祝 佳，陶 峰

（1.中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都　610036；2.西安衛(wèi)星測(cè)控中心宇航動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安　710043）

敏捷成像衛(wèi)星需求籌劃系統(tǒng)應(yīng)用探析*

祝 佳**1，陶 峰2

（1.中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036；2.西安衛(wèi)星測(cè)控中心宇航動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710043）

作為一類(lèi)具有大范圍、快速機(jī)動(dòng)能力的對(duì)地觀(guān)測(cè)衛(wèi)星，敏捷成像衛(wèi)星在提高衛(wèi)星觀(guān)測(cè)效率的同時(shí)，也使得衛(wèi)星需求的籌劃與調(diào)度變得更加的復(fù)雜和困難，給衛(wèi)星需求籌劃技術(shù)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。針對(duì)敏捷成像衛(wèi)星的多種特殊工作模式，分析了敏捷成像衛(wèi)星需求籌劃的技術(shù)特點(diǎn)和約束條件，從工程應(yīng)用實(shí)際出發(fā)，建立了一套基于復(fù)雜需求分解和動(dòng)態(tài)規(guī)劃調(diào)整的敏捷衛(wèi)星地面需求籌劃系統(tǒng)，并根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需求，給出了相應(yīng)的應(yīng)用實(shí)例，最后進(jìn)一步展望了未來(lái)敏捷成像衛(wèi)星需求籌劃的發(fā)展方向。

敏捷成像衛(wèi)星；需求籌劃；對(duì)地觀(guān)測(cè)；應(yīng)用探析

1　引　言

隨著成像衛(wèi)星應(yīng)用需求的不斷提高，成像衛(wèi)星平臺(tái)及載荷技術(shù)也在不斷地發(fā)展，高分辨率敏捷成像衛(wèi)星就是根據(jù)未來(lái)衛(wèi)星應(yīng)用需求和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)而設(shè)計(jì)研制的新一代先進(jìn)衛(wèi)星。

目前，國(guó)外已經(jīng)成功研制并發(fā)射了多顆敏捷成像衛(wèi)星，例如歐洲的Pleiades-1A、SPOT-6，美國(guó)的GeoEye-1、WorldView-2等，它們都具有大范圍和快速的姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力。憑借這些能力，敏捷成像衛(wèi)星可以在短時(shí)間內(nèi)獲取大量的遙感數(shù)據(jù)，并在國(guó)土測(cè)繪、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)資源管理、森林防護(hù)等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮了巨大作用［1］。

隨著敏捷成像衛(wèi)星平臺(tái)能力的不斷提升，其工作模式和任務(wù)需求也變得更加復(fù)雜多樣，能夠參與的衛(wèi)星應(yīng)用類(lèi)型也更加靈活多變，這些同時(shí)也給敏捷衛(wèi)星的需求籌劃技術(shù)帶來(lái)了新的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。

美國(guó)宇航局的Globus等人［2］指出對(duì)于敏捷成像衛(wèi)星這類(lèi)對(duì)地觀(guān)測(cè)衛(wèi)星而言，其需求籌劃系統(tǒng)的主要難點(diǎn)在于約束條件的復(fù)雜多樣和巨大的求解搜索空間，建議通過(guò)盡量安排高優(yōu)先級(jí)的需求來(lái)解決問(wèn)題。歐洲空間局的Lemaitre等人［3］針對(duì)敏捷衛(wèi)星需求調(diào)度問(wèn)題，提出了將籌劃模型簡(jiǎn)化為單星單軌道的需求籌劃與任務(wù)調(diào)度問(wèn)題。Habet等人［4］采用禁忌搜索算法來(lái)實(shí)現(xiàn)敏捷衛(wèi)星任務(wù)需求的優(yōu)化調(diào)度和沖突消解。國(guó)內(nèi)的李玉慶等人［5］提出采用模擬退火算法與遺傳算法相結(jié)合的方式來(lái)解決三軸穩(wěn)定衛(wèi)星的點(diǎn)目標(biāo)任務(wù)籌劃問(wèn)題，但不適用于復(fù)雜工作模式。陳宇寧等人［6］基于蟻群算法提出了針對(duì)敏捷成像衛(wèi)星的優(yōu)化調(diào)度方法，并給出了相應(yīng)的調(diào)度方案，但其籌劃模型只是針對(duì)點(diǎn)目標(biāo)的簡(jiǎn)單需求，同樣沒(méi)有涉及復(fù)雜的工作模式。向仍湘［7］設(shè)計(jì)了一種針對(duì)敏捷衛(wèi)星不同需求任務(wù)的籌劃問(wèn)題求解框架，涉及了區(qū)域目標(biāo)分解、綜合調(diào)度和立體成像需求等。孫凱等人［8］針對(duì)敏捷衛(wèi)星的復(fù)雜任務(wù)需求，采用前瞻啟發(fā)式算法來(lái)進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，有一定的算法效率。郭浩等人［9］從密集任務(wù)聚類(lèi)的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了基于最大最小螞蟻系統(tǒng)的聚類(lèi)算法，提升了應(yīng)急條件下的需求籌劃能力。雖然針對(duì)敏捷衛(wèi)星的需求籌劃調(diào)度問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外都已經(jīng)開(kāi)展了一系列的研究工作［10-11］，但不少研究往往只關(guān)注于算法理論上的改進(jìn)與計(jì)算，忽視了許多在工程實(shí)現(xiàn)中會(huì)遇到的實(shí)際問(wèn)題，因而有必要從實(shí)際工程應(yīng)用需求的角度出發(fā)，研究更為實(shí)用的敏捷衛(wèi)星需求籌劃技術(shù)。

本文對(duì)敏捷成像衛(wèi)星的需求籌劃系統(tǒng)展開(kāi)研究，針對(duì)其特殊的工作模式和約束條件，分析籌劃模型的特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)，給出需求籌劃流程及應(yīng)用示例，以期為相關(guān)領(lǐng)域的研究人員提供參考。

2　敏捷衛(wèi)星需求籌劃特點(diǎn)

之所以被稱(chēng)為敏捷衛(wèi)星，就是相較于以往的非敏捷衛(wèi)星，這一類(lèi)衛(wèi)星擁有更為靈活的姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力和更大的姿態(tài)機(jī)動(dòng)范圍。表1給出了國(guó)外主要敏捷衛(wèi)星的相關(guān)參數(shù)。

表1　國(guó)外主要敏捷衛(wèi)星相關(guān)參數(shù)Tab.1 Parameters of foreign main agile satellites

以往的非敏捷類(lèi)衛(wèi)星最多只有一個(gè)方向的自由度，也就是圍繞翻滾軸做垂直于星下點(diǎn)軌跡的橫向側(cè)擺機(jī)動(dòng)，能夠進(jìn)行觀(guān)測(cè)的時(shí)間窗口較為狹小。而敏捷成像衛(wèi)星擁有3個(gè)方向的自由度，衛(wèi)星可以同時(shí)圍繞翻滾、俯仰、偏航3個(gè)軸進(jìn)行姿態(tài)機(jī)動(dòng)，也就是說(shuō)同時(shí)具備了在側(cè)擺和俯仰姿態(tài)下的成像觀(guān)測(cè)能力，如圖1所示。特別是通過(guò)調(diào)整觀(guān)測(cè)時(shí)的俯仰角，使得敏捷成像衛(wèi)星可以通過(guò)前視、正視、后視等不同的姿態(tài)在一個(gè)更為寬廣的時(shí)間窗口內(nèi)，自由地對(duì)地面目標(biāo)進(jìn)行觀(guān)測(cè)，更為靈活地選擇觀(guān)測(cè)的起止時(shí)間，從而消除以往很多觀(guān)測(cè)需求之間所存在的觀(guān)測(cè)時(shí)間沖突問(wèn)題，提供了更強(qiáng)大的觀(guān)測(cè)能力和更多的觀(guān)測(cè)自由。

圖1　敏捷衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)示意圖Fig.1 Diagram of agile satellite attitude maneuver

圖2給出了一組敏捷成像衛(wèi)星與非敏捷成像衛(wèi)星在觀(guān)測(cè)方式方面的對(duì)比示例。如圖所示，沿星下點(diǎn)軌跡有3個(gè)待觀(guān)測(cè)的任務(wù)需求目標(biāo)，對(duì)于非敏捷衛(wèi)星而言，目標(biāo)的觀(guān)測(cè)起止時(shí)間是確定的，由于目標(biāo)2與目標(biāo)3的觀(guān)測(cè)起止時(shí)間存在重疊，因而這兩個(gè)需求是相互沖突的，在籌劃時(shí)只能安排其中一個(gè)進(jìn)行觀(guān)測(cè)；而對(duì)于敏捷衛(wèi)星而言，由于具有了俯仰方面的自由度，衛(wèi)星與目標(biāo)之間的可見(jiàn)時(shí)間窗口大大增加，通過(guò)在較為寬廣的可見(jiàn)時(shí)間窗口內(nèi)合理地調(diào)整安排不同目標(biāo)的觀(guān)測(cè)起止時(shí)間，可以使得上述的任務(wù)需求沖突得到消解，3個(gè)觀(guān)測(cè)需求就可以在衛(wèi)星的一次過(guò)境機(jī)會(huì)內(nèi)全部安排完成觀(guān)測(cè)。

圖2　敏捷衛(wèi)星與非敏捷衛(wèi)星觀(guān)測(cè)方式的對(duì)比Fig.2 Comparison of observing way between agile satellite and non-agile satellite

觀(guān)測(cè)方式的靈活性和觀(guān)測(cè)機(jī)會(huì)的延長(zhǎng)使得敏捷成像衛(wèi)星有可能完成更多數(shù)量和更多類(lèi)型的觀(guān)測(cè)任務(wù)需求。然而，敏捷成像衛(wèi)星在顯著提高觀(guān)測(cè)效率的同時(shí)，其相應(yīng)的需求籌劃和任務(wù)調(diào)度問(wèn)題也變得更為復(fù)雜。除了與非敏捷衛(wèi)星一樣要選擇觀(guān)測(cè)需求和觀(guān)測(cè)時(shí)間窗口之外，還需要決定不同觀(guān)測(cè)需求的次序、觀(guān)測(cè)需求在其時(shí)間窗口內(nèi)的具體起止時(shí)間等。而且，前后兩個(gè)需求動(dòng)作之間存在能量和姿態(tài)的轉(zhuǎn)換，使得衛(wèi)星約束條件的表現(xiàn)形式與非敏捷衛(wèi)星相比有著很多的不同。因此，需要通過(guò)建設(shè)合理先進(jìn)的地面需求籌劃系統(tǒng)來(lái)發(fā)揮敏捷成像衛(wèi)星的強(qiáng)大對(duì)地觀(guān)測(cè)能力，使其應(yīng)用效益達(dá)到最大化。

3　敏捷衛(wèi)星需求籌劃模型

3.1問(wèn)題描述

敏捷成像衛(wèi)星需求籌劃問(wèn)題可以這么描述∶用戶(hù)對(duì)于某顆敏捷成像衛(wèi)星提出了一組觀(guān)測(cè)需求，每個(gè)觀(guān)測(cè)需求有各自對(duì)應(yīng)的工作模式和需求優(yōu)先級(jí)，敏捷衛(wèi)星對(duì)于每個(gè)觀(guān)測(cè)需求所對(duì)應(yīng)的地面目標(biāo)有一個(gè)可見(jiàn)時(shí)間窗口，在這個(gè)窗口內(nèi)需要安排一個(gè)時(shí)間段作為需求的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間。

敏捷成像衛(wèi)星需求籌劃與任務(wù)調(diào)度問(wèn)題是一類(lèi)典型的資源受限型籌劃調(diào)度問(wèn)題，因?yàn)閷?duì)于一顆敏捷成像衛(wèi)星而言，其運(yùn)行軌道、姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力、有效載荷能力、數(shù)傳鏈路、星上固存容量以及電源等資源條件都是相對(duì)固定的，敏捷衛(wèi)星只能在這些限定資源的基礎(chǔ)上滿(mǎn)足有限的觀(guān)測(cè)需求。對(duì)敏捷成像衛(wèi)星進(jìn)行需求籌劃的目的就是要在這些有限的資源條件下，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星各類(lèi)任務(wù)需求的優(yōu)化安排，按照特定工作模式及衛(wèi)星平臺(tái)自身的各類(lèi)約束和使用規(guī)則，合理籌劃調(diào)度，讓用戶(hù)的需求得到最大程度的滿(mǎn)足，從而使得敏捷成像衛(wèi)星系統(tǒng)的應(yīng)用效能得到充分發(fā)揮。

衛(wèi)星的需求籌劃和調(diào)度問(wèn)題本身就屬于一類(lèi)非確定性多項(xiàng)式難（NP-hard）問(wèn)題，而敏捷成像衛(wèi)星因其更強(qiáng)的對(duì)地觀(guān)測(cè)能力，大幅增加了衛(wèi)星可進(jìn)行觀(guān)測(cè)的工作模式，籌劃的可行性方案空間明顯增大，使得需求籌劃問(wèn)題復(fù)雜性和尋優(yōu)難度大幅提高。這類(lèi)問(wèn)題需要在特定目標(biāo)下尋找最優(yōu)解來(lái)實(shí)現(xiàn)一定程度上的最優(yōu)化籌劃，解的優(yōu)化程度與計(jì)算的復(fù)雜度成正比，為了尋求更加優(yōu)化的籌劃結(jié)果，往往要付出更大計(jì)算復(fù)雜度的代價(jià)。在衛(wèi)星的實(shí)際工程應(yīng)用中，需求籌劃問(wèn)題往往要同時(shí)兼顧籌劃結(jié)果的合理性和籌劃計(jì)算的復(fù)雜度。

3.2需求與約束分析

3.2.1復(fù)雜工作模式約束

由于敏捷成像衛(wèi)星具有靈活的姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力，因而可以完成一些復(fù)雜工作模式的任務(wù)需求［12］，這些復(fù)雜的工作模式也存在一些相應(yīng)的約束條件［13］。

（1）單軌大范圍多目標(biāo)成像需求

敏捷衛(wèi)星按照用戶(hù)的需求，在衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)的可覆蓋范圍內(nèi)對(duì)地面的指定目標(biāo)進(jìn)行成像觀(guān)測(cè)，這類(lèi)目標(biāo)需求大多為點(diǎn)目標(biāo)，且空間距離較近，需要發(fā)揮敏捷衛(wèi)星快速機(jī)動(dòng)的能力來(lái)完成，單個(gè)目標(biāo)成像時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)。

（2）區(qū)域目標(biāo)成像需求

所謂區(qū)域目標(biāo)，是指衛(wèi)星受其成像幅寬有限的影響，不能在一次成像過(guò)程中完全覆蓋的目標(biāo)需求，需要通過(guò)在一次過(guò)境時(shí)間內(nèi)進(jìn)行多個(gè)條帶區(qū)域的成像，再進(jìn)行多條帶拼接來(lái)完成對(duì)整個(gè)區(qū)域目標(biāo)的覆蓋［14］。這類(lèi)需求受衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力的影響很大，敏捷衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力越高，能夠完成的可拼接條帶數(shù)就越多，可以覆蓋的區(qū)域目標(biāo)范圍就越大。對(duì)于一顆確定的敏捷成像衛(wèi)星，其最多的可拼接條帶數(shù)是確定的，可以作為其進(jìn)行區(qū)域目標(biāo)成像時(shí)的約束條件。

（3）立體成像需求

立體成像需求就是在衛(wèi)星的一次過(guò)境時(shí)間內(nèi)對(duì)同一個(gè)目標(biāo)從不同的角度進(jìn)行多次的成像觀(guān)測(cè)，從而可以提取該目標(biāo)區(qū)域的高程數(shù)據(jù)，獲取目標(biāo)的立體圖像。這類(lèi)需求一般根據(jù)立體成像的特點(diǎn)需要成像兩次或三次，即前后2視或前中后3視成像，成像次數(shù)由用戶(hù)在提出需求時(shí)設(shè)置；除了成像次數(shù)的約束外，根據(jù)立體成像原理，還需要考慮成像基高比的約束?；弑仁侵笖z影基線(xiàn)長(zhǎng)度與攝影高度之比，即相鄰兩次觀(guān)測(cè)曝光瞬間鏡頭中心位置的距離與衛(wèi)星高度的比值。基高比反映的是前后影像在航向上的重疊度，基高比越大，重疊越小，立體觀(guān)測(cè)和高程測(cè)量精度越高，立體效應(yīng)就越好。

（4）動(dòng)態(tài)監(jiān)視需求

所謂動(dòng)態(tài)監(jiān)視，就是衛(wèi)星在其一次過(guò)境時(shí)間內(nèi)通過(guò)調(diào)整姿態(tài)對(duì)同一目標(biāo)區(qū)域盡可能多地進(jìn)行成像觀(guān)測(cè)，以獲取指定目標(biāo)區(qū)域在一定時(shí)間段內(nèi)具有時(shí)間分辨率的圖像序列。敏捷成像衛(wèi)星在其一次過(guò)境時(shí)間內(nèi)可以連續(xù)成像的次數(shù)，受其姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力和單次成像時(shí)長(zhǎng)的影響。一次過(guò)境最大可觀(guān)測(cè)次數(shù)和單次成像的觀(guān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)均可以作為動(dòng)態(tài)監(jiān)視需求的約束條件。

3.2.2衛(wèi)星平臺(tái)約束

（1）一般一顆敏捷成像衛(wèi)星只搭載一個(gè)成像傳載荷，在一個(gè)時(shí)刻只能對(duì)一個(gè)地面目標(biāo)進(jìn)行觀(guān)測(cè)。

（2）衛(wèi)星載荷的開(kāi)關(guān)機(jī)約束∶包括單軌道圈次內(nèi)的最大開(kāi)機(jī)次數(shù)、一天內(nèi)的最大開(kāi)機(jī)次數(shù)、一次開(kāi)機(jī)的最短工作時(shí)間和最長(zhǎng)工作時(shí)間。

（3）衛(wèi)星傳感器成像約束∶包括一次開(kāi)機(jī)最大成像次數(shù)、一次成像的最短時(shí)間和最長(zhǎng)時(shí)間、單軌道圈次內(nèi)累計(jì)最大成像時(shí)間、單日累計(jì)最大成像時(shí)間。

（4）連續(xù)兩次成像時(shí)間間隔約束∶相鄰兩次成像觀(guān)測(cè)之間存在一個(gè)時(shí)間間隔，最小時(shí)間間隔受衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力影響，根據(jù)不同敏捷成像衛(wèi)星的姿態(tài)機(jī)動(dòng)角速度，從對(duì)前一個(gè)目標(biāo)進(jìn)行觀(guān)測(cè)時(shí)的姿態(tài)調(diào)整到對(duì)后一個(gè)目標(biāo)進(jìn)行觀(guān)測(cè)的姿態(tài)需要一個(gè)時(shí)間，姿態(tài)調(diào)整完后往往還需要一定的載荷穩(wěn)定時(shí)間。如果這兩次觀(guān)測(cè)之間載荷需要先關(guān)機(jī)再開(kāi)機(jī)的操作（受開(kāi)關(guān)機(jī)約束的影響）時(shí)，受星上載荷電氣特性的影響，載荷關(guān)機(jī)后，需要等待一定的時(shí)間之后才能再次開(kāi)機(jī)，也就是存在一個(gè)開(kāi)機(jī)時(shí)間間隔約束［15］。

（5）姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力約束∶不同的敏捷成像衛(wèi)星根據(jù)其衛(wèi)星平臺(tái)能力，由側(cè)擺角機(jī)動(dòng)范圍、俯仰角機(jī)動(dòng)范圍和成像幅寬，連同其相對(duì)固定的軌道參數(shù)共同決定了該顆敏捷衛(wèi)星對(duì)于地面目標(biāo)的可見(jiàn)時(shí)間窗口；

（6）存儲(chǔ)器容量約束∶當(dāng)?shù)孛婺繕?biāo)與地面接收站相對(duì)于敏捷衛(wèi)星不能同時(shí)可見(jiàn)時(shí)，觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)不能實(shí)時(shí)傳回地面，需要先存儲(chǔ)在衛(wèi)星的存儲(chǔ)器內(nèi)，等后續(xù)進(jìn)入地面站的回傳窗口時(shí)再將存儲(chǔ)數(shù)據(jù)傳回地面并刪除星上數(shù)據(jù)，這就需要所存儲(chǔ)的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)量不能超過(guò)星上存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量。

3.2.3其他約束

（1）成像質(zhì)量約束∶這里所描述的成像質(zhì)量主要體現(xiàn)為成像的分辨率，在傳感器參數(shù)確定的情況下，敏捷衛(wèi)星成像的分辨率主要取決于衛(wèi)星與地面待測(cè)目標(biāo)的距離，以及衛(wèi)星對(duì)地面目標(biāo)進(jìn)行觀(guān)測(cè)時(shí)的姿態(tài)角度，所以為了保證成像質(zhì)量，需要盡可能地安排小角度姿態(tài)角的觀(guān)測(cè)。

（2）太陽(yáng)光照約束∶敏捷成像衛(wèi)星一般為可見(jiàn)光成像衛(wèi)星，因此需要在地面有太陽(yáng)光照的條件下進(jìn)行觀(guān)測(cè)工作，而且對(duì)觀(guān)測(cè)時(shí)地面目標(biāo)的太陽(yáng)高度角也有一定的約束條件，只有當(dāng)太陽(yáng)高度角不低于最小太陽(yáng)高度角時(shí)，所成像的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)才是有效的。

（3）地面資源約束∶不僅星上資源是有限的，地面的接收管理資源也是有限的，除了地面站存在一定的回傳時(shí)間窗口外，地面站天線(xiàn)的數(shù)傳能力也存在最大值，通常一個(gè)地面站天線(xiàn)在某一時(shí)刻只能為一顆衛(wèi)星提供數(shù)傳業(yè)務(wù)服務(wù)。

（4）對(duì)于區(qū)域目標(biāo)成像、立體成像和動(dòng)態(tài)監(jiān)視等特殊工作模式的需求，由于其一個(gè)需求內(nèi)包含了兩次以上的成像觀(guān)測(cè)動(dòng)作，因此約定這些多個(gè)的觀(guān)測(cè)動(dòng)作必須在衛(wèi)星一次過(guò)境時(shí)間內(nèi)都完成才算該需求完成，且這些觀(guān)測(cè)動(dòng)作需要連續(xù)完成，中間不能安排其他的觀(guān)測(cè)需求動(dòng)作。

（5）特殊成像需求約束∶對(duì)于一些特定行業(yè)的用戶(hù)而言，基于他們對(duì)于衛(wèi)星產(chǎn)品的特殊需求，會(huì)對(duì)敏捷衛(wèi)星觀(guān)測(cè)提出一些約束，如指定觀(guān)測(cè)的俯仰角、指定觀(guān)測(cè)時(shí)間段、觀(guān)測(cè)次數(shù)和時(shí)間間隔等。

3.3籌劃模型及數(shù)學(xué)描述

由上述分析可見(jiàn)，敏捷成像衛(wèi)星需求籌劃問(wèn)題的約束條件較多且復(fù)雜，觀(guān)測(cè)的需求種類(lèi)也包括了點(diǎn)目標(biāo)、區(qū)域目標(biāo)、立體成像和動(dòng)態(tài)監(jiān)視等。根據(jù)這些敏捷衛(wèi)星的需求籌劃特點(diǎn)，我們建立相應(yīng)的需求籌劃模型及數(shù)學(xué)描述［16］。

籌劃模型的輸入是敏捷成像衛(wèi)星s和一組衛(wèi)星任務(wù)需求集合T=｛t1，t2，…，tN｝，其中N為任務(wù)需求的數(shù)量，包含了點(diǎn)目標(biāo)、區(qū)域目標(biāo)、立體成像和動(dòng)態(tài)監(jiān)視等類(lèi)型的任務(wù)需求?；I劃模型的決策變量集為X=｛x1，x2，…，xN｝，?i∈｛1，2，…，N｝，xi∈｛0，1｝。其中∶xi=1表示任務(wù)需求ti被安排執(zhí)行；xi=0表示任務(wù)需求ti不被安排執(zhí)行。

下面描述籌劃模型的約束條件。

（1）對(duì)于需要多次成像的任務(wù)需求，多個(gè)觀(guān)測(cè)動(dòng)作必須在衛(wèi)星一次過(guò)境時(shí)間內(nèi)都完成才算該需求完成∶

式中∶xiv=1表示任務(wù)需求ti劃分的觀(guān)測(cè)動(dòng)作v被安排執(zhí)行；xiv=0表示觀(guān)測(cè)動(dòng)作v沒(méi)有被安排執(zhí)行；Ni為任務(wù)需求ti劃分的觀(guān)測(cè)動(dòng)作數(shù)量。

（2）一個(gè)任務(wù)需求只能被執(zhí)行一次∶

（3）對(duì)于目標(biāo)成像的觀(guān)測(cè)時(shí)間窗口存在以下約束∶

式中∶siv、eiv為任務(wù)需求ti劃分的觀(guān)測(cè)動(dòng)作v可見(jiàn)時(shí)間窗口的開(kāi)始、結(jié)束時(shí)間；piv、qiv為實(shí)際觀(guān)測(cè)的開(kāi)始、結(jié)束時(shí)間。

（4）同一任務(wù)需求下的各個(gè)觀(guān)測(cè)動(dòng)作之間的時(shí)間間隔存在以下約束∶

式中∶ts為前后兩個(gè)觀(guān)測(cè)動(dòng)作之間的姿態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間。

（5）前后兩個(gè)任務(wù)需求之間的時(shí)間間隔存在以下約束∶

式中∶Ei為前一個(gè)任務(wù)需求的結(jié)束時(shí)間；Si+1為后一個(gè)任務(wù)需求的開(kāi)始時(shí)間；Ts為前后兩個(gè)任務(wù)需求之間的姿態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間。

衛(wèi)星的軌道參數(shù)和性能參數(shù)是確定的，任務(wù)需求信息包含了需求所需要的工作模式、待測(cè)目標(biāo)坐標(biāo)信息、需求優(yōu)先級(jí)、區(qū)域范圍、單次觀(guān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)、觀(guān)測(cè)次數(shù)等，某些特殊需求還可以指定觀(guān)測(cè)的角度等。

對(duì)于敏捷衛(wèi)星需求籌劃問(wèn)題而言，其籌劃的目標(biāo)可以有不同的形式，具體取決于用戶(hù)的偏好，以最大化滿(mǎn)足需求，最大化發(fā)揮對(duì)地觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)效益為目標(biāo)。一般的籌劃方案通常是考慮以需求的重要程度作為籌劃調(diào)度目標(biāo)，通過(guò)設(shè)置并調(diào)整需求優(yōu)先級(jí)，在不能滿(mǎn)足全部用戶(hù)需求的情況下，盡可能多地滿(mǎn)足更重要的觀(guān)測(cè)需求。

下面給出籌劃模型目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)描述。

（1）成像收益 最大化任務(wù)需求的優(yōu)先級(jí)加權(quán)之和∶

式中∶ωi為任務(wù)需求ti的權(quán)重（優(yōu)先級(jí)）。

（2）成像質(zhì)量 最小化觀(guān)測(cè)動(dòng)作的平均俯仰角和平均側(cè)擺角之和。

任務(wù)需求ti的平均俯仰角為

式中∶Ni為任務(wù)需求ti劃分的觀(guān)測(cè)動(dòng)作數(shù)量；pitchv為觀(guān)測(cè)動(dòng)作v的俯仰角。

任務(wù)需求ti的平均側(cè)擺角為

式中∶rollv為觀(guān)測(cè)動(dòng)作v的側(cè)擺角。

任務(wù)需求ti沒(méi)有被安排執(zhí)行時(shí)，

綜上，成像質(zhì)量目標(biāo)函數(shù)為

（3）需求滿(mǎn)足度 最大化任務(wù)需求被安排執(zhí)行的數(shù)量∶

在敏捷衛(wèi)星需求籌劃模型中，輸入敏捷成像衛(wèi)星s和一組衛(wèi)星任務(wù)需求集合T=｛t1，t2，…，tN｝后，進(jìn)入敏捷衛(wèi)星需求籌劃調(diào)度流程（詳見(jiàn)第4節(jié)）。通過(guò)綜合籌劃調(diào)度，結(jié)合上述各類(lèi)約束條件，確定各任務(wù)需求的決策變量值及任務(wù)觀(guān)測(cè)時(shí)間等，再采用動(dòng)態(tài)調(diào)整策略對(duì)存在沖突的任務(wù)需求進(jìn)行消解，動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)實(shí)時(shí)計(jì)算籌劃模型的目標(biāo)函數(shù)值，尋求需求調(diào)度的最優(yōu)解，使得調(diào)整后的任務(wù)需求安排最大化滿(mǎn)足用戶(hù)需求。完成動(dòng)態(tài)調(diào)整和沖突消解后，輸出衛(wèi)星任務(wù)需求的安排情況以及安排的觀(guān)測(cè)開(kāi)始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間。

4　敏捷衛(wèi)星需求籌劃流程

根據(jù)敏捷成像衛(wèi)星需求籌劃問(wèn)題的特點(diǎn)，我們將敏捷成像衛(wèi)星需求籌劃問(wèn)題的求解過(guò)程劃分為目標(biāo)需求分解、綜合籌劃調(diào)度以及動(dòng)態(tài)調(diào)整與沖突消解三個(gè)主要階段，籌劃流程及求解框架如圖3所示。

圖3　敏捷衛(wèi)星需求籌劃流程圖Fig.3 Flow chart of agile satellite requirements planning system

4.1目標(biāo)需求分解

敏捷成像衛(wèi)星的工作模式中，除了點(diǎn)目標(biāo)成像需求之外，其余需求類(lèi)型在籌劃調(diào)度層面都顯得較為復(fù)雜，不利于進(jìn)行綜合籌劃和調(diào)度，因此需要先進(jìn)行需求分解的預(yù)處理。目標(biāo)需求分解就是根據(jù)不同的特殊需求類(lèi)型，將復(fù)雜工作模式的需求分解簡(jiǎn)化成便于統(tǒng)一綜合籌劃調(diào)度的基本觀(guān)測(cè)需求，即一次成像就能完成的觀(guān)測(cè)需求。

（1）點(diǎn)目標(biāo)需求∶一次成像就可以完成觀(guān)測(cè)，已是最簡(jiǎn)化的需求了，直接作為基本觀(guān)測(cè)需求。

（2）區(qū)域目標(biāo)成像需求∶由于一次成像只能觀(guān)測(cè)一個(gè)條帶的范圍，因此需要沿著星下點(diǎn)軌跡方向按照敏捷衛(wèi)星的成像幅寬將目標(biāo)區(qū)域劃分成多個(gè)等寬的條帶，每個(gè)條帶作為一個(gè)基本觀(guān)測(cè)需求。

（3）立體成像需求∶根據(jù)用戶(hù)提出的觀(guān)測(cè)次數(shù)和觀(guān)測(cè)角度要求，將立體成像需求分解為連續(xù)的兩個(gè)或三個(gè)基本觀(guān)測(cè)需求，特別地，每個(gè)基本觀(guān)測(cè)需求是附加有特殊觀(guān)測(cè)角度要求的。

（4）動(dòng)態(tài)監(jiān)視需求∶根據(jù)用戶(hù)提出的單次觀(guān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)和觀(guān)測(cè)次數(shù)需求，將動(dòng)態(tài)監(jiān)視需求分解成可見(jiàn)時(shí)間窗口內(nèi)的多個(gè)連續(xù)的基本觀(guān)測(cè)需求。

4.2綜合籌劃調(diào)度

通過(guò)目標(biāo)需求分解的預(yù)處理后，所有的任務(wù)需求轉(zhuǎn)換成了一組待分配的基本觀(guān)測(cè)需求集合，根據(jù)敏捷衛(wèi)星的性能參數(shù)和候選需求類(lèi)型等情況，設(shè)置需求籌劃的各類(lèi)約束條件。

按照這些約束條件和需求各自的優(yōu)先級(jí)，對(duì)候選的基本觀(guān)測(cè)需求進(jìn)行需求籌劃和調(diào)度。通過(guò)約束條件先對(duì)觀(guān)測(cè)需求進(jìn)行篩選，提取出滿(mǎn)足基本約束的需求；然后按照時(shí)間和優(yōu)先級(jí)順序，依次安排可執(zhí)行的需求，初始籌劃調(diào)度時(shí)各個(gè)基本觀(guān)測(cè)需求均以較小的觀(guān)測(cè)姿態(tài)角度來(lái)安排觀(guān)測(cè)時(shí)間段，通過(guò)比較相鄰兩個(gè)基本觀(guān)測(cè)需求的衛(wèi)星姿態(tài)來(lái)計(jì)算出兩個(gè)需求間所需要的姿態(tài)機(jī)動(dòng)幅度，從而得出姿態(tài)機(jī)動(dòng)時(shí)間，用以判斷兩個(gè)需求間的時(shí)間間隔能否滿(mǎn)足約束條件。

通過(guò)需求籌劃與調(diào)度處理，我們得到一組初始的籌劃調(diào)度結(jié)果，包含了可執(zhí)行的需求序列和對(duì)應(yīng)的時(shí)間段、存在沖突的需求集以及需求被拒絕的理由信息。

4.3動(dòng)態(tài)調(diào)整與沖突消解

在初始解決方案中，給出了存在沖突的需求集合以及不可執(zhí)行需求被拒絕的理由信息，我們可以根據(jù)實(shí)際的情況，面向不同的任務(wù)需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整和沖突消解，實(shí)現(xiàn)需求滿(mǎn)足的最大化，確保任務(wù)的有效執(zhí)行。

由于敏捷衛(wèi)星有較寬的可見(jiàn)時(shí)間窗口，具備進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整的空間，我們?cè)诿艚菪l(wèi)星需求籌劃系統(tǒng)軟件中設(shè)計(jì)了一個(gè)模塊，基于滑動(dòng)塊的方式來(lái)對(duì)沖突需求集進(jìn)行可視化的動(dòng)態(tài)調(diào)整，以消除存在的需求沖突。如圖4所示，有一組存在沖突的需求集合，在動(dòng)態(tài)調(diào)整之前，只安排了需求2作為可執(zhí)行需求，需求1和3由于與需求2沖突，不能被安排執(zhí)行。界面上滑塊代表執(zhí)行該需求所需要的時(shí)間范圍，滑塊滑動(dòng)的窗口代表該需求對(duì)應(yīng)的可見(jiàn)時(shí)間窗口，我們通過(guò)在界面上拖動(dòng)滑動(dòng)塊，使得在時(shí)間軸上存在重疊的滑動(dòng)塊分開(kāi)，并留有一定的時(shí)間間隔，然后再進(jìn)行約束校驗(yàn)分析，判斷時(shí)間間隔能否滿(mǎn)足敏捷衛(wèi)星的姿態(tài)機(jī)動(dòng)時(shí)間，從而確認(rèn)經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整后，存在沖突的需求是否都能被滿(mǎn)足。圖中的3個(gè)沖突需求經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整后都能執(zhí)行了。

圖4　基于滑動(dòng)塊的動(dòng)態(tài)調(diào)整示意圖Fig.4 Diagram of dynamic regulation based on sliding blocks

針對(duì)特殊的幾種工作模式，需要對(duì)其分解后的多個(gè)基本觀(guān)測(cè)需求籌劃結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)一分析評(píng)估，區(qū)域成像需求需要分析其成像條帶對(duì)于該目標(biāo)區(qū)域的覆蓋程度是否能滿(mǎn)足用戶(hù)要求，立體成像和動(dòng)態(tài)監(jiān)視需求需要評(píng)估受理通過(guò)的可執(zhí)行基本觀(guān)測(cè)需求數(shù)目是否滿(mǎn)足要求，如不滿(mǎn)足，要么通過(guò)調(diào)整滿(mǎn)足整個(gè)需求的執(zhí)行，要么整個(gè)需求所包含的所有基本觀(guān)測(cè)需求都不執(zhí)行。

最后經(jīng)過(guò)分析調(diào)整后，輸出最終的籌劃解決方案。

5　應(yīng)用實(shí)例

敏捷成像衛(wèi)星需求籌劃系統(tǒng)以Microsoft公司的Visual Studio.Net 2008作為開(kāi)發(fā)環(huán)境，以C#作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境為Windows 7，系統(tǒng)軟件包含了需求預(yù)處理、需求籌劃和動(dòng)態(tài)調(diào)整3個(gè)主要功能模塊。

用戶(hù)輸入需求籌劃所用的各類(lèi)信息，包括需求目標(biāo)經(jīng)緯度坐標(biāo)、工作模式、觀(guān)測(cè)次數(shù)、單次觀(guān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)等，敏捷衛(wèi)星的軌道參數(shù)、平臺(tái)性能參數(shù)、各類(lèi)約束條件等以配置文件的形式進(jìn)行存儲(chǔ)，用戶(hù)可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置維護(hù)。通過(guò)預(yù)處理、需求籌劃和動(dòng)態(tài)調(diào)整，最后輸出可執(zhí)行的需求列表及執(zhí)行觀(guān)測(cè)的開(kāi)始結(jié)束時(shí)間。

圖5為敏捷衛(wèi)星需求籌劃系統(tǒng)的處理界面示意圖。表2給出了一組待籌劃的需求示例，包含了20個(gè)觀(guān)測(cè)需求，涵蓋了點(diǎn)目標(biāo)成像、區(qū)域成像、立體成像、動(dòng)態(tài)監(jiān)視等工作模式。該實(shí)例中，采用的敏捷衛(wèi)星相關(guān)參數(shù)和軌道根數(shù)與GeoEye-1衛(wèi)星相同（見(jiàn)表1），衛(wèi)星單次成像時(shí)長(zhǎng)至少為5 s。由各個(gè)需求對(duì)應(yīng)地面目標(biāo)的衛(wèi)星過(guò)頂時(shí)間可以看出，不少需求之間的時(shí)間間隔很短，觀(guān)測(cè)時(shí)間上存在沖突。表3和表4分別給出了在動(dòng)態(tài)調(diào)整之前和之后的需求安排情況，如果不進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，僅按照過(guò)頂時(shí)刻來(lái)觀(guān)測(cè)，這組需求里只能安排完成約一半的需求；而通過(guò)敏捷衛(wèi)星需求籌劃系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)整與沖突消解，這組需求全部都能安排執(zhí)行。

圖5　需求籌劃系統(tǒng)界面Fig.5 Interface of requirements planning system

表2　敏捷衛(wèi)星需求籌劃示例Tab.2 Example of agile satellites requirements planning

表3　動(dòng)態(tài)調(diào)整前的任務(wù)需求安排情況表Tab.3 Requirements arrangement before dynamic adjustment

表4　動(dòng)態(tài)調(diào)整后的任務(wù)需求安排情況表Tab.4 Requirements arrangement after dynamic adjustment

6　結(jié)束語(yǔ)

敏捷成像衛(wèi)星是一類(lèi)具有大范圍、快速機(jī)動(dòng)能力的對(duì)地觀(guān)測(cè)衛(wèi)星，它的出現(xiàn)大大增加了地面目標(biāo)的可觀(guān)測(cè)機(jī)會(huì)，使得對(duì)地觀(guān)測(cè)衛(wèi)星的觀(guān)測(cè)能力和使用效率得到進(jìn)一步提升。雖然敏捷成像衛(wèi)星具有很強(qiáng)的對(duì)地觀(guān)測(cè)能力，但其觀(guān)測(cè)能力的充分發(fā)揮和應(yīng)用效益的最大化則取決于合理先進(jìn)的地面需求籌劃系統(tǒng)。本文基于工程應(yīng)用的實(shí)際情況，建立了一套相應(yīng)的需求籌劃系統(tǒng)流程，有效地提高了敏捷衛(wèi)星的需求籌劃效益。未來(lái)敏捷衛(wèi)星平臺(tái)能力還會(huì)進(jìn)一步提升，其需求籌劃的難度也會(huì)越來(lái)越大，星上自主籌劃也將會(huì)是一個(gè)重要的發(fā)展方向，因此我們需要對(duì)敏捷成像衛(wèi)星的需求籌劃系統(tǒng)進(jìn)行更加深入的研究和開(kāi)發(fā)，真正實(shí)現(xiàn)籌劃系統(tǒng)的智能化、綜合化。

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HAO Huicheng.Research on mission planning problem modeling and solving method of agile earth observation satellite［D］.Harbin∶Harbin Institute of Technology，2013.（in Chinese）

祝 佳（1984—），男，四川樂(lè)山人，2012年于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲博士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要從事衛(wèi)星應(yīng)用地面系統(tǒng)技術(shù)研究工作；

ZHU Jia was born in Leshan，Sichuan Province，in 1984.He received the Ph.D.degree from University of Science and Technology of China in 2012.He is now an engineer.His research concerns satellite application technology.

Email∶zhujiaustc@163.com

陶 峰（1966—），男，安徽無(wú)為人，高級(jí)工程師，主要從事無(wú)線(xiàn)電測(cè)量技術(shù)與航天測(cè)控站總體設(shè)計(jì)工作。

TAO Feng was born in Wuwei，Anhui Province，in 1966. He is now a senior engineer.His research concerns radio measurement and overall design of TT&C station.

Application Discussion on Agile Satellite Requirements Planning System

ZHU Jia1，TAO Feng2
（1.Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China；2.State Key Laboratory of Astronautic Dynamic，Xi＇an Satellite Control Center，Xi'an 710043，China）

∶As a class of earth observing satellites with capability of large-scale and rapid attitude maneuver，agile satellites have improved the efficiency of satellite observations.Meanwhile they also make the planning and dispatching of satellite requirements become more complex and difficult and bring a new challenge for satellite requirements planning technology.According to the variety of special work modes of agile satellite，the technical features and constraint condition of agile satellite requirements planning are analyzed.In consideration of the actual situation of engineering applications，an agile satellites ground requirements planning system based on complex requirements decomposition and dynamic planning and adjustment is set up.According to the actual application requirements，an application example of agile satellite requirements planning system is also introduced.Finally，the prospect of future agile satellite requirements planning technology is described.

∶agile satellite；requirements planning；earth observation；application discussion

TN80；TP399

A

1001-893X（2016）05-0508-09

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.05.007

祝佳，陶峰.敏捷成像衛(wèi)星需求籌劃系統(tǒng)應(yīng)用探析［J］.電訊技術(shù)，2015，56（5）∶508-516.［ZHU Jia，TAO Feng.Application discussion on agile satellite requirements planning system［J］.Telecommunication Engineering，2016，56（5）∶508-516.］

2015-12-24；

2016-04-05Received date：2015-12-24；Revised date：2016-04-05

**通訊作者：zhujiaustc@163.comCorresponding author：zhujiaustc@163.com