鄧寶松1,2，孟志鵬1，義余江，余 燁，周曉光

(1.軍事科學院 國防科技創(chuàng)新研究院，北京 100071; 2.天津(濱海)人工智能軍民融合創(chuàng)新中心，天津 300457; 3.西南電子電信技術研究所，成都 610041)

0 引言

對地觀測衛(wèi)星(Earth Observing Satellites, EOS)是目前在軌衛(wèi)星的主要組成之一，其星載載荷主要包括光學(含可見光和高光譜)、雷達、通信(有時也稱為電子觀測)三大類型。對地觀測衛(wèi)星利用空間位置優(yōu)勢，獲取地球表面及其組成部分的重要數(shù)據(jù)和信息。對地觀測衛(wèi)星對于國防建設(制空權、制天權、制信息權等)和經(jīng)濟民生(國土普查、抗震救災、城市規(guī)劃等)具有極為重要的作用，其數(shù)據(jù)與信息已經(jīng)成為國家的基礎性和戰(zhàn)略性資源。

按國家航天局發(fā)布的《民用衛(wèi)星工程管理暫行辦法》定義，衛(wèi)星工程一般由衛(wèi)星系統(tǒng)、運載火箭系統(tǒng)、發(fā)射場系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、地面系統(tǒng)、應用系統(tǒng)等六大系統(tǒng)組成。衛(wèi)星任務規(guī)劃屬于地面系統(tǒng)(通常也稱為運控系統(tǒng))的核心組成部分，與衛(wèi)星系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、應用系統(tǒng)均有重要的技術接口。

衛(wèi)星應用流程簡要示意如圖1所示，主要分為上行流程和下行流程兩部分。上行流程為：用戶提出任務申請，任務經(jīng)預處理形成元任務輸入至任務規(guī)劃系統(tǒng)；任務規(guī)劃系統(tǒng)根據(jù)衛(wèi)星、測控站、數(shù)傳接收站等可用資源集合，以及待規(guī)劃的元任務集合和衛(wèi)星約束模型，進行優(yōu)化求解并獲得任務觀測計劃、測控計劃、數(shù)傳計劃、地面站接收計劃，并更新數(shù)據(jù)庫相關信息；最后將任務觀測計劃和數(shù)傳計劃轉(zhuǎn)化為衛(wèi)星指令，發(fā)送至測控運管中心并上注衛(wèi)星執(zhí)行。下行流程為：衛(wèi)星執(zhí)行觀測任務后，按照數(shù)傳計劃將觀測數(shù)據(jù)發(fā)送至地面接收站；下行數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)預處理和數(shù)據(jù)處理后，通過數(shù)據(jù)庫獲取元任務信息，建立數(shù)據(jù)與任務的關聯(lián)，并經(jīng)數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)發(fā)送回用戶。

圖1 對地觀測衛(wèi)星應用流程簡要示意圖

衛(wèi)星任務規(guī)劃是國內(nèi)外航天領域的研究熱點之一，經(jīng)過多年的研究探索和工程實踐，取得了豐富的理論成果及顯著的應用效果。文獻[1]針對衛(wèi)星任務規(guī)劃中的任務需求及分解問題和任務調(diào)度模型和算法進行了較為全面的綜述，并就用戶需求智能化理解、衛(wèi)星組網(wǎng)統(tǒng)籌規(guī)劃、大規(guī)模求解理論、引入風險控制的任務規(guī)劃等方面做了非常有意義的討論和展望。本文圍繞衛(wèi)星任務規(guī)劃的新近發(fā)展，一方面對近年來的研究進展進行全面回顧，另一方面重點針對衛(wèi)星任務規(guī)劃應用實踐中所面臨的理論與應用挑戰(zhàn)進行綜述與分析。因此，本文綜述不局限于任務規(guī)劃算法與技術，同時著重從地面系統(tǒng)和應用系統(tǒng)研制與發(fā)展的角度，對衛(wèi)星任務規(guī)劃進行闡述、分析與展望。

1 衛(wèi)星任務規(guī)劃數(shù)學模型

本節(jié)首先介紹衛(wèi)星任務規(guī)劃的數(shù)學模型，突出了可靠性、可控性、可理解性和架構設計等在衛(wèi)星任務規(guī)劃中的重要性。

1.1 衛(wèi)星任務規(guī)劃的數(shù)學模型

其中:ti(i=1,…,I)為任務集合，sj(j=1,…,J)為衛(wèi)星資源集合，gk(k=1,…,K)為數(shù)傳接收站資源集合，cl(l=1,…,L)為測控站資源集合；ft≤T、fs≤S、fg≤G和fc≤C分別為任務、衛(wèi)星資源、數(shù)傳接收站、測控站的約束集合；F(t1,…,tI;s1,…,sJ,g1,…,gK,c1,…,cL)為總體優(yōu)化目標函數(shù)。

從上述數(shù)學模型可知，任務規(guī)劃建模主要包括載荷觀測建模、優(yōu)化目標建模和約束建模。載荷觀測模型關系到衛(wèi)星與地面目標(點目標及區(qū)域目標)的可觀測性，是任務規(guī)劃的重要基礎。目前較為常見的光學觀測模型包括擺歸式(whisk-broom)、推掃式(push-broom)、凝視面陣式(staring array)等，雷達觀測模型包括聚束(strip map)、側掃(side-scanning)等，通信觀測模型包括星下波束、前向波束、側擺波束等。常見的優(yōu)化目標模型包括任務數(shù)量最大化策略、觀測時長最大化策略、任務優(yōu)先策略、多用戶均衡策略等模型，以及綜合效益最大化策略模型(也稱多目標優(yōu)化策略模型)。常見的約束模型包括任務約束(時間窗口、觀測條件等)、觀測載荷使用約束、數(shù)傳系統(tǒng)使用約束(如星上存儲、數(shù)傳時長等)、衛(wèi)星平臺使用約束、地面接收站約束(可見性約束、最小仰角約束等)、測控站約束等。

可以證明，衛(wèi)星任務規(guī)劃在理論上是一個NP難問題。衛(wèi)星任務規(guī)劃具有很強的理論屬性和應用屬性。在研究與實踐中，通常需要結合具體任務建立有效的約束模型，對優(yōu)化目標和優(yōu)化約束進行有效建模，以確保任務規(guī)劃技術的可行性和任務規(guī)劃結果的可靠性。

1.2 衛(wèi)星任務規(guī)劃的重要特點

與其他領域任務規(guī)劃問題相比，衛(wèi)星任務規(guī)劃既有共通的理論屬性，同時具有顯著的航天特色和工程實踐屬性。以下，結合衛(wèi)星工程應用實踐分析衛(wèi)星任務規(guī)劃的重要特點。

1)可靠性?？煽啃允切l(wèi)星工程的首要要求和安全紅線，這也是我國航天數(shù)十年發(fā)展的重要經(jīng)驗結晶。衛(wèi)星任務規(guī)劃作為衛(wèi)星工程的關鍵組成部分，也須具備極高的可靠性。衛(wèi)星任務規(guī)劃的可靠性主要體現(xiàn)在：1)任務規(guī)劃結果是安全可行的，即任務規(guī)劃結果不存在違反衛(wèi)星使用安全約束、特別是危及平臺及載荷安全的“技術歸零”的情形；2)任務規(guī)劃結果是約束自洽、無沖突的，即在無外界因素影響下，任務規(guī)劃結果須能完全按計劃在軌執(zhí)行，不存在任務互相沖突或部分任務無法正常執(zhí)行的情形；3)任務規(guī)劃是確定可重復的，即對于相同的任務和資源輸入、以及相同的約束模型，任務規(guī)劃的結果輸出應該是完全相同的。

一般而言，任務規(guī)劃可靠性在衛(wèi)星應用中的主導作用和重要性要遠超過任務規(guī)劃效率。因此，任務規(guī)劃必須對衛(wèi)星約束模型進行謹慎、全面的數(shù)學建模，并在任務規(guī)劃優(yōu)化過程中進行必要的、甚至是冗余的合法性、合理性檢驗，以保證任務規(guī)劃的可靠性。這一點尤為值得所有衛(wèi)星任務規(guī)劃研究人員的高度重視。

2)可控性。任務規(guī)劃可控性是可靠性的一個必然延伸。衛(wèi)星任務規(guī)劃的可控性是指用戶對任務規(guī)劃具有完全的控制權，主要體現(xiàn)在：1)用戶可對任務規(guī)劃算法的模型參數(shù)進行編輯，同時任務規(guī)劃系統(tǒng)對不合理的參數(shù)設置具備警告提示和系統(tǒng)保護功能；2)用戶可對衛(wèi)星、載荷、數(shù)傳等約束模型參數(shù)進行編輯；3)用戶可對輸入的元任務進行編輯；4)用戶可對任務規(guī)劃過程實施干預，包括中止、重啟任務規(guī)劃等。

3)可理解性?？衫斫庑允切l(wèi)星任務規(guī)劃經(jīng)常被學術界所忽略、而在實踐中極為重要的一個特點。衛(wèi)星任務規(guī)劃的可理解性包括：1)任務規(guī)劃結果可理解，即規(guī)劃失敗的任務必須給出明確的原因說明，因此需要對規(guī)劃失敗類型進行建模與枚舉；2)任務規(guī)劃過程可理解，即任務規(guī)劃過程(包括架構與算法)應盡可能透明化，黑盒式的架構或算法會大幅增加用戶排查問題的難度，這也是基于動態(tài)規(guī)劃和貪婪算法思想等確定性任務規(guī)劃方法在工程實踐中被廣泛采用的一個重要原因；3)任務規(guī)劃可視化，多層次、多手段的任務規(guī)劃可視化有助于用戶了解任務的時空分布特性、衛(wèi)星資源利用效率等。

4)衛(wèi)星任務規(guī)劃架構設計。衛(wèi)星任務規(guī)劃架構設計是軟件架構設計在衛(wèi)星任務規(guī)劃的應用，它描述了任務規(guī)劃的內(nèi)部組成、內(nèi)部接口、外部接口、數(shù)據(jù)庫等。任務規(guī)劃算法和任務規(guī)劃約束模型屬于任務規(guī)劃的內(nèi)部組成。架構設計是任務規(guī)劃的整體解決方案設計，反映了實際應用的需求，決定了任務規(guī)劃算法的選型及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設計，是衛(wèi)星任務規(guī)劃實踐成敗的關鍵。衛(wèi)星任務規(guī)劃架構設計在當前國內(nèi)研究中涉及較少，這也是導致某些衛(wèi)星任務規(guī)劃算法應用性較差的一個重要原因。

以下，我們將緊密結合上述顯著特點，對衛(wèi)星任務規(guī)劃的研究現(xiàn)狀及應用挑戰(zhàn)進行闡述與分析。

2 衛(wèi)星任務規(guī)劃研究現(xiàn)狀

近年來，衛(wèi)星任務規(guī)劃的研究主要集中在單星任務規(guī)劃、多星協(xié)同任務規(guī)劃、敏捷衛(wèi)星任務規(guī)劃、應急任務規(guī)劃、自主任務規(guī)劃等。下面將分別對上述方向的研究現(xiàn)狀及趨勢進行綜述(需要指出的是，衛(wèi)星任務規(guī)劃的研究論文數(shù)量極其浩繁，本文只是重點引用了近幾年的部分重要研究成果)。

2.1 單星任務規(guī)劃研究

文獻[2]是較早由美國NASA研究人員提出的EOS任務規(guī)劃方法。Barbulescu等人在文獻[3]闡述美國空軍早期的衛(wèi)星控制網(wǎng)絡，比較了啟發(fā)式局部搜索算法、Gooley算法、遺傳算法(genetic algorithm)的性能，表明對于多任務沖突情形Gooley算法和遺傳算法性能更優(yōu)。文獻[4]從指揮概念、交互界面、體系架構、基于優(yōu)先級的任務規(guī)劃算法等方面介紹了德國terraSAR-X衛(wèi)星的任務規(guī)劃系統(tǒng)。

文獻[5] 在對成像衛(wèi)星任務規(guī)劃基礎理論進行闡述的基礎上，總結了成像衛(wèi)星任務規(guī)劃的基本模型和主要求解算法，并提出快速模擬退火算法(simulated annealing)的求解方法。此外，該研究還介紹了任務規(guī)劃系統(tǒng)的組成部分，如采集任務的接收與處理子系統(tǒng)、衛(wèi)星及地面站資源管理子系統(tǒng)、多星任務規(guī)劃子系統(tǒng)、單星計劃編排子系統(tǒng)、仿真推演子系統(tǒng)和任務規(guī)劃方案評估子系統(tǒng)等。近幾年的研究針對更為復雜的任務集合，采用復雜度更高的算法進行求解，以獲得更高的任務規(guī)劃效率，如文獻[6]的自適應模擬退火算法及動態(tài)任務聚類策略，文獻[7]針對任務觀測及下行數(shù)傳組合問題的近似路徑搜索方法。

總體而言，單星任務規(guī)劃的理論研究和工程應用目前都已較為成熟。

2.2 多星協(xié)同任務規(guī)劃研究

多星協(xié)同任務規(guī)劃是當前衛(wèi)星任務規(guī)劃的一個研究熱點。較早的工作如文獻[8]介紹了COSMO-SkyMed星座的任務規(guī)劃方法及系統(tǒng)。COSMO-SkyMed星座由搭載成像雷達載荷的四顆衛(wèi)星組成，任務規(guī)劃綜合考慮了星上固存、任務運行規(guī)則、多用戶資源分配、優(yōu)先級等約束，以任務數(shù)量及數(shù)傳數(shù)據(jù)量最大化為優(yōu)化目標，給出了一種較為實用的構造算法進行求解。文獻[8]對COSMO-SkyMed星座的約束模型進行了細致且全面的建模，規(guī)劃算法思想簡單卻十分實用，應用效果顯著，是一個具有良好工程應用價值的學術研究范例。

文獻[9]針對多類型EOS的點目標成像觀測問題，綜合考慮側視、星上存儲、數(shù)傳數(shù)據(jù)量、星上能源等多種約束，以觀測任務評價最大化為目標，采用基于貪婪隨機自適應搜索過程及模擬退火的混合任務規(guī)劃算法，求解多星的任務觀測計劃和數(shù)傳計劃，取得了較為良好的仿真結果。該研究對成像衛(wèi)星的約束模型進行了較為深入的建模，但未曾考慮任務優(yōu)先級對任務規(guī)劃的影響，算法也未經(jīng)實際衛(wèi)星和數(shù)據(jù)的檢驗。

文獻[10]研究了多衛(wèi)星、多地面站的控制網(wǎng)絡問題。根據(jù)給定規(guī)劃時間區(qū)間，綜合考慮了地面站的天線擺角角度和時間約束、圖像下行分配約束等，利用STK計算衛(wèi)星與地面站的可見時間，從而把規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為經(jīng)典的背包問題；然后分別采用動態(tài)規(guī)劃和貪婪算法進行求解與比較，取得了較好的結果。

文獻[11]把多星任務規(guī)劃建模為多時間窗口、多優(yōu)化目標和多約束條件的組合優(yōu)化問題。它首先采用經(jīng)典邏輯關系、時序邏輯關系、資源需求約束關系對組網(wǎng)衛(wèi)星的協(xié)同工作模式進行建模，并數(shù)學化描述了主要約束條件和任務規(guī)劃模型，最后利用啟發(fā)式遺傳禁忌算法(heuristics tabu search)進行規(guī)劃求解，并與遺傳算法、啟發(fā)式遺傳算法、遺傳禁忌算法進行了性能比較。該研究對約束關系、約束條件、規(guī)劃模型進行了細致的數(shù)學建模，但沒有考慮星間鏈路的實際影響，仿真結果也表明該算法性能與啟發(fā)式遺傳算法、遺傳禁忌算法等經(jīng)典算法的性能并無顯著差異。

文獻[12]闡述了英國薩里衛(wèi)星技術公司(SSTL)針對商用小衛(wèi)星星座的任務規(guī)劃策略與思考。該文首先介紹了優(yōu)先級、系統(tǒng)模型保真度、響應能力及可靠性、衛(wèi)星數(shù)量的尺度變化、互操作性和異構性、自適應性、人在回路、用戶干預、經(jīng)濟與效率等方面在任務規(guī)劃系統(tǒng)的重要性；然后描述了SSTL任務規(guī)劃系統(tǒng)的體系架構設計組成，包括衛(wèi)星任務規(guī)劃模塊、分布式任務拆分模塊、Atlas任務交互；最后分析了SSTL任務規(guī)劃系統(tǒng)設計與發(fā)展所面臨的一些問題。該研究有助于外界了解SSTL關于商業(yè)衛(wèi)星星座的技術現(xiàn)狀及發(fā)展路徑。

文獻[13]針對EOS刈幅成像問題(swath acquisition problem，SAP)，即給定任務規(guī)劃時間區(qū)間，從EOS衛(wèi)星資源集合中選取子集以滿足覆蓋感興趣區(qū)域RoI(region of insterest)的成像規(guī)劃問題。作者將SAP問題建模為整形線性規(guī)劃問題，并結合啟發(fā)式算法和貪婪隨機自適應搜索過程(GRASP)算法進行求解。文章最后采用多個實際場景以及公開衛(wèi)星數(shù)據(jù)對算法進行測試，表明了該方法的有效性。值得注意的是，該研究并沒有采用計算復雜度高的模擬退火或遺傳算法，而是采用較為簡單的啟發(fā)式和貪婪算法思想，較好地兼顧了計算效率及優(yōu)化效果。

文獻[14]針對緊急觀測場景，考慮衛(wèi)星特定時刻失效的容錯需要，為了提高衛(wèi)星規(guī)劃的可靠性，提出了一種基于容錯(fault-tolerance)和主份-備份原則的多星協(xié)同規(guī)劃方法；為提高規(guī)劃效率，提出了主備合并、備備合并、主主合并的策略。STK仿真表明該方法具有較好的效果。

文獻[15]圍繞我國現(xiàn)有星地資源運用過程及其面臨的綜合運用能力弱、數(shù)傳資源浪費等不足，對現(xiàn)有星地資源的特點和應急條件下星地資源響應慢的技術原因進行了深入的分析。在此基礎上，提出了一種星地資源綜合應用模式的新構想，從衛(wèi)星資源、測控網(wǎng)、運控、應急任務需求、星地資源運用調(diào)度與規(guī)劃等方面闡述了應用框架，對數(shù)傳網(wǎng)、各類資源(衛(wèi)星、測控、數(shù)傳等)、數(shù)據(jù)庫等方面的關鍵技術進行了分析，并進行了仿真計算。該研究對星地資源綜合調(diào)度的實踐及困難做了較為全面的闡述，但對于其中的關鍵技術及解決方案的分析與研究還不夠深入。

Lee等人在文獻[16]和[17]的多星任務規(guī)劃方法重點考慮星上能源和固存對數(shù)傳與任務的約束，以任務優(yōu)先級、能源與固存、成像時間構成優(yōu)化目標函數(shù)，利用遺傳算法進行求解，并就不同的應用模式進行了仿真計算。該研究對約束模型和目標函數(shù)進行了深入的分析與建模，但提出的方法缺乏與其他方法的詳細比對，算法性能也缺乏實際驗證。

2.3 應急任務規(guī)劃研究

應急任務規(guī)劃近年來受到廣泛的關注。文獻[18]首先分析了電子偵察衛(wèi)星需要應急任務插入的情形，從新任務構建、擾動測度、約束及目標函數(shù)等方面描述了任務規(guī)劃模型，以最大化任務優(yōu)先級之和以及對原偵察計劃最小調(diào)整為目標，提出了一種基于啟發(fā)式規(guī)則的動態(tài)插入算法，并給出了仿真計算結果。該研究對任務規(guī)劃進行了較為詳細的分析與建模，但對電子偵察衛(wèi)星的任務特點、星上約束等分析不夠全面，對電子偵察衛(wèi)星的任務規(guī)劃架構也沒有涉及。

文獻[19]分析了突發(fā)任務的特點與約束，采用問題定義語言(PDDL)對突發(fā)性任務進行簡化建模，然后根據(jù)邏輯和數(shù)值約束、時間初始化文字的約束、時序約束的處理提出了啟發(fā)式搜索與改進的計劃評審技術相結合的雙階段規(guī)劃算法，并給出了仿真計算結果。該研究提出了新的PDDL建模方法，但對該建模方法的優(yōu)點缺乏充分的論證和深入的比較分析。

文獻[20]對任務規(guī)劃的資源與任務、任務優(yōu)先級和時間裕度進行了分析，然后提出了基于優(yōu)先級和時間裕度的任務規(guī)劃模型，并采用遺傳算法進行求解。該研究對應急任務和任務規(guī)劃的建模都有待進一步深化。

文獻[21]針對大范圍應急觀測的任務規(guī)劃問題提出了多目標優(yōu)化的方法。作者首先將對目標區(qū)域進行條帶切分，綜合考慮覆蓋率、成像時間、平均空間分辨率和平均成像角度等，將優(yōu)化求解問題轉(zhuǎn)化為多目標的整數(shù)規(guī)劃模型，并采用遺傳算法進行求解。文章對2008年汶川地震災害的場景進行了仿真計算并與相關算法進行了比較。該研究對優(yōu)化目標和算法性能都做了較為深入的分析。文獻[14]和[15]也對應急條件下的星地資源協(xié)同規(guī)劃進行了研究。

2.4 敏捷衛(wèi)星任務規(guī)劃研究

敏捷衛(wèi)星具有快速發(fā)射、易于機動、組網(wǎng)觀測的優(yōu)點，是航天領域近年興起的一個新發(fā)展方向，典型的敏捷衛(wèi)星如美國IKONOS-2衛(wèi)星、World View系列衛(wèi)星以及法國PLAIEDES星座等。不少研究者針對敏捷衛(wèi)星任務規(guī)劃進行了深入的研究。

文獻[22]針對單顆成像敏捷衛(wèi)星的任務規(guī)劃問題，以成像整體效益最大化和多用戶均衡為優(yōu)化目標，提出了一種基于指示(indicator-based)的多目標局部搜索方法(IBMOLS)。IBMOLS本質(zhì)上是一種基于局部搜索算法與遺傳算法的迭代方法，其在第一次迭代和后續(xù)迭代中使用了兩種不同的群體生成(population generation)策略，并多次應用較為快速的非支配遺傳算法求解和局部搜索策略，從而獲得較快的收斂速度。與有偏隨機密鑰遺傳算法(BRKGA)的比較結果表明，IBMOLS具有更優(yōu)的hypervolume指標以及更快的Pareto收斂速度。該研究表明IBMOLS在效益最大和多用戶均衡優(yōu)化目標下的優(yōu)越性，或有望應用于多星組網(wǎng)或者其它優(yōu)化目標約束下的敏捷衛(wèi)星任務規(guī)劃研究。

文獻[23]針對光學成像敏捷衛(wèi)星應用中的云層遮擋問題，假定衛(wèi)星攜帶的云層探測儀器可實時獲取云層信息，從而利用敏捷衛(wèi)星的機動能力，研究避開云層以獲得成像效益最大化的問題。文章通過對云層遮擋信息進行建模，在云層遮擋時間窗口計算時加入了預判和二分法，有助于提高求解效率；建立了考慮云層信息的敏捷衛(wèi)星任務規(guī)劃模型，采用蟻群算法(ant colony optimization)進行求解，對蟻群算法的狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則、任務安排和信息策略也做了詳細的分析。該方法對提高可見光成像效率具有重要作用，但未考慮星上能源對于敏捷衛(wèi)星機動能力的約束，對算法性能也缺乏深入分析。

文獻[24] 針對敏捷成像衛(wèi)星時間依賴型調(diào)度問題展開研究，將時間依賴調(diào)度與敏捷成像衛(wèi)星調(diào)度相結合。根據(jù)成像質(zhì)量隨成像時間動態(tài)變化的特點，設計了隨時間動態(tài)變化的收益函數(shù)，并將輪盤賭思想和時間窗口裁剪概念引入到求解方法中，提出了一種啟發(fā)式算法。仿真結果表明，通過對時間依賴的考慮，更多的任務能夠在最佳觀測時刻點附近成像，同時也表明了模型的合理性以及算法的有效性。

文獻[25]對敏捷衛(wèi)星任務規(guī)劃的國內(nèi)外研究進行了總結分析。該研究首先從用戶需求和資源選擇復雜、觀測任務多、約束多、建模復雜度高、組合復雜度高、優(yōu)化難度大等方面，對敏捷成像衛(wèi)星任務規(guī)劃的難點進行了分析。然后，對點目標、區(qū)域目標、同軌立體成像、長條帶目標等不同場景下的任務規(guī)劃算法進行了比較分析。最后，文章指出了當前研究的一些普遍不足，如約束模型過于簡單、算法性能難于評價等，并對多種成像模式下的任務規(guī)劃、敏捷衛(wèi)星組網(wǎng)協(xié)同和自主任務規(guī)劃、高效的求解算法等方面進行了討論與展望。

文獻[26]研究了敏捷雙星的任務規(guī)劃問題。該敏捷雙星由一顆面向目標檢測的低分辨率衛(wèi)星和一顆面向目標識別的高分辨率衛(wèi)星構成。作者對低分辨率衛(wèi)星引導高分辨率衛(wèi)星進行海上目標檢測與識別的問題進行了分析，對該問題的任務規(guī)劃問題進行數(shù)學建模，并提出了分支限界(Branch and Bound)的求解算法。

2.5 星上自主任務規(guī)劃研究

自主任務規(guī)劃因其分布式、靈活機動、星上自主在線、無人值守的前景而受到學術界和工業(yè)界的重視。SSTL也將自主任務規(guī)劃作為其下一步研究與發(fā)展的重點方向[12]。

針對2013年歐洲航天局(European Space Agency)與Inmarsat公司聯(lián)合發(fā)射的Alphasat衛(wèi)星(該衛(wèi)星搭載了4個技術演示驗證載荷)，文獻[27]結合Alphasat衛(wèi)星的使命任務，對技術演示驗證載荷、平臺狀態(tài)與機會窗口、任務需求、約束條件、問題與目標進行了詳細的建模；然后提出了基于迭代修復(iterative repair)范式的任務規(guī)劃方法，并詳細介紹了規(guī)劃引擎的概念以及規(guī)劃架構。文章最后還介紹了用戶需求分析與理解的一些技術解決案例，如在考慮操作員在任務規(guī)劃優(yōu)化迭代策略的作用時，系統(tǒng)需同時考慮算法求解和向操作員提供及時反饋的兩個方面，需平衡系統(tǒng)能力、優(yōu)化目標、信息有效性等因素。該研究[27]立足于Alphasat衛(wèi)星的研制、使用與管理實踐，盡管采用的任務規(guī)劃算法較為簡單，但在地面規(guī)劃系統(tǒng)的整體性能優(yōu)化、以及提升用戶體驗和使用效率方面做了較為深入的分析，具有較為重要的實踐意義。

文獻[28]針對傳統(tǒng)成像衛(wèi)星的不足，闡述了新型衛(wèi)星的功能需求，如星上自主規(guī)劃能力、快速計算與處理能力、觀測結果星上分析能力等，并提出了一種新的星地一體自主任務規(guī)劃結構框架。在這個新架構中，衛(wèi)星的角色從簡單的指令執(zhí)行者變成了具有自主決策能力的智能體，由星上和地面兩個子系統(tǒng)協(xié)同完成自主任務規(guī)劃。文章簡要分析了星上自主規(guī)劃的動態(tài)信息分析、任務柔性化處理、算法可配置、系統(tǒng)可重構、“平臺+插件”設計、需求自主挖掘等關鍵技術，最后進行了仿真計算。該研究考慮了星上資源受限的約束，提出的星上與地面任務規(guī)劃功能分離與協(xié)同的思想具有很好的借鑒意義；但對涉及的星上功能和關鍵技術分析較為簡單。此外，這些功能和技術十分依賴于衛(wèi)星設計與制造水平，因此有必要結合衛(wèi)星設計與制造作進一步的深入論證與分析。

文獻[29]針對多衛(wèi)星系統(tǒng)觀測行為被干擾或中斷的情形，提出了一種星上自主重規(guī)劃的方法。該研究融合利用多目標混合動態(tài)變異遺傳算法和重規(guī)劃技術，并比較了周期重規(guī)劃(CRM)和近實時重規(guī)劃(NRRM)兩種重規(guī)劃方法的優(yōu)劣。該研究采用復雜度較高的星上自主任務規(guī)劃方法，但未能考慮星上能源及計算資源特性的約束，因此該方法在星上實現(xiàn)的可行性仍然存疑。

文獻[30]和文獻[31]分別從不同側重點回顧總結了自主任務規(guī)劃技術的衛(wèi)星應用。文獻[30]對實現(xiàn)星上自主任務規(guī)劃與實現(xiàn)的基于模型(model-based)的技術進行了綜述。作者深入分析了基于馬爾科夫決策過程(MDP)模型的自主規(guī)劃方法，并與基于其他模型的方法進行了詳細的比較，結果驗證了基于MDP模型方法的優(yōu)越性。該研究結合規(guī)劃系統(tǒng)和動重態(tài)規(guī)劃能力，描述了星上軟件的實現(xiàn)方式，并分析和測試了該方法在歐洲空間項目的實現(xiàn)途徑及應用性能。文獻[31]研究了自主性概念(autonomy)在分布式衛(wèi)星系統(tǒng)(distributed satellite system，DSS)的應用及趨勢，著重從功能與體系架構、多agent的任務規(guī)劃系統(tǒng)(mission planning system，MPS)、自組織雙星MPS、規(guī)劃問題分解、時間軸表示、規(guī)劃優(yōu)化、運行性能、問題建模、任務建模、資源約束、衛(wèi)星組網(wǎng)等方面闡述和分析了自主性在DSS任務規(guī)劃的應用潛力。該研究認為，自主性不僅僅可提高DSS的反應能力，也為可以提升DSS的機動性、自適應性以及在軌資源交換能力?？傮w而言，具有自主規(guī)劃能力的分布式衛(wèi)星系統(tǒng)仍是一個處于開放式研究的課題，其應用模式和衛(wèi)星設計實現(xiàn)有待進一步研究和驗證。文獻[32]和[33]也分別從自主地面運行及任務解譯閉環(huán)仿真的角度，研究了自主衛(wèi)星的控制與規(guī)劃。

2.6 研究現(xiàn)狀分析

從上述公開發(fā)表的研究成果來看，衛(wèi)星任務規(guī)劃研究在國內(nèi)外廣受重視，在理論和應用方面有較為深入的探索和研究。以研究側重點分類，當前的衛(wèi)星任務規(guī)劃研究或可以分為兩類。

第一類研究側重理論和算法，重點在于提高任務規(guī)劃的算法性能，采用的算法包括禁忌搜索、模擬退火、遺傳算法、蟻群算法等。這一類研究多來自于學術界，多見于可見光成像衛(wèi)星的任務規(guī)劃研究。這一類研究的不足主要有3個方面。首先，這類研究對于衛(wèi)星安全使用約束建模較為理想化、簡單化。然而，約束建模是衛(wèi)星任務規(guī)劃研究中極為重要的組成部分，約束建模過于簡化也意味著規(guī)劃問題的建模偏差，從而導致規(guī)劃方法的實用性較差。其次，部分研究只注重任務規(guī)劃算法性能的提升(性能提升也可能是微弱的)，而忽略了其他方面的研究。正如我們在1.2節(jié)指出的，任務規(guī)劃算法的可靠性、可控性、可理解性對算法的實際應用也十分重要。對于至關重要的任務規(guī)劃架構設計，這方面的學術研究仍然較少。需要特別強調(diào)的是，衛(wèi)星任務規(guī)劃不僅僅是一個單純的算法優(yōu)化問題，其體系架構設計是更為核心、更為關鍵的基礎性研究。最后，這類任務規(guī)劃研究主要面向可見光成像衛(wèi)星，對于雷達與通信這兩類觀測載荷的研究較少，而后兩者的任務規(guī)劃技術也更為復雜。這與雷達與通信載荷主要用于軍事用途而不易獲得相關數(shù)據(jù)的客觀情況也有一定關系。

第二類研究著重任務規(guī)劃系統(tǒng)。這類研究多來自于工業(yè)界和衛(wèi)星管理部門，它不局限于任務規(guī)劃算法，往往是從任務建模、衛(wèi)星安全使用約束建模、功能與架構設計、系統(tǒng)魯棒性、系統(tǒng)可擴展性、用戶體驗、性能平衡等方面進行較為全面的研究。隨著商業(yè)衛(wèi)星的發(fā)展，這類研究逐漸引起了包括學術界在內(nèi)的重視，對于衛(wèi)星任務規(guī)劃發(fā)展起到了非常良好的促進作用。這類研究的一個不足在于其所采用的任務規(guī)劃算法性能可能是次優(yōu)的。

盡管這兩類研究目前尚存在一定的隔閡，隨著衛(wèi)星應用的發(fā)展，這兩類研究的融合趨勢也會增強。一方面，隨著對衛(wèi)星約束建模越來越復雜并越符合實際，第一類研究的研究成果可望更有效運用于衛(wèi)星地面系統(tǒng)的應用實踐。另一方面，隨著衛(wèi)星數(shù)量越來越多、規(guī)劃問題越來越復雜，第二類研究也需要采用復雜度更高、優(yōu)化性能更好的任務規(guī)劃算來提升整體系統(tǒng)性能。

3 衛(wèi)星任務規(guī)劃的應用挑戰(zhàn)

當前，我國衛(wèi)星應用正處于轉(zhuǎn)型與發(fā)展期，從體制與技術上逐步打破航天資源分頭隸屬、煙囪林立的舊有格局，大力推進航天資源共享協(xié)同與統(tǒng)籌規(guī)劃。

圍繞著新形勢帶來的新任務和新挑戰(zhàn)，結合作者多年的衛(wèi)星地面系統(tǒng)和應用系統(tǒng)的研制與管理經(jīng)驗，以下重點闡述和分析我國衛(wèi)星任務規(guī)劃面臨的重大應用挑戰(zhàn)。需要特別說明的是，以下應用挑戰(zhàn)主要從技術層面進行分類闡述，但在實際中他們是經(jīng)常相互關聯(lián)的，即一個任務規(guī)劃應用可能同時包含了多個不同的任務規(guī)劃技術挑戰(zhàn)。

3.1 應急衛(wèi)星任務規(guī)劃技術

應急觀測是對地觀測衛(wèi)星應對突發(fā)事件的重要功能之一，應急衛(wèi)星任務規(guī)劃技術主要包括兩個方面的研究。

首先，應急任務規(guī)劃算法研究。應急任務插入及重規(guī)劃問題在文獻[18-21]中已有深入的探討。許多對地觀測衛(wèi)星的星務管理或載荷管理采用ID重載的方式支持應急任務插入和替換。應急任務一般具有以下特點：應急任務優(yōu)先級高，應急任務數(shù)量少，應急任務規(guī)劃需快速完成。因此，應急任務規(guī)劃通常以應急任務成功規(guī)劃、對已上注觀測計劃最小調(diào)整為目標。此外，為保證應急任務快速上注和數(shù)據(jù)快速回傳，應急任務規(guī)劃通常還包括測控計劃和數(shù)傳計劃的重規(guī)劃，從而也會影響到已上注的任務觀測計劃和數(shù)傳計劃。

應急任務規(guī)劃在保證應急任務和應急數(shù)傳的成功規(guī)劃前提下，需要平衡重規(guī)劃效率最大化和已有觀測計劃的最小調(diào)整。根據(jù)平衡策略的不同，應急任務規(guī)劃方法大致可分為兩類。第一類是整體重規(guī)劃方法，即把應急任務和數(shù)傳與受影響的星上已有觀測計劃和數(shù)傳計劃進行整體重規(guī)劃。整體重規(guī)劃分兩階段實現(xiàn)：第一階段規(guī)劃應急任務和應急數(shù)傳，本階段規(guī)劃只需考慮應急任務、應急數(shù)傳窗口、星上約束等；第二階段在第一階段規(guī)劃的基礎上，采用既有的任務規(guī)劃目標及算法對常規(guī)任務進行規(guī)劃優(yōu)化。整體重規(guī)劃方法的優(yōu)點是衛(wèi)星利用效率充分，缺點是對已上注的任務觀測計劃和數(shù)傳計劃調(diào)整可能較大。第二類方法是基于沖突消解的樹搜索方法，即根據(jù)已有觀測任務的樹結構，逐個刪除與應急任務和應急數(shù)傳有沖突的已有觀測任務。觀測任務的樹結構一般可按載荷通道、數(shù)傳窗口、任務時間等進行構建。樹搜索規(guī)劃方法的優(yōu)點在于對星上已有任務觀測計劃和數(shù)傳計劃改變較小，缺點在于規(guī)劃效率可能會比較低。

其次，應急任務規(guī)劃架構設計研究。由于應急任務的突發(fā)性特點，必須從規(guī)劃架構設計上保證應急任務的快速申請、快速規(guī)劃和快速指令生成。良好的應急任務規(guī)劃架構應至少滿足以下兩個條件。首先，應急任務快速生成。通常來說，應急任務并不是參數(shù)完備的任務申請，而往往是模糊的需求申請。因此，應急任務快速生成需要快速把需求申請轉(zhuǎn)化為合理的任務申請。其次，應急任務快速規(guī)劃。應急任務規(guī)劃與常規(guī)任務規(guī)劃具有明顯不同的業(yè)務流程，例如：應急任務規(guī)劃應盡可能簡化流程，減少人工干預，以提高應急任務規(guī)劃的時間效率；應急任務規(guī)劃的測控時間窗口和數(shù)傳時間窗口一般需要視應急任務需要選定，而常規(guī)任務規(guī)劃是先給定測控和數(shù)傳時間窗口作為規(guī)劃約束條件；對于受影響的原有任務觀測計劃、數(shù)傳計劃、地面接收計劃，需同步更新數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的相關數(shù)據(jù)?？梢哉f，應急任務規(guī)劃架構設計是決定應急任務規(guī)劃成敗的主要因素。

3.2 多系統(tǒng)協(xié)同任務規(guī)劃技術

多系統(tǒng)協(xié)同任務規(guī)劃是推進航天資源共享與協(xié)同、提升航天資源使用效率的必然要求。在當前大力推進航天資源統(tǒng)協(xié)同共享、統(tǒng)籌規(guī)劃的形勢下，多系統(tǒng)協(xié)同任務規(guī)劃研究具有特別的重要性和緊迫性。

由于歷史原因，各衛(wèi)星任務規(guī)劃系統(tǒng)采用的操作系統(tǒng)、開發(fā)環(huán)境、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)都不盡相同。若將現(xiàn)有的任務規(guī)劃系統(tǒng)進行規(guī)范化、標準化的全面升級，則因周期長、成本高、影響在軌運行等客觀困難而變得不切實際。因此，需在逐步推進任務規(guī)劃標準化、一體化的同時，在既有任務規(guī)劃系統(tǒng)的基礎上研究多系統(tǒng)協(xié)同任務規(guī)劃。一種較為可行的方法是在現(xiàn)有若干規(guī)劃系統(tǒng)的基礎上，增加多系統(tǒng)任務預調(diào)度頂層系統(tǒng)，其邏輯拓撲如圖2所示。

圖2 多系統(tǒng)任務預調(diào)度頂層系統(tǒng)邏輯示意圖

該預調(diào)度頂層系統(tǒng)的主要功能是建立各任務規(guī)劃系統(tǒng)的通信、反饋、協(xié)同機制，主要功能包括兩部分。首先，將所有多星聯(lián)合觀測任務進行分解，并生成滿足各規(guī)劃系統(tǒng)要求的元任務(圖2下行箭頭方向)。其次，接收各任務規(guī)劃系統(tǒng)的規(guī)劃結果反饋(圖2上行箭頭方向)，確定多星聯(lián)合觀測任務是否規(guī)劃成功，并決定是否需要進行規(guī)劃迭代。

多系統(tǒng)協(xié)同任務規(guī)劃面向已有的任務規(guī)劃系統(tǒng)完成多星協(xié)同觀測任務，因此預調(diào)度頂層系統(tǒng)更著重于系統(tǒng)架構設計的研究。通信、反饋與協(xié)同機制也需要從多個層面進行設計，如系統(tǒng)界面交互、數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)交互、通信格式設計、典型協(xié)同模式都是需要研究的內(nèi)容。此外，如果多星協(xié)同觀測任務優(yōu)先級較高，而某個子系統(tǒng)在任務規(guī)劃并無優(yōu)先級的設計，也需要進一步研究如何保證該聯(lián)合任務的成功規(guī)劃。

總體而言，多系統(tǒng)協(xié)同任務規(guī)劃的成功應用有賴于理論研究和工程實踐的共同推進。理論研究包括現(xiàn)有衛(wèi)星規(guī)劃系統(tǒng)建模、預調(diào)度頂層系統(tǒng)的架構設計、多系統(tǒng)的通信與協(xié)同機制等。工程實踐則根據(jù)特定的應用需求，借鑒理論研究的有效成果，完成預調(diào)度頂層系統(tǒng)的工程方案設計、研制與應用。

3.3 高低軌衛(wèi)星聯(lián)合任務規(guī)劃技術

高低軌衛(wèi)星聯(lián)合觀測是多星聯(lián)合觀測的一種典型模式，鑒于其特殊性，本小節(jié)單獨展開討論與分析。

高軌衛(wèi)星具有大幅寬視角(FOV)、可連續(xù)跟蹤觀測的優(yōu)點，但觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量受分辨率、信號強度等距離相關因素的影響；低軌衛(wèi)星具有高精度觀測、全球觀測的優(yōu)點，但受觀測持續(xù)時間較短、重訪周期較長的限制。因此，高低軌衛(wèi)星聯(lián)合觀測可以揚長避短、充分發(fā)揮協(xié)同優(yōu)勢，形成獨特的對地觀測優(yōu)勢和能力。

高低軌衛(wèi)星聯(lián)合任務規(guī)劃是高低軌衛(wèi)星聯(lián)合觀測的必然要求，其主要挑戰(zhàn)在于高軌衛(wèi)星與低軌衛(wèi)星的任務規(guī)劃架構難以統(tǒng)一。高軌衛(wèi)星具有指令即時上注、數(shù)據(jù)即時回傳的特點，星上能源也較充裕，因此高軌衛(wèi)星任務規(guī)劃通常無需考慮測控、觀測、數(shù)傳的時間窗口約束和星上能源約束，而這些約束對于低軌衛(wèi)星任務規(guī)劃則是至關重要的。這些差異導致了高軌衛(wèi)星與低軌衛(wèi)星在任務規(guī)劃架構設計、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設計的顯著不同。

由于上述技術因素以及我國高低軌觀測衛(wèi)星獨立發(fā)展的歷史原因，我國目前高低軌聯(lián)合任務規(guī)劃尚處于較為初級的水平，需要大量的人工干預。因此，有必要進一步推進高低軌聯(lián)合任務規(guī)劃研究，特別是規(guī)劃算法融合和規(guī)劃架構融合的研究，開展高低軌聯(lián)合觀測的數(shù)學模型、高低軌聯(lián)合規(guī)劃的標準化設計等研究，同時在新衛(wèi)星任務規(guī)劃系統(tǒng)設計和研制時充分考慮高低軌聯(lián)合的接口設計。

在已有高軌衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星任務規(guī)劃系統(tǒng)的基礎上開展聯(lián)合任務規(guī)劃研究，需要建立一個與圖2類似的預調(diào)度頂層系統(tǒng)。考慮到高軌衛(wèi)星任務規(guī)劃的特殊性，高低軌衛(wèi)星的預調(diào)度頂層系統(tǒng)流程設計也可如圖3所示。在該聯(lián)合規(guī)劃系統(tǒng)中，預調(diào)度頂層系統(tǒng)首先將高低軌衛(wèi)星聯(lián)合觀測任務分解成高軌衛(wèi)星與低軌衛(wèi)星的元任務；然后進行低軌衛(wèi)星任務規(guī)劃，若規(guī)劃成功則將高軌衛(wèi)星元任務交由高軌衛(wèi)星任務規(guī)劃系統(tǒng)。若高軌衛(wèi)星任務規(guī)劃成功，則聯(lián)合任務規(guī)劃成功；否則若其中一個規(guī)劃失敗，則聯(lián)合任務規(guī)劃失敗。對于涉及多個高軌為衛(wèi)星和多個低軌衛(wèi)星、更為復雜的任務聯(lián)合規(guī)劃，需要將圖2和圖3的架構結合起來。

圖3 高低軌衛(wèi)星聯(lián)合任務規(guī)劃系統(tǒng)示意圖

3.4 低軌組網(wǎng)衛(wèi)星任務規(guī)劃一體化技術

低軌多星組網(wǎng)是對地觀測衛(wèi)星的主要發(fā)展趨勢之一。低軌衛(wèi)星組網(wǎng)的方式靈活多變，其任務規(guī)劃的研究范圍也非常廣泛。在本小節(jié)，我們重點分析搭載異構載荷的衛(wèi)星組網(wǎng)和具有星間鏈路的衛(wèi)星組網(wǎng)的任務規(guī)劃一體化技術。

異構載荷包括光學、雷達、通信等觀測載荷，這些載荷既可能搭載于不同的衛(wèi)星平臺，也可能搭載于同一衛(wèi)星平臺，并可執(zhí)行聯(lián)動模式的觀測任務(如通信觀測引導光學觀測、低分辨率光學觀測引導高分辨率光學觀測等)。異構載荷衛(wèi)星組網(wǎng)任務規(guī)劃技術需重點解決以下3個問題：聯(lián)動觀測任務約束，多資源候選集合以及異構載荷任務規(guī)劃一體化。

聯(lián)動觀測任務約束主要包括載荷觀測約束和時序約束。載荷觀測約束在1.1節(jié)的載荷觀測模型中已有詳述；時序約束是指聯(lián)動任務的時序關系，包括任務間隔時長約束、任務時長約束等。在某些情況下，聯(lián)動任務須以元任務形式進行任務規(guī)劃。多資源候選集合是指在多星協(xié)同情況下，存在多個不同的資源組合完成某個任務需求。因此，需要在最優(yōu)化目標函數(shù)、減少對其他任務影響的約束下，從候選集合中選擇合適的資源完成該任務。異構載荷任務規(guī)劃一體化是指設計統(tǒng)一的任務規(guī)劃架構及算法，以滿足多源異構載荷的一體化任務規(guī)劃要求。一體化任務規(guī)劃的關鍵在于對異構載荷的任務規(guī)劃算法和約束模型進行合理的數(shù)學抽象，并在軟件架構上針對異構載荷的共性及特性進行合理設計。

任務規(guī)劃本質(zhì)上是特定模型約束下的時間資源規(guī)劃問題，合理的數(shù)學抽象是解決上述問題的關鍵。對于聯(lián)動觀測任務約束問題，可引入統(tǒng)一的聯(lián)動任務標識，把具有相同聯(lián)動標識的任務作為不可分割的元任務進行規(guī)劃算法處理。多資源候選集合是一個計算復雜度較高的組合優(yōu)化問題，可綜合采用禁忌搜索思想及相關優(yōu)化算法(如遺傳算法)進行求解。對于一體化任務規(guī)劃問題，可把所有元任務(包括聯(lián)合觀測任務)的時間窗口作為任務規(guī)劃算法的統(tǒng)一輸入，把任務觀測計劃、衛(wèi)星數(shù)傳計劃、地面接收計劃等的時間窗口作為統(tǒng)一輸出，把各衛(wèi)星平臺及載荷的約束模型以具有統(tǒng)一接口的插件形式實現(xiàn)，從而完成任務規(guī)劃算法的一體化設計與實現(xiàn)。

具有星間鏈路的衛(wèi)星組網(wǎng)任務規(guī)劃技術主要指將星間通信鏈路的作用納入任務規(guī)劃。星間通信鏈路對于拓展靈活機動的觀測模式、提升多星協(xié)同觀測效率具有重要意義，同時也對多星組網(wǎng)任務規(guī)劃帶來新挑戰(zhàn)。星間鏈路對任務規(guī)劃的影響主要有兩個方面。首先，某些組網(wǎng)衛(wèi)星的星間鏈路通信與對地數(shù)傳通信是互斥的。這通常是由于星間數(shù)傳和對地數(shù)傳共享天線或數(shù)據(jù)調(diào)制器等衛(wèi)星設計約束導致的，因此任務規(guī)劃研究需要對這種新類型約束進行數(shù)學建模，避免星間數(shù)傳與對地數(shù)傳(或中繼數(shù)傳)的沖突。對于某些需要使用星間鏈路的觀測任務，在數(shù)傳優(yōu)先的條件下應避免該任務與對地數(shù)傳窗口的沖突，在任務優(yōu)先的條件下則需要調(diào)整數(shù)傳窗口，在綜合效益最大化的條件下則需要根據(jù)優(yōu)化目標和約束條件進行統(tǒng)籌優(yōu)化。其次，星間鏈路允許觀測計劃指令傳輸。即衛(wèi)星B的觀測計劃指令可以先由地面測控站先上注至A星，然后A星在某個時間點將計劃指令通過星間鏈路傳送給B星。這種靈活的觀測計劃指令傳輸模式可有效解決單星測控窗口受限的約束，也使任務規(guī)劃變得更為復雜。總而言之，星間鏈路對任務上注、任務觀測計劃、數(shù)傳計劃、地面接收計劃都有影響，在不同的實際應用中影響也不盡相同。

低軌組網(wǎng)衛(wèi)星任務規(guī)劃及優(yōu)化是極具挑戰(zhàn)性的問題，尤其是在異構載荷與星間鏈路的數(shù)學模型不盡相同的條件下。一般可以考慮先采用貪婪算法、局部搜索或動態(tài)規(guī)劃的方法獲得一個初始的可行規(guī)劃結果，然后采用復雜度更高的算法跳出局部最優(yōu)，從而獲得全局最優(yōu)或近似最優(yōu)。復雜優(yōu)化方法例如模擬退火算法、禁忌搜索算法、遺傳算法、蟻群算法、粒子群算法(Particle Swarm Optimization)、分散搜索算法(Scatter Search Algorithm)等。在實際應用中，算法的穩(wěn)健性和魯棒性同樣重要，需要根據(jù)不同的應用條件合理選擇優(yōu)化算法。

3.5 星地協(xié)同任務規(guī)劃

星地協(xié)同是航天資源統(tǒng)管統(tǒng)建的必然要求。星地協(xié)同任務規(guī)劃綜合調(diào)度優(yōu)化測控站資源、數(shù)傳接收站資源、衛(wèi)星資源(有時也包括中繼通信衛(wèi)星資源)、地面觀測資源等，以提升星地資源的協(xié)同運用效率。本小節(jié)重點分析星地協(xié)同任務規(guī)劃研究的兩個方面：測控運控資源預分配研究和任務驅(qū)動的星地協(xié)同任務規(guī)劃研究。

測控運控資源預分配研究是指給定測控站、數(shù)傳接收站、衛(wèi)星的全資源集合，根據(jù)一定的優(yōu)化原則，將測控站、數(shù)傳接收站的資源組合預分配給衛(wèi)星。優(yōu)化原則包括時間均衡原則、目標驅(qū)動的重訪最優(yōu)原則、綜合效益最大化原則等。測控運控資源預分配研究在應用實踐占有十分重要的位置，它通常是衛(wèi)星控管中心制定周計劃乃至月計劃的主要依據(jù)之一，對于提升航天統(tǒng)管統(tǒng)建的效率具有非常重要的意義。

測控運控資源預分配的難點在于測控站、數(shù)傳接收站、衛(wèi)星等所有資源的空間拓撲關系是非先驗的，新增和刪減資源節(jié)點會改變空間拓撲關系，可見性計算所需的資源模型不全相同。因此，預分配研究須具備對不同資源的建模能力，以及對不同優(yōu)化目標、不同資源集合、不同拓撲關系的普適通用的資源分配最優(yōu)化能力。在資源建模的基礎上，可采用計算復雜度較高的優(yōu)化算法對預分配進行優(yōu)化求解。測控運控資源預分配研究與星上異構載荷的耦合性較弱，具有較強的理論性，較適于學術探討和仿真計算。

任務驅(qū)動的星地協(xié)同任務規(guī)劃研究是指根據(jù)待規(guī)劃的任務集合，將測控資源、數(shù)傳接收資源、衛(wèi)星資源、地面觀測資源等納入任務規(guī)劃優(yōu)化過程。任務驅(qū)動的星地協(xié)同任務規(guī)劃把測控資源和數(shù)傳接收資源作為任務規(guī)劃變量，改變了給定測控資源和數(shù)傳資源約束下的傳統(tǒng)任務規(guī)劃模式，因此能夠更充分協(xié)同規(guī)劃星地資源，從而獲得更高的航天資源使用效率。

任務驅(qū)動的星地協(xié)同任務規(guī)劃研究的難點在于測控資源、數(shù)傳資源與觀測任務的強耦合性。特別是后兩者的耦合性，即數(shù)傳資源與觀測任務互為約束：數(shù)傳資源規(guī)劃受任務規(guī)劃目標約束，任務規(guī)劃受數(shù)傳資源條件約束。對于多星、多地面站的協(xié)同規(guī)劃研究，考慮到對地數(shù)傳沖突以及任務-數(shù)傳組合的指數(shù)增長，數(shù)傳資源和觀測任務的耦合性將更為復雜。因此，任務規(guī)劃算法需采用某種策略解耦數(shù)傳資源和觀測任務。此外，星地協(xié)同任務規(guī)劃也需要對地面資源和衛(wèi)星資源的聯(lián)合觀測模型及約束進行建模。

3.6 基于機器學習的任務規(guī)劃應用技術

在當前大部分地面系統(tǒng)和應用系統(tǒng)中，上行系統(tǒng)和下行系統(tǒng)的業(yè)務流程(見圖1)基本是單向的，下行流程的數(shù)據(jù)處理結果優(yōu)劣往往無法自動反饋至上行流程，或者即使有反饋也是通過人工操作完成的，缺乏必要的系統(tǒng)設計和技術支撐。這種非閉環(huán)、不完整的系統(tǒng)結構也是航天資源使用效率低下的一個重要原因。

閉環(huán)結構是一個良好的衛(wèi)星地面及應用系統(tǒng)設計中所必需的。下行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理結果和評價應能夠通過某種機制和形式存儲在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，并傳遞給終端用戶，以提高任務申請和任務規(guī)劃的效率。豐富的對地觀測數(shù)據(jù)及處理結果，使得基于機器學習的方法有望在衛(wèi)星任務規(guī)劃獲得廣泛應用。

文獻[1]討論了用戶任務需求的智能化理解，本文在此僅列舉兩種可能的機器學習應用。一個是面向目標的任務智能申請，即面向靜態(tài)區(qū)域或動態(tài)目標，根據(jù)該目標的歷史觀測數(shù)據(jù)處理結果及評價，采用機器學習的方法，自動推薦針對該目標的任務申請參數(shù)(如時間、載荷類型、頻率等)或智能生成任務申請，從而達到任務規(guī)劃輸入端優(yōu)化的目標。該應用技術的關鍵在于對任務參數(shù)空間的合理表征以及機器學習算法選擇。另一個應用是根據(jù)特定目標的歷史觀測數(shù)據(jù)處理結果，采用機器學習的方法建立該目標的屬性特征庫。目標屬性特征庫在目標融合識別、任務申請以及任務規(guī)劃具有十分重要的應用。例如，任務規(guī)劃可以屬性特征庫為依據(jù)，自動匹配和選擇最優(yōu)的衛(wèi)星平臺和軌道資源，從而獲得目標的最優(yōu)觀測方案，獲取高質(zhì)量的觀測數(shù)據(jù)，對于提高地面系統(tǒng)的整體效能具有重要作用。

3.7 新型衛(wèi)星任務規(guī)劃技術

衛(wèi)星應用的一個重要發(fā)展方向是經(jīng)濟化、微型化、組網(wǎng)化和智能化。敏捷衛(wèi)星(包括微納衛(wèi)星、皮納衛(wèi)星等)、軟件定義衛(wèi)星[34]、具備在軌自主任務規(guī)劃能力的衛(wèi)星等受到國內(nèi)外廣泛關注，有望在未來航天應用中發(fā)揮重要作用。

這些新型衛(wèi)星目前仍處于探索階段，尚缺乏統(tǒng)一的工業(yè)標準，其市場價值、社會價值和軍事價值也有待明晰。對于衛(wèi)星任務規(guī)劃而言，需要對新型衛(wèi)星的平臺能力(如衛(wèi)星變軌)、載荷類型、觀測模式、數(shù)傳鏈路、安全使用約束等進行有效的數(shù)學建模，需要對星上規(guī)劃和地面規(guī)劃進行有效的功能分離與耦合設計。新型衛(wèi)星的異構組網(wǎng)特點也將更要求從系統(tǒng)整體優(yōu)化的角度出發(fā)，開展任務規(guī)劃的算法與技術的研究。

4 結束語

衛(wèi)星任務規(guī)劃作為衛(wèi)星地面系統(tǒng)的一個組成部分，具有顯著的航天特色。本文立足于衛(wèi)星工程應用實踐，對對地觀測衛(wèi)星的任務規(guī)劃研究現(xiàn)狀進行了綜述，并著重闡述與分析了任務規(guī)劃技術的發(fā)展和應用挑戰(zhàn)。

結合衛(wèi)星任務規(guī)劃的航天應用特點，本文突出了可靠性、可控性、可理解性及架構設計在衛(wèi)星任務規(guī)劃研究與實踐中的重要性。在航天統(tǒng)管統(tǒng)建的新形勢下，本文重點從技術層面對衛(wèi)星任務規(guī)劃實踐面臨的新挑戰(zhàn)進行了較為全面的闡述，包括應急任務規(guī)劃、多系統(tǒng)協(xié)同任務規(guī)劃、高低軌衛(wèi)星聯(lián)合任務規(guī)劃、低軌組網(wǎng)衛(wèi)星任務規(guī)劃一體化、星地協(xié)同任務規(guī)劃、基于機器學習的任務規(guī)劃應用和新型衛(wèi)星任務規(guī)劃等技術挑戰(zhàn)，同時也探討了技術挑戰(zhàn)中的理論問題和可能解決技術途徑。

對這些技術挑戰(zhàn)及其理論問題進行有效的數(shù)學建模和優(yōu)化求解，可有助于推進衛(wèi)星規(guī)劃的相關研究和應用進展。同時，我們也希望本文的研究對于彌合衛(wèi)星任務規(guī)劃在理論研究和工程實踐的分歧與差異、促進理論與實踐的相互融合能起到積極作用。