(1.北京空間技術(shù)研制試驗中心，北京 100094; 2.北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094)

0 引言

隨著載人深空探測活動的深入推進，未來航天器的任務(wù)在高可靠性和高安全性的基礎(chǔ)上，面臨著系統(tǒng)規(guī)模龐大且功能復(fù)雜、信息類別多且數(shù)據(jù)量大、天地通信約束嚴(yán)苛(高時延、帶寬有限、通信窗口限定)、地面操控難度大等新形勢?，F(xiàn)有航天器的局部自主的技術(shù)水平難以滿足后續(xù)任務(wù)需求，在軌航天器需要自主規(guī)劃并執(zhí)行命令，不斷根據(jù)實施的情況和環(huán)境的變化做出合理的調(diào)整，最終完成目標(biāo)任務(wù)。多個航天器配合的任務(wù)尤其需要航天器的自主運行能力。

目前國內(nèi)外的研究中，針對航天器的任務(wù)規(guī)劃的研究主要針對單航天器的研究和應(yīng)用，如NASA應(yīng)用在觀測衛(wèi)星EO-1的CASPER系統(tǒng)[1]，應(yīng)用在天文望遠鏡HST、JWST的SPIKE系統(tǒng)[2]、ESA應(yīng)用在無人探測器Rosetta的RSSC系統(tǒng)[3]，國內(nèi)應(yīng)用在某遙感衛(wèi)星的基于有向圖的任務(wù)指令生成算法[4]。針對多航天器的任務(wù)規(guī)劃研究和應(yīng)用較少[5-6]。本文在分析多航天器任務(wù)特點基礎(chǔ)上，重點研究多航天器的協(xié)同任務(wù)規(guī)劃問題，對后續(xù)大規(guī)模航天活動具有理論和應(yīng)用意義。

1 任務(wù)分析

多航天器任務(wù)按照航天器交互方式，可分為兩種：一種是同構(gòu)式航天器交互，多航天器作為有機整體，接到統(tǒng)一任務(wù)后，將任務(wù)按協(xié)商分配或者招投標(biāo)的方式向單個航天器派出任務(wù)；一種是異構(gòu)式航天器交互，多航天器之間有機交互共同完成任務(wù)。

同構(gòu)式航天器一般選擇某一航天器作為決策航天器，其余航天器為成員航天器：決策航天器接收地面的統(tǒng)一任務(wù)，負(fù)責(zé)與各成員航天器通信、協(xié)商，并發(fā)布任務(wù)信息，其作為任務(wù)分配的組織者和決策者，擁有共享的任務(wù)信息。成員航天器負(fù)責(zé)接收由決策航天器發(fā)來的任務(wù)需求，根據(jù)自身實際情況進行約束評估，決定是否申請任務(wù)。決策航天器根據(jù)各成員航天器申請任務(wù)情況確定完成任務(wù)的航天器并進行握手確認(rèn)[7]。同構(gòu)式航天器交互方式框圖見圖1所示。

圖1 同構(gòu)式航天器交互框圖

異構(gòu)式航天器需要多航天器間互相配合完成共同的任務(wù)，可采用分層級的方式進行協(xié)同任務(wù)：高層級的航天器接收地面的統(tǒng)一任務(wù)，根據(jù)統(tǒng)一任務(wù)需求進行約束評估，并向低層級的航天器發(fā)布任務(wù)信息。低層級的航天器接收任務(wù)信息后，根據(jù)自身實際情況進行約束評估，決定是否接收任務(wù)。高層級航天器根據(jù)低層次航天器任務(wù)接收情況進行最終的任務(wù)確認(rèn)和發(fā)布。異構(gòu)式航天器交互方式框圖見圖2所示。

圖2 異構(gòu)式航天器交互框圖

2 多航天器協(xié)同的任務(wù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 多航天器協(xié)同任務(wù)結(jié)構(gòu)分析

多航天器系統(tǒng)作為一個整體自主完成任務(wù)目標(biāo)，多航天器之間的任務(wù)協(xié)同，可將單個航天器視為單一的Agent，借鑒多Agent系統(tǒng)(Multi-Agent System，MAS)架構(gòu)進行航天器間的任務(wù)協(xié)商。多航天器系統(tǒng)的協(xié)同任務(wù)結(jié)構(gòu)見圖3所示。

圖3 集中式多Agent系統(tǒng)示意圖

2.2 多航天器任務(wù)結(jié)構(gòu)分析

多航天器協(xié)同的自主任務(wù)體系結(jié)構(gòu)從邏輯上分為三層：底層針對航天器各分系統(tǒng)，由各個自主的分系統(tǒng)Agent完成狀態(tài)監(jiān)測和局部控制；中層針對單個航天器整體，完成航天器的系統(tǒng)級自主；頂層是多航天器協(xié)同，決策、規(guī)劃調(diào)度任務(wù)。多航天器協(xié)同的自主任務(wù)體系結(jié)構(gòu)見圖4所示。

圖4 多航天器協(xié)同的自主任務(wù)體系結(jié)構(gòu)圖

2.2.1 多航天器協(xié)同層

多航天器協(xié)同層進行與各航天器的交互協(xié)同，完成航天器的任務(wù)規(guī)劃，包含任務(wù)規(guī)劃Agent、接口處理Agent和任務(wù)池。

接口處理Agent負(fù)責(zé)航天器間信息的傳遞，一方面接收其它航天器Agent的信息，另一方面將接收到的系統(tǒng)級FDIR實時狀態(tài)信息傳遞給其它的航天器Agent。此外，接口處理Agent接收地面命令，保證地面的控制介入能力。接口處理Agent接收系統(tǒng)級FDIR實時反饋的狀態(tài)信息，任務(wù)規(guī)劃Agent接收來自接口處理Agent的任務(wù)，與航天器模型交互進行任務(wù)約束檢查，完成任務(wù)規(guī)劃和分解，主要包括多航天器系統(tǒng)協(xié)同任務(wù)向航天器任務(wù)的分解，系統(tǒng)重構(gòu)過程中的任務(wù)重新規(guī)劃。任務(wù)規(guī)劃Agent還完成對任務(wù)的調(diào)度，當(dāng)多個相互沖突的任務(wù)同時發(fā)生時，任務(wù)規(guī)劃Agent根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級進行排序，達到消解沖突的目的。

任務(wù)池存放任務(wù)規(guī)劃Agent的合規(guī)性任務(wù)，既作為下層Agent執(zhí)行任務(wù)的輸入，也接收更新任務(wù)的執(zhí)行完成情況。任務(wù)池接收地面的管理操作，執(zhí)任務(wù)刪除、調(diào)整等命令。

2.2.2 系統(tǒng)層

航天器系統(tǒng)層接收多航天器協(xié)同層的任務(wù)信息，對航天器進行整體協(xié)調(diào)和控制。航天器系統(tǒng)層包括中心控制Agent、系統(tǒng)級FDIR和航天器模型。

中心控制Agent是航天器內(nèi)部任務(wù)規(guī)劃的控制中心，也是多航天器協(xié)同層與分系統(tǒng)層的紐帶，將多航天器協(xié)同層分配的任務(wù)進行分解，根據(jù)航天器模型以及資源使用情況將任務(wù)解析為動作，直至解析到詳細的控制指令序列，并傳遞給下層的分系統(tǒng)Agent。同時，協(xié)調(diào)各個分系統(tǒng)Agent，解決各個分系統(tǒng)自主工作引起的資源沖突。

系統(tǒng)級FDIR從整體上對航天器進行狀態(tài)監(jiān)測、性能評估和故障診斷，并在出現(xiàn)故障時給出解決方案。

航天器模型反映航天器設(shè)計狀態(tài)，實時接收各分系統(tǒng)Agent的狀態(tài)信息進行模型狀態(tài)對比，將結(jié)果反饋上層的任務(wù)規(guī)劃Agent和本級的中心控制Agent用于任務(wù)規(guī)劃和解析。

2.2.3 分系統(tǒng)層

航天器通常由多個分系統(tǒng)組成，它們具有相對獨立的功能，能完成各自的子任務(wù)。分統(tǒng)層由分系統(tǒng)Agent 組成，各分系統(tǒng)Agent 的功能如下：

1)姿軌控制Agent，進行姿態(tài)捕獲、姿態(tài)和軌道確定及控制；

2)環(huán)熱控制Agent，測量航天器溫度、濕度、壓力、濃度并進行調(diào)節(jié)；

3)信息控制Agent，實現(xiàn)航天器的數(shù)據(jù)管理、傳輸和鏈路控制；

4)能源控制Agent，管理航天器發(fā)電和配電；

5)載荷控制Agent，對有效載荷進行監(jiān)測和控制。

各分系統(tǒng)Agent的結(jié)構(gòu)相同，均包含狀態(tài)監(jiān)測、局部控制、系統(tǒng)軟硬件三個部分。各分系統(tǒng)Agent一方面接受上層控制指令并完成相應(yīng)的功能；另一方面對外部環(huán)境的變化做出反應(yīng)，處理異常情況，實現(xiàn)自我管理。

3 自主任務(wù)規(guī)劃算法設(shè)計

自主任務(wù)管理的核心算法是求解規(guī)劃問題，目前用于規(guī)劃問題的求解算法主要有圖規(guī)劃、基于啟發(fā)式狀態(tài)空間搜索的規(guī)劃、約束可滿足規(guī)劃、分層規(guī)劃和基于模型檢測的規(guī)劃等。任務(wù)規(guī)劃可分為正常任務(wù)規(guī)劃和動態(tài)任務(wù)規(guī)劃，正常任務(wù)規(guī)劃可采用SGPlan算法用于單個任務(wù)的解析，動態(tài)任務(wù)規(guī)劃可用于緊急或故障后的任務(wù)排序。

SGPlan是一款基于目標(biāo)分解技術(shù)的規(guī)劃器，他由Yixin Chen等人聯(lián)合開發(fā)，最開始在2004年提出，并陸續(xù)優(yōu)化[8]。SGPlan的基本思想將原始問題分解為多個子問題，每個子問題都有對應(yīng)的子目標(biāo)，然后利用改進的Metric-FF來求解各個子問題，最后消解子目標(biāo)間的沖突。

假定單個航天器接收到某一任務(wù)，任務(wù)需要相關(guān)功能A、B、C協(xié)同完成。按照SGPlan算法，將任務(wù)P分解為子任務(wù)SA、SB、SC，子任務(wù)SA、SB、SC包含動作[a1]～[an]、[b1]～[bn]、[c1]～[cn]以及狀態(tài)a1～an、b1～bn、c1～cn，具體見圖5所示。

圖5 任務(wù)分解到子任務(wù)

航天器完成任務(wù)規(guī)劃即是從初始狀態(tài)P在滿足各種約束的條件下走向目標(biāo)狀態(tài)G的可行路徑。約束指的是狀態(tài)、動作之間的相互邏輯關(guān)系。對于比較確定的任務(wù)，可以將P到G的路徑提前確定，航天器在軌規(guī)劃時僅需根據(jù)當(dāng)前的任務(wù)參數(shù)求解路徑中的動作時間。對于僅明確約束的任務(wù)，可采用路徑搜索的方法規(guī)劃各種路徑，然后與約束匹配，得出可行路徑。

圖6 任務(wù)路徑求解搜索示意圖

對于航天器發(fā)生故障或者有臨時任務(wù)需要調(diào)整任務(wù)執(zhí)行的，可采用啟發(fā)式搜索方法，將任務(wù)排序關(guān)注的設(shè)定為啟發(fā)評估值設(shè)H(a)，例如將H(a)設(shè)定為采用Rm任務(wù)后可執(zhí)行任務(wù)的數(shù)量。算法示意圖如圖7所示。

圖7 加入修正任務(wù)計劃序列后的任務(wù)排序算法示意

圖中，S為起始節(jié)點，其余每個節(jié)點均有H(a)用于評估節(jié)點值，從S節(jié)點出發(fā)向下擴展節(jié)點，從子節(jié)點中選取H(a)為最大的節(jié)點，并將該節(jié)點設(shè)為新的初始節(jié)點，不斷循環(huán)，最終求解出任務(wù)序列。

4 仿真算例

為了對多航天器協(xié)同的自主任務(wù)規(guī)劃方法進行驗證，選取三個航天器協(xié)同在軌進行推進劑補加的應(yīng)用場景進行仿真，包括核心控制航天器A、攜帶燃料的補加航天器B、待補加航天器C。航天器A為停靠、中轉(zhuǎn)平臺；航天器C在軌大部分時間為獨立飛行，可與航天器A進行對接，?？亢箝_展燃料補加、維修等任務(wù)；航天器B為補加航天器，由地面按需發(fā)射，入軌后與航天器A對接，用于向航天器A、C提供推進燃料等資源。

推進補加需要A、B、C三個航天器協(xié)同完成，因此采用異構(gòu)式航天器的合作式協(xié)同方式(見圖2)。仿真場景設(shè)定為：航天器C推進劑剩余量低于門限值，向航天器A發(fā)出補加協(xié)同請求，航天器A進行整體地統(tǒng)一任務(wù)約束評估通過后，向航天器B和C發(fā)布補加任務(wù)信息；航天器B、C接收任務(wù)后進行自身資源及健康狀態(tài)評估，航天器A根據(jù)各航天器的評估結(jié)果確認(rèn)是否滿足本次任務(wù)需求，并向航天器A、B、C發(fā)布任務(wù)；航天器A、B、C根據(jù)統(tǒng)一任務(wù)指令協(xié)同開展任務(wù)規(guī)劃，進一步分解為航天器內(nèi)部的子任務(wù)、動作和指令。任務(wù)規(guī)劃過程中，若單個航天器的狀態(tài)不滿足任務(wù)要求時，再提交航天器A進行統(tǒng)一的再協(xié)同，直至任務(wù)通過或任務(wù)終止。

針對推進補加仿真算例，建立航天器Agent及航天器內(nèi)部分系統(tǒng)Agent。每個航天器內(nèi)部包括任務(wù)規(guī)劃Agent、接口處理Agent、中心控制Agent、系統(tǒng)FDIR，并根據(jù)任務(wù)需求配置姿軌控制Agent、能源控制Agent和推進補加Agent，見圖8所示。

圖8 推進補加多Agent仿真模型

仿真任務(wù)過程包括交會、對接、推進補加三個過程，其中航天器A、航天器C全程參與三個過程，航天器B僅參加推進補加一個過程。因此，航天器A、C的功能Agent包含了能源控制Agent、姿軌控制Agent和推進補加Agent，航天器B僅建立能源控制Agent和推進補加Agent。

采用基于FIPA規(guī)范[9]的JADE平臺[10]對航天器A、航天器B、航天器C的任務(wù)協(xié)同過程進行仿真，通過仿真，各航天器的中心控制Agent均接受了航天器級的任務(wù)，仿真結(jié)果見圖9所示。圖中，REQUEST表示請求通信方式，INFORM表示通知通信方式。

圖9 推進補加過程中各Agent間協(xié)同過程

航天器完成各航天器間的協(xié)同后，中心控制體Agent進行任務(wù)解析，以航天器A在補加過程的任務(wù)解析為例，補加任務(wù)解析為能源子任務(wù)、姿軌控制子任務(wù)、補加子任務(wù)，每個子任務(wù)又可解析為相關(guān)動作，見圖10所示。圖中，能源子任務(wù)a2是姿軌子任務(wù)進行姿態(tài)調(diào)整動作的前置約束，姿軌子任務(wù)b2是能源子任務(wù)進行帆板跟蹤的前置約束，b3是補加子任務(wù)進行真空放氣動作的前置約束。

圖10 航天器A補加任務(wù)解析圖

將任務(wù)的起始時間代入，按照任務(wù)解析圖的邏輯關(guān)系將動作解析成指令，完成任務(wù)到指令的規(guī)劃。采用Matlab進行仿真，結(jié)果見圖11、圖12所示。

圖11 補加任務(wù)解析前動作圖(初始)

圖12 補加任務(wù)解析前動作圖(完成)

由圖可見，程序按照圖10進行規(guī)劃解析，運算得到：①帆板歸零、②姿態(tài)調(diào)整、③姿態(tài)穩(wěn)定、④帆板跟蹤、⑤真空放氣、⑥氣體回抽、⑦補加、⑧恢復(fù)的動作指令序列。

5 結(jié)論

本文提出了一種多航天器協(xié)同的自主任務(wù)體系結(jié)構(gòu)，給出了基于Agent的體系結(jié)構(gòu)的基本框架和功能描述，并進行了算法設(shè)計，最終以三個航天器協(xié)同開展推進劑補加為例進行了驗證。仿真結(jié)果證明，本文提出的基于Agent的協(xié)同架構(gòu)以及基于SGplan的算法可以滿足多航天器協(xié)同自主任務(wù)規(guī)劃需求。