慮地球J2攝動(dòng)下的引力場(chǎng)模型;
3)衛(wèi)星采用脈沖方式變軌,單顆衛(wèi)星存在最大總速度增量約束,即速度增量Δv需滿足:
∑Δv≤Δvmax
(1)
4)衛(wèi)星變軌后存在返回構(gòu)型最大時(shí)長(zhǎng)約束,即返回構(gòu)型時(shí)間tre需滿足:
tre≤tre_max
(2)
5)衛(wèi)星上搭載載荷為光學(xué)相機(jī),觀測(cè)任務(wù)存在光照約束,即太陽(yáng)高度角αh需滿足:
αh>0
(3)
6)衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)存在最大姿態(tài)機(jī)動(dòng)角約束,即姿態(tài)機(jī)動(dòng)角αobs需滿足:
αobs≤αobs_max
(4)
7)衛(wèi)星變軌存在最小近地點(diǎn)高度約束,即近地點(diǎn)高度hperigee需滿足:
hperigee (5) 8)由于星座已經(jīng)具備全球絕大部分區(qū)域的成像能力,考慮到工程實(shí)際,每顆衛(wèi)星最多執(zhí)行一次變軌策略,變軌序列x需滿足: x={s1,s2,…,sn} (6) 式中:si代表第i顆衛(wèi)星的變軌策略。 考慮到工程實(shí)際,短時(shí)間(如24 h)內(nèi)衛(wèi)星星座很難實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。在衛(wèi)星星座對(duì)多區(qū)域目標(biāo)成像任務(wù)規(guī)劃過(guò)程中,通過(guò)變軌使衛(wèi)星觀測(cè)到盡可能大的區(qū)域目標(biāo)面積J。該問(wèn)題可以表示為如下優(yōu)化模型: (7) 式中:x為優(yōu)化變量,代表星座的變軌序列;優(yōu)化的性能指標(biāo)為最大化觀測(cè)總面積。 在討論多區(qū)域目標(biāo)的任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題前,提出單星單目標(biāo)觀測(cè)方法:結(jié)合解析和數(shù)值方法,完成點(diǎn)目標(biāo)可見(jiàn)性分析;對(duì)于不可見(jiàn)的目標(biāo),給出變軌策略。單星單目標(biāo)觀測(cè)方法在文獻(xiàn)[16]中進(jìn)行了詳細(xì)闡述,這里只對(duì)必要的條件和內(nèi)容進(jìn)行介紹,其余不再贅述。 建立如圖1所示地心慣性坐標(biāo)系:X軸由地心指向軌道升交點(diǎn),Z軸沿地軸指向北極,Y軸構(gòu)成右手正交系。 圖1 解析方法地心慣性坐標(biāo)系 圖1中,S,T分別為衛(wèi)星、目標(biāo)初始時(shí)刻的位置。衛(wèi)星在軌道平面內(nèi)運(yùn)行,目標(biāo)則隨地球自轉(zhuǎn)沿所在緯線圈運(yùn)行??紤]一種特殊情況:若當(dāng)目標(biāo)運(yùn)行到軌道平面內(nèi)T′位置時(shí),衛(wèi)星恰好運(yùn)行到目標(biāo)正上方S′處,即能夠?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行直接觀測(cè)。 在二體模型下,將目標(biāo)所在緯線圈方程與衛(wèi)星軌道平面方程聯(lián)立求解,得到T′的坐標(biāo)及目標(biāo)由T運(yùn)動(dòng)到T′繞Z軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度θTT′。在此基礎(chǔ)上,考慮J2攝動(dòng)帶來(lái)的衛(wèi)星升交點(diǎn)赤經(jīng)Ω隨時(shí)間的長(zhǎng)期變化,可以求得目標(biāo)隨地球自轉(zhuǎn)到達(dá)該點(diǎn)的時(shí)間t′T為: (8) 由于衛(wèi)星最大姿態(tài)機(jī)動(dòng)角約束,當(dāng)衛(wèi)星處于S′時(shí),衛(wèi)星存在一個(gè)可觀測(cè)范圍,其邊界點(diǎn)分別為T(mén)″,T?。以其中一個(gè)邊界點(diǎn)T″為例,目標(biāo)隨地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到T″的時(shí)間為t″T,由T″運(yùn)動(dòng)到T′的時(shí)間為tT′T″,如圖2所示。 圖2 衛(wèi)星與目標(biāo)位置關(guān)系 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)到成像點(diǎn)S′的時(shí)間tS′為 tS′=t1+nS′T1 (9) 式中:t1為衛(wèi)星從S起第一次經(jīng)過(guò)S′的時(shí)間;nS′為自然數(shù),代表衛(wèi)星第一次到達(dá)S′后轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù);T1為衛(wèi)星運(yùn)行軌道周期。 在考慮J2攝動(dòng)的情況下,T1的計(jì)算表達(dá)式為 (10) 對(duì)于一般的情況,目標(biāo)和衛(wèi)星運(yùn)行總會(huì)存在一個(gè)時(shí)間差Δt: Δt=tS′-tT′ (11) 即當(dāng)衛(wèi)星運(yùn)行到S′時(shí),目標(biāo)并不能恰好處于T′。當(dāng)衛(wèi)星運(yùn)行到成像點(diǎn)S′點(diǎn)時(shí),如果目標(biāo)運(yùn)行到邊界點(diǎn)T″、T?之間,則認(rèn)為目標(biāo)可見(jiàn);否則目標(biāo)不可見(jiàn),需要進(jìn)行變軌,使衛(wèi)星到達(dá)成像點(diǎn)S′的時(shí)間提前或推遲,從而滿足觀測(cè)條件。那么,可以得到目標(biāo)是否可見(jiàn)的判定條件為 |Δt|≤tT′T″ (12) 如表1所示,目標(biāo)的可見(jiàn)性可以具體分為四種情況。 表1 目標(biāo)可見(jiàn)條件及可見(jiàn)性 在上述解析法的基礎(chǔ)上,考慮太陽(yáng)高度角[17]、地心角、衛(wèi)星最大姿態(tài)機(jī)動(dòng)角度等約束,通過(guò)數(shù)值方法在ts′時(shí)刻附近一定時(shí)段內(nèi)計(jì)算目標(biāo)可見(jiàn)性,可以精確獲得目標(biāo)的可見(jiàn)時(shí)段。 在衛(wèi)星的變軌策略中,主要采用向前、向后相位機(jī)動(dòng)組合的方式進(jìn)行衛(wèi)星的軌道機(jī)動(dòng),以完成對(duì)不可見(jiàn)目標(biāo)的觀測(cè)及觀測(cè)完成后返回原構(gòu)型。 需要注意的是,在變軌時(shí)衛(wèi)星在過(guò)渡軌道運(yùn)行一圈;返回構(gòu)型時(shí),則通過(guò)在過(guò)渡軌道運(yùn)行盡可能多的圈數(shù)以節(jié)省燃料。在進(jìn)行相位機(jī)動(dòng)前,需保證衛(wèi)星有足夠的燃料。對(duì)于同一目標(biāo),衛(wèi)星的變軌策略是唯一確定的。 對(duì)于單個(gè)區(qū)域目標(biāo),考慮以平行于衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡、等幅寬間隔的多條分割線,將區(qū)域目標(biāo)劃分為多個(gè)條帶[3]。對(duì)第j個(gè)區(qū)域目標(biāo),將其分別劃分為lj個(gè)條帶,并按順序編號(hào)。 對(duì)任意一顆衛(wèi)星,如果相鄰兩條分割線與區(qū)域目標(biāo)上界的交點(diǎn)可見(jiàn),那么其間所夾的條帶可見(jiàn)。這樣,將衛(wèi)星對(duì)于區(qū)域目標(biāo)的觀測(cè)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為衛(wèi)星對(duì)點(diǎn)目標(biāo)的觀測(cè)問(wèn)題。從而可以利用單星單目標(biāo)觀測(cè)方法,得到星座對(duì)于區(qū)域目標(biāo)各條帶的可見(jiàn)性。對(duì)于星座各衛(wèi)星,第j個(gè)區(qū)域目標(biāo)中各條帶的可見(jiàn)性示例如表2所示。 表2 單個(gè)區(qū)域目標(biāo)可見(jiàn)性示例 其中:“1”代表可見(jiàn);“2”代表不可見(jiàn)但滿足變軌約束,衛(wèi)星可以通過(guò)執(zhí)行變軌策略實(shí)現(xiàn)對(duì)該條帶的觀測(cè);“0”代表不可見(jiàn)且不滿足變軌約束。 成像任務(wù)流程可以描述為:首先,衛(wèi)星星座確定衛(wèi)星變軌序列,即各衛(wèi)星分別選擇一個(gè)變軌可見(jiàn)條帶并針對(duì)其進(jìn)行變軌;其次,各衛(wèi)星根據(jù)條帶觀測(cè)策略選擇觀測(cè)條帶;最后,各衛(wèi)星根據(jù)返回構(gòu)型策略返回構(gòu)型。在此基礎(chǔ)上,將式(7)改寫(xiě),建立如下優(yōu)化問(wèn)題模型: (13) P(x)={pijk} (14) (15) 式中:i為衛(wèi)星編號(hào),j為目標(biāo)編號(hào),k為條帶編號(hào);wjk表示條帶面積;pijk表示條帶可見(jiàn)性,可見(jiàn)時(shí)其值為1,否則為0;qijk表示衛(wèi)星是否觀測(cè)該條帶,觀測(cè)則其值為1,否則為0;P(x)為條帶可見(jiàn)性集合,由衛(wèi)星變軌序列x決定;變軌策略si用各衛(wèi)星變軌可見(jiàn)條帶表示,其對(duì)應(yīng)的變軌策略唯一確定。x為優(yōu)化變量,其可行域?yàn)閤∈Vseq,且Vseq為變軌序列集合。優(yōu)化的性能指標(biāo)為最大化觀測(cè)總面積J。 在x確定的情況下,衛(wèi)星在對(duì)區(qū)域目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)過(guò)程中,需要從條帶可見(jiàn)性集合P(x)中選擇可見(jiàn)條帶進(jìn)行觀測(cè)。因此,為使星座觀測(cè)總面積J最大,需要分析衛(wèi)星的條帶觀測(cè)策略,即在式(13)中pijk確定的情況下,給出適當(dāng)?shù)膓ijk。 當(dāng)區(qū)域目標(biāo)數(shù)超過(guò)一定數(shù)量時(shí),各衛(wèi)星的變軌可見(jiàn)條帶集Smaneuver規(guī)模變大,任務(wù)規(guī)劃變軌序列集合Vseq規(guī)模也將隨之變得異常龐大。遺傳算法(Genetic algorithm, GA)[18]起源于對(duì)生物系統(tǒng)所進(jìn)行的計(jì)算機(jī)模擬研究。其本質(zhì)是一種并行、高效、全局搜索的方法。在Vseq中進(jìn)行變軌序列搜索時(shí),遺傳算法相比傳統(tǒng)搜索方法更加有效。 基因組用來(lái)表示每一顆衛(wèi)星的變軌策略,采用整數(shù)編碼方式。每個(gè)基因組編碼為2位碼,包括目標(biāo)編號(hào)、條帶編號(hào),可由以下2元組表示: si=[τi,λi] (16) 染色體用來(lái)表示變軌序列x,由n個(gè)基因組組成,每個(gè)基因組編號(hào)和衛(wèi)星編號(hào)一一對(duì)應(yīng),如圖3所示。 圖3 變軌序列 遺傳算法中的適應(yīng)性為觀測(cè)總面積J,其計(jì)算方法為:對(duì)于一條確定的染色體,各衛(wèi)星針對(duì)相應(yīng)基因組中的條帶進(jìn)行變軌,得到變軌后的條帶可見(jiàn)性集合P(x);隨后確定衛(wèi)星的條帶觀測(cè)策略,從而得到觀測(cè)總面積J。 遺傳算法執(zhí)行過(guò)程如下: 步驟1 設(shè)定初始種群的大小、自然選擇率、變異概率、遺傳代數(shù)。 步驟2 根據(jù)初始種群的大小,隨機(jī)選擇滿足變軌約束的區(qū)域目標(biāo)及條帶,組成初始種群。 步驟3 對(duì)種群中的每一條變軌序列,計(jì)算其適應(yīng)性。 步驟4 進(jìn)行自然選擇、交叉、變異。自然選擇采用錦標(biāo)賽選擇方法;交叉、變異的對(duì)象均為基因組,交叉方法采用PMX(Partial-mapped crossover)方法;變異方法采用隨機(jī)變異方法,若發(fā)生變異,則從該基因組對(duì)應(yīng)衛(wèi)星變軌可見(jiàn)條帶集Smaneuver中隨機(jī)選擇。 步驟5 重復(fù)步驟3~4直至滿足遺傳代數(shù)要求,輸出結(jié)果個(gè)體,即為優(yōu)化的變軌序列。 由于遺傳算法中遺傳代數(shù)及種群大小為常數(shù),其時(shí)間復(fù)雜度為常數(shù)型;選擇觀測(cè)條帶時(shí),由于條帶觀測(cè)策略確定且與衛(wèi)星數(shù)量相關(guān),其時(shí)間復(fù)雜度為線性型,故本算法時(shí)間復(fù)雜度為線性型,能夠快速地完成變軌序列搜索。 本文對(duì)多區(qū)域目標(biāo)成像任務(wù)規(guī)劃方法選取算例進(jìn)行仿真。相關(guān)約束為:?jiǎn)晤w衛(wèi)星最大總速度增量為700 m/s,最大姿態(tài)機(jī)動(dòng)角為30°,衛(wèi)星變軌最小近地點(diǎn)高度為250 km,返回構(gòu)型最大時(shí)長(zhǎng)為12 h。仿真環(huán)境為3.6 GHz CPU的計(jì)算機(jī),編程語(yǔ)言為MATLAB語(yǔ)言。仿真起始、結(jié)束時(shí)刻分別為 2018-11-07 04∶00∶00(UTCG)、2018-11-08 04∶00∶00(UTCG),仿真時(shí)間為24 h。數(shù)值方法積分輸出步長(zhǎng)設(shè)置為1 s,如有更高精度要求可以將步長(zhǎng)設(shè)置為更短。 星座由均勻分布在3個(gè)太陽(yáng)同步圓軌道上的共9顆衛(wèi)星組成。軌道高度均為500.0 km,傾角為97.4065°,其余軌道根數(shù)如表3所示。 表3 衛(wèi)星部分軌道根數(shù) 為便于展示結(jié)果,由3個(gè)區(qū)域目標(biāo)組成目標(biāo)集,如表4所示。 表4 區(qū)域目標(biāo)參數(shù) 3個(gè)目標(biāo)依次被劃分為21、17、17個(gè)條帶。可見(jiàn)條帶集Svisible規(guī)模如表5所示。 表5 可見(jiàn)條帶集規(guī)模 此時(shí),條帶觀測(cè)策略集規(guī)模非常龐大,難以用遍歷的方法搜索最優(yōu)條帶觀測(cè)策略。為了對(duì)本算法給出的條帶觀測(cè)策略進(jìn)行校驗(yàn),在僅考慮目標(biāo)1、2的情況下,利用遍歷方法求得條帶觀測(cè)策略總數(shù)為9.05×107,最優(yōu)解對(duì)應(yīng)的最大觀測(cè)總面積為3.88×1011m2,耗時(shí)1080.84 s;利用本算法得到的策略與最優(yōu)解相同,僅耗時(shí)0.23 s。在給出的條帶觀測(cè)策略接近甚至等于最優(yōu)解的情況下,本算法極大提高了效率。 分析變軌序列集合Vseq的規(guī)模,變軌序列數(shù)達(dá)到1.13×109。由于遍歷1000個(gè)序列耗時(shí)約1.25 s,若對(duì)Vseq進(jìn)行遍歷,估計(jì)耗時(shí)392.4 h。利用遺傳算法在策略集中搜索變軌序列,初始種群大小為100,自然選擇率為50%,變異概率10%,經(jīng)過(guò)200代自然選擇后得到最終的變軌序列。遺傳算法耗時(shí)23.00 s,最終規(guī)劃結(jié)果如表6所示。 表6 規(guī)劃結(jié)果對(duì)比 由表6可知,進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃后,觀測(cè)到的區(qū)域目標(biāo)總面積提升約21.02%,所有衛(wèi)星可見(jiàn)條帶總數(shù)提升約26.20%。在計(jì)算規(guī)模上,遺傳算法每代只需對(duì)100個(gè)變軌序列進(jìn)行操作;同時(shí),每一代50%的種群都被保存到下一代種群中,從而減小了計(jì)算規(guī)模。本算法同樣適用于更多區(qū)域目標(biāo),且隨著目標(biāo)數(shù)目增多、總策略集規(guī)模擴(kuò)大,本算法的效率優(yōu)勢(shì)更明顯。 本文提出了一種機(jī)動(dòng)衛(wèi)星星座對(duì)多區(qū)域目標(biāo)的任務(wù)規(guī)劃算法。在單星單目標(biāo)觀測(cè)方法的基礎(chǔ)上,通過(guò)條帶劃分,將區(qū)域目標(biāo)觀測(cè)問(wèn)題進(jìn)行轉(zhuǎn)化,從而建立規(guī)劃問(wèn)題優(yōu)化模型,將任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題轉(zhuǎn)化為序列優(yōu)化問(wèn)題。條帶觀測(cè)策略快速可行,遺傳算法的優(yōu)化效率高,星座觀測(cè)能力得到顯著提升。仿真結(jié)果表明,任務(wù)規(guī)劃算法使可見(jiàn)條帶總數(shù)提升約26.20%,觀測(cè)總面積提升約21.02%。2 單星單目標(biāo)觀測(cè)方法
2.1 可見(jiàn)性分析
2.2 變軌策略
3 區(qū)域目標(biāo)任務(wù)規(guī)劃
3.1 區(qū)域目標(biāo)條帶劃分
3.2 優(yōu)化問(wèn)題模型
3.3 條帶觀測(cè)策略
3.4 變軌序列搜索
4 仿真校驗(yàn)
5 結(jié) 論