多星在轨自主协同任务规划仿真试验系统设计

王壮 郑峰 张海 崔本杰 岳晓惠

(1 上海卫星工程研究所， 上海 201109) (2 上海航天电子技术研究所，上海 201109)

随着人们对空间信息支持的依赖越来越大，通过一两颗或某一类卫星来获取局部或全球信息已远远不够，多星组网进行编队协同探测任务，已成为对地遥感发展的必然趋势[1]。

多星协同系统通常具备多智能体在轨自主任务规划能力，在执行任务过程中，能够根据任务的变化、环境的变化、卫星自身状态的变化，从可用的资源中选择、确定出最适应动态变化和任务需求的观测资源配置及协同行动策略，实现资源的动态利用和高效管理，在一定约束条件下，提升协同效能[2-3]。

目前，国内对于星群任务规划软件开发验证系统的研究多处于基础架构搭建、算法开发或地面样机开发阶段[4-5]。存在的问题主要有两点：一是成果技术成熟度不高，大多处于地面原理样机阶段；二是成果分散于自主任务规划、自主星上数据处理等多个领域，缺乏系统性联试，实际效能难以完整展示。对于单星地面仿真支持系统的研究比较多见，比如面向姿轨控系统的闭环仿真系统，通过模拟敏感器、动力学和执行机构的数学模型，与姿轨控计算机软件闭环测试[6]。相关研究主要聚焦于多星自主任务规划、多源卫星在轨数据融合、系统综合效能评估等几个方面[7]。其工作在具体开展中大多相对独立，研究的输入条件和约束条件与实际应用环境有较大的差异。自主任务协同全链路中的关键环节相互之间有比较复杂的关联关系，各项研究工作相对独立的验证环境难以满足或覆盖与实际应用相匹配的时变环境，导致技术验证不充分，验证覆盖不全面[8-11]，而多星协同任务规划系统往往更为复杂，多目标、多载荷、多场景协同，对信息流、时间链、精度链配合要求很高，需要地面充分验证，并且需要充分预留调优接口，并能根据在轨数据予以调优。

多星协同自主任务规划软件作为完成空间任务和挖掘多星协同系统潜能的核心，其功能需求复杂且方案迭代较多，需具备较高的可靠性和安全性，若对多星协同系统软件功能测试不充分，轻则导致卫星功能测试失败，重则对卫星上的产品与设备造成严重的损害[12]。目前，针对多星协同的仿真验证手段并不丰富，现有卫星仿真测试多针对编队或单星进行，对功能复杂、需要在轨协同、频繁信息交互的多星系统支持仿真能力不足，尚未见到能够支持多星协同星载自主规划软件地面闭环仿真验证的方法及系统。因此，本文针对上述情况设计了多星协同任务规划试验系统，首先对仿真试验系统建设任务进行了分析，介绍了多星协同任务规划系统，分析了任务规划系统的验证难点，研究了试验系统设计要点；然后对试验系统进行了设计与实现，主要包括系统顶层设计、系统工作模式建立以及系统工作流程分析；最后，对试验系统进行了仿真验证。

1 仿真试验系统建设任务分析

1.1 多星协同任务规划系统介绍

多星协同任务规划系统通常具备多智能体在轨自主任务规划能力，多体制卫星对选定目标序列进行综合遥感。在执行任务过程中，能够根据任务的变化、环境的变化、卫星自身状态的变化，从可用的资源中选择、确定出最适应动态变化和任务需求的观测资源配置及协同行动策略，实现资源的动态利用和高效管理，在一定约束条件下，提升协同效能，如图1所示。

图1 多星协同任务规划功能模块

多颗卫星通过组网、编队飞行、多星多载荷协同应用、在轨数据处理、在轨信息融合、星间信息快速分发，获取综合信息，实现多源信息融合应用、目标发现即确认，提高目标观测的准确性和时效性。多星自主任务规划系统通过星间低速网络交互传输各星的位置、状态、发现目标、任务规划结果等信息，规划各星观测任务和星间数据传输任务，执行缺省地面任务分配条件下的多星自主协同作业，获取多源信息，实现目标快速识别确认。

1.2 多星协同任务规划验证难点分析

根据协同模式的复杂度，该系统主要针对面向区域搜索查证的多目标成像任务的协同任务规划验证。

在多星协同各模式中，海上执行应急搜救任务，通常需要多手段目标粗识别定位载荷作为搜索引导源，实时生成目标引导队列，发送至成像星执行多体制、高分辨图像获取，通过多源信息融合，精准判别目标身份。采用集中式引导成像任务规划如图2所示。

图2 集中式引导任务规划图

对系统处理环节及验证情况分析如下。

1)多目标区域搜索查证成像任务规划

多源载荷广域搜索态势引导信息合批处理后，生成的引导队列已包含多个目标的经纬度、重要度、置信度、成像偏好、定位精度、信源组合等丰富的描述信息，查证分配规则根据目标重要度、地理分布、误差特性优选成像卫星以合适的成像模式予以捕获，根据载荷特征、机动能力、成像模式等，进行合理分配、快速分发。需解决多目标多载荷多模式任务优选分配问题。

引导队列中的目标是经多载荷、多搜索手段发现传输过来的，同一目标可能被多次发现，若直接对引导信息目标进行任务插入，会导致同一目标被反复加入任务队列。又因为某载荷前瞻性过强，会导致始终占用成像资源。故在任务分配周期触发后，对引导队列中目标的引导信息进行融合处理。如图3所示，不同目标、相同目标可基于邻近目标判断准则进行判别。

图3 邻近目标判断示意图

任务队列内相同目标判定基于邻近判断准则，即：地球表面上两个目标之间的距离小于其定位误差半径之和时，判定两个目标未同一目标。目标判定邻近后，进行融合处理。

假设，

M1=(x1,y1)

(1)

M2=(x2,y2)

(2)

式中：(xi,yi)表示目标的经纬度坐标。令

ey=b×|y1-y2|×π/180

(3)

ex=b×|x1-x2|×cos(y2)×π/180

(4)

式中：b为地球赤道半径；π/180.0是度转弧度。

(5)

式中：e1和e2分别为目标1和目标2的定位误差。若上述条件成立，则认定两个目标为邻近目标，进行融合处理。

2)按优先级排序的目标引导队列生成

多级排序是指，队列数据依据一个属性进行排序后，可能出现较多该属性相同的情况，这时将属性相同的数据再次按照另一个属性排序，依次类推，直至获得预期结果。

每种搜索载荷可送出目标引导信息，有可变的数据包发送频率、各异的目标定位精度、置信度、特征等信息，星上需对原始引导信息进行预处理，锁定重要目标、剔除虚假目标，提供详查指示，生成按优先级排序的目标引导队列。

针对综合引导信息处理输出的目标队列，对目标队列进行多级排序，可提高任务规划算法对实际任务需求的适应性，将优先侦查目标放在队列前面，其多级排序设计见表1。以1-7代表7个属性，6752341代表排序原则为：是否超大目标、区域等级、是否聚焦、重要度、置信度、定位误差、信息源组合个数。

表1 目标队列多级排序规则

目标引导信息在邻近融合后，遵循以下排序原则：参与融合的目标保留原始目标号；信息源组合模式相同；重要度取较大；置信度取较大；定位误差取较小；是否是超大目标取较大；位置信息取定位误差较小的信源位置信息，提升目标定位精度；成像偏好取重要度等级较高的目标。

1.3 仿真试验系统设计要点研究

1)兼顾置信度与运行效率

置信度是针对验证目的，在仿真系统与原型系统之间建立起的一种相似映射度量，它刻画了仿真系统与原型系统在静态结构和动态行为两方面的重合程度。为适应多型卫星、目标和环境模型，应对复杂任务验证需求，验证系统的构建，需重点保证仿真系统的置信度，如图4所示。对于模型、连接和场景模拟，通常都有不同的具体要求，例如轨道姿态模型、载荷模型、场景模型参数需与现实尽可能保持一致，参数化的模型能够根据实际卫星在轨表现进行修订完善。置信度的高要求还要兼顾地面系统的执行效率，避免一味的追求个别模型的过于真实而拖慢系统的运行周期、降低2D/3D场景显示的流畅度，降低多种工况遍历验证的效率。

图4 仿真置信度示意图

2)满足各阶段、不同连接关系的验证需求

自主任务规划工作过程涉及到较多的输入输出实体，如接收地面指控及不同类型载荷的搜索结果，控制多颗不同类型成像卫星获取目标图像，验证系统需全流程支撑星上系统的开发及验证，例如纯数字仿真阶段验证方案流程及算法，桌面半物理试验阶段验证时序及接口，整星试验阶段验证与整星相容性，多星联试阶段验证卫星实体间协同有效性，在轨试验阶段进行有效复盘和推演，在轨调优阶段进行星上参数修正与综合效能提升等。星上系统与地面系统形成验证闭环，在各研制阶段需支持数字模型、实体单机、整星的有线或无线连接。

3)场景易于配置并支持超实时功能

验证系统应能支持场景、轨道、载荷、目标的快速配置功能，例如通过设置向导或批量配置功能一键生成多组卫星和目标的模型，能够保存场景及实体的各种配置。通过导入快速重现仿真工况，具备对在轨遥测或打包数据中模型配置所需参数的自动提取和配置，实现在轨工况的快速复盘。为了提高系统验证及调优效率，各仿真实体应能调整仿真速率，在星上与地面系统同步的前提下，通过调快加速掠过动作较少的等待时间，通过调慢细致核查关键环节的运行过程。

4)保证系统测试覆盖性的有效措施

测试覆盖性的提升，体现在试验流程和试验工况的设计与遍历性上。对于本文针对的海上搜索发现引导成像任务规划这一类任务，目标身份、行为、分布等存在很大的不确定性，场景配置功能应能够在框选的任务仿真区域批量、随机生成大量目标及运动特性，并支持调整。星上任务规划软件有测试算法可靠性的需求，因此各类输入给星上软件的目标、轨道、任务等，应能进行故障注入，例如用全OxFF或Ox00配置、校验错误等模拟数据包错误进行野值剔除。通过提高数据包收发频率来进行网络数据吞吐压力测试；通过卫星功能失效、环境云遮档测试任务规划流程的适应性等。

2 仿真试验系统设计与实现

多星在轨自主协同仿真试验系统是基于多星快速响应的集成验证系统，可进行卫星及载荷设置、目标库设置等，并进行任务规划，对过程在场景中实时显示，或回放已产生的在轨数据，复盘在轨任务规划软件的执行情况，同时支持在轨相关参数调优。

2.1 系统顶层设计

星载计算机负责自主任务规划，地面测试负责模拟成员星及场景，生成与星上交互的数据，进行星上系统与地面系统联合闭环试验验证，图5给出了仿真试验系统示意图。

图5 仿真系统示意图

卫星与地面测试系统可以通过TCP/IP、RS422串口进行连接。地面测试通过模拟各成员星给卫星做数据，模拟自主任务规划计算机的外部的真实信息交互，随轨道飞行，建立星地目标时空关系，在特定地理位置按时序产生载荷目标数据包，继而执行目标成像任务。仿真系统总体过程如图6所示。

图6 仿真系统总体过程图

在开发人员完成算法、模型开发后，规划和仿真用户基于多星在轨自主协同场景仿真的主界面，进行需求的输入，系统将需求分解为任务；接着调用任务规划算法，规划成为单星任务序列、异步任务序列、同步任务序列和任务间约束。这些任务序列转化为控制期望和约束，作为动力学与控制仿真的输入。动力学与控制仿真完成各任务期望姿态和期望轨道的跟踪控制，将控制结果转化为卫星姿态数据、轨道数据、状态数据等，分别输入到载荷仿真模型、执行机构仿真模型、敏感器仿真模型和星间协同仿真模型。所有仿真数据和软件运行中间数据保存在仿真数据库中，再从数据库发送给自主任务管理场景仿真显示界面，以2D/3D和曲线形式显示出来。最后，将用户需求和预期仿真效果与实际运行效果，进行仿真评估。

2.2 系统工作模式

仿真系统具备地面仿真测试模式、在轨数据回放、数据驱动调参3种模式。

地面仿真测试模式模式下地面对场景、目标、卫星、任务进行配置，与星载计算机实时闭环数据交互，模拟多星载荷、轨道、动作、任务执行过程，如图7所示。该模式以仿真场景为外围激励，验证星上任务规划软件功能，实现星上任务规划软件的快速迭代开发。

图7 地面仿真测试模式示意图

在轨数据驱动回放模式下不进行多星协同，只显示过程的所有执行步骤，如图8所示。利用在轨运行过程中收集到的数据包(目标队列数据包、任务规划结果数据包、成员星轨道姿态数据包等)进行回放，解析每个数据包里的信息，利用该真实信息驱动动画场景，使各个卫星进行姿态机动、成像、数传等各个动作回放，展示任务规划结果和成员星任务执行过程。

在轨数据驱动调参模式以在轨载荷数据源为输入，显示目标场景，同时作为任务规划输入，如图9所示。重新进行新的任务规划，获取规划的结果，用于作为调整星上参数的参考，多次运行，评估，以获取最优解。搜索载荷进行目标搜索发现，对发现的目标进行引导信息组包、发送。

图9 在轨数据驱动调参模式示意图

2.3 系统工作流程

多星在轨自主协同仿真系统用于多颗成员星、目标、环境的仿真模拟，地面仿真系统与星载计算机物理设备通过有线连接，执行信息交互收发，开展实时闭环仿真。仿真系统包括场景配置模块、目标设置模拟模块、卫星参数设置模拟模块、星载计算机软件模块、地面注数及遥测评估模块等如图10所示。

图10 仿真验证系统模块

场景配置模块可以对场景开始时间、仿真步长、倍率等进行设置，较大程度反应场景状态。目标设置模拟模块可以设置区域目标分布特性及属性，通过软件内目标随机生成算法(蒙特卡洛随机算法、均匀随机算法、正态随机算法)，按区选取，并对随机数量、生成经纬度、属性信息、运动轨迹、航向航速进行设置。通过卫星参数设置模拟模块将轨道根数，位置速度、姿态机动时间参数的系数，滚动机动边界，滚动切换最大角度设置好。注数生成软件模块可对各种任务模式的相关参数进行调整，可对任务单类型进行选择，充分适应任务的多变性和复杂性。中枢星向地面仿真子系统模拟的成员星分发任务，通过星上与地面的有线连接，模拟星间网络任务分发至成员星的过程，将解析结果发送数据包给任务规划测试系统模拟的各颗成员星，包括任务启动字、工作模式、任务时段等。遥测显示模块可以显示任务规划结果、星上运行状态、地面测试系统模拟的多星任务执行信息。效能评估模块可实现任务规划性能评估、算法验证功能评估以及任务规划效能定量化评估。2D/3D演示模块包括动画显示界面、操作按钮、可见性显示界面以及通信连接界面，该模块支持显示包括在轨多星轨道运行仿真、卫星状态数据显示、多星相对运动显示以及任务规划结果执行演示。注数包生成模块实现了任务注数、可调参数、数据包模拟等。

3 仿真验证

基于多星多目标优选分配、多次动态规划为例，对某在轨多星自主任务规划系统进行仿真试验。综合电子计算机选用在轨中枢星鉴定单机，与仿真软件集成为半物理仿真验证系统。试验平台中，综合电子计算机中运行多星协同自主任务规划软件，集成验证系统具备模拟目标模型、场景模型、卫星模型功能，可与自主任务规划软件形成闭环测试环境，如图11所示。

图11 多星在轨自主协同仿真系统部署图

某在轨星群系统对地表某区域执行了多目标分散观测任务，其中，电子信号探测载荷均工作在全频段模式，船舶自动识别系统(Automatic Identification System,AIS)载荷开机，地面注入态势底图重点区域。通过遥测下行，得到在轨搜索星获得的真实目标信息，见表2。

在轨星载软件运行时，会将星间、星内引导包数据下卸处理，对此次任务时间段内各引导包进行解析，将引导包的目标信息导入至仿真软件，同时在任务区随机设置一些其他目标，将所有搜索星发现的目标全部导入至仿真软件得到目标分布，如图12所示。

图12 引导目标分布图

中枢星实时对星间、星内载荷送来的目标引导数据进行接收、存储。通过邻近目标融合，目标较近则被融合成一个目标，例如目标1、9、15，他们的目标属性相对一致，但是经纬度所表征的目标位置相对较近，利用1.3节中目标邻近算法可以将多个邻近目标融合成一个目标进行一次成像，可提高卫星观测效率。通过多级排序后的引导队列(以区域等级高-重要度高-定位误差小-置信度高优先)可以得到引导目标优选后分配给成员星的最佳成像观测路径，如图13所示。

由成像规划结果可以看出，邻近目标在规划过程中通过邻近目标融合被剔除，筛选出的成像目标均在成员星可成像范围内，而依据图13中每次任务规划目标的分布情况可以看出，在相关约束下，选出优先级高的目标进行成像，最终获得合理且高效的成像任务规划方案。

图13 4颗成像星成像规划路径图

4 结束语

本文对多星在轨自主协同任务规划仿真试验系统进行了分析研究，通过建立仿真模型能够实现融合物理实况数据、在轨应用数据、仿真数据的效果，继而形成信息物理测试数据，最终获得更加全面与准确的多星协同任务规划信息，实现了多星在轨信息的共享与增值。通过真实的星上计算机运行自主任务规划软件与地面仿真子系统模拟的成员星进行实时数据交互，可视化闭环验证多星协同星载自主规划软件的有效性，提供了星上自主任务规划系统研制与测试保障的关键工具，提升星上任务规划系统的测试充分性、可靠性和安全性。后续在如何寻找最优规划方案、卫星组网模式，如何获得卫星在轨状态以及观测数据以后预先模拟卫星规划，使其能持续优化星座资源，如何确定最优目标和达到最大资源利用率方面进行研究。