探討基于遙感衛(wèi)星星座的任務(wù)規(guī)劃方法

張棟

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

0 引言

隨著我國衛(wèi)星星座技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用，遙感衛(wèi)星星座的任務(wù)規(guī)劃，成為當(dāng)前國內(nèi)重要的研究議題，遙感衛(wèi)星星座具有覆蓋范圍廣、重訪時(shí)間短、時(shí)間分辨率低等特點(diǎn)，因此，開展衛(wèi)星星座任務(wù)規(guī)劃成為行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。一方面，遙感衛(wèi)星星座的科研工作，需要借助多種科學(xué)研究技術(shù)以及研究手段進(jìn)行實(shí)施和開展，另一方面，針對(duì)遙感衛(wèi)星星座的任務(wù)規(guī)劃，以設(shè)定為單目標(biāo)以及多目標(biāo)的方式進(jìn)行研究，能夠快速解決衛(wèi)星星座任務(wù)規(guī)劃中的問題。

1 遙感衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃預(yù)處理技術(shù)以及規(guī)劃模型

1.1 遙感衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃預(yù)處理技術(shù)

遙感衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃預(yù)處理技術(shù)，主要是根據(jù)用戶的實(shí)際需求以及衛(wèi)星本身能力進(jìn)行分析和研究，將用戶的復(fù)雜任務(wù)結(jié)合多種衛(wèi)星能力進(jìn)行分解，進(jìn)行規(guī)劃實(shí)施的應(yīng)用技術(shù)。我國著名教授賀人杰教授在該領(lǐng)域中提出一系列的理論和創(chuàng)新，尤其是對(duì)于偏移參數(shù)的有效引入，將分解條帶進(jìn)行相互重疊，從而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星資源有效利用，規(guī)避了美國科學(xué)家Walton J等無法解決的技術(shù)問題。同時(shí)，中國科學(xué)家白保存教授，在其博士論文中，利用動(dòng)態(tài)分解措施，對(duì)目標(biāo)區(qū)域按照觀測(cè)機(jī)會(huì)進(jìn)行技術(shù)分析，改變了傳統(tǒng)理念中，先分解的技術(shù)流程，而是根據(jù)任務(wù)規(guī)劃的結(jié)果來確定分解結(jié)果，為任務(wù)預(yù)處理技術(shù)提供了新的思路[1]。

該理念的提出，將衛(wèi)星和遙感載荷等一系列內(nèi)容進(jìn)行有效的整合和梳理，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜任務(wù)的有效規(guī)劃和實(shí)施。不僅如此，我國科學(xué)家再接再厲，以甘嵐[1]教授為代表的科研學(xué)者，根據(jù)MapX軟件的目標(biāo)動(dòng)態(tài)分解方法，提高了衛(wèi)星成像的快速響應(yīng)能力，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)任務(wù)規(guī)劃問題模型的有效增加，提升了問題模型的應(yīng)用范圍，助力相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步提升和改善。

1.2 遙感衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃模型

遙感衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃模型，主要分為圖論模型、線性整數(shù)規(guī)劃模型以及背包模型、約束模型等。以圖論模型為例，任何一種模型的應(yīng)用，都可能在某一種角度中，顯現(xiàn)出衛(wèi)星成像中的約束問題，同時(shí)表明在相關(guān)約束中，不同規(guī)劃模型計(jì)算的數(shù)據(jù)存在一定的差異和影響。因此，在進(jìn)行各項(xiàng)規(guī)劃模型的研究過程中，需要進(jìn)一步強(qiáng)化模型的適用范圍以及應(yīng)用價(jià)值。我國著名科學(xué)家龔勝平[2]教授在進(jìn)行成像綜合任務(wù)規(guī)劃的模型創(chuàng)建問題中，有效驗(yàn)證了任務(wù)規(guī)劃過程中的性能。另外，王軍民博士針對(duì)遙感衛(wèi)星中規(guī)劃過程中產(chǎn)生的不確定條件，進(jìn)行魯棒性的模型調(diào)度，結(jié)合國內(nèi)多個(gè)學(xué)者的技術(shù)研發(fā)和實(shí)用研究，進(jìn)一步提升模型的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用實(shí)效。

2 遙感衛(wèi)星星座任務(wù)規(guī)劃分析

2.1 遙感衛(wèi)星星座任務(wù)規(guī)劃的主要流程

遙感衛(wèi)星星座任務(wù)規(guī)劃的主要流程和單個(gè)遙感衛(wèi)星的任務(wù)規(guī)劃，存在一定的共同性，其主要流程為，將對(duì)應(yīng)的任務(wù)信息進(jìn)行分析，任務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，利用規(guī)劃算法的自動(dòng)化水平，設(shè)置相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，多次迭代結(jié)果集，提升對(duì)應(yīng)的結(jié)果評(píng)價(jià)，最終對(duì)任務(wù)的完成情況進(jìn)行分析和驗(yàn)證。遙感衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃的主要處理要素包括，衛(wèi)星資源、數(shù)傳資源、測(cè)控資源三種資源。遙感衛(wèi)星星座任務(wù)規(guī)劃環(huán)節(jié)，是地面管控的核心內(nèi)容，包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、任務(wù)建模以及優(yōu)化算法分析三個(gè)流程。由于用戶在提交任務(wù)時(shí)，基本不會(huì)指定相關(guān)任務(wù)的資源，導(dǎo)致在固定周期內(nèi)無法實(shí)現(xiàn)任務(wù)與遙感衛(wèi)星星等相關(guān)內(nèi)容的有效關(guān)聯(lián)。因此，在進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃前，務(wù)必要將用戶的各項(xiàng)任務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分解和判斷。將任務(wù)分解后，需要在有效周期內(nèi)，確保所有任務(wù)能夠被載荷成像范圍覆蓋，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)任務(wù)有效拍攝。不僅如此，在應(yīng)用過程中，還能夠有效判斷任務(wù)點(diǎn)位與衛(wèi)星圖像關(guān)聯(lián)和影響。在進(jìn)行求解過程中，需要對(duì)優(yōu)化算法結(jié)果進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，確保得到最優(yōu)化分解方案，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的計(jì)算目標(biāo)。通常，模型采用算法以模擬退火算法、遺傳算法以及Dijkstra算法為主，需要根據(jù)用戶提交的任務(wù)類型進(jìn)行數(shù)據(jù)建模，從而選擇合適的算法[2]。

2.2 遙感衛(wèi)星星座成像過程約束分析

成像任務(wù)約束，主要是當(dāng)衛(wèi)星飛行到某一區(qū)域，相關(guān)區(qū)域至少被一個(gè)成像載荷所覆蓋，需要考慮成像任務(wù)能夠按照既定目標(biāo)有效完成。首先，需要考慮任務(wù)的時(shí)效性，同時(shí)考慮任務(wù)無法執(zhí)行時(shí)以及執(zhí)行完畢時(shí)對(duì)應(yīng)的結(jié)果。其次，需要考慮遙感載荷的設(shè)備情況，能夠滿足對(duì)成像任務(wù)的基本要求和分辨率要求。最后，在進(jìn)行光照條件以及氣候條件等問題的分析時(shí)，需要考慮相應(yīng)的云量要求、光照條件是否滿足，從而判定成像任務(wù)的執(zhí)行情況。

對(duì)數(shù)傳載荷數(shù)傳任務(wù)的約束?；诿總€(gè)數(shù)傳載荷安裝的方位角以及俯仰角等進(jìn)行分析，能夠得出數(shù)傳載荷的使用約束，尤其是當(dāng)衛(wèi)星與中繼星建鏈存在遮擋時(shí)，需要考慮對(duì)應(yīng)的約束條件能否滿足要求。對(duì)地面數(shù)傳任務(wù)的約束，需要考慮地域限制對(duì)天地建鏈的實(shí)際影響。當(dāng)遙感衛(wèi)星運(yùn)行到地面站上空時(shí)，需要考慮地面能否跟蹤接收的約束條件。

2.3 遙感衛(wèi)星星座單目標(biāo)任務(wù)規(guī)劃

遙感衛(wèi)星星座單目標(biāo)任務(wù)規(guī)劃，包括基于遙感衛(wèi)星星座任務(wù)規(guī)劃的圖論模型，基于SA算法單目標(biāo)任務(wù)規(guī)劃，基于遺傳算法的單目標(biāo)任務(wù)規(guī)劃仿真以及基于數(shù)學(xué)規(guī)劃模型的單目標(biāo)任務(wù)規(guī)劃。遙感衛(wèi)星星座在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，需要變換對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并將存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)按照一定規(guī)則進(jìn)行存儲(chǔ)。將每個(gè)成像段對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)文件，按照不同應(yīng)對(duì)方式進(jìn)行選擇，依次建立圖論模型。根據(jù)分段方式以及圖論模型的創(chuàng)建流程，強(qiáng)化對(duì)數(shù)據(jù)信息的分析和研究。例如，在數(shù)據(jù)下載過程中，需要選擇不同的星載存儲(chǔ)器進(jìn)行任務(wù)數(shù)據(jù)的下傳，并確保數(shù)據(jù)延遲時(shí)間在可控范圍內(nèi)。對(duì)應(yīng)重要程度更高的任務(wù)，優(yōu)先采用實(shí)傳模式，成像任務(wù)對(duì)比其他環(huán)境下的任務(wù)，時(shí)效性更加顯著。在規(guī)劃過程中，需要考慮重要性、優(yōu)先性原則，要結(jié)合星載存儲(chǔ)器的容量以及遙感載荷記錄速率等一系列數(shù)據(jù)，綜合考量星載存儲(chǔ)器的利用效率。

基于圖論的思想和理念，使用改進(jìn)后的SA算法進(jìn)行目標(biāo)的任務(wù)規(guī)劃，根據(jù)安排任務(wù)的執(zhí)行情況驗(yàn)證算法的實(shí)踐效果。改進(jìn)后的SA算法能夠?qū)文繕?biāo)任務(wù)進(jìn)行科學(xué)管理，尤其是對(duì)應(yīng)的決策矢量函數(shù)以及目標(biāo)函數(shù)的映射關(guān)系，根據(jù)對(duì)應(yīng)的關(guān)系進(jìn)行分析和研究，結(jié)合計(jì)算機(jī)進(jìn)行梳理和探索，以非支配選擇遺傳算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)單目標(biāo)的有效優(yōu)化，從而提升算法的精準(zhǔn)性和有效性。在進(jìn)行衛(wèi)星成像星座任務(wù)規(guī)劃時(shí)，通過對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)和強(qiáng)化，能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算流程的有效優(yōu)化，尤其是引入精英解的策略過程中，在形成新父代種群前，舊父代和子父代會(huì)合為一體，并進(jìn)行非支配排序以及擁擠度計(jì)算等一系列內(nèi)容。

基于數(shù)學(xué)規(guī)劃模型的單目標(biāo)任務(wù)規(guī)劃仿真，需要建立對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)規(guī)劃模型，同時(shí)對(duì)遙感衛(wèi)星星座的各項(xiàng)變量進(jìn)行研究。通常，成像任務(wù)安排要考慮時(shí)間窗口約束、地面站衛(wèi)星的通信約束、星上能源約束、存儲(chǔ)約束等相關(guān)因素的影響。光遙感器務(wù)必要結(jié)合光照條件和云量等級(jí)進(jìn)行約束分析。成像任務(wù)的云量等級(jí)約束如果沒有達(dá)到相應(yīng)的條件和要求，遙感數(shù)據(jù)后續(xù)處理也會(huì)受很大影響。通過對(duì)單目標(biāo)任務(wù)規(guī)劃進(jìn)行仿真，能夠進(jìn)一步提升模型的創(chuàng)建成效，結(jié)合遺傳算法等計(jì)算方式，明確假定成像任務(wù)的分界點(diǎn)和任務(wù)目標(biāo)。通過對(duì)遙感衛(wèi)星模型在MATLAB環(huán)境的分析和研究，能夠進(jìn)一步提升對(duì)應(yīng)案例和數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)規(guī)劃任務(wù)的有效完成，對(duì)衛(wèi)星的規(guī)劃工作起到一定的助力和支持。

2.4 遙感衛(wèi)星星座基于目標(biāo)區(qū)域的多目標(biāo)任務(wù)規(guī)劃

遙感衛(wèi)星星座基于目標(biāo)區(qū)域的多目標(biāo)任務(wù)規(guī)劃，主要包括區(qū)域目標(biāo)動(dòng)態(tài)分解技術(shù)、NSGA2算法的應(yīng)用以及區(qū)域目標(biāo)分解的多目標(biāo)任務(wù)規(guī)劃仿真。相關(guān)的流程與單目標(biāo)大致相同，但是由于多目標(biāo)的任務(wù)設(shè)定，需要將區(qū)域目標(biāo)的分解狀態(tài)進(jìn)行細(xì)化和研究，對(duì)區(qū)域目標(biāo)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分解，然后結(jié)合NSGA2算法的應(yīng)用，將程序偽代碼以及流程圖進(jìn)行詳細(xì)分析，最終借助數(shù)學(xué)模型的方式，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)任務(wù)規(guī)劃的有效實(shí)施。

2.5 遙感衛(wèi)星星座任務(wù)規(guī)劃的注意事項(xiàng)

遙感衛(wèi)星星座任務(wù)規(guī)劃的注意事項(xiàng)，首先要考慮用戶對(duì)應(yīng)目標(biāo)的要求和內(nèi)容，根據(jù)用戶需求進(jìn)行技術(shù)劃分和技術(shù)研究，同時(shí)針對(duì)數(shù)據(jù)的差異性影響和多種任務(wù)分解模式進(jìn)行梳理和判斷。其次，借助現(xiàn)代化計(jì)算方式，采用數(shù)據(jù)建模以及數(shù)學(xué)函數(shù)的計(jì)算策略，能夠進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性，但是相關(guān)數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)與用戶的任務(wù)需求，存在一定的差異。一方面，相關(guān)計(jì)算過程中，可能存在若干影響因子未能有效采集，導(dǎo)致在實(shí)踐過程中，缺乏有效的措施和方法，另一方面，在實(shí)踐過程中，不少任務(wù)規(guī)劃的數(shù)據(jù)信息，由于環(huán)境因素或者計(jì)算因素等方面的影響，導(dǎo)致相關(guān)數(shù)據(jù)出現(xiàn)一定的偏差。最后，在進(jìn)行星座任務(wù)規(guī)劃時(shí)，由于任務(wù)的分解和實(shí)施，是多方面的影響結(jié)果，需要保障任何一項(xiàng)環(huán)節(jié)的有效性和合理性。不少任務(wù)的規(guī)劃方案與分解策略，未能形成固定的模式和標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)生的規(guī)劃結(jié)果集為綜合方向的較優(yōu)解[3-5]。

3 結(jié)語

綜上所述，通過分析星座能力，探索對(duì)應(yīng)的約束條件，同時(shí)借助圖論模型、數(shù)學(xué)模型，融合遺傳算法和模擬退火算法，提升對(duì)任務(wù)的分解成效，結(jié)合對(duì)應(yīng)的分析技術(shù)，以單目標(biāo)、多目標(biāo)的形式進(jìn)行任務(wù)分析。借助衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃過程的分析和研究，從而助力衛(wèi)星技術(shù)的深度發(fā)展和持續(xù)創(chuàng)新。