空間望遠鏡觀測規(guī)劃系統(tǒng)發(fā)展綜述

蒲奕錚 張柏楠 張永（北京空間飛行器總體設計部）

1 引言

近一個世紀以來，有關宇宙學的觀測和理論都得到了快速發(fā)展，人類對宇宙起源演化、物質(zhì)組成及其相互作用機理都有了更深入的認識。與此同時，科學研究對天文觀測手段也提出了更高的要求，用于進行觀測的望遠鏡也隨之不斷發(fā)展?？臻g望遠鏡運行在宇宙空間中，不受地球自轉、大氣透過率和穩(wěn)定性等地面外部因素的影響，擁有比地基望遠鏡更長的觀測窗口、更寬的觀測頻譜和更高的觀測精度。基于以上背景，為了支撐天文學的發(fā)展，獲取更多的科學成果，建造空間望遠鏡進行天文觀測是必然的發(fā)展方向。然而，空間望遠鏡造價高昂，建造及維護成本極高，為了保證望遠鏡在生命周期內(nèi)能夠取得足夠多的觀測成果，需要對其觀測任務進行合理的規(guī)劃，盡可能提高其觀測效率。

國際上空間望遠鏡的建設起步較早，出于提高觀測效率和保障望遠鏡運行的目的，天文觀測領域高度重視任務規(guī)劃研究，各種任務規(guī)劃軟件在各型號望遠鏡上得到了實踐驗證，并在型號間的繼承過程中得到了迭代優(yōu)化。以美國國家航空航天局（NASA）為代表，其在研制哈勃空間望遠鏡（HST）的同時開展了“科學規(guī)劃交互知識系統(tǒng)”（Spike）的研究工作，并將Spike系統(tǒng)泛用化后沿用在了斯皮策空間望遠鏡（SST）、遠紫外光譜探測器衛(wèi)星（FUSE）、錢德拉X射線望遠鏡（CXO）、斯巴魯望遠鏡（Subaru）、詹姆斯·韋布空間望遠鏡（JWST）等一系列地基或空間天文觀測設施的任務規(guī)劃系統(tǒng)中。由于各個空間望遠鏡的科學目標以及攜帶的儀器設施并不相同，它們進行任務規(guī)劃時面臨的困難與采用的方法也并不一致。但望遠鏡觀測規(guī)劃問題也存在很大的共性，在解決這些規(guī)劃問題時，一般將其建模為約束滿足問題進行求解，并通過長期規(guī)劃和短期規(guī)劃相結合的方式構建完整的規(guī)劃流程。

本文對國外三個典型的空間望遠鏡觀測規(guī)劃系統(tǒng)進行了詳細調(diào)研，并就它們規(guī)劃系統(tǒng)的方法設計，系統(tǒng)架構以及規(guī)劃算法進行了介紹，能夠為我國空間望遠鏡觀測規(guī)劃系統(tǒng)的設計提供參考。

2 空間望遠鏡觀測規(guī)劃問題

空間望遠鏡觀測規(guī)劃系統(tǒng)任務是考慮望遠鏡運行的具體情況，結合科學任務的需求，為觀測任務確定具體執(zhí)行時間，保證可觀測時間得到充分利用?？臻g望遠鏡運行在宇宙空間中，受到運行軌道所在的宇宙空間條件、衛(wèi)星平臺能力等各種不同約束，導致其規(guī)劃問題是一個復雜約束條件下的多目標優(yōu)化問題。問題難點主要體現(xiàn)在以下方面：

1）根據(jù)望遠鏡的運行軌道不同，規(guī)劃時考慮約束條件不同。運行在近地軌道的望遠鏡需要考慮地球遮擋、地氣雜散光以及南大西洋異常區(qū)等約束；運行在拉格朗日L2點或其他軌道的望遠鏡不需要考慮這些問題，但需要根據(jù)其設計需要考慮動量卸載、熱控平衡等其他約束。

2）在傳統(tǒng)的規(guī)劃問題中，約束條件一般用構建懲罰函數(shù)、生成不等式判斷條件等方法來進行處理。但空間望遠鏡觀測過程中受到的約束條件復雜，且需要調(diào)用仿真模塊對望遠鏡軌道、姿態(tài)進行計算，無法通過單一方式進行簡單處理，必須對約束進行完整建模判斷。

3）望遠鏡的觀測規(guī)劃受到其科學目標的約束。如巡天觀測強調(diào)對天區(qū)的覆蓋；超新星觀測強調(diào)對突發(fā)任務的調(diào)度；部分觀測任務需要重復進行，且不同任務之間存在先后順序的約束。這些科學目標會對規(guī)劃系統(tǒng)提出額外的需求。

4）在進行任務規(guī)劃時需要考慮平臺的具體性能，不同望遠鏡的科學目標、攜帶的觀測載荷、平臺的構型布局不同，其觀測規(guī)劃系統(tǒng)也需要針對望遠鏡自身的特點進行有針對性的設計。

5）觀測任務數(shù)量極大，例如HST每年需要進行10000~30000次觀測。這導致空間望遠鏡的觀測規(guī)劃問題是多項式復雜度困難問題（NP-Hard Problem），隨著目標數(shù)量增大而變得極為復雜，難以用傳統(tǒng)規(guī)劃方法解決，且難以找到全局最優(yōu)解。

6）規(guī)劃周期長，空間望遠鏡的壽命一般為數(shù)年，HST甚至已經(jīng)運行了32年。規(guī)劃系統(tǒng)需要統(tǒng)籌安排整個規(guī)劃周期內(nèi)的觀測任務，保障望遠鏡全生命周期內(nèi)的觀測效率。

3 國外空間望遠鏡觀測規(guī)劃技術發(fā)展情況

美國在空間望遠鏡的研制發(fā)射以及巡天研究方面一直處于領先地位，NASA于1986年發(fā)射了第一顆天文紅外衛(wèi)星IRAS并成功進行了首次天基巡天觀測，之后又發(fā)射了“宇宙背景探測者”（COBE）衛(wèi)星、HST、廣域紅外巡天探測器（WISE）、斯皮策空間望遠鏡等多顆天文衛(wèi)星及空間望遠鏡。歐洲航天局（ESA）也已經(jīng)發(fā)射過赫歇爾空間望遠鏡（Herschel）、蓋亞空間望遠鏡（Gaia）等進行天文觀測。為了對空間望遠鏡的觀測任務進行合理的規(guī)劃，提高觀測效率，達成科學目標，國際上對于空間望遠鏡觀測任務的規(guī)劃方法有較為深入的研究，各種任務規(guī)劃軟件在各型號望遠鏡上得到了實踐驗證，并在型號間的繼承過程中得到了迭代優(yōu)化。下面將對具有代表性的HST、JWST和歐幾里得空間望遠鏡（Euclid）的規(guī)劃系統(tǒng)進行介紹。

HST在軌照片

哈勃空間望遠鏡

HST是美國于1990年發(fā)射的大口徑空間望遠鏡。HST主鏡直徑2.5m，搭載了用于光學觀測、紫外波段觀測的多種觀測儀器[1]。HST作為人類歷史至今為止工作時間最長的空間望遠鏡，在32年的服役歷史中拍攝了海量的照片，為天文學發(fā)展提供了寶貴的數(shù)據(jù)。HST觀測規(guī)劃系統(tǒng)的開發(fā)以及優(yōu)化過程也為空間望遠鏡的觀測規(guī)劃系統(tǒng)發(fā)展提供了有價值的經(jīng)驗。

（1）HST規(guī)劃問題特點

為了讓昂貴的HST得到充分利用，NASA從科學界收集了很多觀測提案作為待選任務，其待觀測任務數(shù)量遠超實際觀測能力。因此對觀測序列進行規(guī)劃，保證可觀測時間得到充分利用進而完成科學研究目標，對HST來講至關重要。但觀測任務的龐大數(shù)量以及觀測過程中存在的眾多約束條件決定了HST的觀測序列優(yōu)化是一個非常困難的工程問題。

在整個觀測過程中，對HST產(chǎn)生最多限制的便是其在近地軌道運行時的眾多約束條件。在規(guī)劃時首先需要確定在觀測過程中HST受到的各種外部和內(nèi)部約束條件。NASA將HST受到的約束條件分為如下幾類[2]：①絕對約束，包括日月規(guī)避角、南大西洋異常區(qū)等軌道觀測條件限制。②相對約束，包括觀測任務的先后順序、相同窗口內(nèi)執(zhí)行的分組約束、最小化姿態(tài)機動次數(shù)的集中觀測約束。③資源約束，包括數(shù)據(jù)容量約束、通信窗口約束、能源約束。在綜合考慮全部的約束條件后，就可以給出觀測任務在時間軸上的可觀測窗口[3]。HST觀測規(guī)劃的目標即是為觀測任務在可行的觀測窗口中找到最佳窗口，同時使在軌可觀測時間內(nèi)完成的觀測任務總數(shù)達到最大。

（2）HST觀測規(guī)劃方法

在進行觀測規(guī)劃時，NASA對科學家提出的科學觀測提案進行篩選并對格式進行處理,將這些觀測提案轉化為望遠鏡觀測指向、相對和絕對約束等信息，發(fā)送給規(guī)劃系統(tǒng)[4]。具體規(guī)劃方法分為長期規(guī)劃和短期規(guī)劃兩個部分。

HST觀測規(guī)劃系統(tǒng)流程

為了滿足HST對大量受到復雜約束的任務進行編排的需求，NASA研發(fā)了Spike系統(tǒng)用于HST觀測序列的長期規(guī)劃。Spike系統(tǒng)最初采用了神經(jīng)網(wǎng)絡算法，將各種約束條件整合進入代價函數(shù)，最終通過對神經(jīng)網(wǎng)絡的訓練使得觀測序列整體的代價函數(shù)達到最小[5]。雖然神經(jīng)網(wǎng)絡算法之后被啟發(fā)式算法替代，但其對大規(guī)模數(shù)據(jù)進行處理的思想被沿用在了后續(xù)的算法中。Spike通過啟發(fā)式算法將一年內(nèi)的觀測任務按照時間窗口劃分到以周為單位的任務組中，從而完成了長期規(guī)劃。Spike系統(tǒng)集成的Spike工具包提供了約束滿足問題的對象類和優(yōu)化函數(shù)的接口，沿用在了JWST、甚大望遠鏡（VLT）、Saburu等其他航天器上，用于解決它們的各種規(guī)劃問題[6-7]。

Spike系統(tǒng)的規(guī)劃結果作為輸入提供給短期規(guī)劃系統(tǒng)——“科學規(guī)劃與調(diào)度系統(tǒng)”（SPSS），其功能是在長期規(guī)劃的基礎上進行短期規(guī)劃，將每個任務安排到具體的時間窗口上。除了觀測任務的執(zhí)行外，SPSS系統(tǒng)將望遠鏡在軌執(zhí)行的軌道維持、數(shù)傳通信等飛行任務納入了考慮范圍。SPSS建立了包括動力學部分在內(nèi)的望遠鏡詳細模型，在此基礎上采用貪婪算法作為調(diào)度策略，并基于評價算法對任務的執(zhí)行難易度、科學價值、觀測效率和其他因素進行評價，將每一個任務安排到局部最優(yōu)的時間窗口上[8]。

詹姆斯·韋布空間望遠鏡

JWST是NASA設計的6.5m口徑大型望遠鏡，經(jīng)多次推遲后最終于2021年12月25日發(fā)射。JWST采用先進的分塊可展開式主鏡，搭載了4種紅外探測儀器，將在HST的基礎上開展進一步的宇宙觀測，探尋宇宙大爆炸早期形成的物體，研究星系演化的方式并觀測銀河系外行星系統(tǒng)[9]。

JWST總裝完成后測試照片

（1）JWST規(guī)劃問題特點

JWST的運行軌道位于日地拉格朗日L2點，觀測環(huán)境與近地軌道大為不同：JWST不再受到地球遮擋和南大西洋異常區(qū)的影響，且更容易定位導星，相對于近地軌道的HST等望遠鏡擁有更大的觀測窗口和更好的觀測條件。JWST巨大的遮光罩能夠阻擋來自太陽、地球和月亮等天體的光線，為觀測儀器提供良好的觀測環(huán)境[10]。

因為拉格朗日L2點的軌道為JWST帶來了長時間、不間斷的觀測窗口，因此，它的長期觀測規(guī)劃與有明確開始、結束時間的時間驅動的地面以及地球軌道望遠鏡不同，采用的是“基于任務驅動”（Event Driven Operations）的規(guī)劃。每一項觀測任務的描述文件中將包含最早開始時間、最晚開始時間和最晚結束時間，只要觀測任務能夠在規(guī)定的時間窗口中完成即可。但JWST也有必須在時序上進行安排的任務，如軌道維持以及太陽光壓的動量卸載。這些任務將嚴格按照需要執(zhí)行的時間點來進行安排[11]。

（2）JWST觀測規(guī)劃方法

雖然在規(guī)劃時沒有采用時間驅動的規(guī)劃方式，但與HST相同，JWST也采用了長短期結合的觀測序列規(guī)劃方式，并沿用了為HST開發(fā)的Spike系統(tǒng)作為規(guī)劃引擎。

JWST觀測規(guī)劃系統(tǒng)架構

JWST長期規(guī)劃（LRP）的任務是考慮一年內(nèi)的任務池，并優(yōu)化整個觀測序列，在確定每個觀測任務的觀測窗口的基礎上將其平滑地分配到整個周期中。LRP將導星可獲取數(shù)量作為重要優(yōu)化指標，并會將指向相近的任務分在同一組內(nèi)，以最小化組內(nèi)任務之間的姿態(tài)機動角度。長期規(guī)劃需要隨著觀測實際執(zhí)行結果、運行中出現(xiàn)的異常來對規(guī)劃結果進行實時更新[12]。

JWST的短期規(guī)劃方法與HST也較為相似，對幾周長度的觀測任務組進行規(guī)劃，并將規(guī)劃結果加入到短期規(guī)劃（STS）基線中,STS基線將包含未來2~3周內(nèi)的詳細觀測規(guī)劃。短期規(guī)劃的主要任務是最大化觀測效率，主要優(yōu)化目標包括最小化觀測之間的姿態(tài)機動次數(shù)、減少動量卸載次數(shù)、最小化觀測時間線上的空白時間。JWST將觀測任務規(guī)劃描述為多目標優(yōu)化問題[11],通過基于差分進化方法的第三代廣義差分進化算法（GDE3）進行解決[13]。GDE3引入了了第二代非支配排序遺傳算法（NSGA-Ⅱ）中非支配排序的概念，能夠較好地完成對多目標優(yōu)化問題的進化計算。

歐幾里得空間望遠鏡

Euclid空間望遠鏡是ESA目前在建的1.2m口徑寬視場空間望遠鏡，軌道運行在日地拉格朗日L2點[14]。Euclid主要的科學任務為研究有關暗能量和暗物質(zhì)的基本問題，被設計優(yōu)化以用于觀測弱引力透鏡效應和進行星系分類兩種天文學任務，計劃在6年內(nèi)對15000平方度的天區(qū)進行廣域巡天觀測，并對40平方度的天區(qū)進行深度巡天[15]。為了對Euclid的觀測任務進行合理的安排規(guī)劃，ESA開發(fā)了Euclid 巡天系統(tǒng)（ESS）[16]。

Euclid空間望遠鏡

（1）Euclid規(guī)劃問題特點

Euclid的觀測任務同樣受到約束條件的限制，如軌道限制、太陽方位角限制、大角度姿態(tài)機動次數(shù)限制等。以上這些會對Euclid的觀測任務產(chǎn)生影響的約束條件由任務控制中心收集整理，并合理分配到任務執(zhí)行的各個環(huán)節(jié)進行處理[17]。

由于巡天觀測是Euclid的主要任務，其任務規(guī)劃面臨的最大難點是保證在有限的時間內(nèi)完成對海量天區(qū)的觀測覆蓋。這導致Euclid的規(guī)劃流程與其他望遠鏡存在較大的差別，Euclid巡天工作組通過建立“巡天參考定義”（RSD）來對6年任務周期內(nèi)的巡天任務進行統(tǒng)籌規(guī)劃。由于Euclid位于日地拉格朗日L2點，各天區(qū)的觀測窗口長度較長，可觀測時間較為集中，因此，RSD在規(guī)劃時會在滿足約束條件的前提下將相鄰的天區(qū)分在同一組，在一段時間內(nèi)對一片相鄰天區(qū)進行集中觀測以提高觀測效率。RSD最終給出了計劃內(nèi)的15000平方度的廣域巡天和40平方度深度巡天的任務規(guī)劃結果[18]。

由于Euclid任務的特殊性與巡天優(yōu)化的復雜性，在開發(fā)具體的巡天任務規(guī)劃系統(tǒng)時較難完整沿用其他望遠鏡的觀測規(guī)劃系統(tǒng)，只能繼承這些系統(tǒng)的部分組件。ESA針對Euclid的任務特點，開發(fā)了ECTile系統(tǒng)來完成RSD的構建工作。

（2）Euclid觀測規(guī)劃方法

ECTile將觀測任務規(guī)劃分為兩個階段。第一階段，ECTile將首先對預計能取得極大科學成果的天區(qū)進行觀測，之后再將剩余的時間用于對廣天區(qū)的巡天觀測。第一階段觀測目標的共同特點是目標的觀測價值較高，在給定時間內(nèi)可觀測窗口短，觀測方位甚至觀測指向固定，大部分為深場觀測。在完成對高價值目標的編排后，第二階段將進行“廣域巡天”（EWS）規(guī)劃，Euclid的大部分工作時間將用于進行EWS觀測。

ECTile第二階段規(guī)劃流程

為了保證規(guī)劃結果能夠覆蓋全部待觀測天區(qū)，Euclid對天區(qū)進行切分，從最大到最小劃分為有價值區(qū)域、天區(qū)資源、天區(qū)塊。通過逐層劃分將大面積天區(qū)拆分為小塊天區(qū)，并在每個天區(qū)塊內(nèi)執(zhí)行具體的任務規(guī)劃。有價值區(qū)域指全部待觀測天區(qū)的集合，天區(qū)資源指在給定的巡天時間窗口內(nèi)能夠進行觀測的連續(xù)天區(qū)，天區(qū)塊則是在其基礎上進一步劃分出的更小區(qū)塊，作為規(guī)劃的基本單元。

ECTile采用“傳播算 法”(Diffusion Algorithm)進行每個天區(qū)塊內(nèi)的觀測序列規(guī)劃。完成了每個天區(qū)塊內(nèi)的觀測規(guī)劃后，ECTile將不同的天區(qū)塊按照先后順序連接起來，在每個巡天觀測窗口內(nèi)將可觀測時間填滿，并按照緯度從高到低依次完成對各天區(qū)的觀測，最終完成對全部區(qū)域的巡天覆蓋。

4 結束語

空間望遠鏡的觀測任務規(guī)劃系統(tǒng)能夠合理安排望遠鏡任務的具體執(zhí)行時間，保障望遠鏡順利在軌運行，從而達成其科學探測目標，具有極高的工程應用價值。通過對望遠鏡觀測規(guī)劃系統(tǒng)發(fā)展歷程的研究，可以得出以下結論：

從設計思路來看，各型號望遠鏡均通過長期規(guī)劃與短期規(guī)劃分工的方式構建了規(guī)劃系統(tǒng)。長期規(guī)劃考慮部分約束條件進行全局優(yōu)化，保證科學目標能夠順利完成；短期規(guī)劃結合詳細約束條件確定任務在時間線上的具體執(zhí)行時間，保證規(guī)劃結果能夠順利在軌執(zhí)行。同時，望遠鏡的規(guī)劃系統(tǒng)之間具有繼承性，如HST的Spike系統(tǒng)沿用在了JWST等一系列后續(xù)型號中。

從設計約束來看，不同望遠鏡的科學目標、運行軌道所處的空間環(huán)境、搭載的科學載荷不同，需要對其約束條件進行完整識別和具體分析，從而有針對性地進行規(guī)劃系統(tǒng)的設計，并保證規(guī)劃結果滿足約束條件。

從規(guī)劃算法來看，各望遠鏡在前人研究的基礎上針對自身任務型號特點設計了相應的規(guī)劃算法。如HST針對約束復雜、任務數(shù)量大的特點采用啟發(fā)式算法結合貪婪算法進行規(guī)劃；JWST針對觀測窗口長、優(yōu)化指標多的特點采用了任務為導向的多目標優(yōu)化算法；Euclid針對巡天觀測覆蓋面積大的特點對天區(qū)進行逐層劃分，并在小塊天區(qū)內(nèi)使用了前瞻算法。

在我國研制空間望遠鏡的同時，也需要進行其配套的觀測規(guī)劃系統(tǒng)的開發(fā)工作。需要針對望遠鏡的科學需求、運行軌道、平臺能力等影響因素設計合理的規(guī)劃系統(tǒng)，從而保障望遠鏡在軌安全運行，順利達成科學目標。