敏捷卫星任务规划问题研究现状与展望

李志亮，　李小将，　王志恒

(1. 装备学院 研究生管理大队, 北京 101416；　2. 装备学院 航天装备系, 北京 101416)



敏捷卫星任务规划问题研究现状与展望

李志亮1，李小将2，王志恒1

(1. 装备学院 研究生管理大队, 北京 101416；2. 装备学院 航天装备系, 北京 101416)

摘要任务规划是敏捷卫星执行对地观测任务的有效支撑和重要保证，为深刻理解和准确把握敏捷卫星任务规划研究中的关键问题，对国内外相关研究进行了总结分析，并对下一步研究进行展望。首先阐述了敏捷卫星任务规划问题的描述要素、分类方法和求解难点，然后从点目标、区域目标、立体成像、长条带目标4个方面梳理了敏捷卫星任务规划的研究进展;最后分析了目前研究中存在的成像模式研究较少、规划模型不完善、评价方法单一等问题，并结合发展需求，提出需要从多种成像模式下的任务规划、敏捷卫星组网协同和自主任务规划、高效的求解算法等方面展开进一步研究。

关键词敏捷卫星；任务规划；工作模式；资源调度；优化算法

Current Status and Prospect of Agile Satellite Mission Planning

LI Zhiliang1，LI Xiaojiang2，WANG Zhiheng1

(1. Department of Graduate Management, Equipment Academy, Beijing 101416, China；2. Department of Space Equipment, Equipment Academy, Beijing 101416, China)

AbstractMission planning is an essential support and important guarantee for an agile satellite to implement earth observation missions. To deeply understand and accurately grasp key issues of agile satellite mission planning, the paper makes conclusive analysis on the relevant researches home and abroad and brings out prospects for further research. First of all, the paper illustrates the description elements, classification method and difficulty in solving process of agile satellite mission planning, and then concludes the research progress of agile satellite mission planning in four respects including point target, regional target, three-dimensional imaging and strip target. In the end, the paper analyzes the issues existing in current research like less imaging mode research projects, incomplete planning model and a single assessment method. Combining with the development needs, the paper proposes that the further research should be conducted in respects like mission planning under multi-mode imaging, agile satellite networking and collaboration and independent mission planning and efficient solving algorithm.

Keywordsagile satellite; mission planning; working mode; resource scheduling; optimization algorithm

敏捷卫星是指有效载荷固定在卫星平台上，依靠姿态轨道控制系统实现滚动、俯仰和偏航3个轴向机动的卫星[1-2]。相比于传统对地观测卫星，敏捷卫星在对地观测过程中具有前视、正视、后视能力，机动性能更强、观测时间窗口更长、任务冲突的解决方式更多，而且视轴的变化与成像过程可以同时进行。目前，各航天大国已研制发射了多颗敏捷卫星，如美国的IKONOS-2卫星、WorldView系列卫星,法国的PLEIADES星座等。敏捷卫星在军事侦察、抗震救灾、反恐维稳等应急任务中能够发挥观测能力强、时效性高的优势，具有广阔的应用前景，是新型卫星发展的重要方向。

敏捷卫星任务规划是对地观测应用中的核心问题，研究敏捷卫星任务规划问题的意义在于，当面临用户提出的复杂任务或应急任务时，能够利用有限的卫星资源更好地完成观测任务，提高卫星的利用率，同时使多个卫星的负载均衡，避免资源浪费或过度负荷。敏捷卫星任务规划是一个复杂约束下寻求最优解的问题，国内外学者从敏捷卫星工作模式、姿态机动策略、任务规划模型及求解算法等方面开展了研究，并取得了一定的成果。本文在分析敏捷卫星任务规划问题描述、分类和难点的基础之上，梳理了敏捷卫星任务规划领域的相关研究成果，并指出需要进一步解决的问题。

1敏捷卫星任务规划问题分析

1.1问题描述

描述敏捷卫星任务规划问题的要素一般包括：规划时间范围、敏捷卫星资源、观测任务、地面站资源、约束条件和优化目标等。规划时间范围是执行观测任务的开始和结束时间，敏捷卫星资源描述包括卫星运行轨道、星载遥感器类型和分辨率、姿态机动角度和速度、星上能量和存储容量等。

约束条件一般包括卫星使用约束和任务需求约束。卫星使用约束条件包括：敏捷卫星对地观测和数据回传有时间窗口约束；对不同目标观测时的姿态调整有最大侧摆角度和最快机动速度限制；星上能量和存储容量限制等。任务需求约束包括：目标的地理位置；观测的时效性要求；图像类型和分辨率要求；每个任务的优先级要求；立体成像和长条带目标成像约束等。优化目标包括:最大化优先级之和、任务完成度、目标覆盖率，最小化单个卫星工作负荷、能量消耗等。

综上描述要素和约束条件，敏捷卫星任务规划的描述是在规定的时间范围内，根据用户任务需求(目标位置、分辨率、优先级等)和卫星属性(轨道参数、机动性能、星上能量和存储等)，结合地面站属性(地理位置、时间窗口等)，将有限的敏捷卫星资源分配给多个观测任务，并确定任务执行时间和动作序列，以最大限度满足用户需求。

1.2问题分类

从不同的角度出发，敏捷卫星任务规划问题可以分为多种：按照卫星资源的多少，分为单星任务规划和多星任务规划；按照任务需求类型，分为常规任务规划和动态任务规划；按照优化目标类型，分为单优化目标任务规划和多优化目标任务规划等。

有的学者基于敏捷卫星的工作模式划分，敏捷卫星的工作模式决定了敏捷卫星能够完成的任务类型。国内外学者基于姿态控制对敏捷卫星的工作模式进行了设计，张新伟等[3]设计了4种工作模式：(1) 多点目标成像模式；(2) 同轨多条带拼接成像模式；(3) 同轨立体成像模式；(4) 动态扫描成像模式。Barschke等[4]学者针对高机动性能的敏捷卫星设计了4种工作模式：多点目标成像、长条带扫描、大区域观测、立体成像。与张新伟等学者的设计有所不同，Barschke所考虑的条带扫描不一定沿轨迹方向。

依据敏捷卫星的工作模式，按照观测目标类型，敏捷卫星任务规划分为面向点目标、区域目标、立体成像目标、长条带目标的任务规划。

1.3问题难点

1) 用户需求复杂，资源选择多样。由于敏捷卫星灵活的机动性能，用户提出不同于传统成像需求的复杂需求，如直拍直传需求、宽幅区域多条带拼接需求、立体成像需求等。此外，由于观测时间窗口的延长和增多，同一个目标可以出现在多颗敏捷卫星的覆盖范围内，如何选择资源以更小的消耗、更短的时间完成任务也是规划的难点。

2) 观测任务动作多，时间次序不确定。敏捷卫星执行观测任务的战术动作包括对地观测、姿态机动、数据回传、对地面站定向、对日定向等，其中，对地观测和数据回传的开始时间不确定，而且对于多个目标，观测次序不确定，对于多种战术动作，其执行次序也不确定。这些动作执行时间和次序的不确定性增加了规划的难度。

3) 问题约束条件多，建模复杂度高。问题建模的约束条件包括对地观测和数据回传时间窗口约束、观测角度约束、姿态机动角度和速度约束、能量消耗约束、星上存储约束等，而且这些约束相互耦合和制约。另外，模型的目标函数不仅包括最大化优先级之和，还有最小化机动次数、能量消耗、资源使用负载等。

4) 组合优化程度高，求解算法设计难。对于一般约束的任务，规划问题可以抽象为机器调度问题、旅行商问题、指派问题，但随着任务复杂程度的提高和约束条件的增多，模型变得越来越复杂，最优解的搜索难度增大，求解算法的复杂度成指数增长，这种情况下，设计适应性强、求解效率高、资源占用小的算法成为一个难点。

2敏捷卫星任务规划研究现状

根据对地观测目标类型的不同，下面从面向点目标、区域目标、立体成像和长条带目标的敏捷卫星任务规划4个方面进行论述。

2.1面向点目标的敏捷卫星任务规划

点目标是指半径小于10 km的圆形区域，一般可由敏捷卫星单次拍摄完成观测[2]369，点目标特点是分布范围广、随机性强，在局部区域分布密集。目前，针对点目标成像任务规划的策略主要分为2种：一是将分布范围广的点目标作为单独的元任务进行规划；二是将分布密集的多个点目标作为聚类任务进行规划。

2) 针对密集点目标的敏捷卫星任务规划。针对密集点目标观测任务，许多学者研究了多点目标任务聚类方法，Cohen[11]研究了星载遥感器对多个点目标的覆盖问题，该聚类方法仅限于固定观测角度。徐雪仁等[12]考虑了卫星侧视和有效载荷开机时间约束，通过计算得出适合于多个目标的侧摆角度，以一次性完成观测。邱涤珊等[13-14]分析了多点目标任务聚类过程中滚动摆角、俯仰摆角和过渡时间约束，构建了聚类图模型，设计了基于MMAS的聚类算法，并进一步对多星密集点目标观测任务进行了研究，提出了改进的蚁群优化求解算法。唐忠兴等[15]将同轨多点连续观测问题转化为多条带观测姿态机动策略问题，提出一种基于时序有向无圈图的敏捷卫星姿态机动优化算法。

目前，面向点目标的敏捷卫星任务规划研究中具有代表性的是Lematre、Dilkina、Grasset-Bourdel、邱涤珊等人的相关文献，他们所建的模型逐渐完善，考虑了很多实际约束条件，提出对密集点目标采用任务聚类的策略进行规划，不足是目标函数比较单一，在大规模点目标观测任务下采用改进或混合算法的求解方法效率并不高。

2.2面向区域目标的敏捷卫星任务规划

区域目标是指范围在20～100 km的多边形区域[2]369，一般需要分割成多个条带进行观测。区域目标的特点是覆盖面积大、不规则，目前针对区域目标成像任务规划的策略主要包括2个层次：首先把区域目标分割为多个条带，然后把分割后的每一个条带作为元任务进行规划。

1) 面向区域目标的任务分解。对区域目标任务分解多采用以下3种方法：

(1) 依据单景分解，Walton[16]将问题转化为集合覆盖问题，将区域目标分解为多个单独场景，得到便于观测的条带。Rivett等[17]采用网格化对区域目标分解成单景。

(2) 采用预定义的参考系统分解，如Landsat陆地观测卫星和SPOT系列卫星。

2) 基于区域目标分解的敏捷卫星任务规划。在敏捷卫星区域目标任务规划方面，Verfaillie等[20]在利用固定宽度对区域目标分解的基础之上建立了数学规划模型，很多学者的研究都是基于该模型；Cordeau等[21]针对该模型提出基于禁忌搜索的改进算法。在之后的研究中，Habet、Vasquez[22]利用一致性和饱和配置采样与局部枚举相结合的系统搜索方法，提高禁忌搜索算法的有效搜索空间，并通过与动态规划在简化的敏捷卫星任务规划问题上的对比，验证了算法的有效性。Bianchessi等[23]建立了多星、多轨道、多用户问题模型，提出利用列生成算法得到收益上界的禁忌算法。Tanpattanakul等[24]提出了多用户需求下敏捷卫星任务规划的多目标优化模型，提出2个目标函数：最大化收益之和，最小化用户收益差别，在问题求解上提出一种有偏随机键遗传算法(Biased Random Key Genetic Algorithm, BRKGA)。在进一步研究中Tanpattanakul通过改变种群迭代次序提出一种基于二进制指标的多目标局部搜索算法(Indicator-Based Multi-Objective Local Search,IBMOLS)，计算结果表明该方法在运算时间上更有优势。国内方面，章登义[25]针对卫星应急对地观测强时效性的需求，研究了敏捷卫星同轨多条带拼接成像任务规划问题，在计算敏捷卫星测摆角、幅宽和观测时间的基础上提出一种动态幅宽分割区域目标的动态分解方法以获得最小调姿时间。孙凯等[26]针对敏捷卫星对地观测多条带拼接需求，将多敏捷卫星联合对地观测任务规划问题分解为任务资源匹配和单星任务处理2个子问题，在单星对多条带拼接任务处理上采用基于后移滑动策略的任务安排和冲突处理与局部搜索相结合的方法，有效地提高了求解效率。

当前，Verfaillie、Cordeau、Habet、Vasquez等人的研究从固定宽度分解区域目标到动态分解，从多轨覆盖到同轨多条带拼接，研究的针对性越来越强。同时也存在一些不足：对区域目标任务分解的研究或面向全球参考系统，提供一种广泛适用的分解方法，或针对某一种卫星遥感器，扩展性较差，而且忽略了子任务相互关联对后续规划的影响；此外，在构造目标函数时往往忽略了任务完成度。

2.3面向同轨立体成像的敏捷卫星任务规划

同轨立体成像是指敏捷卫星在观测时间窗口内，对目标从不同角度进行2次或2次以上的观测以得到立体图像的成像模式。

国内方面，张永生等[29]分析了IKONOS卫星的同轨立体成像模式，通过改变遥感器指向采集第一幅影像，经过姿态调整，大约100 s后对目标进行第二次观测。向仍湘[30]借鉴动态规划调度的思想提出分阶段实现敏捷卫星同轨立体成像，即第一阶段将立体成像目标作为普通目标安排观测任务，第二阶段将对立体成像目标的第二次观测任务作为新任务插入已有规划方案进行重规划，建立了条件约束满足问题模型(Conditional Constraint Satisfaction Problem, CCSP)，在问题求解上，使用禁忌搜索算法。

从查阅到的文献资料来看，面向立体成像的敏捷卫星任务规划研究并不完善，所建模型往往把同轨立体成像假设为简单的约束条件，并没有考虑卫星运行速度、姿态机动角速度、立体观测角度、基高比等实际约束因素，而且问题求解效率较低。

2.4面向长条带目标的敏捷卫星任务规划

长条带目标是宽度在卫星成像幅宽内的狭长地物目标，一般可由敏捷卫星单次开机完成观测。长条带目标的特点是宽度窄,经纬度跨越大。长条带目标观测对卫星的姿态机动能力和稳定性能要求很高，国内外学者一般基于敏捷卫星动态扫描工作模式进行研究。

Jaubert等[31]研究了法国Pleiades卫星的动态扫描模式，在该模式下卫星通过姿态补偿轨道运动在地表的牵引速度实现对目标的动态成像。Aldinger等[32]研究了敏捷卫星对条带目标观测自主任务规划中的2个关键要素，即卫星对目标定向时的姿态和角速度，卫星对2个目标观测时姿态转换的可行性，并建立了卫星姿态机动动力学模型，提出带语义标注的启发式搜索算法。Löhr等[33]针对敏捷卫星对连续复杂的条带观测问题，考虑了卫星轨道运行、姿态机动角度和速度、最大力矩等实际因素，建立了一种动作序列规划模型，并提出了规划算法。

国内方面，黄群东等[34]针对条带目标与星下点轨迹垂直的情况建立了敏捷卫星动态成像数学模型，并对卫星姿态角调整进行了数值仿真，得出了姿态调整策略。潘小彤[35]考虑将密集区域的点目标聚类成不同方向成像条带，建立了敏捷卫星动态扫描任务规划模型，将问题分为条带任务分配和上层任务规划两层子问题，分别使用含有条带分配策略的解算算法和基于启发式规则的算法进行求解。

长条带目标是一种特殊的任务需求，目前国内外对长条带目标任务规划的研究较少，Jaubert、Aldinger、潘小彤等学者做了很多积极性的研究。不足之处是他们将条带目标简化为矩形条带，忽略了长条带目标不规则的实际情况。

3存在的问题与展望

从上述的研究成果可以看出，国内外研究机构和人员在理论和应用方面做出了很多研究工作，并取得了很多成果，从敏捷卫星任务规划问题总体上分析，仍存在一些问题。

3.1存在的问题

1) 现有研究大多忽略了敏捷卫星的多种成像模式。目前的研究大多是围绕时间窗口延长、成像机会增多展开，忽略了敏捷卫星快速机动和稳定性能带来的多种成像模式，如同轨多条带拼接、同轨立体成像、动态扫描等成像模式。目前对多种成像模式下的敏捷卫星任务规划研究往往把问题简化成较为理想的模型，忽略了很多实际约束条件。

2) 规划模型未考虑很多实际约束，目标函数单一。现有的研究大都基于传统非敏捷卫星任务规划展开，所建立的模型是对现实的简化，忽略了星上存储、能量、卫星姿态机动速度和稳定程度等实际约束条件。在同轨立体成像中，现有研究往往把对目标进行2次观测作为约束条件进行建模，忽略了立体成像角度、基高比等约束。此外，在构建目标函数时大多采用任务收益最大，没有考虑任务完成度和卫星负载均衡等问题。

3) 缺少任务规划方案和求解算法评价的研究。不同学者从不同角度对实际约束条件进行简化建立了规划模型，设计了求解算法，在对任务规划方案评价上多从任务完成度(包括观测质量、任务完成效益等)、资源利用率(包括卫星资源占用、地面站资源占用等)方面考虑；在算法性能评价上主要比较计算时间和资源消耗程度。这些方法的问题在于采用随机生成测试算例的方法并不具备通用性，而且个体的测试实验难以重现，部分学者基于层次分析法建立了可重用和易扩展的综合评价方法[36]，但是合理统一的评价规范和方法研究仍然很少。

3.2研究展望

随着卫星技术的发展，敏捷卫星向灵巧化、智能化和组网协同方向发展，敏捷卫星任务规划的发展趋势是由面向常规任务趋于面向复杂任务，由单星任务规划走向多星组网协同任务规划，由地面集中式任务规划走向星上自主任务规划。笔者认为敏捷卫星任务规划研究应当关注以下几个方面：

1) 多种成像模式下的敏捷卫星任务规划研究。基于快速姿态机动能力，敏捷卫星能够实现多种成像模式，针对新成像模式的敏捷卫星任务规划模型和算法尚不完善。其中，敏捷卫星动态扫描模式是应用潜力较大的模式，通过建立任意走向的条带，可以实现对聚类点目标、区域目标的高效观测，相关的模型和算法有待深入研究。

2) 敏捷卫星组网协同任务规划研究。随着对地观测任务需求的增长，多颗敏捷卫星组网或组成编队以完成复杂任务逐渐成为应用趋势，其中，多星组网协同任务规划问题日益突出，需要解决的问题主要有：多星协同工作方式和协同框架问题，多颗异构卫星的协同规划问题，多星大规模组网协同规划建模与优化求解问题。

3) 敏捷卫星自主任务规划研究。针对突发情况或紧急任务下快速准确获取目标数据的需求，将部分地面指控中心的集中式任务规划转向星上自主任务规划可以大大提高卫星对目标观测的时效性，实现近实时的“在线规划”。对于敏捷卫星而言，星上自主任务规划更有利于发挥其敏捷机动性能，如何构建敏捷卫星自主任务规划模型和设计资源占用小的算法需要进一步研究。

4) 高效求解理论和方法研究。优化算法始终是敏捷卫星任务规划问题求解的关键所在，很多研究表明具有一定智能的局部搜索算法在求解上有很好的应用效果，但随着卫星数量和任务规模的变大，解的空间成指数增大。可以考虑从以下两方面进行研究：一是通过任务预处理缩小解的搜索空间，如基于任务聚类的敏捷卫星任务规划；二是研究分布式或并行求解算法，提高问题的求解效率。

4结 束 语

本文论述了敏捷卫星任务规划领域的国内外研究进展，分析了目前研究存在的问题，对进一步研究的问题进行了展望。随着对地观测需求的不断提升、敏捷卫星技术的不断进步，以及各种新的优化求解方法的出现和应用，敏捷卫星任务规划研究将更加复杂，有必要深入探索和研究这些问题，不断促进敏捷卫星任务规划的发展。

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(编辑：李江涛)

中图分类号V19；TP391

文章编号2095-3828(2016)01-0069-07

文献标志码A DOI10.3783/j.issn.2095-3828.2016.01.015

作者简介李志亮(1988-)，男，博士研究生，主要研究方向为航天任务分析与设计。lemonslee@163.com

收稿日期2015-09-30

李小将，男，教授，博士生导师。