多星在軌自主協(xié)同任務(wù)規(guī)劃仿真試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王壯 鄭峰 張海 崔本杰 岳曉惠

(1 上海衛(wèi)星工程研究所， 上海 201109) (2 上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

隨著人們對(duì)空間信息支持的依賴越來(lái)越大，通過(guò)一兩顆或某一類衛(wèi)星來(lái)獲取局部或全球信息已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，多星組網(wǎng)進(jìn)行編隊(duì)協(xié)同探測(cè)任務(wù)，已成為對(duì)地遙感發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]。

多星協(xié)同系統(tǒng)通常具備多智能體在軌自主任務(wù)規(guī)劃能力，在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中，能夠根據(jù)任務(wù)的變化、環(huán)境的變化、衛(wèi)星自身狀態(tài)的變化，從可用的資源中選擇、確定出最適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化和任務(wù)需求的觀測(cè)資源配置及協(xié)同行動(dòng)策略，實(shí)現(xiàn)資源的動(dòng)態(tài)利用和高效管理，在一定約束條件下，提升協(xié)同效能[2-3]。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于星群任務(wù)規(guī)劃軟件開(kāi)發(fā)驗(yàn)證系統(tǒng)的研究多處于基礎(chǔ)架構(gòu)搭建、算法開(kāi)發(fā)或地面樣機(jī)開(kāi)發(fā)階段[4-5]。存在的問(wèn)題主要有兩點(diǎn)：一是成果技術(shù)成熟度不高，大多處于地面原理樣機(jī)階段；二是成果分散于自主任務(wù)規(guī)劃、自主星上數(shù)據(jù)處理等多個(gè)領(lǐng)域，缺乏系統(tǒng)性聯(lián)試，實(shí)際效能難以完整展示。對(duì)于單星地面仿真支持系統(tǒng)的研究比較多見(jiàn)，比如面向姿軌控系統(tǒng)的閉環(huán)仿真系統(tǒng)，通過(guò)模擬敏感器、動(dòng)力學(xué)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，與姿軌控計(jì)算機(jī)軟件閉環(huán)測(cè)試[6]。相關(guān)研究主要聚焦于多星自主任務(wù)規(guī)劃、多源衛(wèi)星在軌數(shù)據(jù)融合、系統(tǒng)綜合效能評(píng)估等幾個(gè)方面[7]。其工作在具體開(kāi)展中大多相對(duì)獨(dú)立，研究的輸入條件和約束條件與實(shí)際應(yīng)用環(huán)境有較大的差異。自主任務(wù)協(xié)同全鏈路中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)相互之間有比較復(fù)雜的關(guān)聯(lián)關(guān)系，各項(xiàng)研究工作相對(duì)獨(dú)立的驗(yàn)證環(huán)境難以滿足或覆蓋與實(shí)際應(yīng)用相匹配的時(shí)變環(huán)境，導(dǎo)致技術(shù)驗(yàn)證不充分，驗(yàn)證覆蓋不全面[8-11]，而多星協(xié)同任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)往往更為復(fù)雜，多目標(biāo)、多載荷、多場(chǎng)景協(xié)同，對(duì)信息流、時(shí)間鏈、精度鏈配合要求很高，需要地面充分驗(yàn)證，并且需要充分預(yù)留調(diào)優(yōu)接口，并能根據(jù)在軌數(shù)據(jù)予以調(diào)優(yōu)。

多星協(xié)同自主任務(wù)規(guī)劃軟件作為完成空間任務(wù)和挖掘多星協(xié)同系統(tǒng)潛能的核心，其功能需求復(fù)雜且方案迭代較多，需具備較高的可靠性和安全性，若對(duì)多星協(xié)同系統(tǒng)軟件功能測(cè)試不充分，輕則導(dǎo)致衛(wèi)星功能測(cè)試失敗，重則對(duì)衛(wèi)星上的產(chǎn)品與設(shè)備造成嚴(yán)重的損害[12]。目前，針對(duì)多星協(xié)同的仿真驗(yàn)證手段并不豐富，現(xiàn)有衛(wèi)星仿真測(cè)試多針對(duì)編隊(duì)或單星進(jìn)行，對(duì)功能復(fù)雜、需要在軌協(xié)同、頻繁信息交互的多星系統(tǒng)支持仿真能力不足，尚未見(jiàn)到能夠支持多星協(xié)同星載自主規(guī)劃軟件地面閉環(huán)仿真驗(yàn)證的方法及系統(tǒng)。因此，本文針對(duì)上述情況設(shè)計(jì)了多星協(xié)同任務(wù)規(guī)劃試驗(yàn)系統(tǒng)，首先對(duì)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)建設(shè)任務(wù)進(jìn)行了分析，介紹了多星協(xié)同任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)，分析了任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的驗(yàn)證難點(diǎn)，研究了試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)；然后對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，主要包括系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)、系統(tǒng)工作模式建立以及系統(tǒng)工作流程分析；最后，對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 仿真試驗(yàn)系統(tǒng)建設(shè)任務(wù)分析

1.1 多星協(xié)同任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)介紹

多星協(xié)同任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)通常具備多智能體在軌自主任務(wù)規(guī)劃能力，多體制衛(wèi)星對(duì)選定目標(biāo)序列進(jìn)行綜合遙感。在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中，能夠根據(jù)任務(wù)的變化、環(huán)境的變化、衛(wèi)星自身狀態(tài)的變化，從可用的資源中選擇、確定出最適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化和任務(wù)需求的觀測(cè)資源配置及協(xié)同行動(dòng)策略，實(shí)現(xiàn)資源的動(dòng)態(tài)利用和高效管理，在一定約束條件下，提升協(xié)同效能，如圖1所示。

圖1 多星協(xié)同任務(wù)規(guī)劃功能模塊

多顆衛(wèi)星通過(guò)組網(wǎng)、編隊(duì)飛行、多星多載荷協(xié)同應(yīng)用、在軌數(shù)據(jù)處理、在軌信息融合、星間信息快速分發(fā)，獲取綜合信息，實(shí)現(xiàn)多源信息融合應(yīng)用、目標(biāo)發(fā)現(xiàn)即確認(rèn)，提高目標(biāo)觀測(cè)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性。多星自主任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)通過(guò)星間低速網(wǎng)絡(luò)交互傳輸各星的位置、狀態(tài)、發(fā)現(xiàn)目標(biāo)、任務(wù)規(guī)劃結(jié)果等信息，規(guī)劃各星觀測(cè)任務(wù)和星間數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，執(zhí)行缺省地面任務(wù)分配條件下的多星自主協(xié)同作業(yè)，獲取多源信息，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)快速識(shí)別確認(rèn)。

1.2 多星協(xié)同任務(wù)規(guī)劃驗(yàn)證難點(diǎn)分析

根據(jù)協(xié)同模式的復(fù)雜度，該系統(tǒng)主要針對(duì)面向區(qū)域搜索查證的多目標(biāo)成像任務(wù)的協(xié)同任務(wù)規(guī)劃驗(yàn)證。

在多星協(xié)同各模式中，海上執(zhí)行應(yīng)急搜救任務(wù)，通常需要多手段目標(biāo)粗識(shí)別定位載荷作為搜索引導(dǎo)源，實(shí)時(shí)生成目標(biāo)引導(dǎo)隊(duì)列，發(fā)送至成像星執(zhí)行多體制、高分辨圖像獲取，通過(guò)多源信息融合，精準(zhǔn)判別目標(biāo)身份。采用集中式引導(dǎo)成像任務(wù)規(guī)劃如圖2所示。

圖2 集中式引導(dǎo)任務(wù)規(guī)劃圖

對(duì)系統(tǒng)處理環(huán)節(jié)及驗(yàn)證情況分析如下。

1)多目標(biāo)區(qū)域搜索查證成像任務(wù)規(guī)劃

多源載荷廣域搜索態(tài)勢(shì)引導(dǎo)信息合批處理后，生成的引導(dǎo)隊(duì)列已包含多個(gè)目標(biāo)的經(jīng)緯度、重要度、置信度、成像偏好、定位精度、信源組合等豐富的描述信息，查證分配規(guī)則根據(jù)目標(biāo)重要度、地理分布、誤差特性優(yōu)選成像衛(wèi)星以合適的成像模式予以捕獲，根據(jù)載荷特征、機(jī)動(dòng)能力、成像模式等，進(jìn)行合理分配、快速分發(fā)。需解決多目標(biāo)多載荷多模式任務(wù)優(yōu)選分配問(wèn)題。

引導(dǎo)隊(duì)列中的目標(biāo)是經(jīng)多載荷、多搜索手段發(fā)現(xiàn)傳輸過(guò)來(lái)的，同一目標(biāo)可能被多次發(fā)現(xiàn)，若直接對(duì)引導(dǎo)信息目標(biāo)進(jìn)行任務(wù)插入，會(huì)導(dǎo)致同一目標(biāo)被反復(fù)加入任務(wù)隊(duì)列。又因?yàn)槟齿d荷前瞻性過(guò)強(qiáng)，會(huì)導(dǎo)致始終占用成像資源。故在任務(wù)分配周期觸發(fā)后，對(duì)引導(dǎo)隊(duì)列中目標(biāo)的引導(dǎo)信息進(jìn)行融合處理。如圖3所示，不同目標(biāo)、相同目標(biāo)可基于鄰近目標(biāo)判斷準(zhǔn)則進(jìn)行判別。

圖3 鄰近目標(biāo)判斷示意圖

任務(wù)隊(duì)列內(nèi)相同目標(biāo)判定基于鄰近判斷準(zhǔn)則，即：地球表面上兩個(gè)目標(biāo)之間的距離小于其定位誤差半徑之和時(shí)，判定兩個(gè)目標(biāo)未同一目標(biāo)。目標(biāo)判定鄰近后，進(jìn)行融合處理。

假設(shè)，

M1=(x1,y1)

(1)

M2=(x2,y2)

(2)

式中：(xi,yi)表示目標(biāo)的經(jīng)緯度坐標(biāo)。令

ey=b×|y1-y2|×π/180

(3)

ex=b×|x1-x2|×cos(y2)×π/180

(4)

式中：b為地球赤道半徑；π/180.0是度轉(zhuǎn)弧度。

(5)

式中：e1和e2分別為目標(biāo)1和目標(biāo)2的定位誤差。若上述條件成立，則認(rèn)定兩個(gè)目標(biāo)為鄰近目標(biāo)，進(jìn)行融合處理。

2)按優(yōu)先級(jí)排序的目標(biāo)引導(dǎo)隊(duì)列生成

多級(jí)排序是指，隊(duì)列數(shù)據(jù)依據(jù)一個(gè)屬性進(jìn)行排序后，可能出現(xiàn)較多該屬性相同的情況，這時(shí)將屬性相同的數(shù)據(jù)再次按照另一個(gè)屬性排序，依次類推，直至獲得預(yù)期結(jié)果。

每種搜索載荷可送出目標(biāo)引導(dǎo)信息，有可變的數(shù)據(jù)包發(fā)送頻率、各異的目標(biāo)定位精度、置信度、特征等信息，星上需對(duì)原始引導(dǎo)信息進(jìn)行預(yù)處理，鎖定重要目標(biāo)、剔除虛假目標(biāo)，提供詳查指示，生成按優(yōu)先級(jí)排序的目標(biāo)引導(dǎo)隊(duì)列。

針對(duì)綜合引導(dǎo)信息處理輸出的目標(biāo)隊(duì)列，對(duì)目標(biāo)隊(duì)列進(jìn)行多級(jí)排序，可提高任務(wù)規(guī)劃算法對(duì)實(shí)際任務(wù)需求的適應(yīng)性，將優(yōu)先偵查目標(biāo)放在隊(duì)列前面，其多級(jí)排序設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。以1-7代表7個(gè)屬性，6752341代表排序原則為：是否超大目標(biāo)、區(qū)域等級(jí)、是否聚焦、重要度、置信度、定位誤差、信息源組合個(gè)數(shù)。

表1 目標(biāo)隊(duì)列多級(jí)排序規(guī)則

目標(biāo)引導(dǎo)信息在鄰近融合后，遵循以下排序原則：參與融合的目標(biāo)保留原始目標(biāo)號(hào)；信息源組合模式相同；重要度取較大；置信度取較大；定位誤差取較?。皇欠袷浅竽繕?biāo)取較大；位置信息取定位誤差較小的信源位置信息，提升目標(biāo)定位精度；成像偏好取重要度等級(jí)較高的目標(biāo)。

1.3 仿真試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)研究

1)兼顧置信度與運(yùn)行效率

置信度是針對(duì)驗(yàn)證目的，在仿真系統(tǒng)與原型系統(tǒng)之間建立起的一種相似映射度量，它刻畫(huà)了仿真系統(tǒng)與原型系統(tǒng)在靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)行為兩方面的重合程度。為適應(yīng)多型衛(wèi)星、目標(biāo)和環(huán)境模型，應(yīng)對(duì)復(fù)雜任務(wù)驗(yàn)證需求，驗(yàn)證系統(tǒng)的構(gòu)建，需重點(diǎn)保證仿真系統(tǒng)的置信度，如圖4所示。對(duì)于模型、連接和場(chǎng)景模擬，通常都有不同的具體要求，例如軌道姿態(tài)模型、載荷模型、場(chǎng)景模型參數(shù)需與現(xiàn)實(shí)盡可能保持一致，參數(shù)化的模型能夠根據(jù)實(shí)際衛(wèi)星在軌表現(xiàn)進(jìn)行修訂完善。置信度的高要求還要兼顧地面系統(tǒng)的執(zhí)行效率，避免一味的追求個(gè)別模型的過(guò)于真實(shí)而拖慢系統(tǒng)的運(yùn)行周期、降低2D/3D場(chǎng)景顯示的流暢度，降低多種工況遍歷驗(yàn)證的效率。

圖4 仿真置信度示意圖

2)滿足各階段、不同連接關(guān)系的驗(yàn)證需求

自主任務(wù)規(guī)劃工作過(guò)程涉及到較多的輸入輸出實(shí)體，如接收地面指控及不同類型載荷的搜索結(jié)果，控制多顆不同類型成像衛(wèi)星獲取目標(biāo)圖像，驗(yàn)證系統(tǒng)需全流程支撐星上系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)及驗(yàn)證，例如純數(shù)字仿真階段驗(yàn)證方案流程及算法，桌面半物理試驗(yàn)階段驗(yàn)證時(shí)序及接口，整星試驗(yàn)階段驗(yàn)證與整星相容性，多星聯(lián)試階段驗(yàn)證衛(wèi)星實(shí)體間協(xié)同有效性，在軌試驗(yàn)階段進(jìn)行有效復(fù)盤和推演，在軌調(diào)優(yōu)階段進(jìn)行星上參數(shù)修正與綜合效能提升等。星上系統(tǒng)與地面系統(tǒng)形成驗(yàn)證閉環(huán)，在各研制階段需支持?jǐn)?shù)字模型、實(shí)體單機(jī)、整星的有線或無(wú)線連接。

3)場(chǎng)景易于配置并支持超實(shí)時(shí)功能

驗(yàn)證系統(tǒng)應(yīng)能支持場(chǎng)景、軌道、載荷、目標(biāo)的快速配置功能，例如通過(guò)設(shè)置向?qū)Щ蚺颗渲霉δ芤绘I生成多組衛(wèi)星和目標(biāo)的模型，能夠保存場(chǎng)景及實(shí)體的各種配置。通過(guò)導(dǎo)入快速重現(xiàn)仿真工況，具備對(duì)在軌遙測(cè)或打包數(shù)據(jù)中模型配置所需參數(shù)的自動(dòng)提取和配置，實(shí)現(xiàn)在軌工況的快速?gòu)?fù)盤。為了提高系統(tǒng)驗(yàn)證及調(diào)優(yōu)效率，各仿真實(shí)體應(yīng)能調(diào)整仿真速率，在星上與地面系統(tǒng)同步的前提下，通過(guò)調(diào)快加速掠過(guò)動(dòng)作較少的等待時(shí)間，通過(guò)調(diào)慢細(xì)致核查關(guān)鍵環(huán)節(jié)的運(yùn)行過(guò)程。

4)保證系統(tǒng)測(cè)試覆蓋性的有效措施

測(cè)試覆蓋性的提升，體現(xiàn)在試驗(yàn)流程和試驗(yàn)工況的設(shè)計(jì)與遍歷性上。對(duì)于本文針對(duì)的海上搜索發(fā)現(xiàn)引導(dǎo)成像任務(wù)規(guī)劃這一類任務(wù)，目標(biāo)身份、行為、分布等存在很大的不確定性，場(chǎng)景配置功能應(yīng)能夠在框選的任務(wù)仿真區(qū)域批量、隨機(jī)生成大量目標(biāo)及運(yùn)動(dòng)特性，并支持調(diào)整。星上任務(wù)規(guī)劃軟件有測(cè)試算法可靠性的需求，因此各類輸入給星上軟件的目標(biāo)、軌道、任務(wù)等，應(yīng)能進(jìn)行故障注入，例如用全OxFF或Ox00配置、校驗(yàn)錯(cuò)誤等模擬數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤進(jìn)行野值剔除。通過(guò)提高數(shù)據(jù)包收發(fā)頻率來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)吞吐壓力測(cè)試；通過(guò)衛(wèi)星功能失效、環(huán)境云遮檔測(cè)試任務(wù)規(guī)劃流程的適應(yīng)性等。

2 仿真試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

多星在軌自主協(xié)同仿真試驗(yàn)系統(tǒng)是基于多星快速響應(yīng)的集成驗(yàn)證系統(tǒng)，可進(jìn)行衛(wèi)星及載荷設(shè)置、目標(biāo)庫(kù)設(shè)置等，并進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，對(duì)過(guò)程在場(chǎng)景中實(shí)時(shí)顯示，或回放已產(chǎn)生的在軌數(shù)據(jù)，復(fù)盤在軌任務(wù)規(guī)劃軟件的執(zhí)行情況，同時(shí)支持在軌相關(guān)參數(shù)調(diào)優(yōu)。

2.1 系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)

星載計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)自主任務(wù)規(guī)劃，地面測(cè)試負(fù)責(zé)模擬成員星及場(chǎng)景，生成與星上交互的數(shù)據(jù)，進(jìn)行星上系統(tǒng)與地面系統(tǒng)聯(lián)合閉環(huán)試驗(yàn)驗(yàn)證，圖5給出了仿真試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。

圖5 仿真系統(tǒng)示意圖

衛(wèi)星與地面測(cè)試系統(tǒng)可以通過(guò)TCP/IP、RS422串口進(jìn)行連接。地面測(cè)試通過(guò)模擬各成員星給衛(wèi)星做數(shù)據(jù)，模擬自主任務(wù)規(guī)劃計(jì)算機(jī)的外部的真實(shí)信息交互，隨軌道飛行，建立星地目標(biāo)時(shí)空關(guān)系，在特定地理位置按時(shí)序產(chǎn)生載荷目標(biāo)數(shù)據(jù)包，繼而執(zhí)行目標(biāo)成像任務(wù)。仿真系統(tǒng)總體過(guò)程如圖6所示。

圖6 仿真系統(tǒng)總體過(guò)程圖

在開(kāi)發(fā)人員完成算法、模型開(kāi)發(fā)后，規(guī)劃和仿真用戶基于多星在軌自主協(xié)同場(chǎng)景仿真的主界面，進(jìn)行需求的輸入，系統(tǒng)將需求分解為任務(wù)；接著調(diào)用任務(wù)規(guī)劃算法，規(guī)劃成為單星任務(wù)序列、異步任務(wù)序列、同步任務(wù)序列和任務(wù)間約束。這些任務(wù)序列轉(zhuǎn)化為控制期望和約束，作為動(dòng)力學(xué)與控制仿真的輸入。動(dòng)力學(xué)與控制仿真完成各任務(wù)期望姿態(tài)和期望軌道的跟蹤控制，將控制結(jié)果轉(zhuǎn)化為衛(wèi)星姿態(tài)數(shù)據(jù)、軌道數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)等，分別輸入到載荷仿真模型、執(zhí)行機(jī)構(gòu)仿真模型、敏感器仿真模型和星間協(xié)同仿真模型。所有仿真數(shù)據(jù)和軟件運(yùn)行中間數(shù)據(jù)保存在仿真數(shù)據(jù)庫(kù)中，再?gòu)臄?shù)據(jù)庫(kù)發(fā)送給自主任務(wù)管理場(chǎng)景仿真顯示界面，以2D/3D和曲線形式顯示出來(lái)。最后，將用戶需求和預(yù)期仿真效果與實(shí)際運(yùn)行效果，進(jìn)行仿真評(píng)估。

2.2 系統(tǒng)工作模式

仿真系統(tǒng)具備地面仿真測(cè)試模式、在軌數(shù)據(jù)回放、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)調(diào)參3種模式。

地面仿真測(cè)試模式模式下地面對(duì)場(chǎng)景、目標(biāo)、衛(wèi)星、任務(wù)進(jìn)行配置，與星載計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)閉環(huán)數(shù)據(jù)交互，模擬多星載荷、軌道、動(dòng)作、任務(wù)執(zhí)行過(guò)程，如圖7所示。該模式以仿真場(chǎng)景為外圍激勵(lì)，驗(yàn)證星上任務(wù)規(guī)劃軟件功能，實(shí)現(xiàn)星上任務(wù)規(guī)劃軟件的快速迭代開(kāi)發(fā)。

圖7 地面仿真測(cè)試模式示意圖

在軌數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)回放模式下不進(jìn)行多星協(xié)同，只顯示過(guò)程的所有執(zhí)行步驟，如圖8所示。利用在軌運(yùn)行過(guò)程中收集到的數(shù)據(jù)包(目標(biāo)隊(duì)列數(shù)據(jù)包、任務(wù)規(guī)劃結(jié)果數(shù)據(jù)包、成員星軌道姿態(tài)數(shù)據(jù)包等)進(jìn)行回放，解析每個(gè)數(shù)據(jù)包里的信息，利用該真實(shí)信息驅(qū)動(dòng)動(dòng)畫(huà)場(chǎng)景，使各個(gè)衛(wèi)星進(jìn)行姿態(tài)機(jī)動(dòng)、成像、數(shù)傳等各個(gè)動(dòng)作回放，展示任務(wù)規(guī)劃結(jié)果和成員星任務(wù)執(zhí)行過(guò)程。

在軌數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)調(diào)參模式以在軌載荷數(shù)據(jù)源為輸入，顯示目標(biāo)場(chǎng)景，同時(shí)作為任務(wù)規(guī)劃輸入，如圖9所示。重新進(jìn)行新的任務(wù)規(guī)劃，獲取規(guī)劃的結(jié)果，用于作為調(diào)整星上參數(shù)的參考，多次運(yùn)行，評(píng)估，以獲取最優(yōu)解。搜索載荷進(jìn)行目標(biāo)搜索發(fā)現(xiàn)，對(duì)發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)進(jìn)行引導(dǎo)信息組包、發(fā)送。

圖9 在軌數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)調(diào)參模式示意圖

2.3 系統(tǒng)工作流程

多星在軌自主協(xié)同仿真系統(tǒng)用于多顆成員星、目標(biāo)、環(huán)境的仿真模擬，地面仿真系統(tǒng)與星載計(jì)算機(jī)物理設(shè)備通過(guò)有線連接，執(zhí)行信息交互收發(fā)，開(kāi)展實(shí)時(shí)閉環(huán)仿真。仿真系統(tǒng)包括場(chǎng)景配置模塊、目標(biāo)設(shè)置模擬模塊、衛(wèi)星參數(shù)設(shè)置模擬模塊、星載計(jì)算機(jī)軟件模塊、地面注數(shù)及遙測(cè)評(píng)估模塊等如圖10所示。

圖10 仿真驗(yàn)證系統(tǒng)模塊

場(chǎng)景配置模塊可以對(duì)場(chǎng)景開(kāi)始時(shí)間、仿真步長(zhǎng)、倍率等進(jìn)行設(shè)置，較大程度反應(yīng)場(chǎng)景狀態(tài)。目標(biāo)設(shè)置模擬模塊可以設(shè)置區(qū)域目標(biāo)分布特性及屬性，通過(guò)軟件內(nèi)目標(biāo)隨機(jī)生成算法(蒙特卡洛隨機(jī)算法、均勻隨機(jī)算法、正態(tài)隨機(jī)算法)，按區(qū)選取，并對(duì)隨機(jī)數(shù)量、生成經(jīng)緯度、屬性信息、運(yùn)動(dòng)軌跡、航向航速進(jìn)行設(shè)置。通過(guò)衛(wèi)星參數(shù)設(shè)置模擬模塊將軌道根數(shù)，位置速度、姿態(tài)機(jī)動(dòng)時(shí)間參數(shù)的系數(shù)，滾動(dòng)機(jī)動(dòng)邊界，滾動(dòng)切換最大角度設(shè)置好。注數(shù)生成軟件模塊可對(duì)各種任務(wù)模式的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，可對(duì)任務(wù)單類型進(jìn)行選擇，充分適應(yīng)任務(wù)的多變性和復(fù)雜性。中樞星向地面仿真子系統(tǒng)模擬的成員星分發(fā)任務(wù)，通過(guò)星上與地面的有線連接，模擬星間網(wǎng)絡(luò)任務(wù)分發(fā)至成員星的過(guò)程，將解析結(jié)果發(fā)送數(shù)據(jù)包給任務(wù)規(guī)劃測(cè)試系統(tǒng)模擬的各顆成員星，包括任務(wù)啟動(dòng)字、工作模式、任務(wù)時(shí)段等。遙測(cè)顯示模塊可以顯示任務(wù)規(guī)劃結(jié)果、星上運(yùn)行狀態(tài)、地面測(cè)試系統(tǒng)模擬的多星任務(wù)執(zhí)行信息。效能評(píng)估模塊可實(shí)現(xiàn)任務(wù)規(guī)劃性能評(píng)估、算法驗(yàn)證功能評(píng)估以及任務(wù)規(guī)劃效能定量化評(píng)估。2D/3D演示模塊包括動(dòng)畫(huà)顯示界面、操作按鈕、可見(jiàn)性顯示界面以及通信連接界面，該模塊支持顯示包括在軌多星軌道運(yùn)行仿真、衛(wèi)星狀態(tài)數(shù)據(jù)顯示、多星相對(duì)運(yùn)動(dòng)顯示以及任務(wù)規(guī)劃結(jié)果執(zhí)行演示。注數(shù)包生成模塊實(shí)現(xiàn)了任務(wù)注數(shù)、可調(diào)參數(shù)、數(shù)據(jù)包模擬等。

3 仿真驗(yàn)證

基于多星多目標(biāo)優(yōu)選分配、多次動(dòng)態(tài)規(guī)劃為例，對(duì)某在軌多星自主任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)進(jìn)行仿真試驗(yàn)。綜合電子計(jì)算機(jī)選用在軌中樞星鑒定單機(jī)，與仿真軟件集成為半物理仿真驗(yàn)證系統(tǒng)。試驗(yàn)平臺(tái)中，綜合電子計(jì)算機(jī)中運(yùn)行多星協(xié)同自主任務(wù)規(guī)劃軟件，集成驗(yàn)證系統(tǒng)具備模擬目標(biāo)模型、場(chǎng)景模型、衛(wèi)星模型功能，可與自主任務(wù)規(guī)劃軟件形成閉環(huán)測(cè)試環(huán)境，如圖11所示。

圖11 多星在軌自主協(xié)同仿真系統(tǒng)部署圖

某在軌星群系統(tǒng)對(duì)地表某區(qū)域執(zhí)行了多目標(biāo)分散觀測(cè)任務(wù)，其中，電子信號(hào)探測(cè)載荷均工作在全頻段模式，船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic Identification System,AIS)載荷開(kāi)機(jī)，地面注入態(tài)勢(shì)底圖重點(diǎn)區(qū)域。通過(guò)遙測(cè)下行，得到在軌搜索星獲得的真實(shí)目標(biāo)信息，見(jiàn)表2。

在軌星載軟件運(yùn)行時(shí)，會(huì)將星間、星內(nèi)引導(dǎo)包數(shù)據(jù)下卸處理，對(duì)此次任務(wù)時(shí)間段內(nèi)各引導(dǎo)包進(jìn)行解析，將引導(dǎo)包的目標(biāo)信息導(dǎo)入至仿真軟件，同時(shí)在任務(wù)區(qū)隨機(jī)設(shè)置一些其他目標(biāo)，將所有搜索星發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)全部導(dǎo)入至仿真軟件得到目標(biāo)分布，如圖12所示。

圖12 引導(dǎo)目標(biāo)分布圖

中樞星實(shí)時(shí)對(duì)星間、星內(nèi)載荷送來(lái)的目標(biāo)引導(dǎo)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、存儲(chǔ)。通過(guò)鄰近目標(biāo)融合，目標(biāo)較近則被融合成一個(gè)目標(biāo)，例如目標(biāo)1、9、15，他們的目標(biāo)屬性相對(duì)一致，但是經(jīng)緯度所表征的目標(biāo)位置相對(duì)較近，利用1.3節(jié)中目標(biāo)鄰近算法可以將多個(gè)鄰近目標(biāo)融合成一個(gè)目標(biāo)進(jìn)行一次成像，可提高衛(wèi)星觀測(cè)效率。通過(guò)多級(jí)排序后的引導(dǎo)隊(duì)列(以區(qū)域等級(jí)高-重要度高-定位誤差小-置信度高優(yōu)先)可以得到引導(dǎo)目標(biāo)優(yōu)選后分配給成員星的最佳成像觀測(cè)路徑，如圖13所示。

由成像規(guī)劃結(jié)果可以看出，鄰近目標(biāo)在規(guī)劃過(guò)程中通過(guò)鄰近目標(biāo)融合被剔除，篩選出的成像目標(biāo)均在成員星可成像范圍內(nèi)，而依據(jù)圖13中每次任務(wù)規(guī)劃目標(biāo)的分布情況可以看出，在相關(guān)約束下，選出優(yōu)先級(jí)高的目標(biāo)進(jìn)行成像，最終獲得合理且高效的成像任務(wù)規(guī)劃方案。

圖13 4顆成像星成像規(guī)劃路徑圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)多星在軌自主協(xié)同任務(wù)規(guī)劃仿真試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了分析研究，通過(guò)建立仿真模型能夠?qū)崿F(xiàn)融合物理實(shí)況數(shù)據(jù)、在軌應(yīng)用數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)的效果，繼而形成信息物理測(cè)試數(shù)據(jù)，最終獲得更加全面與準(zhǔn)確的多星協(xié)同任務(wù)規(guī)劃信息，實(shí)現(xiàn)了多星在軌信息的共享與增值。通過(guò)真實(shí)的星上計(jì)算機(jī)運(yùn)行自主任務(wù)規(guī)劃軟件與地面仿真子系統(tǒng)模擬的成員星進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，可視化閉環(huán)驗(yàn)證多星協(xié)同星載自主規(guī)劃軟件的有效性，提供了星上自主任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)研制與測(cè)試保障的關(guān)鍵工具，提升星上任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的測(cè)試充分性、可靠性和安全性。后續(xù)在如何尋找最優(yōu)規(guī)劃方案、衛(wèi)星組網(wǎng)模式，如何獲得衛(wèi)星在軌狀態(tài)以及觀測(cè)數(shù)據(jù)以后預(yù)先模擬衛(wèi)星規(guī)劃，使其能持續(xù)優(yōu)化星座資源，如何確定最優(yōu)目標(biāo)和達(dá)到最大資源利用率方面進(jìn)行研究。