星座多目標(biāo)成像自主任務(wù)規(guī)劃技術(shù)研究

楊立峰，陳 祥，郭海波，馬 晨，陶震宇

(1.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109；2.中國人民解放軍32035部隊(duì)，陜西 西安 710000)

0 引言

傳統(tǒng)基于地面的衛(wèi)星應(yīng)用方式由于無法全球部署地面站、抗毀性差和信息鏈路冗長等缺點(diǎn)，已無法適應(yīng)新需求[1]。未來天基系統(tǒng)必須具備星上目標(biāo)實(shí)時(shí)預(yù)處理并可結(jié)合衛(wèi)星姿態(tài)和軌道，自主遵循任務(wù)實(shí)施的各項(xiàng)約束條件，合理調(diào)配星座內(nèi)資源，從而完成多區(qū)域、多目標(biāo)的自主觀測任務(wù)。

在衛(wèi)星自主任務(wù)規(guī)劃研究領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一系列的研究。Bonnet[2]研究了僅在地球兩極上空進(jìn)行通信的三星任務(wù)規(guī)劃問題。Van der Horst[3]采用基于市場機(jī)制的多Agent法，有效進(jìn)行了天基資源對多目標(biāo)的任務(wù)分配。Araguz等[4]將整體規(guī)劃分解為若干局部規(guī)劃問題并集成于同一框架內(nèi)進(jìn)行尋優(yōu)。何永明等[5]設(shè)計(jì)了一種面向新型成像衛(wèi)星的自主任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)，并論證了該系統(tǒng)框架的可行性與優(yōu)化效率。羅棕等[6]將多星觀測任務(wù)規(guī)劃問題的求解過程分解為任務(wù)可調(diào)度性預(yù)測、任務(wù)分配和優(yōu)化調(diào)整，有效減少啟發(fā)式算法的搜索計(jì)算量，在較短的時(shí)間內(nèi)獲取收益較高的可行解。目前公開文獻(xiàn)在進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃研究中考慮的因素均較為理想，并且考慮的系統(tǒng)基礎(chǔ)能力需求全面性存在不足。

本文對天基多目標(biāo)實(shí)時(shí)成像自主任務(wù)規(guī)劃進(jìn)行系統(tǒng)性分析，提出完成自主規(guī)劃的星座需要具備的基礎(chǔ)能力，并設(shè)計(jì)了一種多星協(xié)同自主任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)架構(gòu)，針對該架構(gòu)中的核心模塊——多星協(xié)同任務(wù)規(guī)劃模塊進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，最終通過半物理仿真驗(yàn)證了本文提出的多星協(xié)同自主任務(wù)規(guī)劃方法的有效性。

1 多目標(biāo)成像自主任務(wù)規(guī)劃基礎(chǔ)能力需求

為保證多目標(biāo)觀測任務(wù)實(shí)時(shí)、有效，并充分、合理利用星座內(nèi)各節(jié)點(diǎn)衛(wèi)星資源，多區(qū)域、同時(shí)段內(nèi)多目標(biāo)成像自主任務(wù)規(guī)劃實(shí)現(xiàn)的前提是天基探測網(wǎng)絡(luò)必須具備以下6項(xiàng)基本能力。

1.1 單星快速星上目標(biāo)檢測能力

為保證目標(biāo)觀測任務(wù)提供給地面系統(tǒng)的信息時(shí)效性，保證滿足用戶需求，星座內(nèi)單星必須具備星上快速實(shí)時(shí)目標(biāo)檢測能力，按任務(wù)對象不同，需在海面、沙漠、草原、城市和宇宙冷空間等不同下墊面背景下實(shí)現(xiàn)對所需目標(biāo)的準(zhǔn)確提取和分辨，為后續(xù)任務(wù)規(guī)劃奠定先決基礎(chǔ)[7]。

1.2 星上目標(biāo)實(shí)時(shí)預(yù)處理能力

在單星星上成功檢測出目標(biāo)后，需立即對目標(biāo)進(jìn)行星上預(yù)處理，快速獲得目標(biāo)的基本信息，且在星上完成目標(biāo)的自主定位，初步確定目標(biāo)在特定坐標(biāo)系下(如相機(jī)坐標(biāo)系等)的視線信息[8]，為后續(xù)任務(wù)規(guī)劃提供輸入條件。

1.3 目標(biāo)自主唯一編號能力

對于多區(qū)域、多目標(biāo)成像觀測任務(wù)，由于目標(biāo)眾多，且目標(biāo)可能出現(xiàn)于多顆星探測范圍內(nèi)，為避免對目標(biāo)重復(fù)編目和探測，必須對目標(biāo)進(jìn)行唯一性編號，從而避免影響后續(xù)星座內(nèi)資源配置的合理性和正確性，導(dǎo)致浪費(fèi)有限的天基資源，重復(fù)規(guī)劃對相同目標(biāo)的探測時(shí)序，導(dǎo)致無法完成對多目標(biāo)的探測任務(wù)規(guī)劃[9]。

1.4 自主、智能目標(biāo)優(yōu)先級確定能力

在目標(biāo)數(shù)量超出星座的任務(wù)數(shù)量上限時(shí)，對目標(biāo)的觀測必須有所取舍，這需要衛(wèi)星星座內(nèi)具備對目標(biāo)的準(zhǔn)確可靠的優(yōu)先級評估能力[10]，在多區(qū)域、多目標(biāo)并舉時(shí)，可按照事先確定的任務(wù)優(yōu)先級進(jìn)行星上自主優(yōu)先級匹配，先完成對高優(yōu)先級目標(biāo)的探測，在星座內(nèi)資源調(diào)度情況允許時(shí)，擴(kuò)展時(shí)序?qū)Φ蛢?yōu)先級目標(biāo)進(jìn)行空閑時(shí)段探測，資源不允許時(shí)將舍棄部分低優(yōu)先級目標(biāo)。

1.5 星座內(nèi)任意節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)通信能力

多區(qū)域、多目標(biāo)同時(shí)探測的天基自主規(guī)劃任務(wù)是一個(gè)系統(tǒng)性任務(wù)，要求星座內(nèi)各節(jié)點(diǎn)均需獲得當(dāng)前所有區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)情況，以及星座內(nèi)其余所有節(jié)點(diǎn)星的探測任務(wù)情況，以便進(jìn)行系統(tǒng)級的任務(wù)規(guī)劃，避免出現(xiàn)同一時(shí)間不同目標(biāo)同時(shí)調(diào)度一顆星導(dǎo)致的資源沖突問題。

1.6 星間自主目標(biāo)交接能力

在多區(qū)域、多目標(biāo)任務(wù)規(guī)劃中，不可避免地會(huì)出現(xiàn)同一個(gè)目標(biāo)跨越2顆星視場的工況；此外，由于衛(wèi)星自身高速運(yùn)動(dòng)，其可視范圍同樣處于變化狀態(tài)導(dǎo)致單星無法實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)全探測周期的觀測，這就要求衛(wèi)星間具備自主目標(biāo)交接能力，從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)過程的完整探測[11]。

2 多星協(xié)同自主任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)架構(gòu)

多星協(xié)同自主任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 多星協(xié)同任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of multi-satellite cooperative task planning

在圖1中，多星協(xié)同任務(wù)規(guī)劃模塊是核心模塊，承擔(dān)星上任務(wù)信息流的接收、處理、生成和分發(fā)等任務(wù)，并將最終生成的任務(wù)指令進(jìn)行全網(wǎng)發(fā)布和執(zhí)行。

系統(tǒng)工作流程如下：

① 單星探測目標(biāo)，并進(jìn)行星上快速檢測，同時(shí)進(jìn)行預(yù)處理生成視線信息、目標(biāo)屬性信息等。

② 通過星間全網(wǎng)通實(shí)時(shí)鏈路將目標(biāo)信息廣播至星座內(nèi)其余節(jié)點(diǎn)星。

③ 節(jié)點(diǎn)星接收星座內(nèi)廣播的目標(biāo)信息后，根據(jù)自身軌道、姿態(tài)和載荷可用性(是否處于陽光規(guī)避期)等信息，自主判斷其對目標(biāo)的可探測關(guān)系，判定自身節(jié)點(diǎn)可用后，激活多星融合模塊對目標(biāo)進(jìn)行多星信息融合處理，獲得目標(biāo)的立體定位的位置和速度信息，同時(shí)進(jìn)行目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)預(yù)估[12]。

④ 節(jié)點(diǎn)星根據(jù)目標(biāo)屬性信息、目標(biāo)位置和速度信息對目標(biāo)進(jìn)行編號和優(yōu)先級確定，并保證所有節(jié)點(diǎn)星判定的目標(biāo)信息一致，否則將導(dǎo)致任務(wù)規(guī)劃出現(xiàn)紊亂，任務(wù)失敗。

⑤ 多星任務(wù)規(guī)劃模塊根據(jù)所有目標(biāo)的屬性、運(yùn)動(dòng)信息、優(yōu)先級以及外推的軌跡信息，進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，制定每顆星的工作計(jì)劃，各節(jié)點(diǎn)星的目標(biāo)規(guī)劃信息需保持一致，否則將引起資源調(diào)度沖突導(dǎo)致任務(wù)失敗。

作為核心模塊的多星協(xié)同任務(wù)規(guī)劃模塊，其核心功能如圖2所示。

圖2 多星協(xié)同任務(wù)規(guī)劃模塊核心功能Fig.2 Core function of multi-satellite cooperative task planning

3 多星協(xié)同任務(wù)規(guī)劃模塊方案

3.1 多星協(xié)同任務(wù)規(guī)劃模塊需求分析

當(dāng)觀測資源有限時(shí)，解決多目標(biāo)問題有3種技術(shù)途徑[13-14]：① 觀測資源分配，解決多星任務(wù)分配問題，確保每顆星的觀測資源得到充分均衡利用；② 觀測資源復(fù)用，在多星任務(wù)分配的基礎(chǔ)上，解決單星對多目標(biāo)輪詢觀測的問題，獲取有限觀測條件下盡可能多的目標(biāo)軌跡和特性信息；③ 高優(yōu)先級目標(biāo)選取，在觀測資源有限的情況下，通過對軌跡和特性信息的識別，放棄部分低優(yōu)先級目標(biāo)，從而保證對高優(yōu)先級目標(biāo)的跟蹤識別。

由于任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求，星上完成目標(biāo)初始分配后，多星目標(biāo)交接、多目標(biāo)輪詢和優(yōu)先隊(duì)列排序都在星上完成，依賴于較強(qiáng)的星上自主任務(wù)規(guī)劃能力。其中，多星任務(wù)分配的技術(shù)瓶頸在于星上任務(wù)解算能力和星間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性[15]，衛(wèi)星需掌握全星座的實(shí)時(shí)狀態(tài)和任務(wù)執(zhí)行情況，并根據(jù)多目標(biāo)實(shí)時(shí)位置進(jìn)行動(dòng)態(tài)任務(wù)分配和任務(wù)交接。

多目標(biāo)輪詢的技術(shù)瓶頸在于目標(biāo)快速穩(wěn)定探測及快速融合收斂能力，需具備在軌跡收斂基礎(chǔ)上對多目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行短時(shí)速度擬合外推的能力[16]，以確保輪詢回歸后重新捕獲目標(biāo)。

優(yōu)先隊(duì)列排序的技術(shù)瓶頸在于多源數(shù)據(jù)融合的目標(biāo)特性識別能力，包括目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡特性和輻射特性，以快速評估目標(biāo)優(yōu)先度，需要目標(biāo)特性數(shù)據(jù)庫及相關(guān)識別算法支持[17]。

3.2 多星協(xié)同任務(wù)規(guī)劃輸入要素

① 目標(biāo)信息表

目標(biāo)信息表為其余節(jié)點(diǎn)星輸入/本星自主發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)信息，記錄了目標(biāo)的編號、目標(biāo)位置、目標(biāo)速度和目標(biāo)優(yōu)先級等目標(biāo)信息，是任務(wù)規(guī)劃的主要外部輸入。目標(biāo)信息表可與任務(wù)指令同時(shí)或非同時(shí)輸入衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃及管控模塊進(jìn)行存儲(chǔ)，當(dāng)存在任務(wù)指令時(shí)，觸發(fā)任務(wù)規(guī)劃執(zhí)行。

② 衛(wèi)星星歷表

衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)采用軌道六根數(shù)的形式進(jìn)行保存及傳輸。星座中每顆組網(wǎng)衛(wèi)星的星歷數(shù)據(jù)由星上GNSS自主解算或者地面上注，并在空閑時(shí)間通過實(shí)時(shí)星間鏈路向全網(wǎng)廣播。星上存儲(chǔ)器可存儲(chǔ)所有組網(wǎng)衛(wèi)星的星歷數(shù)據(jù)，供任務(wù)管理器隨時(shí)調(diào)用。根據(jù)星歷數(shù)據(jù)和軌道遞推模型，對每顆組網(wǎng)衛(wèi)星進(jìn)行軌道預(yù)報(bào)，獲取衛(wèi)星任意時(shí)刻位置和速度信息[18]。

③ 衛(wèi)星健康表

根據(jù)星座每日下傳遙測數(shù)據(jù)，地面判斷衛(wèi)星的健康狀態(tài)，識別平臺和載荷的工作能力是否受損，確保衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的有效性。地面定期向全網(wǎng)通報(bào)發(fā)生故障的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，在任務(wù)規(guī)劃中進(jìn)行剔除。

④ 衛(wèi)星能源表

眾所周知，科學(xué)研究不能沒有抽象。上述經(jīng)典作家對時(shí)代劃分的四種思路，就是尺度不同的四種抽象。而只要細(xì)心比較就會(huì)發(fā)現(xiàn)，與前三種劃分思路相比，“五形態(tài)”說是最合理最適度的抽象。

衛(wèi)星具備自主能源狀態(tài)監(jiān)控能力，當(dāng)星上剩余能源低于設(shè)定閾值時(shí)更新，星上發(fā)出能源危機(jī)報(bào)告，任務(wù)規(guī)劃模塊向全網(wǎng)廣播當(dāng)前能源危機(jī)狀態(tài)，此時(shí)衛(wèi)星能源狀態(tài)為不可用；當(dāng)能源補(bǔ)充完畢時(shí)，廣播發(fā)布當(dāng)前能源正常狀態(tài)，能源狀態(tài)轉(zhuǎn)為可用。

⑤ 任務(wù)占用表

任務(wù)占用表包含2個(gè)部分：第一部分是當(dāng)前星座中所有需跟蹤的目標(biāo)觀測任務(wù)編號；第二部分記錄了星座中每顆衛(wèi)星對各個(gè)目標(biāo)的當(dāng)前跟蹤觀測執(zhí)行情況。

每顆衛(wèi)星獲取任務(wù)調(diào)度指令并開始執(zhí)行任務(wù)后，由任務(wù)規(guī)劃模塊根據(jù)執(zhí)行任務(wù)內(nèi)容代號生成任務(wù)執(zhí)行情況狀態(tài)參數(shù)，并通過廣播鏈路實(shí)時(shí)向星座發(fā)布，各星接收并更新自身任務(wù)占用表。

3.3 多星協(xié)同任務(wù)規(guī)劃方案

在單目標(biāo)時(shí)，首先將包含立體定位信息的引導(dǎo)指令發(fā)送給星座內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)，引導(dǎo)所有可視衛(wèi)星對目標(biāo)進(jìn)行探測，由對目標(biāo)可見的雙/多星進(jìn)行立體探測并融合定位在結(jié)束跟蹤前進(jìn)行目標(biāo)交接分配，由引導(dǎo)星將目標(biāo)外推信息發(fā)送給被引導(dǎo)星，被引導(dǎo)星收到引導(dǎo)信息后進(jìn)行目標(biāo)捕獲跟蹤，星上交接完成后繼續(xù)實(shí)施立體跟蹤探測。如此往復(fù)，直至任務(wù)結(jié)束。自主任務(wù)規(guī)劃需要考慮星座覆蓋、鏈路拓?fù)?、載荷配置、星上處理以及星務(wù)管理等方面的約束。

在多目標(biāo)時(shí)，星座收到立體定位引導(dǎo)信息后，首先對目標(biāo)優(yōu)先度進(jìn)行評估和排序，然后引導(dǎo)分配目標(biāo)可視星進(jìn)行探測。在觀測資源不足時(shí)，星座在目標(biāo)分配的同時(shí)，實(shí)施多目標(biāo)輪詢規(guī)劃，由融合收斂的衛(wèi)星輪流對重要目標(biāo)分時(shí)跟蹤探測。在立體探測雙星結(jié)束跟蹤前，同樣需要實(shí)施星上交接規(guī)劃，由引導(dǎo)星將目標(biāo)外推信息發(fā)送給被引導(dǎo)星，被引導(dǎo)星收到引導(dǎo)信息后進(jìn)行目標(biāo)捕獲跟蹤，星上交接完成后繼續(xù)實(shí)施立體跟蹤探測，如此往復(fù)直至結(jié)束。

4 多星協(xié)同任務(wù)規(guī)劃驗(yàn)證方案

地面采用半物理仿真對星上多星協(xié)同任務(wù)規(guī)劃方案進(jìn)行驗(yàn)證。半物理仿真驗(yàn)證系統(tǒng)包括自主任務(wù)規(guī)劃管控單元、自主任務(wù)規(guī)劃管控監(jiān)視終端和多星多目標(biāo)場景加載單元、場景實(shí)時(shí)顯示終端等。

利用實(shí)時(shí)內(nèi)核驅(qū)動(dòng)的工控機(jī)模擬星座中某一顆衛(wèi)星，上位機(jī)模擬星座中的其他星，場景設(shè)計(jì)及三維場景顯示也在上位機(jī)中模擬，上位機(jī)和工控機(jī)間通過網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行信息交互，工控機(jī)根據(jù)收到的引導(dǎo)信息、本星任務(wù)執(zhí)行情況或輪詢請求執(zhí)行目標(biāo)分配、交接規(guī)劃或輪詢規(guī)劃，并將結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)反饋給上位機(jī)，二者的功能界面分割如圖3所示。其內(nèi)部信息交互流程如圖4所示。

圖3 半物理仿真系統(tǒng)功能界面Fig.3 Functional interface of semi-physical simulation

圖4 半物理仿真系統(tǒng)交互流程Fig.4 Interaction flow of semi-physical simulation

5 半物理仿真結(jié)果

以天基空間目標(biāo)監(jiān)視為案例進(jìn)行仿真，考慮5個(gè)空間碎片目標(biāo)，目標(biāo)飛行高度568 km，5個(gè)目標(biāo)分布于5個(gè)圓軌道面，相鄰升交點(diǎn)赤經(jīng)相差20°，相鄰目標(biāo)相位差30°。

星座為代號28/4/1的Walker星座，軌道高度為1 600 km，傾角為55°。衛(wèi)星裝載大視場捕獲可見相機(jī)和高分辨率可見相機(jī)，通過大視場捕獲相機(jī)進(jìn)行亮點(diǎn)捕獲發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，調(diào)度用高分辨相機(jī)進(jìn)行高分成像，后進(jìn)行多星目標(biāo)立體定位。

經(jīng)計(jì)算，28星星座可自主完成對5個(gè)目標(biāo)的跟蹤，并滿足雙星跟蹤條件，規(guī)劃過程如圖5所示。

圖5 空間多目標(biāo)自主任務(wù)規(guī)劃過程截圖Fig.5 Screenshot of space multi-objective autonomous task planning process

經(jīng)分析，任務(wù)規(guī)劃算法流程中主要耗時(shí)計(jì)算環(huán)節(jié)為目標(biāo)和衛(wèi)星的軌道預(yù)報(bào)遞推計(jì)算時(shí)間。采用SM750芯片(主頻@266 MHz)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)遞推計(jì)算(采用無奇點(diǎn)根數(shù)軌道預(yù)報(bào)遞推模型[19])，單次計(jì)算耗時(shí)平均為86 μs，星上協(xié)同任務(wù)管理及發(fā)布時(shí)效性優(yōu)于0.5 s。

6 結(jié)束語

本文提出完成自主規(guī)劃的星座需要具備的基礎(chǔ)能力，并設(shè)計(jì)了一種多星協(xié)同自主任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)架構(gòu)，半物理仿真結(jié)果表明系統(tǒng)框架和任務(wù)規(guī)劃模塊正確有效。

在仿真過程中發(fā)現(xiàn)，計(jì)算量主要集中于目標(biāo)定位、軌跡遞推以及衛(wèi)星姿軌計(jì)算環(huán)節(jié)，在工程應(yīng)用時(shí)需要進(jìn)一步結(jié)合星上硬件條件，進(jìn)行算法優(yōu)化，使規(guī)劃盡可能接近實(shí)時(shí)；此外，星間鏈路信息傳輸速率也會(huì)影響規(guī)劃執(zhí)行的實(shí)時(shí)性，在星座鏈路方案設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注信息傳輸時(shí)效性。

本文提出的任務(wù)規(guī)劃方案在每顆星均進(jìn)行計(jì)算，一定程度上將占用星上資源，后續(xù)改進(jìn)方向可考慮基于目標(biāo)可視星作為星群，星群之一為動(dòng)態(tài)主星方案，可進(jìn)一步節(jié)省星上資源。