遙感衛(wèi)星滾動(dòng)式動(dòng)態(tài)任務(wù)規(guī)劃技術(shù)

劉曉麗，楊 斌，高朝暉，何川東

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081； 2.北京市遙感信息研究所，北京 100192)

遙感衛(wèi)星滾動(dòng)式動(dòng)態(tài)任務(wù)規(guī)劃技術(shù)

劉曉麗1，楊 斌2，高朝暉1，何川東2

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081； 2.北京市遙感信息研究所，北京 100192)

面對(duì)應(yīng)急任務(wù)常態(tài)化趨勢(shì)，通過(guò)分析衛(wèi)星任務(wù)管控系統(tǒng)快速響應(yīng)需求，提出了滾動(dòng)式動(dòng)態(tài)任務(wù)規(guī)劃技術(shù)方法，研究了動(dòng)態(tài)任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題的求解過(guò)程，分析了動(dòng)態(tài)任務(wù)規(guī)劃滾動(dòng)時(shí)間窗口選取策略、前瞻式任務(wù)與資源處理策略和星上資源連續(xù)使用原則等。該方法在遙感衛(wèi)星任務(wù)管控系統(tǒng)中的工程化應(yīng)用將能夠大大提升系統(tǒng)應(yīng)急任務(wù)快速響應(yīng)時(shí)效性，降低任務(wù)動(dòng)態(tài)調(diào)整復(fù)雜度，規(guī)避星上任務(wù)頻繁調(diào)整風(fēng)險(xiǎn)。該方法將為面向任務(wù)快速響應(yīng)的新一代任務(wù)管控系統(tǒng)建設(shè)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

動(dòng)態(tài)任務(wù)規(guī)劃；滾動(dòng)式任務(wù)規(guī)劃；應(yīng)急快速響應(yīng)；衛(wèi)星任務(wù)管控

0 引言

現(xiàn)有的遙感衛(wèi)星任務(wù)管控系統(tǒng)，為配合日常值班，大多采用以天為周期批處理式的任務(wù)規(guī)劃方式[1]，每顆衛(wèi)星一般一天進(jìn)行一次任務(wù)規(guī)劃，一次規(guī)劃安排24 h內(nèi)的觀測(cè)任務(wù)[2]。雖然在解決資源沖突方面比較有效，當(dāng)在軌運(yùn)行衛(wèi)星數(shù)量較多時(shí)，任務(wù)量大幅增長(zhǎng)，并且任務(wù)動(dòng)態(tài)變化頻繁，任務(wù)快速響應(yīng)要求較高時(shí)，這種針對(duì)常規(guī)普查任務(wù)跨距較長(zhǎng)的靜態(tài)管控流程[3]，在面對(duì)突發(fā)事件緊急調(diào)整任務(wù)時(shí)，應(yīng)急任務(wù)插入可能會(huì)影響到24 h的星上任務(wù)執(zhí)行，任務(wù)調(diào)整不夠靈活、快捷，經(jīng)常需要取消星上指令進(jìn)行重新上注新指令，存在衛(wèi)星安全風(fēng)險(xiǎn)，值班人員工作壓力大，并且用戶提交觀測(cè)需求需要等待1～2天時(shí)間才能安排執(zhí)行[4]。目前針對(duì)應(yīng)急任務(wù)快速調(diào)整任務(wù)規(guī)劃方法的研究大多是基于已有任務(wù)規(guī)劃方案進(jìn)行應(yīng)急任務(wù)插入動(dòng)態(tài)方案調(diào)整，如文獻(xiàn)[5]基于目標(biāo)無(wú)圈有向圖模型，引入延遲非支配路徑的概念,提出基于標(biāo)記更新的成像路徑搜索算法解決應(yīng)急成像調(diào)度問(wèn)題，文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一種基于自由度規(guī)則的動(dòng)態(tài)啟發(fā)式求解算法，文獻(xiàn)[7]提出了綜合考慮任務(wù)合成、修復(fù)和向后移位的多星動(dòng)態(tài)應(yīng)急調(diào)度算法。這些文獻(xiàn)中都沒(méi)有關(guān)注星上任務(wù)的應(yīng)急調(diào)整，但在實(shí)際工程中，不涉及星上任務(wù)調(diào)整的應(yīng)急動(dòng)態(tài)調(diào)整任務(wù)規(guī)劃，時(shí)間并不是很緊急，完全可以進(jìn)行重新規(guī)劃，對(duì)于相應(yīng)任務(wù)規(guī)劃區(qū)間的任務(wù)指令已經(jīng)上注衛(wèi)星開(kāi)始執(zhí)行的情況，必須要對(duì)星上指令進(jìn)行取消、替換等操作?，F(xiàn)有的應(yīng)急調(diào)整模式由于要頻繁調(diào)整星上任務(wù)，無(wú)法應(yīng)付應(yīng)急常態(tài)化任務(wù)管控。未來(lái)任務(wù)管控系統(tǒng)建設(shè)對(duì)系統(tǒng)智能化、自動(dòng)化與任務(wù)快速響應(yīng)能力提出了更高要求，現(xiàn)有面向常規(guī)普查任務(wù)的固定值班周期任務(wù)控制模式已不能滿足應(yīng)急常態(tài)化情況下任務(wù)快速調(diào)整的時(shí)效性要求，縮短衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃時(shí)間區(qū)間勢(shì)在必行，采用面向快速響應(yīng)任務(wù)的滾動(dòng)式動(dòng)態(tài)任務(wù)管控模式，在上層進(jìn)行集中任務(wù)與資源統(tǒng)籌預(yù)分配基礎(chǔ)上，在下層進(jìn)行滾動(dòng)式單星動(dòng)態(tài)任務(wù)規(guī)劃，提升各衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃的相對(duì)獨(dú)立性和對(duì)應(yīng)急任務(wù)的快速動(dòng)態(tài)調(diào)整能力，縮短從需求受理到獲取數(shù)據(jù)的時(shí)間周期，從而提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力[8]。目前已有初步的理論研究[9]，但研究還不夠深入，沒(méi)有切合工程實(shí)踐，也沒(méi)有提出可直接用于工程實(shí)現(xiàn)的方法。

1 動(dòng)態(tài)任務(wù)規(guī)劃方法

動(dòng)態(tài)規(guī)劃是運(yùn)籌學(xué)的一個(gè)分支，是求解決策過(guò)程最優(yōu)的數(shù)學(xué)方法，其最終目的是確定各決策變量的取值，以使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到極大或極小。由美國(guó)數(shù)學(xué)家Bellman R E 等人在研究多階段決策過(guò)程的優(yōu)化問(wèn)題時(shí)提出，他們把多階段過(guò)程轉(zhuǎn)化為一系列單階段問(wèn)題，利用各階段之間的關(guān)系，逐個(gè)求解，解決了這類過(guò)程優(yōu)化問(wèn)題。動(dòng)態(tài)規(guī)劃的基本思想是將待求解的問(wèn)題分解為若干子問(wèn)題(階段)，按順序求解子階段，前一子問(wèn)題的解，為后一子問(wèn)題的求解提供了有用的信息。在求解任一子問(wèn)題時(shí)，列出各種可能的局部解，通過(guò)決策保留那些有可能達(dá)到最優(yōu)的局部解，丟棄其他局部解。依次解決各子問(wèn)題，所有子問(wèn)題解決后即解決了初始問(wèn)題[10]。

動(dòng)態(tài)規(guī)劃是求解多階段優(yōu)化決策類問(wèn)題的一種方法，是考察問(wèn)題的一種途徑，而不是一種算法。所以必須對(duì)具體問(wèn)題進(jìn)行具體分析，運(yùn)用動(dòng)態(tài)規(guī)劃的原理和方法，建立相應(yīng)的模型，然后再用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法去求解。

動(dòng)態(tài)規(guī)劃按照問(wèn)題的時(shí)間或空間特征，把問(wèn)題分為若干個(gè)階段。將問(wèn)題發(fā)展到各個(gè)階段時(shí)所處的各種客觀情況用不同的狀態(tài)表示出來(lái)。每一階段的決策僅依賴于前一階段的狀態(tài)，由決策所采取的動(dòng)作使?fàn)顟B(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)移，成為下一階段決策的依據(jù)。從而，一個(gè)決策序列在不斷變化的狀態(tài)中產(chǎn)生。這個(gè)決策序列產(chǎn)生的過(guò)程稱為多階段決策過(guò)程，如圖1所示。

圖1 多階段決策過(guò)程

在多階段決策過(guò)程中，動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法是既把當(dāng)前一段和未來(lái)一段分開(kāi)，又把當(dāng)前效益和未來(lái)效益結(jié)合起來(lái)考慮的一種最優(yōu)化方法。因此，每段決策的選取是從全局來(lái)考慮的。在求整個(gè)問(wèn)題的最優(yōu)策略時(shí)，由于初始狀態(tài)是已知的，而每段決策都是該段狀態(tài)的函數(shù)，故最優(yōu)策略所經(jīng)過(guò)的各段狀態(tài)便可逐段變換得到，從而確定了最優(yōu)路線。可以把多階段決策問(wèn)題的求解過(guò)程看成一個(gè)連續(xù)的遞推過(guò)程。在求解時(shí)，各狀態(tài)前面的狀態(tài)和決策，相對(duì)其后面的子問(wèn)題，相當(dāng)于初始條件，并不影響后面過(guò)程的最優(yōu)策略。所以，動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法解題的基本思路，是將一個(gè)多階段決策問(wèn)題轉(zhuǎn)化為依次求解多個(gè)單階段的決策問(wèn)題，從而簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程。

2 動(dòng)態(tài)任務(wù)規(guī)劃在遙感衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃中的應(yīng)用

2.1 遙感衛(wèi)星滾動(dòng)式動(dòng)態(tài)任務(wù)規(guī)劃

遙感衛(wèi)星動(dòng)態(tài)任務(wù)規(guī)劃即將原來(lái)以天為單位的長(zhǎng)周期任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題劃分為若干個(gè)子階段的任務(wù)規(guī)劃過(guò)程，選擇一天可用的多個(gè)業(yè)務(wù)測(cè)控時(shí)機(jī)，以測(cè)控時(shí)間周期進(jìn)行劃分，進(jìn)行多次任務(wù)規(guī)劃，每個(gè)階段任務(wù)規(guī)劃稱為一個(gè)子任務(wù)規(guī)劃。

相對(duì)于常規(guī)任務(wù)分時(shí)段、分批次的到達(dá)模式，應(yīng)急常態(tài)化下的衛(wèi)星觀測(cè)任務(wù)以動(dòng)態(tài)方式不斷到達(dá)系統(tǒng)。為滿足任務(wù)的時(shí)效性需求，系統(tǒng)需要通過(guò)多次規(guī)劃完成所有任務(wù)的規(guī)劃。針對(duì)應(yīng)急任務(wù)具有動(dòng)態(tài)變化性和快速保障的特點(diǎn)，可以采用基于滾動(dòng)優(yōu)化策略的動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法。該方法以滾動(dòng)推進(jìn)的形式選擇任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃，可及時(shí)調(diào)整任務(wù)規(guī)劃方案以適應(yīng)和跟蹤系統(tǒng)狀態(tài)的變化，因此能夠有效應(yīng)對(duì)任務(wù)動(dòng)態(tài)到達(dá)對(duì)系統(tǒng)負(fù)載的影響。

現(xiàn)有常規(guī)任務(wù)規(guī)劃方式一般按天進(jìn)行一批次任務(wù)規(guī)劃，在一次任務(wù)規(guī)劃過(guò)程中首動(dòng)作安排固存清除，從頭開(kāi)始記錄任務(wù)，任務(wù)規(guī)劃周期內(nèi)將所有安排的觀測(cè)任務(wù)全部安排數(shù)據(jù)下傳，衛(wèi)星姿態(tài)復(fù)位，一次任務(wù)規(guī)劃與下一次任務(wù)規(guī)劃之間相對(duì)獨(dú)立。

動(dòng)態(tài)任務(wù)規(guī)劃與現(xiàn)有常規(guī)任務(wù)規(guī)劃方式主要區(qū)別不僅在于規(guī)劃周期縮短，關(guān)鍵在于單次任務(wù)規(guī)劃區(qū)間內(nèi)星上存儲(chǔ)與平臺(tái)姿態(tài)等沒(méi)有復(fù)位，因此各次任務(wù)規(guī)劃之間并不是獨(dú)立的，本次任務(wù)規(guī)劃與前一次、后一次任務(wù)規(guī)劃之間存在星地資源使用的關(guān)聯(lián)關(guān)系，即前一次任務(wù)規(guī)劃結(jié)束后的星地資源使用狀態(tài)會(huì)影響后一次任務(wù)規(guī)劃的決策。但每一輪任務(wù)規(guī)劃過(guò)程中采用的優(yōu)化搜索算法、優(yōu)化策略以及各星的約束處理功能等，與原先的任務(wù)規(guī)劃沒(méi)有太大不同，仍然可以采用原先的方法，也可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整[8]。

2.2 滾動(dòng)式動(dòng)態(tài)任務(wù)規(guī)劃定義

定義狀態(tài)空間Φ：

Φ=(T，M，E，A)，

式中，T為已安排觀測(cè)但未安排回放任務(wù)集；M為固存占用容量；F為固存已占用未回放文件號(hào)；E為上一輪規(guī)劃結(jié)束星上剩余能源；A為上一輪規(guī)劃結(jié)束衛(wèi)星停留姿態(tài)角度、數(shù)傳天線角度等。

基于狀態(tài)空間的定義，一次完整的任務(wù)規(guī)劃的狀態(tài)可表示為：

Φ=Φ1∪Φ2∪…Φn。

則n+1輪任務(wù)規(guī)劃的初始狀態(tài)為第n輪任務(wù)規(guī)劃的完成狀態(tài)，即

(1)

設(shè)Q為Φ中包含的任務(wù)集(初始狀態(tài)為待安排任務(wù)集，完成狀態(tài)為已安排任務(wù)集)，即

一次完整的任務(wù)規(guī)劃最終安排任務(wù)為：

相鄰2輪任務(wù)規(guī)劃之間必須滿足以下約束：

Φn+1(t)-Φn(t)>p，

(2)

式中，p為相鄰2次載荷動(dòng)作時(shí)間間隔，即前一次任務(wù)規(guī)劃最后一個(gè)動(dòng)作結(jié)束時(shí)間與下一輪任務(wù)規(guī)劃首動(dòng)作時(shí)間間隔必須滿足載荷動(dòng)作時(shí)間間隔約束(不同的動(dòng)作類型，間隔時(shí)間有所不同)。該約束也適用于每輪任務(wù)規(guī)劃內(nèi)任意相鄰2個(gè)動(dòng)作。

2.3 滾動(dòng)式動(dòng)態(tài)任務(wù)規(guī)劃的求解過(guò)程

動(dòng)態(tài)任務(wù)規(guī)劃[9]的求解過(guò)程為多輪任務(wù)規(guī)劃之間狀態(tài)的轉(zhuǎn)移[10]，而每一輪任務(wù)規(guī)劃子問(wèn)題的求解仍然采用原先的各類智能任務(wù)規(guī)劃算法與各衛(wèi)星的約束處理實(shí)現(xiàn),如遺傳算法[11-12]、粒子群算法[13]和蟻群算法[14]等。狀態(tài)轉(zhuǎn)移就是根據(jù)上一階段的狀態(tài)進(jìn)行決策來(lái)導(dǎo)出本階段的狀態(tài)。

相鄰2輪任務(wù)規(guī)劃之間要滿足式(2)的載荷動(dòng)作間隔約束。n輪任務(wù)規(guī)劃中固存容量、星上能源和平臺(tái)姿態(tài)的使用是連續(xù)的，即滿足式(1)的約束，即單輪任務(wù)規(guī)劃并不一定要保證數(shù)據(jù)平衡、能源平衡與資源平衡，但在衛(wèi)星整體任務(wù)規(guī)劃中要保證數(shù)據(jù)平衡、能源平衡與姿態(tài)平衡[15]。

狀態(tài)Φn到Φn+1的轉(zhuǎn)換方法：以Φn中的固存容量、星上能量和平臺(tái)姿態(tài)等作為Φn+1任務(wù)規(guī)劃的初始狀態(tài)開(kāi)始新一輪任務(wù)規(guī)劃，通過(guò)在Φn中獲取未回放的所有任務(wù)Tn，在Φn+1中進(jìn)行數(shù)傳任務(wù)與接收資源安排，并且數(shù)傳任務(wù)中安排回放的固存文件號(hào)必須包含Φn中已記錄的固存文件號(hào)，每一輪任務(wù)規(guī)劃過(guò)程中都需要在初始的固存容量、星上能源和平臺(tái)姿態(tài)狀態(tài)基礎(chǔ)上進(jìn)行載荷與平臺(tái)使用約束的檢驗(yàn)。n+1輪任務(wù)規(guī)劃完成后的狀態(tài)作為n+2輪任務(wù)規(guī)劃的初始狀態(tài),以此類推，通過(guò)多輪滾動(dòng)式任務(wù)規(guī)劃狀態(tài)的轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)整體連續(xù)的任務(wù)規(guī)劃，即為滾動(dòng)式動(dòng)態(tài)任務(wù)規(guī)劃[8]，如圖2所示。

圖2 動(dòng)態(tài)規(guī)劃流程

對(duì)于一次滾動(dòng)式動(dòng)態(tài)任務(wù)規(guī)劃，可以采用各類啟發(fā)式優(yōu)化搜索算法進(jìn)行求解，與傳統(tǒng)的任務(wù)規(guī)劃算法沒(méi)有太大區(qū)別，本文不再介紹。只是優(yōu)化評(píng)價(jià)函數(shù)需要根據(jù)動(dòng)態(tài)任務(wù)規(guī)劃特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。

目前常用的任務(wù)規(guī)劃算法優(yōu)化評(píng)價(jià)函數(shù)一般采用所有任務(wù)各因素加權(quán)求和的方式[11，16]，表達(dá)式為：

式中，rt為任務(wù)安排比率，對(duì)于點(diǎn)目標(biāo)任務(wù)該值為1，對(duì)于區(qū)域目標(biāo)任務(wù)則為多個(gè)元任務(wù)對(duì)目標(biāo)的整體覆蓋率；pe為各因素對(duì)目標(biāo)函數(shù)的貢獻(xiàn)值；we為各因素權(quán)重。

該目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：可通過(guò)調(diào)整各目標(biāo)因素的收益權(quán)重來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶不同的規(guī)劃策略要求[13]。針對(duì)動(dòng)態(tài)任務(wù)規(guī)劃特點(diǎn)，將優(yōu)化評(píng)價(jià)函數(shù)調(diào)整如下：

3 滾動(dòng)式動(dòng)態(tài)任務(wù)規(guī)劃策略設(shè)計(jì)

3.1 滾動(dòng)時(shí)間窗口選取策略

滾動(dòng)優(yōu)化策略的基本思想是將任務(wù)按照到達(dá)順序劃分為具有一定交疊，但隨著規(guī)劃時(shí)刻不斷向前推進(jìn)的任務(wù)集合，稱為滾動(dòng)窗口。在每次規(guī)劃時(shí)，僅對(duì)當(dāng)前滾動(dòng)窗口內(nèi)的任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃，隨著規(guī)劃時(shí)間窗口的推進(jìn)，新任務(wù)被不斷加入，而完成規(guī)劃的任務(wù)退出任務(wù)隊(duì)列，從而實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)窗口的更新。滾動(dòng)優(yōu)化策略的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)?fù)雜的動(dòng)態(tài)規(guī)劃問(wèn)題分解為多個(gè)簡(jiǎn)單的靜態(tài)規(guī)劃子問(wèn)題，并以子問(wèn)題優(yōu)化解的組合代替原問(wèn)題的最優(yōu)解，從而降低原問(wèn)題求解的難度，并及時(shí)納入應(yīng)急任務(wù)，縮短從任務(wù)提交到安排執(zhí)行之間的等待時(shí)間。

滾動(dòng)優(yōu)化策略的一個(gè)關(guān)鍵因素是如何確定滾動(dòng)窗口。滾動(dòng)窗口用于存儲(chǔ)參與當(dāng)前規(guī)劃的任務(wù)與接收資源[10]。

衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃由于受固存和回放資源的限制，導(dǎo)致觀測(cè)任務(wù)序列數(shù)量不可能無(wú)限膨脹，在2次回放動(dòng)作之間的目標(biāo)數(shù)量和觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)受固存和回放資源的限制，所以，以回放時(shí)刻劃分滾動(dòng)窗口相對(duì)比較合理。目前，對(duì)于高分辨率衛(wèi)星，由于一次成像圖像數(shù)據(jù)量很大，需要頻繁回放，且基于固存的隨機(jī)回放能力與任務(wù)對(duì)接收站與接收時(shí)效性的要求，觀測(cè)任務(wù)可能會(huì)跨區(qū)間回放，另外，由于回放時(shí)間區(qū)間與測(cè)控時(shí)間區(qū)間不匹配，生成的指令無(wú)法及時(shí)上注。因此按照回放時(shí)間區(qū)間進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃在目前是不可行的。若將來(lái)每個(gè)地面站都具備測(cè)控上行能力也同時(shí)具備數(shù)據(jù)接收能力，則可以按照回放時(shí)間區(qū)間進(jìn)行滾動(dòng)時(shí)間窗口的劃分。

任務(wù)的最終執(zhí)行完成，必須有業(yè)務(wù)測(cè)控時(shí)段進(jìn)行遙控指令上注衛(wèi)星執(zhí)行。可以通過(guò)縮短測(cè)控時(shí)間間隔，提高有效載荷控制指令上注頻率，在緊急情況下，還可臨時(shí)申請(qǐng)應(yīng)急測(cè)控資源，從而提高衛(wèi)星任務(wù)快速反應(yīng)和精細(xì)化管理能力，因此，采用測(cè)控時(shí)間區(qū)間作為滾動(dòng)式任務(wù)規(guī)劃時(shí)間區(qū)間針對(duì)當(dāng)前地面站使用現(xiàn)狀來(lái)說(shuō)是合理可行的。

以測(cè)控時(shí)間段為任務(wù)規(guī)劃區(qū)間雖然可以提高衛(wèi)星對(duì)應(yīng)急任務(wù)的保障能力，但是，由于受衛(wèi)星測(cè)控資源的限制，目前衛(wèi)星2次測(cè)控時(shí)間間隔一般在小時(shí)級(jí)，隨著動(dòng)態(tài)任務(wù)下達(dá)的隨機(jī)性提高，不可預(yù)知未來(lái)觀測(cè)任務(wù)的分布情況；同時(shí)，由于衛(wèi)星受固存與回放資源的限制，如果任務(wù)規(guī)劃時(shí)完全不考慮后續(xù)回放資源，有可能出現(xiàn)前面規(guī)劃的觀測(cè)任務(wù)無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)下傳，或者前面規(guī)劃的任務(wù)太多導(dǎo)致后面無(wú)法安排其他任務(wù)。所以，為了避免上述情況，每次任務(wù)規(guī)劃時(shí)必須考慮回放資源，即衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃的任務(wù)滾動(dòng)窗口為測(cè)控時(shí)間間隔，而資源滾動(dòng)窗口可能大于測(cè)控時(shí)間窗口。理想情況，若接收站都具有測(cè)控上行能力，則測(cè)控時(shí)間窗口與回放窗口一致，在上注下一圈任務(wù)指令的同時(shí)，完成上一圈任務(wù)的接收。按測(cè)控時(shí)間將單次任務(wù)規(guī)劃細(xì)分為多次連續(xù)任務(wù)規(guī)劃，并上注有效載荷控制指令，即為基于測(cè)控周期的滾動(dòng)式任務(wù)規(guī)劃。

任務(wù)規(guī)劃工作時(shí)機(jī)選擇確定：從當(dāng)前時(shí)間之后，查找該衛(wèi)星最早可用的測(cè)控時(shí)段，在該測(cè)控時(shí)段之前預(yù)留任務(wù)管控工作時(shí)間與測(cè)控注入準(zhǔn)備時(shí)間，為總的測(cè)控準(zhǔn)備時(shí)間，測(cè)控時(shí)段開(kāi)始時(shí)間前推準(zhǔn)備時(shí)長(zhǎng)的時(shí)間點(diǎn)，在該時(shí)刻之前，不再受理任務(wù)，即為本次滾動(dòng)式任務(wù)規(guī)劃的工作時(shí)間上限T0，開(kāi)始進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，即為任務(wù)規(guī)劃工作時(shí)機(jī)。

滾動(dòng)式任務(wù)規(guī)劃時(shí)間窗口的選擇確定：最近的測(cè)控時(shí)段結(jié)束時(shí)刻，向后預(yù)留任務(wù)執(zhí)行前置時(shí)間長(zhǎng)度(姿態(tài)機(jī)動(dòng)時(shí)間、指令執(zhí)行延時(shí)、與上次動(dòng)作間隔時(shí)間等)，到下一個(gè)可用的測(cè)控時(shí)段結(jié)束時(shí)刻，即為一次滾動(dòng)式任務(wù)規(guī)劃的任務(wù)滾動(dòng)時(shí)間窗口[T1+Δt,T2]，T1為最近一個(gè)測(cè)控窗口的結(jié)束時(shí)間，T2為下一個(gè)測(cè)控窗口的結(jié)束時(shí)間，如圖3所示。

圖3 滾動(dòng)時(shí)間窗口選取示意

而任務(wù)規(guī)劃需要考慮本次任務(wù)區(qū)間未回放任務(wù)在最近一個(gè)回放窗口能否完全回放，因此任務(wù)規(guī)劃的資源滾動(dòng)時(shí)間窗口[T1,T3]，T3為與任務(wù)滾動(dòng)時(shí)間窗口結(jié)束時(shí)間最近的接收窗口開(kāi)始時(shí)間。需要說(shuō)明的是，多次滾動(dòng)任務(wù)規(guī)劃之間任務(wù)滾動(dòng)窗口是連續(xù)的，而資源滾動(dòng)窗口是交疊的，因?yàn)樯洗螡L動(dòng)窗口內(nèi)未回放的任務(wù)需要與本次滾動(dòng)窗口的任務(wù)一起進(jìn)行數(shù)據(jù)回放。若地面站在測(cè)控的同時(shí)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，則任務(wù)滾動(dòng)時(shí)間窗口與資源滾動(dòng)時(shí)間窗口一致。

3.2 前瞻式任務(wù)與資源處理策略

若本輪任務(wù)規(guī)劃結(jié)束前有任務(wù)無(wú)可回放資源時(shí)，嘗試前瞻獲取下一輪最近可用的接收資源，并統(tǒng)籌考慮下一輪同一回放時(shí)間段內(nèi)已下達(dá)的任務(wù)進(jìn)行任務(wù)安排，若無(wú)下達(dá)任務(wù)時(shí)，根據(jù)時(shí)間長(zhǎng)度與任務(wù)間隔時(shí)間進(jìn)行任務(wù)預(yù)估，生成的方案中去掉時(shí)間超出本輪規(guī)劃區(qū)間的內(nèi)容，這樣可以保證本輪未回放的任務(wù)在下一輪中有足夠接收資源安排回放，又可以不影響下一輪重要任務(wù)的回放，盡量使最終解趨近全局最優(yōu)。即全局考慮任務(wù)規(guī)劃方案的優(yōu)化性，本輪任務(wù)規(guī)劃時(shí)前瞻式考慮下一輪任務(wù)規(guī)劃中可用的接收資源與同一資源回放時(shí)段內(nèi)的已下達(dá)任務(wù)情況，單輪任務(wù)規(guī)劃按照資源滾動(dòng)時(shí)間窗口考慮任務(wù)與資源的安排，最終任務(wù)規(guī)劃結(jié)果按照測(cè)控時(shí)間窗口生成[17]。

3.3 星上資源連續(xù)使用原則

每輪滾動(dòng)式任務(wù)規(guī)劃之后，需要記錄星上固存使用情況與未回放任務(wù)，包括固存已使用容量，固存記錄文件號(hào)，每個(gè)文件號(hào)對(duì)應(yīng)的任務(wù)信息以及容量，還需要記錄星上能量與衛(wèi)星姿態(tài)角度等會(huì)對(duì)后續(xù)任務(wù)規(guī)劃產(chǎn)生影響的星上資源狀態(tài)，每輪滾動(dòng)式任務(wù)規(guī)劃時(shí)，需要提取前一輪任務(wù)規(guī)劃結(jié)束記錄的星上資源狀態(tài)，作為本輪規(guī)劃的初始輸入。更進(jìn)一步，星上狀態(tài)在每個(gè)載荷動(dòng)作后都進(jìn)行記錄，這樣從任意動(dòng)作之后都可以開(kāi)始新一輪任務(wù)規(guī)劃。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的滾動(dòng)式動(dòng)態(tài)任務(wù)規(guī)劃技術(shù)方法面向突發(fā)事件的遙感衛(wèi)星動(dòng)態(tài)管控新模式[18]，將動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法應(yīng)用到衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃，基于測(cè)控周期將常規(guī)一天的任務(wù)規(guī)劃分解為多輪動(dòng)態(tài)任務(wù)規(guī)劃過(guò)程，突發(fā)應(yīng)急任務(wù)能夠及時(shí)在最近的滾動(dòng)時(shí)間窗口中進(jìn)行快速安排，并基于前瞻式任務(wù)與資源處理策略使整體任務(wù)規(guī)劃過(guò)程趨于最優(yōu)。本文方法在提升任務(wù)規(guī)劃時(shí)效性的同時(shí)兼顧優(yōu)化性，與現(xiàn)有的應(yīng)急任務(wù)動(dòng)態(tài)調(diào)整任務(wù)規(guī)劃技術(shù)相結(jié)合，能夠滿足面向任務(wù)快速響應(yīng)的遙感衛(wèi)星任務(wù)管控新要求。通過(guò)原型系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，本文方法能夠解決現(xiàn)有系統(tǒng)面臨的應(yīng)急快速響應(yīng)迫切需求，將為建設(shè)高效的新型智能任務(wù)管控系統(tǒng)[19]奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

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Research on Rolling Dynamic Mission Scheduling Technique for Remote Sensing Satellites

LIU Xiao-li1,YANG Bin2,GAO Zhao-hui1,HE Chuan-dong2

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China; 2.BeijingRemoteSensingInformationInstitute,Beijing100192,China)

Considering the trend of fast response to user’s dynamic missions,through the analysis of construction requirements of the mission management and control system for fast emergency response,the technique of rolling dynamic mission scheduling is presented.This technique will improve the timeliness of emergency mission response and avoid risk of altering the task injected into the satellite,and lay a foundation for developing a new generation mission management and control system.

dynamic mission scheduling;rolling mission scheduling;fast emergency response;satellite mission management and control

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.09.14

劉曉麗,楊斌,高朝暉,等.遙感衛(wèi)星滾動(dòng)式動(dòng)態(tài)任務(wù)規(guī)劃技術(shù)[J].無(wú)線電工程,2017,47(9):68-72.[LIU Xiaoli,YANG Bin,GAO Zhaohui，et al.Research on Rolling Dynamic Mission Scheduling Technique for Remote Sensing Satellites[J].Radio Engineering,2017,47(9):68-72.]

TP391

A

1003-3106(2017)09-0068-05

2017-02-21

中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015M580217)。

劉曉麗 女，(1976—)，高級(jí)工程師。主要研究方向：智能信息處理、航天任務(wù)管控。

楊 斌 男，(1977—)，高級(jí)工程師。主要研究方向：航天任務(wù)管控。