向尚 陳盈果 李國梁 邢立寧

以往的管理控制衛(wèi)星運(yùn)作的方式主要是通過地面事先規(guī)劃好任務(wù)計(jì)劃來完成,但當(dāng)前衛(wèi)星任務(wù)越來越復(fù)雜,需要時(shí)刻面對突發(fā)應(yīng)急情況和運(yùn)行環(huán)境的變化,對傳統(tǒng)的地面離線管控模式提出了諸多挑戰(zhàn):1)當(dāng)前所部署的地面測控系統(tǒng)受到地域、密度等多方面約束,各地面站與各衛(wèi)星之間的可見通信時(shí)間受限;2)測控時(shí)間窗口的約束導(dǎo)致了對突發(fā)性事件的響應(yīng)時(shí)間產(chǎn)生了更多變數(shù),難以即時(shí)獲取全面、精確的災(zāi)情信息;3)同樣的測控時(shí)間窗口的約束給數(shù)據(jù)回傳帶來滯后的問題,影響衛(wèi)星系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)的效率;4)星上資源的離線預(yù)測在動(dòng)態(tài)環(huán)境下難以把握,地面管控方式無法根據(jù)實(shí)時(shí)情況調(diào)整任務(wù)計(jì)劃,影響系統(tǒng)整體效能的發(fā)揮.由此可見,只依靠地面管控中心進(jìn)行衛(wèi)星任務(wù)調(diào)度很難勝任常態(tài)化動(dòng)態(tài)觀測需求的工作,完全地面離線的管控模式難以適應(yīng)未來航天任務(wù)的需求.

隨著衛(wèi)星載荷能力的不斷提升,衛(wèi)星響應(yīng)時(shí)間要求不斷縮短,為了緩解衛(wèi)星資源緊張有限的現(xiàn)狀,提高衛(wèi)星對突發(fā)情況的快速響應(yīng)能力,目前最現(xiàn)實(shí)的辦法是賦予衛(wèi)星自主決策、自主通信協(xié)調(diào)、自主調(diào)度規(guī)劃的能力,使衛(wèi)星根據(jù)動(dòng)態(tài)環(huán)境進(jìn)行自主任務(wù)規(guī)劃.星上自主規(guī)劃能力可以使衛(wèi)星不再完全依靠外界的控制信息,能夠根據(jù)動(dòng)態(tài)到達(dá)的觀測需求、實(shí)時(shí)氣候條件和衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài),進(jìn)行星上在線規(guī)劃,在軌生成動(dòng)作指令.星間協(xié)同規(guī)劃的能力可以讓協(xié)作需求不經(jīng)地面,直接通過星間鏈路到達(dá)指定衛(wèi)星.自主與協(xié)同規(guī)劃技術(shù)能夠?qū)⒃扔傻孛嫦到y(tǒng)所承擔(dān)的規(guī)劃、控制等功能轉(zhuǎn)移到衛(wèi)星上.不但能夠縮小地面站規(guī)模,節(jié)約運(yùn)營成本,降低星地間的信息交互,更重要的是能夠及時(shí)響應(yīng)動(dòng)態(tài)觀測需求,能夠通過多星協(xié)作的方式實(shí)現(xiàn)大范圍、全天候、全天時(shí)連續(xù)觀測監(jiān)視,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)發(fā)現(xiàn)即確認(rèn).同時(shí),星上自主規(guī)劃考慮的是衛(wèi)星實(shí)時(shí)狀態(tài),因此能夠?qū)崿F(xiàn)對星上資源的優(yōu)化配置,繼而可對衛(wèi)星長時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行起到推進(jìn)作用.由此,衛(wèi)星自主與協(xié)同任務(wù)調(diào)度規(guī)劃的研究熱度與日俱增.

目前國內(nèi)衛(wèi)星任務(wù)調(diào)度規(guī)劃方面的研究和應(yīng)用主要針對地面管控模式,星上自主任務(wù)調(diào)度規(guī)劃研究尚處于起步階段,其主要的任務(wù)調(diào)度研究以單星為基礎(chǔ),進(jìn)一步拓展到多星協(xié)同框架下.本文以衛(wèi)星自主與協(xié)同調(diào)度規(guī)劃研究為中心,按照“單星地面離線–單星星上在線–星地一體化”的結(jié)構(gòu)對單星自主任務(wù)調(diào)度規(guī)劃研究現(xiàn)狀進(jìn)行梳理與分析,按照“多星地面離線–多星星上在線–多星星地一體化”的結(jié)構(gòu)對多星協(xié)同任務(wù)調(diào)度規(guī)劃研究現(xiàn)狀進(jìn)行梳理與分析,最后對衛(wèi)星自主與協(xié)同調(diào)度規(guī)劃研究進(jìn)行總結(jié).

1 單星自主任務(wù)調(diào)度規(guī)劃研究

1.1 單星地面離線任務(wù)調(diào)度規(guī)劃

單星地面離線任務(wù)規(guī)劃一般可以分為4個(gè)階段[1],其中任務(wù)預(yù)處理階段主要分析用戶需求并研究任務(wù)分解與聚類方法,模型構(gòu)建階段主要按照形式化的需求確定目標(biāo)函數(shù),在考慮約束條件下對任務(wù)規(guī)劃目標(biāo)進(jìn)行建模,設(shè)計(jì)算法階段研究求解衛(wèi)星規(guī)劃問題的算法,評估階段研究算法的性能和方案的優(yōu)劣.為了能夠完成這些階段復(fù)雜的過程,對處理單元計(jì)算能力要求較高,因此常規(guī)的任務(wù)調(diào)度規(guī)劃一般選擇地面離線的方式.在任務(wù)預(yù)處理階段中,為了提高稀缺衛(wèi)星資源的利用率,相關(guān)研究首先考慮到衛(wèi)星任務(wù)的分解與聚類,Wu等[2]提出了兩階段調(diào)度的方法,先用改進(jìn)的最小團(tuán)劃分算法獲得聚類任務(wù),再基于總體任務(wù)和獲得的簇任務(wù)完成一種混合蟻群算法來實(shí)現(xiàn)局部最優(yōu)或近似最優(yōu)調(diào)度,針對這種靜態(tài)的聚類策略的缺點(diǎn),后續(xù)研究提出了動(dòng)態(tài)的任務(wù)聚類策略[3],也有研究從用戶需求出發(fā),提出基于指標(biāo)的多目標(biāo)局部搜索方法來對多個(gè)用戶需求進(jìn)行規(guī)劃[4],從而提升資源的總體效益.模型構(gòu)建階段里相關(guān)研究從多個(gè)方面,如:圖論問題模型[5?7]、背包問題模型[8?9]、整數(shù)規(guī)劃模型[10?11]和其他模型[12?13]等來對任務(wù)調(diào)度規(guī)劃問題進(jìn)行建模.設(shè)計(jì)算法階段一般在考慮存儲容量、時(shí)間窗約束[14]等條件下求解衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃方案,當(dāng)前地面離線任務(wù)規(guī)劃的算法研究比較豐富,主要研究算法整理見表1,此外相關(guān)研究從復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)[15]、容錯(cuò)調(diào)度[16]等角度求解調(diào)度問題.對于衛(wèi)星調(diào)度規(guī)劃算法的評估一般比較時(shí)間窗內(nèi)任務(wù)安排數(shù)量或任務(wù)總體收益,也有用AHP(Analytic hierarchy process)方法[17]來衡量調(diào)度算法的.表2對當(dāng)前的單星地面離線任務(wù)調(diào)度規(guī)劃系統(tǒng)進(jìn)行梳理分析.

ASPEN(Automated scheduling and planning environment)設(shè)計(jì)了一種易于表達(dá)與使用的建模語言和多個(gè)搜索推理機(jī)制,提出了適合于混合主動(dòng)操作的重規(guī)劃方法,提供了對衛(wèi)星任務(wù)的實(shí)時(shí)規(guī)劃和響應(yīng)[18].APSI(Advanced planning and scheduling initiative)構(gòu)建了一個(gè)軟件框架來提升任務(wù)規(guī)劃支持工具開發(fā)的成本效益和靈活性,把智能調(diào)度規(guī)劃技術(shù)應(yīng)用到空間任務(wù)規(guī)劃業(yè)務(wù)上[19].MAPGEN(Mixed-initiative activity plan generation system)將已有的規(guī)劃編輯和資源建模的工具與一個(gè)基于約束的推理規(guī)劃框架結(jié)合起來,從而實(shí)現(xiàn)航天器的自動(dòng)規(guī)劃[20].

1.2 單星星上在線任務(wù)調(diào)度規(guī)劃

相比地面離線而言,星上在線任務(wù)調(diào)度規(guī)劃要求衛(wèi)星具備一定的自主性:1)提高對突發(fā)事件的應(yīng)對能力,如森林火災(zāi)、火山爆發(fā)、船只的探測發(fā)現(xiàn)以及完全被云遮擋的圖像失效,衛(wèi)星自主任務(wù)調(diào)度規(guī)劃可直接觸發(fā)針對同一目標(biāo)點(diǎn)的二次成像,對于有云層覆蓋的圖像和火災(zāi)監(jiān)控任務(wù)中沒有發(fā)現(xiàn)起火點(diǎn)的圖像可以在星上立刻刪除,騰出存儲空間;2)快速響應(yīng)任務(wù)沖突,可用于其他低優(yōu)先級任務(wù)和未被調(diào)度安排的任務(wù);3)提升衛(wèi)星運(yùn)行效能,任務(wù)調(diào)度規(guī)劃時(shí)可以考慮到星上資源的精確狀態(tài),如當(dāng)前的儀器溫度、太陽能電池板的電量以及星上存儲器的剩余空間,進(jìn)一步提升執(zhí)行任務(wù)的效益;4)減少對地面測控的依賴,使衛(wèi)星不必保持與地面間頻繁通信,增強(qiáng)衛(wèi)星獨(dú)立運(yùn)行的魯棒性[21].而受星上計(jì)算能力制約,星上在線任務(wù)調(diào)度規(guī)劃的約束更加復(fù)雜,相關(guān)研究主要從規(guī)劃方法和策略開展[22],Chien等[23?25]基于領(lǐng)域知識的迭代修復(fù)規(guī)劃策略提出了星上自治架構(gòu)并進(jìn)行了拓展,Khatib等[26]使用了前向啟發(fā)式貪婪搜索算法來對星上自主規(guī)劃進(jìn)行探索,Damiani等[27]將動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法引入星上自主調(diào)度規(guī)劃,Beaumet等[40?42]提出了一種迭代的隨機(jī)貪婪搜索算法來對衛(wèi)星的狀態(tài)、任務(wù)優(yōu)先級、成像時(shí)間與能量需求等進(jìn)行計(jì)算和處理,實(shí)現(xiàn)云探測能力的自主規(guī)劃,Sa等[43]提出了一種基于Hop field神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多任務(wù)模式實(shí)時(shí)容錯(cuò)算法探討實(shí)時(shí)應(yīng)急任務(wù)的自主響應(yīng),Baek等[44]提出了一種改進(jìn)遺傳算法并設(shè)計(jì)了一個(gè)GUI來提高衛(wèi)星自主任務(wù)調(diào)度的總體收益,孫雅茹等[45]基于遺傳算法提出了求解衛(wèi)星自主運(yùn)行任務(wù)調(diào)度問題的新型調(diào)度算法,Kono等[46]利用一個(gè)存儲歷史飛行運(yùn)行計(jì)劃的知識庫來指導(dǎo)衛(wèi)星的自主任務(wù)規(guī)劃,田志新等[47]利用實(shí)時(shí)遙測獲取任務(wù)運(yùn)行過程的動(dòng)態(tài)約束參數(shù),基于有向圖模型在線生成任務(wù)指令序列.此外,針對星上在線任務(wù)調(diào)度規(guī)劃要求快速、高效及算法收斂的特征,當(dāng)前研究多采用基于目標(biāo)順序的啟發(fā)式算法,通過混合多種規(guī)則對算法進(jìn)行優(yōu)化.Kim等[48]為實(shí)現(xiàn)SAR衛(wèi)星編隊(duì)接收到用戶觀測請求后快速地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和目標(biāo)分配,設(shè)計(jì)了基于遺傳算法的快速求解方法,Herz等[49]介紹了OrbView任務(wù)系統(tǒng),它整合了一個(gè)高保真飛行器仿真器,在協(xié)調(diào)諸多約束下采用多種優(yōu)化算法和預(yù)先設(shè)定計(jì)劃快速得出最優(yōu)成像方案.表3對當(dāng)前的單星在線任務(wù)調(diào)度規(guī)劃系統(tǒng)進(jìn)行梳理分析.

表1 衛(wèi)星地面離線任務(wù)調(diào)度規(guī)劃算法Table 1 Single-satellite offline task scheduling algorithms

表2 單星地面離線任務(wù)調(diào)度規(guī)劃系統(tǒng)Table 2 Single-satellite offline task scheduling system

表3 單星星上在線任務(wù)調(diào)度規(guī)劃系統(tǒng)Table 3 Single-satellite online task scheduling system

NASA的DS-1(Deep space-1)搭載了第一個(gè)航天器自主控制系統(tǒng)RA(Remote agent),憑借著RAX-PS(Remote agent experiment planner/scheduler)使得衛(wèi)星能夠根據(jù)高層目標(biāo)自主生成任務(wù)規(guī)劃方案.RAX-PS系統(tǒng)建立了基于約束的規(guī)劃模型,將高層目標(biāo)以及系統(tǒng)初始狀態(tài)作為規(guī)劃模型的輸入,然后利用規(guī)劃引擎進(jìn)行求解[50?51].在RA的基礎(chǔ)上,NASA在EO-1(Earth observing-1)上實(shí)現(xiàn)各種自主功能,開發(fā)了自主科學(xué)實(shí)驗(yàn)包ASE(Autonomous sciencecraft experiment)[26],主要提供若干個(gè)自主軟件組件[52]:1)星上科學(xué)算法模塊,用于星上處理圖像數(shù)據(jù),提取“有意思”的特征,以發(fā)現(xiàn)突發(fā)事件并進(jìn)行決策響應(yīng);2)魯棒式執(zhí)行軟件采用SCL語言包(Spacecraft command language)實(shí)現(xiàn)事件驅(qū)動(dòng)的底層自主;3)星上自主規(guī)劃與調(diào)度軟件,采用連續(xù)活動(dòng)調(diào)度規(guī)劃執(zhí)行重規(guī)劃系統(tǒng)CASPER(Continuous activity scheduling planning execution and replanning),可實(shí)現(xiàn)包括觀測、數(shù)傳等任務(wù)重規(guī)劃.CASPER能夠生成初始規(guī)劃方案,并在執(zhí)行過程中處理包括新的科學(xué)事件、刪除低價(jià)值圖片和衛(wèi)星故障等事件,對初始方案進(jìn)行在線星上重規(guī)劃.CASPER采用一種基于迭代修復(fù)的局部搜索算法生成規(guī)劃方案[53?54].該算法首先生成一個(gè)可能存在沖突或違反約束的原始方案,每次嘗試解決一個(gè)沖突,直到所有的沖突都得到解決為止.對于已經(jīng)生成好的規(guī)劃方案,如果發(fā)現(xiàn)了異?；蛘咝碌目茖W(xué)事件,也采用迭代修復(fù)的方法進(jìn)行可行解的搜索[55].

法國航天局的Pleiades系列衛(wèi)星使用了自動(dòng)化通用體系演示應(yīng)用平臺AGATA(Autonomy generic architecture—test and application)來實(shí)現(xiàn)星上自主調(diào)度規(guī)劃,當(dāng)接收到來自環(huán)境變化的信息,星上系統(tǒng)就會(huì)自主調(diào)整任務(wù)觸發(fā)相關(guān)的參數(shù),同時(shí)重新計(jì)算下一次規(guī)劃的觸發(fā)時(shí)間,并改變相應(yīng)待規(guī)劃任務(wù)的一些狀態(tài)信息.隨著時(shí)間的推移,當(dāng)?shù)竭_(dá)規(guī)劃觸發(fā)時(shí)間時(shí),星載處理器開始進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃,并生成新的任務(wù)計(jì)劃.在任務(wù)完成后,星載處理器同樣可以分析與處理成像結(jié)果,從中自主生成需要的成像任務(wù),避免了地面管控與星地?cái)?shù)據(jù)傳輸過程中的復(fù)雜流程.其中,單星規(guī)劃模型采用基于時(shí)間線的約束網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行建立[56?57],并構(gòu)建在線決策的反應(yīng)型/慎重型架構(gòu)[58],其中反應(yīng)型控制部分采用啟發(fā)式規(guī)則,慎重型推理部分采用迭代隨機(jī)貪婪算法,將啟發(fā)式規(guī)則與隨機(jī)選擇算子相結(jié)合,允許從當(dāng)前狀態(tài)以逐次遞增的方式制定活動(dòng)計(jì)劃.

1.3 星地一體化自主任務(wù)調(diào)度規(guī)劃

單星地面離線與星上在線調(diào)度之間存在不同優(yōu)勢,見表4.星上平臺與地面平臺兩者之間的配置取舍往往取決于決策時(shí)所需信息的可用性.比如,針對對系統(tǒng)故障的快速響應(yīng)要求,顯然采用星上自主是首要選擇;而對于及時(shí)響應(yīng)用戶的需求,則地面自主更適用于處理其復(fù)雜性,因此星地一體化任務(wù)調(diào)度比單純地面或星上調(diào)度更符合未來實(shí)際應(yīng)用.目前對星地一體自主任務(wù)調(diào)度規(guī)劃的研究還處于探索階段,相關(guān)研究包括:規(guī)劃框架[59?60]、規(guī)劃方法[61]、調(diào)度模型[62],總體而言,地面和星上的兩種配置均需要.

表4 單星地面離線調(diào)度與單星在線調(diào)度的優(yōu)勢比較Table 4 The comparison of the advantages between single-satellite offline task scheduling and onboard task scheduling

德國航空航天中心針對FireBIRD項(xiàng)目開發(fā)的VAMOS(Verification of autonomous mission planning onboard a spacecraft)是面向星地一體化的任務(wù)規(guī)劃框架.該框架通過賦予衛(wèi)星一定的規(guī)劃能力的方法來解決地面約束推理不精確的問題[63].首先地面根據(jù)資源的上下界限制生成任務(wù)計(jì)劃并通過指令上傳到衛(wèi)星上,在與地面站的通信間隔時(shí)間內(nèi),地面任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)仍然運(yùn)行并可以更改調(diào)整任務(wù)計(jì)劃,同時(shí)星上模塊通過掃描圖像探測發(fā)現(xiàn)起火點(diǎn)等突發(fā)事件,根據(jù)具體環(huán)境信息觸發(fā)星上任務(wù)規(guī)劃流程,生成實(shí)時(shí)命令序列并將其插入到任務(wù)計(jì)劃中,及時(shí)調(diào)整下傳計(jì)劃完成對突發(fā)事件快速響應(yīng).VAMOS充分結(jié)合地面硬件的計(jì)算性能和星上軟硬件在響應(yīng)時(shí)間內(nèi)的資源傳播推理能力,在星上自主實(shí)現(xiàn)規(guī)劃,調(diào)度和指令序列生成,以驗(yàn)證一個(gè)任務(wù)調(diào)度規(guī)劃系統(tǒng)的適用性,實(shí)用性和收益[64],共分為三個(gè)模塊部分:1)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的地面附屬部分,自動(dòng)生成可進(jìn)行任務(wù)計(jì)劃拓展的場景和條件.2)星上模塊OBoTiS(Onboard timeline selection),用于是否激活已經(jīng)在地面處理計(jì)算過的候選任務(wù);當(dāng)該模塊激活時(shí),星上規(guī)劃器會(huì)在提前選定的時(shí)間點(diǎn),檢測各資源參數(shù)是否處于地面預(yù)先計(jì)算的值域內(nèi).若滿足條件,則執(zhí)行任務(wù)計(jì)劃的拓展.3)星上模塊OBETTE(Onboard event triggered timeline extension),用于調(diào)度插入任務(wù);當(dāng)該模塊被激活時(shí),星上規(guī)劃器得到突發(fā)事件的觸發(fā)信息.OBETTE模塊得到該事件的執(zhí)行時(shí)間和觀測角度等任務(wù)參數(shù),并將相應(yīng)的參數(shù)裝訂到預(yù)定義的命令任務(wù)模板中去,一并發(fā)送給OBoTiS模塊,作為新的拓展任務(wù)計(jì)劃.

算法中加入了OBoTiS On-Ground Add-on和OBETTE On-Ground Add-On模塊,其功能就是對比實(shí)際資源使用情況和規(guī)劃時(shí)資源使用情況,并對當(dāng)前時(shí)刻之后的資源進(jìn)行重新預(yù)測.在星上自主調(diào)整的同時(shí),地面系統(tǒng)的信息也要相應(yīng)更新,以輔助后續(xù)決策.星上部分則能實(shí)現(xiàn)星上實(shí)時(shí)調(diào)整衛(wèi)星狀態(tài)檢查與調(diào)整,從而決定某個(gè)行動(dòng)是否能正常被執(zhí)行,同時(shí)可星上實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)可疑任務(wù),利用衛(wèi)星的獨(dú)特位置優(yōu)勢來挖掘具有潛在價(jià)值的活動(dòng).所以這就要求對于自主探測到的事件快速反應(yīng)、最大化星上資源利用率.為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo),首先需要對程序的觸發(fā)機(jī)制進(jìn)行設(shè)計(jì).FireBIRD中設(shè)計(jì)觸發(fā)機(jī)制有兩種:第一種是星上每執(zhí)行完一個(gè)指令,對約束與資源信息進(jìn)行檢查與更新,若發(fā)現(xiàn)約束與資源等信息的預(yù)測值與真實(shí)值差距大于可接受范圍,那么針對這個(gè)動(dòng)作及其相關(guān)動(dòng)作進(jìn)行重規(guī)劃;第二種是VIMOS模塊通過圖像處理,生成新的任務(wù).在觸發(fā)規(guī)劃的時(shí)間點(diǎn),星上采用一種不變的優(yōu)先級來進(jìn)行規(guī)劃(即某種貪婪規(guī)則),目的是為了降低星上軟件系統(tǒng)的復(fù)雜性.同時(shí),星上資源的預(yù)測也應(yīng)隨著實(shí)際已使用的情況實(shí)時(shí)改變,即通過對星上實(shí)際約束環(huán)境信息與地面的預(yù)測信息比較,實(shí)現(xiàn)星上時(shí)間窗的調(diào)整.

2 多星協(xié)同任務(wù)調(diào)度規(guī)劃研究

2.1 多星地面離線協(xié)同任務(wù)調(diào)度規(guī)劃

對比單星,多星具有諸多優(yōu)勢:1)從時(shí)空、光譜等方面提高對地觀測效益;2)多顆不同載荷的衛(wèi)星的協(xié)同能夠取代大型復(fù)雜的單星以實(shí)現(xiàn)更完備的功能;3)多星的魯棒性強(qiáng)于單星.多星地面離線任務(wù)調(diào)度規(guī)劃多采用集中式架構(gòu)[65?67]和集中–分布式架構(gòu)[68?69],主要目標(biāo)是高效地完成用戶的任務(wù)需求.觀測計(jì)劃由地面生成并上注到衛(wèi)星星座中去,具有重規(guī)劃能力,從而將自主需求從星上部分轉(zhuǎn)換到地面部分.

在對多星地面離線任務(wù)調(diào)度規(guī)劃的方法研究中,學(xué)者們通過設(shè)計(jì)不同規(guī)則提出對應(yīng)的算法來解決多星調(diào)度問題.Globus等[70?71]將觀測任務(wù)放置在多個(gè)衛(wèi)星中沒有約束沖突的最早可用的時(shí)間窗內(nèi)來進(jìn)行任務(wù)分配,Richards等[72]對于星座任務(wù)規(guī)劃問題,采用知識庫來安排不同任務(wù),Bianchessi等[73]采用了先到先服務(wù)的方式來安排多星成像和數(shù)傳任務(wù)的順序序列,設(shè)計(jì)了基于前瞻和回滾功能的調(diào)度算法來解決不同載荷資源的分配問題,Dilkina等[74]針對多敏捷衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃問題展開研究,提出了一種將排列調(diào)度方法和約束傳播算法相結(jié)合的求解方法.賀川等[75]利用最小時(shí)間窗窗口沖突度來將不同觀測任務(wù)分配值對應(yīng)的時(shí)間窗口.王沛等[12,76]設(shè)計(jì)了一個(gè)任務(wù)的靈活度指標(biāo),利用該指標(biāo)修正的任務(wù)優(yōu)先級及競爭度來確定任務(wù)的排序,同時(shí)提出了一種基于優(yōu)先級的避免沖突、有限回溯、按需下傳的啟發(fā)式方法算法,完成對地球觀測衛(wèi)星星座的調(diào)度.Wang等[77]針對任務(wù)屬性變化等動(dòng)態(tài)性特點(diǎn),設(shè)計(jì)了兩套啟發(fā)式策略來解決該多星動(dòng)態(tài)調(diào)度問題.Li等[78]引入模糊數(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來判斷擾動(dòng)對系統(tǒng)的影響,若擾動(dòng)達(dá)到閾值則啟動(dòng)重規(guī)劃.姜維等[79]對組網(wǎng)衛(wèi)星在地面離線模式下帶有任務(wù)協(xié)同工作的衛(wèi)星任務(wù)調(diào)度規(guī)劃問題進(jìn)行了定性分析,包括形式化表示多種協(xié)同方式以及相對應(yīng)的新約束關(guān)系.

在多星地面離線協(xié)同任務(wù)調(diào)度規(guī)劃中,多Agent系統(tǒng)方法與分布式計(jì)算架構(gòu)的研究熱度越來越高,Agogino等[80]針對面向空間測量的Cube-Sats集群,采用多Agent系統(tǒng)方法,以每個(gè)Agent代表單個(gè)Cube-Sat,在用戶給定觀測任務(wù)請求時(shí),各Agent采用特定的成本代價(jià)計(jì)算函數(shù)計(jì)算投標(biāo)值,按照投標(biāo)值進(jìn)行任務(wù)分配.Cheng等[81]提出了多星聯(lián)合規(guī)劃系統(tǒng)MSCPS(Multiple satellites collaborative planning system),將多星地面離線協(xié)同任務(wù)規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為衛(wèi)星之間的協(xié)同任務(wù)分配問題,然后采用多Agent系統(tǒng)方法,基于群智能和多屬性決策的模糊綜合評價(jià)方法在擴(kuò)展合同網(wǎng)協(xié)議ECNP(Extended contract net protocol)下進(jìn)行招標(biāo),形成有效的任務(wù)規(guī)劃.Skobelev等[82]采用分布式的多Agents系統(tǒng)來解決多星調(diào)度問題,將觀測需求視為需求Agent,將衛(wèi)星和地面站視為是資源Agent,通過資源和需求的迭代匹配來優(yōu)化調(diào)度方案.

表5 多星地面離線任務(wù)調(diào)度規(guī)劃系統(tǒng)Table 5 Multi-satellite ground offline task scheduling system

表5歸納了目前比較成熟的兩套系統(tǒng),其中,美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室的TechSat21衛(wèi)星主要使用SpaceCAPS(Spacecraft cluster automatic planner/scheduler)來完成對星簇的任務(wù)規(guī)劃,它是基于NASA的ASPEN環(huán)境設(shè)計(jì)了一個(gè)分層規(guī)劃的調(diào)度機(jī)制,按照星座、星群和單個(gè)衛(wèi)星或傳感器的層次分配任務(wù),其中每個(gè)衛(wèi)星編隊(duì)采用集中迭代修復(fù)的構(gòu)造式調(diào)度方法來確定各個(gè)傳感器的調(diào)度方案,在迭代修復(fù)過程中采用多種啟發(fā)式規(guī)則[83?84].

歐洲多國合作的MUSIS項(xiàng)目(Multinational space-based imaging system for surveillance,reconnaissance and observation)使用了PLANET系統(tǒng)來進(jìn)行多星任務(wù)協(xié)同任務(wù)規(guī)劃,它將任務(wù)分成不同優(yōu)先級,逐級利用一種按照時(shí)間順序排序算法來分配任務(wù)至各個(gè)衛(wèi)星,并且遵循效率性(快速構(gòu)造新方案)、最優(yōu)性(盡可能安排優(yōu)先級高的任務(wù))、穩(wěn)定性(與舊方案盡可能接近)的原則滾動(dòng)地進(jìn)行重規(guī)劃[85].

2.2 多星星上在線協(xié)同任務(wù)調(diào)度規(guī)劃

大部分研究將多星協(xié)同任務(wù)調(diào)度規(guī)劃問題簡化為優(yōu)化問題,并用傳統(tǒng)的優(yōu)化方法,如貪婪式[86?87]、回溯法[88]和簡單啟發(fā)式[89]等算法進(jìn)行解決,這些研究一般只考慮小規(guī)模問題,無法滿足需要面對的動(dòng)態(tài)任務(wù)環(huán)境的多星協(xié)同任務(wù)調(diào)度的需求.類似于單星,多星任務(wù)調(diào)度規(guī)劃也逐漸要求放置星上處理,以應(yīng)對多星更為復(fù)雜的動(dòng)態(tài)環(huán)境,不同之處在于多星還要求實(shí)現(xiàn)星間協(xié)同.而出于保守考慮,多星星上在線協(xié)同任務(wù)調(diào)度規(guī)劃一般采用集中式架構(gòu),如NASA在ASE環(huán)境中將衛(wèi)星編隊(duì)中一個(gè)航天器作為母星,通過星間通信來調(diào)度伴飛航天器的運(yùn)行.Truszkowski等[90]提出一種航天器星座交互場景,構(gòu)建以高軌衛(wèi)星為主星,低軌衛(wèi)星為成員星的完全集中式架構(gòu).該星座由16顆低軌道太陽同步衛(wèi)星和4顆高軌衛(wèi)星(其中第4顆作為備份星)組成,其中高軌衛(wèi)星接收低軌成員星發(fā)送的資源狀態(tài)信息,對星座的全局行為進(jìn)行掌控,其星載計(jì)算機(jī)具有強(qiáng)大的處理能力,負(fù)責(zé)整個(gè)星座的管理運(yùn)行,與地面控制站時(shí)刻保持通信交互;低軌衛(wèi)星相對簡單,從高軌衛(wèi)星處接受到使命目標(biāo)的指令與變化,并將自身的資源狀態(tài)數(shù)據(jù)傳送給高軌衛(wèi)星.Zheng等[91]以深空低頻電磁波探測項(xiàng)目為背景,讓主星負(fù)載整個(gè)系統(tǒng)所有衛(wèi)星的任務(wù)規(guī)劃工作,采用自適應(yīng)遺傳算法來分解任務(wù)目標(biāo),完成星座的任務(wù)規(guī)劃調(diào)度,仿真實(shí)驗(yàn)表明這種完全集中式的規(guī)劃體系在短期規(guī)劃中可獲得一個(gè)較優(yōu)的調(diào)度解.Qin等[92]針對異構(gòu)低軌小衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò),采用完全集中式架構(gòu),提出了基于截止日期的資源平衡式任務(wù)分配算法(Deadline based resource balancing,DBRB).DBRB算法配置在衛(wèi)星集群的主星上,需要主星維護(hù)每個(gè)成員星的最新狀態(tài),利用每個(gè)成員星的剩余電源電量和搭載的載荷類型選取侯選星,進(jìn)行任務(wù)執(zhí)行.但集中式架構(gòu)對主星的計(jì)算能力和星間通信鏈路要求較高,且一旦主星發(fā)生故障,則系統(tǒng)效能會(huì)大打折扣.

為了應(yīng)對更加復(fù)雜的通信環(huán)境,減輕對中心衛(wèi)星的依賴,去中心化的分布式調(diào)度方法受到了青睞,Bonnet等[93]針對Fuego項(xiàng)目的對地觀測星群任務(wù)調(diào)度規(guī)劃[94]提出了分散式架構(gòu)及相應(yīng)的混合優(yōu)化方法:對于單星規(guī)劃,采用慎重型方法,星上生成預(yù)案,并將任務(wù)請求集合和執(zhí)行意圖共享給其他衛(wèi)星;對于多星協(xié)同,采用反應(yīng)式規(guī)則,分別針對冗余分配導(dǎo)致的軟沖突和硬沖突采用不同的沖突消解策略和步驟,后續(xù)研究[95]考慮任務(wù)請求異步到達(dá)和間斷性通信的情況下分布式衛(wèi)星系統(tǒng)中的分布式任務(wù)分配問題,提出了在線漸近式動(dòng)態(tài)組織機(jī)制,用以下三步來表示:各衛(wèi)星獨(dú)立規(guī)劃;各衛(wèi)星之間相互通信,構(gòu)建共同的知識;復(fù)雜任務(wù)需要多個(gè)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)不同的子任務(wù)來完成,則各衛(wèi)星構(gòu)建和修改聯(lián)盟編隊(duì).該應(yīng)用場景中的通信約束表現(xiàn)為:地面控制站僅與高軌道衛(wèi)星進(jìn)行通信;高軌道衛(wèi)星在其自身,地面站和低軌道衛(wèi)星之間起到通信中繼的作用;低軌道衛(wèi)星僅能與高軌道衛(wèi)星進(jìn)行通信.Van Der Horst[96]研究分布式衛(wèi)星系統(tǒng)的任務(wù)分配問題,使用完全分布式的市場拍賣機(jī)制來有效地分配不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)中的任務(wù),而不需要全局的狀態(tài)知識,各成員星根據(jù)各自的資源剩余水平,計(jì)算投標(biāo)值,并將其相對適應(yīng)度作為投標(biāo)值,與任務(wù)分配星進(jìn)行通信.Bonnet[97]采用面向方案優(yōu)化的自適應(yīng)多Agent系統(tǒng)來解決多目標(biāo)的星座調(diào)度問題,系統(tǒng)采用去中心化的分布式調(diào)度方法來解決星座的動(dòng)態(tài)調(diào)度問題,各個(gè)衛(wèi)星通過本地調(diào)度和多次協(xié)同溝通來與其他衛(wèi)星獲得一致性意見.張正強(qiáng)[98]將分布式衛(wèi)星系統(tǒng)任務(wù)規(guī)劃與控制問題分為星群任務(wù)規(guī)劃與單星自主控制兩個(gè)層次,進(jìn)而建立了一種高可靠性的集中–分布式架構(gòu);構(gòu)建了成像衛(wèi)星Agent的分層混合結(jié)構(gòu),包括全局控制層、通信與協(xié)作層、局部規(guī)劃層、監(jiān)控層和執(zhí)行層等5層.在上述框架基礎(chǔ)上,提出與之相匹配的星群任務(wù)規(guī)劃方法—基于約束的誠實(shí)合同網(wǎng)協(xié)議,分別設(shè)計(jì)多種招標(biāo)任務(wù)選擇策略和評標(biāo)策略.高黎[99]則從協(xié)商和任務(wù)優(yōu)化分配兩方面展開了任務(wù)協(xié)作機(jī)制的研究,對傳統(tǒng)合同網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)充,引入信任度、合作頻度等智能體心智狀態(tài)參數(shù).龐中華[100]從低軌衛(wèi)星在線任務(wù)規(guī)劃的時(shí)效要求高,沖突調(diào)整要求高和資源類型多樣三個(gè)特點(diǎn)入手,對傳統(tǒng)的集中–分布式架構(gòu)進(jìn)行拓展,在主星和成員星的基礎(chǔ)上加入一類中層管理Agent,從而形成包含三類Agent的多Agent架構(gòu).

2.3 多星星地一體協(xié)同任務(wù)調(diào)度規(guī)劃

星地一體化的多星協(xié)同任務(wù)調(diào)度規(guī)劃多采用集中–分布式架構(gòu),首先地面管控是整個(gè)系統(tǒng)的中心實(shí)體,通過最新的星上狀況和任務(wù)屬性等信息,在各個(gè)局部實(shí)體中進(jìn)行任務(wù)分配,并在可見時(shí)間窗內(nèi)向各衛(wèi)星發(fā)布初步規(guī)劃方案,每個(gè)衛(wèi)星作為本地實(shí)體,將自身的狀態(tài),中心實(shí)體的任務(wù)請求/建議,以及突發(fā)事件等因素考慮進(jìn)來,與星群間協(xié)同進(jìn)行自主調(diào)度規(guī)劃.星地一體化架構(gòu)既利用到地面強(qiáng)大的計(jì)算能力,又兼顧到星上自主的優(yōu)勢,如星上自主決策可以實(shí)時(shí)得到衛(wèi)星自身的狀態(tài)信息,而地面控制站不能;星上自主探測到新的地面情況并能對探測到的情況進(jìn)行及時(shí)響應(yīng)[52];星上自主云判能夠使衛(wèi)星避免無用的可見光成像活動(dòng)[101];星上的圖像處理分析使衛(wèi)星能夠首先移除無用的觀測圖像數(shù)據(jù),然后保存到星上的存儲空間,避免無用的數(shù)據(jù)下傳[102?103].

DIPS(Distributed intelligent planning and scheduling)系統(tǒng)是一個(gè)分布式智能規(guī)劃和調(diào)度系統(tǒng)[104],見表6,基于DIPS的衛(wèi)星只接收來自地面站的高階目標(biāo),并在星上執(zhí)行自主調(diào)度與規(guī)劃,與其他衛(wèi)星合作完成目標(biāo)任務(wù),它將每顆衛(wèi)星建模為帶有自主功能的Agent,并采用了一種域分配算法,該算法通常在第一次協(xié)調(diào)工作之后創(chuàng)建一個(gè)可行的調(diào)度方案,從而減少調(diào)度過程中的Agent間協(xié)商,在保持約束和約束的基礎(chǔ)上,根據(jù)約束傳播范式,采用優(yōu)化Agent來優(yōu)化時(shí)間和資源的使用,實(shí)現(xiàn)基于優(yōu)先級的調(diào)度,并在Agent之間采用層次化的確認(rèn)/授權(quán)機(jī)制實(shí)現(xiàn)全局目標(biāo)協(xié)調(diào)[105?107].

表6 多星星地一體化協(xié)同任務(wù)調(diào)度規(guī)劃系統(tǒng)Table 6 Multi-satellite and ground integrated task scheduling system

Damiani等[94]以Bird項(xiàng)目(http://spacesensors.dlr.de/-SE/bird/)和Fuego項(xiàng)目[108]為研究背景,針對星上自主規(guī)劃調(diào)度模塊進(jìn)行研究,并提出了一套星地一體化的多星協(xié)同任務(wù)規(guī)劃方案,其中所建立的集中–分布式?jīng)Q策架構(gòu)由兩部分組成:1)以地面控制站為中心的跟蹤任務(wù)分配機(jī)制,會(huì)被頻繁觸發(fā);2)每顆衛(wèi)星具有星上的反應(yīng)式?jīng)Q策/規(guī)劃機(jī)制,時(shí)刻處于工作狀態(tài),可隨時(shí)中斷.Tripp等[109]提出了基于Agent間接通信協(xié)同的任務(wù)管理系統(tǒng),采用集中–分布式的架構(gòu),其中地面站將一系列的任務(wù)請求一次性全部發(fā)布給所有的衛(wèi)星,然后各個(gè)衛(wèi)星根據(jù)它們自身的工作負(fù)荷,已被其他衛(wèi)星標(biāo)記為待執(zhí)行的任務(wù)集合和上輪中重復(fù)執(zhí)行的任務(wù)集合等情況,選擇能夠執(zhí)行的任務(wù).

Cesta等[110]在全球環(huán)境與安全監(jiān)測計(jì)劃GMES的背景下,針對分布式智能體自治(Distributed agents for autonomy,DAFA)技術(shù)展開研究,論證多Agent技術(shù)在衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域的優(yōu)勢,旨在基于Agent的設(shè)計(jì)框架,定義、設(shè)計(jì)和研發(fā)Agent系統(tǒng);Grey[111]針對GMES項(xiàng)目,構(gòu)建面向多Agent系統(tǒng)的自律分散型空間控制架構(gòu)(Holonic agent space architecture,HASA),其中包含4類Agents:Product、Executor、Planner和Resource.分別從空間分布和任務(wù)類型兩個(gè)維度,對各Agent進(jìn)行劃分,具體如下:面向多星協(xié)同任務(wù)的地面段,包括用戶優(yōu)先級定義模塊,任務(wù)分配模塊和地面站;面向單星任務(wù)的地面段,包括飛行動(dòng)力學(xué)模塊,數(shù)據(jù)處理模塊,任務(wù)規(guī)劃器和任務(wù)優(yōu)先級定義模塊;面向單星任務(wù)的空間段,包括星上規(guī)劃模塊、星上通信模塊、星上執(zhí)行器、星上監(jiān)視、星上規(guī)劃調(diào)度器和星上探測載荷.

3 結(jié)論與展望

3.1 本文結(jié)論

本文綜述了衛(wèi)星自主與協(xié)同任務(wù)調(diào)度規(guī)劃的研究現(xiàn)狀,對單星和多星任務(wù)調(diào)度規(guī)劃問題按照“地面離線–星上在線–星地一體”的研究進(jìn)展進(jìn)行了梳理總結(jié).可以看到在該領(lǐng)域已經(jīng)有很多有價(jià)值的研究成果,而且相關(guān)研究已經(jīng)得到了世界各國學(xué)者的普遍關(guān)注.但是不難發(fā)現(xiàn),目前的研究成果很多都有其具體的應(yīng)用背景,因此難免有一定的缺陷:

1)單星在線調(diào)度研究多是針對隨機(jī)到達(dá)或自身生成的單個(gè)應(yīng)急任務(wù)進(jìn)行重調(diào)度,而面對動(dòng)態(tài)性越來越強(qiáng)的應(yīng)急任務(wù)環(huán)境,其中應(yīng)急任務(wù)會(huì)有多個(gè)來源,包括地面應(yīng)急上注、他星通信傳遞和自身應(yīng)急生成等等,亟需一種兼顧應(yīng)急響應(yīng)性能和星上有限計(jì)算條件的單星在線調(diào)度機(jī)制和方法.

2)大部分研究在考慮自主與協(xié)同任務(wù)調(diào)度規(guī)劃問題時(shí)會(huì)對研究對象進(jìn)行多項(xiàng)簡化與假設(shè),如:分布式架構(gòu)下星間具備完全通信或穩(wěn)定通信鏈路;星上計(jì)算能力達(dá)到較高水平,計(jì)算時(shí)間滿足星上響應(yīng)的時(shí)效性;任務(wù)接收與數(shù)據(jù)下傳都作為一種周期性或者確定性活動(dòng);系統(tǒng)內(nèi)所有衛(wèi)星是同構(gòu)的,所搭載的成像載荷類型一樣等,這些簡化和假設(shè),導(dǎo)致了這些研究成果的實(shí)際應(yīng)用將十分困難.

3)大部分在線調(diào)度算法的研究都是面向非敏捷衛(wèi)星的,對敏捷衛(wèi)星在線調(diào)度算法研究較為薄弱,而多敏捷自主衛(wèi)星調(diào)度問題是未來自主衛(wèi)星大規(guī)模應(yīng)用中必須要解決的關(guān)鍵性問題,同時(shí),只有少數(shù)學(xué)者對問題中時(shí)間依賴的時(shí)序約束進(jìn)行研究,該時(shí)序約束由時(shí)間窗約束和時(shí)間依賴的姿態(tài)機(jī)動(dòng)約束組成,是制約敏捷衛(wèi)星應(yīng)用效率的關(guān)鍵.

4)當(dāng)前的多星協(xié)同任務(wù)調(diào)度研究大多數(shù)停留在架構(gòu)設(shè)計(jì)層面,缺乏針對不同架構(gòu)的算法機(jī)制詳細(xì)設(shè)計(jì),進(jìn)而無法對所提出的架構(gòu)進(jìn)行定量分析驗(yàn)證,不能形成面向架構(gòu)設(shè)計(jì)的反饋機(jī)制.另外,對多星協(xié)同內(nèi)部協(xié)調(diào)控制策略的研究較少,導(dǎo)致不能很好地控制自主與協(xié)同調(diào)度規(guī)劃問題的求解過程,各模塊間的配合程度較低.

針對上述提出的相關(guān)研究不足之處,為滿足日益迫切、復(fù)雜的軍事情報(bào)保障和國土監(jiān)測需求,未來衛(wèi)星自主與協(xié)同任務(wù)調(diào)度規(guī)劃的研究還有許多工作要做:

1)對于衛(wèi)星在線調(diào)度問題,需要同時(shí)考慮衛(wèi)星所處的動(dòng)態(tài)環(huán)境和計(jì)算能力:其他衛(wèi)星的狀態(tài)信息獲取延遲滯后、任務(wù)發(fā)布與任務(wù)到達(dá)之間存在動(dòng)態(tài)不確定的時(shí)間差、應(yīng)急任務(wù)的時(shí)效可用性、星上計(jì)算能力對動(dòng)態(tài)任務(wù)的應(yīng)急響應(yīng)性能等,制定任務(wù)規(guī)劃/重規(guī)劃的決策時(shí)間點(diǎn)、機(jī)制策略、規(guī)劃算法等,將動(dòng)態(tài)觀測需求常態(tài)化.此外,進(jìn)一步深入研究需要考慮完成任務(wù)所需動(dòng)作,既完成任務(wù)規(guī)劃,又要完成相應(yīng)動(dòng)作的規(guī)劃.

2)未來分布式衛(wèi)星系統(tǒng)大多是異構(gòu)的,多星在線協(xié)同的架構(gòu)多種多樣,不同的功能配置方式形成不同的協(xié)同架構(gòu),而不同的協(xié)同架構(gòu)又決定了不同的協(xié)同算法機(jī)制,因此亟需從具體的協(xié)同算法設(shè)計(jì)入手,對不同的協(xié)同架構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)效能和運(yùn)行成本的評估分析,進(jìn)而從提高效費(fèi)比的角度,對功能配置方式形成反饋.

3)衛(wèi)星自主規(guī)劃技術(shù)的本質(zhì)是將原先由地面系統(tǒng)所承擔(dān)的規(guī)劃、控制等功能全部轉(zhuǎn)移到衛(wèi)星上,因此自主規(guī)劃過程十分復(fù)雜,不僅需要模型和算法,還要依靠各種功能模塊的協(xié)調(diào)配合.對自主規(guī)劃模塊的功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確劃分,有效分解復(fù)雜的自主規(guī)劃問題求解過程.確定協(xié)調(diào)控制策略,控制自主規(guī)劃問題的求解過程,實(shí)現(xiàn)模塊間的協(xié)調(diào)配合.

3.2 未來展望

綜上所述,衛(wèi)星自主與協(xié)同任務(wù)調(diào)度規(guī)劃具有廣闊的研究前景,其未來可能的發(fā)展方向有:

1)面向大規(guī)模衛(wèi)星集群的協(xié)作任務(wù)調(diào)度規(guī)劃.目前所應(yīng)用到的分布式對地觀測衛(wèi)星系統(tǒng)規(guī)模較小,隨著衛(wèi)星規(guī)模的擴(kuò)大、載荷種類增多,單一的管控結(jié)構(gòu)勢必會(huì)影響到衛(wèi)星集群協(xié)作效率,完全分布式的星座結(jié)構(gòu)會(huì)是大規(guī)模衛(wèi)星集群協(xié)作任務(wù)規(guī)劃的發(fā)展方向.在未來的研究中,如何在大規(guī)模衛(wèi)星集群中,高質(zhì)量地動(dòng)態(tài)響應(yīng)某一特定任務(wù)需求,協(xié)同多載荷完成對目標(biāo)多手段偵查,保持星座穩(wěn)定運(yùn)行,成為了研究大規(guī)模衛(wèi)星集群的協(xié)作任務(wù)調(diào)度規(guī)劃的關(guān)鍵問題.

2)接近完全考慮約束的衛(wèi)星調(diào)度規(guī)劃.大部分研究只針對某一特殊場景進(jìn)行假設(shè)實(shí)驗(yàn),沒有考慮諸多在實(shí)際工程應(yīng)用中的約束,如:區(qū)域目標(biāo)/移動(dòng)目標(biāo)的觀測窗口變化;星上能量與固存的不確定性;通信時(shí)間窗口和通信環(huán)路對通信的約束等.隨著未來衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展,要求對衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)精細(xì)化調(diào)度規(guī)劃,具體時(shí)刻點(diǎn)的確定需考慮相應(yīng)資源的調(diào)度情況,并對這些調(diào)度子問題一并建模求解,這種接近完全考慮約束的要求為衛(wèi)星調(diào)度規(guī)劃研究帶來新的方向.另外,星上計(jì)算能力有限,如何在考慮復(fù)雜的約束下提高算法的速度和效率,也是下一步研究方向.

3)引入機(jī)器學(xué)習(xí)的星上自主任務(wù)規(guī)劃.自主衛(wèi)星在執(zhí)行任務(wù)時(shí),會(huì)產(chǎn)生大量的對地觀測動(dòng)作、數(shù)據(jù)回傳動(dòng)作、對日定向動(dòng)作等數(shù)據(jù).可以引入機(jī)器學(xué)習(xí)的模塊來解析這些數(shù)據(jù),讓衛(wèi)星可以通過自動(dòng)獲取知識的方式,提高自主規(guī)劃模塊的性能.把機(jī)器學(xué)習(xí)與自主衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃結(jié)合涉及到對環(huán)境和衛(wèi)星自身關(guān)鍵信息提取、狀態(tài)監(jiān)視和綜合評估、基于歷史數(shù)據(jù)和決策模型調(diào)整調(diào)度策略等多個(gè)研究問題.未來星載計(jì)算機(jī)能力逐漸加強(qiáng)、自主衛(wèi)星應(yīng)用場景不斷拓寬,對智能化自主衛(wèi)星的決策能力、任務(wù)規(guī)劃能力也會(huì)有更高的研究需求.